Устройство для ультразвуковой микросварки

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МИКРОСВАРКИ, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный фильтр, первый и второй буферные каскадч, усилитель момности, блок коммутации и электромеханический преобразователь, отличающееся тем, что, с целью повышения качества сварных соединений, в устройство введены последовательно соединенные генератор специальных функций, аналого-гифровой преобразователь , преобразователь кода, преобразователь уровня, а также счетчик циклов, при этом вход генератора специальных функций соединен с выходом блока коммутации и подключен к первому входу усилителя мощг ности, вход счетчика циклов соединен с входом преобразователя уровня, выход которогосоединен с первым входом активного фильтра, выход активного фильтра через второй буферный каскад и усилитель мощности подключен к электромеханическому преобразователю, выход генератора электрических колебаний через первый буферный каскад соединен с втортлм входом активного фильтра, причем выход счетчика циклов соединен с входом блока коммутации. :л эо lu :о

СООЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК (19} (11) 3(5Р .В 23 К 20/10

/, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЫТИЙ

tl aRTOPCKQNIV CI ° IAKTHlbCTBV (21) 3485861/25-27 (22) 20.08.82 (46) 07.12.83. Бюл. 9 45 (72) В.М. Колешко, A.Â. Гулай и И.Б. Сватко (71) Институт электроники AH БССР (53) 621.791.16.037(088.8) (56) 1. Колешко В.М. УльтразВуковая микросварка. Минск, "Наука и техника", 1977, с. 173-178.

2. Авторское свидетельство СССР

9 733741, кл. В 06 В 1/00, 10.03.78 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАВВУКОВ01 ИИКРОСВАРКИ, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный фильтр, первый и второй буферные каскады, усилитель мощности, блок коммутации и электромеханический преобразователь, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повыщения качества сварных соединений, в устройство введены последовательно соединенные генератор специальных функций, аналого-r mhpoaoA преобразователь, преобразователь кода, преобразователь уровня, а также счетчик циклов, при этом вход генератора специальных функций соединен с выходом блока коммутации и подключен к первому входу усилителя мощ". ности, вход счетчика циклов соединен с входом преобразователя уровня, выход которого. соединен с первым входом активного фильтра, выход активного фильтра через второй буферный каскад и усилитель мощности подключен к электромеханическому преобразователю, выход генератора электрических колебаний через первый буферный каскад соединен с вторым входом активного фильтра, причем выход счетчика циклов соединен с входом блока. коммутации.

1058743

Изобретение относится к технологии электроники, в частности к области сборки электронных приборов, и может быть широко использовано при разработке високоэффективних устройств для ультразвуковой микросварки элементов акусто, -опто-микроэлектронных и электронакуумных приборов, а также электронних часов.

Известно устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее 10 задающий генератор электрических колебаний широкого спектра частот, усилитель мощности и электромеханический преобразователь f.1) .

Недостатком устройства является f5 недостаточное качество и воспроизводимость качества получаемых соединений из-за недостаточно полного учета физических процессов, происходящих в зоне соединения при микроснарке.

Наиболее близким к изобретени;в . янляется устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный фильтр, первый и второй буферные каскады, усилитель мощности, блок коммутации и электромеханический преобразователь Е2 .

Недостатком известного устройства З0 является низкое качество микроснарных соединений, а также невоспроизнодимость сварочного процесса.

Цель изобретения — повышение качества микросварных соединений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для ультразвуковой микросварки, содержащее генератор электрических колебаний широкого спектра частот, активный 40 фильтр, первый и второй буферные каскады, усилитель мощности, блок коммутации и электромеханический преобразователь, внедены последовательно соединенные генератор специальных Функций, аналого-циФровой преобразователь, преобразователь кода, преобразонатель уровня, а также счетчик циклов, прй этом вход генератора специальных Функций соединен с выходом блЬка коммутации и подключен к первому входу усилителя мощности, вход счетчика циклов соединен с входом преобразователя уровня, выход которого соединен с первым входом активного фильтра, выход активного фильтра через второй буферный каскад и усилитель мощности подключен к электромеханическому преобразователю, выход генератора электрических коле-, 60 баний через первый буферный каскад соединен с вторым входом активного фильтра, причем виход счетчика циклов соединен с входом блока комму тации. 65 экспериментально определено, что низкочастотная часть спектра акустических колебаний с постоянной спектральной плотностью мощности оказывает превалирующее влияние на процесс пластической деформации присоединяемого проводника, а колебания высокочастотной части спектра в большей степени способствуют упрочнению материала проводни ка. Для повышения качества микросварных соединенной на начальной стадии микросварки, когда необходимо обеспечить условия пластического деформирования микровиступов и роста фактической площади контакта эа счет увеличения количества одиночных точек охнатывания, к соединяемым элементам подводят колебания низкочастотной части спектра, повышающие степень пластической деформации соединяемых материалов.

Но мере развития деформации и замедления процесса роста площади контакта спектр ультразвуковых колебаний плавно сдвигают в сторону более высоких .частот. Нри этом заключительная стадия процесса характеризуется эффективным упрочнением материала присоединяемого проводника в зоне деформации,что приводит к повышению усилия на разрыв микроснарного соединения.

На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2— временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство содержит генератОр электрических колебаний широкого спектра частот 1, первый буферный каскад 2, второй буферный каскад

3, активный фильтр 4, усилитель мощности 5, электромеханический преобразователь 6, операционные усилителч 7, частотнозадающие элементы 8, ключи 9, блок коммутации

10,, генератор специальных функций

11, аналого-цифровой преобразователь

12, преобразователь кода 13, .преобразователь уровня 14, счетчик циклов 15. Генератор электрических колебаний широкого спектра частот

1 выполнен в виде задающего каскада, например на шумовых диодах, и предварительного усилителя и позволяет получать на выходе напряжение с постоянной спектральной плотностью. Буферный каскад 2 служит для согласования выходного сопротивления генератора 1 и входного сопротивления фильтра 4. В качестве буферного каскада может быть использован выходной каскад предварительного усилителя. Активный фильтр 4 позволяет производить в процессе ультразвуковой микросварки плавное смещение спектра возбуждаемых колебаний по частотной оси в

1058743 сторону более высоких частот. Смещение спектра может производиться. по закону к(М=(14 жч =((ссв М-<) где К(1) = f (<)/$ — текущее значе - ние коэфФициента смещения; (1}— текущее значение средней частоты спектрами < q = (40-300)1 кГц - значение средней частоты спектра в начальный момент процесса микросварки; К(О = . / „= (1,0-10,0) значение коэффициента смещения в конечный момент процесса микросварки; ц — значение средней частоты спектра в конце микросварки; п1 =

10 - 10 — показатель степени.

Сдвиг спектра может .быть достигнут путем смещения в сторону более высоких частот как обеих границ спектра, так и одной иэ них: верхней или нижней. В первом случае активный фильтр 4 выполняется полосовым, во втором случае — в виде фильтра нижних частот, в третьем

;случае — в виде. Фильтра верхних частот. Плавное смещение спектра возбуждаемых колебаний, следова тельно, и перестройка фильтра может производиться в течение процесса микросварки многократно. По укаэан-, ному закону обеспечивается как линейное смещение )р в процессе микросварки, так и ускоренное и замедленное смещение .в определенные моменты процесса соединения: при выборе fA = 1 средняя частота фо увели,чивается по линейному закону, в слу,чае О ю<1 частота о в начальный момент процесса микросварки из леняется бйстро, а в конце прбцесса.— медленнее, в случае т>1 fa в начале процесса микросварки увеличивается медленно, а в конце процесса— быстрее.

Для осуществления плавной перестройки спектра возбуждаемых колебаний в активном фильтре 4 частотноэадающие элементы 8 (резисторы или конденсаторы) подключены к операционным усилителям 7 через ключи 9, например на МОП вЂ” транзисторах, которые включаются напряжением и не потребляют ток управления, т.е. у них имеется гальваническая развязка в цепи управления и цепи сигнала.

Буферный каскад 3 служит для согласования выходного сопротивления .активного фильтра 4 и входного сопротивления усилителя мощности 5.

Буферным каскадом может служить входной каскад усилителя мощности.

К выходу последнего подключен электромеханический, например пьезоэлектрический преобразователь. Блок коммутации 10 позволяет включить усилитель мощности 5 и выключить

65 генератора 1 поступают через буферего после отработки определенного промежутка времени. В качестве генаратора специальных функций 11 может быть использован генератор изменяющегося напряжения U „ причем как с линейным изменением напряжения, так и с нелинейным, например с ускоренным изменением в начальный момент цикла и с замедленным . к ко нцу цикла или, наоборот, и ри более:

I медленном изменении напряжения в начале цикла и с ускорением к его окончанию. Аналого-цифровой преобразователь 12 служит для преобразования аналогового сигнала с

t5 выхода генератора специальных

Функций 11 в десятичный код. Аналого-цифровой преобразователь 12 может быть выполнен. s виде многопорогового устройства, т.е. в виде

2О ряда параллельно соединенных пороговых элементов (например, триггеров Пмитта ), настроенных йа разные пороги срабатывания, отличающиеся друг от друга на единицу. Сигнал

25 на выходе данного устройства соответствует десятичному коду.

Преобразователь кода 13 решает задачу преобразования десятичного кода

О, в двоичный код 0 и может быть выполнен .с использованием логических элементов ТТЛ-схем, например серий 155, 131, 158 и других. Преобразователь уровня 14 служит. для согласования по уровню выходного

5.сигнала преобразователя кода 13 и входного сигнала ключей 9 активного фильтра 4. (Например, ключи 9 на полевых транзисторах управляются напряжением с амплитудой -10 В, в то время как выходные уровни сигналов от ТТЛ-схем преобразователя кода 13 имеют пределы 0,3-3 В).

В качестве преобразователя уровня может быть использован усилитель.

Счетчик циклов 15 предназначен для

45 выработки сигнала при прохождении определенного, предварительно установленного, числа циклов смещения спектра. он может быть выполнен на 3К -триггерах и элементах И-НЕ

ТТЛ-схем серий 155, 131, 158. Сигнал 0 5с выхода счетчика циклов 15 используется для автоматического прекращения процесса микросварки. устрОйство работает следующим образом.

Перед началом процесса микросварки устанавливается определенный закон смещения спектра с помощью генератора специальных функций 11 и число циклов смещения с помощью счетчика циклов 15. Число циклов определяет длительность процесса микросварки. При микросварке электрические колебания широкого спектра частот с выхода широкополосного

1058743 ратор линейного изменяющегося напряжения, выполненный íà операцибнном усилителе с интегрирующими RC-цепями микросхемы К140УД8

Аналого-цифровой преобразователь выполняют на триггерах Ммитта с использованием интегральных микросхем

К155ТЛ1. Преобразователь кода и счетчик циклов выполнены на микросхемах К155ЛА1, К155ЛАЭ, К155ТВ1.

30 Для преобразования уровня применяют транзисторй КТ342В. Перестраиваеммый фильтр содержит операционные усилители (К14ОУД8) g транзисторные, МОП-ключи (К168КТ2А). Точность

15 подбора частотноэадающих элементов (сопротивлений ) 0,1-1%. Крутизна фронтов спектра, обеспечиваемая фильтром, не ниже 60 дБ/октаву. Отклонение крутизны при перестройке

2О фильтра не лревьааает 5-7%.

4Я

&О

&5 ный каскад 2 на активный фильтр 4, который пропускает колебания определенной полосы частот. Последние через буферный каскад 3 и усилитель мощности 5 передаются на электромеханический преобразователь 6, ультразвуковые колебания которого вводят в зону соединения элементоВ интегральных микросхем. Одновременно изменяющееся напряжение с выхода генератора специальных функций 11 поступает на аналого-цифровой преобразователь 12, затем на преобразова. тель кода 13 и преобразователь уровня 14. ИмпуЛьсы двоичноГо кода с выхода преобразователя уровня 14 подаются на ключи 9 активного фильтра 4, тем саьым подключая в опреде-; ленной последовательности частотно задающие элементы 8 к операционным усилителям 7, что приводит к йостепенному изменению амплитудночастотной характеристики фильтра и смещению спектра пропускаемых фильтром колебаний. После определенного числа циклов смещения спектра с выхода счетчика циклов 15 импульс напряжения поступает на блок коммутации 10, с помощью которого производится автоматическое прекращение мнкросварки.

Устройство для ультразвуковой микросварки позволяет получать амплитудно-частотную характеристику фильтра, следовательно, спектр вводимых в зону соединения акустических колебаний с больиой крутизной фронтов, для чего фильтр выполняется .многоэвенным. Каждое звено фильтра обеспечивает увеличение крутизны примерно на 6 дБ/октаву.

Кроме того, в данном устройстве обеспечивается смещение спектра на малые промежутки времени (единицы — десятки миллисекунд) и высокая кратность изменения средней частоты спектра (К = о /5 10).

Это обеспечивается возможностью синхронной перестройки всех звеньев фильтра, причем с достаточно высокой степенью идентичности изменения частотноэадающих цепей фильтра, а также возможностью использования быстродействующих ключей, например на МОП-транзисторах, время переключения которых -0,3 мкс.

Таким образом, смещение спектра акустических колебаний в течение процесса ультразвуковой микросварки в сторону высоких частот позволяет более полно учесть физические процессы в зоне соединения, эффективно .стимулировать эти процессы и тем самым повысить качество и стабильность качества получаемых контактов интегральных микросхем.

В качестве генератора специальHbIx функций был использован генеРазработанное устройство применяют для микросварки алюминиевой проволоки диаметром 35 мкм с алюминиевыми пленками, легированными редкоземельными металлами, толщиной 1 мкм на подложках иэ кремния. Используют широкополосный ультразвуковой генератор ка основе скачкообразного смещения границ доменов в Жерромагнетиках при их медленном перемагничивании, а широкополосную ультразвуковую колебательную систему с согласованным изменением волновых сопротивлений ее элементов. Статическое усилие сжатия соединяемых элементов равно

0,4 Н, длительность процесса микросварки 0,03 с. При выборе f

60 кГц/f«, = 40 кГц, 5® =,. 80 кГц, о 90 кГц, Н = 70 кГц, 110 кГц/ получены гистограммы

В4. распределения механического усилия на разрыв.микросварных соединений под углом 45О к.плоскости зоны мнкросварки здесь f но на ° во ° значения нижней и верхней граИ ниц спектра возбуждаемчх колебаний в начальный и конечный моменты процесса микросварки. При 1п 1 линейное изменение средней частоты спектра) максимум кривой распределения приходится на 0,20-0,21 Н, а коэФФициент .вариации прочности равен л 10-12%;; При щ 90-100 (плавное увеличение fо в начальный момент процесса микросварки и затем более резкое изменение f< к концу процесса) усилие на разрйв соединений ниже на 10-15В и составляет 0,18-0,19 Н.

Снижение прочности соединений в данном случае происходит эа счет увеличения деформации проводника и разупрочнения его материала, так как в зону соединения более длительное время .вводятся колебания низкочастотной части спектра. При > 0,01

1058743 8 ч мальном значении щ, достигает л93% когезионной прочности на разрыв присоединяемого проводника, в то время как прн микросварке беэ сдвига спектра ультразвуковых колебаний прочность соединений равна 75-80% когезионной прочности проволоки.

Зкономический эффект от-испОльзования разработанного устройства в проьвыленности при сборке больыих

10 интегральных микросхем заключается в повыаении качества сварным соединений, 8 резкое увеличение .f в начальный ( момент процесса микросварки н более плавное смещение спектра на конце процесса) максимум кривой распре деления усилия :на разрыв соединения приходится на 0,23-0,24 Н. Выбор величины К4 5, а- также и = 25 позволяет увеличить усилие на разрыв соединения до 0,26 Н. Следова-, тельно, прочность микросварных соединений, полученных с использованием предлагаемого устройства при оптиЯ,м î

<и

7 .. n! !

3 J

3 >+

Ч

l г ! !! 1 I I !

Фиг. E

ВНИИПИ Заказ 9665/11 Тираж 1106- Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä,óë. Проектная, 4