CN101544060A - 一种压力自适应超声波精密焊接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波精密焊接方法及装置，属于聚合物微器件的组装技术领域。以60kHz以上的超声发生器及超声换能器提供超声波振动；步进电机驱动直线运动单元带动超声波工具头纵向移动；承载微器件的底座上安装压力传感器；承载超声波工具头的平台下方安装微位移传感器，并根据位置差来确定联接层的厚度；在底座上设有调平机构。焊接前对微器件提供初始压力，限制超声波在界面产热，并施加超声波振动；超声波工具头缓慢上移，到达可使界面软化的临界焊接压力后停止移动，保压后完成焊接。本发明实现了精密焊接过程中超声波能量的精确控制，解决了由微器件表面特性差异引起的焊接重复性问题，且降低了参数对焊接质量的影响。
Description
技术领域
本发明属于聚合物MEMS的组装技术领域，涉及一种压力自适应超声波精密焊接装置及其使用方法，应用于聚合物MEMS器件的组装及封接。
背景技术
随着聚合物材料在MEMS领域的应用，聚合物微功能器件的组装成为重要研究课题。传统的联接方法如热焊接、胶粘接等存在效率不高、强度低、长期稳定性差等缺陷；近年来得到研究的封接方法如红外焊接、激光焊接等存在着材料选择上的局限性。超声波焊接具有焊接强度高、效率高、局部受热、适用材料广泛等优点，可以克服其它技术与方法中存在的问题，解决聚合物微器件组装中的问题。
区别于普通器件的焊接，精密焊接的研究重点是由尺寸减小引起的焊接质量的差异，如熔接质量、熔化厚度、形状精度、表面张力等并不会对大尺寸零件焊接产生影响，但针对微器件的焊接，这些因素将直接决定联接的质量。虽然塑料超声波焊接技术在宏观领域的应用已较为成熟，但在MEMS领域的应用尚存在一定问题，如焊接过程中超声波振动将对微器件的定位精度、形状精度产生影响，甚至使微器件受到损坏。
目前，超声波焊接主要通过改变时间、压力、相对位移及超声波能量等参数来控制超声波焊接质量，文献【超声波塑料焊机的能量控制模式.杨士勤javascript：WriterSearch(’杨士勤’)；，阎久春，田修波javascript：WriterSearch(’田修波’)；等.焊接学报，1995，16(2)，118-123】设计了通过控制超声发生器输入到换能器的有效电功率来控制传递到焊接面的超声波能量；文献【压力可变的超声波塑料焊机.田修波javascript：WriterSearch(’田修波’)；，杨士勤javascript：WriterSearch(’杨士勤’)；.电焊机http://dlut.cqvip.com/QK/92698X/index.asp？CSID＝％7b0F6064F5-7300-446E-9672-BF395FDF4FF1％7d，1999，29(12)，14-17】提出了在焊接过程中使用变化的压力可以优化焊接质量。
精密焊接技术是针对具有微结构的小尺寸器件的精密联接，需解决由尺寸减小所带来的问题，保证微结构在焊接过程中不发生变形且不受到损坏，并能更加精确控制对小尺寸焊接面施加的超声波能量，过度或不足的焊接能量会使焊接质量明显下降。而由于待焊接面存在着微小的粗糙度差异将会引起摩擦系数、表面硬度及导热性能等参数的细微差异，对于小尺寸的微器件焊接会产生较大影响，使用传统的超声波焊接方法存在着焊接重复性差的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明专利以工作频率为60kHz的超声波振动系统和施压准确稳定及位移控制精确的直线运动单元为硬件基础，设计了基于压力自适应的超声波精密焊接方法，降低了在超声波振动下微器件受到损坏的可能，实现了微器件焊接过程中超声波能量的精确控制，并且可对不同器件分别施加适当的超声波能量，解决了焊接重复性问题。
本发明要解决的技术问题是提供一种压力自适应超声波精密焊接装置及其使用方法，该方法应用于微器件的超声波精密焊接，首先需保证精密焊接过程中微器件的结构不受到损坏，并且要精确控制微器件的联接精度，这就需实现焊接能量的精确控制；此外由于微器件的联接表面的表面性能存在着差异，因此本发明需解决由其引起的焊接重复性问题。
影响超声波焊接质量的因素主要包括超声频率、振幅、焊接压力、焊接时间、保压时间等。超声波的频率和振幅决定了焊接能量，振幅将直接影响联接精度，较大的振幅难以实现精度较高的联接层厚度，且容易对微结构造成损坏。降低振幅是提高超声波焊接精度的主要方法，但振幅的降低会引起焊接功率的降低，导致焊接能量不足，频率的提升将会提高超声波功率。因此，提高工作频率，降低振幅可提高超声波焊接系统的联接精度。
焊接压力是影响超声波焊接过程中界面产热的重要参数，针对微器件的超声波精密焊接需要能量较小，且需实现精确控制，因此焊接压力的微小变化将对微器件的焊接质量产生很大的影响。过大的焊接压力将限制超声波振动，使焊接界面完全没有润湿效果；而过小的焊接压力会导致焊接过程中器件的跳动，发生过度摩擦导致产热过度，焊接界面过度熔化坍塌，对微器件的尺寸精度有较大影响，并且过高的温度会使聚合物材料出现降解现象。因此，焊接压力能否精确控制将直接决定焊接能量能否精确控制。
精密焊接还存在表面特性差异带来的问题，由于微器件表面的摩擦系数、硬度、导热性能、粗糙度等存在着细微的差异，不同器件对焊接能量的需求也不相同，应用传统的焊接参数固定的方法进行焊接会导致焊接重复性问题，因此需要一种能量自适应的焊接方法来解决重复性差的问题，而焊接压力是决定焊接能量的重要因素，因此焊接压力的自适应控制可实现焊接能量的自适应，是解决焊接重复性问题的有效途径。
本发明解决技术问题采用的技术方案如下：
建立针对MEMS器件联接的超声波精密焊接装置，该装置包括超声发生器、超声换能器、步进电机、直线运动单元、调平机构、压力传感器、微位移传感器和数据采集卡。
工作频率为60kHz以上的超声发生器及超声换能器作为核心元件提供超声波振动，超声波发生器直接与超声波工具头螺纹连接；
由步进电机驱动直线运动单元带动超声波工具头纵向移动，通过直角固定架和法兰固定超声波工具头，精确控制超声波工具头的位置，提供精确稳定的焊接压力；
在底座上设有调平机构，可手动调整两个焊接面间的平行度，使焊接面充分接触；
调平机构上通过螺纹连接安装压力传感器，用于测量焊接压力；
承载超声波工具头的直角固定架下方安装微位移传感器，用于检测超声波工具头的位置，可根据焊接前、后超声波工具头的位置差来确定联接层的厚度；
以微位移传感器和压力传感器测量超声波工具头的位置及焊接压力，通过数据采集卡将位置和压力数据采集到工控机反馈控制焊接流程。
基于上述硬件基础设计了压力自适应超声波精密焊接方法，其流程为在焊接前对微器件提供初始压力，施加超声波振动，要求初始压力限制超声波振动，在界面间不产生热量。随后超声波工具头缓慢上移，焊接压力缓慢减小，会出现一个使焊接界面发生润湿的临界压力，此时界面由于摩擦产热发生少量熔化，聚合物材料表面软化发生少量坍塌，压力会出现一个瞬间减小的跳变，通过压力传感器检测到压力跳变后停止超声波工具头移动，关闭超声波振动，保压一段时间后抬起超声波工具头，完成焊接，并通过微位移传感器检测焊接前后超声波工具头的位置差得出微结构在焊接过程中的高度形变量。
本发明的有益效果是实现了精密焊接过程中超声波能量的精确控制，对不同的微器件提供各自适合的临界焊接压力，消除了微器件的性能差异带来的影响，解决了由微器件界面性能差异引起的焊接重复性问题，且不用考虑参数对焊接质量带来的影响。
附图说明
图1为本专利所述超声波精密焊接装置的结构图。
图2为本专利所述调平结构的原理图。
图3为本专利所述压力自适应超声波精密焊接方法的流程图。
图中：1工控机；2运动控制卡；3超声波发生器；4数据采集卡；5电感测微仪；6步进电机；7直线导轨；8直角固定架；9超声波换能器；10超声波工具头；11待焊接MEMS器件；12焊接支撑板；13压力传感器；14调平结构；15球形垫片；16联接螺栓；17传感器联接板；18调整螺栓；19调平板；20钢珠滚轮；21基板。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
图1为所述超声波精密焊接装置的结构图，工控机1装有控制软件通过运动控制卡2控制步进电机6工作，控制直线导轨7的运动，通过直角固定架8带动60kHz的超声波换能器9及超声波工具头10的纵向移动；通过控制超声波发生器3来控制超声波换能器9的工作状态，实现超声波振动的开启与关闭；数据采集卡4用于将电感测微仪5和压力传感器13产生的位移及压力信号采集到工控机1对焊接过程进行反馈控制。电感测微仪5的测头与直角固定架8末端接触。压力传感器13安装在调平结构14上面，上载焊接支撑板12可支撑及固定待焊接的MEMS器件11。
图2为所述调平结构的原理图，基板21固定整个结构，其中心装有钢珠滚轮20，可倾斜支撑上方的调平板19，通过调节调整螺栓18可以调整调平板19的倾斜角度，从而实现图1中焊接支撑板12与超声波工具头10的超声波辐射面平行。联接螺栓16将传感器联接板17安装到调平板19上，压力传感器13通过螺栓安装在传感器联接板上。
图3为所述压力自适应超声波精密焊接方法的流程图，首先由超声波工具头10带动待焊接的微器件11快速下移到基片附近，随后缓速下移超声波工具头10，使压力达到设定焊接压力上限，并开启超声波振动。在压力较大的情况下超声波振动将被完全限制，无法使焊接界面产生热量。随后超声波工具头10上移，压力逐渐减小，会出现一个压力临界值使界面间产热升温，此时微器件受热将会产生一个微量的熔化，压力会有一个瞬间的下降，通过压力传感器13检测压力的瞬间跳变，通过工控机1控制超声波工具头10停止移动。关闭超声后，保压一段时间使熔化层在降温过程中保持一定形态。最后超声波工具头10上移，一次焊接结束。通过电感测微仪5检测焊接前后与微器件11接触的超声波工具头10的位置，通过作差计算可得出焊接过程中微器件11的高度形变量。
Claims (2)
- 【权利要求1】一种超声波精密焊接装置，其特征在于：该装置包括超声发生器(3)、超声换能器(9)、步进电机(6)、直线运动单元、压力传感器(13)、微位移传感器和调平机构(14)；工作频率为60kHz以上的超声发生器(3)及超声换能器(9)作为核心元件提供超声波振动；步进电机(6)驱动直线运动单元带动超声波工具头(10)纵向移动，通过直角固定架(8)和法兰固定超声波工具头(10)，精确控制超声波工具头(10)的位置；在底座上设有调平机构(14)，调平机构上通过螺纹连接安装压力传感器(13)测量焊接压力；承载超声波工具头(10)的平台下方安装微位移传感器，并根据焊接前、后超声波工具头(10)的位置差来确定联接层的厚度；以微位移传感器和压力传感器(13)测量超声波工具头(10)的位置及焊接压力，通过数据采集卡(4)采集到工控机(1)反馈控制焊接流程。
- 【权利要求2】权利要求1所述装置的压力自适应焊接方法，其特征在于：在焊接前对微器件提供初始压力，施加超声波振动，要求初始压力限制超声波振动在界面间产热；超声波工具头缓慢上移；到达使界面软化的临界焊接压力后超声波工具头停止移动，保压后完成焊接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110720 Termination date: 20140324 |