Выбор оптимального режима УЗС соединения Al-Ag

После пайки кристаллов присоединение алюминиевых выводов к контактным площадкам кристалла и траверсам корпуса проводят ультразвуковой сваркой.

Качество соединений определяется множеством факторов: физико-механическими свойствами проволоки и металлизации; режимами УЗС; материалом инструмента, геометрическими формой и размерами его рабочей площадки; наличием или отсутствием загрязнений на соединяемых поверхностях и т. д.

Вопросу оптимизации режимов УЗС алюминиевой проволоки с серебряной металлизацией корпусов ППИ посвящен данный раздел. Представим процесс УЗС в виде «черного ящика» (рис. 6.30). Х₁, Х₂, …, Х_n – входные параметры, действующие в исследуемом процессе. Y – выход системы, называемый функцией отклика, является функцией входных параметров. В этом случае задача выбора оптимальных режимов УЗС заключается в следующем: найти математическую модель процесса в виде некоторой функции Y=f(Х₁, Х₂,…, Х_n) и значения Х_i, обеспечивающие экстремум (максимум) функции.

 

Рис. 6.30. Условное представление процесса УЗС

 

Необходимо получить математическую модель процесса УЗС алюминиевых проволочных выводов с серебряным гальваническим покрытием корпусных деталей СПП, с целью определения оптимальных режимов сварки.

В процессе проведения эксперимента варьировались три фактора: усилие нагружения на микросварочный инструмент (Х₁), мощность УЗ генератора (Х₂) и время сварки (Х₃) (табл. 6.11). В качестве критерия качества, а, следовательно, функции отклика исследуемого процесса принята прочность соединений. Прочность соединений определялась натяжением вывода под углом 90º к плоскости образца до разрушения соединений с одновременным контролем характера разрушения.

 

Табл. 6.11. Значения уровней варьирования

Уровни варьирования	Параметры
	Х1, сН	Х2, дел	Х3, мс
Основной Верхний Нижний Интервал варьирования	300 350 250 50	6,3 6,8 5,8 0,5	75 100 50 25

Примечание: мощность генератора УЗ колебаний (Х₂, дел.) устанавливается по числу делений регулятора мощности в установке УЗ-сварки.

 

Для проведения экспериментальных исследований осаждение серебра на медные пластины проводили в электролите следующего состава (г/л): AgCl – 40; K₄[Fe(CN₆)]3H₂O – 200; K₂CO₃ – 20. В качестве анодов использовались пластины из чистого серебра. Режимы осаждения: I_к = 1-1,5 А/дм², температура электролита 50 ºC, время 10 мин для толщины покрытия 6 мкм. После осаждения покрытий образцы отмывались в дистиллированной воде. Перед сваркой медные пластины с серебряным покрытием отжигались в водороде при температуре 390 ± 20 ºC с целью имитации процесса напайки кристаллов на основания корпусов. Предварительный отжиг образцов в кислороде не проводился из-за образования на поверхности серебряного покрытия оксидной пленки Ag₂O толщиной 500-600 Å. Оксидная пленка Ag₂O обеспечивает необходимое растекание припоя при пайке, но при сварке не способствует заданному качеству сварных соединений.

Для оценки влияния параметров УЗС на качество микросоединений алюминиевой проволоки с серебряной металлизацией использовали проволоку марки АОЦПоМ (ТУ 6365‑051‑46594157‑2004) диаметром 250 мкм. Химический состав проволоки, %: Si – 0,01; Cu – 0,01; Mg – 0,01; Mn – 0,01; Fe – 0,01; Sb ≤ 0,02; Ti – (0,003-0,08); Zn – (0,03-0,28); Al – остальное. Разварку выводов производили на установке для ультразвуковой сварки типа У-153 инструментом с треугольной канавкой на рабочем торце марки КУТ-41-250-600 (ОСТ 11 31 5001.8-92).

Для удобства обработки результатов проводится преобразование значений управляемых переменных (учитываемых в эксперименте факторов Х_i) к безразмерным величинам

Х_iб=(Х_i-X_oi)/ΔХ_i,

где Х_i – текущее значение i-го фактора; X_oi – базовое или начальное значение i-го фактора в центре плана; ΔХ_i – значение интервала варьирования по i-му фактору.

Поскольку в эксперименте используются 3 фактора, а предполагаемая математическая модель исследуемого процесса линейна, то она соответствует полиному вида

Y=b₀+b₁x₁+b₂x₂+b₃x₃+b₁₂x₁x₂+b₁₃x₁x₃+b₂₃x₂x₃+b₁₂₃x₁x₂x₃,

где Y – значение функции отклика; x₁x₂x₃ – значения исследуемых факторов; b₀ – значение функции отклика в центре плана; b₁, b₂, b₃ – коэффициенты, характеризующие степень влияния факторов на функцию отклика; b₁₂, b₁₃, b₂₃, b₁₂₃ – коэффициенты, характеризующие взаимовлияние факторов.

При варьировании каждым из трех факторов (к = 3) на двух уровнях число опытов N будет составлять N = 2^к = 2³ = 8. Для каждой комбинации факторов было проведено 15 параллельных опытов (n = 15).

По известной методике составлена матрица планирования полного факторного эксперимента типа 2³, представленная в табл. 6.12.

 

 Табл. 6.12. Матрица планирования и результаты полного факторного эксперимента

Номер опыта	Х0б	Х1б	Х2б	Х3б	Х1бХ2б	Х1бХ3б	Х2бХ3б	Х1бХ2бХ3б	Экспериментальная прочность yξ, сН	Теоретическая прочность yξ t, сН
1	+	–	–	–	+	+	+	–	321,0	317,71
2	+	+	–	–	–	–	+	+	305,4	311,09
3	+	–	+	–	–	+	–	+	286,0	283,91
4	+	+	+	–	+	–	–	–	291,0	290,53
5	+	–	–	+	+	–	–	+	291,7	286,27
6	+	+	–	+	–	+	–	–	290,0	292,89
7	+	–	+	+	–	–	+	–	265,0	265,71
8	+	+	+	+	+	+	+	+	257,4	259,09

 

Проведена оценка однородности дисперсий функции отклика в соответствии с критерием Кохрена, ее результаты (для N = 8 и n = 15: σ_max = 0,2787 ≤ 0,29 = σ_кр) позволяют сделать вывод о воспроизводимости эксперимента, а отклонения значений функции отклика носят случайный характер и вызваны влиянием неконтролируемых и неуправляемых факторов.

Вычислены коэффициенты полинома по формуле

,

где b_i – коэффициент полинома, соответствующий i-фактору; ξ = 1, …, N – номера опытов; x_ξi – значение безразмерного фактора в матрице планирования, соответствующего ξ-строке и i-столбцу; y_ξ – значение функции отклика в ξ-опыте.

Проверка значимости коэффициентов с помощью t-критерия Стьюдента показала, что коэффициенты b₁, b₁₂, b₁₃, b₂₃ признаны статистически незначимыми, поэтому соответствующие им члены полинома исключаются из уравнения математической модели процесса. Остальные коэффициенты имеют следующие значения: b₂ = – 13,59; b₃ = – 12,41; b₁₂₃ = – 3,31; b₀ = 288,4. Исключение члена полинома, соответствующего фактору х₁, означает, видимо, что этот фактор, а именно, усилие инструмента в выбранном интервале его значений не оказывает влияния на функцию отклика (прочность соединений). Влияние двух других факторов примерно равнозначно. Некоторое влияние оказывает взаимодействие трех факторов.

Таким образом, математическая модель с учетом значимости коэффициентов полинома имеет вид

Y = b₀+b₂x₂+b₃x₃+b₁₂₃x₁x₂x₃,

Y = 288,4 – 13,59x₂ – 12,41x₃ – 3,31x₁x₂x₃.

Теоретические значения прочности соединений для каждого опыта y_ςt, предсказываемые математической моделью, вычислены и представлены в табл. 6.12.

Проведена проверка адекватности математической модели результатам эксперимента. По известным формулам, вычислена дисперсия адекватности S²_ад = 21,45, которая не превышает дисперсию опыта S²{y} = 165, следовательно, можно сделать вывод о том, что полученная математическая модель адекватно представляет результаты эксперимента.

Полученная функция исследована на экстремум. Максимальное значение прочности соединений достигается при следующих значениях безразмерных факторов: х₁^опт = – 1; х₂^опт = – 1; х₃^опт = – 1. Следовательно, оптимальными параметрами процесса УЗС будут следующие значения: Q_опт = 250 сН; W_опт = 5,8 дел; τ_опт = 50 мс. Максимальная теоретическая прочность соединений при этих значениях параметров, предсказываемая математической моделью, составляет 317,71 сH.

Прочность соединений в значительной степени зависит от механических свойств проволоки в состоянии поставки. С целью стабилизации прочности и пластичности проволоки проводят ее отжиг перед сваркой. Перед проведением исследований проволоку отжигали в вакууме при Т=210±10 ºС в течение 7 мин. После отжига проволока имела следующие свойства: σ_т = 31-33 МПа, σ_в = 69-71 МПа и твердость в пределах 210-310 МПа.

Для экспериментальной оценки качества микросоединений Al-Ag на оптимальных режимах было разварено по 50 образцов. Деформация проволоки в зоне сварки определялась под микроскопом с точностью ±2 мкм. Анализ прочности соединений показал, что разрушение происходит, в основном, на участке перехода сварного соединения в проволоку.

На рис. 6.31 представлены гистограммы деформации алюминиевой проволоки и прочности соединений алюминиевой проволоки с серебряным покрытием, сформированных на оптимальных режимах УЗС. Из рис. 6.31 видно, что соединения Al-Ag имеют стабильную прочность в пределах 320-325 сН.

Для прогнозирования надежности СПП, имеющих соединение Al-Ag, необходим анализ данной контактной пары. Известно, что диаграмма состояния Al-Ag со стороны алюминия относится к эвтектическому типу. Растворимость серебра в твердом алюминии существенно зависит от температуры:

Температура, ºC	566	526	500	450	400	300	200	150
Растворимость, %	55,6	49,4	28,0	16,0	8,0	3,2	1,1	0,7

Увеличение содержания серебра приводит к повышению удельного электросопротивления сплава Al-Ag:

Содержание Ag, %	1,97	3,39	6,58	10,02	16,8
Удельное электросопротивление, мкОм·см	3,46	3,79	4,70	5,47	7,07

Рис. 6.31. Гистограммы распределения деформации алюминиевой проволоки (а) и прочности соединений алюминиевой проволоки с серебряным покрытием траверс корпусов (б)

 

Зависимость растворимости серебра в алюминии от температуры приводит к упрочнению сплавов Al-Ag при термической обработке (закалке и старении). В процессе закалки и старения твердость по Бринеллю у сплава с 8,7 % Ag увеличивается с 363 до 710 МПа и предел прочности со 120 до 210 МПа, а у сплава с 20 % Ag предел прочности повышается со 180 до 340 МПа. Повышение концентрации серебра в сплаве Al-Ag до 10 % повышает модуль упругости алюминия (каждый процент серебра на 527 МПа).