Активный контроль вибрации в ультразвуковой микросварке проволокой

Опубликовано: 25 июня 2015 г. в 11:26, 77 просмотровКомментировать

Ультразвуковая микросварка проволокой — широко известная технология соединения кон-тактных площадок микроэлектронных устройств, а также электронных модулей питания. Разварка на сложных поверхностях, таких как выводы разъемов в пластмассовых рамках, может быть очень трудоемким процессом. Новый подход для устранения нежелательных вертикальных вибраций путем их активного контроля может улучшить способность к разварке.

Введение

Как правило, алюминиевая проволока соединяет электроды полупроводниковых при-боров, в том числе приборов силовой электроники с соответствующими электродами подложки. Проволока соединяется с поверхностью электрода при помощи ультразвуковой микросварки (разварки). Из-за очень высоких требований, касающихся качества и надежности электрических соединений, необходим очень точный контроль процесса. Непрерывно увеличивающиеся скорости машин усиливают это требование. Другой проблемой является разварка на сложных поверхностях, таких как узкие выводы разъемов, помещенные в пластмассовые рамки, разварка на мягких подложках, на выступающих кристаллах или плохо закрепленных выводных рамках.

Задача

Ультразвуковой преобразователь — ключевой компонент установки разварки проволокой. Он вырабатывает энергию для процесса разварки в форме механических вибраций в диапазоне ультразвуковых частот. Он приводится в действие в продольном собственном режиме вибраций, который из-за асимметричного размещения инструмента разварки, как правило, не совсем симметричен и имеет остаточные вибрации (колебания), перпендикулярные главному направлению разварки. Помимо собственного режима вибраций существуют дополнительные ортогональные режимы вибраций, а также собственные режимы вибраций подложки или основания контактной площадки. В связи с нелинейной динамикой процесса это может привести к колеблющимся продольным усилиям при контакте трением и к нарушению процесса разварки.

Другой аспект важен для разварки медной проволокой, технология которой в настоящее время становится всё более важной. Поскольку медной проволоке необходимы более высокие усилия разварки и амплитуды вибрации, по сравнению с разваркой алюминиевой проволокой увеличивается риск повреждения интегральной схемы или подложек. Поэтому желательно обеспечить абсолютно горизонтальные ультразвуковые вибрации и сократить вертикальные вибрации.

 

Рисунок 1. Новый силовой актюатор IDE, установленный на ультразвуковом преобразователе.

Цель представляемого в данной статье исследования состоит в том, чтобы показать способность устранить или, по крайней мере, уменьшить нежелательные вертикальные вибрации во время процесса разварки при помощи специальных приводов управления и соответствующего метода контроля вибраций. Сокращение различий процесса и увеличение стабильности разварки и надежности являются целями, которые связаны друг с другом. Данное исследование было сделано в рамках крупномасштабного интегрированного проекта HIPER-ACT (новая технология для пьезоэлектрических актюаторов с высокими эксплуатационными характеристиками), финансируемого программой Европейского Союза). В рамках этого проекта была разработана новая технология для пьезо-актюаторов с технологией InterDigitated Electrode (IDE — интегрированный цифровой электрод). Эти пьезо-актюаторы использовались в демонстрационном макете технологии для демпфирования вибраций в ультразвуковой разварке (смотрите Рисунок 1).

Концепция

В рамках данной программы был разработан новый опытный преобразователь, который способен устранять ортогональные вибрации, используя дополнительные пьезоэлектрические актюаторы управления.

Необходимо, чтобы эти актюаторы не влияли на главные про-дольные вибрации, а действовали на ортогональные вибрации. Это достигается при помощи актюаторов управления специальной конфигурации. Два из них установлены в верхней и нижней частях корпуса преобразователя. Поляризация актюаторов управления выбирается так, как изображено на Рисунке 2. В свободной продольной вибрации электрические заряды на электродах в верхней и нижней частях актюатора нейтрализуют друг друга (Рисунок 2, левый: V1+V2=0). В изгибных вибрациях пьезоэлектрическая керамика «вытягивается», в то время как другая керамика «сжимается». В этом случае из-за противоположной поляризации используется полный пьезоэлектрический эффект (Рисунок 2, правый: V1=V2). Поэтому при приложении напряжения к актюаторам управления образуется чистый изгиб или вертикальное перемещение корпуса преобразователя без формирования главной продольной вибрации. Таким способом достигается оптимальное сопряжение для ортогонального режима изгиба, в то время как сопряжение в продольном режиме является нулевым.

Рисунок 2. Принцип работы актюаторов управления.

Активный и пассивный методы контроля вибраций

В рамках первой части этого проекта была разработана концепция для демонстрации данного метода. Она включает оценку различных методов демпфирования вибрации — пьезоэлектрический шунтирующий метод и активный контроль с разомкнутым контуром. Для ислледования и настройки этих методов, необходима подходящая модель. Поэтому ультразвуковой преобразователь был описан при помощи конечноэлементной модели (FE), которая может использоваться для вычисления динамического режима вибрации преобразователя. FE-модель была подтверждена измерениями частотных характеристик. Дополнительно было выполнено модальное сокращение конечноэлементной модели до двух самых уместных собсвенных режимов вибрации. Система в дальнейшем описывается моделью с двумя степенями свободы (модель 2-DOF), которая может описать продольные движения и движения изгиба. Эта модель важна для определения оптимальных параметров как для активного контроля вибраций, так и для пассивного метода демпфирования. Эти исследования и уравнения модели подробно описываются в [1] и [2].

Рисунок 3. Активное подавление вибраций свободного вертикального наконечника инструмента.

Для активного контроля с разомкнутым контуром определяется оптимальное увеличение напряжения и фазовый сдвиг относительно приводных актюаторов с помощью модели 2-DOF. С этими параметрами должны быть полностью компенсированы вертикальные вибрации на наконечнике инструмента. Это было доказано экспериментально для установившегося режима свободной вибрации. Рисунок 3 отображает амплитудно-частотные характеристики вертикальных вибраций наконечника инструмента, измеренные посредством допплеровской лазерной виброметрии. В этом примере, помимо главного режима, присутствует паразитный режим. В данном случае были вычислены параметры оптимального контроля этой определенной частоты (нормальная частота 1.006), и поведение системы было снова измерено. Корреляция между вычисленными и измеренными характеристиками очень хорошая. Прогнозируемое «полное» компенсирование вибраций было подтверждено максимальным сокращением вертикальных вибраций в течение более чем двух декад (Рисунок 3).

Для пассивного метода демпфирования вибраций пассивная индуктивно-резистивная (LR) цепь (LR) соединяется с электродами пьезокерамики, в имитационных моделированиях, а также на прототипе. Этот пассивный метод демпфирования не требует внешнего источника питания и по существу стабилен. Для правильного функционирования сетевые параметры должны быть точно настроены. Измерения свободных вибраций и амплитудно-частотных характеристик показали сильный эффект демпфирования и уменьшение вертикальных вибраций на фактор, который равен более 10. Однако полное устранение вибраций не возможно с использованием этого метода.

Рисунок 4. Активная компенсация вибраций с фрикционным контактом инструмента.

Чтобы изучить активный метод контроля вибраций, были проведены первоначальные эксперименты без проволоки. В этом случае, за исключением проведения процесса разварки, есть устойчивый контакт трения в наконечнике инструмента. Рисунок 4 показывает, что активный контроль может в этом случае уменьшить базовое гармоническое колебание. Но исследования также показали, что из-за нелинейной силы трения остается более высокое гармоническое колебание довольно низкой амплитуды.

Комплексное тестирование соединения

Чтобы выполнить комплексное тестирование разваренного соединения, установка разварки была оснащена двухканальной ультразвуковой приводной системой и двумя усилителями мощности, а также специальным программным обеспечением для управления обоими каналами. Было установлено, что оба предложенных метода демпфирования – шунтирующее демпфирование и активный контроль вибраций – способны значительно улучшить динамику вибрации во время разварки, особенно при сложных обстоятельствах, например, на плохо закрепленных поверхностях.

Рисунок 5 показывает опытный образец, в котором алюминиевая плита была специально установлена так, чтобы контактная площадка нависала и ничем не поддерживалась, подвергая процесс разварки вертикальным вибрациям.


Рисунок 5. Измерение вертикальных вибраций ниже точки разварки с помощью лазера.

Пассивный метод шунтирующего демпфирования с настроенной LR-сетью показывает значительный эффект демпфирования и сокращает амплитуду вибраций приблизительно на 50%. Но его полоса пропускания частот довольно небольшая, что означает, что оптимальное значение индуктивности должно быть рассчитано очень точно. Необходимо учитывать возможные изменения частоты во время операции, обусловленные зависимостью параметров системы от температуры и мощности. Преимущества пассивного метода шунтирующего демпфирования – его простота и естественная устойчивость. Нет необходимости использовать дополнительное аппаратное или программное обеспечение. Но более низкие характеристики демпфирования и чувствительность к отклонениям параметра ограничивают его применение Основное преимущество активной стратегии контроля вибраций заключается в возможности выполнить почти полное устранение ортогональных вибраций в любой желаемой рабочей частоте. Но для этого необходим значительно больший контроль и подача высокого напряжения актюаторам управления. Было установлено, что из-за нелинейного, изменяющегося во времени процесса разварки оптимальные параметры настройки управления не фиксируются, но функция процесса и, таким образом, время меняются. Как показано на Рисунке 6, особенно важным является настройка угла смещения фазы, чтобы получить полное подавление вибраций во время всего процесса разварки. Вертикальный датчик вибрации, например, встроенный в приводы управления, может позволить осуществить настройку замкнутой системы управления, чтобы в любом случае подавить вертикальные вибрации.

Рисунок 6. Комплексные тестирования разварки методом активного контроля вибраций,
подавление вертикальных вибраций инструмента
в начале разварки ( фаза 80°, слева) и в конце разварки (фаза 10°, справа)

Дополнительное исследование во время тестирования заключалось в сокращении стандартного отклонения измеренных сигналов. С активным контролем вибраций казалось, что естественные колебания процесса были уменьшены. Дальнейшие исследования и тестирования должны подтвердить это. Заключение Пассивная система демпфирования вибраций может быть включена в серийную машину с помощью небольших мероприятий, приводя при этом к сокращению вертикальной вибрации приблизительно на 50%. С активной системой демпфирования вибраций возможно практически полное подавление вертикальной вибрации. Для этого должен быть встроен дополнительный датчик, и необходима замкнутая система управления. В случае расширенных требований это дополнительное мероприятие может быть разумным, и такая система может применяться в будущих машинах для достижения оптимальных результатов.

О компании Hesse Mechatronics, Германия
Компания Hesse Mechatronics была основана в 1995 г. Сферой деятельности компании с самого основания и на сегодняшний день является разработка и производство автоматических установок ультразвуковой клиновой микросварки. Модельный ряд оборудования обеспечивает микросварку как тонкой так и толстой проволокой. Материалы проволоки алюминий, золотой, медь. Кроме этого можно производить и разварку лентой. Специалисты компании постоянно совершенствуют производимое оборудование, его технические характеристики, особенности и в частности используемые в серийных машинах принципы контроля вибрации УЗ. Благодаря этому, а также своим ноу-хау и уникальным техническим разработкам установки автоматической микросварки фирмы Hesse Mechatronics по праву занимают лидирующее место в мире в своем классе и практически по всем параметрам превосходят конкурентов.

Модельный ряд компании выглядит следующим образом:

  1. Автоматическая установка ультразвуковой микросварки клином для тонкой проволоки модели BJ820.
  2. Автоматическая установки ультразвуковой микросварки клином с двумя рабочими головками модели BJ931

  3. Автоматические установки ультразвуковой микросварки клином для толстой проволоки моделей BJ935/BJ939

К. т. н. Михаэль Брёкелманн,
компания Hesse Mechatronics GmbH, Германия.
Перевод на русский язык и редактирование:
Циклаури Т.Т., Башта П.Л.,
компания ООО «Совтест АТЕ»

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.