Монтажная микросварка (стр. 1 из 3)
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники»
кафедра РЭС
РЕФЕРАТ
На тему:
«МОНТАЖНАЯ МИКРОСВАРКА»
МИНСК, 2008
Монтажная микросварка применяется при монтаже кристаллов ИМС с помощью золотых и алюминиевых выводов. Процесс УЗ-микросварки основывается на введении механических колебаний УЗ-частоты в зону соединения, что приводит к пластической деформации приконтактной зоны, разрушению и удалению поверхностных пленок с созданием атомно-чистых (ювенильных) поверхностей, что интенсифицирует процесс образования активных центров и тем самым приводит к образованию прочного сварного соединения без большой пластической деформации свариваемых деталей.
Наиболее часто применяются продольные колебания частотой 66 кГц , вводимые в зону сварки с помощью волноводной системы (рис. 1.), состоящей из преобразователя 1, акустического трансформатора 2, концентратора 3. Колебания от рабочего инструмента 4 сообщаются проволочному выводу 5, совмещенному с контактной площадкой 6, расположенном на акустической опоре 7. Волноводная система крепится в узле колебаний держателем 8.
рис. 1. Схема ультразвуковой микросварки
Режим сварки на заданной частоте характеризуется следующими параметрами:
1) энергией ультразвуковых колебаний Е:
,где A - амплитуда колебаний ( 2-5 мкм); F - частота колебаний; t - время микросварки. Увеличение времени сварки повышает прочность сварного соединения за счет роста суммарной площади очагов схватывания до определенного предела, увеличение времени более 3-5с приводит к усталостному разрушению соединения;
2) акустической мощностью Рак, вводимой в сварочную зону, которая связана с электрической мощностью Р, подводимой к преобразователю, соотношением
,где hм - механический КПД преобразователя (0,5-0,7 для магнитострикционных, 0,8-0,9 для пьезоэлектрических); Р0 - мощность потерь на подмагничивание;
3) контактным усилием сжатия F, которое зависит от толщины свариваемых элементов и подводимой мощности. При недостаточном усилии сжатия не достигается необходимое сцепление между инструментом и деталью, так как происходит проскальзывание инструмента по детали. Увеличение усилия сжатия приводит к чрезмерной деформации сварной точки и снижению прочности соединения. Оптимальная степень обжатия вывода выбирается в соответствии с коэффициентом деформации 0,5-0,6:
,где dпр - диаметр проводника; Нд - высота деформированной зоны;
4) формой рабочей части инструмента, которая выбирается из соображения, что длина деформируемого при сварке проводника должна быть равной 2-3 диаметрам проводника. Повышению прочности способствует небольшой паз в центре рабочей части вдоль свариваемой проволоки.
Функциональные особенности конструктивных элементов инструмента при УЗ-микросварке заключаются в следующем (рис. 2.):
· диаметр направляющего отверстия выбирается из условия устранения возможности забивки его материалом привариваемой проволоки:
;· угол наклона направляющего отверстия определяется условиями перемещения инструмента на вторую сварку, зависит от высоты и длины проволочной перемычки:
,где h - высота проволочной петли; g - перемещение стола. Оптимальная величина угла a составляет 30°;
· длина рабочей части инструмента L определяет длину деформируемой при сварке проволоки и выбирается из соотношения
; оптимальное значение L составляет 0,1 мм для проволоки диаметром 27 мкм и 0,2 мм для проволоки диаметром 60 мкм;· глубина продольного паза b зависит от коэффициента деформации kд = 0,6:
b = (0,01 - 0,05) мм;
· удаление выхода отверстия от задней кромки рабочей площади инструмента должно обеспечивать симметрию петли проволочной перемычки: lуд = 8 dпр;
· угол наклона задней кромки рабочей площадки b должен обеспечивать подрезку проволоки после второй сварки без остаточных напряжений в ней. Оптимальная величина угла b составляет 60°.
·
рис. 2. Рабочая часть инструмента для УЗ-микросварки
Для присоединения внахлест проволоки из алюминиевых сплавов УЗ-микросваркой используют капилляры из твердых сплавов типа ВК-20 с упрочненной рабочей поверхностью типа КУТ32 - 27 - 95 - 15, где КУТ - капилляр для УЗ - и термозвуковой сварки, 27 - диаметр проволоки, 95 - размер L, 15 - размер R.
Анализ факторов, влияющих на качество и надежность микросварных соединений, показывает, что все технологические параметры УЗ-микросварки оказываются настолько тесно связанными, что неудачный выбор одного из них изменяет ранее установленные значения других. Поэтому для обеспечения высокого качества и воспроизводимости ультразвуковой сварки важны: обеспечение заданной микрогеометрии поверхности контактных площадок; оптимизация технологических параметров УЗ-микросварки методом математического моделирования; разработка новых способов микросварки с активацией процесса физико-химического взаимодействия контактирующих металлов.
УЗ-микросварка позволяет соединять без значительного нагрева самые разнообразные металлы (алюминий, медь, никель, золото, серебро), а также металлы с полупроводниковыми материалами. Выполнение проволочного соединения контактной площадки на кристалле с траверсой корпуса требует наряду со сварочными операциями действий по совмещению инструмента с местом сварки на кристалле и корпусе схемы.
В 80-х гг. создана полностью автоматизированная установка УЗ-микросварки ЭМ-4020, имеющая управляющую микроЭВМ "Электроника-60",что резко увеличило производительность до 12500 сварок в час. Новое поколение установок, к которому относится ЭМ-4060, построено с применением линейных шаговых двигателей и системы технического зрения, что обеспечивает наивысшую производительность от 18 до 30 тыс. сварок в час (табл. 1).
Табл. 1 - Характеристика установок УЗ-микросварки
| Параметры | ЭМ-4020б | ЭМ-4060 | Мод. 1484 (США) |
| Производительность, сварок/ч | 14 000 | 16 000 | 18 000 |
| Диаметр проволоки, мкм | 27-60 | 25-40 | 20-60 |
| Размеры рабочего поля стола, мм | 25´25 | 30´30 | 101´51 |
| Точность позиционирования, мкм | 25 | 20 | 3,2 |
| Усилие сжатия, Н | 0,2-1,2 | 0,2-1,2 | 0,2-0,25 |
| Тип сварочного соединения | Внахлестку | Встык-внахлестку | Термозвук, золотым шариком |
В новых моделях автоматов (ЭМ-4060П и ЭМ-4020П) для присоединения выводов ИМС используется единая стойка управления, состоящая из однотипных блоков управления, распознавания и питания ультразвуковых генераторов (УЗГ), а также прецизионные загрузочно-разгрузочные устройства (ЗРУ) и оптико-телевизионные системы.
Система технического зрения (СТЗ) позволяет распознавать и определять положение кристаллов и траверс. Положение корпуса определяется по одной траверсе при совмещении только по линейным координатам и по двум траверсам при совмещении по линейным координатам и углу. СТЗ может определять положение каждой траверсы индивидуально.
Усовершенствованная УЗ-система автоматов характеризуется следующими особенностями. Предусмотрена непрерывная автоматическая подстройка частоты (АПЧ) в полосе не менее 5 кГц с погрешностью отслеживания частоты резонанса ультразвукового преобразователя (УЗП) не более 20 Гц и времени захвата не более 20 мс. Встроенная модернизированная система контроля функционирования и компенсации ошибок АПЧ позволяет вдвое (по сравнению с ЭМ-4020б) уменьшить максимальную длительность компенсации ошибок АПЧ (время модуляции), увеличить устойчивость АПЧ и обеспечить заблаговременную сигнализацию об отказе системы.
В УЗ-системе имеется датчик, сигнализирующий о создании требуемого акустического контакта между инструментом и соединяемыми деталями и позволяющий не только определять позицию сварки по координате Z, но и увеличивать воспроизводимость качества соединений. Подача УЗ-колебаний на инструмент (дежурного сигнала) в промежутках между сварками снижает трение между инструментом и проволокой при формировании петли, облегчает отделение инструмента от сформированного соединения. Встроенное устройство контроля сварочных систем, программно и аппаратно поддержанное управляющей системой установки, позволяет осуществлять функциональное диагностирование УЗ-системы и непрерывное наблюдение за ходом процесса формирования каждого сварного соединения и на этой основе осуществлять 100%-й контроль качества при сборке ИМС любого типа в любом корпусе.
Для повышения качества и надежности микросварных соединений применяют различные методы активации: электрическим током и ИК-излучением. Импульс электрического тока пропускают через оба соединяемых элемента в направлении, обеспечивающем электроперенос диффузионно-подвижного металла в соединении (рис. 3, а). Поскольку в соединении Al-Ni алюминий обладает большим коэффициентом диффузии, чем никель, электрический ток через соединение стимулирует диффузионное взаимодействие в процессе микросварки, что приводит к образованию интерметаллидов Al3Ni, имеющих повышенную прочность, и вызывает увеличение надежности микросварного соединения.