Устройство для ультразвуковой микросварки

СОЮЗ СОВЕТСКИХШВРРРРМп мпРЕСПУБЛИК ИЮ (11) 3(51) .В 23 К 20/10 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, " ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВМОВТВРЬСТВУ(71) Институт электроники АН БССР (53) 621.791.16.0371088.8) (56) 1. Колешко В.М. УльтразВуковая микросварка. Минск, сНаука и техника", 1977, с. 173-178.2, Авторское свидетельство СССР 9 733741, кл. В 06 В 1/00, 10.03.78 (прототип).(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАВВУКОВ 01 ИИКРОСВАРКИ, содержащее генератор электрических колебанийширокого спектра частот, активныйФильтр, первый и второй буФерныекаскады, усилитель мощности, блоккоммутации и электромеханическийпреобразователь, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повыщения качества сварных соединений,в устройство введены последовательно соединенные генератор специальных Функций, аналого-тиФровой преобразователь, преобразователь кода,преобразователь уровня, а такжесчетчик циклов, при этом вход генератора специальных Функций соединенс выходом блока коммутации и подключен к первому входу усилителя мощ".ности, вход счетчика циклов соединенс входом преобразователя уровня,выход которого соединен с первымвходом активного Фильтра, выходактивного Фильтра через второй буФерный каскад и усилитель мощностиподключен к электромеханическомупреобразователю, выход генератораэлектрических колебаний через первыйбуФерный каскад соединен с вторымвходом активного Фильтра, причемвыход счетчика циклов соединен свходом блока. коммутации.Изобретение относится к технологии электроники, в частности к области сборки электронных приборов,и может быть широко использованопри разработке високоэффективнихустройств для ультразвуковой микросварки элементов акусто,-опто-микроэлектронных и электровакуумных приборов, а также электронних часов.Известно устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее 10задающий генератор электрическихколебаний широкого спектра частот,усилитель мощности и электромеханический преобразователь 11 .Недостатком устройства является 15недостаточное качество и воспооизводимость качества получаемых соединений из-за недостаточно полногоучета Физических процессов, происходящих в зоне соединения при микроснарке.Наиболее близким к изобретени;в . янляется устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный Фильтр,первый и второй буферные каскады,усилитель мощности, блок коммутациии электромеханический преобразователь Е 23.Недостатком известного устройства З 0является низкое качество микроснарных соединений, а также невоспроизводимость сварочного процесса.Цель изобретения - повышениекачества микросварных соединений. З 5Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для ультразвуковой микросварки, содержащеегенератор электрических колебанийширокого спектра частот, активный 40фильтр, первый и второй буферныекаскады, усилитель мощности, блоккоммутации и электромеханическийпреобразователь, внедены последовательно соединенные генератор специальных функций, аналого-циФровойпреобразователь, преобразователькода, преобразонатель уровня, атакже счетчик циклов, прй этомвход генератора специальных Функций соединен с выходом блЬка коммутации и подключен к первому входуусилителя мощности, вход счетчикациклов соединен с входом преобразователя уровня, выход которого соединен с первым входом активного фильтра, выход активного Фильтра через второй буферный каскад и усилитель мощности подключен к электромеханическому преобразователю, выход генератора электрических коле-, 60 баний через первый буферный каскад сОединен с вторым входом активного фильтра, причем виход счетчика циклов соединен с входом блока комму тации, 65 экспериментально определено, что низкочастотная часть спектра акустических колебаний с постоянной спектральной плотностью мощности оказывает превалирующее влияние на процесс пластической деформации присоединяемого проводника, а колебания высокочастотной части спектра в большей степени способствуют упрочнению материала проводника. Для повышения качества микросварных соединенной на начальной стадии микросварки, когда необходимо обеспечить условия пластического деформирования микровиступов и роста Фактической площаци контакта эа счет увеличения количества одиночных точек охватывания, к соединяемым элементам подводят колебания низкочас" тотной части спектра, повышающие степень пластической деФормации соединяемых материалов.Чо мере развития деформации и замедления процесса роста площади контакта спектр ультразвуковых колебаний плавно сдвигают в сторону более высоких .частот. Нри этом заключительная стадия процесса характеризуется эффективным упрочнениемматериала присоединяемого проводника в зоне деформации,что приводит к повышению усилия на разрыв микроснарного соединения.На Фиг, 1 представлена структурная схема устройства; на Фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства,Устройство содержит генератор электрических колебаний широкого спектра частот 1, первый буферный каскад 2, второй буферный каскад 3, активный фильтр 4, усилитель мощности 5, электромеханический преобразователь 6, операционные усилителч 7, частотнозадающие элементы 8, ключи 9, блок коммутации 10 генератор специальных функций 11, аналого-цифровой преобразователь 12, преобразователькода 13, .преоб" разователь уровня 14, счетчик циклов 15. Генератор электрических колебаний широкого спектра частот 1 выполнен в виде задающего каскада, например на шумовых диодах, и предварительного усилителя и позволяет получать на выходе напряжение с постоянной спектральной плотностью. Буферный каскад 2 служит для согласования выходного сопротивления генератора 1 и входного сопротивления фильтра 4. В качестве буферного каскада может быть использован выходной каскад предварительного усилителя. Активный фильтр 4 позволяет производить в процессе ультразвуковой микросварки плавное смещение спектра возбуждаемых колебаний по частотной оси вратор линейного изменяющегося напряжения, выполненный на операцибнном усилителе с интегрирующими ЙС-цепями микросхемы К 140 УД 8йналого-цифровой преобразователь 5 выполняют на триггерах ммитта с использованием интегральных микросхемК 155 ТЛ 1. Преобразователь кода исчетчик циклов выполнены на микросхемах К 155 Лй 1, К 155 ЛАЭ, К 155 ТВ 1.10 Для преобразования уровня применяюттранзисторй КТ 342 В. ПерестраиваеммыйФильтр содержит операционные усилители (К 14 ОУД 8) и транзисторные,МОП-ключи (К 168 КТ 2 й). Точность .15 подбора частотноэадающих элементов( сопротивлений ) 0,1-1. Крутизнафронтов спектра, обеспечиваемаяФильтром, не ниже 60 дБ/октаву. Отклонение крутизны при перестройке 20 фильтра не лревиаает 5-7. 25 30 35 40 45 50 55 60 65 ный каскад 2 на активный фильтр 4, который пропускает колебания определенной полосы частот. Последние через буферный каскад 3 и усилитель мощности 5 передаются на электромеханический преобразователь 6, ультразвуковые колебания которого вводят в зону соединения элементоВ интегральных микросхем. Одновременно изменяющееся напряжение с выхода генератора специальных Функций 11 поступает на аналого-циФровой преобразователь 12, затем на преобразова тель кода 13 и преобразователь уровня 14. Импульсы двоичного кода с выхода преобразователя уровня 14 подаются на ключи 9 активного Фильтра 4, тем саьюм подключая в опреде-; ленной последовательности частотно задающие элементы 8 к операционным усилителям 7, что приводит к йостепенному изменению амплитудно- частотной характеристики Фильтра и смещению спектра пропускаемых фильтром колебаний. После определенного числа циклов смещения спектра с выхода счетчика циклов 15 импульс напряжения поступает на блок коммутации 10, с помощью которого производится автоматическое прекращение мнкросварки.Устройство для ультразвуковой микросварки позволяет получать амплитудно-частотную характеристику Фильтра, следовательно, спектр вводимых в зону соединения акустических колебаний с больиой крутизной Фронтов, для чего Фильтр выполняется .многоэвенным. Каждое звено Фильтра обеспечивает увеличение крутизны примерно на 6 дБ/октаву, Кроме того, в данном устройстве обеспечивается смещение спектра на малые промежутки времени (единицы - десятки миллисекунд) и высокая кратность изменения соедней частоты спектра ( К = 1 О /1 ОО 10)Это обеспечивается возможностью синхронной перестройки всех звеньев Фильтра, причем с достаточно высокой степенью идентичности изменения частотноэадающих цепей Фильтра, а также возможностью использования быстродействующих ключей, например на МОП-транзисторах, время переключения которых -0,3 мкс.Таким образом, смещение спектра акустических колебаний в течение процесса ультразвуковой микросварки в сторону высоких частот позволяет более полно учесть Физические процессы в зоне соединения, эффективно .стимулировать эти процессы и тем самым повысить качество и стабильность качества получаемых контактов интегральных микросхем.В качестве генератора специальных Функций был использован генеРазработанное устройство применяют для микросварки алюминиевой проволоки диаметром 35 мкм с алюминиевыми пленками, легированными редкоземельными металлами, толщиной 1 мкм на подложках иэ кремния. Используют широкополосный ультразвуковой генератор ка основе скачкообразного смещения границ доменов в Ферромагнетиках при их медленном перемагничивании, а широкополосную ультразвуковую колебательную систему с согласованным изменением волновых сопротивлений ее элементовСтатическое усилие сжатия соединяемых элементов равно 0,4 Н, длительность процесса микросварки 0,03 с. При выборе Фв60 кГц/1 но = 40 кГц, 1 = 80 кГц,1,5/е 90 кц, тН = 70 кГц,110 кГц/получены гистограммы6распределения механического усилия на разрыв.микросварных соединений под углом 45 О к плоскости зоны микросваркч. Эдесь 1 ив, 1 щ, 90,значения нижней и верхней граИниц спектра возбуждаемчх колебаний в начальный и конечный моменты процесса микросварки. При 1 п1 линейное изменение средней частоты спектра) максимум кривой распределения приходится на 0,20-0,21 Н, а коэффициент .вариации прочности равен л 10-12 При щ90-100 (плавное увеличение 1 О в начальный момент процесса микросварки и затем более резкое изменение 1 в к концу процесса) усилие на разрйв соединений ниже на 10-15 и составляет 0,18-0,19 Н. Снижение прочности соединений в данном случае происходит эа счет увеличения деформации проводника и разупрочнения его материала, так как в зону соединения более длительное время .вводятся колебания низкочастотной части спектра. При 0,011058743 8чмальном значении В, достигаетл 93 когезионной прочности на разрывприсоединяемого проводника, в товремя как прн микросварке беэ сдвига спектра ультразвуковых колебаний5 прочность соединений Равна 75-80когезионной прочности проволоки.Зкономический эФфект от.испбльзования разработанного устройствав проюыленностн при сборке больыихО интегральных микросхемзаключается вповыаении качества сварным соединений,Р резкое увеличение .1 в начальный момент процесса микросварки н болееплавное смещение спектра на конце процесса) максимум кривой распре; деления усилия" на разрыв соединения приходится на 0,23-0,24 Н. Выбор величины К 45, а также й = 25 позволяет увеличить усилие на разрыв соединения до л 0,26 Н. Следова-, тельно, прочность микросварных соединений, полученных с использованием предлагаемого устройства при опти- Юм.331