СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №4/2016

ИНСТРУМЕНТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 32 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 4 2016 Лазерная виброметрия в диагностике ультразвуковых колебательных систем В статье приведены результаты исследования ультразвуковых систем установок термозвуковой микросварки проволочных выводов. Исследования проводились с помощью бесконтактного метода контроля на основе интерференции отражённого луча лазера от колеблющейся поверхности с опорным лучом. Изучены зависимости амплитуды колебаний торца микросварочного инструмента (капилляра) от мощности подводимой электрической энергии к ультразвуковому преобразователю. Игорь Петухов, Александр Шепелевич (Беларусь, Минск) В ВЕДЕНИЕ Прогрессирующая микроминиатю- ризация электронных компонентов и создание функционально-слож- ных микроэлектронных устройств, в частности 3D-интегральных микро- схем и многокристальных модулей, выявили ряд проблем при формиро- вании микросварных соединений. При микросварке данных изделий крайне важно обеспечение большо- го числа (от 100 до 1000) надёжных проволочных межсоединений с учё- том разновысотности уровней между компонентами и малых размеров кон- тактных площадок активных структур из-за высокой степени интеграции. В микросварных соединениях высо- кой плотности размеры контактных площадок на кристалле варьируются от 55 × 55 до 65 × 65 мкм с шагом между контактными площадками 20–30 мкм. Миниатюрные размеры приводят к необходимости использовать про- волоку малого диаметра (17–25 мкм), что предъявляет особые требования к настройке параметров сборочного оборудования [1]. Уменьшение размеров контактных площадок на кристаллах интеграль- ных схем требует прецизионной работы ультразвуковых систем (УЗС) микросварки. Электрические колеба- ния от генератора преобразуются уль- тразвуковым преобразователем (УЗП) в механические колебания на часто- те резонанса УЗП, которые должны без потерь передаваться в зону свар- ки проволочных выводов. Для этого требуется точный контроль параме- тров УЗС микросварки и оптималь- ное согласование рабочего инстру- мента с УЗП. Сложность согласования заключается в том, что УЗП с инстру- ментом представляет собой электро- механическую резонансную систему, параметры которой (частота и вход- ной импеданс) могут изменяться в про- цессе работы, например, при измене- нии статического усилия на УЗП. Для поддержания частоты резонанса все современные УЗ-генераторы содержат встроенную фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) и устройства компен- сации изменения импеданса нагрузки. В настоящее время термозвуковая микросварка методом «шарик-клин» является самым быстродействующим процессом присоединения проволоч- ных выводов к контактным площад- кам интегральных схем и обеспечива- ет высокую плотность соединений. До 95% изготавливаемых в мире микро- схем используют для обеспечения надёжных межсоединений между кри- сталлом и выводной рамкой золотую проволоку [2]. Быстрое развитие тех- нологии сверхбольших интегральных схем и уменьшение размеров контакт- ных площадок требует использования проводников диаметром менее 20 мкм и, соответственно, высокой воспроиз- водимости образуемых шариков [3]. Для создания микросварных сое- динений высокой плотности в УЗС термозвуковой сварки применяют УЗ-преобразователи повышенной частоты (с частотой резонанса более 100 кГц). Это позволяет повысить про- изводительность за счёт сокращения времени сварки, а также уменьшить температуру зоны сварки [4]. Возмож- ность снижения температуры зоны микросварки особенно актуальна при сборке приборов на полимерных носителях, например, кредитных карт, SIM-карт и тому подобных. Такие УЗП характеризуются малыми амплитудами колебаний и повышенной чувствитель- ностью к изменениям нагрузки. Важным моментом настройки УЗС микросварки является корректная установка (зажим) микроинструмента в торце волновода УЗП – так называе- мый «вылет» инструмента. Необходимо, чтобы собственные частоты продоль- ных колебаний УЗ-преобразователя и изгибных колебаний инструмента совпадали. В противном случае, резо- нансная частота примет какое-то про- межуточное значение и в месте сопря- жения увеличится реакция нагрузки (за счёт реактивных составляющих). Это может привести к рассогласова- нию преобразователя с инструмен- том и снижению амплитуды колебаний на рабочем торце инструмента. При сборке изделий с повышенной плот- ностью монтажа с шагом межсоеди- нений 50–60 мкм используется капил- ляр с утонённым торцом в виде так называемого «горлышка бутылки» [5]. Передача ультразвуковых колебаний от места закрепления такого капилля- ра в волноводе к его торцу имеет ряд особенностей и требует специального оборудования для согласования систе- мы «ультразвуковой преобразователь – капилляр». Целью работы было исследование распределения амплитуды колебаний вдоль капилляра и установка корреля- ции между протекающим через ультра- звуковой преобразователь электриче- ским током и амплитудой механиче- ских колебаний. Для исследования распределения амплитуды капилляра использовался бесконтактный лазерный виброметр на основе контроллера CLV-2534 про- изводства компании Polytec [6]. Дан- ное устройство является наиболее передовым средством для бесконтакт- ных измерений, визуализации и ана- лиза колебаний различных ультразву- ковых систем. Ядром прибора является лазерный доплеровский виброметр – высокоточный оптический датчик для определения виброскорости и ампли- туды перемещения в заданной точке. Принцип работы виброметра осно- ван на интерференции отражённо- го от движущейся поверхности луча