SU1276465A1 - Способ управлени процессом ультразвуковой микросварки (его варианты) и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технологии микроэлектроники и решает задачу повышени  и стабильности качества получени  микросварных соединений. По одномерной плотности веро тно- ; сти или по времени наблюдени  электрических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или механических колебаний на выходе данной системы в определенном фиксированном диапазоне амплитуд регулируют мощность ультразвуковых колебаний и прекращают процесс микросварки при отсутствии изменени  указанных па-т раметров колебаний.Цепь обратной св зи содержит один или два дифференциальных амплитудных дискриминатора, интегратор , преобразователь уровн , дифференцирующее устройство и компаратор уровн , а также схему антисовпадений. Дл  управлени  процессом по цараметрам механических колебаний устройство i содержит в цепи обратной св зи датчик ультразвуковых колебаний, исто (Л . повторитель и усилитель. Изобретение может быть использовано при сборке полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. 3 с.п. и 2 з.п. ф-лы, 14 ил. ю vj

Description

1 Изобретение относитс  к технологи микроэлектроники и может бьть исполь зовано при сборке полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Целью изобретени   вл етс  повышение качества и воспроизводимости качества микросварных соединений при использовании ультразвуковых колебаний широкого спектра частот. На фиг. 1-3 представлены эпюры генерируемых и преобразованных колебаний , а также принцип их селекции по амплитуде в способе управлени ; на фиг, 4 и 5 - блок-схемы устройств дл  реализации способа управлени ; н фиг. 6-14 - временные диаграммы напр жений в различных узлах устройств управлени  микросваркой. Сущность способа управлени  заключаетс  в том, что параметры режима ультразвуковой микросварки регулируют , Использу  информацию о величине входного механического импеданса микросварного соединени , который характеризует качество формируемого контакта. Например, при наличии в зоне микросварки окисных пленок, пре п тствующих качественному схватыванию материалов микропроволоки и контактной площадки, входной импеданс имеет небольшое значение. При качест венном схватывании соедин емых материалов входной механический импеданс имеет значительно большее значение за счет внесени  в его величину импеданса подложки, ,Оценива  величину указанного импеданса, можно регулировать парамет1)ы режима микросварки Входной механический импеданс микросварного соединени , т,е. импеданс нагрузки ультразвуковой колебательно системы, трансформируетс  к входу, поэтому входной электрический импеданс системы также характеризует качество формируемых соединений. Одним из параметров, характеризующих входной механический импедан микросварного соединени  и входной электрический импеданс ультразвуково колебательной системы при возбуждени колебаний широкого спектра частот,  вл етс  одномерна  плотность веро тности по влени  механических колебаний на выходе указанной системы или одномерна  плотность веро тности по влени  электричёских; колебаний на ее входе, Колебани  широкого спектра частот возбуждение которых производитс , на 652 пример, с использованием лавинного шума р-п-перехода в полупроводнике, на временной оси имеют вид импульсов (выбросов) со случайным изменением амплитуды, фазы и длительности ( фиг. 1). При увеличении импеданса цепи, по которой проход т импульсы, например, импеданса колебательной системы, нагружаюш.ей ультразвуковой генератор колебаний широкого спектра частот, форма импульсов измен етс , приближа сь к треугольной (фиг, 2). Дальнейшее увеличение импеданса приводит также к уменьшению амплитуды импульсов (фиг. 3), При этом измен етс  одномерна  плотность веро т- ности по влений колебаний J(А), как величина, пропорциональна  среднему времени пребывани  уровн  сигнала выше определенного порогового значени  Л. Измер   величину одновременной плотности веро тности по влени  электрических колебаний на входе ультразвуковой колебательной системы или механических колебаний на выходе данной системы, с определенным пороговым значением амплитуды, регулируют мощность ультразвукового генератора . На начальной стадии микросварки, характеризующейс  интенсивной пластической деформацией микровыступов и ростом фактической площади контакта за счет увеличени  количества одиночных точек схватывани , происходит резкое изменение входного механического импеданса микросварного соединени  (соответственно, импеданса ультразвуковой колебательной системы ), т.е, наблюдаетс  определенна  скорость изменени  одномерной плотности веро тности по влени  колебаний ijj(A) . По мере стабилизации процесса пластической деформации присоедин емого проводника при микросварке и замедлени  процесса роста площади контакта скорость изменени  входного механического импеданса микросварного соединени  становитс  равной нулю, следовательно, скорость изменени  одномерной плотности веро тности по влени , колебаний также равна нулю. Прекращение процесса подачи ультразвука в зону микросварки в данный момент времени обеспечивает получение соединений с высоким качеством, а также с высокой стабильностью качества. Управление процессом ультразвуковой микросварки при использовании колебаний широкого спектра частот производитс  также по величине относительного времени нахождени  амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой колебательной системы в определенном диапазоне с шириной ДА А , где А макс MUKC максимальное значение выбросов колебаний данной системы. Относительно врем  нахождени  амплитуды колебаний 10 и равно отношению суммарного времени колебаний в интервале от А до А +ЛА к полной продолжительности интервала измерени . Измер   величину указанного относительного времени, регулируют мощность ультразвуковых колебаний и при отсутствии изменени  ампли туды в относительное врем  процесс микросварки прекращают. Выбор ДА А, обусловлен следующими обсто тельствами. При уменьшении интервала дА относительно максимального значени  выбросов коле баний чувствительность контрол  вели чины относительного времени повышает с . Увеличение дА приводит к снижению чувствительности контрол  и к уменьшению качества формируемых микросварных контактов Способ управлени  процессом ультразвуковой микросварки по величине относительного времени нахождени  амплитуды  вл етс  вариантом способа управлени  по величине одномерной плотности веро тности, так как относительное врем  соответствует одномерной функции плотности распределени  веро тности по влени  колебаний , однако эти способы по-разному реализуютс  аппаратно. Устройство дл  управлени  процессом ультразвуковой микросварки по. величине одномерной плотности веро тности по влени  электрических коле баний (фиг. 4) содержит ультразвуко- 45

вой генератор 1, реле времени 2, ультразвуковую колебательную систему состо щую, например, из электромеханического преобразова тел  3, ультразвукового концентратора 4 и свароч .ного инструмента 5,и нагруженную на импеданс контакта проволочный вывод 6 - контактна  площадка 7.

В устройстве цепь обратной св зи содержит дифференциальный амплитудный дискриминатор 8, интегратор 9, преобразователь уровн  10, дифференцирующее устройство 11, компаратор 1

5 ввод тс  в зону соединени  элементов 6 и 7. Длительность процесса микросварки задаетс  с помощью реле времени 2.

В случае управлени  процессом по величине одномерной плотности веро тности электрических колебаний (фиг. 4) данные колебани , поступающие на вход ультразвуковой колебательной системы, подаютс  также на

Claims (5)

1. дифференциальный амплитудный дискриминатор 8. На выходе дискриминатора 8 образуютс  пр моугольные импульсы 654 уровн  12, причем вход диффёнциаль- него амплитудного дискриминатора 8 соединен с входом ультразвуковойколебательной системы 3, 4 и 5, а выход его подключен через интегратор 9 и преобразователь уровн  10 к управл ющему входу ультразвукового генератора 1, при этом выход интегратора 9 через дифференцирующее устройство 11 компаратор уровн  12 соединен с реле времени 2. Цепь обратной св зи устройства дл  управлени  процессом ультразвуковой микросварки по величине относительного времени по влени  колебаний в диапазоне от А,до А,+лА (фиг. 5) содержит второй дифференциальный амплитуд-ный дискриминатор 13, подключенный к входу ультразвуковой колебательной системы 3, 4 и 5, при этом выходы дифференциапьных амплитудных дискриминаторов соединены с входами схемы антисовпадений 14, а выход последней подключен к входу интегратора 9. .. .. . „гДл  управлени  процессом ультразвуковой микросварки по аналогичным параметрам механических колебаний устройство дополнительно содержит Датчик ультразвуковых колебаний 15, истоковый повторитель 16 и усилитель напр жени  17, при этом выход датчика 15 через истоковый повторитель 16 иусилитель напр жени  17 соединен с входами дифференциальных амплитудных дискриминаторов 8 и 13. Устройство работает следующим образом. Электрические колебани  ультразвуковой частоты с выхода ультразвукового генератора 1 подаютс  на ультразвуковую колебательную систему, т.е. на вход электромеханического преобразовател  3, механические колебани  которого через ультразвуковой концентратор 4 и сварочный инструмент одинаковых амплитуд с длительно-ст ми равир)1ми длительност м выбросов колебаний широкого спектра частот за определенный уровень А (фиг, 6, 7), Далее сигнал подаетс  на интегратор 9, на выходе которого образуетс  посто нное напр жение, пропорцнональ нс5е одномерной плотности веро тности (.i(A), по величине которого регулируетс  мощность генератора 1 (фиг.. 8) Согласование уровней выходного сигнала интегратора 9 и сигнала управле ни  ультразвуковым генератором 1 осуществл етс  с помощью преобразовател уровн  10, в качестве которого может быть использован усилитель посто нного тока (например, дл  управлени  усилителей мощности ультразвукового генератора 1 на мощных кремниевых транзисторах необходим ток до220мА, в то врем  как выходные уровни сигна лов интегратора на операционном усилителе имеют пределы по току 2-5 мА). Сигнал о интеграторе 9 подаетс  также на дифференцирующее устройство 11, на выходе которого образуетс  сигнал, пропорциональный скорости изменени  одномерной плотности веро тности (фиг, 9), При равенстве нулю указанной скорости компаратор уровн  12 вырабатывает сигнал, поступаюш;ий на реле времени 2, дл  отключени ультразвукового генератора 1 и пресращени  процесса микросварки (фиг. 10 В случае управлени  процессом микросварки по величине относительного времени пребывани  колебаний в интервале от А до А (фиг, 5) устройство работает следующим образом. Колебани  с выхода ультразвукового геаератора 1подаютс  на входь( дифференциальных амплитудных дискриминато ров 8 и 13. На выходах дискриминаторов образуютс  пр моугольные импульс одинаковых амплитуд с длительност ми равными длительност м выбросов колебаний за два соответствующих уровн  А и А +АА (фиг. 11, 12, 13). Эти импульсы подаютс  на схему антисо-впадепий 14, котора  пропускает сигнал на выход тогда, когда входные напр жени  неодинаковы (фиг. 14). Сигнал с выхода схемы антисовпадений подаетс  на интегратор 9, на выходе которого образуетс  посто нное напр  жение, пропорциональное относительному времени пребывани  колебаний в интервале и А, по величине которого регулируетс  мощность ультразвукового генератора 1, При равенстве нулю скорости изменени  этого относительного времени происходит отключение ультразвукового генератора 1 и прекращение процесса микросварки. В случае управлени  процессом ультразвуковой микросварки по аналогичным параметрам механических колебаний на выходе ультразвуковой колебательной системы устройство работает следующим образом. Механические колебани  на выходе системы, например вблизи рабочего торца сварочного инструмента 5, улавливаютс  датчиком 15, сигнал с которого через истоковый повторитель 16 и усилитель напр жени  17 поступает к входам дифференциальных амплитудных дискриминаторов 8 и 13. При зтом управление процессом микросварки производитс  как по величине одномерной плотности веро тности, так и по величине относительного времени пребывани  механических колебаний. При управлении процессом ультразвуковой микросварки по величине механического импеданса в случае использовани  колебаний широкого спект-ра частот более nojnio учитываютс  механические свойства соедин емых материалов и состо ние контактирующих поверхностей ,,в:п-  ю1дие на процесс формировани  качественного контакта. Это приводит к повышению качества и воспроизводимости качества контакта, в частности его механической прочности. П р и м е р. Производили микросварку алюминиевой микропроволокидиаметром 300 мкм к алюминиевой пленке толщиной 5 мкм па кремниевом кристалле . При этом использовали ультразвуковой генератор, задающий каскад которого выполнен на шумовом диоде 2Г401А, включенном в цепь базы транзистора КТ312Б, и который соединен через компаратор с усилителем, работающим в ключевом режиме. Ультразвукова  колебательна  -система представл ет собой пьезокерамический преобразователь с основной рабочей частотой 70 кГц. Использовались ступенчатьш концентратор с акустической четвертьволновой разв зкой и сварочный инструмент из сплава ВК19. Соедин емые элементы (проволочный В151ВОД и металлическую пленку на кремниевой подложке) сжимали с усилием 3,0 Н и подавали в зону соединени  ультразвуковые колебани  широкого спектра частот. По величине одноме ной плотности веро тности колеба ний на уровне 20 В и величине относргтельного времени пребывани  колебаний в диапазоне 20-22 В регулиров ли мощность ультразвуковых колебаний в диапазоне 27-35 Вт, Длительность процесса микросварки регулировалась в пределах 0,5-1,5 с. При использовании предлагаемого способа автомати ческого регулировани  процесса ультразвуковой микросварки механическое усилие на разрыв контактов под углом 90 к плоскости зоны соединени  возк плоскости зоны соединени  возрастает с 3,0-3,7 (без использовани  описанного способа) до 5,9-6,4 Н, т.е. приь5ерно в 2 раза. При этом коэффициент вибрации усили  на разрыв соединений уменьшаетс  с 42-48% до 7-12%, т.е. значительно увеличиваетс  стабильность процесса микросварки . Экономический эффект от использовани  способа и устройства достигаетс  в основном за счет повышени  процента выхода годной продукции, в частности полупроводниковых приборов особенно после испытаний приборов на термоциклирование. Формула изобретени  1. Способ управлени  процессом ультразвуковой микросварки, при котором осуществл ют измерение парамет ров колебаний ультразвуковой колебательной системы и производ т регулирование режима микросварки, о тличающийс  тем, что, с целью повышени  качества и воспроизводимости качества микросварного соединени  при использовании ультразвуковых колебаний широкого спектра частот, измер ют одномерную плотност веро тности превышени  заданного значени  амплитуды электрических колебаний на входе ультразвуковой коле бательной системы или механических колебаний при выходе данной системы, по величине которой регулируют мощность ультразвуковых колебаний, и прекращают процесс микросварки при равенстве нулю скорости изменени  этой плотности.
2. 2. Способ управлени  процессом ультразвуковой микросварки, при кото 65В ром осуществл ют измерение параметров колебаний ультразвуковой колебательной системы и производ т регулирование режима микросварки, о тл и ч а ю Q; и и с   тем, что, с целью повышени  качества микросварного соединени , измер ют относительное врем  нахождени  амплитуды электрических или механических колебаний ультразвуковой колебательной системы в фиксированном диапазоне амплитуды от определенного значени  А До А+4А , где U А « А А „акс - макс максимальное значение амплитуд колебаний данной системы, по величине этого относительного времени регулируют мощность ультразвуковых колебаний и прекращают процесс микросварки при равенстве нулю скорости изменени  величины этого времени.
3. 3. Устройство дл  управлени  процессом ультразвуковой микросварки, содержащее ультразвуковой генератор. реле времени, ультразвуковую колебательную систему и пепь обратной св зи, отличающеес  что, с целью повьш1ени  качества и воспроизводимости качества микросварного соединени , цепь обратной св зи содержит дифференциальный амплитудный дискриминатор, интегратор, преобразователь уровн , дифференцирующее устройство и компаратор уровн , при этом вход амплитудного дискриминатора соединен с входом ультразвуковой колебательной системы, а выход через интегратор подключен к входам преобразовател  уровн .и дифференцирующего устройства, выход последнего через компаратор.уровн  соединен с реле времени, а выход преобразовател  уровн  соединен с управл ющим входом ультразвукового генератора .
4. 4.Устройство по п. 3, отличающеес  тем, что цепь обратной св зи дополнительно содержит второй амплитудный дискриминатор и схему антисовпадений, при этом входы амплитудных дискриминаторов подключены к входу ультразвуковой колебательной системы, а выходы - к входам схемы антисовпадений, к выходу последней подключен вход интегратора,
5. 5.Устройство по пп. 3 и 4, о тличающеес  тем, что цепь

   9127646510

   обратной св зи содержит дополнительно повторитель и усилитель напр жени , последовательно соединенные датчик подключенные к входам амплитудных ультразвуковых колебаний, истоковый дискриминаторов.

   t-cp tc/) / icp P

   fPue.1

   ..

   и

   9иг.8

   1Риг.9

   Вынп. Фиг.Ю