DE1284261B

DE1284261B - Schweisseinrichtung, insbesondere fuer Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE1284261B
Application number: DET27283A
Authority: DE
Inventors: Johnson Clair Allen
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1963-10-28
Filing date: 1964-10-24
Publication date: 1968-11-28
Also published as: US3409977A; MY6900257A; GB1076526A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Ver- ohne besondere Hilfsmittel in ausreichender Weise schweißen zweier Teilstücke einer Halbleitervorrich- gegen das andere Teilstück gepreßt werden könnte, tung, insbesondere zum Anschweißen eines Leiter- Der Druckstempel kann an sich beliebig ausgebil-

drahts an ein leitendes Teilstück eines Transistor- det sein, er darf lediglich keine großen Wärmemengen kopfstücks, durch Anwendung von Druck und Wärme 5 von der Schweißstelle abführen. Er könnte also bei auf die beiden aneinanderliegenden Teilstücke. verhältnismäßig großer Auflagefläche aus einem

Es ist bekannt, Leitungsdrähte mit leitenden Teil-. Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit bestücken eines Transistors dadurch zu verschweißen, stehen, beispielsweise aus einem keramischen Werkdaß die gesamte Halbleiteranordnung sowie der Lei- stoff. Im Hinblick auf einen verhältnismäßig hohen terdraht erhitzt und gleichzeitig beide Teilstücke in io Anpreßdruck bei geringer Gesamtkraft ist es jedoch Berührung gehalten werden. Dieses bekannte Ver- besonders zweckmäßig, wenn der Druckstempel eine fahren hat den Nachteil, daß durch das Erhitzen der den Anpreßdruck ausübende Kante aufweist und insganzen Halbleiteranordnung Temperaturen erreicht besondere meißelartig ausgebildet ist. werden, bei denen die temperaturempfindlichen Bei der Düse ist zunächst einmal lediglich darauf

Halbleiter zerstört werden können, und wegen der 15 zu achten, daß sie einen möglichst kleinen Innenverhältnismäßig großen, zu erhitzenden Masse wird durchmesser aufweist; zu bevorzugen ist jedoch eine insbesondere dann zum Schweißen viel Zeit benötigt, insbesondere elektrisch beheizbare Hohlnadel als wenn wegen der Temperaturempfindlichkeit die Düse, da sie den Vorteil mit sich bringt, daß sie erst Temperaturen an den Grenzen der Halbleiteranord- in unmittelbarer Nähe des Druckstempels enden nung nicht wesentlich über der zu erreichenden End- ao kann, wodurch sich ein besonders scharf gebündelter temperatur liegen dürfen. Gasstrahl erzielen läßt.

Es ist auch bekannt, Kunststoffe mittels eines elek- An sich könnte nun mit einem entzündeten Gastrisch aufgeheizten Gasstrahls zu schweißen. Diese strahl gearbeitet werden; dies ist jedoch deshalb nicht Art der Kunststoffschweißung wird schon lange an- sonderlich zweckmäßig, weil damit die Gefahr von gewandt, jedoch hat sie sich auf das Gebiet der Fein- 25 Oberflächenveränderungen am zu schweißenden mechanik deshalb nicht übertragen lassen, weil alle Material hervorgerufen wird und außerdem die heibisher bekannten Gasstrahl-Schweißvorrichtungen ßen Gase nicht so genau gezielt auf die Schweißstelle für Kunststoffe manuell gehaltene Vorrichtungen mit gerichtet werden können, da im Bereich einer großen Gasstrahldurchmessern sind, wohingegen Flamme außerordentlich hohe Temperaturgradienten beim Schweißen an Halbleitervorrichtungen nur in so 30 auftreten. Nach einem weiteren Merkmal der Erfinkleinen Bereichen geschweißt wird, daß die bekann- dung wird deshalb empfohlen, Gas und Gastempeten Vorrichtungen schon wegen ihrer rein manuellen ratur so auszuwählen, daß die Gastemperatur über Handhabung und der damit notwendigerweise ver- der Verbundtemperatur der beiden Teilstücke, jebundenen unsicheren Halterung ausscheiden. Schließ- doch unter der Entflammungstemperatur des Gases lieh ist noch das sogenannte Kaltpreßschweißen be- 35 liegt.

kannt, das jedoch derart hohe Drücke erfordert, daß In der Zeichnung und in der Beschreibung sind

die zu verschweißenden Werkstoffe in den Bereich Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es ihrer Fließgrenzen geraten, was bei der Bearbeitung zeigt

von Halbleitervorrichtungen zu deren Zerstörung F i g. 1 ein System gemäß der Erfindung, um einen

führen würde. 40 Anschlußdraht mit einem Transistoranschlußstück zu

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, verbinden,

eine Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu Fig.2 das System gemäß Fig. 1, wobei jedoch

schaffen, mit deren Hilfe an Halbleitervorrichtungen der Anschlußdraht mit einem leitenden Streifen einer schnell und genau und insbesondere ohne Gefähr- Halbleiterplatte verbunden wird, dung der erwünschten Eigenschaften der Halbleiter 45 Fig. 3 eine Draufsicht auf die Baueinheit nach geschweißt werden kann. Diese Aufgabe wird gemäß F i g. 1 und 2,

der Erfindung dadurch gelöst, daß ein nur eine ge- F i g. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Ausführinge Wärmeableitung von der Schweißstelle bewir- rungsbeispiels der Verbundeinrichtung, kender Druckstempel zum Aneinanderpressen der F i g. 1 zeigt ein System zum Befestigen eines Leibeiden Teilstücke und eine einen scharf gebündelten, 50 terdrahtes 10, der von einer geeigneten Vorratsspule heißen Gasstrahl erzeugende Düse kleinen Innen- abgewickelt wird, auf einem Anschlußstift 11 eines durchmessers in einem Halter befestigt sind und daß Transistors. Der gleiche Leiterdraht wird später dann die Austrittsöffnungsachse der Düse unmittelbar auf einem leitenden Metallstreifen an der Oberfläche neben dem Druckstempel auf die beiden Teilstücke einer Halbleiterplatte 13 angebracht, die auf einem gerichtet ist. Der wesentliche Vorteil der erfindungs- 55 Kopfstück 12 angeordnet ist.

gemäßen Einrichtung besteht darin, daß nur sehr Die Platte 13 ist auf der oberen Fläche des Kopfkleine Flächen bzw. Volumina, die exakt angesteuert Stückes 12 angeordnet, und von diesem Kopfstück 12 werden können, aufgeheizt werden müssen, was in- aus erstrecken sich drei Anschlußdrähte 14,15 und folge des schneller zu bewerkstelligenden Aufheizens 16. Der Anschlußdraht 14 ist elektrisch mit dem Angroße produktionstechnische Vorteile mit sich bringt, 60 schlußstift 11 verbunden. Der Anschlußdraht 15 ist keine so hohen Temperaturen der Wärmequelle er- mit dem Kopfstück 12 und damit mit einer Zone der fordert und infolgedessen nicht die Gefahr der Zer- Platte 13 verbunden. Der Anschlußdraht 16 ist mit störung der Halbleiteranordnung durch zu hohe einem Anschlußstift 17 verbunden. Ferner ist eine Temperaturen mit sich bringt, und daß schließlich Drahtzuführvorrichtung 20 mit einem Drahtvorrat die Frage unerheblich ist, was für eine Eigensteifig- 65 vorgesehen, die ein kapillares Zuführrohr 21 und eine keit die beiden Teilstücke aufweisen, von denen das Klemmvorrichtung 22 hat, um so den Leiterdraht 10 eine beispielsweise ein äußerst dünner Draht sein richtig zu lagern und zu steuern, und zwar derart, daß kann, dessen Eigensteifigkeit zu gering ist, als daß er sein Ende sich anfangs über und oberhalb des An-

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schlußstiftes 11 erstreckt. Die Drahtzuführvorrich- Kanüle versehene Nadel 50. Die Nadel ist unter

tung ist in drei Koordinaten oberhalb der Platte 13 einem Winkel auf die Spitze des Meißels 25 zu gebewegbar, wie dies weiter unten noch näher erklärt richtet. Die Nadel 50 ist über ein Rohr 51 an eine

wird. Druckgasquelle 52 angeschlossen. Der Zustrom des

Ferner ist ein Meißel 25 mit einem Gewicht 26 an S Gases aus der Druckgasquelle 52 wird durch ein seinem oberen Ende senkrecht verschiebbar in einem Regelventil 53 gesteuert und geregelt. Das Gas strömt Arm 27 angeordnet. Der Arm 27 kann sich in senk- durch die Nadel 25 auf die Zone, an der der Draht rechter Richtung bewegen, um so den Meißel 25 10 in Berührung mit dem Oberteil des Stiftes 11 geunter der Steuerung einer Gruppe von zu einem halten wird.

Handgriff 30 führenden Hebeln anzuheben oder ab- io Eine Stromquelle 55 wird über einen Leiter 56 an

zusenken. Mit dem unteren Ende eines Steuerhebels ein Anschlußstück an der Basis der Nadel 50 an-

31 ist über ein Kugelgelenk ein Knopf 29 verbunden. geschlossen. Diese Vorrichtung ist ferner über einen

Das obere Ende des Steuerhebels 31 ist in einer Leiter 57 mit einem Anschlußstück in der Nähe der

Kugel-Pfannen-Lagerung 32 an einem festen Gestell- Spitze der Nadel 50 verbunden. Damit kann Strom

glied 33 fest angebracht. 15 durch die Nadel 50 fließen, um diese auf eine höhere

An einer Kugel-Pfannen-Lagerung 35 ist ein Temperatur anzuwärmen, deren Größe dadurch geschwingendes Nachlaufgestellglied 34 mit dem Steuer- steuert wird, daß die Temperatur der Nadel mit einem hebel 31 in der Nähe seines oberen Endes gekoppelt. Thermoelement erfühlt und dieser Zustand dann zur Damit kann der Knopf 29, der auf einer glatten Steuerung der Stromzufuhr verwendet wird. Wenn flachen Fläche 36 ruht, in der X- und Y-Richtung ao damit die Nadel 50 auf einer erhöhten Temperatur um erhebliche Beträge bewegt werden. Dabei folgt gehalten wird, so wird das durch die Nadel fließende das Gestellglied, und zwar entsprechend der Kugel Gas vor dem Auftreffen auf die Verbundzone er- und der Kugel-Pfannen-Lagerung 35 der Bewegung wärmt.

des Knopfes um proportional geringere Wege. Die Der Leiterdraht 10 ragt aus dem Ende des Zuführ-

Untersetzung hängt von den relativen Abständen zwi- 25 rohres 21 heraus und liegt über dem Anschlußstift

sehen den Kugel-Pfannen-Lagern 29 und 32 und den 11. Der Knopf 29 wird dann so betätigt, daß der

Kugel-Pfannen-Lagern 32 und 35 ab. Meißel 25 unmittelbar über dem Leiterdraht liegt.

Mit dem Nachlaufgestellglied 34 sind drei Gleit- Nunmehr wird der Handgriff 30 zum Absenken des elemente gekuppelt. Das erste oder F-Gleitelement Armes 27 heruntergedrückt. Das Gewicht des Mei-39 ist auf Kugeln 37 und 38 zur Lagerung an dem 30 ßels 25 ruht dann auf dem Leiterdraht 10. Der Strom festen Gestellglied 33 angeordnet. Das Gestellglied des erwärmten Gases erwärmt dann eine begrenzte 33 hat einen nach unten sich öffnenden Kanal mit Fläche, um so den Draht mit dem Oberteil des Anäußeren Flanschen, die die Laufflächen für die Ku- schlußstiftes 11 zu verbinden. Anschließend werden geln 37 und 38 bilden. Das Γ-Mittelgleitelement 39 der Knopf 29 und der Handgriff 30 betätigt, um den bewegt sich entlang der F-Achse gemäß Fig. 1. 35 Meißel25 vom Leiterdraht 10 abzuheben. In der Eine zweite Stange, und zwar das Z-Gleitelement 40 Praxis wird dann der Meißel etwas in der X-Richtung ist auf ähnliche Weise kugelgelagert, so daß der bewegt, um den Draht mit dem Stift 11 noch an einem Steuerhebel 31 sich nunmehr frei in der X- und zweiten und dritten Punkt zu verbinden. Die Betäti-Y-Richtung bewegen kann. Mit der senkrechten Seite gungsvorrichtung 28 wird nun betätigt, um den des Nachlaufgestellgliedes 34 ist ein Teilstück eines 40 Meißel 25 unmittelbar über einen leitenden Streifen dritten Gleitelementes 41 fest verbunden. an der oberen Stirnfläche der Platte 13 zu bringen,

Ein zweiter Teil dieses Gleitelementes 41 trägt den wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Bei Betätigung des Arm 27. Derjenige Teil, an dem der Arm 27 befestigt Knopfes 29 und des Handgriffes 30 in dieser Lage ist, ist an einem Gestänge, einschließlich der Hebel- wird der Meißel 25 auf den Leiterdraht 10 abgesenkt, arme 42 und 43, befestigt, die am Punkt 44 mitein- 45 um so diesen Draht 10 auf den Streifen, und zwar auf ander und ferner mit dem Hebelarm 45, der bei 46 die obere Strinfläche der Platte 13, zu drücken. Durch am Arm 43 angelenkt ist, verbunden sind. Das Ende den Zustrom von erwärmtem Gas wird nun der Leides Hebelarmes 45, das entgegengesetzt zum Punkt terdraht 10 mit dem Leiterstreifen verbunden. Die 46 angeordnet ist, ist mit dem Handgriff 30 ver- nicht dargestellte Zuführvorrichtung wird dann bebunden. Neben dem Punkt 44 ist ein Drehpunkt 47 50 wegt, wobei der Leiterdraht 10 festgeklemmt wird, angeordnet. Neben dem Anlenkpunkt 46 ist ein zwei- um nun diesen Draht neben der Verbundzone zum ter Drehpunkt 48. Durch Herunterdrücken und An- Abbrechen zu bringen. Wenn der Verbundvorgang heben des Handgriffes 30 kann nun das Gleitelement vollständig durchgeführt ist, wird die Betätigungs-41 betätigt werden, um so den Meißel 25 anzuheben vorrichtung 28 betätigt, um den Meißel 25 vom Lei- oder abzusenken. Eine Feder 49 hält normalerweise 55 terdraht 10 abzuheben,
den Meißel 25 in angehobener Stellung. Nunmehr wird der Träger 60 für das Kopfstück

Es sei darauf hingewiesen, daß ein spiegelbildliches 12 gedreht, um so die Stellungen der Stifte 11 und 17 System zum Betätigen des Armes 27 vorgesehen ist, zu vertauschen. Der vorher beschriebene Vorgang und zwar im Zusammenhang mit der Drahtzuführ- wird dann wiederholt, um einen zweiten Leiterdraht vorrichtung 20. Damit sind der Draht 10 und der 60 mit dem Anschlußstift 17 und einem zweiten Leiter-Meißel 25 innerhalb bestimmter Grenzen frei dreh- streifen auf der Platte 13 zu verbinden,
bar, so daß sie über dem Oberteil des Transistor- Wie in F i g. 3 dargestellt, befindet sich das Kopfkopfstückes schweben, und zwar, um so den Draht stück an der Verbundstation und wird entsprechend auf die anzuschweißende Stelle aufzubringen und um eingestellt, und zwar vor dem Verbund der Leiterden Meißel 25 über dem Draht anzuordnen. Durch 65 drähte, die von einer Spule 61 kommen. Ein Kopf-Ablassen drückt dann der Meißel 25 den Draht auf stück 62 ist mit bereits angebrachten Leiterdrähten die Verbundstelle. dargestellt, das von der Verbundstation wegbewegt

Der Arm 27 trägt eine lange, hohle, mit einer worden ist.

Fig.4 zeigt in größerem Maßstab und teilweise im Schnitt ein Ausführungsbeispiel des Systems. In diesem System ist der Meißel 25 verschiebbar in einem Halter 70 angeordnet, der ein unteres Lager 71 und ein oberes Lager 72 hat. Der Meißel erstreckt sich nach aufwärts oberhalb des Lagers 72 und ist mit einem zylindrischen Gewicht 73 und einem Zahnrad 74 versehen. Das Zahnrad 74 und das Gewicht 73 sind mit dem Meißel 25 durch eine Stellschraube 75 fest verbunden. Der Meißel 25 ist normalerweise von dem Zahnrad 74 getragen, das auf der oberen Fläche des Lagers 72 aufliegt. Die Lager 71 und 72 sind jeweils in den Enden des Halters 70 angeordnet. Der Halter 70 ist am Ende des Armes 27 gehalten.

Das Zahnrad 74 kämmt mit einem Zwischenrad 76, das auf einer nicht dargestellten Welle unmittelbar hinter dem Meißel 25 angeordnet ist und das durch ein drittes Rad angetrieben wird, das einen Teil einer Riemenscheibenvorrichtung 77 bildet.

Mit der Riemenscheibenvorrichtung 77 wirkt ein Riemen 78 zusammen, um so dem Zwischenrad 76 und damit auch dem Rad 77 eine Drehbewegung zu erteilen, und zwar zu dem Zweck, die Verjüngung des Meißels 25 richtig zu orientieren.

Das untere Ende des Meißels 25 ist angeschärft, so daß sich eine begrenzte Kontaktfläche an der Oberfläche des Leiterdrahtes 10 ergibt, wenn der letztere nach unten auf die Oberfläche des Anschlußstiftes 11 gepreßt wird. Die Nadel 50 ist in einem Halter angeordnet, der mit dem oberen Ende der Nadel einen elektrischen Kontakt hat. In der besonderen Konstruktion wird eine Klemmvorrichtung 78 auf die Nadel 50, beispielsweise durch die Schrauben 79 und 80, aufgeklemmt. Die Nadel 50 ist von der üblichen hypodermischen Art mit einem Basisstück 81 und einem Nippel 82, an dem das Rohr gemäß F i g. 1 befestigt werden kann. Die Klemmvorrichtung 78 ist in einem Halter 83 angeordnet, der mit dem Arm 27 durch Schrauben 84 und 85 fest verbunden ist. Der Halter 83 besteht aus Isoliermaterial und hat eine Öffnung, in die das untere Ende 86 der Klemmvorrichtung 78 paßt. Der Halter 83 trägt ein Paar von starren, länglichen Elektroden, von denen eine, nämlich die Elektrode 87, in F i g. 4 dargestellt ist.

Die Elektrode 87 ist an der unteren schrägen Kante des Halters 83 durch die Schrauben 88 befestigt. Die Elektrode 87 hat eine winkelförmige Nut, die sich von ihrer Spitze aus erstreckt, in die das untere Ende der Nadel eingepaßt ist. Mit Hilfe der Schrauben 88 werden die beiden Elektroden, einschließlich der Elektrode 87, auf der Nadel 50 festgeklemmt, so daß sich hier ein mechanischer Halt ergibt und ein elektrischer Kontakt aufrechterhalten wird. Die Stromquelle55 gemäß Fig. 1 kann dann mit der Klemmvorrichtung 78 und mit der Elektrode 87 verbunden werden, so daß nun ein Strom durch die ganze Länge entlang der Nadel 50 fließt und diese auf eine beträchtlich erhöhte Temperatur erwärmt wird.

Die Schrauben 84 und 85 sind in Löcher im Arm 27 eingeschraubt, die Bestandteile einer Vielzahl von Löchern 90,91 usw. bilden. Damit kann der Winkel, unter dem die Nadel 50 auf die Meißelspitze, den Draht 10 und den Anschlußstift 11 zu gerichtet wird, verändert werden.

Im Halter 83 ist an Stelle des Gewindeeinsatzes 92 ein Thermoelement angebracht, das in Berührung mit dem Schaft der Nadel zwischen der Elektrode 87 und der Klemmvorrichtung 78 ist. Wie in F i g. 1 dargestellt, erstrecken sich elektrische Leiter von diesem Thermoelement aus, um so die Höhe des Stromes durch die Nadel zu steuern, derart, daß die Temperatur im wesentlichen konstant gehalten wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß der erwärmte Gasstrom aus der Nadel 50 nicht nur auf den Leiterdraht und den Anschlußstift 11 auftritt, sondern daß er auch die Spitze des Meißels 25 derart erwärmt, daß ein geeigneter Verbund zwischen dem Leiterdraht 10 und dem Stift 11 erzielt werden kann. In der Praxis sind der Winkel, unter dem das Gas auf das Arbeitsstück auftrifft, der Abstand von der Spitze der Nadel bis zum Arbeitsstück, die Dimensionen des Meißels, die Gasströmungsgeschwindigkeit und die Nadeltemperaturen veränderlich und können für die optimalen Arbeitsbedingungen entsprechend eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Verschweißen zweier Teilstücke einer Halbleitervorrichtung, insbesondere zum Anschweißen eines Leiterdrahtes an ein leitendes Teilstück eines Transistorkopfstücks, durch Anwendung von Druck und Wärme auf die beiden aneinanderliegenden Teilstücke, dadurch gekennzeichnet, daß ein nur eine geringe Wärmeableitung von der Schweißstelle bewirkender Druckstempel (25) zum Aneinanderpressen der beiden Teilstücke (10, U) und eine einen scharf gebündelten, heißen Gasstrom erzeugende Düse (50) kleinen Innendurchmessers in einem Halter (27) befestigt sind und daß die Austrittsöffnungsachse der Düse (50) unmittelbar neben dem Druckstempel (25) auf die beiden Teilstücke (10,11) gerichtet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (25) eine den Anpreßdruck ausübende Kante aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (25) meißelartig ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine beheizbare Hohlnadel (50) als Düse.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckstempel (25) zusammen mit der Hohlnadel (50) in den drei Raumkoordinaten bewegbar ist.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (27) von Druckstempel (25) und Düse (50) im wesentlichen horizontal geführt ist und in seiner Arbeitsstellung mit seinem Eigengewicht auf den beiden Teilstücken ruht.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gastemperatur über der Verbundtemperatur der beiden Teilstücke (10,11), jedoch unter der Entflammungstemperatur des Gases liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen