Устройство для ультразвуковой сварки
Патент 1018827
Авторы
Устройство для ультразвуковой сварки
Иллюстрации
Реферат
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ при тонкопленочном монта- :же, преимущественно, схемных плат, сог державюе основной концентратор, пье .зозлементы, излучающую и отражакадую накладки, четвертьволновую развязку и электронный блок возбуждения и управления, отличающееся тем, что, с целью повьяшения производительности , оно снабжено допо,рнительными излучающими накладками и KOHueHTpaTojxjM, расположенными внутри полости, выполненной в основном концентраторе, а также двумя пьезоэлементами и дополнительной торой отражающей накладкой, соединенными с дополнительньф л концентратором, вторая отражающая накладка жестко связана с первой отражающей накладкой (Через четвертьволновую развязку, а Оконечная часть основного концентра:тора жестко соединена с конечной частью дополнительного концентратора , причем высота полой части основногр концентратора выбирается по выражению h - -.sinot.n, а в стенках конечной части основного концентратора, длина которой равна h п, а 4 выполнены сквозные пазы под углом 0 Ы 180 относительно его концентра .торов, где Aj,p - длина волны про;аольных ко00 00 лебаний; ЛХР - длина волны крутильных колебаний; Ьд п -целые числа, 1,2,3,...; ; cL - угол наклона сквозных па зов . .
СООЗ СОВЕТСНИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
3(59 .23 К 20 10.В 0
1
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMV СОИД,ЕТЕЛЬС1 ВУ
)ю
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3390648/25-27 ,(22) 29.01.82 (46) 23.05.83 ° Бюл. 9 19 (72) В.M.Êîëåøêî, О.В.Виноградов и В.Я.Сунка (71) Институт электроники AH Велорусской ССР (53) 621.791.16.037(088.8) (56) 1. Брдров Г.С., Гинсбург И.И
Шерман Д.Р. Оптимизация техноло-гических режимов укладки проводников в полимерный материал с приме- .. нением методов технического эксперимента. — Вопросы радиоэлектроники 1975, 9 10„ се34 38ь
2. Йесснер Д., Берр Р. Сборка носителей кристаллов по усовершенствованному методу Muftivire.- Электроника, 1976, Р 26, с.53.
3 ° Авторское свидетельство СССР
Р 302203, кл. В 23 К 20/00, 1969, 4. Авторское свидетельство СССР
Р 320310, кл. В 06 В 1/08, 1970 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ при тонкопленочном монта:же; преимущественно, схемных плат, со« держащее основной концентратор, пье. зоэлеь|Ьнты, излучающую и отражающую накладки, четвертьволновую развязку и электронный блок возбуждения и управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности, оно снабжено дополни,„SU„„ t 618827 A тельными излучающими накладками и концентратором, расположенными внут ри полости, выполненной н основном концентраторе, а также двумя пьезоэлементами и дополнительной торой отражающей накладкой, соединенными с дополнительным концентратором, вторая отражающая накладка жестко связана с первой отражающей накладкой ,через четвертьволновую развязку, а
:конечная часть основного концентра;тора жестко соединена с конечной частью дополнительного концентратора причем высота полой части основ ного концентратора выбирается по выражению
Ап е.
h = — .- ° .s 1п с(и, 1.
4 а в стенках конечной части основного концентратора, длина которой равна
% выполнены сквозные пазы под углом
0 СоЫ80 относительно его концентра- ©) торов, Оаи4 где А„ — длина волны продольных колебаний;
ЛкР - длина волны крутильных ко- я лебаний; и -целые числа, 1,2,3,...; Я с — угол наклона сквозных пазов.
1018827
Изобретение относится к сварке, а именно к устройствам ультразвуковой сварки при тонкопленочном монтаже схемных плат радиоэлектронной аппаратуры и ЭВМ, н которых н качестве межсоединений используется изолированный провод, укладываемый в термопластическую пленку,и,может найти применение н радиоэлектронной промышленности.
Известны способ и .устройство 10 монтажа схемных плат, н котором провод закрепляется к адгезионному слою под воздействием ультразвуковых колебаний, вводимых нормально к поверхности и основанию платы с 15 помощью ультразвукового инструмента (1J.
Однако устройство создает только продольные колебания на конце рабочего инструмента и приспособлено только для укладки провода, а сварку провода оно произвести не может °
Известны также способ и устройство, в котором укладка проводников 5 и полимерный материал выполняется с помощью ультразвукового инструмента н виде корпуса, при этом ультразвуковые колебания в зону соединения вводятся со стороны проводника 2 g.
Недостатком устройства является невозможность производить сварку, что существенно отражается на производительности процесса н целом.
Известно устройство для ультразвуковой сварки крутильными колебаниями, содержащее преобразователь, трансформатор упругих колебаний, с которыми соединен волновод-инструмент (3 J. 40
Недостатком этого устройства яв- ляется невозможность получить на конце инструмента механические продольные колебания, а следовательно, и невозможность с помощью этого мето- 45 да качественно производить укладку провода в термопластическую пленку схеМных плат.
Наиболее близким к изобретению является устройство для ультраэвуко- ® вой сварки, содержащее основной концентратор, пьезоэлементы, излучающую и отражающую накладки, четвертьволновую развязку и электронный блок возбуждения и управления (4 ).
Недостатком известного устройства является низкая производительность.
Цель изобретения - .повышение производительности. Поставленная цель достигается тем, что устройство для ультразвуковой 60
Сварки при,тонкопленочном монтаже схемных плат, содержащее основной концентратор, пьезоэлементы, излучающую и отражающую накладки, четвертьволновую развязку и электронный блок Я возбуждения и управления, снабжено дополнительными излучающими накладками и концентратором, расположенными ннутри полости, выполненной н основном концентраторе, а также двумя пьезоэлементами и дополнительной второй отражающей накладкой, соединенными с дополнительным концентратором, вторая отражающая накладка жестко связана с первой отражающей накладкой через четвертьволновую развязку, а конечная часть основного концентратора жестко соединена с конечной. частью дополнительных концентратора, причем высота полой части первого концентратора выбирается по ныражению
h = — ° sin dn п
1 4
I а в стенках конечной части основного концентратора, длина которого равна
h =- . n
Л р
2 4 выполнены сквозные пазы по углом
0М<180 относительно оси концентраторов, где Л« — длина волны продольных колебаний;
Акр - длина волны крутильных колебаний; п — целые числа 1, 2, 3, угол наклона снквозных пазов.
На фиг,1 представлено устройство, разрез ; на фиг, 2 — вид A на фиг.1 °
Устройство содержит пьезоэлементы 1, отражающую накладку 2, излучающую накладку 3, выполненную совместно с основным концентратором
4, имеющим косые пазы 5, вторую излучакщую накладку б с дополнительным концентратором 7, жестко соединенным с первым основным концентратором 4, вторую пару пьезоэлементов 8, вторую отражающую накладку 9, конструктивно выполненную совместно с четвертьвольовой развязкой 10, на дне которой нанесены концентрические канавки
11 и винт 12 для сжатия обеих пар пьезоэлементов 1 и 8, На торце концентратора (фиг.2) расположена продольная широкая кананка 13 для укладки провода и поперечная канавка 14 для сварки провода.
Устройство работает в двух режимах — и режиме сварки и режиме укладки провода.
Р е ж и м с н а р к и. Головка с ультразвуковым устройством поворачивается так, что канавка 14 на конце концентратора 4 параллельна направлению свариваемого провода (не указан). Затем головка опускается, входит в контакт с проводом. На соединяемый провод с пистоном монтажнОй платы подается сварочное усилие определенной величины. На пьезоэлементы
1 подается напряжение ультразвуковой частоты. Пьезоэлементы 1 возбуждают1018827
Е = (— — - В>
Лп А
2 4 ся и создают продольные ультразвуко- вые механические волны, которые через излучающую накладку 3 передаются в конц,ентратор 4. Из-за наличия сквозных пазов, расположенных под углом
0(с <180 к плоскости сечения, перпен- 5 дикулярной оси концентратора, ультразвуковые волны движутся по винтообразной кривой -вокруг оси концентратора по направляю1цим, образованным пазами.
1 г
Такое направление распространения ультразвуковых волн при переходе, например в узле колебания, в конечную четвертьволновую цельнометаллическую часть концентратора обеспечивает получение вращающегося момента относительно оси концентратора и, следовательно, крутильно-продольных колебаний. Меняя угол d., можно получить различные соотношения между ними. Усиленные крутильно-продольные колебания поступают в зону сварки (конечный торец концентратора), обеспечивая надежную сварку провода к пистону монтажной плиты. Длина пакета, равная суммарной толщине пьезоэлементов 1 и накладок 2— и 3, определяется длиной продоль>яр ной полуволны 2, а длина концентра- gg тора 4 равна Е = (— Е эмап о(+ ††" (д A
4 4.
Причем полая часть концентратора
>ïnð равна — - sin о(п (il — длина продол=-
4 пР : 5 ной волны; с(- угол наклона косых пазов по отношению к плоскости сечения, перпендикулярной оси концентратора). Остальная часть концентратора кр õp равна — -. n (4 4
- четверть длины,, 4(. волны крутильных колебаний, а n - 1,2,3,. ..).
Режим Укладк и и РО- 45 в о д а . Уклдцка провода производится при помощи ультразвуковых волн продольных колебаний. При переходе от режима сварки к режиму укладки устройство поднимается и разворачивается .на 900, а затем с небольшим статическим усилием опускается на провод, так, что в продольную канавку 13 входит изолированный провод. При этом канавка должна быть направлена своей ðàñширенной частью в сторону движения провода. при Возбуждении пьезоэлементов 8, продольные волны через излучающую,60 накладку б и концентратор 7 и конечную общую часть концентратора 4 передаются в- зону укладки. Концейтратор 7 жестко соединен с концентратором 4. Он является составным.
Мсть его длины выбираетсд равной
I а вторая чаоть - 4 и. Эта конеч3 сю ная часть первого концентратора 4.
Она жестко присоединена к концентратору 7 и является;естественным его продолжением. Общая длина концентратора продольных волн равна л, 83 = и, т.е. РаВняется полОВине длины волны продольных колебаний, умноженных на и, где n - 1,2;3...
Таким образом, конечная часть первого концентратора 4, равная
Як
4 и, спроектирована таким образом, что в ней в режиме сварки при помощи косых пазов формируются продольно-крутильные колебания, а в режиме укладки она дополняет концентратор 7
;до расчетной длины, так, что про дольная волна, распространяемая в
:концентраторе 7, не изменяет формы волны..Длина пакета выбирается равной половине длины волны продольных колебаний. Пассивная накладка 9 конструктивно объединена совместно.с четвертьволновой развязкой 10. Причем развязка 10 не только исключает взаимное акустическое влияние обеих сис тем, но играет еще роль регулируемого элемента связи.
Стягивание пьеэокерамики при помощи одного винта 12 и развязки 10 позволяет существенно уменьшить габаритные размеры головки и вес. В практике толщина пьезоэлементов,,прокладок, длина накладок и т.д.
:отличается от расчетной, поэтому трудно вычислить длину четвертьволновой развязки, чтобы она обеспечила одинаковое давление на обе пары пьезоэлементов 1 и 8 или, при необходимости, создать различные давления на эти же пьезоэлементы, соотВетствующие расчетному.
Эта проблема решена при помощи концентрических канавок 11 на.дне стаканообразной четвертьволновой развязки 10. Она обладает демпфирующими свойствами, т.е. при небольших перемещениях пассивной накладки вниз давление развязки 10 на вторую пассивную накладку 2 изменяется в небольших пределах, т.е. практически остается постоянной. Величина необходимого давления регулируется глубиной канавок 11. Работа обеих пар пьезокерамики 1 и 8 практически не влияет друг на друга. При расчете обеих систем на одну или кратные частоты работы, их можно использовать одновременно. При этом мощ1018827 ность на торце концентратора 4. существенно увеличится.
Изготовлено и опробовано нескольI ко вариантов предлагаемого устройства. резонансные частоты устройства для укладки и сварки равны соответственно 61,45 кГц и 62,02 кГц.
Проведено исследование технического процесса укладки изолированного провода диаметром 0,18 мм в .адгезивный 10 слой ВК-32-290 толщиной 0;15-0,25 мм (ТУ 6-17"663-75). При этом прочность укладки провода нри погружении его в адгезивный слой на глубину 0,070,12 мм составила 0,4-0 5 H. Нару- )5 шений изоляции провода не обнаружено. Прочность сварки изолированноro провода к монтажному пистону на растягивание составила 7,42-8,58 Н или 78-85% когезионной прочности про воца. Исследования проводят на схемных платах размером 150Х140 мм со средней плотностью монтажа. Минимальный шав между соседними уложениями проводами равен 1,25 мм. Электрическая мощность, потребляемая ультразвуковым устройством, составила 5,1 Вт в режиме укладки и 58 Вт в режиме сварки. Проводимые исследования на платах со средним количеством пистонов, к которым приваривается провод от 20 до 15Д шт, показывают,что производительность процесса изготовления схемных плат повышается соответственно от 1 36 до 2,24 раза.
ВНИИПИ Заказ 3602/13
Тираж 1106 Подписное
Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул,Проектная,4