Способ ультразвуковой микросварки и инструмент для его осуществления

Способ ультразвуковой микросварки и инструмент для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к сварке и может быть использовано при ультразвуковой сварке выводов микросхем в радиоэлектронике . Цель изобретения - повышение качества сварных соединений и стойкости сварочного инструмента за счет согласования импедансов зоны сварки и источника ультразвуковых (УЗ) колебаний на конечной стадии сварки. Сварочный инструмент (СИ) 1 устанавливают на свариваемые детали 4, прикладывают к нему давление и подают УЗ колебания от УЗ генератора. Амплитуда этих колебаний равна удвоенному отношению касательного усилия разрушения сварного соединения и статической изгибной жесткости СИ 1. В процессе сварки амплитуду колебаний СИ 1 изменяют обратно пропорционально текущему значению касательного усилия сопротивления зоны сварки. При достижении касательной нагрузки на СИ 1, равной величине касательного усилия разрушения сварного соединения, подачу УЗ колебаний на СИ 1 прекращают. СИ для УЗ сварки содержит среднюю часть 2 в районе узла 3 изгибных колебаний с уменьшенным поперечным сечением . Длина этой части не менее максимальной величины смещения узла изгибных колебаний 3 вдоль оси СИ 1. При возрастании касательной нагрузки на СИ 1 до величины касательного усилия разрушения сварного соединения. Толщина СИ 1 в средней 4acTH BH6iigaeTCfljH3 соотношения h L v24 Тпп dnp/Eo ЕЙ dn где L - длина сред- , ней части (м), - предел прочности привариваемой проволоки на сдвиг (МПа); - начальная амплитуда колебаний торца инструмента (м); ЕЙ - модуль Юнга материала инструмента (н/м); dnp - диаметр привариваемой проволоки (м); dn - диаметр инструмента (м). При этом исключается возникновение фрикционного срыва в контакте между СИ и привариваемой деталью и тем самым повышается выход годных сварных соединений. 2 с.п.ф-лы, 6 ил. Л с Оч о ю о о 00

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР

{ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4458962/27 (22) 23.05.88 (46) 23.05.93. Бюл. М 19 (72) Л.А.Чиненков, Л,Н.Кузьмин, В.Н.Оладышкин, А.Н.Брезгунов и С.Н.Петров (56) Патент США М 3890831, кл, В 23 К20/10, 1974, Грачев А.А, и др. Ультразвуковая микросварка. М,; Энергия, 1977, с.157 — 160.

Авторское свидетельство СССР

1Ф 492313, кл. В 06 В 1/02, 1976.

Авторское свидетельство СССР

М 903029, кл. В 23 К 20/10, 1982. (54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ И ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯЯ (57) Изобретение относится к сварке и может быть использовано при ультразвуковой сварке выводов микросхем в радиоэлектронике. Цель изобретения — повышение качества сварных соединений и стойкости сварочного инструмента за счет согласования импедансов эоны сварки и источника ультразвуковых (УЗ) колебаний на конечной стадии сварки. Сварочный инструмент (СИ)

1 устанавливают на свариваемые детали 4, прикладывают к нему давление и подают УЗ колебания от УЗ генератора. Амплитуда этих колебаний равна удвоенному отношению касательного усилия разрушения сварного соединения и статической изгибной

Изобретение относится к сварочной технике и может быть использовано в производстве микроэлектронных приборов, Цель изобретения — повышение качества сварных соединений, стойкости сварочного инструмента эа счет согласования импедансов зоны сварки и источника ульт,. Ж 1609008 А1 (si)s В 23 К 26/10// В 23 К 101:36 жесткости СИ 1. В процессе сварки амплитуду колебаний СИ 1 изменяют обратно пропорционально текущему значению касательного усилия сопротивления зоны сварки. При достижении касательной нагрузки на СИ 1, равной величине касательного усилия разрушения сварного соединения, подачу УЗ колебаний на СИ 1 прекращают. СИ для УЗ сварки содержит среднюю часть 2 в районе узла 3 иэгибных колебаний с уменьшенным поперечным сечением. Длина этой части не менее макси- а мальной величины смещения узла изгибных колебаний 3 вдоль оси СИ 1. При возраста- Я нии касательной нагрузки на СИ 1 до величины касательного усилия разрушения сварного соединения. Толщина СИ 1 в средней части выби ается из соотношения h =

=1 24 тра dnp/е Е бигде 1 — длина средней части (м), — предел прочности привариваемой проволоки на сдвиг (МПа); — (; начальная амплитуда колебаний торца инструмента (м); Š— модуль Юнга материала инструмента (н/м ); блр — диаметр привари2, ваемой проволоки (м); би — диаметр инструмента (м). При этом исключается возникновение фрикционного срыва в кон- 0 такте между СИ и ириаариааемоа деталью и фе тем самым повышается выход годных сварных соединений, 2 с.п.ф-лы, 6 ил. развуковых (УЗ) колебаний, обеспечивающего исключения фрикционного срыва на конечной стадии сварки, когда отбираемая от источника мощность достигает максимальных значений..

На фиг. 1 представлены графики функций источника и потребителя ультраэвуко1609008

20 3 24<лп пр

ЕоЕ, d„ ои вых колебаний (УЗК) в координатных "колебательная скорость — касательная сила"; на фиг. 2 — инструмент, средняя часть которого имеет уменьшенную толщину; на фиг. 3— сечение А — А на фиг. 3; на фиг. 4 показан инструмент с технологической лыской, средняя часть которого имеет уменьшенную толщину; на фиг. 5 — сечение  — В инструмента с технологической лыской; на фиг. 6 представлены эпюры распределения амплитуды колебаний вдоль оси инструмента.

Способ ультразвуковой микросварки осуществляют сварочным инструментом 1, имеющим среднюю часть 2. Длина средней части L равна длине максимального смещения узла 3 изгибных колебаний (фиг.6) вдоль оси инструмента при возрастании касательной нагрузки на инструмент до величины касательного усилия разрушения сварного соединения, а ширина h выбирается из соотношения где (— длина средней части (м); глл — предел прочности привариваемой проволоки на сдвиг (МПа);

e< — начальная амплитуда колебаний торца инструмента (м),,. и — модуль Юнга материала инструмента (Н/м2), бпр — диаметр привариваемой проволоки (м);

d — диаметр инструмента (м).

Инструмент 1 устанавливают на привариваемую проволоку 4. К инструменту 1 прикладывают давление и с помощью УЗ генератора 5 и волновода 6, соединенного с инструментом 1, возбуждают в инструменте

1 узел колебания. В процессе сварки амплитуду колебаний торца инструмента 1 в месте контакта с проволокой 4 уменьшают обратно пропорционально текущему значению касательного усилия сопротивления зоны сварки от величины, равной удвоенному отношению. касательного усилия разрушения сварного соединения и статической изгибной жесткости сварочного инструмента 1.

При достижении касательной нагрузки на инструмент 1 величины, равной касательному усилию разрушения сварного соединения, т,е. когда эпюра колебаний сварочного инструмента 1 в режиме холостого хода 7 (фиг.7) перейдет в эпюру колебаний инструмента 1 в режиме максимальной нагрузки на инструмент 8, процесс сварки прекращают. Если на инструменте есть технологическая лыска 9 (фиг. 4), уменьшение толщины

55 инструмента 1 в средней части 2 со стороны лыски 9 не осуществляют.

Минимальная длина L должна превышать величину смещения узла колебаний 0 (фиг.б) при увеличении касательной нагрузки на инструмент до касательного усилия разрушения соединения. В противном случае зависимость изменения амплитуды на торце инструмента от нагрузки будет нелинейной при смещении узла в область переменного сечения (область боковых граней пазов) инструмента. Максимальная длина паза может быть равна вылету инструмента (рабочей длине стержня инструмента — от торца инструмента до выхода из района закрепления инструмента), Причем для каждого диаметра привариваемой проволоки дпр толщина инструмента в районе паза должна быть различной, чтобы удовлетворялось равенство где тлл — предел прочности привэриваемой проволоки на сдвиг (МПа); е — начальная амплитуда УЗ К рабочего торца (м);

Еи — модуль Юнга материала инструмента (Н/м );

de — диаметр стержня инструмента (м);

dna — диаметр и роволоки (м).

За счет задания оптимальной иэгибной жесткости инструмента обеспечивают воз-; можность l Y6Kof 0 llBpBBBGHMA амплитудой колебательного режима в зависимости от нагрузки со стороны эоны сварки, обеспечивающего исключение фрикционного срыва в контакте инструмент-проволока в конечной стадии процесса сварки с достижением саморегулируемого режима колебаний, опре- „ деляемого равенством двигательной силы источника УЗК и силы сопротивления зоны сварки.

Процесс саморегулирования УЗ сварки осуществляют следующим образом.

Включают УЗК с амплитудой колебательной скорости на рабочем торце Vo u прикладывают к зоне сварки нормальное усилие К, При этом отмечают, что в начальный момент касательной силе трения инструмента о зону сварки F ll -,ий (где,и— коэффициент трения) будет соответствовать падение амплитуды колебательной скорости на инструменте LV>, а по функции потребителя — падение амплитуды колебательной скорости на зоне сварки

Vs,c, В начальный момент процес э может иметь место фрикционный срыв в кон1609008 такте инструмент — зона сварки с падением амплитуды колебательной скорости ЛЧфс.

Фрикционный срыв может произойти также и внутри зоны сварки (что полезно для зачистки деталей),отчего зависит соотношение градиентов ЛЧзс и ЛЧф.с (на фиг.1). В процессе сварки при образовании зон схватывания и росте их числа касательное усилие сопротивления зоны сварки Рзс и ее импеданс возрастают, а амплитуда колебательной скорости Чп на торце инструмента падает обратно пропорционально этим величинам. При этом рабочие точки Mgi и Мзс! во времени смещаются вправо к точке М устойчивого динамического равновесия системы. Точка M пересечения графиков функций характеризуется квазистатической стабилизацией колебательного режима источника и потребителя УЗК, соответствующей падению амплитуды УЗК на рабочем торце инструмента вдвое от начальной и увеличению касательной нагрузки на инструмент со стороны зоны сварки до значения касательного усилия разрушения соединения. Динамика поведения системы источник-потребитель УЗК характеризуется двумя стадиями: в первой происходит развитие процесса во времени при динамическом неравновесии системы, во второй стадии наступает квазистатическое равновесие системы с постоянством основных параметров режима во времени, определяемых точкой пересечения графиков функций источника и потребителя УЗК.

Время протекания первой стадии не постоянно и зависит от конкретных условий в . зоне сварки. Поэтому процесс сварки прекращают по достижении спада амплитуды на торце инструмента вдвое, что определяется заданной иэгибной жесткостью инструмента,. обеспечивающей равенство импедансов его самого и зоны сварки.

Таким образом, процесс УЗ сварки осуществляютт эа счет создания режима колебаний инструмента, при котором амплитуду его торца автоматически и беэынерционно изменяют (уменьшают) в зависимости от возрастающей нагрузки со стороны зоны сварки и ограничивают на уровне, исключающем фрикционный срыв в конечной стадии процесса, — основной фактор износа сварочного инструмента. Ограничение силового воздействия на зону сварки после образования соединения исключает разрушение образованных связей в нем, тем самым повышает КПД процесса и стабильность воспроизводимости качества соединений, так как процесс заканчивают устойчивым режимом стабилизации конечных параметров во времени, которое становится некритичным для качества соединений.

Пример осуществления процесса УЗ

5 сварки.

Для заданного диаметра алюминиевой проволоки напр.-30..10 м, предел прочности

-б проволоки на сдвиг тпп= 100 МПа и площади сечения нормального соединения $зс =

10 1.5 напр 3 напр = 4,5 10 м имели расчетную

-9 прочность соединения

Fpacs.зс. = 0,7 7пп Язс 0,38 Н, Для обеспечения в зоне сварки сдвиговой деформации у = 0,02 с конечной высо15 той 0,5 бпр (пластическая деформация на

50 ) градиент амплитуды смещения в зоне сварки считали

20 ЛЕзс = 2 —.0,02 15 20 M = 0,3 10 м, У аппо -6 -6

Из этого определяли статическую изгибную жесткость инструмента

25 и= h Eçñ 0,3 gg бм

Величину К контролировали измерением величины изгиба инструмента заданной длины при приложении тарированной каса30 тельной нагрузки к его торцу при защемленном противоположном Конце. Подбирая сечение инструмента и момент инерции сечения по всей длине или части длины инструмента, модуль упругости материала, 35 обеспечивают расчетную статическую изгибную жесткость инструмента К,, Определяли начальную амплитуду колебаний инструмента.

40 2 з ср о— = Об 10 м ки

Выставляли начальную амплитуду колебаний на холостом ходу с помощью вибра45 ционного датчика.

Б процессе сварки с ростом сопротивления зоны сварки амплитуду колебаний на торце инструмента автоматически снижали до постоянного значения Еод= 0,3.10 м, 50 практически не зависящего от последующе. го времени сварки, которое ограничивали посредством таймера или датчиком амплитуды, сопряженным с отключающим устройством.

Соединения, полученные в лабораторных условиях на модернизированной установке УЗ сварки типа УЗС. M— - 2,5, имеют . следующие характеристики: средняя проч ность на разрушение перемычек при отрыве

1609008 8 составила P - 12,7 мН при коэффициенте вариации у- 2,17, при сварке свободными

УЗК в тех же условиях те же параметры имеют значения P 12,1 сН и g--- 4,6 (.

Время сварки в обоих случаях составляло 5 мс, толщина напыления золота на контактных площадках 0,3 мкм. Кристалл — арсенид галлия, При этом s партиях по 50 приборов на повторных (после сварки) испытаниях злектропараметров по статике было выявлено отсутствие отказов после монтажа выводов по предлагаемому способу и 3 отказа после сварки свободными УЗК, причем "выколы" в этом случае встречались и при испытаниях перемычек на отрыв.

Изобретение позволяет повысить выход годных сварных соединений, их качество, исключить прилипание инструмента к свариваемому изделию и его функциональ ный срыв в процессе сварки и тем самым повысить срок службы инструмента, снизить знергозатраты на осуществление процесса УЗ-сварки.

Формула изобретения

1. Способ ультразвуковой микросварки, при котором сжимают свариваемые детали сварочным инструментом, возбуждают в инструменте ультразвуковые колебания и контролируют амплитуду изгибных колебаний сварочного инструмента, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений и стойкости инструмен а путем исключения фрикционного срыва за счет использования процесса саморегулирования колебательного режима в процессе сварки, амплитуду колебаний инструмента уменьшают обратно пропорционально текущему значению касательного уеАю усилия сопротивления зоны сварки от начального значения, равного удвоенному отношению касательного усилия разрушения соединения к статической изгибной жестко5 сти сварочного инструмента, а процесс сварки прекращают при достижении величины касательного усилия на инструмент величины, равной касательному усилию разрушения сварного соединения.

10 2. Инструмент для ультразвуковой микросварки, выполненный в аиде стержня с рабочим и нерабочим торцом и средней частью в области узла изгибных колебаний стержня, отличающийся тем, что, с

15 целью повышения качества сварных соединений и стойкости инструмента, средняя часть выполнена длиной не менее длины максимального смещения узла изгибных колебаний инструмента вдоль оси стержня

20 при возрастании касательной нагрузки на рабочий торец инструмента до величины касательного усилия разрушения сварного соединения, а толщина инструмента h в средней части выбрана иэ соотношения

25 з

Е

rpe L — длина средней части (м);

tnt - предел прочности привариваемой

30 проволоки на сдвиг(МПа), Q- начальная амплитуда ультразвуковых колебаний рабочего торца (м);

Еи- модуль Юнга материала инструмента (Н/м );

85 ядр диаметр привариваемой проволоки (м);

d — диаметр инструмента (м).

1609008

Составитель Г.Тютченкова

Редактор Н.Козлова Техред М.Моргентал Корректор Н,Гунько

Заказ 1978 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101