SU653061A1 - Method of determining the mechanical impedance of microjoint at ultrasonic welding and apparatus for performing same - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к технологЕйц Ьборки микроэлектронной аппаратурьт и может быть использовано при рйзработке высококачественных устройств дл  автоматической ультразвуковой микросварки , например, при сборке полупро1Бодниковь Х нриборов И интвградь ых схем.The invention relates to the process of the assembly of microelectronic equipment and can be used in the development of high-quality devices for automatic ultrasonic micro-welding, for example, in assembling semi-free air systems and interactive circuits.

Известен способ определени  механического импеданса микросоединени  при ультразвуковой сварке, при котором измер ют один из параметров зоны контактировани  соедин емых элементов pj .A known method for determining the mechanical impedance of a micro compound in ultrasonic welding, in which one of the parameters of the contact zone of the connected elements pj is measured.

Способ осуществл ют устройством дл  определени  механического импеданса , содержащим генератор сигналов, вычислительное устройство, управл ющее устройство и индикатор.The method is implemented by a device for determining mechanical impedance, comprising a signal generator, a computing device, a control device and an indicator.

Однако данный способ измерени  импедансов сварных соединений при микросварке , например полупроводниковых приборов и интегральных схем, характеризует сравнительно низка  точностьHowever, this method of measuring the impedances of welded joints in micro-welding, for example, semiconductor devices and integrated circuits, is characterized by relatively low accuracy.

измерени , что обусловлено малой величиной э ектригческого импеданса микросварного соединоги . measurements, which is due to the small electrical impedance of the micro-welded joint.

Кроме того, величина электрического импеданса недостаточно полно характеризует качество aшфocвapнoгo соединени , представл ющего собой сложную систему, состо щую из вывода, контактной площадки, подложки, корпуса и опоры .In addition, the magnitude of the electrical impedance does not sufficiently characterize the quality of the electrofusion joint, which is a complex system consisting of the output, the contact pad, the substrate, the housing, and the support.

Цель изобретени  - повысить точность измерени .The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy.

Это достигаетс  тем. Что осуществл ют измерение электрического импеданса и вычисл ют механический импеданс по формулеThis is achieved by those. That an electrical impedance measurement is made and the mechanical impedance is calculated using the formula

-у ta y ta

Zs z«tbfee + apcth 1Zc .Zs z "tbfee + apcth 1Zc.

4-arcth-ri5ryr4-arcth-ri5ryr

«J"J

ZcZc

где Zg - механический импеданс микросварного соединени ;where Zg is the mechanical impedance of the micro-welded joint;

j - посто нна  распространени ; толщина соответственно вывода и контактной площадки; ZjJ волновое сопротивление соответственно вывода, контактной площадки и опоры; pg - нормированный импеданс Системы . Дл  определени  волнового сопротив лени  измер ют контактное сопротивление и вычисл ют волновое сопротивлени контактной плЬшадки по формуле Zc2 0,196- l|i±M., к гле pg - плотность материала контакт ной площадки; Cg - скорость распространени  пр дольных колебаний в контактной площад ке; 8 удельна  проводимость контактной площадки; 5 - удельна  проводимость вывода; - величина контактного сопротивлени . Кроме того, волновое сопротивление можно опр еделить путем измерени  индуктивности области ст гивани  и вычислени  волнового сопротивлени  по формуле Z « Яа-62(3,648 Уз;-|)t, где sS-j - площадь контактировани  вывода со сварочным инструментом; LC - индуктивность области ст гивани ; j« - относительна  магнитна  проницаемость материала вывода. Предлагаемый способ может быть осуществлен устройством, содержащкпи генератор сигналов, вычислительное устройство, управл ющее устройство и индикатор. Отличие «того устройства, позвол ющее осуществить предлагаемый способ, состоит в том, что в него введены двойной мост, усилитель посто нного тока, коммутирующее программное устройство, блок номинального значени  входного механического импеданса и схема сравнени . При этом выход усилител  посто нного тока подключен к одному из входов вычислительного устройства , с ;фугими входами соединены выходы программного устройства. Выхо ды вычислительного устройства под1слюч ны ко входам индикатора и к одному из входов схемы сравнени , с другим вхо- дом которой соединеч блок номинального значени  входного механического импеданса , а выход схемы сравнени  через управл ющее устройство соединен с усиителем и коммутирующим устройством. На чертеже показана структурна  схема устройства. Оно содержит задающий генератор 1, усилитель 2, коммутирующее устройство 3, электроакустический преобразователь 4, конденсатор 5, сварочный инструмент 6, губки 7 отрывного устройства, проолочный вывод 8, контактную площадку 9. Кроме того, устройство включает измерительное устройство 10, двойной мост 11, усилитель 12 посто нного тока, вычислительное устройство 13, программное устройство 14, схему сравнени  15, блок 16. номинального значени , управл юшее устройство 17 и двухлучевой осциллограф 18. Входной импеданс Z мшфосварного соединени  можно определить из формулы Zs atxrth l thfyg s arcth . где Z§ -4 волновое сопротивление; у - посто нна  распространени ; В - толщина; g - входной нормированный импеданс системы подложка-корпус-опора. Индексы 1 - 3 относ тс  к параметрам соответственно вывода, контактной площадки и подложки, Zc может .быть определено из выражени  . Zcf.0.196 ., RK(2) при измерении контактного сопротивлени  RI области ст гивани  или из вьфажени  .С8(М45У8,-А) (3) при измерении индуктивности LC области ст гивани . В процессе микросварки измен етс  вли ющее на величину входного импеданса микросварного соединени . Работает устройство дл  реализации предложе1таого способа измерени  входного импеданса микросварного соединени  следующим образом. Электрические колебант  задающего генератора 1, усиленные с помощью уси лител  2, подают через коммупфующее устройство 3 на электроакустический i преобразователь 4. Ультразвуковые коле бани  последнего с помощью концентратора 5 и сварочного инструмента 6 пос пают в зону соединени  вывода 8с контактной площадкой 9. Дл  измерени  контактного сопротивлени  между выводом 8 и контактной площадкой 9 используют измеритель ное устройство 10, состо щее, напри мер, из двойного моста 11, одним из плеч которого  вл етс  измер емое со прогивление. и усилител  посто нного тока 12. Один из выводов двойного моста 11 соединен с губками 7 отрывного устройства , а другой - с измерительным зондом , контактирующим с площадкой 9. Питание двойного моста 11 осуществл етс  от источника стабилизированного тока, включенного в диагональ моста, ко второй диагонали которого подключай вход усилител  посто нного тока 12, с выхода которого напр жение, пропорнио- наивное величине Контактного сопротгш лени , поступает на вход вычислитель;ного устройства 13, реализующего функции , например, (1), (2). Кроме того, на входы вычийлисель- ногоустройства подаютс  напр жеий спро раммногоустройства 14, пропорциональны Zc ,е+, Zf, (2s ,Т2Де . , а также величине 0,196. С выхода вычислительного устройства 13 сшгнай, пропорциональный величине входного импеданса Zg микросварного соединени , поступает на один из входов схемы срав нени  IS, на, другой вход которой подает напр жение с выхода блока 16. Выход . ным напр жением схемы сравнеш   15 с помощью управл ющего устройства 17 производитс  управление усилителей 2 и коь1мутирующим устройством 3, которое отключает ультразвуковой генератор и прекращает процесс микросварки при достижении величиной Zg определен- ного значени , соответствующего качественному соединеншо. Изменение активной и реактивной составл ющих входного импеданса со© дйнени  в процессе микросваркй MOIKHO проконтрол{фовать визуально с помощью ,двухпучевого осциллографа 18, подключенного к выходу вычислительного устройства 13. Пример. Использование способа и устройства дл  измерений вхош.ого импеданса микросоединени  дл  автоматизироваттаого управлени  ггроцессом микросваркй алюмит1евой проволоки диаметром 4J мм с золотым покрытием толщиной 6 мкм на подложке из ковара Приводит к повышению качества микросвар-. ных соединений в 2-2,4 раза. Воспроизводимость качества возрастает в среднем на 20%. Выход годных интегральных схем за счет этого увепичйваетс  на 10-20%.. Экономическа  эффективность внедрени  данного способа и устройства дл  измере ки  входного импеданса микросОедтаени  при сборке интеграпькь5Х схем, выпуекаемых серийно, составит свыше 5О тыс.руб. формула изобретени  1. Способ определени  механЕческого импеданса мшсросоединени  при ультразвуковой сварке, при котором измер ют один из параметров зоны контактировани  соедин емых элементов, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , осуществл ют измерение электрического импеданса и вычисл ют механнчесЕНЙ нмпе анс по формуле Z5 2i4b{ ias-b apct i|frtli%9ea-t-I- afct1ig%j {2s-}}f где Zg - механический импеданс микро сварного соединени ;- . - посто нна  распространени ; Р, толщина соответственно вывода и контактной площадки; 2,2,3) волновое сопротивление соответственно вывода, контактной площадки и опоры; «3 нормированный импеданс системы . 2. Способ по п. 1, от л и ч а ю щ и и с   тем, что дл  определени  волнового сопротивлени  измер ют контактное сопротивление и вычисл ют волновое сопротивление контактной площадки по формуле ( 6jrt5.g)f 0,196-/ gC8Н2г где Og - плотность материала конгактной площадки;j is the distribution constant; thickness, respectively, output and contact pads; ZjJ characteristic impedance, respectively, of the output, contact area and support; pg is the normalized impedance of the System. To determine the characteristic impedance, the contact resistance is measured and the characteristic impedance of the contact is calculated using the formula Zc2 0.196 - l | i ± M., for g pg is the density of the material of the contact pad; Cg is the velocity of propagation of forward fluctuations in the contact area; 8 conductivity of the contact pad; 5 - conductivity of the output; - value of contact resistance. In addition, the characteristic impedance can be determined by measuring the inductance of the tightening area and calculating the characteristic impedance using the formula Z "Ya-62 (3.648 Oz; - |) t, where sS-j is the contact area of the lead with the welding tool; LC is the inductance of the stabling area; j «- relative magnetic permeability of the material output. The proposed method can be implemented by a device comprising a signal generator, a computing device, a control device, and an indicator. The difference of this device, which allows the proposed method to be implemented, is that a double bridge, a DC amplifier, a switching software device, a block of the nominal value of the input mechanical impedance, and a comparison circuit are introduced into it. In this case, the output of the DC amplifier is connected to one of the inputs of the computing device, the outputs of the software device are connected with the fugue inputs. The outputs of the computing device are connected to the inputs of the indicator and to one of the inputs of the comparison circuit, the input of which is connected to the block with the nominal value of the input mechanical impedance, and the output of the comparison circuit is connected to the receiver and the switching device via a control device. The drawing shows a block diagram of the device. It contains a master oscillator 1, an amplifier 2, a switching device 3, an electro-acoustic transducer 4, a capacitor 5, a welding tool 6, a jaw 7 of a tear-off device, a paging terminal 8, a pad 9. In addition, the device includes a measuring device 10, a double bridge 11, DC amplifier 12, computing device 13, software device 14, comparison circuit 15, block 16. nominal value, control device 17 and dual-beam oscilloscope 18. The input impedance Z of the wired connection can be determined Use the formula Zs atxrth l thfyg s arcth. where Z--4 is wave resistance; y is a constant distribution; B - thickness; g is the input normalized impedance of the substrate-to-support system. The indices 1 to 3 refer to the parameters of the output, of the contact pad and the substrate, respectively. Zc can be determined from the expression. Zcf.0.196., RK (2) when measuring the contact resistance RI of the tightening region or from the discharge. С8 (М45У8, -А) (3) when measuring the inductance of the LC clamping region. The micro-welding process changes the effect on the magnitude of the input impedance of the micro-welded joint. The device operates to implement the proposed method of measuring the input impedance of a micro-welded joint as follows. The electrical oscillator of the master oscillator 1, amplified with the aid of amplifier 2, is fed through the coupling device 3 to the electro-acoustic i transducer 4. Ultrasonic baths of the latter using a hub 5 and welding tool 6 are placed in the connection zone of the output 8c of the contact pad 9. resistances between terminal 8 and contact pad 9 use measuring device 10, which consists, for example, of a double bridge 11, one of whose arms is measured with a projectile. and a DC amplifier 12. One of the pins of the double bridge 11 is connected to the jaws 7 of the tear-off device, and the other to the measuring probe in contact with the platform 9. The power of the double bridge 11 is supplied from the stabilized current source included in the diagonal of the bridge to the second diagonals of which connect the input of the dc amplifier 12, from the output of which the voltage, proportional to the magnitude of the contact resistance, enters the input of the calculator device 13 that implements the functions, for example, (1), (2). In addition, the inputs of the enhancement device are supplied with a voltage of 14, proportional to Zc, e +, Zf, (2s, T2De., As well as 0.196. The output of the computing device 13 is proportional to the input impedance Zg of the micro-welded connection, one of the inputs of the comparison circuit IS, to the other input of which supplies voltage from the output of block 16. The output voltage of the circuit is equal to 15 using control device 17 controls amps 2 and a switching device 3, which turns off The ultrasonic generator stops the micro-welding process when the Zg value reaches a certain value corresponding to the quality of the connection. 13. Example: Using a method and device for measuring the impedance of a microconnection to automate the control of micro-weld metal alu-process 4J-mm mitted wire with a gold coating thickness of 6 μm on a Kovar substrate. This leads to an increase in the quality of micro-welded wire. compounds 2-2.4 times. The reproducibility of quality increases on average by 20%. Due to this, the output of usable integrated circuits is increased by 10–20%. The economic efficiency of the implementation of this method and device for measuring the input impedance of a microscope when assembling integrated 5X circuits manufactured in series will be more than 5,000 thousand rubles. 1. Method for determining the mechanical impedance of a joint with ultrasonic welding, in which one of the parameters of the contact zone of the connected elements is measured, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy, the electrical impedance is measured and the mechanical stress is calculated using the formula Z5 2i4b {ias-b apct i | frtli% 9ea-tI-afct1ig% j {2s -}} f where Zg is the mechanical impedance of the micro-welded joint; -. - constant distribution; P, the thickness of the output and the contact area, respectively; 2,2,3) characteristic impedance, respectively, of the output, the contact pad and the support; “3 normalized impedance system. 2. A method according to claim 1, in accordance with the fact that in order to determine the characteristic impedance, the contact resistance is measured and the characteristic impedance of the contact pad is calculated using the formula (6jrt5.g) f 0.196 / gC8H2g where Og - the density of the material of the contact platform;

Cg - скорость рвспрострав01Ш  про вольных колебашгй в контактной ппошадчCg - speed rvsprostravSH about free vibrations in contact posadch

Tg f----::.- --- .Tg f ---- :: .- ---.

fSg - : пельнв  пфоводвмость ко  тактной п оцадки;fSg -: Peln pflvodvmost to the tactical p sketki;

$ - удельнай hpOBbAiiMOcfb &ывд$ - add hpOBbAiiMOcfb & out

Ае ,.Ae,.

11 к - величина контактного едй роти& еа в .11 к - the value of the contact edi roti & ea c.

3.Способ по п. 1, о т л и ч а о п н и с   тем, что дл  ottpeu&iSraxa волнового сопрот влеви  измер ют шаук  и юсть обпасто ст гившш  йШ ч11 :1Вйют ШйнкШё сб1ф6т1юлениё по 3. The method according to claim 1, in that with the ottpeu & i Sraxa wavelength of the left is measured by shauk and yust obstasto tuschivshishshSh ch11: 1 Inch ShynkShe sb1f6t1yulenie

./.,c.(3.649€,)«,./.,c.(3.649€,) “,

ГJ GJ

где S - площадь кон актаро&авй  выйо да со сварочным йнстрэч том;where S is the area of conctaro & avy vyo yes with welding institute t;

Ье- индуктивность области ст гн- . рани ;. E is the inductance of the region of st gn-. wounds;

/й - относительна  магнитна прониваоьюсть материала вывода. 4 .Устройство дл  осушеств енй  способа определени  мехавнЧёс:Ёого вмпедакса макросоединени  при ул траз&уковой сварке, содержащее ге ератор сиг-Налов , вьгаислитепьноё устройство, управл юшее устройство и индикатор, о т личаюгаеес   тем, что, с целью автоматидавви измерений, в него дополнительно введены двойной Мост, усшин Те/й. посто нйого тока, коммутирующее тфограммное устройство, блок номинальвого значбй   входного механического шшеда а   схема.сравнени , при этом выход усигагте   посто   бго то«а пошойо чен к из вычисштепьаого устройства, с другими входдм  сое дйдешл ixosbf программного устройс1 ва, выходы вычоюлительвого устройства подкшочшы к ько ам шшшсатора в к одному из входов схемы сраввенй , о другим влгайом которой соед жеа блок йоми8а% нЬ1Ч$ шачещв входного мехдйичвского амй 13вса, а выход схемы срт неш  через у фав  1ощеб устройство сое динен с ус И{ШТ€Лбм и коммутв укщвм З стройсггеом./ d - relative magnetic penetration of the output material. 4. A device for realizing the method of determining the mechanics: His first macro compound with straight & ample welding, containing the sig-nal generator, turning the new device, controlling the device and the indicator, so that, with the aim of automating the measurement, into it additionally introduced double Bridge, Te / y ush. nyogo constant current switching device tfogrammnoe unit nominalvogo znachby shsheda mechanical input and skhema.sravneni, the output of the BGO usigagte constant "a poshoyo chen to vychisshtepaogo of the device with other soy vhoddm dydeshl ixosbf software ustroys1 va, outputs to the device vychoyulitelvogo podkshochshy It is possible to connect to one of the inputs of the comparing circuit, the other of which is connected by the yomi8a% nb1ch $ sacheshv input mehdyichvskogo amy 13vsa, and the output of the circuit is passed through the fronteering device connected to the device and { T € LME and kommutv ukschvm W stroysggeom.

Источшши информащш, прин тые во внимание при акспертвзеSources of information taken into account when aspravtze

1. Патент № 3624496, кл. G 01Ь 27/ОО. 1974 г.1. Patent number 3624496, cl. G 01 27 / OO. 1974