CC BY
396
УДК 621.791.16 (088.8)
РАСЧЕТ ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ УСТАНОВКИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И.А. Каданцев, В.В. Зенин
Рассмотрены особенности УЗС внутренних выводов СПП. Показана перспективность сборки СПП УЗС с использованием ленты. Проанализированы процессы передачи энергии упругих колебаний в зону сварки. Проведен расчет геометрических размеров сварочного инструмента для установки УЗС внутренних выводов СПП в глубокие корпуса
Ключевые слова: инструмент, сопротивление, металлизация, ультразвук
Введение. Основными сборочными операциями в производстве полупроводниковых изделий (ППИ) являются: монтаж кристалла в корпус, присоединение контактных площадок кристалла к траверсам корпуса проволочными или ленточными выводами и герметизация.
Основная задача корпуса - защита кристалла от механических повреждений, от загрязнения пылью, газообразными химическими соединениями, солями и парами воды. Конструкции корпусов ППИ отличается большим разнообразием, они стандартизированы и разбиты на семейства - конструктивные типы [1].
Следует отметить, что в производстве специальных силовых полупроводниковых приборов (СПП) используются корпуса, в которых кристаллы размещаются достаточно глубоко от герметизированной поверхности (рис. 1). В этом случае для обеспечения качественной сварки внутренних выводов требуется сварочный инструмент с большей длиной от места крепления с концентратором (волноводом) установки для УЗС.
В последние годы в печати появляются сообщения о перспективности сборки силовых полупроводниковых приборов ультразвуковой сваркой (УЗС) с использованием алюминиевой ленты. Данная технология получила название HARB (Heavy Aluminum Ribbon Bonding) [2, 3]. Присоединение одной ленты шириной 2000 мкм и толщиной 300 мкм эквивалентно трем петлям из проволоки диаметром 500 мкм. Учитывая конструктивные и технологические особенности изготовления металлизации контактных площадок на кристаллах СПП, производитель может столкнуться с рядом ограничений на HARB-процесс. Нельзя полностью согласиться с утверждением, что «физические основы HARB и традиционной сварки толстой алюминиевой проволоки настолько близки, что для выполнения сварки лентой подойдет обычная установка УЗС, лишь немного модернизированная под HARB-процесс» [2].
Каданцев Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 8-908-148-43-62
Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-905-051-19-79
Особенности ультразвуковой сварки. УЗС
- соединение металлов в твердом состоянии за счет возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний ультразвуковой частоты при одновременном создании определенного удельного давления [4-7].
Одним из важных элементов оборудования для УЗС является рабочий (сварочный) инструмент. Конструкция инструмента должна обеспечивать получение сварного соединения требуемой формы и размеров, наилучшую эффективность передачи УЗ-колебаний в зону сварки, удобный доступ к свариваемым деталям и подачу привариваемой проволоки (ленты) под рабочий торец инструмента, а также возможность самозачистки рабочих поверхностей. Материал инструмента для УЗС должен обладать высокой износостойкостью при высокочастотном взаимодействии контактируемых поверхностей и малыми акустическими потерями [8-10]. Наибольшей стойкостью при сварке обладает инструмент, изготовленный из твердых сплавов. Для повышения стойкости инструмента на его рабочую поверхность наносят пленки Т1, Мо, Сг и др. металлов. Такие конструкции обеспечивают стойкость инструмента до 200000 сварных соединений.
Инструмент для УЗС с косвенным импульсным нагревом должен удовлетворять еще дополнительным требованиям: обеспечить нагрев зоны сварки до определенной температуры без значительного перегрева самого инструмента в процессе пропускания импульса тока; обладать высокой износостойкостью при совместном действии УЗ-колебаний и нагрева. Всем этим требованиям соответствует новый способ сварки давлением ленточных выводов к контактным площадкам кристалла и траверсам корпусов силовых полупроводниковых приборов, а также инструмент для его осуществления [11, 12]. Способ реализуется по следующей схеме (рис.2): корпус 2 с напаянным кристаллом 3 размещают на столике 1 сварочной установки; с помощью V - образного электрода 6 конец ленточного вывода 5 совмещают с контактной площадкой
4 кристалла 3; на V - образный электрод подают импульс тока, разогревая соединяемые детали до заданной температуры, одновременно с начальным давлением на V - образный электрод подают ультразвуковые колебания с повышенной амплитудой.
При этом оксидные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются при сдавливании, обеспечивающим пластическое течение металлов в зоне сварки. Приложенное к свариваемым деталям начальное давление с ультразвуковыми колебаниями повышенной амплитуды колебаний V - образного электрода кроме разрушения оксидных пленок и удаления их из зоны сварки обеспечивает физический контакт соединяемых поверхностей по всей площади.
Рис. 1. Корпус КТ - 97В с глубоким расположением кристалла: 1 - теплоотвод, 2 - корпус, 3 - подложка, 4 - кристаллы, 5 - проволочные выводы
Затем к V - образному электроду прикладывают добавочное давление с одновременным снижением амплитуды колебаний до нуля, что способствует развитию взаимодействия соединяемых металлов как в плоскости, так и в объеме зоны контакта. Данный фактор обеспечивает формирование качественного соединения ленточного вывода с контактной площадкой кристалла и предохраняет пленку 8Ю2 от растрескивания, что, в конечном счете, повышает надежность силовых полупроводниковых приборов.
Передача энергии УЗ колебаний в зону сварки. Наиболее эффективная передача энергии упругих колебаний в зону сварки при заданной мощности преобразователя обеспечивается путем согласования входного сопротивления нагрузки с выходным сопротивлением источника колебаний, в данном случае ультразвукового инструмента. Такое
согласование осуществляется с помощью сконструированных соответствующим образом элементов колебательной системы. Реальная нагрузка на свариваемые детали может меняться в процессе сварки в широких пределах. За период сварочного цикла нагрузочное сопротивление может воздействовать на инструмент как эквивалентная масса, либо как эквивалентная упругость, либо в виде активного сопротивления. В общем случае сопротивление нагрузки представляет собой комплексную величину. Такие изменения сопротивления нагрузки связаны со многими факторами. В первую очередь следует отметить степень сцепления инструмента с поверхностью привариваемого вывода; взаимодействие деталей между собой, а также кристалла с корпусом. В свою очередь степень связи между свариваемыми деталями (проволока-пленка) зависит от физико-механических свойств поверхностей в зоне контакта. В процессе УЗС происходит непрерывное изменение площади контакта, пластичности свариваемых материалов, потерь на внешнее и внутреннее трение в зоне контакта и в объеме твердого тела, прилегающего к сварному соединению.
Вид А
Рис. 2. Схема сварки давлением ленточных выводов СПП [12]: 1 - столик, 2 - корпус, 3 - кристалл, 4 -контактная площадка, 5 - ленточный вывод, 6 - V - образный электрод
Таким образом, абсолютное значение сопротивления реальной нагрузки зависит от контактного усилия инструмента, приложенного к свариваемым изделиям; площади физического контакта в месте сварки; пластического состояния поверхности и объема металла в зоне контактов; геометрических размеров свариваемых деталей. Непрерывно меняющееся в процессе сварки сопротивление нагрузки создает определенную трудность в оценке абсолютного его значения. Учитывая это, при расчете ультразвуковых инструментов имеет смысл принимать усредненное значение сопротивления нагрузки за цикл сварки.
Приближенный расчет абсолютного значения нагрузочного сопротивления для сварочного инструмента невозможен без составления эквивалентной схемы по методу электромеханических аналогий [13], в которой как элементы механиче-
скои системы с соответствующими связями представлены все свариваемые детали, контактирующие с инструментом - излучателем и опороИ - отражателем. При возбуждении сварочным инструментом колебании в соединяемых деталях распространяются от зоны контакта волны расширения - сжатия, сдвига, кручения, изгиба. Эти колебания поглощаются по пути своего распространения в соответствии с коэффициентами поглощения. Достигая свободных границ, эти колебания (волны) отражаются от них, причем при каждом отражении происходит в свою очередь частичное преобразование волн, например продольных в поперечные или наоборот. После первых отражении происходят вторые, затем третьи и т. д. до тех пор, пока вся начальная энергия не будет поглощена в материале свариваемых деталеИ. Так как свариваемые детали подвержены воздеиствию ультразвуковых волн непрерывно, в течение определенного времени, то эти последовательные отражения и преобразования будут существовать в ограниченном объеме одновременно, накладываясь друг на друга. Получающаяся при этом интерференционная картина настолько усложнена, что не поддается никакому аналитическому расчету. Механическое сопротивление нагрузки для преобразователя (в данном случае свариваемые элементы) будет определяться амплиту-дои и фазои суммарного поля отраженных волн на площадке, к которои приложен сварочныи инструмент. Чем меньше площадь контакта рабочего инструмента со свариваемыми элементами и сложнее конфигурация свариваемых элементов, тем меньшая часть отраженнои энергии возвратится на рабочую часть инструмента, а, следовательно, через колебательную систему на преобразователь. В связи с этим уменьшается реактивная составляющая входного сопротивления нагрузки. Таким образом, входное сопротивление нагрузки в виде свариваемых деталей можно считать активным. На практике при сварке давлением с использованием ультразвука такое допущение подтверждается экспериментально [14].
Расчет геометрических размеров инструмента. При расчете ультразвукового инструмента предполагается, что он совершает гармонические колебания изгиба, возбуждаемые сосредоточеннои силой N1= Nm sin mt, где Nm - амплитуда силы; т -круговая частота, t - время сварки. Параметры ультразвукового инструмента обозначим следующим образом: m - масса единицы длины; E - комплексный модуль упругости материала инструмента; I - момент инерции поперечного сечения; S -площадь поперечного сечения; иИ - скорость распространения изгибной волны вдоль инструмента.
Характеристическое сопротивление тИ инструмента выражается через его параметры как
,2
тоты к скорости распространения волн, т. е.
'°И = риИS = '
EIk
(1)
w
w
k = — = •
2
mw
EI
где р - плотность материала инструмента, k - волновое число инструмента, которое равно, как и для продольных волн, отношению круговой час-
Возвращаясь к эквивалентной схеме [14], можно предположить, что в зависимости от размеров свариваемых деталей, их конфигурации и физических свойств материалов механическое сопротивление нагрузки может быть либо чисто активным RH либо принимать характер сосредоточенной массы или упругости.
Способ крепления инструмента, а также характер механического сопротивления нагрузки (в виде свариваемых деталей) определяют граничные условия при расчете ультразвукового инструмента. Каждый вариант граничных условий на концах инструмента обусловливает определенные взаимосвязи между такими величинами, как амплитуда колебаний, угол поворота сечений, изгибающий момент и перерезывающая сила на концах и в произвольном сечении инструмента.
При допущении, что потери на активном сопротивлении внутреннего трения в инструменте несущественны, установившийся колебательный процесс инструмента с постоянным поперечным сечением описывается уравнением четвертого порядка [15]
X w-k4X=0, (3)
где X = X(z) обозначает амплитуду смещения инструмента относительно его оси.
Решение этого уравнения наиболее удобно представить в виде суммы функций А. Н. Крылова X = AS+BT+CU+DV. (4)
Функции Крылова связны с тригонометрическими и гиперболическими функциями следующими соотношениями
S = S (kz) = 0,5 (ch kz + cos kz);
T = T (kz) = 0,5 (sh kz + sin kt); (5)
U = U (kz) = 0,5 (ch kz - cos kt);
V = V (kz) = 0,5 (sh kz - sin kz). Постоянные интегрирования А, В, С, D в уравнении (4) определяются из граничных условий, причем если расположить оси координат, как показано на рис. 3, то эти постоянные приобретают определенный физический смысл в следующих соотношениях:
а) А = X(0);
б) Bk = X(0); (6)
в) Ck2EI = X"(0)EI;
г) Dk3EI = X"'(0)EI,
которые равны амплитуде колебаний инструмента (а), углу поворота сечения (б), изгибающему моменту (в) и перерезывающей силе (г) при условии, когда z = 0. Применительно к ультразвуковой микросварке представляет практический интерес рассмотреть следующие варианты граничных условий при z = l, т. е. в месте контакта инструмента со свариваемыми деталями.
1. Эквивалентное механическое сопротивление нагрузки значительно больше характеристического (волнового) сопротивления инструмента zH >
10тИ. Этот случай аналогичен шарнирному нагружению инструмента, для которого граничные условия могут быть выражены, следующим образом
Х(1) = 0; Х"(1) = 0. (7)
2. Эквивалентное механическое сопротивление нагрузки значительно меньше характеристического сопротивления инструмента, следовательно, гн < 0,1юИ. Этот случай аналогичен свободному концу инструмента, граничные условия для которого
Х"(1) = 0; Х'"(1) = 0. (8)
Все остальные граничные условия являются общими для всех вариантов нагружения инструмента. На противоположном конце инструмента, когда г = 0, имеет место равенство нулю изгибающего момента и перерезывающей силы, т. е.
Х"(0) = 0; Х'"(0) = 0. (9)
Кроме того, в месте крепления инструмента к концентратору необходимо обеспечить такие условия колебания инструмента, чтобы его изгибные колебания не нарушали режим продольных колебаний концентратора. Это условие выполняется, если при г = 11 угол наклона (поворота) сечения инструмента равен нулю
Х’(1) = 0. (10)
Опуская промежуточные математические операции и алгебраические преобразования, связанные с решением уравнения (4) при различных граничных условиях, проведем расчет резонансных размеров ультразвукового инструмента на рабочую частоту / = 66 кГц, материал инструмента - сплав ВК6М, диаметр ё = 2,5 мм. Инструмент должен согласоваться с концентратором, расчет которого приведен в [16]. Рассмотрим следующие варианты условий передачи ультразвуковых колебаний в свариваемые детали
1) 2Н < 0,1 ти, 2) 2Н > 10юи Определяем значение волнового (характеристического) сопротивления инструмента тИ по формуле (1).
Для этого вначале необходимо вычислить такие величины, характеризующие инструмент, как момент инерции поперечного сечения I; волновое число к; погонную массу инструмента р£, где £ -площадь поперечного сечения.
Рис. 3. Ультразвуковая продольно-поперечная колебательная система и эпюры амплитуд смещений вдоль нее (7) и вдоль ультразвукового инструмента (8): 1 - преобразователь, 2 - трансформатор упругих колебаний, 3 - концентратор, 4 -инструмент, 5 - изделие, 6 - эпюра амплитуд смещения системы без нагрузки, 9 - источник нагрева инструмента
Для материала инструмента модуль упругости Е = 632-109 Н/м2, плотность р = 15-103 кг/м3; площадь поперечного сечения £ = 0,785-(2,5-10-3)2 = = 4,91 • 10-6 м2; момент инерции поперечного сечения
4
3,14 • ё -3 4 -12 4
I =----------= 0,049• (2,5 -10 3)4 = 1,91 • 10 м4.
64
Волновое число согласно (2)
к = 4
15• 103 • 4,91-10 6 • (6,28-66• 103)2 2 1
— = 3,2 • 102 м-1,
9 -12
632^ 109 • 1,91 • 10 12
а волновое сопротивление инструмента согласно (1)
9 -12 2 3
632 • 109 • 1,91 • 10 12 • (3,2 • 102)3 юи =-----------------------------------------^-= 95,4 Н-с/м.
ии
6,28 • 66 • 10
3
Волновое сопротивление концентратора в месте контакта с инструментом определяется по формуле
ак = рк •ик • 8к = 7,7 • 103 н-с/м,
где рк - плотность материала концентратора (30ХГСА), ик - скорость ультразвука в материале концентратора (5,2Т06 мм/с), £ - площадь сечения концентратора в месте контакта с инструментом (5 мм2).
При сравнении а>к и юи можно сделать вывод
о том, что для обеспечения согласования выходного сопротивления концентратора с входным сопротивлением инструмента необходимо трансформировать сопротивление нагрузки к выходу концентратора в величину, значительно большую, чем волновое сопротивление самого инструмента.
Переходим к рассмотрению конкретного случая, когда сопротивление нагрузки 2Н < 0,1 юи, что соответствует практически для всех сварных изделий, полученных УЗС. Принимая во внимание выражение для сопротивления нагрузки, когда она представляет собой чисто активное сопротивление Ян = юи п [14], можно сказать, что этот случай соответствует значениям параметра п меньшим, чем 0,1. С другой стороны, для обеспечения передачи энергии упругих колебаний от концентратора в инструмент необходимо обеспечить согласно выражению Ы=Явх/ти значение параметра N >10. Поэтому, обращаясь к таблицам в [17], необходимо выбрать такое значение к12, которое обеспечивало бы условия
п < 0,1 при N >10.
В диапазоне изменения параметра к12 от 0 до
10 такие значения возможны только в трех следующих областях
к12 ~ 1,88; 4,66; 7,86.
Подставляя значения параметра к - волнового числа, получаем три варианта рабочих вылетов инструмента
1,88
1) 12 =--------
3,2 • 10
= 5,86 мм;
4,66
2) l2 =------------— = 14,5 мм;
2 _ 2 2 3,2 • 102
3) l2 =
7,86
2
= 24,6 мм.
3,2 • 10
Таким образом, рабочий вылет ультразвукового инструмента микросварочной установки должен быть близок к одному из трех значений: 5,86 мм; 14,5 мм; 24,6 мм.
Рассматривая следующий вариант сопротивления нагрузки, когда имеет место условие 7н > 10юи, необходимо иметь в виду, что передача ультразвуковых колебаний в зону сварки будет происходить только в том случае, если обеспечить условие в зоне контакта концентратора и инструмента, когда N >10. Такое условие обеспечивается согласно таблицам только в двух вариантах (в диапазоне изменений параметра к12 от 0 до 10), когда
kl2~ 3,94 или 7,1, что соответствует рабочим вылетам инстру-
мента:
1) l2 ='
3,94
2) l2 =
3,2 • 10
7,1
3,2 • 10
= 12,3 мм;
= 22,2 мм.
Равенство нулю входного сопротивления дает условие резонансного возбуждения инструмента sin kli ch k¡i + sh kl^ cos kl^
1 + ch kl1 cos kl1 sin kl2 ch kl2 + sh kl2 cos k^
1 + chkl2 cos kl2
Результаты расчета по определению параметра kl], соответствующих резонансным размерам части l] согласно формуле равны kl] ~ 2,365; 5,488 или 8,631, что соответствует рабочим вылетам инструмента
2,365
1) А =---------— = 7,4 мм;
3,2 • 10 5,488
2
3) l1 =
3,2 • 10 8,631
72
= 17,2 мм;
= 26,9 мм.
3,2 • 10
Приведенные примеры расчетов рабочих вылетов инструмента, показывают широкие возможности трансформировать любые величины механических сопротивлений нагрузки в необходимое значение входного сопротивления инструмента, чтобы обеспечить оптимальный режим работы колебательной системы в целом, т.е. наиболее эффективное использование ультразвуковых колебаний, генерируемых магнитострикционным преобразователем.
Таким образом, выбор оптимальных размеров рабочего вылета инструмента (7,4 мм; 17,2 мм; 26,9 мм) позволит в производстве специальных СПП использовать корпуса, в которых кристаллы размещаются на разной глубине от герметизированной поверхности.
Литература
1. Емельянов В. А. Корпусирование интегра-лых схем. - Мн.: Полифакт, 1998. - 360 с.
2. Валяев С. Ультразвуковая сварка силовых приборов плоской алюминиевой лентой (HARB): эффективность, производительность и некоторые проблемы // Силовая электроника, 2007. №3. С.130
- 133.
3. Монтаж ленточными перемычками мощных полупровонковых приборов / В. Ланин, С. Волкенштейн, И. Петухов, А. Хмыль // Компоненты и технологии, 2009. №1. С. 120 - 123.
4. Колешко В.М. Ультразвуковая микросварка. - Мн.: Наука и техника, 1977. - 328 с.
5. Мазур А.И. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов / А.И. Мазур, В.П. Алехин, М.Х. Шоршоров. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.
6. Ланин В.Л. Приборное обеспечение измерения параметров ультразвуковых воздействий в технологических процессах / Н. В. Дежкунов, В. С. Томаль // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2008. №2. С. 51 - 55.
7. Влияние формы торца сварочного инструмента на микроструктуру деформируемого алюминиевого провода / Ю.И. Калинин, В.А. Скуднов,
З.П. Герасимова и др.// Электронная техника. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование, 1979. Вып. 3. С. 45 - 53.
8. Шепов В.Б. Оценка влияния материала инструмента на интенсивность схватывания с материалом вывода при микросварке / В.Б. Шепов, Ю.И. Калинин, И. М. Питиримов // Электронная техника. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование, 1977. Вып. 1. С. 55 - 57.
9. Исследование процесса схватывания инструмента при микросварке / В.П. Кондратьев, В.Н. Осенков, В.В. Зенин, П.К. Воробьевский // Электронная техника. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование, 1974. Вып. 2. С. 29 -30.
10. Колычев А. И. Совершенствование кап-пилярного инструмента для микросварки / А.И. Колычев, В.В. Зенин, Е.К. Ковшиков // Сварочное производство, 1993. №8. С. 11 - 12.
11. Патент № 2220830 RU, 7 В23К 210/10. Инструмент для микросварки / В.В. Зенин, Ю.Е. Сегал, В.Н. Беляев. Опубл. 10.01.2004. Бюл. № 1.
12. Пат. 2271909 (RU), B 23 K 31/02. Способ сварки давлением / В.В. Зенин, Ю.Е. Сегал, Ю.Л. Фоменко, В.Я. Пьяных, А.В. Рягузов В.А., Шарапов. Опубл. 27.06.05. Бюл. № 8.
13. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. - М.: «Мир», 1971. - 557 с.
14. Ультразвуковая микросварка / Грачев
A.А., Кожевников А.П., Лебига В.А., Россошин-ский А. А. - М.: Энергия, 1977.
15. Бабаков И.М. Теория колебаний. - М.: «Наука», 1965. - 560 с.
16. Каданцев И.А. Расчет концентратора для установки ультразвуковой сварки / И. А. Каданцев,
B.В. Зенин / Прогрессивные технологии и оборудование в электронике и машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2009. С. 89 - 96.
17. Ананьев И. В. Справочник по расчету собственных колебаний упругих систем. - Гостех-издат, 1946.
Воронежский государственный технический университет
CALCULATION OF THE TOOL FOR INSTALLATION ULTRASONIC WELDINGS OF POWER SEMI-CONDUCTOR DEVICES I.A. Kadantsev, V.V. Zenin
Features of ultrasonic welding of internal conclusions of power semi-conductor devices are considered. Perspectives of assemblage of power semi-conductor devices by ultrasonic welding with tape use is shown. Processes of transmission of energy of elastic fluctuations in a welding zone are analyzed. Calculation of the geometrical sizes of the welding tool at ultrasonic welding of internal conclusions of power semi-conductor devices in deep cases is carried out.
Key words: the tool, resistance, metallization, ultrasound
