Устройство для моделирования нагрузки ультразвуковой системы

Соко СоветскикСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДИТИДЬСТВУ ц 899304(Ьаударатмккыа какктат СССР аа делан нэабретенкк н аткрыткй(5 З) УДК 621. 791, .16.037(088.8) Опубликовано 23,01.82. Бтоллетень ЭВ 3 Дата опубликования описания 25. О 1. 82(72) Авторы изобретения В.И. Колешко, А.В. Гулай и Л.И. Бендаржерский Институт электроники АН Белорусской ССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОДЕЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИСТЕМЫпо верхней детали, сопротивление потерь на скольжение в месте контактадвух деталей шунтирует цепь на входево вторую деталь, а сопротивление потерь на скольжение в зоне контактас опорой шунтирует входное сопротивление опоры 13Недостатком данной модели являетсяее сравнительно низкая точность, таккак при ее построении рассматриваютсятолько некоторые механические эффекты, наблюдающиеся при ультразвуковоймикросварке, и совсем не затрагиваются физические процессы в соединяемыхматериалах, хотя данные процессы вносят преобладающий вклад в импеданс соединения. Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для электрического моделирования механической нагрузки ультразвуковых систем, например микросварочных, при исследовании и разработ- а ке микросхем и электронных наручных часов.Известна модель микросварного соединения, состоящая из последовательно соединенных активного сопротивле 10 ния верхней детали в зоне контакта ее со сварочным инструментом, эквивалентного реактивного ( емкостного или индуктивного) сопротивления верхней дет 5 тали, приведенного к месту приложения силы, активного сопротивления, приведенного к зоне контакта нижней детали, эквивалентного реактивного сопротивления нижней детали, комплекс 20 ного входного сопротивления опоры. Кроме того, на входе вся цепь шунтируется активным сопротивлением проскальзывания сварочного инструмента Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее ультразвуковой генератор с нескольких моделей на" грузки, состоящий из параллельно со,единенных последовательных резонанс 3 89930Йых контуров и контура, состоящегоиз индуктивности .21,Однако известное устройство не потзволяет с достаточной степенью точности моделировать нагрузку ультразвуковой системы при механической об+работке материалов, например примикросварке элементов интегральныхмикросхем, так как оно не содержитэлектрического аналога пластической Ю,цеформации, происходящей в процессеобработки.Цель изобретения - повышение точности моделирования при оптимизациирежимов сварки, 1 ФПоставленная цель достигается тем,что в устройстве, содержащем ультраЗвуковой генератор и несколько моделей нагрузки, состоящих из параллель"но соединенных последовательных резо- рОНансных контуров и контура, состоящего из индуктивности, каждая модельНагрузки содержит последовательно соединенные преобразователи частотанапряжение, при этом входы преобразователей частота-напряжение подключеныК выходу ультразвукового генератора,а выхоцы преобразователей напряжениесопротивление включены в контуры, состоящие из индуктивности. ЗбНа фиг. 1 представлена схема ультразвуковой системы с моделируемой механической нагрузкой; на фиг. 2схема устройства для электрическогомоделирования механической нагрузки,Устройство содержит присоединяемый вывод 1, контактную площадку 2, подложку интегральной микросхемы 3;. эвтектический слой 4, корпус интеграль 40 ной микросхемы 5, опора 6, (элементы 1-6 представляют собой нагрузку ультразвуковой системы) генератор 7 электрических колебаний, электромеханический преобразователь 8, концентратор 9, сварочный инструмент О, пре 45 образовтель 11 напряжение-сопротивление, преобразователь 12 частота-напряжение, добавочное сопротивление 13, измерительное устройство 1 ч, электрические модели 15 элементов нагрузки 1-6.Изобретение основано на использова - нии явления рассеяния средой энергии механических колебаний. Этот подход основан на замене реальной среды рео-. фф логической моделью, которая отражает релаксационные процессы, протекающие в элементах микросварного соединения. Данные процессы описываются моделью1 ельвина-фойгта, характеризующей вяз 1ко-упругое твердое тело. С целью обобщения модели взят набор из трех средФойгта, затем в одной из них вязКость принята равной нулю, что соответствует твердому телу, способномуК мгновенной упругой деформации, ав другой среде упругость принята рав+ной нулю, что учитывает пластическиедеформации в элементах микросварногосоединения, При этом модель объясняет свойства материалов, начиная оточень жесткого твердого состояния иясно выраженного запаздывания упруго"го смешения и кончая вязким течением 4После учета зависимости динамическогоПоведения соединяемых материалов не1 олько от действия упругих сил, нотакже и от сил инерции, система дифференциальных уравнений, описывающихрелаксационные процессы в материалах,имеет вид Я = С",+иа(с)йР (1)6(О = Г (с) +, Р /П+= 6 (с)++(4)где 6 (1) - механическое напряжение;Я (С) - деформация;в - коэффициент инерции;модуль упругости",1, - линейная вязкость1 ф" нелинейная вязкость.Индексы 1, 2, З.при Е(С) соответствуют составляющим деформации вкаждой из трех сред.Набору из трех сред поставлена всоответствие электрическая модель,состоящая из трех последовательныхрезонансных контуров, которые соединены параллельно, причем один из названных контуров вырожден по емкости. В электрической модели индуктивность 1. соответствует я, емкость Сподатливости 3 , а сопротивления Р иР - вязкостиипричем Р1/Г(1 - частота ультразвуковых колебаний), Для реализации Р в устройствовведены последовательно соединенныепреобраэ:ователи частота-напряжениеи напряжение-сопротивление.1(аждый элемент микросварного соединения 1-6 моделируется с помощьюнабора 1,5 из трех последовательныхрезонансных контуров (1.-С 1; 1 -С 1-Р,Ц -Р 1), где 1 1, 26 - номер30 5 899 элемента нагрузки ультразвуковой сис+ темы. Один из контуров (1-Й) вырожден по емкости и содержит индуктивность ., и активное сопротивление Й 1 обратно зависящее от частоты, функции которого выполняет преобразо" ватель 11 напряжение-сопротивление, вход которого подключен к выходу пре" образователя 12 частота-напряжение. Электрическая модель подключена к О выходу генератора 7 электрических ко, лебаний через добавочное сопротивле- ;ние 13. На входе модели включено измерительное устройство 14.Величины индуктивностей Ц в ре зонансных контурах модели емкостей С 1;, резисторов К 1 и К рассчитывают с использованием следующих выражений. = ЯР 3/1 (5) 20йС = я 1/Ез (б)й = щ 1 дахр(0/1 Т)Е 5/1 (7)й" = тЕ 5/2 й 1, (8) где п 1,ш ,п - масштабные коэффициентьц 251, В - соответственно толщина на и площадь элементамикросварного соединенияЛ Р" Л 1- длина дислокации между узлами дислокационной сетки;- частота колебанийперегибов;ФЪ- частота Дебая 10 с - вектор Бюргерса; - ширина перегиба1040среднее расстояниемежду закрепляющимито-ками дислокации;энергия связи междувакансиями и дисло 45кациями;- постоянная Больцманатемпература,304 4 При подаче электрических колебаний выхода генерат ра 7 на вход элект" ромеханического преобразователя 8механические колебания последнего спомощью ценцентратора 9 и сварочногоинструмента 10 вводятся в зону соедийения проволочного вывода 1 с контактНой площадкой 2. При этом элементы 1-6микросварного соединения являются наГрузкой ультразвуковой системы 7-10,величину которой учитывают как привыборе технологических режимов работы системы, так и при ее конструировании,Использование электрической модели для определения параметров микросварного соединения производится сле-,дующим образом. Устройство для моделирования нагрузки подключают к выходугенератора 7 электрических колебанийчерез добавочное сопротивление 3,С помощью измерительного устройства 14определяют входной импеданс модели7 у,.по величине которого становитсяизвестен входной механический импеданс микросварного соединения 7, извыражения 7. = щ 7 М (9) где в - масштабный коэффициент.Варьируя величину одного из элементов электрической модели определяют 7 , что равнозначно измерению 7 н при изменении параметров соответствующего элемента нагрузки ультразвуковой системы.Использование устройства для моделирования нагрузки позволяет оперативно исследовать входной механический импеданс соединений, который практически, невозможно измерить экспериментально.Предлагаемое устройство позволяет исследовать процессы микросварки на низких частотах, когда микросварное соединение представляет собой систему с сосредоточенными параметрами, а также и на высоких частотах, когда микросварное соединение является системой с распределенными параметрами.В качестве преобразователя 12 час 50 тота-напряжение может быть использо-. ван емкостный делитель напряжения с Выпрямителем или частотный дискриминатор, а преобразователем 11 напряжение-сопротивление может служить уси 55 литель постоянного тока Или оптрон (фоторезистор, управляемый светодиодом). формула изобретения Устройство для моделирования нагрузки ультразвуковой системы, преимущественно при микросварке, содержащее ультразвуковой генератор и нескольких моделей нагрузки, состоящих из параллельно соединенных последова 7 899304 8тельно резонансных контуров и контура, азователей напряжение-сопротивлениесостоящего из индуктивности, о т л и ,включены в контуры, состоящие из инч а ю щ е е с я тем, что, с целью дуктивности,повышения точности моделирования при Источники информации,оптимизации режимов сварки, каждаяпринятые во внимание при экспертизеМодель нагрузки содержит последова. Грачев А.А Кожевников А,П.,тельно соединенные преобразователи Лебига В.А. и Россошинский А,А, УльтРаиастота-напряжения и преобразователи звуковая микросварка. Г 1 "Энергия".напряжение-сопротивление, при этом 1977, с.93-96, 149-155,входы преобразователей частота-на- Ф 2. Скучин Е. Простые и сложные ко"пряжение подключены к выходу ультра- лебательные системы, Г 1 "Мир", 1971,звукового генератора, а выходы преоб с, 5 б (прототип),Составитель Б, КатниРедактор Г. Волкова Техред Г 1. Надь Корректор Н СтецЗаказ 12018/17 Тираж 1150 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРно делам изобретений и открытий113035 Иосква, Я, Раушская наб., д, 4/5Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4