Способ контроля процесса микросварки давлением

Способ контроля процесса микросварки давлением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА МИКРОСВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ, включающий определение силы прихватывания рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инструмента после снятия давления по окончании сварки и сравнение полученного значения с эталонным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют динамическую .силу отрыва рабочего инструмента от приваренной микропроволоки , силу натяжения микропроволоки и скорость перемещения инструмента при отрьше, а силу прихватьтания опредляют по формуле .а. , K-D где Qji - динамическая сила отрьта инструмента от микропроволоки , Р сила натяжения микропроволоки , коэффициент динамичности, Кт, учитывающий скорость перемещения инструмента при подъеме. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с я тем, что опредляют минимальную величину динамической силы отрьша, при которой происходит разру (Л шение сварного соединения, а также предел прочности CQct при действии этой силы, и о качестве процесса § микросварки судят по выполнению еледующего условия: ,. te.,«U-%-) .где К - условный коэффициент запаса прочностиJ ел FCC - площадь сварного соединения, 00 ю vV Фа9.1

-СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

31ц) В 23 К 20/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

f ÿ °

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3590878/25-27 (22) 18.05.83 (46) 30.08.84. Бюл. N - 32 (72) Д.В.Лифанов, Ю.Н.Хлопов и В.П.Царев (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

МНКР0СВАРКН ДАВЛЕНИЕМ, включающий определение силы прихватывания рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инструмента после снятия давления по окончании сварки и сравнение полученного значения с эталонным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют динамическую,силу отрыва рабочего инструмента от приваренной микропроволоки, силу натяжения микропроволоки .и скорость перемещения инструмента,.Я1.1„„111 582 А при отрыве, а силу прихватывания опредляют по формуле

Я -Ply а- Р

"ъ где Цв — динамическая сила отрыва инструмента от микропроволоки, P — сила натяжения микропроволокн, KD — коэффициент динамичности, . учитывающий скорость перемещения инструмента при подъеме.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что опредляют минимальную величину динамической силы отрыва, при которой происходит разру- фу шение сварного соединения, а также предел прочности (8 1 при действии этой силы, и о ка естве процесса микросварки судят по выполнению сле-. а дующего условия:

I .где К„, — условный коэффициент запаса прочности, F — площадь сварного соединения.

1110582 (6)„> К„(" " ) (2) Qð,==Ã.k, P. Ê

Изобретение относится к сварке где Q - динамическая сила отрыва ь в электронной промышленности и может инструмента от микропровобыть использовано для контроля про- локи, цесса микросварки давлением, выпол- 5 Р— сила натяжения микропровоняемой на сварных устройствах как с локи, ручным, так и с автоматическим управ-. К)) — коэффициент динамичности, лением. учитывающий скорость переИзвестны способы контроля процесса мещения инструмента при микросварки давлением, включающие оп- 1р 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 также се их образования 11. 15 предел прочности Г 6), при действии

Однако по окончании цикла сварки этой силы, и о качестве процесса микпри подъеме рабочего инструмента мо- Росварки судят по выполнению следуюжет произойти полное или частичное щего условия: разрушение зоны сварного соединения.

Известные способы контроля процесса 2б микросварки не гарантируют сохранение качества образованного сварного соединения по окончании цикла свар- где К вЂ” условный коэффициент запаса ки после отвода рабочего инструмента. прочности, Известен способ контроля процесса

Р ц а 25 F — площадь сварного соединения., микросварки давлением, включающий снятие давления по окончании сварки, определение силы прихватывания рабоДо подъема инструмента, т.е. в пе- ) чего инстр мента к приваренно" риод действия сжимающего сварного ропроволоке при отводе ин т усилия, сила натяжения проволоки не е при отводе инструмента оказывает отрывного усилия на зону

Недостатком извести г с б ком известного способа сварного соединения, так как компен. является то, что в процессе к сирована сжимающим усилием со стороне учитывается сила натяжения микр ны инстРУмента, и лишь с момента снЯпроволоки при вытягивании ее из ба- тия сжимающего усилия и подъема инстрабана установки а также скорость

35 румента отрывное усилие за счет силы и перемещения сварочного инструмента натяжения проволоки возрастает, пропри отводе его от микропроволоки, порционально ускорению перемещения что приводит к снижению качества инструмента. Следовательно, суммарсварки низкой точности контроля ная сила отрьва, воздействующая на цель изобретения — повышение т ч- зону сварного соединения, складьваности контроля. . етсЯ из силы Рихвать|вани

Поставленная цель достигается т остигается тем, силы натяжения проволоки Р что согласно способу контроля процесса микросварки давлением, вклю45 Я е +Р— у сл М Д М чающему определение силы прихватыЯо у вания рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инст- Поскольку при ударном характере румента после снятия давления по . нагрузок, как известно, напряжения окончании сварки и сравнение получен- в материале будут больше чем при

5Р

Э ного значения с эталонным, дополни- статическом действии тех же нагрузок, тельно измеряют динамическую силу. для сил Е и P вводится поправка отрыва рабочего инструмента от прива- в виде коэффициента динамичносренной микропроволоки; силу натяже-,ти К>, в котором учитывается ускорения микропроволоки и скорость пере- ние перемещение инструмента и форму55 J мещения инструмента при отрыве, .а ла принимает следующий вид: силу прихватывания определяют по формуле яь РК

Ż — ii)

К

3 1 1105

Далее получают из формулы (3) формулу для расчета силы прихватывания йь- P. V>>

E=—

Для расчета числового значения коэффициента динамичности пользуются следующими формулами:

10 ц 4 к,-,,„ где V — скорость перемещения инструмента при отрыве, 15

g — ускорение свободного падения, дЬ вЂ” статическое удлинение проС волоки до отрыва

СР 1 с=

Ы ) — предел пРочности материала проволоки при растяжении, h — толщина проволоки под торцом инструмента после приложения сжимающего усилия.

Толщина проволоки под торцом ин30 струмента определяется из следующего условия: 4 d/

l (7) где d — диаметр микропроволоки.

Поскольку в процессе микросварки давлением деформация проволоки составляет 50Х то в формуле (7) делитель равен 2.

В период контроля процесса микросварки давлением в зонах контакта различных поверхностей (инструмент40 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 на° l грузки происходит при меньших напряжениях, а значит и при меньшей дефор- мации материала.

Статическое удлинение мирокпроволоки до отрыва ь Ь рассматривается как предельное значение деформации 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 у, -с.дЬ (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 при отрыве определяется как, х

М" — г

Ь где Х вЂ” истинное перемещение

t — время действия динамической силы отрыва.

Определив силу прихватывания, 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 слеР довательно, 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 ре3 1110582 джим микросварки для каждого типа контактной 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 изменить значение любой ее составляющей)

Для термокомпрессионной сварки и сварки расцепленным электродом предпочтительно изменять силу прихватывания, используя ранее калиброванные инструменты или скорость отвода инструмен-2о та. 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 (10-1S) 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, 40 можно определить предел прочности сварного соединения микропроволоки с данным типом контактной структуры по формуле (< зРКь I (V0), р ) 6 и (9) сс р сс где Сф 1- предел прочности сварного соединения,, — минимальное значение динами в4 ческой силы отрыва, разрушающей сварное соединение, F — площадь сварного соединения.

Для достижения стабильного качест--S ва сварных соединений с данным типом контактной структуры необходимо, чтобы на каждой установке для микросварки были идентичные режимы сварного цикла и обепечивалось выполнение следующего условия: где К вЂ” условный коэффициент запаса прочности.

10 где Ы вЂ” 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 где Sqp — меньшая прочность материала или адгезии слоев контактной структуры на растяжение, К вЂ” 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 концами о пластин 6 и 7 соосно установлены соответственно верхний t1 и нижний 12 полупроводниковые тензодатчики, корундовые иглы l3 которых упираются в поверхности соответствующих пластин.! 110582

К =1

= 2,64

0 8-0 .1 ° 2 64 О 20

Каждый тензодатчик включен в плечо измерительного моста, а последние через соответствующие усилители напряжения подключены к выходу запоминающего осциллографа (не показан), 5

На. первом этапе осуществления способа контроля процесса микросварки давлением оценивается сила прихватывания рабочего инструмента сварного устройства к микропроволоке.

В 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 3М-423.

Между предметным столиком, используемым для фиксации изделия на время проведения сварочных операций по

20 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 КР188РУ2. 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 усилителя измерительного моста тенэодатчика 12 автоматически в режим запоминания включается осциллограф (С2-21), 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 длительностьизмеряемого импульса, устанавливаемая на осциллографе, не соответствуют диапазону измеряемого сигнала, 5> ожидаемые значения выстанавливаются заново и контрольную сварку повторяют.

Мерный 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 Q = 0,8 Н, длительность действия отрывной силы t =

1 ° 10 с.

Расчитывают д h по формуле (6), имея следующие данные на алюминиевую проволоку: модуль Юнга Е =

= 6,4 .10"о Нlм предел прочности

Gâ 4 = 4 9.10 Н/м .

Толщина проволоки под торцом инструмента h согласно (7) составляет

h = 1.10 " /2 = 0,5 10 " м

Определяют статическое удлинение п1оволоки

4 9.10 - О 5 10 аЬ вЂ” - - — — -- — — — — 0 38 10 м с. 6 4,1Уо

j °

Таким образом, перемещение инструмента за вреяя действия отрывной силы составляет

Х = 0,28" 0,38 10 = 0,1 ° 10 м .

Измеренная ранее с помощью динамометра сила натяжения проволоки составила P = 0,1 Н.

По формуле (5) определяют коэффициент динамичности

0 1 ° 10

V = - —.— = 0 1.10 м/сек

1 ° 10 в

Подставляя в формулу (4) измеренные значения, а также рассчитанное значение для К> определяют силу прихватывания инструмента

Сравнивают полученную величину с эталонной.

Для осуществления второго этапа контроля процесса.микросварки используют устройство для изменения силы натяжения проволоки (фиг. 2).

Устройство содержит расположенные с противоположных сторон проволоки 17 прижим 18, обладающий высокой чистотой поверхности, обращенной к проволоке, и резиновый валик 19.

Указанные элементы устройства расположены в промежутке между выходом

1110582

10 проволоки из барабана и входом в ра— бочий инструмент. Прижим 18 является подвижной частью электромагнита 20, а валик 19 находится на валу электродвигателя 21. 5

Устройство изменения силы натяжения проволоки работает следующим образом.

Со схемы управления ультразвуковым генератором установки УЗ сварки в момент включения УЗ генератора поступает электрический сигнал на схему управления электромагнитом 20 и электродвигателем 21 (не показано), а схема управления включает электро- 15 магнит 20, что обеспечивает перемещение прижима 18 и прижатие проволоки 17 к торцовой поверхности резинового валика 19. Одновременно с электромагнитом 20 схема управления 20 включает электродвигатель 21, что обеспечивает сообщение вращающего момента валику 19. Стремясь повернуться в направлении, указанном на фиг. 2 стрелкой, валик 19 передает посредством трения перемещение проволоке и перемещает ее по поверхности прижима 18 по тех пор, пока вращающий момент валика 19, пропорциональный силе тока электродвигателя 21 30 уравновешивается силой. натяжения про волоки. Таким образом, задавая силу тока электродвигателя, можно нормированно изменять силу натяжения проволоки

Схема управления электродвигателем 21 и электромагнитом 20 подключена к выходу усилителя тензодатчика 12 (фиг. 1), что обеспечивает в момент падения напряжения сигнала (момент щ прекращения действия динамической силы отрыва) отключение электродвигателя 21 и электромагнита 20, т.е. перевод прижима 18 в исходное положение. 45

Ранее устройство для изменения силы натяжения проволоки калибруется, что обеспечивает задание требуемой силы натяжения проволоки в ньютонах по шкале тока электродвигателя. 5Î

Контроль процесса микросварки продолжается в следующей последовательности.

На схему управления устройства для изменения силы натяжения проволоки подается электропитание, и по шкале 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 КР188РУ2 динамическая сила отрыва составляет 2Н. Определяют предел прочности разрушенного сварного соединения

Fec — — — 1 - 1 0 в М2 (61 = — — — — — = 2 10 Н/м

2 в

1 10в

Для проведения расчета значения условного коэффициента запаса прочности К, определяют условно безопасное напряжение контактной структуры L®lvcе

Контактная структура кристалла КР188РУ2 состоит из кремния п-типа с диэлектрической изоляцией и осажденного на ней слоя алюминиевой металлизации. Для кремния с диэлектрической изоляцией (SiO<) известно следующее среднее значение прочности 4ш — — 2б -10 Н/ч

Адгезия алюминия к диэлектрической изоляции (Si02 ) кремния после операции выжигания не уступает прочности на разрыв самого алюминия, т.е. ф рщ = 3 g = 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 структуры

t.G 3 = - - = 1,8 10 Н/м

4 9 кс 2,6

Далее по формуле (11) определяют условный коэффициент запаса прочности

2 -108

К = ----- y = 11

1,8 ° 10

) М ннгтруненту

Риа. Я

Составитель А.Анохов

Редактор С.Лисина Техред А.Бабинец Корректор И.Эрдейи

Заказ 6237/10 Тираж 1036 Подписное

ВНИ11ПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал П1П1 "Патент", r.ужгород, ул.Проектная, 4

11 1

По формуле (10) определяют, обеспечивают ли ранее измеренные и вычис ленные значения составляющих динамической силы отрыва условию качества сварного соединения при К, „ = 11

2 ° 108 ° 8,8.106 Н/

В рассмотренном случае условие качества не выполняется.

Причиной разрушения являются высокие значения силы прихватывания 8 и силы натяжения проволоки P. В данном случае инструмент необходимо заменить новым, 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, .1Z. инструмента (без существенного снижения производительности сварки). В случае невозможности выполнения ус.ловия (10) укаэанными приемами, про5 водят полное изменение режимов сварного цикла (изменяют силу прижима инструмента, время сварки и т.д.).

Контроль прочности сварного соединения и определение в результате его условного коэффициента запаса прочности в условии производства являются достаточным условием для исключения попадания на сборку партий кристаллов, не отвечающих условию качества (10).

Эффективность предлагаемо r о способа контроля процесса микросварки IIQ сравнению с прототипом достигается пу- тем повышения оперативности контроля процесса микросварки; значительного сни жения брака на сварке,. а также повышения эксплуатационной надежности

1сварных соединений. !