автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Оптимизация геометрических параметров рабочейчасти микросварочных инструментов итехнологических процессов их изготовления

Грузинский технический университет

На правах рукописи

Амиридзе Мамука Николаевич

Оптимизация геометрических параметров рабочей части микросварочных инструментов и технологических процессов их изготовления

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и фихико-технической обработки, станки, инструменты и технологическое оборудование.

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тбилиси - 1998

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Грузинского технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор ТУРМАНИДЗЕ P.C.

Официальные опоненты - доктор технических наук, профессор КОСТЛВА A.A.

Ведущее предприятие: ИПО "Физика", Москва.

Защита состоится 26 июня 1995 года в И часов на заседании специализированного совета Т 05.03. С 5 при Грузинском технисе-ском университете по адресу: 380075, г.Тбилиси, ул. Костава 77. С диссртацией можно ознокомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан 25 мая 1998 года.

Ученый секретарь специального совета

Эксперт -

доктор технических наук, профессор БАТИАШВИЛИ Б. И.

заслуженный деятель науки республики Грузия, доктор технических наук, профессор БОКУЧАВА

Г.В.

к.т.н.

Буцхрикидзе Д.С.

Актуальность проблемы: За последние два десятилетия в связи с резким расширением области использования полупроводниковых приборов наблюдается рост производства интегральных микросхем, миниатюризация их размеров, системетическое ужесточение требований к их надежности и технологичности. Соответственно возастают и требования к надежности сборочных процессов микросхем и обеспечиванию максимальных возможностей их автоматизации. Это возможно только с использованием высокопроизводительной сварки давлением.

В настоящее время технические характеристики существующих микросварочных инструментов не полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ним по производительности и себестоимости, В связи с этим сильно ограничивается реализация возможностей эксплуатируемого в крупносерийном и массовом производстве, высокопроизводительного оборудования для микросварки.

Таким образом, конструирование и разработка новых методов изготовления высокоэффективных инструментов, которые при сборке на микросварочных автоматах различных типов интегральных схем, обеспечат высокую производительность и надежность процесса, представляет собой актуальную проблемму, требующую решения ряда задач.

Цель работы: Оптимизация процессов проектирования и производства высокоэффективного микросварочного инструмента создание соответствующей технологической оснастки и разработка рекомендаций по рациональной эксплуатации.

Основные задачи: Для достижения поставленной цели возникла необходимость решить такие задачи, как: подбор инструментального материала, обеспечивающего максимальную стойкость инструмента, исследование влияния содержания инструментального материала на интенсивность схватывания между инструментом и свариваемой проволокой; исследование характера изнашивания сварного инструмента и интенсивности его протекания; оптимизация формы профиля и геометрических параметров рабочей части инструмента; исследование текучести свариваемого материала в зоне сварки; разработка рационального технологического процесса производства инструментов и соответствующего

специального оборудования и оснастки; исследование эксплуатационных характеристик созданных инструментов и установление рациональных режимов их эксплуатации.

Научная новизна: Установлено влияние содержания кобальтовой связки в твердых сплавах на интенсивность адгезии между инструментальным и свариваемым материалом, что стало основой при выборе оптимального состава твердого сплава для различных типов инструментов.

Методом делительных сеток исследована интенсивность деформации и касательных напряжений в поверхносных слоях свариваемой проволки, позволяющая установить оптимальную форму и геометрию рабочей части микросварочного инструмента.

Определено оптимальное соотношение между диаметром свариваемой, проволоки и параметрами V - образного продольного паза на рабочей поверхности инструмента, что значительно повышает стойкость инструмента и надежность процесса сваривания.

Графики интенсивности деформации и касательных напряжений, изображены в виде эмпирических формул. При использовании инструментов с аналогическими параметрами, этими формулами возможно прогнозировать значения интенсивности деформации и касательных напряжений в любых поверхностных точках свариваемой проволки.

Практическое значение: Установлено, что для капилярных и клиновых инструментов при термокомпрессионной и ультразвуковой микросварке оптимальным инструментальным материалом явлается твердый сплав ВКЗ-ТМ а для термокомпрессионной импульсной микросварки вместо применяемой в настоящее время стали 12x18 Н9Т маловольфрамовый твердый сплав Н20Т. Несмотря на высокую стоимость последнего, в целом обеспечивается экономичность процесса сварки.

При анализе различных форм рабочей части ультразвуковых микросварочных инструментов установлено, что наибольшей стойкостью и эффективностью отличается инструмент с 90°-ным V-образным продольным пазом.

Разработаны оптимальные технологические процессы изготев-ления различных типов инструментов и создана соответствующая технологическая оснастка.

Разработаны рациональные режимы эксплуатации созданных инструментов.

Результаты »следований внедрены: в НПО "Физика" (г. Москва, Российская Федерация); в ПО "Позистор" (г. Абовян, Республика Армения); в ПО "МИОНИ" (г. Тбилиси, Республика Грузия).

Апробация работы: Отдельные разделы и работа в целом до-кладивались и обсуждались на заседании кафедры "Технология машиностроения" Грузинского технического университета, на заседании научного Совета Росийсского научно-произвотственного обьеденения "физика" (г. Москва), на Всесоюзной научно-технической конференции "Высокие технологии в машиностроении" (г.Алушта, Украина, 1992г.), на научно-технических конференциях Грузинского технического университета (г. Тбилиси, 1993 и 1997г.г.), на Международной научно-технической конференции "Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье" (г.Харьков, Украина, 1996г.).

Публикации: По теме диссертационной работы опубликовании 4 научние работы, 5 тезисов докладов, получено 1 авторское свидетельство бывшей СССР.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка цитированной литературы и приложения.

Работа представлена на 125 страницах машинописного текста и содержит 42 рисунка, 6 таблиц, 107 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность диссертационной работы.

Первая глава диссертации посвящена литературному обзору существующих конструкций полоупроводниковых приборов и интегральных микросхем, методом их сварки и типа микроинструментов, применающихся при микросварке давлением.

Отмечено, что по сравнению с микросваркой плавлением и некоторыми другими видами микросварки давлением, ультразвуковая обладает рядом преимуществ. В частности ультразвуковая микросварка позволят соединять материалы отличающиеся друг от друга физико-механическими свойтвами. Поверхность соединяемых материалов не нуждается в специальной подготовке, тем-паратура в зоне сварки не превышает 150°С и др.

Показвно, что одним из основных факторов, способствующих качественному проведению процесса микросварки является инструмент, материал которого должен обеспечивать максимальную стойкость, а конструкция-качественную передачу ултразву-кового колебания в зону сварки, надежность подачи проволоки на торец рабочей части инструмента, возможность визуального контроля процесса сварки и др.

Во второй главе рассмотрены основные принципы подбора материала для микросварочных инструментов.

Основные критерии выбора инструментального материала: высокая твердость, износостойкость, мелкозернистая структура, низкая пористость, низкая склонность к адгезии со свариваемым материалом. Кроме указанных, каждый из методов сварки предъ-авлает инструментальному материалу дополнительние требования.

Проведенными исследованиями установлено, что для капиллярных и клиновых инструментов при ультразвуковой и термокомпрессионной микросварок оптимальным является твордый сплав ВКЗ-ТМ, а для импульсной, совмещенной с термокомпрессионной - маловольфрамовый твердый сплав Н20Т.

Установлено, что изготовленные из различных марок твердого сплава, микросварочные инструменты в процессе работы подвергаются в основном адгезионному, а также незначительному образивному видам изнашивания. В процесе сварки интенсивность изнашивания инструмента как с покрытием ТЧЫ, так без него до определенного момента носит плавный характер, после чего интенсивность изнашивания резко возрастает.

В третьей главе приведены методы выбора оптимального профиля рабочей части инструментов с боковым капиллярным отверстием и расчет соответствующих геометрических параметров.

Критериями оптималного профиля инстумента являлись следующие условия:

- равномерное схватывание по всей площади сварки:

- максимальная деформация свариваемой проволоки в зоне сварки и минимальная - в зоне контакта с инструментом.

Первое условие может быть удовлетворено в том случае, если в зоне сварки деформация поверхностных слоев проволоки и градиент касательных напряженний будут равномерными.

Выполнение второго условия зависит от величины касательных напряжений в поверхностных слоях проволоки. Во избежание интенсивного изнашивания инструмента и улучшения качества сварки необходимо, чтобы в поверхностных точках проволоки, находящейся в зоне сварки, значения касательных напряжений были максимальными, а в контакте с инструментом - минимальными.

Выбор оптимального профиля проводился на основании специальных экспериментов. Были изготовлены макеты профилей экспериментальных инструментов. Вместо проволоки использовался алюминиевый пруток диаметром 45 мм, на торце которого наносилась сетка с шагом 3 мм. С помощью гидравлического пресса осушествлялась 50-60%-ая пластическая деформация образцов, причем практически осуществлялась имитация процесса сварки.

Для исследования текучести свариваемого материала изучением деформации сетки, с помощью соответствующих формул были расчитаны интенсивности деформации и касательных напряжений. По полученным данным были построены графики, с помощью которых определялась оптималная форма рабочей части инструмента, в наибольшей степени удовлетворяющая требованиям критерия оптимальности. Установлено, что таким является инструмент с У-образным продольным пазом.

Расчитаны оптимальные соотношения геометрических параметров У-образного паза-длины грани (а) и высоты (И) к диаметру свариваемой проволоки (сО:

а = 0,48 с1 и Л = 0,34 с! ;

Инструменты, изготовленные с соблюдением установленного соотношения, отличаются высокой стабильностью и качеством сварки.

Особенности технологических процессов изготовления основных типов микросварочных инструментов, качество исполнения которых во многом определяет их стойкость и надежность, рассмотрены в четвертой главе диссертации.

Микроинструменты характеризуются рабочими частями с малыми геометрическими параметрами: капиллярное отверстие диаметром 20... 100 мкм, радиусы скругления 10...50 мкм, различной формы пазы с шириной 20...90 мкм, прямоугольные и круглые площадки с площядыо 80 мкм и др. Соответственно малы и допуски на эти размеры, которые достигают величины 3 мкм.

При изготовлении капилляров с центральным отверстием наиболее ответственными операциями являются - получение конусной поверхности после вскрытия капиллярного отверстия и обработка внутренного радиуса капилляра. При изготовлении капилляра с боковым отверстием - формирование капиллярного отверстия методом электроэрозионной прошивки и скругление наружных и внутренних радиусов.

Для решения этих вопросов разработаны методы и созданы специальные установки. В частности, для получения радиусов скруглений наружных и внутренних поверхностей микросварочного инструмента сложного профиля (A.c. =1779549). Метод позволяет получать радиусы малых размеров (10...50 мкм), причем обеспечивает достаточно высокую производительность, стабильность точности профиля и низкую шероховатость обработанной поверхности.

Пятая глава диссертации посвящается установлению оптимальных режимов микросварочных процессов, что увеличивает стойкость инструментов и улучшает качество выполняемого соединения.

Методы микросварки различаются друг от друга теми основными параметрами, которые характеризуют тот или иной процесс. Например, при ультразвуковой микросварке основными параметрами являются: амплитуда ультразвукового колебания инструмен-

та, усилие сжатия, время протекания процесса. При термокомпрессионной микросварке: усилие сжатия, температура нагрева свариваемых деталей и время сварки.

Экспериментальные исследования позволили установить оптимальные режимы микросварочных процессов с контактными площадками нами кристалла оксидированного кремния - для проволоки АК09ПМ-40 при ультразвуковом и золотой проволоке (Ф50 мкм) при термокомпрессионном.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

¡.Разработаны основные принципы выбора инструментального материала для микросварочных инструментов конкретного назначения. Установлено, что в качестве инструментального материала для ультразвукового и термокомпрессионного методов целесообразно использовать твердый сплав ВКЗ-ТМ, а при независимом импульсном и при импульсном, совмещенным с термокомпрессионными методами микросварки, маловольфрамовый твердый сплав Н20Т.

2.Исследование природы изнашивания клиновых инструментов из маловольфрамовых твердых сплавов марки Н20Т позволило установить, что в процессе сварки интенсивность изнашивания инструмента как с покрытием нитрида титана ТЧЫ, так и без него, до определенного момента носит плавный характер. После 55 тыс. сварок для инструмента с покрытием "ПК и 30 тыс. для обычного - интенсивность изнашивания резко возрастает.

3. Установлеено, что в процессе микросварки твердосплавный инструмент подвергается в основном адгезионному изнашиванию. В ряде случаев замечаются следы абразивного изнашивания. В зависимости от метода сварки, материалов инструмента и свариваемой проволоки интенсивность адгезионного изнашивания растет или убывает.

4. Изучение методом делителных сеток интенсивности деформации и касательных напряжений в свариваемой проволоке показало, что для наиболее применяемого в практике ультразвуковой микросварки инструмента с боковым капиллярным отверстием

оптимальной является рабочая часть с V-образным продольным пазом.

5. Установлено оптимальное соотношение геометрических параметров V-образного паза - длины грани (а) или высоты (h) и диаметра свариваемой проволки (d). Инструменты, изготовленные с соблюдением установленного соотношения отличаются высокой стабильностью и качеством сварки.

6. Разработан метод и создана специальная установка для получения радиусов скруглений наружных и внутренних поверхностей микросварочного инструмента сложного профиля (A.c. N1779549). Метод позволяет получать радиусы малых размеров (10...50 мм) как в металлических, так и в неметаллических заготовках, причем обеспечивает достаточно высокую производительность, стабильность точности профиля и низкую шероховатость его поверхности.

7. Установлено, что на протекание процесса ультразвуковой микросварки в основном влияют амплитуда колебаний рабочей части инструмента и усилие сжатия, а на процесс термокомпрессионной микросварки кроме усилия сжатия, еще и температура нагрева. Установлены оптимальные режимы микросварочных процессов с контактными площадками кристалла оксидированного кремния - для проволоки АК 09 ПМ-40 при ультразвуковом методе и золотой проволоке Ф50 мкм при термокомпрессионном.

Основное содержание диссертаций опубликовано в следующих работах:

1. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н., Бирман В.И. Технологические особенности изготовления капиллярного инструмента для микросварки // Труды ГТУ, Тбилиси - 1990, N8(364), с.49-54. (на груз, языке).

2. Турманидзе P.C., Ткемаладзе Г.Н., Авалияни М.Г.,Амиридзе М.Н. Оптимизация технологического процесса изготовления отверстий малого диаметра // Труды ГТУ, Тбилиси - 1991, N9(382), с.90-91. (на груз, языке).

3. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н. Микроинструменты для сборки и монтажа микросхем и технологическое обеспечение их

изготовления / / Высокие технологии в машиностроении, Тезисы докладов ХПИ, Алушта - 3992, с.169.

4. Амирадзе М.Н. Формы рабочей части микросварочного инструмента и его влияние на процесс сборки микросхем / / Тезисы конференции ГТУ, Тбилиси - 1993., с.84-85. (на груз, языке).

5. Турманидзе P.C., Сомов А.И., Амирадзе М.Н. Основные формы микроинструментов приминяющие в ювелирном производстве и технологические особенноти их изготовления // Тезисы конференций ГТУ, Тбилиси - 19936 с.85-86. (на груз, языке).

6. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н., Самхарадзе JI.T. Приспособления для формирования зубьев стоматологических борфрез и основные параметры его наладки // Тезисы докладов конференции ГТУ, Тбилиси - 1993, с.86 (на груз, языке).

7. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н., Чхартишвили 3. Конструкция наконечника бормашины с повышенными эксплуатационными характеристиками // Информационные технологии: наука, техника технология, образование, здоровье, Харьков - 1996, с.190-191.

8. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н., Хаиндрава 3. Приспособление и технология нарезания зубьев на борфрезах различных форм // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье; Харьков - 1996, с. 191.

9. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н. Оптимизация геометрических параметров рабочей части микросварочных инструментов // Тезисы докладов конференции ГТУ, Тбилиси - 1997, с. 195. (на груз, языке).

10. Турманидзе P.C., Амирадзе М.Н., Эремян JI.A. Устройство для вышлифовки малых радиусов. A.C.N 1779549.