A flip-chip bonding system using IR laser with a wavelength of 1064 nm was developed and associated process parameters were analyzed using Taguchi methods. An infrared laser beam is designed to transmit through a silicon chip and used for transferring laser energy directly to micro-bumps. This process has several advantages: minimized heat affect zone, fast bonding and good reliability in the microchip bonding interface. Approximately 50 % of the irradiated energy can be directly used for bonding the solder bumps with a few seconds of bonding time. A flip-chip with 120 solder bumps was used for this experiment and the composition of the solder bump was Sn3.0Ag0.5Cu. The main processing parameters for IR laser flip-chip bonding were laser power, scanning speed, a spot size and UBM thickness. Taguchi methods were applied for optimizing these four main processing parameters. The optimized bump shape and its shear force were modeled and the experimental results were compared with them. The analysis results indicate that the bump shape and its shear force are dominantly influenced by laser power and scanning speed over a laser spot size. In addition, various effects of processing parameters for IR laser flip-chip bonding are presented and discussed.
The effects of retained austenite and carbon content in the retained austenite on the tensile strength-elongation balance and spot weldability of TRIP high strength steel sheet have been investigated. The retained austenite of granular type increased with increasing intercritical annealing and austempering temperature, and film type was increased with the increase of austempering time. The volume fraction of retained austenite increased with decreasing intereritical annealing temperature, and the maximum value was obtained at austempering temperature of $400^{\circ}C$. The values of tensile strength-elongation balance increased with decreasing intercritical annealing temperature and maximum value was obtained at austempering temperature of $400^{\circ}C$. The maximum value of tensile strength-elongation balance was obtained at a retained austenite content of about 12%. Tensile shear strength of the specimens with retained austenite was higher than that of the normalizing specimens. With increasing welding current and time, the tensile shear strengh and nugget diameter increased, while nugget thickness showed the peak value and then decreased. The optimum range of welding condition at the given welding pressure of 350kgf was 7~11kA and 10~15 cycles.
Nowadays, several welding processes are generally used to join parts together, and the materials are generally steel, aluminum, copper, stainless steel, and other difficult-to-weld materials. If a proper welding process is chosen, it is helpful for welding parts. However, there is no desirable technique for appropriately deciding on the welding process in the industry. Therefore, an appropriate method of selecting a welding process is needed for the novice worker in the industry. In this sense, a new analytic network process (ANP) technique is used for effective decision making in welding. By considering several criteria in ANP, a selection method is suggested to decide on the proper welding process. In the study, several criteria were considered for the proper welding of parts. By considering a matrix of prior interdependence effects among various welding processes, a decision-making method based on an ANP is accomplished using a weighting matrix, which is supposed to select an appropriate welding process. In addition, for appropriate decision criteria of the welding process, several factors, such as material, shape, precision, economics, and equipment, are used to accomplish the ANP algorithm. Moreover, the final weighting matrix is calculated following its ANP strategy. Furthermore, this decision-making technique is applied to both stainless razor spot joining and thick steel pipe joining. The results show its reliability and practicality, and the novice engineer and manager can use this technique to determine the best welding process.
The laser welding in the automotive industries has been used widely for the butt joint of blank sheets rather than the lap joint of automotive body panels. But as a substitute far the spot welding of automotive body panels, the so called three dimensional laser welding will be important far the body panel engineers. Specially the laser welding of body panels with a smooth weld line is applied increasingly, for example, to the side panels. So far, some criteria of the laser weld quality was suggested by in-house regulations or national standards from experiences and/or rule of thumbs. In the manufacturing places, a go or no-go criterion is adopted because of the simplicity or a lack of rational criteria. It is true specially for the selection of the process parameters, which gives the basic causes for the good quality of laser welds. In this study, the effects of joint combination, gap and welding speed on the lap joint $CO_2$ laser welding of two mild steel sheets with different thicknesses are obtained through a $2{\times}3{\times}7$ factorial experiment. The results of the weld quality are statistically analysed using analysis of variance (ANOVA) and compared between two characteristic zones, which are separated by the type of sectional shapes and the level of input energy per volume. The thickness combinations are 0.8mm/1.2mm, 1.2mm/0.8mm of mild steel sheets. The welding speed covers from the deep penetration to the partial penetration. The gap size has three levels of no-gap, 0.16m, and 0.26mm. The bead width, penetration depth and input energy per volume are measured and used as the weld quality criteria.
The laser welding of the car body and components has been spread in the automotive industry. The Nd:YAG laser welding system could be used in 3D welding with robot. However, this system cannot efficiently reduce the welding cycle time according to various welding sequences because the robot's moving time is same that of the resistant spot welding system. But the remote welding system with high power $CO_2$ laser and scanner makes it possible welding cycle time much faster than the robot laser welding system. In the $CO_2$ laser remote welding system, laser beam can be rapidly transferred to a workpiece by moving mirrors of scanner system. So, it makes reducing the cycle time of welding process and shaping various welding patterns easily. Therefore, in this paper, the characteristic of weld strength according to patterns of weld bead on $CO_2$ laser welding was investigated. Also, the relationship between shape of weld bead and value of tensile load was studied. Finally, the optimum remote welding condition for car bumper was investigated.
Ultrasonic bonding is the novel packaging method for flip-chip with high yield and low-temperature bonding. The bonding module is a core part of the bonding machine, which can transfer the ultrasonic energy into the bonding spot. In this paper, we propose topology optimization technique which can make new design of boding modules due to the constraints on resonance frequency and mode shapes. The designed bonding module using topology optimization was fabricated in order to evaluate the bonding performance and reliable operation during the continuous bonding process. The actual production models based on the proposed design satisfied the target frequency range and ultrasonic power. The bonding test was performed using flip-chip with lead-free Sn-based bumps, the results confirmed that the bonding strength was sufficient with the designed bonding modules. Also the performance degradation of the bonding module was not observed after the 300-hour continuous process with bonding conditions.
Laser Transmission Joining (LTJ) of plastics is a process in which light of suitable wavelength is transmitted through a transparent substrate that is in contact with an absorbing one. In this paper, LTJ is investigated by preliminary experiments from the viewpoint of mechanical engineering. To understand transmitting characteristics of each polymer substrate, transmission rate, reflection rate and absorption coefficient of polymer are measured by using a laser power-meter. Characteristics of joining in the spot welding and seam welding are investigated by measuring the fracture load. Fracture load increases in accordance to the laser power and irradiation time. However, when the laser power is over 60W and irradiation time over 4seconds, fracture load decreases. This phenomenon is probably due to heat-softening of materials. Besides, cavities are generated at a joint by evaporation of water molecules, which can be suppressed by introduction of a gap between two substrates.
A numerical procedure is proposed as a mesh-size insensitive structural stress definition that gives a stress state at a weld toe with relatively large mesh size. The structural stress values obtained using different finite element types, i.e. shell element and solid element, are examined for typical weld structures. The calculation procedures are performed using the balanced nodal forces and moments obtained from finite element solutions. A consistent formulation based on work equivalent argument has been implemented to transform the balanced nodal forces and moments from shell to line force and line moments at each nodal position. The mesh-insensitivity, the effect of distance $\delta$(where the stress is calculated) and the potential limitations of the structural stress method are examined for various types of weldments. Based on the results from this study, it is expected to develop a more precise stress estimation technique for fatigue strength assessment of welded structures.
Robot path generation and laser welding technology for manufacturing automotive body are studied. Laser welding and industrial robot systems are used with the robot based laser welding system. The laser system used in this study is 1.6kW Fiber laser, while the robot system is 6 axes Industrial robot (payload: 130kg). The robot based laser welding system is equipped with laser scanner system for remote laser welding. The laser source, robot and laser scanner system are used to increase the processing speed and to improve the process efficiency. The welding joints of steel plate are butt and lapped joints. The quality test of the laser welding are through the observation the shape of bead on plate and cross-section of welding part. The 3 dimensional laser welding for non-linear pipe welding line is performed. This paper introduces the robot based laser welding system to resolve the limited welding speed and accuracy of the conventional spot welding system.
The laser welding was performed for the flange joint of two overlapped coaxial circular pipes which serve as the inlet and connector pipes of STS 316L. The laser welding test finally resulted in a good penetration depth of 1.8 to 2.0 mm. On the way to get the good welding quality, two important parameters were found to be optimized. One is the focal positioning which is the offset of the laser beam focus to the exact welding seam line, which is more critical in the inner flange laser welding. When the beam spot size was deviated more than $200\;{\mu}m$ from the seam line, welding of two pipes is failed. The other is a gap size since a certain amount of gap is inevitable due to fabrication tolerance, or artificial allowances for smooth insertion of a pipe. However, it is required to restrict the gap allowance within 0.2mm to avoid undesirable undercut on a welding bead.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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