SU1110582A1 - Способ контрол процесса микросварки давлением - Google Patents

Abstract

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА МИКРОСВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ, включающий определение силы прихватывани  рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инструмента после сн ти  давлени  по окончании сварки и сравнение полученного значени  с эталонным, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности контрол , дополнительно измер ют динамическую .силу отрыва рабочего инструмента от приваренной микропроволоки , силу нат жени  микропроволоки и скорость перемещени  инструмента при отрьше, а силу прихватьтани  опредл ют по формуле .а. , K-D где Qji - динамическа  сила отрьта инструмента от микропроволоки , Р сила нат жени  микропроволоки , коэффициент динамичности, Кт, учитывающий скорость перемещени  инструмента при подъеме. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и и с   тем, что опредл ют минимальную величину динамической силы отрьша, при которой происходит разру (Л шение сварного соединени , а также предел прочности CQct при действии этой силы, и о качестве процесса § микросварки суд т по выполнению еле- дующего услови : ,. te.,«U-%-) .где К - условный коэффициент запаса прочностиJ ел FCC - площадь сварного соединени , 00 ю vV Фа9.1

Description

Изобретение относитс  к сварке в электронной промышленности и может быть использовано дл  контрол  процесса микросварки давлением, выполн емой на сварных устройствах как с ручным, так и с автоматическим управлением .

I Известны способы контрол  процесс микросварки давлением, включающие опI ределение. оптимальных параметров процесса микросварки путем измерени  механических и электрических характеристик сварных соединений в процессе их образовани  1Д.

Однако по окончании цикла сварки при подъеме рабочего инструмента может произойти полное или частичное разрушение зоны сварного соединени . Известные способы контрол  процесса микросварки не гарантируют сохранение качества образованного сварного соединени  по окончании цикла сварки после отвода рабочего инструмента

Известен способ контрол  процесса микросварки давлением, включающий сн тие давлени  по окончании сварки, определение силы прихватывани  рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инструмента и сравнение ее с эталонной С21.

Недостатком известного способа  вл етс  то, что в процессе контрол  не учитываетс  сила нат жени  микропроволоки при выт гивании ее из барабана установки, а также скорость перемещени  сварочного инструмента при отводе его от микропроволоки, что приводит к снижению качества сварки, низкой точности контрол .

Цель изобретени  - повышение точности контрол .

Поставленна  цель достигаетс  тем что согласно способу контрол  процесса микросварки давлением, включающему определение силы прихватывани  рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инструмента после сн ти  давлени  по окончании сварки и сравнение полученного значени  с эталонным, дополнительно измер ют динамическую силуотрыва рабочего инструмента от приваренной микропроволоки, силу нат жени  микропроволоки и скорость перемещени  инструмента при отрыве,-а силу прихватьшани  определ ют по

формуле Эо-РКр .

с- г;/ 11/

где Q,j - динамическа  сила отрьша

инструмента от микропроволоки ,

2 Р - сила нат жени  микропроволоки J

Kj) - коэффициент динамичности, учитывающий скорость перемещени  инструмента при 10 подъеме.

Кроме того, определ ют минимальную величину динамической силы отрыва , при которой происходит разрушение сварного соединени , а также 15 предел прочности С . при действии этой силы, и о.качестве процесса микросварки суд т по выполнению следую1щего услови :

.)

где К, - условный коэффициент запаса .

прочностиJ 5 Fj - площадь сварного соединени , j

До подъема инструмента, т.е. в пе- i риод действи  сжимающего сварного усили , сила нат жени  проволоки не оказывает отрывного усили  на зону сварного соединени , так как компенсирована сжимающим усилием со стороны инструмента, и лишь с момента сн ти  сжимающего усили  и подъема инст5 румента отрьшное усилие за счет силы нат жени  проволоки возрастает, пропорционально ускорению перемещени  инструмента. Следовательно, суммарна  сила отрьша, воздействующа  на

зону сварного соединени , складьшартс  из силы прихватывани  . и силы нат жени  проволоки Р

.2

d4

(2.)

Поскольку при ударном характере нагрузок, как известно, напр жени  в материале будут больше, чем при статическом действии тех же нагрузок, дл  сил и Р вводитс  поправка в виде коэффициента динамичнос .ти Kj,, в котором учитываетс  ускорение перемещение инструмента, и формула принимает следующий вид:

(Л

.K;, Далее получают из формулы (3) фор мулу дл  расчета силы прихватьгоани  Glu-P-Кт) Т Дл  расчета числового значени  коэффициента динамичности пользуютс  следующими формулами: скорость перемещени  инструмента при отрьгое, ускорение свободного падени  J статическое удлинение проволоки до отрыва сад. h COg - предел прочности материала проволоки при раст жении} h - толщина проволоки под торцом инструмента после приложени  снимающего усили . Толщина проволоки под торцом инструмента определ етс  из следующего услови : оГ/2 / (7) где d - диаметр микропроволоки. Поскольку в процессе микросварки давлением деформаци  проволоки составл ет 50%, то в формуле (7) делитель равен 2. В период контрол  процесса микросварки давлением в зонах контакта различных поверхностей (инструментпроволоки , проволока-контактна  площадка ) знак механических напр жений измен етс . Во вреМ  сварного цикла это напр жени  сжати , а -с момента подъема инструмента, в случае действи  отрьшной силы, - напр жени  раст жени . Известно, что величина предела выносливости материала в зн чительной степени зависит от соотнош ни  между крайними значени ми измен  щегос  напр жени . Следовательно, ра рыв адгезионных св зей в зонах контакта в услови х знакопеременной нагрузки происходит при меньших напр  жени х, а значит и при меньшей дефо мации материала. Статическое удлинение мирокпроволоки до отрыва . hj рассматривает с  как предельное значение деформации проволоки при достижении предела прочности материала. Поскольку в услови х ударных нагрузок закон Гука о пропорциональной зависимости напр жение-деформаци  сохран ет свою силу, то истинное перемещение инструмента X за врем  действи  отрывной силы можно представить в виде уравнени  с-д. (8) Дл  примен емых в качестве проволочных выводов металлов алюмини  и золота экспериментально установлено , что числовой коэффициент С дл  случа  несимметричного цикла нагрузок находитс  в пределах 0,24-0,32 и зависит как от качества материала проволоки (наличие включений, нарушение режимов термообработки и хранени ) , так и от состо ни  поверхности ПРОВОЛОКИ(трещины, раковины и т.д.), а среднее его значение равно 0,28. Таким образом, при расчете коэффиш ента динамичности скорость перемещени  инструмента при отрыве определ етс  как ; f тгде X - истинное перемещение t - врем  действи  динамической силы отрьша. Определив силу прихватывани  , ее можно сравнить с эталонной величиной и оценить качество рабочего инструмента сварной установки. В процессе прохождени  технологических обработок в материалах происходит накопление структурных дефектов , что приводит к разбросу прочностных характеристик контактных структур даже между однотипными контактными структурами кристаллов разных партий.изготовлени  и заводов-изготовителей . Таким образом, дл  одних типов контактных структур одно значение динамической силы отрыва допустимо и не влечет к последующему отказу сварного соединени  на стади х испытани  и эксплуатации, а дл  других - может стать причиной отказа сварного соединени  и слеДовательно , всего издели . Дл  обеспечени  требуемых прочностных характеристик сварных соединений проволочных выводов в больших гибридных интегральных схемах (БГИС), содержащих до нескольких дес тков различных типов контактных структур, необходимо обеспечить дифференцированный микросварки дл  каждого типа контактной структуры. Критерием качества сварного соеди нени  можно прин ть механическую про ность, котора  контролируетс  различ ными методами и, в частности, путем измерени  прочности на отрьш. Используют действие динамической силы отрыва непосредственно после окончани  сварного цикла в качестве контрольной нагрузки. Дл  изменени  динамической силы отрьша, с целью определени  прочност сварного соединени , достаточно изманить значение любой ее составл ющей Дл  термокомпрессионной сварки и сва ки расцепленным электродом предпочтительно измен ть силу прихватьгоани , использу  ранее калиброванные инструменты или скорость отвода инструмента . Дл  изменени  динамической силы отрьша устройства ультразвуковой свар ки удобнее измен ть силу нат жени  проволоки. В любом случае изменение значени  любой составл ющей ведет к . пропорциональному изменению динамической силы отрьша. Если дл  KOHKpetного типа контактной структуры провес ти серию контрольных сварок при посто нно возрастающей, например, силе нат жени  проволоки, причем дл  каждо го значени  динамической силы отрыва проводить свою серию (10-15) контроль ных сварок, то определ етс  значение минимальной динaмичedкoй силы отрыва , вызывающей разрушение сварного соединени . Ввиду того, что параметры сварного цикла остаютс  неизменными , а следовательно, и площадь свар ного соединени  остаётс  посто нной, можно определить предел прочности сварного соединени  микропроволоки с данным типом контактной структуры по формуле . CW,, где Сбу- предел прочности сварного соединени ; минимальное значение динамической силы отрьша, разрушающей сварное соединение; площадь сварного соединени  Дл  достижений стабильного качества сварных соединений с данным типом контактной структуры необходимо, чтобы на каждой установке дл  микросвар1

полупроводниковые тензодатчики, корундовые иглы 13 которых упираютс  в поверхности соответствующих пластин. 826 ки быпи идентичные режимы сварного цикла и обепечивалось выполнение следующего услови : i:e-3cc - ;.(O X условный коэффициент запагде К са прочности. где , - условное безопасное напр жение контактной структуры , не вызывающее разрушени  в течение длительного промежутка времени. Условное безопасное напр жение контактной структуры определ етс  меньшим значением прочности одного из материалов, вход щего в контактную структуру, илч меньшим значением адгезии между сло ми контактной структуры по формуле где Sfip -меньша  прочность материала или адгезии слоев контактной структуры на раст жение , -коэффициент запаса. К На фиг. 1 схематически изображено устройство в виде мерного щупа дл  реализации предлагаемого способаJ на фиг. 2 - устройство дл  второго этапа контрол . Мерньй щуп содержит уравновешенную балку 1, центральной частью опирающуюс  на шарнирную опору 2. На противоположньк концах балки имеютс  площадка 3 дл  размещени  контрольного образца 4 и противовес 5. Последний размещен между верхней 6 и нижней 7 пластинами переменного сопротивлени , жесткость на изгиб которых может измен тьс  в зависимости от положени  ползунов 8 и 9, которые прижимают пластины к опорной плите 10. Над свободными концами пластин 6 и 7 сооснЪ установлены соответственно верхний 11 и нижний 12 7 :1 Ка здьй тензодатчик включен в плечо измерительного моста, а последние через соответствующие усилители напр жени  подключены к выходу запоминающего осциллографа (не показан На первом этапе осуществлени  способа контрол  процесса микросвар ки давлением оцениваетс  сила прихватывани  рабочего инструмента сва ного устройства к/микропроврлоке. В качестве примера реализации способа определ ют величину силы прихватбшани  дл  инструмента с боковым отверстием дл  подачи проволо ки (алюминий) 100 мкм на полуавтома ческой установке ультразвуковой сварки типа ЭМ-423. Между предметньм столиком, исполь зуемым дл  фиксации издели  на врем  проведени  сварочных операций по присоединению проволочных ме)(|;соедине ний, на определенной высоте от его поверхности непосредственно под торцом рабочего инструмента 14 (фиг. 1 прикрепленного к концентратору ультразвуковых колебаний 15 и снабженного проволокой 16, помещают площадку 3 мерного щупа с контрольным образцом 4, например кристалл интеграл ной схемы КР188РУ2. Ранее мерный щуп калибруетс . Подают электропитание на приборы и производ т контрольную сварку на контактную площадку контрольного образца 4, причем с по влением электрического сигнала на выход усилител  измерительного моста тензо датчика 12 автоматически в режим запоминани  включаетс  осциллограф (С2-21), и на его экране воспроизводитс  форма импульса отрывной силы По вертикальной шкале осциллографа определ етс  максимальное значение амплитуды сигнала, соответствующее максимальному значению динамической силы отрыва в ньютонах, а по горизонтальной шкале - длительность импульса (силы отрыва) в секундах. По окончании считывани  данных вручную осуществл етс  сброс изображени  на экране осциллографа. Если установленное значение силы отрыва на шкале ползуна 9 или длительность измер емого импульса, устанавливаема  на осциллографе, не соответствуют диапазону измер емого сигнала, о сидаемые значени  выстанавливаютс  заново и контрольную сварку повтор ют . 2 Мерньм щуп устроен так, -что максимальное перемещение противовеса 5 ограничено упором и не превьшает 5 мкм, что обеспечивает защиту тензодатчиков от случайных перегрузок. При измерении динамической силы отрыва указанным инструментом получены следующие значени : динамическа  сила отрьша Qj, 0,8 Н, длительность действи  отрывной силы t . Расчитывают л h. по формуле (6) , име  следующие данные на алюминиевую проволоку: модуль Юнга 6, предел прочности С -цЭлг 4,9-10 Н/м2. Толщина проволоки под торцом инструмента 1г согласно (7) составл ет h 1-10 /2 0,5. Определ Еот статическое удлинение П)ВОЛОКИ , ,. 10. 0.5- 10 ,, „д .о, ДЬ. - -б74ТТо 5 - 0.38-Юм. Таким образом, перемещение инструмента вреи  действи  отрывной силы составл ет X 0,28-0,38 . Ю 0,МОм. Измеренна  ранее с помощью динаометра сила нат жени  проволоки составила Р 0,1 Н. По формуле (5) определ ют коэффициент динамичности 0 1-10 10 м/сек 1-10-5 . q/ Q lJO) -4 2,64 V9,8-0,38 1 Подставл   в формулу (4) измереные значени , а также рассчитанное начение дл  Кд, определ ют силу рихватывани  инструмента .2л812.112л64.0,20Н Сравнивают полученную величину эталонной. Дл  осуществлени  второго этапа онтрол  процесса, микросварки исользуют устройство дл  изменени  илы нат жени  проволоки (фиг. 2). Устройство содержит расположенные противоположных сторон проволои 17 прижим 18, обладающий высокой истотой поверхности, обращенной проволоке, и резиновый валик 19. казанные элементы устройства расоложены в промежутке между выходом 91 проволоки из барабана и входом в ра бочий инструмент . Прижим 18  вл етс  подвижной частью электромагнита 20, а валик 19 находитс  на валу электродвигател  21. Устройство изменени  силы нат жени  проволоки работает следующим образом. Со схемы управлени  ультразвуковым генератором установки УЗ сварки в момент включени  УЗ генератора поступает электрический сигнал на схему управлени  электромагнитом 20 и электродвигателем 21 (не показано а схема управлени  включает электро магнит 20, что обеспечивает перемещение прижима 18 и прижатие прово локи 17 к торцовой поверхности резинового валика 19. Одновременно с электромагнитом 20 схема управлени включает электродвигатель 21, что обеспечивает сообщение вращающего момента валику 19. Стрем сь повернут с  в направлении, указанном на фиг. 2 стрелкой, валик 19 передает посредством трени  перемещение проволоке и перемещает ее по поверхности прижима 18 по тех пор, пока вращающий момент валика 19, пропорциональньй силе тока электродвигател  2 уравновешиваетс  силой, нат жени  про волоки. Таким образом, задава  силу тока электродвигател , можно нормиро ванно измен ть силу нат жени  проволоки . Схема управлени  электродвигателем 21 и электромагнитом 20 подключе на к выходу усилител  тензодатчика (фиг. 1), что обеспечивает в момент падени  напр жени  сигнала (момент прекращени  действи  динамической силы отрыва) отключение электродвига тел  21 и электромагнита 20, т.е. перевод прижима 18 в исходное положение . Ранее устройство дл  изменени  силы нат жени  проволоки калибруетс  что обеспечивает задание требуемой силы нат жени  проволоки в ньютонах по шкале тока электродвигател . Контроль процесса микросварки про должаетс  в следующей последовательности .

На схему управлени  устройства дл  изменени  силы нат жени  проволоки подаетс  электропитание, и по шкале тока электродвигател  устанавливаетс  сила нат жени  проволоки

Далее по формуле (11) опредед ют условньй коэффициент запаса прочности

2-10

« 11

10

1 Я в ньютонах, причем в качестве начального используют значение силы нат жени  проволоки, измеренное ранее с помощью динамометра. Производитс  сери  (10-15) сварок на контрольном образце 4 (фиг. 1), в процессе которых измер етс  динамическа  сила отрыва и визуально контролируетс  целостность сварного соединени . В случае отсутстви  разрушени  сварного соединени  в период проведени  серии контрольных сварок, силу нат жени  проволоки повышают до получени  разрушени  сварного соединени . В момент разрзплени  сварного соединени  на кристалле КР188РУ2 динамическа  сила отрыва составл ет 2Н. Определ ют предел прочности разрушенного сварного соединени  1-10%2 2 2 10 Н/м Дл  проведени  расчета значени  условного коэффициента запаса прочности KkY, определ ют условно безопасное напр жение контактной структуры &}tC Контактна  структура кристалла КР188РУ2 состоит из кремни  п-типа с диэлектрической изол цией и осажденного на ней сло  алюминиевой металлизации. Дл  кремни  с диэлектрической изол цией (ЗгОг) известно следующее среднее значение прочности S-j,j,g 26-10 Н/м. Адгези  алюмини  к диэлектрической изол ции (ЗЮг) кремни  после операции вжигани  не уступает прочности на разрыв самого алюмини , т.е. ffnpAC бдд, 4,9-10 Н/м Подставл ют в формулу (12) найденное меньшее значение прочности материала контактной структуры - алюмини  и значение коэффициента запаса, в данном случае беретс  дл  пластичных материалов , и расчитывают условно безопасное напр жение контактной структуры 1,8-1 о Н/м2

П

По формуле (10) определ ют, обеспечивают ли ранее измеренные и вычисленные значени  составл ющих динамической силы отрьгоа условию качества сварного соединени  при К 11

2-10 i 8,8-10 Н/м2

В рассмотренном случае условие качества не вьшолн етс .

Причиной разрушени   вл ютс  высокие значени  силы прихватывани  и силы нат жени  проволоки Р. В данном случае инструмент необходимо заменить новым, а также путем замены катушки с проволокой в барабане или регулировкой барабана обеспечить снижение силы нат жени  проволоки . В случае замены инструмента проводитс  контроль его качества, т.е. определ етс  сила прихватывани  . Если снижение силы прихватывани  и силы нат жени  проволоки не обеспечивают выполнение услови  качества , то снижают скорость отвода

10582.-IZ.

инструмента (без существенного снижени  производительности сварки). В случае невозможности йьшолнени  ус . лови  (10) указанными приемами, про5 вод т полное изменение режимов сварного цикла (измен ют силу прижима инструмента, врем  сварки и т.д.).

Контроль прочности сварного соединени  и определение в результате его условного козффигщента запаса прочности в условии производства  вл ютс  достаточным условием дл . исключени  попадани  на сборку партий кристаллов, не отвечающих условию качества (10).

Эффективность предлагаемого способа контрол  процесса микросварки по сравнению с прототипом достигаетс  путем повышени  оперативности контрол  процесса микросварки;значительного снижени  брака на сварке,а также повышени  эксплуатационной надежности сварных соединений.

1 Кинструпенту (pui.2

Claims (2)

1. СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА МИКРОСВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ, включающий определение силы прихватывания рабочего инструмента к приваренной микропроволоке при отводе инструмента пос ле снятия давления по окончании сварки и сравнение полученного значения_ч с эталонным, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, дополнительно измеряют ди намическую силу отрыва рабочего инструмента от приваренной микропроволоки, силу натяжения микропроволоки и скорость перемещения инструмента

Фиа.1

S при отрыве, а силу прихватывания опредляют по формуле где Qo - динамическая сила отрыва инструмента от микропроволоки ;

Р - сила натяжения микропроволоки ,’

K_D - коэффициент динамичности, учитывающий скорость перемещения инструмента при подъеме.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что опредляют минимальную величину динамической силы отрыва, при которой происходит разрушение сварного соединения, а также предел прочности С <5^] при действии этой силы, и о качестве процесса микросварки судят по выполнению еледующего условия:

где К^ - условный коэффициент запаса прочности;

Fee - площадь сварного соединения.

>