Устройство для моделирования нагрузки ультразвуковой системы

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДИТИДЬСТВУ

11899304 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07. 05. 80 (21) 2960254/25-27 с присоелинениект заявки М (23)Приоритет (51)NL. Кл.

111аударатмккый какктвт

СССР аа делан нэабретенкк н аткрыткй

В 23 К 20/10 (5З) Д1 621. 791. .16.037(088.8) Опубликовано 23.01.82. Бюллетень ЭВ 3

Дата опубликования описания 25. О 1. 82 (72) Авторы изобретения

В.И. Колешко, А.В. Гулай и Л.И. Бендаржерский

Институт электроники АН Белорусской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИОДЕЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для электрического моделирования механической нагрузки ультразвуковых систем, например микросварочных, при исследовании и разработке микросхем и электронных наручных часов.

Известна модель микросварного соединения, состоящая из последователь10 но соединенных активного сопротивления верхней детали в зоне контакта ее со сварочным инструментом, эквивалентного реактивного (емкостного или индуктивного) сопротивления верхней де15 тали, приведенного к месту приложения силы, активного сопротивления, приведенного к зоне контакта нижней детали, эквивалентного реактивного сопротивления нижней детали, комплекс20 ного входного сопротивления опоры.

Кроме того, на входе вся цепь шунтируется активным сопротивлением проска;называния сварочного инструмента по верхней детали, сопротивление потерь на скольжение в месте контакта двух деталей шунтирует цепь на входе во вторую деталь, а сопротивление потерь на скольжение в зоне контакта с опорой шунтирует входное сопротивление опоры (1).

Недостатком данной модели является ее сравнительно низкая точность, так как при ее построении рассматриваются только некоторые механические эффекты, наблюдающиеся при ультразвуковой микросварке, и совсем не затрагиваются физические процессы в соединяемых материалах, хотя данные процессы вносят преобладающий вклад в нмпеданс соединения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее ультразвуковой генератор с нескольких моделей на" грузки, состоящий из параллельно со,единенных последовательных резонанс3 89930

Йых контуров и контура, состоящего из индуктивности (21.

Однако известное устройство не пот зволяет с достаточной степенью точности моделировать нагрузку ультра- 3 звуковой системы при механической об+ работке материалов, например при микросварке элементов интегральных микросхем, так как оно не содержит электрического аналога пластической ,цеформации, происходящей в процессе обработки.

Цель изобретения — повышение точности моделирования при оптимизации режимов сварки, 1%

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем ультразвуковой генератор и несколько моделей нагрузки, состоящих из параллель но соединенных последовательных резо- ро

Нансных контуров и контура, состоящего из индуктивности, каждая модель

Нагрузки содержит последовательно соединенные преобразователи частотанапряжение, при этом входы преобразо- 33 вателей частота-напряжение подключены

К выходу ультразвукового генератора, а выхоцы преобразователей напряжениесопротивление включены в контуры, состоящие из индуктивности. 36

На фиг. 1 представлена схема ультразвуковой системы с моделируемой механической нагрузкой; на фиг. 2 схема устройства для электрического моделирования механической нагрузки.

У с тр ойс тв о с одержи т при со еди ня емый вывод 1, контактную площадку 2, подложку интегральной микросхемы 3 эвтектический слой 4, корпус интеграль40 ной микросхемы 5, опора 6, (элементы 1-6 представляют собой нагрузку ультразвуковой системы) генератор 7 электрических колебаний, электромеханический преобразователь 8, концентра— тор 9, сварочный инструмент !О, пре45 образовтель 11 напряжение-сопротивление, преобразователь 12 частота-напряжение, добавочное сопротивление 13, измерительное устройство 14, электрические модели 15 элементов нагрузки 1-6.

Изобретение основано на использова— нии явления рассеяния средой энергии механических колебаний. Этот подход основан на замене реальной среды рео-. логической моделью, которая отражает релаксационные процессы, протекающие в элементах микросварного соединения.

Данные процессы описываются моделью

Кельвина-Фойгта, характеризующей вяз1 ко-упругое твердое тело. С целью обо5щения модели взят набор из трех сред

Фойгта, затем в одной из них вязКость принята равной нулю, что соответствует твердому телу, способному

К мгновенной упругой деформации, а в другой среде упругость принята рав» ной нулю, что учитывает пластические деформации в элементах микросварного соединения. При этом модель объясня ет свойства материалов, начиная от очень жесткого твердого состояния и ясно выраженного запаздывания упруго" го смешения и кончая вязким течением.

После учета зависимости динамического поведения соединяемых материалов не

1олько от действия упругих сил, но также и от сил инерции, система дифференциальных уравнений, описывающих релаксационные процессы в материалах, имеет вид

G (t) = С" (t) +md g (t) fdt" (i)

6(t) = g () +1!Р(t) !dt+

+ flld Я(t) (dt (2)

8(t} = q"d Е3() / dt +md Е t)/

/с! (3) (1) = 6 (t)+ < ()+ 6 (} (4) где 6 (С) — механическое напряжение; (t) — деформация;

m — коэффициент инерции;

F — модуль упругости", 1, — линейная вязкость; 1 " нелинейная вязкость.

Индексы 1, 2, З.при 6(t) соответствуют составляющим деформации в каждой из трех сред.

Набору из трех сред поставлена в соответствие электрическая модель, состоящая из трех последовательных резонансных контуров, которые соединены параллельно, причем один из названных контуров вырожден по емкости. В электрической модели индуктивность L соответствует m, емкость С податливости 3, а сопротивления R u

R — вязкости и g „ R 1/f (+

If (à — частота ультразвуковых колебаний) . Для реализации R в устройство введены последовательно соединенные преобразователи частота-напряжение и напряжение-сопротивление.

Каждый элемент микросварного соединения 1-6 моделируется с помощью набора 1,5 из трех последовательных резонансных контуров (L4-Ñi; Lg -С1-R .

L -R<), где i 1, 2,...,6 — номер

К.ч, Ь/ит

У„

5 899 элемента нагрузки ультразвуковой сис+

;темы. Один из контуров (Li Rf) вырожден по емкости и содержит индуктивность 1,! и активное сопротивление

R< обратно зависящее от частоты, функции которого выполняет преобразо" ватель ll напряжение-сопротивление, вход которого подключен к выходу пре" образователя 12 частота-напряжение.

Электрическая модель подключена к to выходу генератора 7 электрических ко

:.лебаний через добавочное сопротивле-

;ние 13. На входе модели включено измерительное устройство 14.

Величины индуктивностей Ц в ре- 15 зонансных контурах модели емкостей

С1, резисторов К1 и R4 рассчитывают с использованием следующих выражений

= п)„р3/1 (5) 2о

Л

С = m 1/Es (б)

R = mR7,,lxp(Us/kT)ES/1 (7)

R" = m g ES/2 и 1, (8) где п,,п, п, - масштабные коэффициентьц 25

1, — соответственно толщи на на и площадь элемента микросварного соедине ния !

Л / л — длина дислокации между узлами дислокационной сетки; — частота колебаний перегибов, ñç- — частота Дебая 10 с — вектор Бюргерса; — ширина перегиба

10 В1

40 среднее расстояние между закрепляющими токами дислокации; энергия связи между вакансиями и дисло45 кациями; — постоянная Больцмана„ температура.

304 4

При подаче электрических колебаний выхода генератора 7 на вход элект" ромеханического преобразователя 8 механические колебания последнего с помощью ценцентратора 9 и сварочного инструмента 10 вводятся в зону соеди йения проволочного вывода 1 с контакт-! ой площадкой 2. При этом элементы l-б микросварного соединения являются нагрузкой ультразвуковой системы 7-10, величину которой учитывают как при выборе технологических режимов работы системы, так и при ее конструировании °

Использование электрической модели для определения параметров микросварного соединения производится сле-, дующим образом. Устройство для моделирования нагрузки подключают к выходу генератора 7 электрических колебаний через добавочное сопротивление !3, С помощью измерительного устройства !4 определяют входной импеданс модели

7у,-по величине которого становится известен входной механический импеданс микросварного соединения Z„, из выражения

7э п ъ 7м (9) где m — масштабный коэффициент.

Варьируя величину одного из элементов электрической модели определя ют Z, что равнозначно измерению Z при изменении параметров соответствующего элемента нагрузки ультразвуковой системы.

Использование устроиства для моделирования нагрузки позволяет оперативно исследовать входной механический импеданс соединений, который практически, невозможно измерить экспериментально.

Предлагаемое устройство позволяет исследовать процессы микросварки на низких частотах, когда микросварное соединение представляет собой систему с сосредоточенными параметрами, а также и на высоких частотах, когда микросварное соединение является системой с распределенными параметрами.

В качестве преобразователя 12 час50 тота-напряжение может быть использо-. ван емкостный делитель напряжения с

Выпрямителем или частотный дискриминатор, а преобразователем 11 напряжение-сопротивление может служить уси55 литель постоянного тока Или оптрон (фоторезистор, управляемый светодиодом).

Формула изобретения

Устройство для моделирования нагрузки ультразвуковой системы, преимущественно при микросварке, содержащее ультразвуковой генератор и нескольких моделей нагрузки, состоящих из параллельно соединенных последова7 899304 8 тельно резонансных контуров и контура, 1разователей напряжение-сопротивление состоящего из индуктивности, о т л и .включены в контуры, состоящие из ин ч а ю щ е е с я тем, что, с целью дуктивности, повышения точности моделирования при Источники информации, оптимизации режимов сварки, каждая принятые во внимание при экспертизе модель нагрузки содержит последова- 1. Грачев А.A. Кожевников А,П., тельно соединенные преобразователи Лебига В.А. и РоссошинскийА.А ° УльтРаиастота-напряжения и преобразователи звуковая микросварка. 11,, "Энергия". напряжение-сопротивление, при этом 1977, с. 93-96, 149-155. входы преобразователей частота-на- 1ф 2. Скучин Е. Простые и сложные ко" пряжение подключены к выходу ультра- лебательные системы, И., "Кир", 1971, звукового генератора, а выходы преоб с. 56 (прототип).

Составитель Б. Катни

Редактор Г. Волкова Техрер, 11. Падь Корректор П

Заказ 12018/17 Тираж 1150 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035 Иосква, )(-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4