Установка для микросварки проволочных проводников
INSTALLATION FOR MICROWELDING OF WIRE CONDUCTORS

Изобретение относится к оборудованию для проволочной сборки полупроводниковых приборов и гибридных интегральных схем, а именно, к установкам для контактной микросварки.
С увеличением интеграции современных полупроводниковых приборов, например микросборок, состоящих из гибридных интегральных схем (ГИС), которые обычно помещают в герметизированный корпус, способный эффективно защищать содержимое от влаги, грязи, пыли, механических и других негативных воздействий, габаритные размеры корпусов приборов стремительно растут, достигая, например, размеров 400×1000 мм, что затрудняет проволочный монтаж подобных приборов с помощью контактной микросварки.
Кроме того, конструкция корпусов, например СВЧ-приборов, предусматривает наличие глубокого «колодца» с высотой стенок корпуса до 25 мм, что также затрудняет проволочный монтаж подобных приборов, т.е. производить сварку у стенки «колодца», когда технологическая оснастка, например губки, подающие проволоку в зону сварки, могут задевать за стенку корпуса.
В то же время стоит задача быстрой переналадки технологической оснастки установок, с целью гибкого использования в работе необходимых исполнительных механизмов для специализированного проволочного монтажа прибора, например: монтаж прибора проволочными перемычками последовательно присоединенными контактной микросваркой с обоих концов, путем подачи проводника в зону сварки через боковой направляющий канал сварочного инструмента или монтаж прибора, когда конструкция монтируемого элемента состоит из залитого компаундом полупроводникового кристалла с отходящими от него во все стороны одиночными проводниками типа «волосатик» - бескорпусные микросхемы с гибкими проволочными выводами - модификация «1», - которые необходимо поочередно вручную с помощью пинцета подложить под сварочный инструмент и произвести точечную сварку.
Известна установка для присоединения выводов полупроводниковых приборов (Свидетельство SU546961A1, МПК H01L21/66, оп. 15.02.1977), содержащая сварочную головку с инструментом и капилляром, устройство для подачи и обрыва проволоки с зажимными планками и манипулятор с подвесной и неподвижной плитами, причем капилляр укреплен на одной из зажимных планок и соединен с приводом, выполненным в виде двух электромагнитов, установленных на держателе, шарнирно соединенном через шток, расположенный на подвижной плите манипулятора, с механизмом подачи и обрыва установленном на одной из планок, при этом электромагниты установлены с возможностью поочередного контактирования с подвижной плитой и пластиной, подпружиненной к неподвижной плите манипулятора.
Недостатком данной установки является то, что сварочная головка установлена на плите манипулятора с возможностью перемещения по осям Х, Y, при этом позиционирование сварочного электрода относительно контактной площадки прибора, а также перемещение сварочного электрода по осям Х, Y при формировании перемычки между двумя контактными площадками относительно оптической системы наблюдения (микроскопа) будет затруднено, так как наблюдаемый объект будет уходить из фокуса оптической системы, таким образом во время монтажа особенно длинных проволочных перемычек необходимо будет ее перестраивать.
Известна установка для микросварки (Патент на полезную модель RU15970U1, МПК B23K 31/02, оп. 27.11.2000), содержащая корпус, установленный на опорной плите, сварочную головку, включающую инструмент, держатель и двуплечий рычаг, установленные в центрах, механизм вертикального перемещения, узел зажима проволоки с губками, оптическую головку, манипулятор перемещения свариваемого прибора, монтажный столик, блок управления, причем корпус снабжен п-образным несущим основанием, на котором смонтированы сварочная головка, каретка ее горизонтального перемещения, совпадающего с направлением формирования проволочной перемычки, манипулятор, монтажный столик, а в нише п-образного основания установлен блок управления, двуплечий рычаг и держатель инструмента установлены в трех центрах, средний из которых - общий, смонтированных на кронштейне соосно друг другу и находящихся в одной горизонтальной плоскости с рабочим торцом сварочного инструмента, манипулятор выполнен в виде двух полых валов, взаимно перемещающихся по направляющим в вертикальной плоскости, причем нижний вал с одного конца соединен шарнирно с нижней ручкой манипулятора, при этом шарнир с помощью маховика имеет возможность вращения вокруг вертикальной оси вала, а верхний вал соединен также через шарнир с монтажным столиком, который вместе с шарниром имеет возможность вращения вокруг вертикальной оси вала, причем верхний вал через дополнительный шарнир соединен с п-образным несущим основанием.
Недостатком данной установки является то, что во время перемещения оператором ручки манипулятора по осям Х, Y, для позиционирования сварочного электрода и контактной площадки, предметный столик с прибором перемещается в противоположную сторону («зеркально») движению ручки манипулятора, что создает неудобство при позиционировании свариваемых деталей между собой. Кроме того, отсутствие ручного привода перемещения сварочной головки по оси Z, затрудняет монтаж бескорпусных полупроводниковых приборов типа «волосатик» методом точечной сварки вывода на контактные площадки прибора, при которой требуется ручная укладка проволочного проводника под сварочный инструмент с помощью технологического пинцета.
В качестве прототипа выбрана установка для ультразвуковой микросварки (патент RU2742635, МПК B23K 20/10, B23K 37/02, оп. 09.02.2021), содержащая корпус с п-образным несущим основанием, установленный на опорной плите, сварочную головку, включающую держатель ультразвукового преобразователя с закрепленным в нем сварочным инструментом для ультразвуковой сварки и двуплечий рычаг, установленные в соосных друг другу центрах, механизм вертикального и горизонтального перемещения, узел зажима проволоки с губками, оптическую головку, монтажный подогреваемый столик для свариваемого прибора, манипулятор перемещения монтажного столика, ультразвуковой генератор и источник тока, кроме того она снабжена дополнительным двуплечим рычагом и держателем с закрепленным в нем контактным электродом, при этом закрепленный в держателе контактный электрод установлен рядом со сварочным инструментом, причем рабочий торец контактного электрода отстоит от рабочего торца сварочного инструмента по оси Z на величину не менее величины осадки проводника при сварке, при этом контактный электрод установлен с возможностью перемещения относительно сварочного инструмента по осям Х, Y, Z и с возможностью задания регулируемого статического давления на проводник при сварке, причем держатель контактного электрода закреплен на дополнительном двуплечем рычаге и электрически изолирован от корпуса установки, при этом держатель ультразвукового преобразователя и держатель контактного электрода электрически соединены с выходами источника тока, причем площадь контактной поверхности рабочего торца контактного электрода больше площади контактной поверхности рабочего торца сварочного инструмента.
Недостатки прототипа:
- При проведении ремонтных и регламентных работ разборка и сборка сварочной головки, установленной в разделенных центрах, требует дополнительной юстировки механизмов относительно друг друга, а также необходимо тарированное усилие поджатия центров к обоймам подшипников: если недожать, то появится люфт, пережать - подшипники начнут при работе «хрустеть», что в любом случае не допустимо при сварке.
- Нет возможности подкладывать проводник вручную под рабочий торец сварочного электрода для проведения точечной сварки в труднодоступных местах микросборки, т.к. отсутствует ножной привод.
- Затруднен монтаж крупногабаритных приборов из-за невозможности увеличения вылета сварочной головки от места крепления до конца сварочного инструмента.
- Монтаж проводников у стенки корпуса прибора затруднен, т. к. губки подают проводник в зону сварки по оси Y, и при этом могут касаться стенки корпуса прибора, что недопустимо.
- Затруднен монтаж бескорпусных микросхем с гибкими проволочными выводами модификации «1», конструкция, которых состоит из кристалла с отходящими от него во все стороны одиночными проводниками типа «волосатик», которые поочередно вручную с помощью пинцета раскладывают по контактным площадкам под сварочный инструмент и производят точечную сварку.
Основной задачей предлагаемого изобретения, по сравнению с известной установкой микросварки сварки, является разрешение следующих технологических проблем при сборке полупроводниковых приборов:
1. При монтаже гибридных микросборок монтаж проводников может производиться как законченными перемычками между первой и второй сварками с нужным профилем петли, так и отдельными отрезками проводника с помощью точечной сварки для монтажа бескорпусных микросхем с гибкими проволочными выводами - модификация «1», и чтобы совместить в работе установки такие возможности необходимо поочередное использование в первом случае ручного привода для перемещения сварочного инструмента по оси Z, во втором случае - ножного привода, при этом работа приводов для перемещения сварочной головки была бы независимой друг от друга.
2. В связи с увеличением габаритных размеров корпусов гибридных микросборок, например, с размерами 400×1000 мм, монтаж проводников по площади прибора затруднен, это проявляется при монтаже проводников в центральной части прибора, куда из-за больших габаритов корпуса доступ сварочного электрода затруднен. Монтаж также затруднен у стенки корпуса.
В результате осуществления изобретения могут проявляться дополнительные технические результаты, связанные с удобством эксплуатации установки, на что будет указано далее.
Указанная задача решается установкой для микросварки проволочных проводников, содержащей корпус с П-образным несущим основанием, установленный на опорной плите, сварочную головку, включающую держатель сварочного инструмента для микросварки, основной и дополнительный двуплечие рычаги подпружиненные друг к другу и установленные в разделенных между собой центрах качания оси Х, механизм вертикального и горизонтального перемещения, узел зажима проволоки с губками, установленный на дополнительном двуплечем рычаге для подачи проводника в зону сварки вдоль оси Y, монтажный столик для свариваемого прибора, оптическую головку, манипулятор перемещения свариваемого прибора, источник тока сварки пайки, в которую, согласно предложению, внесены следующие изменения и дополнения:
- основной и дополнительный двуплечие рычаги установлены на общей оси качания, при этом дополнительный двуплечий рычаг через регулируемый упор подпружинен к неподвижному кронштейну (это упрощает разборку-сборку сварочной головки при проведении ее технического обслуживания, а также с помощью упора выставлять положение дополнительного двуплечего рычага относительно неподвижного кронштейна с адаптером для работы трансмиссии, как от ножного, так и от ручного приводов, в тоже время регулируемый упор между рычагами позволяет выставлять горизонтальное положение основного двуплечего рычага, чтобы плоскость рабочего торца сварочного инструмента совпадала с плоскостью сварки);
- плечи дополнительного двуплечего рычага взаимно перпендикулярны, при этом одно плечо расположено горизонтально, а другое вертикально, причем на вертикальном плече установлен адаптер для передачи вращения двуплечего рычага вокруг оси качания, как от ножного, так и от ручного привода (это позволяет расположить адаптер ближе к трансмиссии ножного и ручного приводов с целью оптимизации компоновки установки);
- одна часть адаптера выполнена в виде конусного отверстия и сопряженного с ним паза для взаимодействия с конусовидным окончанием гибкой трансмиссии ножного привода, а другая часть выполнена в виде плоскости, наклоненной к вертикальному плечу дополнительного двуплечего рычага, и взаимодействует с подшипником качения ручного привода (конфигурация адаптера позволяет передавать вращение от ножного и ручного приводов независимо друг от друга дополнительному двуплечему рычагу, что расширяет технологические возможности установки за счет поочередного использования приводов, в одном случае при работе с ручным приводом (ручкой) для перемещения сварочного инструмента по оси Z и перемещением предметного столика с прибором манипулятором по осям Х, Y (из проводника можно формировать петлю заданного профиля между первой и второй сваркой), а при работе с ножным приводом (педалью) можно вручную подавать отрезок проводника в зону сварки под рабочий торец сварочного инструмента для проведения точечной сварки);
- ручной привод выполнен в виде двуплечего рычага с осью качания, перпендикулярной оси качания основного и дополнительного двуплечих рычагов, при этом подшипник качения установлен на более коротком плече ручного привода (соотношение плеч относительно оси качания позволяет прецизионно перемещать сварочную головку в зону сварки для мягкого касания сварочного электрода контактной площадки перед сваркой, а также позволяет в процессе монтажа формировать проволочные перемычки необходимой высоты);
- держатель сварочного инструмента закреплен на кронштейне, который крепится (например, с помощью хомута) на плече основного двуплечего рычага, при этом кронштейн имеет возможность поворота по углу вокруг своей оси и перемещения вдоль основного двуплечего рычага по оси Y (возможность поворота держателя вокруг оси позволяет выставлять отпечаток рабочего торца сварочного инструмента, чтобы он совпадал с плоскостью сварки, а перемещение держателя инструмента вдоль оси Y позволяет увеличивать вылет сварочной головки при монтаже крупногабаритных приборов на необходимую величину, для расширения технологические возможности установки);
- на плече основного двуплечего рычага установлен узел зажима проволоки губками для подача проводника в зону сварки по оси Х (при монтаже приборов в конструкции которых есть «колодцы», т.е., когда у прибора есть стенки, данное расположение губок относительно сварочного электрода позволяет подавать проводник в зону сварки вплотную к стенке прибора, что также расширяет технологические возможности установки);
- на обоих плечах основного двуплечего рычага могут быть установлены кронштейны с перемещаемыми вдоль них по оси Y грузами (это позволяет оперативно изменять сварочное давление на сварочном инструменте при смене диаметра проводника в процессе монтажа прибора).
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана установка для микросварки проволочных проводников, вид спереди.
На фиг. 2 показан вид спереди сварочной головки установки для микросварки проволочных проводников.
На фиг. 3 показан вид сбоку сварочной головки установки для микросварки проволочных проводников.
Установка для контактной микросварки, содержит корпус, снабженный несущим основанием 1, установленный на опорной плите 2, сварочную головку 3, состоящую из неподвижного кронштейна 4, к которому пружиной 5, через регулируемый упор 6, подпружинен дополнительный двуплечий рычаг 7, а к дополнительному двуплечему рычагу 7 с помощью пружины 8 через регулируемый упор 9 подпружинен основной двуплечий рычаг 10, при этом оба рычага установлены на общей оси качания 11, которая параллельна оси Х, при этом на основном рычаге 10 закреплены: держатель 12 сварочного инструмента 13 для односторонней контактной микросварки, причем держатель 12 закреплен на кронштейне 14, который установлен вдоль основного двуплечего рычага 10 в хомуте 15, при этом держатель 12 вместе с инструментом 13 имеет возможность вращения по углу и перемещения по оси Y в хомуте 15 относительно основного двуплечего рычага 10, кроме того на рычаге 10 установлен кронштейн 16 с закрепленными на нем катушкой 17, с намотанным на ней монтажным проводником, и губками 18 для зажима и подачи проводника через капиллярный подающий канал сварочного инструмента 13 в зону сварки по оси Х, причем губки 18 в процессе монтажа разжимаются и сжимаются магнитом 19, а плечи дополнительного двуплечего рычага 7 перпендикулярны друг другу, причем на вертикальном плече дополнительного двуплечего рычага 7 установлен адаптер 20, причем одна часть адаптера выполнена в виде конусного отверстия 21 и сопряженного с ним паза 22, причем в конусное отверстие 21, путем пропускания троса 23 через паз 22, установлено конусовидное окончание гибкой трансмиссии 23 (троса) от ножного привода - педали 24 со встроенной кнопкой запуска сварки, а другая часть выполнена в виде плоскости 25, наклоненной к вертикальному плечу двуплечего рычага 7, при этом плоскость 25 взаимодействует с подшипником качения 26, ручного привода 27 со встроенной кнопкой запуска сварки, причем ручной привод выполнен в виде двуплечего рычага 28 с осью качания 29 перпендикулярной оси качания 11 основного и дополнительного двуплечих рычагов, при этом подшипник качения 26 установлен на более коротком плече 30 ручного привода 27, при этом адаптер 20 взаимодействует с дополнительным двуплечим рычагом 7 и с подпружиненным к нему основным двуплечим рычагом 10 и поворачивает их вокруг оси качания 11, причем положение подшипника 26, относительно наклонной плоскости 25 адаптера 20, выставляется упором 6, кроме того плече основного двуплечего рычага 10, расположенного перед осью качания 11, установлен кронштейн 31 с перемещаемым по нему грузом 32, причем на втором плече основного двуплечего рычага 10, расположенного за осью качания 11, также установлен кронштейн 33 с перемещаемым по нему грузом 34, предметный стол 35, с закрепленным на нем корпусом свариваемого прибора (на рисунке не показан), установлен на манипуляторе 36 для точного перемещения предметного стола 35 с прибором по координатам Х, Y с помощью ручки 37, на стойке 38 установлен источник тока сварки пайки 39, соединенный силовыми кабелями (на рисунке не показаны) с клеммами 40, 41 держателя 12 сварочного инструмента 13, на кронштейне 42 закреплена оптическая головка 43.
Установка работает следующим образом.
Предварительно перед началом монтажа оператор выставляет вылет сварочного инструмента 13 по оси Y в зависимости от габарита обрабатываемого прибора, путем ослабления крепления оси 14 в хомуте 15, на которой крепится держатель сварочного инструмента 12, и выдвигает его на нужную величину, чтобы сварочный инструмент 13 доставал до середины обрабатываемого поля прибора, а поворотом по углу вокруг оси кронштейна 14 выставляет параллельность рабочей плоскости торца сварочного инструмента 13 и плоскости сварки, кроме того вращением упора 9 также выставляется параллельность рабочей плоскости торца сварочного инструмента 13 и плоскости сварки, а с помощью вращения упора 6 выставляется взаимное положение конусного отверстия 21 и конусовидного окончания гибкой трансмиссии 23 (троса) от ножного привода - педали 24, а также выставляется взаимное положение плоскости 25, наклоненной к вертикальному плечу двуплечего рычага 7 и подшипника качения 26 ручного привода 27, таким образом, чтобы величина перемещения сварочного инструмента 13 по оси Z было максимальным, независящим от применения ножного или ручного привода, кроме того оператор путем перемещения грузов 32, 34, вдоль соответственных кронштейнов 31, 33, выставляет необходимое сварочное давление на сварочном инструменте 13, при этом проводник намотанный на катушке 17 протягивается через губки 18 и далее через капиллярный подающий канал сварочного инструмента 13 под его рабочий торец по оси Х.
Первый вариант работы установки
Оператор производит монтаж перемычками заданной формы по площади прибора с образованием первого и второго сварного соединения только с помощью ручного привода 27: наблюдая в оптическую головку 43, установленную на стойке 38 и кронштейне 42, зону сварки, с помощью ручного привода 27 перемещает сварочный инструмент 13 по оси Z в направлении контактной площадки прибора, при этом подшипник качения 26, закрепленный на коротком плече ручного привода 27, катится по наклонной плоскости 22 адаптера 20, при этом дополнительный рычаг 7, с подпружиненным к нему основным рычагом 10, поворачиваются вокруг оси 11 до тех пор, пока сварочный инструмент 13 не коснется уровня первой контактной площадки, при этом упор 9, закрепленный на основном двуплечем рычаге отходит от дополнительного двуплечего рычага 7 и между ними образуется зазор, при этом рабочий торец сварочного инструмента 13 сдавливает проводник сварочным усилием, причем наличие зазора позволяет сварочному инструменту 13 во время сварки произвести осадку материала проводника для образования сварного соединения, далее оператор ручкой 37 приводит в действие манипулятор 36 и перемещает предметный столик 35 с прибором по осям Х, Y и совмещает сварочный инструмент 13, с поданным под его рабочий торец проводником, с первой контактной площадкой на приборе, далее оператор на ручке манипулятора 37 нажимает кнопку управления магнитом зажима губок 18 (на рисунке не показана), при этом срабатывает магнит 19 и губки 18 открываются, освобождая проволочный проводник для последующей протяжки вдоль подающего канала сварочного инструмента, далее оператор нажимает кнопку запуска сварки на ручке ручного привода 27 и от источника тока сварки пайки 39 через силовые кабели и клеммы 40, 41 к держателю 12 и далее к сварочному инструменту 13 подается сварочный ток - происходит односторонняя контактная сварка, после чего оператор с помощью ручки 37 манипулятора 36 и с помощью ручки ручного привода 27 формирует перемычку нужной длины и высоты, аналогично производится вторая сварка в перемычке, далее оператор с помощью ручки ручного привода 27 приподнимает сварочный инструмент 13 с места образования второго сварного соединения и ручкой 37 управления манипулятором 36 отводит предметный стол 35 вместе с прибором по оси Х от сварочного инструмента 13, при этом проводник протягивается через подающий канал в сварочном инструменте 13, таким образом, чтобы длина отрезка проводника под рабочим торцом сварочного инструмента 13 была достаточна для образования следующего сварного соединения, и далее кнопкой на ручке 37 манипулятора 36 выключает магнит 19 и губки 18 зажимаются, фиксируя проводник, и дальнейшим движением ручки 37 манипулятора 36 по оси Х оператор отделяет проводник от второго сварного соединения, при этом «хвост» проводника остается под рабочим торцом сварочного инструмента 13 для образования следующего сварного соединения и далее цикл работы установки повторяется.
Второй вариант работы установки
Оператор производит монтаж одиночных проводников, которые необходимо поочередно присоединить точечной односторонней контактной сваркой к контактным площадкам платы, при этом оператор работает только с помощью ножного привода - педали 24: наблюдая в оптическую головку 43 зону сварки, оператор с помощью ножного привода 24 по оси Z и ручки 37, перемещения манипулятора 36 по осям Х, Y, совмещает рабочий торец сварочного инструмент 13 с контактной площадкой на приборе, при этом оператор вручную (например, с помощью пинцета) подкладывает одиночный проводник под рабочий торец сварочного инструмента 13 и далее, управляя педалью 24 с помощью трансмиссии 23, через адаптер 20, поворачивает дополнительный рычаг 7 с подпружиненным к нему основным рычагом 10 вокруг оси 11 до тех пор, пока сварочный инструмент 13 с проводником не коснется контактной площадки, при этом упор 9, закрепленный на основном двуплечем рычаге 10 отходит от дополнительного двуплечего рычага 7 и между ними образуется зазор, при этом рабочий торец сварочного инструмента 13 сдавливает проводник сварочным усилием, причем наличие зазора позволяет сварочному инструменту 13 во время сварки произвести осадку материала проводника для образования сварного соединения, далее оператор нажимает встроенную в педаль 24 кнопку запуска сварки и от источника тока сварки пайки через силовые кабели и клеммы 40, 41 к держателю 12 сварочного инструмента 13 подается сварочный ток - происходит односторонняя контактная сварка, далее оператор с помощью ножного привода 24 поднимает сварочный электрод 13 со сварки и цикл монтажа повторяется, и далее оператор в зависимости от заданной технологии сборки производит монтаж прибора законченными перемычками или монтаж прибора точечной сваркой одиночных проводников, используя при этом ручной или ножной привод.