Способ контроля процесса микросварки давлением

СООЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК эа) В 23 К 20/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ фь1 Р Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Минский радиотехнический институт и Минский завод "Электроника" (53) 621.791.763. 1(088.8) (56) 1. Колешко В.М. Ультразвуковая микросварка. М., "Наука и техника", 1977, с. 302-311.2. Россошинский А.А.Микросварка давлением. Киев, "Техника", .1971, с. 48 (прототип).(54)(57) 1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА МИКРОСВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ, включающий определение силы прихватывания рабочего инструмента к приваренной микро- проволоке при отводе инструмента после снятия давления по окончании сварки и сравнение полученного значения с эталонным, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют динамическую,силу отрьва рабочего инструмента от приваренной микропроволоки, силу натяжения микропроволоки ,и скорость перемещения инструмента ЯО 111 582 А при отрыве, а силу прихватьвания опредляют по формулеЯ -РКрР/ъгде Цв - динамическая сила отрываинструмента от микропроволоки,Р - сила натяжения микропроволокн,Кв - коэффициент динамичности,. учитьвающий скорость перемещения инструмента приподъеме.2. Способ по п. 1, отличающ и й с я тем, что опредляют минимальную величину динамической силы З отрьва, при которой происходит разру- фд шение сварного соединения, а также предел прочности Г 3, 1 при действии этой силы, и о качестве процесса микросварки судят по выполнению слей дующего условия:.где К, - условный коэффициент запаса прочности,Р- площадь сварного соединения.(2) Изобретение относится к сварке где Я - динамическая сила отрываьв электронной промышленности и может инструмента от микропровобыть использовано для контроля про- локи,.цесса микросварки давлением, выпол Р - сила натяжения микропровоняемой на сварных устройствах как с локифРучным, так и с автоматическим управ-. К - коэффициент динамичности,лением. учитывающий скорость переИзвестны способы контроля процесса мещения инструмента примикросварки давлением, включающие оп подъеме.ределение оптимальных параметров про- Кроме того, определяют минимальцесса микросварки путем измерения ную величину динамической силы отрымеханических и электрических харак- ва, при которой происходит разрушетеристик сварных соединений в процес- ние сварного соединения, а такжесе их образования 11. 15 предел прочности Г ф), при действииОднако по окончании цикла сварки этой силы, и о качестве процесса микпри подъеме рабочего инструмента мо- росварки судят по Выполнению следуюжет произойти полное или частичное 1 щего условия:разрушение зоны сварного соединения.Известные способы контроля процесса 20микросварки не гарантируют сохранение качества образованного сварногосоединения по окончании цикла свар- где К - условный коэффициент запасаки после отвода рабочего инструмента. прочности,Известен способ контроля процесса 2 фр ц а 25 Рс, - площадь сварного соединениямикросварки давлением, включающийснятие давления по окончании сварки,определение силы прихватывания рабо- До подъема инструмента, т.е. в пе- )чего инстр ента к прива " РиоД ДействиЯ сжимаюЩего сваРногоропроволоке при отводе ин т усилия, сила натяжения проволоки нее при отводе инструментаоказывает отрывного усилия на зонуНедостатком извести г с бком известного способасварного соединения, так как компен. является то, что в процессе контроля сирована сжимающим усилием со стороне учитывается сила натяжения микро- ны инструмента и лишь с момента сняпРОВОлоки при вытягиВании ее из ба- тия сжимающего усилия и подъема инстрабана установки а также скорость35 румента отрывное усилие за счет силыйперемещения сварочного инструментанатяжения проволоки возрастает пропри отводе его от микропроволоки,порционально ускорению перемещениячто приводит к снижению качестваинструмента. Следовательно, суммарсварки низкой точности контроляная сила отрьва, воздействующая наЦель изобретения в , повышение точ- зону сварного соединения, складьваности контроля. ется из силы прихватыванияиПоставленная цель достигается тОстигается тем,силы натяжения проволоки Рчто согласно способу контроля процесса микросварки давлением, вклю 45 Я в +Р - рсл М Д Мчающему определение силы прихватыц ,К РЫГвания рабочего инструмента к приварен.ной микропроволоке при отводе инст- Поскольку при ударном характерерумента после снятия давления по нагрузок, как известно, напряженияокончании сварки и сравнение получен- в материале будут больше чем при50ного значения с эталонным, дополни- статическом действии тех же нагрузок,тельно измеряют динамическую силу для сил Е и Р вводится поправкаотрыва рабочего инструмента от прива- в виде коэффициента динамичносренной микропроволоки; силу натяже- ,ти Кь, в котором учитывается ускорения микропроволоки и скорость пере- ние перемещение инструмента и форму 55Фмещения инструмента при отрыве, а ла принимает следующий вид:силу прихватывания определяют поформуле я р)г)Кь3 1110 ЗДалее получают из формулы (3) формулу для расчета силы прихватыванияар-Иэ агав К Для расчета числового значениякоэффициента динамичности пользуютсяследующими формулами:где Чскорость перемещения инструмента при отрыве,15 ускорение свободного паденияфстатическое удлинение проволоки до отрыва20се 1 Ьс=Й ) - предел прочности материалапроволоки при растяжении,Ь - толщина проволоки под торцом инструмента после приложения ся(имающего усилия.Толщина проволоки под торцом инструмента определяется из следующего30 условия:(7)где Й - диаметр микропроволоки.Поскольку в процессе микросварки давлением деформация проволоки сос- З 5 тавляет 507, то в формуле (7) делитель равен 2.В период контроля процесса микро- сварки давлением в зонах контакта различных поверхностей (инструмент- проволоки, проволока-контактная площадка) знак механических напряжений изменяется. Во время сварного цикла - это напряжения сжатия, а с.момента подъема инструмента, в случае действия отрывной силы, - напряжения растяжения. Известно, что величина предела выносливости материала в значительной степени зависит от соотношения между крайними значениями изменяющегося напряжения, Следовательно, разрыв адгезионных связей в зонах контакта в условиях знакопеременной нагрузки происходит при меньших напряжениях, а значит и при меньшей деформации материала.Статическое удлинение мирокпроволоки до отрыва ь Ь рассматривается как предельное значениедеформации проволоки при достижении предела прочности материала.Поскольку в условиях ударных нагрузок закон Гука о пропорциональной зависимости напряжение - деформация сохраняет свою силу, то истинное перемещение инструмента Х за время действия отрывной силы можно представить в виде уравнения-о.ьЬ (8)Для применяемых в качестве проволочных выводов металлов алюминия и золота экспериментально установлено, что числовой коэффициент С для случая несимметричного цикла нагру-зок находится в пределах 0,24-0,32 и зависит как от качества материала проволоки (наличие включений, нарушение режимов термообработки и хранения), так и от состояния поверхности проволоки (трещины, раковины и т.д.), а среднее его значение равно 0,28.Таким образом, при расчете коэффициента динамичности скорость перемещения инструмента приотрыве определяется как , х/ -Ьгде Х - истинное перемещение1- время действия динамическойсилы отрыва.Определив силу прихватывания Е, ее можно сравнить с эталонной величиной и оценить качество рабочего инструмента сварной установки.В процессе прохождения технологических обработок в материалах происходит накопление структурных дефектов, что приводит к разбросу прочностных характеристик контактных структур даже между однотипными контактными структурами кристаллов разных партий изготовления и заводов-изготовителей. Таким образом, для одних типов контактных структур одно значение динамической силы отрыва допустимо и не влечет к последующему отказу сварного соединения на стадиях испытания и эксплуатации, а для других - может стать причиноч отказа сварного соединения и следовательно, всего изделия, Для обеспечения требуемых прочностных характеристик сварных соединений проволочных выводов в больших гибридных интегральных схемах (БГИС), содержащих до нескольких десятков различных типов контактных структур, необходимо обеспечить дифференцированный режим микросварки для каждого типаконтактной структуры.Критерием качества сварного соединения можно принять механическую прочность, которая контролируется различ- э ными методами и, в частности, путем измерения прочности на отрыв.Используют действие динамической силы отрыва непосредственно после окончания сварного цикла в качестве контрольной нагрузки.Для изменения динамической силы отрыва, с целью определения прочности сварного соединения, достаточно из" менить значение любой ее составляющей 35 Для термокомпрессионной сварки и сварки расцепленным электродом предпочтительно изменять силу прихватывания, используя ранее калиброванные инструменты или скорость отвода инструмента. Для изменения динамической силы отрыва устройства ультразвуковой сварки удобнее изменять силу натяжения проволоки. В любом случае изменение значения любой составляющей ведет к . пропорциональному изменению динамической силы отрыва, Если для конкретного типа контактной структуры провести серию контрольных сварок при постоянно возрастающей, например, силе 30 натяжения проволоки, причем для каждого значения динамической силы отрыва проводить свою серию (10-15) контрольных сварок, то определяется значение минимальной динамической силы отрыва, вызывающей разрушение сварного соединения. Ввиду того, что параметры сварного цикла остаются неизменными, а следовательно, и площадь сварного соединения остается постоянной 4 О можно определить предел прочности сварного соединения микропроволоки с данным типом контактной структуры по ФормулеРое 1 и9сс рсСгде Г 3 1- предел прочности сварногосоединения,, - минимальное значение динамивЪческой силы отрыва, разрушающей сварное соединение,Рсс - площадь сварного соединения.Для достижения стабильного качест-. ва сварных соединений с данным типом контактной структуры необходимо, чтобы на каждой установке для микросвар 82 ки были идентичные режимы сварногоцикла и обепечивалось выполнение следующего условия: зфРКэ(0)Сс 1 И , l где К - условный коэффициент запаса прочности.6 Зсс м р 1 ф, р) где Зр - меньшая прочность материала или адгезии слоев контактной структуры на растяжение,К - коэффициент запаса,На фиг, 1 схематически изображено устройство в виде мерного щупа для реализации предлагаемого способа, на Фиг. 2 - устройство для второго этапа контроля.Мерный щуп содержит уравновешенную балку 1, центральной частью опирающуюся на шарнирную опору 2, На противоположных концах балки имеются площадка 3 для размещения контрольного образца 4 и противовес 5. Последний размещен между верхней 6 и нижней 7 пластинами переменного сопротивления, жесткость на изгиб которых может изменяться в зависимости от положения ползунов 8 и 9, которые прижимают пластины к опорной плите 10. Над свободными концамиопластин 6 и 7 соосно установлены соответственно верхний 11 и нижний 12 полупроводниковые тензодатчики, корундовые иглы 13 которых упираются в поверхности соответствующих пластин. где Ы - условное безопасное напряжение контактной структуры, не вызывающее разрушения в течение длительного промежутка времени.Условное безопасное напряжение контактной структуры определяется меньшим значением прочности одного из материалов входящего в контактную структуру, или меньшим значением адгезии между слоями контактной структуры по Формуле= 2 у (4) измерен- рассчитанное еляют силу нта фо Подставляя ые значения, качение для акж опр нструм 12,20 Сравнивают полталонной. ую величин Для осуществления второго этапаконтроля процесса.микросварки ис пользуют устройство для изменениясилы натяжения проволоки (фиг, 2).Устройство содержит расположенныес противоположных сторон проволоки 17 прижим 18, обладающий высокой 55 чистотой поверхности, обращеннойк проволоке, и резиновый валик 19.Указанные элементы устройства расположены в промежутке между выходом 71105Каждый тензодатчик включен в плечо измерительного моста, а последние через соответствующие усилители напряжения подключены к выходу запоминающего осциллографа (не показан), 5На. первом этапе осуществления способа контроля процесса микросварки давлением оценивается сила прихватывания рабочего инструмента сварного устройства кмикропроволоке. 16В качестве примера реализации способа определяют величину силы прихватывания для инструмента с боковым отверстием для подачи проволоки (алюминий) 100 мкм на полуавтомати 15 ческой установке ультразвуковой сварки типа ЭМ. Между предметным столиком, используемым для фиксации изделия на время проведения сварочных операций по20 присоединению проволочных межсоединений, на определенной высоте от его поверхности непосредственно под торцом рабочего инструмента 14 (фиг. 1)у 2) прикрепленного к концентратору ультразвуковых колебаний 15 и снабженного проволокой 16, помещают площадку 3 мерного щупа с контрольным образцом 4, например кристалл интегральной схемы КР 188 РУ 2. Ранее мерный щуп калибруется. Подают электропитание на приборы и производят контрольную сварку на контактную площадку контрольного образца 4, причем с появлением электрического сигнала на выходеЗ 5 усилителя измерительного моста тенэодатчика 12 автоматически в режим запоминания включается осциллограф (С 2-21), и на его экране воспроизводится форма импульса отрывной силы.40 По вертикальной шкале осциллографа определяется максимальное значение амплитуды сигнала, соответствующее максимальному значению динамической силы отрыва в ньютонах, а по горизонтальной шкале - длительность импульса (силы отрыва) в секундах. По окончании считывания данных вручную осуществляется сброс изображения на экране осциллографа, Если ранее/установленное значение силы отрыва на шкале ползуна 9 или длительность. измеряемого импульса, устанавливаемая на осциллографе, не соответствуют диапазону измеряемого сигнала, ожидаемые значения выстанавливаются заново и контрольную сварку повтоМерный щуп устроен так, что максимальное перемещение противовеса 5 ограничено упором и не превышает 5 мкм, что обеспечивает защиту тензодатчиков от случайных перегрузок.При измерении динамической силы отрыва указанньм инструментом получены следующие значения: динамическая сила отрыва Я, = 0,8 Н, длительность действия отрывной силы й =110 с.Расчитывают д Ь по формуле (6), имея следующие данные на алюминиевую проволоку: модуль Юнга Ед = = 6,4 10" Н/м предел прочности йв 1 М = 4 9 10 Н/миТолщина проволоки под торцом инструмента Ь согласно (7) составляетЬ = 110 " /2 = 0,5 10" мОпределяют статическое удлинение п 1 оволоки4 910 0510аЬ. - -" ----- 0 38 10 м4, 104 оФТаким образом, перемещение инструмента за вреяя действия отрывной силы составляетХ = 0,28" 0,38 10 = 0,110 м,Измеренная ранее с помощью динамометра сила натяжения проволоки составила Р = 0,1 Н.По формуле (5) определяют коэффициент динамичности 0 110Ч = -д-"-, - = 0 1 10 м/сек 110проволоки из барабана и входом в рабочий инструмент. Прижим 18 является подвижной частью электромагнита 20, а валик 19 находится на валуэлектродвигателя 21. 5Устройство изменения силы натяжения проволоки работает следующимобразом,Со схемы управления ультразвуковым генератором установки УЗ сварки 10в момент включения УЗ генераторапоступает электрический сигнал насхему управления электромагнитом 20и электродвигателем 21 (не показано),а схема управления включает электромагнит 20, что обеспечивает перемещение прижима 18 и прижатие проволоки 17 к торцовой поверхности резинового валика 19. Одновременнос электромагнитом 20 схема управления 20включает электродвигатель 21, чтообеспечивает сообщение вращающегомомента валику 19. Стремясь повернуться в направлении, указанном нафиг. 2 стрелкой, валик 19 передает 25посредством трения перемещение проволоке и перемещает ее по поверхности прижима 18 по тех пор, пока вращающий момент валика 19, пропорциональный силе тока электродвигателя 21 30уравновешивается силой, натяжения про волоки. Таким образом, задавая силутока электродвигателя, можно нормированно изменять силу натяжения проволоки,35Схема управления электродвигателем 21 и электромагнитом 20 подключена к выходу усилителя тензодатчика 12(фиг. 1), что обеспечивает в моментпадения напряжения сигнала (момент щпрекращения действия динамическойсилы отрыва) отключение электродвигателя 21 и электромагнита 20, т.е,перевод прижима 18 в исходное положение, 45Ранее устройство для изменениясилы натяжения проволоки калибруется,что обеспечивает задание требуемойсилы натяжения проволоки в ньютонахпо шкале тока электродвигателя. 5 ОКонтроль процесса микросварки продолжается в следующей последовательности.На схему управления устройствадля изменения силы натяжения проволоки подается электропитание, и пошкале тока электродвигателя устанавливается сила натяжения проволоки в ньютонах, причем в качестве начального используют значение силы натяжения проволоки, измеренное ранее с помощью динамометра. Производится серия (10-15) сварок на контрольном образце 4 (фиг. 1), в процессе которых измеряется динамическая сила отрыва и визуально контролируется целостность сварного соединения. В случае отсутствия разрушения сварного соединения в период проведения серии контрольных сварок, силу натяжения проволоки повышают до получения разрушения сварного соединения.В момент разрушения сварного соединения на кристалле КР 188 РУ 2 динамическая сила отрыва составляет 2 Н. Определяют предел прочности разрушенного сварного соединенияГ= 1.10 м61 = ----- = 2 10 Н(м2 81 10 фДля проведения расчета значения условного коэффициента запаса прочности К определяют условно безопасное напряжение контактной структуры ВиКонтактная структура кристалла КР 188 РУ 2 состоит из кремния п-типа с диэлектрической изоляцией и осажденного на ней слоя алюминиевой металлизации, Для кремния с диэлектрической изоляцией (80) известно следующее среднее значение прочности 8 = 2 б 10" Н/чАдгезия алюминия к диэлектрической изоляции (ЫО 2 ) кремния после операции выжигания не уступает прочности на разрыв самого алюминия, т.е, (ЪИ = (у А = 4 9.10 Н/м.Подставляют в формулу (12) найденное меньшее значение прочности материала контактной структуры - алюминия и значение коэффициента запаса, в данном случае берется для пластичных материалов, и расчитывают условно безопасное напряжение контактной структуры83 = -д - = 1,8 10 Н/м 4 9 кс 2,6 Далее по формуле (11) определяют условный коэффициент запаса прочнос- ти6237/10 Тираж ВНИ 1 ПИ Государст по делам изобр 113035, Москва, Зака 103 бенного котений и от-35, Раушс Подписноемитета СССРкрытийкая наб., д. 4/5 шпал П 1 П 1 "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 11 1По формуле (10) определяют, обеспечивают ли ранее измеренные и вычис ленные значения составляющих динамической силы отрыва условию качества сварного соединения при К, = 11210 з с 8,8.106 Н/м 2В рассмотренном случае условие качества не выполняется.Причиной разрушения являются высокие значения силы прихватывания 6 и силы натяжения проволоки Р. В данном случае инструмент необходимо заменить новый, а также путем замены катушки с проволокой в барабане или регулировкой барабана обеспечить снижение силы натяжения проволоки. В случае замены инструмента проводится контроль его качества, т.е. определяется сила прихватывания. Если снижение силы прихватывания и силы натяжения проволоки не обеспечивают выполнение условия качества, то снижают скорость отвода 110582, 12.инструмента (без существенного снижения производительности сварки). Вслучае невозможности выполнения ус,ловия (10) укаэанными приемами, про 5 водят полное изменение режимов сварного цикла (изменяют силу прижимаинструмента, время. сварки и т.д.).Контроль прочности сварного соединения и определение в результатеего условного коэффициента запасапрочности в условии производстваявляются достаточным условием дляисключения попадания на сборку партийкристаллов, не отвечающих усло вию качества (10).Эффективность предлагаемого способа контроля процесса микросварки посравнению с прототипом достигается пу-тем повышения оперативности контроляпроцесса микросварки; значительного снижения брака на сварке,.а также повышения эксплуатационной надежности1 сварных соединений.