Способ регулирования процесса ультразвуковой сварки

(51)5 В 23 К 20 ПИСАНИ ОБРЕТЕНИЯ АВТО МУ СВИДЕТЕЛЬСТ ов, А.П.Рыдзе во СССР , 1976,АНИЯ ПРОЦЕС- АРКИся к технологииможет быть исдстве элементов зобретения - па- сти сварки и Восультразвука льзовано прнтегральны повыш воспр сварны Целью изобретения является е. Ние производительности сварки и оизводимости прочности х соединений,Цель достигается тем, что при регулировании процесса ультразвуковой сварки по амплитуде колебаний сварочного инструмента ультразвуковые колебания вводят в зону сварки одновременно с приложением возрастающего от нуля усилия нагружения, а в момент спада амплитуды колебаний до заданного значения измеряют усилие нагружения, сравнивают его с заранее установленным значением и в случае несоответствия производят корректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВСА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВ,57) Изобретение относитультразвуковой сварки ипользовано при произвоинтегральных схем, Цель ивышение производительно Изобретение относитсявой сварке и может быть ис производстве элементов схем,производимости прочности сварных соединений, Ультразвуковые колебания вводят в зону сварки одновременно с приложением возрастающего от нуля усилия нагружения, В момент спада амплитуды колебаний до заранее установленного значения производят измерение усилия нагружения и сравнивают его с заранее установленным значением. По сигналу рассогласования производят корректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля. Зависимость между скоростью спада усилия нагружения и величиной рассогласования устанавливают экспериментально. 1 ил. На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего способ.Суть способа заключается в следующем.Сварку начинают путем одновременного ввода ультразвуковых колебаний и возрастающего от нуля усилия нагружения.Касание свариваемых деталей с нулевой нагрузкой при ее дальнейшем росте, с одной сторочы, позволяет исключить вибрации сварочной головки и не требует задержки для их успокоения, с другой стороны, приводит к стабилизации удельной нагрузки в зоне сварки на протяжении всего процесса образования сварного соединения, а следовательно, и к повышению воспроизводимости прочности сварных соединений, Так, введение большого статического усилия нагружения в начальный момент контактирования сварочного инструмента со свариваемыми деталями, когда еще не про 1655724изошла заметная деформация привариваемого проводника, приводит к резкому повышению удельной нагрузки, что может вызвать сколы и трещины полупроводникового кристалла, снижение же удельной на-.грузки в процессе сварки вследствие увеличения площади контакта из-за деформации проводника приводит к снижению таких интенсифицирующих факторов сварочного процесса, как касательные напряжения в зоне сварки, и в итоге к увеличению времени на образование сварного соединения, а следовательно, к уменьшению производительности,В дальнейшем, в процессе сварки, па мере увеличения усилил нагружения, амплитуда колебаний сварочного инструмента уменьшается, и в момент спаца ее до заранее установленного экспериментальнага значения производят измерение усилия нагружения и сравнение его с заранее установленным экспериментальным значением усилия нагрукения. Значения заранее установленных уровней амплитуды колебаний и усилия нагружения определяот при сварке эталонных материалов, прошедших полную . технологическую обработку (отжиг прива риваемого проводника, очистку от жировых пленок полупроводниковых материалов и т,д,) в условиях электронно-Вакуумной гигиены по критерию наибольшей прочности сварных соединений при деформации привариваемого проводника 40 - 50 4.Если в процессе сравнения выяснилас:., что усилие нагружения измеренное не превышает заранее установленного, то усилис нагружения на свариваемые детали сразу же снижают до нуля, в противном случае усилие нагружения снимают со свариваемых деталей постепенно со скоростью, зависящей от величины рассогласования между значением измеренного усилия нагружения и заранее установленного. Появление несоответствия измеренного усилия нагружения по отношению к заранее установленному происходит вследствие загрязнения свариваемых поверхностей, что вызывает изменение условий образования сварного соединения, ипри игнорировании этого факта приводит к недовару сварного соединения.Более подробно сказанное выше обьясняется следующим образом. В процессе образования сварного соединения амплитуда колебаний сварочного инструмента снижается по двум причинам, Первым фактором является возрастающее в процессе сварки усилие нагружения на свариваемые детали,которое воздействуе на ультразвуковой преобразователь и снижает амплитуду ко лебаний сварочного инструмента. Вторым фактором являются тангенциальные силы,защемляющие сварочный инструмент па мере образования сварного соединения. Поэтому, если свариваемые поверхности загрязнены, схватывание между соединяемыми материалами происходит менее интенсивно, чем при сварке на чистых поверхностях, а тангенциальные силы также уменьшаться, поэтому на загрязненных 5 10 поверхностях спад амплитуды колебаний происходит преимущественно из-за увеличения усилия нагружения, которое в этом случае при дасти: внии амплитудой колебаний заданного значения будет больше, чем при сварке на эталонных материалах а сварное соединение не будет иметь максимальную прочность, Для получения качественнага сварного соединения в данном слу ",ае сварное соединение даваривается путем постепенного уменьшения усилия нагружения да нуля са скоростью, определяемой по величине рассогласования заданного усилия нагружения, измеренного в момент достижения амплитудой колебаний инструмента заданной величины. 20 П р и м е р. В процессе сварки присоединялся алюминиевый проводник, легираванный кремнием, диаметром 35 мкм к алюминиевой контактной площадке толщиной 1 мкм, напыленной на кремниевом кристалле. Сварка производилась ультразвуковым генераторам с автаподстрайкой резонансной частоты, который в процессе рабаты постоянно включен на рабочей мощности, Да касания сварочного инструмента са свариваемыми деталями, т.е. при работа в холостом режиме, амплитуда колебаний сварочного инструмента равна 1,4 мкм. В подбирали режимы сварки путем изменения скорости приложения сварочной нагрузки и ультразвукового воздействия к свариваемым материалам, исходя из условия, что деформация привариваемого проводника должна составить 45-50 О, а прочность соединения должна быть максимальной и близкой к усилию разрыва праволаки Максимальная прочность соединений получена при спаде амплитуды колебаний сварочного инструмента до 1,1 мкм, при этом нагрузила на свариваемые детали воз 50 росла до 18 г, а скорость нарастания нагрузки составила 7200 г/с, При сварке на загрязненные поверхности нагрузка на сва. риваемые детали возрастала до 26 г, Экспериментально установлено, что между величиной нагрузки, соответствующей моменту достижения амплитудой колебаний 40 процессе сварки на эталонных материалахные путем измерения для различных 40 50 55 заданной величины (1,1 мкм), и скоростьо снижения нагрузки до нуля, при котором происходит довар соединения, существует линейная зависимость, которая аппроксимируется зависимостью чр = 7200-1 Ь Р, где чр - скорость снижения нагрузки; Ь Р - разность между измеренной и заданной нагрузкой; 1=450 /с.Так при разности между измеренной и заданной нагрузкой 4 г скорость снижения нагрузки составила 5400 г/с, прочность соединения при этом составила 1 б г,Устройство, реализующее способ, состоит из шагового привода 1, ультразвукового поеобрэзователя 2, датчика 3 нагрузки, упругой балки 4, на одном конце которой закреплен ультразвуковой преобразователь 2 и датчик 3 нагрузки, а второй кинематически жестко связан с шаговым приводом 1, и последовательно соединенных ультразвукового генератора 5, первого усилителя б, первого эналого-цифровсго преобразователя 7, микроЭВМ 8 и коммутатора 9 фаз, атакже последовательно соединенных второго усилителя 10 и.второго аналого-цифрового преобразователя 11, при этом ультразвуковой преобразователь 2 подклочен к ультразвуковому генератору 5, датчик 3 нагруз:. и - к входу второго усилителя 10, выход второго аналого-цифрового преобразователя 11 - к второму входу микроЭВМ 8, а выход коммутатора 9 фаэ - . к шаговому приводу 1. причем на третий вход микро- ЗВМ 8 подан пусковой сигнал. Экспериментально установленные значения амплитуды колебаний ,ад усилия нэгружения Рзад и зависимос и скорости спада усилил нэгрукения ст величины рэс согласования усилия нагрукения, полученсочетаний свэриваемых материалов и диаметров присоединяемого проводника, вводятся в долговременнуюпамять микро- ЭВМ 8.Оператор устанавливает режим работы микроЭВМ 8 для конкретных сваривэемых материалов и диаметра п.рисоединяемого проводника и подает пусковой сигнал нэ третий вход микроЭВМ Р. МикроЭВМ 8 ком. мутирует коммутатор 9 фаз, через который запускается шаговый привод 1 с частотой аЬ, кинематически жестко связанный с упругой балкой 4, на втором конце котооой закреплен ультразвуковой преобразователь 2, опуская последний в позицию саарки, при этом ультразвуковой генератор 5, соединенный с ультразвуковым преобразователем 2, постоянно включен, возбуждая ультразвуковой преобразователь 2 на рабо 5 10 15 20 25 30 чей мощности с амплитудой, и, В момент касэнил сварочного инструмента со свариваемыми деталями упругая балка 4 воспринимает нагрузку, создаваемую шаговым приводом 1, при этом госкол;.ку между нагрузкой и перемещением упруой балки существует пропорциональная зависимость, то величинэ перемецения шагового привода 1 после касания характеризует нагрузку на сваривэемые детали, В процессе деформирования приваривэемого проводника амплитуда колебаний инструмента и усилие нагрукения изменяются и регистрируются да-чиками; первая - с помощью токового резистора уль-развуковоо генератора 5, второе - с помощью те 1 зодэтчикэ 3, закрепленного на упругой балке 4,Сигналь одатчиков усиливаклся усилителями 6., 10 и преобразуются в цифровой ход аналого-цифровыми преобразователями 7, 11, г;осле чего поступэот на микро- ЭБМ 8. МикроЭВМ 8 анализирует. текущие знэче- ия датчиков по алгоритму, введенному в память микроЭВМ 8. В случае, если измеренное значение усилия нагружения не превысит заданного микроЭВМ 8, коммутирует коммутатор 9 фээ в обратном коде с максимально возможной частотой для данного типа шагового привода 1, возвращая шаговый привод 1 в исходное состояние.Если же измеренное значение усилия нагружены превышает заданное, микроЭВМ 8 анализирует рассогласование между этими величинами, сравнивает его с занесенными в пэмя.гь микроЭВМ 8 значениями и по резул ьтату вычислений коммутирует коммутатор фэз 9 с частотой, при которой скорость спада усилил нагружения соответствуе, заранее определен-ойПосле спада усилия нагружания до нуля, т.е. при отрыве сварочного инструмента от свариваемых деталей микроЭВМ 8, начинает коммутировать коммутатор 9 фаз с максимально возможной частотой, пока шэговый привод 1 не возврат тится в исходное состояние,Использование изобретения позволяет повысить производительность сварки на 10-20;ь за счет исклочения задержек на успакоечие сварочной головки и сокращения времени сваоки,"Формула изобретенияСпособ регулирования процесса ультразвуковой сварки, при котором в зону сварки в водят ул ьт раз вуковы е . колебания, создают нэгружения и измеряют амплитуду колебаний сварочного инструмента, о т л ил а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения производительности и стабильности выходных характеристик процессь, ультразвуковые колебания вводят в зону сварки1655724 8 Составитель В,ПокровскийТехред М,Моргентэл Корректор Т,Палий Реда тк Заказ 2019 Тираж 524 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Жи Раушская нвб., 4/5 тел кокай коиоинат "ПатЕнт", г, Ужгород, ул Гагарина, 101 аизводственно одновременно с возрастающим от нуля усилием нагрузки, а в момент спада амплитуды колебаний до заданного значения измеряют усилия нагружения, сравнивают его с заранее установленным значением и по ре.зультатам рассогласования производят кор.ректировку скорости спада усилия нагружения при его уменьшении до нуля.5