Монтажная микросварка

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.3.36), со­стоящей из преобразователя 1, аку­стического трансформатора 2, кон­центратора 3. Колебания от рабочего инструмента 4 сообщаются проволоч­ному выводу 5, совмещенному с кон­тактной площадкой 6, расположенной на акустической опоре 7. Волноводная система крепится в узле колебаний держателем 8.

Рис.3.36. Схема УЗ-микросварки.

Режим сварки на заданной частоте характеризуется следующими параметрами:

1. энергией ультразвуковых колебаний Е:

Е = AFt

где А – 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 3–5 с приводит к усталостному разру­шению соединения;

2. акустической мощностью Рак, вво­димой в сварочную зону и связан­ной с электрической мощностью Р, подводимой к преобразователю, со­отношением:

где η_м – механический КПД пре­образователя (0,5–0,7 для магнито-стрикционных, 0,8–0,9 для пьезо­электрических);

Р ₀ – 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 d_np – диаметр проводника;

Н_Д – 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. 3.37):

Рис.3.37. Рабочая часть инструмента для УЗ-микросварки

– диаметр направляющего отверстия выбирается из условия устранения возможности забивки его материа­лом привариваемой проволоки:

d ₀ ≥1,5 d_np;

– угол наклона направляющего отверстия определяется условиями пере­мещения инструмента на вторую сварку, зависит от высоты и длины проволочной перемычки:

где h – высота проволочной петли;

γ – перемещение стола. Оптималь­ная величина угла α составляет 30°;

– длина рабочей части инструмента L определяет длину деформируемой при сварке проволоки и выбирается из соотношения L = 2 d np; 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 k д=0,6:

b = (0,01– 0,05) мм;

– удаление выхода отверстия от зад­ней кромки рабочей площади инструмента должно обеспечивать сим­метрию петли проволочной пере­мычки: l уд = 8dпр;

– угол наклона задней кромки рабочей площади β должен обеспечивать подрезку проволоки после второй сварки без остаточных напряжений в ней. Оптимальная величина угла β составляет 60°.

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.