[논문]초음파 금속 용착기를 이용한 Cu 박판의 용착성 실험

장호수; 박우열; 박동삼

초음파 금속 용착기를 이용한 Cu 박판의 용착성 실험
The Establishment of Bonding Conditions of Cu Using an Ultrasonic Metal Welder 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.20 no.5, 2011년, pp.570 - 575

장호수 (인천대학교 기계공학과 대학원) , 박우열 (인천대학교 기계공학과 대학원) , 박동삼 (인천대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasonic metal welder is consisted of power supply, transducer, booster, and horn. Precise designing is required since each parts' shape, length and mass can affect driving frequency and vibration mode. This paper analyzed Cu sheet deposition characteristics using ultrasonic metal welder and tension tester. A horn suitable for 40,000Hz was attached to the ultrasonic metal welder in order to weld Cu plates. The Cu sheet welding was done with different amplitude, pressure, and welding time, and its maximum tension was measured with tension tester. Maximum tension of 153.87N was obtained when the pressure was 2.0bar, amplitude was 80%, and welding time was 0.30s. Therefore, excessive welding condition negatively influences maximum tension measurement result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CU 소재의 박판을 초음파 금속 용착기를 이용하여 용착성 평가하기 위하여 유한요소 해석을 통하여 혼을 설계 및 제작 하였고, 초음파 금속 용착기와 인장 시험기를 이용해 용착성 평가를 수행하여 Cu 박판의 최적의 용착 조건을 찾고자 하였다.

제안 방법

(1) 40, (XX)Hz의 가진 주파수와 공진이 발생되는 고유진동수 40, 000Hz의 값을 얻기 위하여 혼의 길이 “L”을 봉의 진동방정식을 통하여 결정하였다.
(3) 혼을 제작하여 혼의 출력부인 팁 부분에 광센서를 사용하여 종방향 최대 변위치를 측정하였다. 그 결과 12.
Cu 박판의 초음파 금속 용착을 위해 40, 000Hz 혼을 설계 및 제작하여 검증하였다. 또한, Cu 박판의 용착성 평가를 위해 인장 시험기를 이용하여 최대 인장력을 측정하였으며, 이를 통해 Cu 박판의 초음파 금속 용착성 시험 및 초음파 금속 용 착의 접합 조건 연구의 결론을 다음과 같이 얻었다.
검증하였다. 또한, Cu 박판의 용착성 평가를 위해 인장 시험기를 이용하여 최대 인장력을 측정하였으며, 이를 통해 Cu 박판의 초음파 금속 용착성 시험 및 초음파 금속 용 착의 접합 조건 연구의 결론을 다음과 같이 얻었다.
본 연구에서는 최적의 용착조건을 찾기 위해 진폭 40%일때의 압력 1.5, 2.0bar의 조건과 진폭 60%일 때 압력 1.5, 2.0bar, 80%일 때 1.5, 2.0bar로 변수를 지정하였으며, 각 조건마다 Cu 박판의 용착 시간에 따른 용착성을 알아보기 위해 0.04sT).34s 의 용착변수로 각각 10개의 시편을 용착하였으며, 인장 시험기를 이용하여 최대 인장력 시험을 수행하였다.
설계된 혼의 검증을 위하여 티타늄 합금 소재를 이용하여 혼을 제작하였으며, 광센서 (Optical sensor)를 이용하여 혼의 진폭을 측정하였다. Table 2는 광센서의 주요 사양을 나타내었다.
설계한 혼을 ANSYS To이을 이용하여 Modal 해석과 Harmonic Response 해석을 수행하였다. Fig.
의 민감도(Sensitivity)에 따라 진폭값을 얻고 Origin Tool을 이용하여 FFT 분석을 하였다. 그 결과 40, 000Hz에서 RMS 진폭 값이 약 8.

대상 데이터

그중에서 본 연구에서는 티타늄 합금을 사용하였다.
초음파 금속 용착기의 용착성 실험을 수행하는 소재로는 각종 전자 부품의 단자부에 많이 사용되는 Cu 소재를 사용 하였으며, Fig.9에서 나타낸 것과 같이 양면 모두 50mmxl0mm xO.lmm로 제작하였으며, 용착부는 각 소재의 가로 10mm, 폭 10mm 부분을 포개어 용착시험을 수행하였다.

데이터처리

Cu 박판을 Fig. 9와 같은 크기로 제작하여 초음파 금속 용착 기를 이용하여 Table 5의 조건으로 각 조건마다 10개씩의 시편을 용착하여 인장시험기로 최대 인장력 값을 측정하였으며, 각 조건 10개의 결과를 최대, 최소값을 뺀후 평균값을 계산하여 결과를 도출하였다’

성능/효과

(2) 혼의 형상변수 “b”를 정수배만큼 변화를 주어 Modal 해석을 수행하였고, 그 결과 39, 956Hz의 고유 진동수를 얻을 수 있었으며, Harmonic 해석을 통하여 39, 933Hz의 고유진동수를 얻었다.
(4) Cu 박판의 초음파 금속 용착 조건중 압력 2.0bar, 진폭 80%, 용착시간 0.30s의 조건에서 최대 인장력 153.87N의결과를 얻을 수 있었다.
(5) 압력 2.0bar 40, 60, 80%의 진폭의 조건에서 용착시간 0.30s부터 최대 인장력 결과값이 하락하는데 이는 과도한 용착 조건에서는 인장력에 악영향을 미친다는것을 알 수 있었다.
(6) 압력 2.0bar 진폭 40, 60%조건의 최대 인장력 측정 결과값에서 0.04s~Q18s의 용착시간을 갖는 용착조건에서는 비슷한 결과값이 나오는걸 알 수 있었는데, 압력, 진폭, 용착 시간 이 세가지 조건을 충족하지 못하였기에 나오는 결과값으로 과도한 용착 조건에서는 인장력에 오히려 악영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
0bar일때 진폭 40, 60, 80%의 초음파금속 용착 조건에서 인장력 측정 결과 값을 나타낸 것으로, 진폭변화에 따른 최대 인장력이 비례하여 높아짐을 알 수 있었다. 0.30s의 용착시간을 갖는 최대 인장력의 결과값부터는 오히려 인장력이 하락하는걸 볼 수 있는데 이는 과도한 용착 조건에서는 오히려 인장력에 악영향을 미친다는것을 알 수 있었다,
FFT 분석을 하였다. 그 결과 40, 000Hz에서 RMS 진폭 값이 약 8.6㎛이다. Fig.
본 연구에서는 Cu의 최적 용착조건을 찾기 위해 압력l, 5bar, 2.0bar의 조건에 진폭 40, 60, 80%의 조건으로 실험을 진행하였으며, 최대 인장력은 압력 2.0bar, 진폭 80%, 용착 시간 0.30s의 조건에서 153.87N을 보였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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Furukawa, R., 2002, "High Pin-count Ultrasonic Flip-chip Bonding and Plasma Cleaning Technology," Proceedings of 9th Annual KGD Workshop, Napa, California.
Jung, J. P., 2008, "Ultrasonic Bonding of Electronic Parts," The Korean Welding and Joining Society autumn conference, pp. 7-9.
Kim, H. T., 2004, "Joining of Aluminum Alloys to Dissimilar Metals by Ultrasonic Soldering," ReSeat monitering Information analysis report, pp. 1-6.
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Rao, S. S., 2004, Mechanical Vibrations 4th Edition, Korea, pp. 623-624.

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