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超声波金属焊接机原理与应用

超声波焊是利用超声波频率(超过16kHz)的机械振动能量,连接同种或异种金属、半导体、塑料及金属陶瓷等的特殊焊接方法。

    金属超声波焊接时,既不向工件输送电流,也不向工件引入高温热源,只是在静压力下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变能及随后不限的温升。接头间的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的。因而是一种固态焊接。
    一、超声波焊的种类
    常见的金属超声波焊可分为点焊、环焊、缝焊及线焊。
    1.点焊
    点焊机的振动系统可根据上声极振动状况分为纵向振动(轻型结构)系统、弯 曲振动(重型结构)系统以及介于二者的轻型弯曲振动系统等几种。轻型结构用于功率小于500W的小型点焊机。重型结构适用于千瓦级大功率焊机。轻型弯曲振 动系统则适用于中小功率焊机,它兼不两振动系统的诸多优点。
    2.环焊
    用环焊方法可以一次形成封闭形焊缝,采用的是扭转振动系统。焊接时焊盘扭 转,振动的振幅相对于声极轴线呈对称线性分布,轴心区振幅为零,焊盘边缘振幅最大。显然环焊最适用于微电子器件的封装工艺。有时环焊也用于对气密要求特别 高的直线焊缝场合,这时候可以采用部分重叠环焊方法,形同缝焊以获得连续地直线焊缝。由于环焊的面积较大,需要较大的功率输入,因此常常采用多换能器驱动 方式。
    3.缝焊
    缝焊机的振动系统按其焊盘的振动状态可分为;a)纵向振动系统;b)弯曲振动系统;c)扭转振动系统等几类。
    其中a)及b)两种较为常用。其焊盘的振动方向与焊接方向垂直。而c)的振动方向则与焊接方向平行。
     缝焊可以获得密封的连续焊缝。通常工件被夹持在上、下焊盘之间。在特殊情况下可采用平板式下声极。
    4.线焊
    线焊可以看成是点焊方法的一种延伸。现在已经可以通过线状上声极上次获得150mm长的线状焊缝。这种方法最适用于箔片的线状封口。
    二、优缺点及其应用范围
    1)可适用于多种组合材料的焊接,很少有其它焊接方法具有如此广泛的可焊的材料组合范围。
    2)由于是一种固相焊接方法,因而不会对半导体等材料引起高温污染及损伤。微电子器件中,半导体硅片金属细丝(Au、Ag、Al、Pt、Ta)的精密焊接是超声波焊接方法最重要,最成功的一个应用领域。
    3)容易焊接高热导率及高电导率的材料。金、银、铜、铝等材料在电阻点焊中是比较难焊的,但是在使用超声波焊接时,这些金属成为最容易焊接的几种材料。
    4)与电阻点焊相比较,耗用功率仅为电阻点焊的5%左右。焊件变形小于3-5%。焊点强度及强度稳定性平均提高约15-20%。
    5)对工件表面的清洁度要求不高,允许少量的氧化膜及油污等存在。甚至可以焊接带漆及聚合物薄膜的金属。根据这一特点,近年来发展了先胶后点焊的超声波胶点焊方法。
    金属超声波焊的一个主要缺点是焊接需用功率随工件厚度及硬度的提高呈指数剧增,因而只限用于丝,箔,片等薄件。此外,虽然近年来已发明了超声波对焊方法,但绝大多数情况下超声波焊只适用于搭接接头。
[来源:原创] [作者:guosheng] [日期:16-04-02]
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