DD219338A1

DD219338A1 - METHOD FOR ULTRASONIC WELDING

Info

Publication number: DD219338A1
Application number: DD25671683A
Authority: DD
Inventors: Karl-Heinz Bleich
Original assignee: Fz Elektronik Teltow Veb
Priority date: 1983-11-15
Filing date: 1983-11-15
Publication date: 1985-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschallschweissen vorzugsweise fuer solche Bereiche, in denen besonders zuverlaessige Ultraschallschweissverbindungen notwendig sind, insbesondere in der Elektrotechnik und Mikroelektronik. Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ultraschallschweissen zu finden, welches eine erhoehte Verfahrenszuverlaessigkeit und damit eine Senkung der Ausschussquote gewaehrleistet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, bereits erzielte Zwischenergebnisse waehrend des Schweissprozesses zu erfassen und auszuwerten, um das bestmoegliche Schweissresultat zu erzielen. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass die uebliche Ultraschallenergie durch eine niedrigere Frequenz getaktet wird, wodurch eine intermittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwingkopfes erreicht wird. Durch die Auswertung zeitlich aufeinander folgender Ausschwingzeiten dieses Schwingkopfes laesst sich der Einfluss aufeinander folgender Energiepulse auf den Aufbau der jeweilig bearbeiteten Schweissstelle erfassen, so dass mit dieser Messinformation der laufende Schweissvorgang gesteuert werden kann.The invention relates to a method for ultrasonic welding preferably for those areas in which particularly reliable ultrasonic welding connections are necessary, in particular in electrical engineering and microelectronics. The aim of the invention is to find a method for ultrasonic welding, which ensures an increased process reliability and thus a reduction in the rejection rate. The object of the invention is to detect and evaluate intermediate results already obtained during the welding process, in order to achieve the best possible welding result. The object is achieved according to the invention characterized in that the usual ultrasonic energy is clocked by a lower frequency, whereby an intermittent operation of the ultrasonic vibrating head is achieved. By evaluating temporally successive settling times of this oscillating head, the influence of successive energy pulses can be recorded on the structure of the respectively processed welding point, so that the current welding process can be controlled with this measuring information.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung ·Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum physikalischen Verbinden mittels Ultraschallschweißen, welches in solchen Bereichen, in denen besonders zuverlässige Ultraschallschweißverbindungen notwendig sind, insbesondere in der Elektrotechnik und der Mikroelektronik, angewendet werden kann.The invention relates to a method for physical bonding by means of ultrasonic welding, which can be used in those areas in which particularly reliable ultrasonic welding connections are necessary, in particular in electrical engineering and microelectronics.

Characteristic of the known technical solutions

Auf dem Gebiet des Ultraschallschweißens werden eine Reihe von Lösungsmethoden zur Erhöhung der Verfahrenszuverlässigkeit und zur Verbesserung der Gütesicherung beschriften.In the field of ultrasonic welding, a number of solution methods will be used to increase process reliability and improve quality assurance.

Eine bekannte Methode besteht in der Stabilisierung der Hauptverfahrensparameter Schwingungsamplitude, Schweißzeit und statischer Anpreßdruck, wodurch ein genau einstellbares und gut reproduzierbares Prozeßenergieangebot an der Schweißmaschine erzielt wird. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, daß die Verbesserung der Zuverlässigkeit nur durch die Verwendung von Schweißkomponenten mit gleichen Eigenschaften bezüglich der Ultraschallschweißbarkeit erfolgt. Weiter ist bekannt, durch eine Eingangsgütekontrolle der Schweißkomponenten die Toleranz aller Eigenschaften zu · überwachen, die die Ultraschallschweißbarkeit beeinflussen. Damit gelangen nach entsprechender Aussonderung nur solche Komponenten zur Verarbeitung, die zur sicheren Verschweißung gleiche eingestellte Verfahrensparameter benötigen. Diese Methode besitzt den Nachteil, daß sie äußerst aufwendig und fertigungstechnisch nicht vertretbar ist. In der Patentschrift DD 45 217 wird ein programmgesteuerter zeitlicher Verlauf des Ultraschallenergieeintrages in der Form vorgeschlagen, daß die mechanische.Schwingungsamplitude der Sonotrode während des gesamten Schweißprozesses nicht auf einem vorwählbaren konstanten Wert stabil gehalten wird, sondern durch einen vorwählbaren zeitlichen Verlauf gezielt variabel, vorzugsweise mit abfallender Charakteristik, gesteuert wird. Trotz einer zu erwartenden Erhöhung der Verfahrenszuverlässigkeit, vor allem bei empfindlichen Schweißkomponenten, macht sich nachteilig bemerkbar, daß die Schwingamplitudensteuerung relativ starr ist, wodurch sie während des laufenden Prozesses nicht in ausreichender Weise Einfluß auf die Herstellung einer guten Schweißstelle nehmen kann und die Schweißzeit konstant vorgegeben werden muß. Es ist weiter bekannt, daß eine Verbesserung des Ultraschallschweißens durch mehr oder weniger gesicherte Korrelationen während des Schweißprozesses zwischen meßtechnisch erfaßbaren Größen und der Schweißstellengüte zur Steuerung der Schweißzeit genutzt werden. Am längsten vorbekannt ist hier, einen möglichen Abfall der HF-Generatorausgangsspannung zu erfassen und zur Abschaltung der Schweißenergie zu benutzen. Als eine weitere Möglichkeit wird in der DD 83 289 beschrieben, daß über einen piezoelektrischen Fühler der Abfall der mechanischen Schwingungsamplitude des Schwingkopfes überwacht und ein Abschaltsignal zur Beendigung des Schweißprozesses gewonnen wird.A known method consists in the stabilization of the main process parameters oscillation amplitude, welding time and static contact pressure, whereby a precisely adjustable and well reproducible process energy supply is achieved at the welding machine. The disadvantage here is that the improvement in reliability is achieved only by the use of welding components with the same properties with respect to the ultrasonic weldability. It is also known to monitor the tolerance of all properties which influence the ultrasonic weldability by checking the input quality of the welding components. Thus, after appropriate sorting out, only those components which require the same set process parameters for reliable welding arrive for processing. This method has the disadvantage that it is extremely expensive and manufacturing technology is not acceptable. In the patent DD 45 217 a program-controlled time course of the ultrasonic energy input in the form is proposed that the mechanical .Swivel amplitude of the sonotrode is not kept stable at a preselectable constant value during the entire welding process, but by a preselectable time course selectively variable, preferably with sloping characteristic, is controlled. Despite an expected increase in process reliability, especially in sensitive welding components, it is disadvantageously noticeable that the oscillation amplitude control is relatively rigid, whereby it can not sufficiently influence the production of a good weld during the ongoing process and sets the welding time constant must become. It is also known that an improvement in the ultrasonic welding by more or less secure correlations during the welding process between metrologically detectable sizes and the Schweißstellenengüte be used to control the welding time. The longest known here is to detect a possible drop in the RF generator output voltage and to use for switching off the welding power. As a further possibility is described in DD 83 289 that monitored via a piezoelectric sensor, the drop in the mechanical vibration amplitude of the oscillating head and a shutdown signal to terminate the welding process is obtained.

Bekannt ist auch, eine Frequenzverwerfung der Ultraschallarbeitsfrequenz auszunutzen, welche sich durch geringfügige Verlagerung der Eigenresonanzfrequenz des Schwingkopfes ergeben kann.It is also known to exploit a frequency rejection of the ultrasound working frequency, which may result from slight displacement of the self-resonant frequency of the oscillating head.

Weiter ist bekannt, den sinkenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen oberer und unterer Schweißkomponente und den Deformationsgrund der oberen Schweißkomponente als Ersatzmeßgröße zur Signalisierung der Schweißgüte zu bewerten.It is also known to evaluate the sinking electrical contact resistance between the upper and lower welding components and the deformation background of the upper welding component as a substitute measured quantity for signaling the weld quality.

Der sich durch die Korrelation zwischen den vorgeschlagenen Ersatzmeßgrößen und der Schweißgüte ergebende Nachteil besteht darin, daß bei vielen Schweißaufgaben und Schweißmaschinen der beschriebene Zusammenhang durch eine Vielzahl störender Einflußgrößen so stark vermindert wird, daß er zur Erfüllung der Gütesicherung praktisch nicht verwendbar ist. Eine Anzahl weiterer Methoden zur Lösung des Problems der Verfahrenszuverlässigkeit und der Schweißgüte befaßt sich mit einmalig aus dem Schweißprozeß ableitbaren Signalen als Maß für die Güte der Schweißverbindung. So wird in der Patentschrift DE 23 165 98 vorgeschlagen, eine auftretende Einkerbung während des zeitlichen Verlaufs der HF-Generatorausgangsspannung oder den plötzlich ansteigenden elektrischen Übergangswiderstand zwischen Sonotrode und oberer Schweißkomponente als Zeichen für die Fertigstellung der Schweißstelle zu werten und den Energieeintrag zu beenden. Aus der Patentschrift DE 32 33 629 geht hervor, daß die Haftkraft bestimmt wird, mit der die Sonotrode während des Schweißprozesses mit der oberen Schweißkomponente als Prozeßnebenwirkung verbunden ist. Die Haftkraft läßt sich nach Beendigung des Energieeintrages während des Anhebens der Sonotrode als notwendige Ablösekraft an der Sonotrode messen. Der bekannte Nachteil dieses Haftens oder Klebens der Sonotrode, der gewöhnlich durch die Wahl eines zur Schweißaufgabe passenden Sonotrodenwerkstoffs oder das Auslösen eines sogenannten Nachimpulses minimiert wird, läßt keinen eindeutigen Schluß auf die erreichte Schweißstellengüte zu. Nachteilig macht sich weiter bemerkbar, daß das der Schweißstellengüte annähernd proportionale Signal einmalig unmittelbar vor oder nach Beendigung des Schweißprozesses gewonnen werden kann, wodurch die Beeinflussung des gesamten Schweißverlaufs nicht gewährleistet ist.The resulting by the correlation between the proposed Ersatzmeßgrößen and the weld quality disadvantage is that in many welding tasks and welding machines described the relationship is so greatly reduced by a variety of disturbing factors that it is virtually unusable to fulfill the quality assurance. A number of other methods for solving the problem of process reliability and weld quality are concerned with signals derived once from the welding process as a measure of the quality of the welded joint. Thus, the patent DE 23 165 98 proposes evaluating an occurring notch during the time course of the HF generator output voltage or the suddenly increasing electrical contact resistance between sonotrode and upper welding component as a sign for the completion of the weld and to end the energy input. From the patent DE 32 33 629 shows that the adhesive force is determined, with which the sonotrode is connected during the welding process with the upper welding component as a process side effect. The adhesive force can be measured after termination of the energy input during the lifting of the sonotrode as a necessary detachment force on the sonotrode. The well-known disadvantage of this sticking or sticking of the sonotrode, which is usually minimized by the choice of a sonotrode material suitable for the welding task or the triggering of a so-called postpulse, does not allow a clear conclusion on the achieved weld quality. A disadvantage is further noticeable that the weld quality approximately proportional signal can be obtained once just before or after completion of the welding process, whereby the influence of the entire welding process is not guaranteed.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ultraschallschweißen zu finden, welches eine erhöhte Verfahrenszuverlässigkeit, insbesondere hinsichtlich der Erhöhung und Stabilisierung der Schweißgüte, der Verringerung schädlicher Nebenwirkungen auf empfindliche Schweißkomponenten, wie Rißbildung, mechanische Versprödung oder Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften sowie des Zulassens größerer Toleranzen der Materialeigenschaften der Schweißkomponenten aufweist und eine Material- und Energieeinsparung durch Senkung der Ausschußquote gewährleistet. *The aim of the invention is to find a method for ultrasonic welding, which increased process reliability, in particular with regard to increase and stabilization of the weld quality, the reduction of harmful side effects on sensitive welding components, such as cracking, mechanical embrittlement or deterioration of electrical properties as well as allowing larger tolerances has the material properties of the welding components and ensures a material and energy savings by reducing the reject rate. *

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Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bereits erzielte Zwischenergebnisse des Schweißvorganges während des laufenden Prozesses zu erfassen und auszuwerten, um kontrolliert auf das bestmögliche Schweißresultat einwirken zu können. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die üblicherweise während eines Schweißvorganges kontinuierliche Ultraschallenergie durch eine niedrigere Frequenz getaktet wird, wodurch eine intermittierende Arbeitsweise des Ultraschallschwingkopfes erreicht wird. Dadurch ist gewährleistet, daß während der Schallenergiepausen die Ausschwingzeit dieses Schwingkopfes, die das Maß für das Fortschreiten des Schweißvorganges darstellt, gemessen werden kann. . Somit läßt sich der Einfluß zeitlich aufeinanderfolgender Energiepulse, deren meßgesteuerte Dosierung nach jedem einzelnen Energiepuls erfolgt, auf den Schweißprozeßfortschritt ermitteln, da die Meßwerte nach zeitlich benachbarten Energiepulsen ein Ausdruck für die anwachsende Rückwirkung der sich aufbauenden Schweißstelle auf den Ultraschallschwingkopf sind. Bei sprungartiger Änderung der Meßdifferenz zweier benachbarter Ausschwingzeiten ist der Schweißvorgang beendet.The invention has for its object to detect and evaluate already achieved intermediate results of the welding process during the ongoing process in order to be able to act in a controlled manner on the best possible welding result. The object is achieved in that the usually during a welding process continuous ultrasonic energy is clocked by a lower frequency, whereby an intermittent operation of the ultrasonic vibrating head is achieved. This ensures that during the sound energy pauses the decay time of this oscillating head, which is the measure of the progress of the welding process, can be measured. , Thus, the influence of temporally successive energy pulses whose measured controlled metering occurs after each individual energy pulse can be determined by the welding process progress, since the measured values after temporally adjacent energy pulses are an expression of the increasing repercussions of the buildup of weld on the ultrasonic oscillating head. With sudden change in the measuring difference of two adjacent decay times of the welding process is completed.

Ausführungsbeispiel embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

Entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten Blockschaltbild wird ein üblicher Ultraschallschwingkopf 1, bestehend aus einem elektromechanischen Energiewandler 2, einem Amplitudentransformator 3 mit Sonotrode 4 und einem mechanischelektrischen Meßwandler 5, über den mechanisch-elektrischen Meßwandler 5 und über ein Rückkopplungssignal 7 von einem Ultraschallgenerators in seiner Eigenresonanzfrequenz zum Schwingen angeregt. Dieser Eigenresonanzfrequenz wird mittels des Steuergenerators 8 eine Wesentlich niedrigere Frequenz geeigneter Höhe, doch beliebiger Kurvenform, z. B. Rechteck-, Halbsinus, Dreiecksform, überlagert, wodurch eine intermittierende Betriebsweise des Ultraschallschwingkopfes 1 erreicht wird. In den Energiepausen ist die Rückkopplung des mitgekoppelten Systems aufgetrennt, weil der Ultraschallschwingkppf 1 nicht mit HF-Energie aus dem Ultraschallgenerator 6 versorgt wird. Die Ausschwingzeit der in dieser Meßphase annähernd nach einer Exponentialfunktion abklingenden harmonischen Schwingung hängt im wesentlichen ab vom gespeicherten hochfrequenten Energiegehalt des Ultraschallschwingkopfes 1 und von der momentan wirkenden Dämpfung auf den Ultraschallschwingkopf 1 und dort speziell auf die Sonotrode 4. Durch ein hochgewähltes Übersetzungsverhältnis des mechanischen Amplitudentransformators 3 wirkt sich jede Dämpfung am Fuß der Sonotrode 4 sehr stark auf die Auss'chwingzeit des Ultraschallschwingkopfes 1 aus, ohne durch die in der Meßphase fehlende Einspeisungsenergie abgeschwächt und verfälscht zu werden. Der Zeitmesser 9 ermittelt jeweils nach Beendigung eines neuen Energiepulses die Ausschwingzeit, beispielsweise mit Hilfe des beim konventionellen Ultraschallschweißen benötigten Rückkopplungssignals 7, welches der mechanisch-elektrische Meßwandler 5 liefert. Die Meßdifferenz zweier zeitlich nacheinander folgender Ausschwingzeiten wird in der Differenzstufe 10 gebildet. Diese Meßdifferenz als Ersatzmeßgröße für den momentanen Schweißprozeßfortschritt wird einer Vergleicherstufe 11 zugeführt, die ihrerseits ein Dosiersignai 12 an den Ultraschallgenerator 6 liefert, so daß während des Schweißprozesses Einfluß auf die in die jeweilige bearbeitete Schweißstelle einzutragende Ulträschallenergie genommen werden kann. Gleichzeitig bildet die Vergleicherstufe 11 das Triggersignal 13 für den intermittierenden Betrieb des Ultraschallschwingkopfes 1, wobei nach jedem Ultraschallenergiepuls über einen logischen Test in der Vergleicherstufe 11 entschieden wird, ob ein weiterer Ultraschallenergiepuls auszulösen ist oder ob der Schweißvorgang aufgrund des abgeschlossenen Aufbaus der Schweißstelle beendet wird was dann gegeben ist, wenn eine sprungartige Änderung der Meßdifferenz zweier zeitlich aufeinanderfolgender Ausschwingzeiten ermittelt worden ist.According to the block diagram shown in Fig. 1 is a conventional ultrasonic transducer 1, consisting of an electromechanical energy converter 2, an amplitude transformer 3 with sonotrode 4 and a mechanical-electrical transducer 5, via the mechanical-electrical transducer 5 and a feedback signal 7 from an ultrasonic generator in his Self-resonant frequency excited to vibrate. This self-resonant frequency is by means of the control generator 8 is a substantially lower frequency suitable height, but any waveform, z. B. rectangular, half sine, triangular shape, superimposed, whereby an intermittent operation of the ultrasonic vibrating head 1 is achieved. In the energy gaps, the feedback of the coupled system is separated because the Ultraschallschwingkppf 1 is not supplied with RF energy from the ultrasonic generator 6. The settling time of the harmonic oscillation decaying in this measurement phase approximately after an exponential function essentially depends on the stored high-frequency energy content of the ultrasonic oscillating head 1 and on the momentarily acting damping on the ultrasound oscillating head 1 and there specifically on the sonotrode 4. By means of a highly selected transmission ratio of the mechanical amplitude transformer 3 Each attenuation at the foot of the sonotrode 4 has a very strong effect on the outer oscillation time of the ultrasound oscillating head 1, without being attenuated and distorted by the infeed energy missing in the measuring phase. The timer 9 determined after completion of a new energy pulse, the settling time, for example, with the help of the conventional ultrasonic welding required feedback signal 7, which provides the mechanical-electrical transducer 5. The measuring difference between two decay times following in succession is formed in differential stage 10. This measuring difference as Ersatzmeßgröße for the current welding process progress is supplied to a comparator stage 11, which in turn delivers a Dosiersignai 12 to the ultrasonic generator 6, so that during the welding process influence can be taken on the entered into the respective weld welds ultrasound energy. Simultaneously, the comparator stage 11 forms the trigger signal 13 for the intermittent operation of the ultrasonic vibrating head 1, wherein after each ultrasonic energy pulse is decided by a logical test in the comparator stage 11, whether another ultrasonic energy pulse is triggered or if the welding process is terminated due to the completed construction of the weld what is given when a sudden change in the measuring difference between two successive decay times has been determined.

Claims

Invention claims: <

1. A method for ultrasonic welding, characterized in that a usually continuous ultrasonic energy is clocked by a lower frequency, so that after each energy pulse, the decay time of the ultrasonic vibrating head can be measured, the difference in measurement of two temporally successive decay times as a measure of the progression of the welding process analog or can be evaluated digitally, so that can be controlled with this Meßinfqrmation the ongoing welding process.

2. The method according to item 1, characterized in that after a suitable choice of the initial energy pulse during a weld a measured controlled dosage of the ultrasonic energy takes place after each energy pulse. ,

3. The method according to item 1 and 2, characterized in that the welding process is terminated after the occurrence of a sudden change in the measuring difference of two temporally successive decay times.

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