Способ ультразвуковой микросварки

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 1206,78 (21) 2626519/25-27 с присоединением заявки йо В 23 К 20/10 Государственный квинтет СССР но Аман необретеннй н открытий(54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ Способ относится к ультразвуковой микросварки и может быть использован при сборке полупроводниковыхприборов и интегральных микросхем.Известен способ ультразвуковойсварки с регулированием сварочногодавления, предусматривающий приложение непрерывно увеличивающегося сварочного усилия, подачу ультразвуковой. энергии в ходе приложения сварочного усилия, прекращение действиясварочного усилия и отключение источника энергии колебаний 1,Известен также способ ультразвуковой микросварки, при котором к . 15свариваеьым деталям сначала прикладЫвают статическую нагрузку, вводятультразвуковые колебания, измеряют,скорость осадки сварочного инструмента, а затем воздействием динамической нагрузкой 2,Недостатком указанных способовявляется то, что они не гарантируютвысокое качество присоединения проводника, так как момент приложениядинамической нагрузки определяетсяэмпирически, хотя кинетика проте",кания пластической деформации Проводника, а следовательно, и прочностьконтактов изменяется от сварки к 30 сварке и зависит от ряда факторов.В связи с этим при сварке возможныслучаи, когда образование зон взаимодействия наблюдается в основномв виде эллипса на периферии контакта с наличием большой мертвой зоныв центре контакта или возникновением дополнительных боковых зон охватывания с образованием наружногоэллипса; Причем в последнем случае,как правило, между внутренним и наружным эллипсам плотность очаговвзаимодействия минимальна или эонавзаимодействия отсутствует вовсе.Многократное приложение нагрузкив процессе сварки приводит к проявлению зон схватывания в виде нескольких эллипсов, при этом междукольцами плотность очагов взаимодействия также минимальна. Такимобразом, многократное приложениенагрузки в виде нескольких импульсов или одного импульса большойвеличины беэ учета кинетики пластического течения металлов и, следовательно, без учета характера изменения скорости пластической деформации проводника не приводят к заметному повышению качества сварныхсоединений,Цель изобретения - интенсификация процесса ультразвуковой микросварки и повышение качества соединений.Поставленная цель достигаетсятем, что динамической .нагрузкойвоздействуют на стадии упрочнениясвариваемых материалов в момент достижения скоростью осадки сварочного инструмента первого экстремального значения.На фиг.1 приведен график зависимости скорости осадки сварочногонаконечника Ч, амплитуды ультразвуковых колебаний и площадей очаговвзаимодействия Яр во времени пристатическом нагружении сварочного наконечника; на фиг.2 " график зависимости скорости осадки сварочного наконечника Ч, характера изменения нагрузки не сварочный наконечник Р иплощадей очагов взаимодействия Я впроцессе сварки; на фиг,3 - схемаустройства для осуществления способа,Осуществление способа заключаетсяв следующем,К сварочному инструменту прикладывают статическую нагрузку Р, послечего в зоне соединения подают импульсультразвуковых колебаний. Под действием усилия нагружения и ультразвуковых колебаний происходит снятиемикрошероховатостей соединяемых материалов и сцепление сварочного наконечника с присоединяемым проводником. Вследствие внутреннего и внешнего трения свариваемые детали разогреваются и интенсивно деформируются. Течение присоединяемого проводника приводит к резкой концентрациикасательных напряжений в зоне контакта проводник-пленка и разрушениюокисных пленок на границе их раздела. Окисные и ацсорбированные пленкивыносятся на периферию контакта, ав зону соединения выходят чистые металлы, между которыми зарождаютсяпервые очаги взаимодействия, На данном этапе происходит возрастаниесопротивления горизонтальным колебаниям инструмента из-за образованияпрочных металлических связей проводник-пленка, что приводит к снижениюамплитуды ультразвуковых колебанийЕ (фиг.1) и упрочнению материаловвследствие роста скорости деформации.Все это вызывает уменьшение скорости осадки сварочного наконечника Ч,что в свою очередь оказывает влияниена кинетику взаимодействия контактирующих поверхностей и замедляетсварочный процесс, Поэтому для интенсификации образования соединения вмомент со, когда скоростьосадкисварочного наконечника Ч достигаетпервого экстремального значения,прикладывают .динамическую нагрузкуР которая носит нарастающий харакнтер, со скоростью 3-20 - (фиг,2), При приложении динамической нагрузки в момент первого экстремального значения осадки наиболее рациональноиспользуются силы контактного трения,так как к этому моменту соединяемые поверхности получают достаточную активацию для интенсивного образования очагов взаимодействия, однако для образования прочного соединения необходима дополнительная энергия активации для слияния очагов взаимодействия в плоскости и объеме зоныконтакта.Для получения сварных соединенийиспользуются алюминиевые лепестковые выводы, толщиной 30, 40, 50 и 15 60 мкм и кристаллы интегральных схемс алюминиевой металлизацией,В момент достижения скоростьюосадки первого экстремального значенияприкладывают динамическую на 20 грузку, а сварку прекращают при деформации привариваемого проводника45-50,Предлагаемый способ реализуетсяв устройстве, включающем датчик25 перемещений, который представляетсобой первичный преобразователь 1 наэффекте Холла, усилитель 2, дифференциаторы 3 и 4, компаратор 5, генератор б пилообразного напряжения,механизм 7 динамического нагружения,блок 8 регулирования величины деформации, ультразвуковой генератор 9,Устройство работает следующимобразом.35 Сигнал от датчика 1 перемещений,который характеризует деформациюпривариваемого проводника во времясварки, поступает на вход усилителя2 и для определения скорости осадкисварочного инструмента усиленный40 сигнал дифференцируется дифференциатором 3. Эатем сигнал с выхода дифференциатора 3 повторно дифференцируется дифференциатором 4 и подаетсяна вход компаратора 5, который в мо 45 мент равенства нулю производной отскорости осадки сварочного наконечника, что соответствует достижениюскоростью первого экстремальногозначения, отрабатывает сигнал на50 запуск генератора б пилообразногонапряжения, формирующего нарастающийимпульс напряжения, который поступает на механизм 7,цинамического нагружения, содержащий, например электромагнит,кинематически связанный сосварочной головкой, механизм 7 осуществляет подачу динамической нагрузки на свариваемые материалы, приэтом блок 8 регулирования величиныдеформации, вход которого подключен60 к выходу усилителя 2, а выход - ковходу генератора б пилообразногонапряжения и ультразвукового генератора 9, отключает последние в момент достижения деформации привари 65 ваемого проводника 45-50 ,Филиал г.ужг Фое 5 П р и м е р . При приварке апюминиевых лепестковых выводов, толщиной 60 мкм к металлиэированному кремнию предварительная нагрузка составляет 1 Н, момент введения дополнительной нагрузки от начала включения ультразвуковых колебаний 0,01 с, скорость ввода дополнительной нагрузки 9 Н/с, время сварки 0,08 с, При этом средняя прочность соединений составляет 13 г, а коэффициент вариации прочности - 17. Формула изобретения Способ ультразвуковой микросварки, при котором к свариваемым деталям прикладывают статическую нагрузку, вводят ультразвуковые колебания,НИИПИ Заказ 124/20ираж 1159 Подписно измеряют скорость осадки сварочногоинструмента, а затем воздействуютдинамической нагрузкой, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью интенсификации процесса и повышения качест"ва соединений, динамической нагруз"кой воздействуют на стадии упрочнениясвариваемых материалов в момент достижения скоростью осадки сварочногоинструмента первого экстремальногозначения.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США Р 3610506,кл, 228-1 1972.2 Мазур А.И. и др. Интенсификация процесса образования соединенияпри ультразвуковой сварке, - фСварочное производство, 1973, 9 8,с. 24-26,