[发明专利]一种压力自适应超声波精密焊接方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于聚合物MEMS的组装技术领域，涉及一种压力自适应超声波精密焊接装置及其使用方法，应用于聚合物MEMS器件的组装及封接。

背景技术

随着聚合物材料在MEMS领域的应用，聚合物微功能器件的组装成为重要研究课题。传统的联接方法如热焊接、胶粘接等存在效率不高、强度低、长期稳定性差等缺陷；近年来得到研究的封接方法如红外焊接、激光焊接等存在着材料选择上的局限性。超声波焊接具有焊接强度高、效率高、局部受热、适用材料广泛等优点，可以克服其它技术与方法中存在的问题，解决聚合物微器件组装中的问题。

区别于普通器件的焊接，精密焊接的研究重点是由尺寸减小引起的焊接质量的差异，如熔接质量、熔化厚度、形状精度、表面张力等并不会对大尺寸零件焊接产生影响，但针对微器件的焊接，这些因素将直接决定联接的质量。虽然塑料超声波焊接技术在宏观领域的应用已较为成熟，但在MEMS领域的应用尚存在一定问题，如焊接过程中超声波振动将对微器件的定位精度、形状精度产生影响，甚至使微器件受到损坏。

目前，超声波焊接主要通过改变时间、压力、相对位移及超声波能量等参数来控制超声波焊接质量，文献【超声波塑料焊机的能量控制模式.杨士勤，焊接学报，1995，16(2)，118-123】设计了通过控制超声发生器输入到换能器的有效电功率来控制传递到焊接面的超声波能量；文献【压力可变的超声波塑料焊机，田修波，电焊机，1999，29(12)，14-17】提出了在焊接过程中使用变化的压力可以优化焊接质量。

精密焊接技术是针对具有微结构的小尺寸器件的精密联接，需解决由尺寸减小所带来的问题，保证微结构在焊接过程中不发生变形且不受到损坏，并能更加精确控制对小尺寸焊接面施加的超声波能量，过度或不足的焊接能量会使焊接质量明显下降。而由于待焊接面存在着微小的粗糙度差异将会引起摩擦系数、表面硬度及导热性能等参数的细微差异，对于小尺寸的微器件焊接会产生较大影响，使用传统的超声波焊接方法存在着焊接重复性差的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明专利以工作频率为60kHz的超声波振动系统和施压准确稳定及位移控制精确的直线运动单元为硬件基础，设计了基于压力自适应的超声波精密焊接方法，降低了在超声波振动下微器件受到损坏的可能，实现了微器件焊接过程中超声波能量的精确控制，并且可对不同器件分别施加适当的超声波能量，解决了焊接重复性问题。

本发明要解决的技术问题是提供一种压力自适应超声波精密焊接装置及其使用方法，该方法应用于微器件的超声波精密焊接，首先需保证精密焊接过程中微器件的结构不受到损坏，并且要精确控制微器件的联接精度，这就需实现焊接能量的精确控制；此外由于微器件的联接表面的表面性能存在着差异，因此本发明需解决由其引起的焊接重复性问题。

影响超声波焊接质量的因素主要包括超声频率、振幅、焊接压力、焊接时间、保压时间等。超声波的频率和振幅决定了焊接能量，振幅将直接影响联接精度，较大的振幅难以实现精度较高的联接层厚度，且容易对微结构造成损坏。降低振幅是提高超声波焊接精度的主要方法，但振幅的降低会引起焊接功率的降低，导致焊接能量不足，频率的提升将会提高超声波功率。因此，提高工作频率，降低振幅可提高超声波焊接系统的联接精度。

焊接压力是影响超声波焊接过程中界面产热的重要参数，针对微器件的超声波精密焊接需要能量较小，且需实现精确控制，因此焊接压力的微小变化将对微器件的焊接质量产生很大的影响。过大的焊接压力将限制超声波振动，使焊接界面完全没有润湿效果；而过小的焊接压力会导致焊接过程中器件的跳动，发生过度摩擦导致产热过度，焊接界面过度熔化坍塌，对微器件的尺寸精度有较大影响，并且过高的温度会使聚合物材料出现降解现象。因此，焊接压力能否精确控制将直接决定焊接能量能否精确控制。

精密焊接还存在表面特性差异带来的问题，由于微器件表面的摩擦系数、硬度、导热性能、粗糙度等存在着细微的差异，不同器件对焊接能量的需求也不相同，应用传统的焊接参数固定的方法进行焊接会导致焊接重复性问题，因此需要一种能量自适应的焊接方法来解决重复性差的问题，而焊接压力是决定焊接能量的重要因素，因此焊接压力的自适应控制可实现焊接能量的自适应，是解决焊接重复性问题的有效途径。

本发明解决技术问题采用的技术方案如下：

建立针对MEMS器件联接的超声波精密焊接装置，该装置包括超声发生器、超声换能器、步进电机、直线运动单元、调平机构、压力传感器、微位移传感器和数据采集卡。