Способ контроля качества сварных соединений при контактной микросварке

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 2 9) 23 К 11 10,31 0 САНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ паика в е радио, чечной и иностроларки кро- ленно- че- рке ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Назаров Г.В. и др. Сваркимикроэлектронике. М,: Советск1969, с. 14-18.Орлов Б,Д. и др. Контроль троликовой электросварки. М.: Машение 1973, с. 204-205. 4) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ КОНТАКТНИКРОСВАРКЕ Изобретение относится к сварке, к о сти сборки микросхем и микросборок, и жет. быть. использовано в технологии сва выводов и перемычек микросхем и ми сборок в радиоэлектронной промыш ности,Цель изобретения- расширение тех логических возможностей путем обеспе ния контроля качества при микросва расщепленным электродом. На фиг.1 представлен расщепленный электрод: на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - вид по стрелке А на фиг.2; на фиг.4 - вид по стрелке Б на фиг.2; на фиг.5 - схема осуществления способа; на фиг.б. - осцилло-граммы импульса сварочного тока и степени деформации тензочувствительных элементов; на фиг.7 - 9 - схема получения бездефектного сварного соединения и деформация токоподводов,Технология способа состоит в следующем. 2(57) Изобретение относится к микросварке, в частности к способам контроля качества сварных соединений при контактной микро- сварке расщепленным электродом, и может найти применение в радиоэлектронной промышленности. Целью изобретения является расширение технологических возможностей, За счет установки на токоподводящие элементы сварочного электрода тензочувствительных элементов для регистрации в процессе сварки деформации токоподводов сварочного электрода обеспечивается контроль величины остаточных механических напряжений в материале деталей сварных соединений, 9 ил. Для выполнения контактной микро- сварки берут расщепленный электрод, содержащий токоподводящие элементы 1 и 2, разделенные изоляцией 3 толщиной а. Эти части жестко зафиксированы изоляционной втулкой 4.Рабочие поверхности 5 обоих токоподводящих элементов сварочного электрода (размер рабочих поверхностей токоподводов 1, 2 соответственно Ьхс 1 и Ьхс 2) расположены в одной плоскости и обеспечивают формирование рабочей поверхности электрода для сварки с размерами ЬХЬ, На токо- подводы сварочного электрода установлены (приклейкой, приваркой, пайкой) тензочувствительные элементы б, 7, выводы которых подсоединяются к контактным площадкам 8, расположенным на поверхности изоляционной втулки 4.При установке тензочувствительных элементов 6, 7 на токоподводы 1, 2 сварочного электрода тензочувствительные элементы ориентируют таким образом, чтобйпо изменению их тензочувствительных параметров обеспечивалась возможностьрегистрации деформации (изгиб) токоподводов сварочного электрода, обусловленная деформацией материалов свариваемыхдеталей при сварке. Тензочувствительныеэлементы устанавливаются не ближе расстояния Иман до рабочей поверхности сварочного электрода,Расстояние йи, устанавливают из соотношения Иман е, где е - максимальновозможная глубина погружения токоподводов сварочного электрода в материал свариваемых деталей в процессе сварки,Установка тензочувствительных элементовна токоподводы 1, 2 с учетом приведенногосоотношения исключает воэможность ихповреждения в процессе сварки,При сварке (см. фиг.5) сварочный электрод устанавливают рабочими поверхностями токоподводов на поверхностьпроводника 9, который приваривают к контактной площадке 10, расположенной наподложке 11. Затем детали сварного соединения (9, 10) нагружают через токоподводы1, 2 усилием сжатия Р.При калибровке обеспечивают оценкучувствительности установленных на токоподводы тензочувствительных элементов 6,7. При этом сварочный расщепленный электрод токоподводами 1, 2 устанавливают напроводник 9, предварительно закрепленный сваркой на спае измерительной термопары, которую располагают на поверхностинагревателя.Контроль ЗДС на термопаре в процессекалибровки тензочувствительных элементов осуществляют микровольтметром, измерение параметров тензочувствительныхэлементов, установленных на токоподводы1, 2 сварочного электрода - тензостанцией;Прижим электрода в процессе калибровки кповерхности проводника 9 осуществляют сусилием Р.Сварочный расщепленный электрод устанавливают (см, фиг.5) рабочей поверхностью 5 токопроводящих элементов 1 и 2,разделенных изоляционным промежутком3 и жестко закрепленных в изоляционнойвтулке 4, на поверхность привариваемогопроводника 9, расположенного на контактной площадке 10 подложки 11.Необходимое усилие сжатия Р свариваемых деталей 9, 10 и импульс сварочноготока амплитудой О, длительностью х(см.фиг.6) обеспечивают при сварке сварочнойустановкой,В процессе свари при прохожденииимпульса сварочного тока проводник 9 ра зогревается, изменяет свои размеры (удлиняется) за счет теплового расширения его материала, пластически деформируется на величину я под действием усилия сжатия Р и приваривается к контактной площадке 10,расположенной на подложке 11.Изменение линейных размеров проводника 9 в процессе его нагрева обусловливает деформацию (изгиб) токоподводов 1, 2 10 бающего (расклинивающего) усилия на токоподводы (1, 2) сварочного электрода приводит к.деформации (изгиб) токоподводов сварочного электрода, а значит к дефор 15 мации тензочувствительных элементов 6, 7, установленных на токоподводы сварочного 20 электрода Из-за деформации (изгиб) токоподводов сварочного электрода в процессе сварки расстояние между токоподводами увеличи- ваетсЯ на величинУ Л 1 т + Ь 2 т (см. фиг.8). После остывания сварного соединения расстояние между токоподводами увеличено по сравнению с исходным расстоянием между токоподводами (исходное расстояние между токоподводами - расстояние в момент контактирования и нагружения токоподводов силой сжатия Р через рабочие поверхности токоподводов деталей сварного соединения на величину Ь 1 +Л 2 (см, фиг.9).Причем величина (Л 1 т+ Л 2 т) (Ь 1 О+ Ь 2 ) таККаХ ЗНаЧЕНИЕ ВЫРажЕНИЯ(Л 1 т+Ь 2 т) определяется в основном температурой нагрева и температурным коэффициентом линейного расширения материалов, а значение выражения (Л+ Л 2 О) обусловлено величиной остаточных механических напряжений,.возникающих в материале деталей сварного соединения после окончания процесса сварки (остывания деталей сварного соединения). Величина остаточных механических напряжений в материале деталей сварного соединения определяется режимом сварки, температурными коэффициентами расширения свариваемых материалов, наличием дефектов в зоне сопряжения свариваемых материалов,На фиг.7 деталей, подготовленных к сварке, показано расстояние 1, 2 от середины рабочей поверхности сварочного электрода (середина сварной точки) до края рабочей поверхности токоподводов сварочного электрода.На фиг.8 показаны расстояния (1+ Л 1,) и (2+ Ь 2 т) от сеРеДины Рабочей повеРхно 25 30 35 40 45 50 55 сварочного электрода, предварительно внедренных за счет воздействия усилия сжатия своими рабочими поверхностями в материал проводника 9. Воздействие изги40 увеличение расстояния 1 макс.между токоподводами сварочного расщепленного электрода (см, фиг.6 графическая зависимость 12)., После прекращения импульса сварочного тока детали сварного соединения ос 45 тывают за время тост. Расстояние между токоподводами уменьшается до значения Ьост, Ь 1 ост = Ь 11 + Ь 2Значение Ь ос характеризует величину остаточных механических напряжений в материале деталей сварного соединения.При переходе на следующую позицию сварки через время ( т+ тост) токоподводы сварочного расщепленного электрода прекращают контактировать с деталями сварного соединения и совместно с тензо чувствительными элементами 6, 7 возвращаются в исходное состояние, так как деформация токоподводов в процессе сборки упругая. сти сварочного электрода (середина сварной точки) до края рабочей поверхности токоподводов, для деталей сварного соединенияв момент прохождения сварочного импульсатака (детали сварного соединения при прохсждении сварочного импульса тока нагреваются до температуры Т),На фиг.9 показаны расстояния (1+ Ь 110)и (12+ Ь 12 О) от середины рабочей поверхности сварочного электрода (середина сварной точки) до края рабочей поверхноститокоподводов для деталей сварного соединения после их остывания.Значение Ь 11 и Ь 12 О обусловлено величиной остаточных механических напряжений в сварном соединении,Характер изменения параметров тензочувствительных элементов и изменениярасстояния между токоподводами сварочного электрода за счет их деформации (изгиб) при прохождении сварочного импульсатока через детали сварного соединения длительностью показан на фиг,6 (кривая 12).Вначальный момент времени по переднему фронту сварочного импульса (амплитудой 1.о) тока 13 происходит разогревматериала деталей 9, 10 сварного соединения и увеличение их линейных размеров засчет теплового расширения свариваемыхматериалов. На токоподводы 1, 2 сварочного электрода при разогреве материала деталей воздействует (за счет тепловогорасширения свариваемых материалов) изгибающее усилие, которое будет макси.мально к концу процесса сварки, при этом 35(изгиб) токоподводов сварочного электрода и деформация тензочувствительныхэлементов 6, 7, а значит и максимальное При появлении дефектов, обусловленных наличием загрязнений, окислов в зонесварки или несоблюдением режимов сварки, величина остаточных механических напряжений в материале деталей сварногосоединения уменьшится, это влечет уменьшенную деформацию токоподводов и тензочувствительных элементов сварочногоэлектрода,При полном отсутствии свариваемостиматериалов деталей соединения в зонесварки значение Ь 1 ост = О, что практическиисключает деформацию токоподводов итензочувствительных элементов к концупроцесса сварки (отсутствуют остаточныемеханические напряжения в сварном соеди-нении),Таким образом, измеряя в процессесварки параметры тензочувствительныхэлементов 6, 7, установленных на токоподводы 1, 2 сварочного электрода, можно выявить сварные соединения с дефектами, чтоисключит попадание таких сварных соединений в эксплуатацию.П р и м е р. Для проверки эффективностиспособа, обеспечивающего регистрацию остаточных механических напряжений, возникающих в сварном соединении, былизготовлен сварочный расщепленный электрод. Материал токоподводов - сплав ВК 6-М.Затем на токоподводы сварочного расщепленного электрода были установленына расстоянии 0,8 мм от рабочей поверхности тензочувствительные элементы (кремниевые тензорезисторы КТДА). Установкатензорезисторов на расстоянии 0,8 мм обеспечила гарантированное выполнение условияИминЕгде Ймин - минимально допустимое расстояние от тензочувствительного элемента до рабочей поверхности сварочного электрода; е - максимально возможная глубина погружения токоподводов сварочного электрода в материал свариваемых деталей в процессе сварки. Толщина выбранных свариваемых деталей (золотой проводник 50 мкм и контактная площадка из материала Сг - Сц - И до 300 мкм) гарантированно обеспечивала выполнение ранее приведенного условия и для установки тензочувствительных элементов на токоподводы.Затем была проведена калибровка тензочувствительных элементов, установленных на токоподводы сварочного электрода.Затем на сварочной установке типа ЭМ при различных режимах сварки была проведена серия сварок золотых и роводников диаметром 50 мкм с контактными пло 1708562щадками Сг-Сц-Ю, При этом для каждой из сварок после прохождения импульса сва.рочного тока с помощью регистрирующего прибора (тензостанция "Топаз", светолучевой осциллограф НОЗО) была.зарегистрирована величина остаточных механических напряжений в сварном соединении (величина остаточных механических напряжений считалось пропорциональной величине изменения параметров тензочувствительных элементов),Затем проведенные дополнительные испытания и исследования .прочностных свойств микросварных соединений (испытание на разрыв, визуальный контроль зоны сварки элементов сварного соединения после разрушения сварных соединений) обеспечивали возможность определения допустимой величины изменения в процессе сварки параметров тензочувствительных элементов 6, 7, характерной для сварных соединений без,дефектов в зоне сварки. Снижение величины деформации тензочувствительных элементов ниже допустимого уровня (снижение остаточных механических напряжений ниже допустимого уровня в материалах сварного соединения) сигнализирует, как показали исследования, о наличии дефектов на границе раздела соединяемых сваркой материалов, что снижает прочность 5 сварных соединений,Формула изобретен ия Способ контроля качества сварных соединений при контактной микросварке, при котором в процессе сварки измеряют де формацию металла сварной точки, для чего располагают по крайней мере, на одном электроде тензодатчик, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем 15 обеспечения контроля качества при микросварке расщепленным электродом, тензочувствительные элементы располагают на токоподводящих элементах электрода на.расстоянии Иман от его рабочей поверхно 20 сти, которое определяют иэ следующего соотношения:Ймин Егде 8- глубина погружения электрода в материал свариваемых деталей в процессе 25 сварки,.орректор Т,Пал изводственно-издательский комбинат "патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 аказ 589 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/5