DE1752679A1 - Verbinden von Werkstuecken mit Hilfe eines nachgiebigen Stoffes - Google Patents

Verbinden von Werkstuecken mit Hilfe eines nachgiebigen Stoffes

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DE1752679A1 DE19681752679 DE1752679A DE1752679A1 DE 1752679 A1 DE1752679 A1 DE 1752679A1 DE 19681752679 DE19681752679 DE 19681752679 DE 1752679 A DE1752679 A DE 1752679A DE 1752679 A1 DE1752679 A1 DE 1752679A1
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Description

Western Electric Company Incorporated A. Coucoulas
New York, N.Y. 10007 U.S.A. * "
Verbinden von Werkstücken mit Hilfe eines nachgiebigen Stoffes.
Die Erfindung betrifft das Verbinden von Werkstücken.
Die Erfindung wird anhand der Verbindung von Schaltelementen beschrieben, z.B. von Strahlenleitertransistoren integrierten Schaltkreiseinrichtungen oder spröden Kristalleinrichtungen mit gedruckten Schaltungen, Dünnfilmschaltungen oder integrierten Schaltungen, da dies ein Gebiet ist, bei dem die Erfindung von großem Nutzen ist, doch ist sie selbstverständlich auch auf das Verbinden anderer Arten von Werkstücken anwendbar.
Die Verbindung von Halbleiter- oder anderen sehr kleinen Schaltelementen mit gedruckten Schaltungsplattinen und dünnen Filmen auf Λ Unterlagen bietet zahlreiche Schwierigkeiten, insbesondere die Schwierigkeit da eine Beschädigung des Schaltelementes vermieden wird, das wie im Fall des Halbleiterkristalls sehr spröde sein kann, oder wie im Fall eines Feindrahtleiters verformt oder bis zum Bruchpunkt kalt gehärtet werden kann. Eine Beschädigung der Unterlage kann ebenfalls auftreten, da Unterlagen für integrierte Schaltungen und gedruckte Schaltungen spröde sein können.
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Zwei zur Zeit im Gebrauch befindliche bekannte Verfahren sind die Ultraschallyerbindung und die Thje£mokompressionsverbindung. Bei der erstgenannten wird die Unterlage auf einem Ambos festgeklemmt, der Leiter darauf gelegt und die verbindende Spitze des Ultraschallhorns verwendet, um den Leiter in seiner Lage festzuklemmen. Eine kurze Zuführung von mechanischer Energie in Form von Ultraschall-Schwingungen parallel zur Unterlagenoberfläche stellt die Verbindung her. Die wischende Bewegung der Oberfläche des Leiters auf der Oberfläche der Unterlage bricht Filme auf der Unterlage auf, um freiwerdende Verbindungsflächen zu liefern. Die durch Reibung an der Zwischenfläche erzeugte Wärme ergibt zusammen mit der frei gewordenen Oberfläche eine richtige metallurgische Verbindung. Bei dem zweiten Verfahren wird eine Kombination von thermischer und mechanischer Energie in Form von Wärme und Druck, die z.B. durch einen erhitzten Stempel zugeführt werden, verwendet, um die Verbindung herzustellen. Das benutzte Verfahren gleicht der Ultraschallverbindung, abgesehen davon, daß der erhitzte Stempel anstelle einer Ultraschallverbindungsspitze verwendet wird, um die Energie auf die Werkstücke zu übertragen.
Diese Verfahren der Verbindung können zwei wesentliche Fehler zur Folge haben. Der erste besteht darin, daß die Verbindung verhältnismäßig leicht auseinandergezogen werden kann, so daß eine nachfol-
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gende Beanspruchung der Verbindung zu ihrem Bruch führt. Der zweite Fehler besteht darin, daß eins oder beide der verbundenen Gebiete so stark verformt werden, daß sie ernsthaft geschwächt werden derart, daß eine Beanspruchung einen Bruch des einen oder des anderen der verbundenen Teile zur Folge hat.
Diese Fehler treten insbesondere bei der gleichzeitigen Herstellung von mehreren Verbindungen auf, so daß eine derartige gleichzeitige Verbindung wirtschaftlich nicht erfolgreich ist. Wenn auch der Bau eines erhitzten Stempels oder einer Ultraschallverbindungsspitze möglich ist, die groß genug sind, um mehrere Verbindungen herzustellen, verhindern jedoch Änderungen der Größe des Leiterdrahtes oder dessen kugelförmiger Spitze, daß derartige Einrichtungen jeden Leiter zuverlässig mit der Unterlage verbinden. Wenn 10 Leiter auf einer Unterlage angeordnet werden und 8 dieser Leiter genau die gleiche Größe haben, aber zwei um 10 bis 20% kleiner sind, stellt ein flacher Stempel oder eine flache Verbindungs spitze nur 8 Verbindungen her. Wenn ausreichend Druck angewendet wird, um alle 10 Leiter zu berühren, werden 8 von diesen Leitern so stark verformt, daß eine schwache Verbindung entsteht. Ferner können die Leiter genau gleiche Größe haben, doch kann die Dicke der metallischen Grundflächen auf den Unterlagen verschieden sein, die Dicke der Unterlage kann verschieden sein oder die Verbindungs spitze kann
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abgenutzt oder schlecht austretend sein und zwar so weit, daß verhindert wird, daß die Energiequelle (der Stempel oder die Ultraschallverbindungsspitze) eine energieübertragende Kopplung mit jedem Leiter herstellt. Somit besteht das Problem nicht darin an sich Leiter gleichzeitig zu verbinden, sondern vielmehr darin, jedesmal jeden Leiter in einer Gruppe gleichzeitig zuverlässig zu verbinden.
A Es sind Versuche durchgeführt worden, um die gleichen Verfahren,
nämlich das Ultraschall- und das Thermokompressionsverfahren, doch hauptsächlich das letztgenannte auf die Verbindung von Strahlenleitereinrichtungen mit Unterlagen anzuwenden. Hierbei entsteht die gleiche Art von Problemen, jedoch in wesentlich größerem Ausmaß. Da die Leiter klein sind, kann sehr leicht eine zu große Verformung in einer Verbindung entstehen. Außerdem hat die gleichzeitige Anwendung von Druck bei allen Leitern einer derartigen Einrichtung an ihren äußeren
^ Enden die Tendenz zu bewirken, daß sich die inneren Enden der Leiter
und die Einrichtung selbst von der Unterlage weg nach oben bewegt, so daß die Einrichtung stark beansprucht wird, was zu Rissen geänderten elektrischen Eigenschaften oder zu Verbindungsausfällen führen kann. Die letzteren können sofort oder später auftreten.
Zum Beispiel kann eine einfache Strahlenleitereinrichtung 12 oder 16 Leiter von jeweils 0, 013 χ 0, 0012 cm haben. Offenbar beträgt die engste Toleranz, die für die Dicke einer plattierten Silicium-Scheibe
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zu erreichen ist, + O, 0005 cm, Wenn dies auf eine sehr enge Toleranz absolut betrachtet ist, so beträgt sie doch + 40% der gewünschten Leiterdicke. Selbst wenn die Verbindungsspitze vollkommen flach und vollkommen ausgerichtet ist, eine Tatsache die nicht immer zutrifft, so ist es doch gut möglich, daß sie nicht gleichzeitig mit sämtlichen Leitern gekoppelt ist, so daß die Verbindung unvollständig wird.
Wenn auch Verfahren zur Prüfung des Vorhandenseins einer Verbin- ™
dung bestehen, d. h. eine elektrische Prüfung, so ist doch das einzig zuverlässige Verfahren zur Feststellung der Stärke einer Verbindung eine mechanische Prüfung auf Versagen, d.h. der bekannte Scherschäl-Test. Es gibt kein qualitatives nicht-zerstörendes Verfahren zur Abschätzung der Festigkeit der Verbindung.
Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verbindungsverfahren zu schaffen, das das Verhältnis der erzielten guten Verbindungen vergrößert und λ
das auch benutzt werden kann, um gleichzeitige Verbindungen herzustellen.
Erfindungsgemäß besteht ein Verfahren zur Verbindung von Werkstücken, bei dem die Werkstücke in dem gewünschten Verbindungs gebiet zwischen einem Untersatz und einem Verbindungsstoff zusammengehalten werden und bei dem ausreichend Verbindungs energie entweder durch mechanische Mittel oder durch eine Kombination von
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mechanischen oder thermischen Mitteln zugeführt wird, um die Verbindung zu bewirken, daß ein nachgiebiger Verbindungsstoff verwendet wird.
Während ein nachgiebiger Stoff leicht oder schwer zu verformen ist, überträgt er Druck während er Energie absorbiert. Wenn also ein Gewicht von 450 kg auf einem Stahlkubus von 2, 54 cm angeordnet wird, der auf einem festen Untersatz ruht, so wird der Stahl sehr
2 wenig verformt und der Druck auf dem Untersatz beträgt 9 kg/cm Wenn der Kubus anstatt aus Stahl aus hartem Gummi hergestellt wird, wird die Verformung größer sein, jedoch wird der Druck auf den
2
Untersatz noch 7 kg je cm betragen. Die Verformungsenergie wird in jedem Fall durch die Strecke dargestellt, die sich das Gewicht bewegt. Wenn das Gewicht den Gummi auf eine Höhe von z.B. 1, 9 cm zusammendrückt, beträgt die Verformungsenergie (2,54-1, 9) χ 1/100 + 0, 288 kg-Meter. Die potentielle Energie, die durch den Druck von
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7 kg/cm auf den Untersatz dargestellt wird, ist noch verfügbar, um Arbeit zu leisten. Ein anderes Verfahren zur Durchführung der Druckübertragung mit Absorption von Energie besteht darin, einen verhältnismäßig starren Körper zu verwenden, der elastisch aufgebaut ist, so daß die Kombination ein nachgiebigeres Teil bildet, obwohl der Körper nicht leicht verformt werden kann.
Wenn ein zweites Stück aus verformbarem Material zwischen den
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festen Untersatz und den Hartgummikubus gelegt wird, entsteht eine relative Verformung beider Unterlagen. Wenn das zweite Material ebenfalls ein Kubus aus Hartgummi ist, wird natürlich die Verformung beider Stücke gleich sein. Die Verteilung der Verformung zwischen zwei ungleichen Materialien kann aus der Spannungs-Pormänderungskurve jedes Materials bestimmt werden. Das heißt, bei einer gewissen Spannung kann die Formänderung jedes Materials leicht aus der Kurve abgelesen werden. Dies ist nicht durch die Punkte auf der Kurve begrenzt, wo die Art der Verformung sich von elastischer zu plastischer Verformung ändert (d.h. die elastische Grenze). Wenn somit ein Kubus aus dem Material A auf einem Kubus aus dem Material B ruht, der seinerseits auf einem festen Untersatz ruht, und wenn ein Gewicht auf den Kubus A gelegt wird, so kann die Verformung beider Kuben elastisch oder plastisch sein, oder es kann sich ein Kubus elastisch verformen, während der andere plastisch verformt wird. In jedem Fall kann das Verhalten der jeweiligen Materialien aus der Spannungs-Formänderungskurve ersehen werden.
Aus dem oben gesagten ist offensichtlich klar, daß unter dem Einfluß von Druck (d.h. mechanischer Energie) allein ein nachgiebiges (oder verformbares) Material ein anderes verformbares Material verformen kann.
Die obige Schilderung betraf nur zwei Kuben derselben Größe. Wenn -
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an Stelle des Kubus aus dem Material B zwei Stangen mit einem Abstand verwendet werden, so ist der Druck auf jede Stange derselbe Druck, der auf den Kubus A ausgeübt wird. Jedoch wird die Verformung des Materials A wesentlich anders sein. Bei zwei gleichen Kuben haben beide Materialien die Tendenz flacher zu werden, d. h. an den Seiten auszubauchen, wo sie nicht begrenzt sind, doch hat der Kubus A der auf den beiden Stangen ruht, die Tendenz sich nach unten zwischen oder um die Stangen zu verformen. Wenn nun an Stelle des Kubus A ein runder Stab auf die beiden Stangen gelegt wird, ändert sich die Situation der Spannung und Formenänderung radikal. Das Ber ühr ungs gebiet zwischen dem Stab und den beiden Stangen ist sehr klein, so daß der Druck (für dasselbe angewandte Gewicht) sehr groß sein muß. Hierdurch wird eine entsprechende Vergrößerung der Formänderung (Verformung) beider Materialien bewirkt. Mit anderen Worten, die Spannung an der Oberfläche und nicht die gesamte zugeführte Kraft bestimmt die Verformung beider Materialien. Somit kann durch Änderung der geometrischen Form der beiden Materialien eine verhältnismäßig kleine Kraft eine verhältnismäßig große Verformung bewirken.
Die Art und Größe der. Verformung wird ferner radikal durch die Zuführung von thermischer Energie beeinflußt. Dies ist ebenfalls aus der Spannungs-Formänderungskurve der gewählten Materialien bei der
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jeweiligen Temperatur vorhersagbar.
Insgesamt können die folgenden Faktoren benutzt werden, um die relative Verformung zwischen den beiden Körpern zu regeln: 1.) Wahl der Materialien; 2.) gesamte zugeführte mechanische Energie; 3.) geometrische Form der Stücke; und 4.) Zuführung von Wärme.
Um die obige Diskussion eines verformbaren Stoffes zu erläutern, sei angenommen, daß eine 16-Leiter-Strahleneinrichtung (Goldleiter) mit den goldenen Grundflächen auf einer Unterlage unter Verwendung eines Stempeldrucks von 13, 6 kg bei 400 C verbunden werden soll. Die Leiter sind das Material B, die Grundgebiete sind der feste Untersatz und das Material A ist das Material, das hier als der nachgiebige Stoff bezeichnet wird, der auch verformbar ist. Um einen geeigneten nachgiebigen Stoff zu wählen, ist die Spannungs-Formänderungskurve von Gold bei 400 C vorzugsweise doppelt logarithmisch aufgetragen, %
wobei die Fließgrenze auf der Ordinate liegt und die Neigung der Kurve der Kalthärte-Index ist. Aus dieser Darstellung kann die Spannung bestimmt werden, die notwendig ist, um jeden Verformungsgrad des Goldes zu erreichen. Wenn eine 50%-Verformung des Leiters gewünscht wird, wird die Spannung gewählt, um sie zu erreichen. Wenn der nachgiebige Stoff doppelt so dick wie der Leiter ist, wird er nur 25% bei der Verformung des Leiters um 50% verformt, somit ist
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jedes Material mit einer Spannungs-Formänderungskurve, die sich um 25% bei der gewählten Spannung verformt, ein geeigneter Stoff. In diesem Fall ist Aluminium 2024 ein befriedigenderer Stoff. Wenn ein Stoff gewählt ist, wird die geometrische Form betrachtet. Die Unterlage ruht auf einem Ambos, die Einrichtung wird auf diesen gelegt und der nachgiebige Aluminiumrahmen, der nur dieLeiter bedeckt, dar aufgelegt. Der erhitzte Stempel wird unter einer Belastung von 13, 6 kg (absolut) herunter geführt. Der Druck an der Zwischenfläche Stempel-Aluminium ergibt sich zu etwa 140 kg/cm . Dies liegt jenseits der Fließgrenze dieser Legierung bei 400 C. Jedoch ist der
Druck an der Zwischenfläche Aluminium-Leiter, die eine viel kleinere
2 Fläche ist, mehr als 7000 kg/cm , nämlich oberhalb der Fließgrenze beider Metalle, so daß eine Verformung stattfindet. Wenn sich das Aluminium um die Leiter verformt hat, und die Unterlage berührt (wie eingehend unten beschrieben wird), vergrößert sich die Kontaktfläche (und der Druck nimmt ab), bis sie gleich der Fläche, der Zwischenfläche Stempel-Aluminium ist, d. h. der Druck fällt auf etwa
2 140 kg/cm ab, so daß die Verformung aufhört.
Bei der Verbindung von Leitern mit Unterlagen durch herkömmliche Thermokompression oder durch Ultraschallverfahren war es notwendig, daß der Leiter im wesentlichen zur Unterlage hin verformt wird, um eine gute Verbindung zu erzielen, obwohl eine Verformung an sich
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nicht notwendigerweise bedeutet, daß eine gute Verbindung hergestellt wurde. Durch Verwendung eines verformbaren nachgiebigen Stoffes kann jedoch die plastische Verformung nach der Herstellung der Verbindung so klein sein, daß sie im wesentlichen unsichtbar ist. Dies kann durch die Ultraschallverbindung von Scheibchen erläutert werden, die von Einkristall-Siliciumscheiben oder anderen spröden Kristallen abgeschnitten sind. Jede Verformung derartiger Materialien, die durch Verbindungsverfahren bisheriger Art erzeugt wird, ergibt einen ^
Bruch, Sie verformen sich nicht, wenigstens nicht im üblichen Sinn des Wortes, dennoch werden sie erfolgreich mit Unterlagen unter Verwendung eines verformbaren nachgiebigen Stoffes mit Wärme und Ultraschallenergie verbunden. Die gesamte Verformung lsi offenbar auf die plattierte Oberfläche an der Unterlage begrenzt. In gleicher Weise können Strahlenleitereinrichtungen mit Unterlagen ohne wesentliche sichtbare Verformung verbunden werden.
Bei einer ersten Ausführung der Erfindung werden die beiden Werkstücke auf einen tragenden Ambos oder einen Tisch gelegt, wobei der nachgiebige Stoff über das gewünschte Verbindungsgebiet angeordnet wird. Bei dieser Ausführung werden verformbare Metalle mit zähen haftenden Oxydoberflächenfilmen als nachgiebiger Stoff bevorzugt, wobei die Thermokompression die bevorzugte Art der Verbindung ist. Jede nicht-feuchtende Oberfläche sollte jedoch zufriedenstellend ar-
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beiten. Es wird ein erhitzter Stempel verwendet, um den nachgiebigen Stoff zu verformen und gleichzeitig die Verbindung zwischen den Werkstücken herzustellen. Der Oxydfilm verhindert, daß sich der nachgiebige Stoff mit einem der Werkstücke verbindet; (es ist hier angenommen, daß alle Verbindungsoberflächen frei von Oberflächenfilmen oder Verunreinigungen sind). Wenn auch ein erhitzter Stempel die normale Art der Zuführung von Wärme und Druck bei der Thermokompressionverbindung darstellt, so kann selbstverständlich die Wärme auch auf verschiedene andere Weise zugeführt werden: Es kann ein heißes Gas am Verbindungsgebiet vorbeistreichen, der Ambos kann erhitzt werden oder es kann Widerstandserwärmung verwendet werden.
Ein überraschender Aspekt dieser Ausführung der Erfindung besteht darin, daß in den plastisch verformten nachgiebigen Stoff nach der Verbindung ein vollkommenes Abbild des Verbindungsgebietes eingedrückt ist, das benutzt werden kann, um die Tatsache festzustellen, daß eine Verbindung hergestellt wurde. Man hat festgestellt, daß bei Herstellung einer guten Verbindung dieses Abbild jede Einzelheit der Verbindung zeigt, sogar einschließlich Oberflächenfehler, wenn die Verbindung jedoch schlecht ist, ist auch das Abbild schlecht und hat , ein ganz anderes Aussehen. Weiterhin kann der nachgiebige Stoff als Leiterrahmen ausgebildet werden, <jer eine oder eine große Anzahl
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von Einrichtungen in einer Weise hält, die die Anordnung beider Bauteile auf der Unterlage erleichtert. Die Verwendung eines nachgiebigen, plastisch verformbaren Stoffes ist ferner sehr erwünscht zur Herstellung zuverlässiger Verbindungen bei der Massenproduktion. Die Einrichtungen z.B. integrierte Strahlenleiter-Schaltkreise werden wenige Zentimeter voneinander entfernt auf einem Aluminiumband als nachgiebiger Stoff angebracht. Bei kleinen (d.h. 3-Leiter) Ein- ™
richtungen kann die Befestigung mit dem Band durch ein Klebemittel erfolgen. Bei weiteren Einrichtungen, die jetzt verfügbar sind, ist es vorztxziehen, in dem Band Löcher oder Fenster vorzusehen, die groß genug sind, um den Körper der Einrichtung festzuhalten. Das Aluminium ist mit Anzeigemitteln, z.B. Randmarkierungen oder Löchern versehen, wobei die Einrichtungen auf dem Band zu diesen genau ausgerichtet werden. Die Unterlage wird unter dem Stempel angeordnet, das Band wird in seine Lage gebracht und die Verbindung Λ
hergestellt. Dann wird eine neue Unterlage unter den Stempel gebracht (dies kann automatisch erfolgen), das Band wird um einen Abstand fortbewegt und die nächste Verbindung hergestellt. Die Ausrichtung des Stempels, die Abnutzung der Stempeloberfläche und Materialverluste auf der Stempelspitze sind keine Probleme mehr, weil zur Herstellung der Verbindung ein "frischer" nachgiebiger Stoff verwendet wird. Das "benutzte" Band zeigt ein Abbild jeder Verbindung für Prüfzwecke.
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Es können auch Verbindungen hergestellt werden, indem Ultraschallenergie über einen plastisch verformbaren, nachgiebigen Stoff zugeführt wird, wobei dieses Verfahren bei der Verbindung von spröden Scheibchen aus Silicium oder dergleichen mit Unterlagen vorzuziehen ist (die hier verwendeten Ausdrücke "Ultraschallenergie" oder "Ultraschallvibrationsenergie" sollen Vibrationsenergie von im wesentlichen jeder Frequenz von etwa 60 Hz bis zum Kilohertz-Bereich beinhalten). Beide größeren Flächen des Scheibchens sind normalerweise metallisiert und plattiert, bevor es von der Scheibe abgeschnitten wird. Die Unterlage wird auf einem Ambos angeordnet, das Scheibchen daraufgelegt und darauf ein nachgiebiger Stoff, typischerweise ein Aluminium stück, das mehrere mal dicker als das Scheibchen ist, angebracht. Dann wird für einen Bruchteil einer Sekunde Wärme zugeführt und daraufhin werden sowohl Wärme als auch Ultraschallenergie für einen weiteren Bruchteil einer Sekunde zugeführt. Die Wärme erweicht das Aluminium etwas, wobei sich das Aluminium bei Zuführung der Ultraschallenergie um das Scheibchen verformt, wiederum nur etwas, jedoch ausreichend, um eine energieübertragende Kopplung mit dem Scheibchen herzustellen. Innerhalb weit weniger als einer Sekunde ist das Scheibchen mit der Unterlage verbunden. Es wurden auch Verbindungen mit Ultraschallenergie unter Verwendung von Polytetrafluorethylen (bekannt unter der Handelsmarke Teflon) als nachgiebiger Stoff zwischen dem Werkstück und der Verbindungsspitze hergestellt.
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Bei einer anderen Ausführung der Erfindung werden die Werkstücke wiederum auf einem Ambos oder einem Tisch angeordnet, jedoch ist in diesem Fall der Tisch selbst in der Lage, Ultraschallvibrationen parallel zu der Oberfläche auszuführen. Auf das Verbindungsgebiet wird ein nachgiebiger Stoff aufgebracht, um die Werkstücke zusammenzuklemmen, wobei Ultraschallenergie verwendet wird, um die Verbindung herzustellen. Über den nachgiebigen Stoff kann vorteilhafter weise dem Verbindungsgebiet Wärme zugeführt werden, so daß die ™
A'jtiii'fc dei- zur Herstellung der Verbindung erforderlichen Ultraschallviiergie herabgesetzt wird.
Bei dieser Ausführung verformt sich der nachgiebige Stofi vorzugsweise elastisch, wobei er am Boden eines Kolbens befestigt wird Er kann ein organisches Material, z.B. ein Silicongummi sein, andererseits kann er die Form einer Vielzahl von federbelastenden Stiften annehmen, ehe in einer Leere angeordnet sind, wobei die Lage jedes Stiftes -
einem einzelnen Verbindungsgebiet entspricht. Die Verwendung einer derartigen Leere ist hauptsächlich bei der Verbindung von verhältnismäßig großen Einrichtungen von Nutzen.
INI achfolgend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen;
Fig. IA und IB Seiten- und Endansichten, die sämtliche Teile in
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der richtigen Lage für die Verbindung eines Leiters mit einer Unterlage durch Thermokompressionsverbindung
entsprechend der Erfindung darstellen Fig. 2A und 2B die den Fig. IA und IB gleichen, sämtliche Teile während der Thermokompressionsverbindung entsprechend
der Erfindung;
Fig. 3A und 3B die den Fig. 1 und 2 gleichen, zeigen sämtliche Teile,
nachdem die Thermokompressionsverbindung beendet ist; Fig. 4 eine Seitenansicht einer Strahlenleiter einrichtung, die auf einer Unterlage angeordnet ist;
Fig. 5 die der Fig. 4 gleicht, den nachgiebigen Stoff in seiner Lage; Fig. 6 eine Seitenansicht der Anordnung der Fig. 5 während der
Thermokompressionsverbindung entsprechend der Erfindung; Fig. 7 eine Seitenansicht der Einrichtung der Fig. 4 nach der Ver-
bindung;
Fig. 8 eine Seitenansicht, die eine Strahlenleitereinrichtung auf einer Unterlage darstellt, bereit zur Ultraschallverbindung
entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung; Fig. 9 eine Seitenansicht der Anordnung der Fig. 10 während der
Ultraschallverbindung;
Fig. 10 eine Seitenansicht, die sämtliche Teile in ihrer Lage für die Ultraschallverbindung einer Vielzahl von Kugeldraht leitern mit einer Unterlage entsprechend einer weiteren Ausführung der Erfindung darstellt;
Fig. Ii eine Seitenansicht, die die Anordnung der Pig. IO während der Ultraschallverbindung darstellt;
Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines Leiterrahmens für eine Strahlenleitereinrichtung oder für Strahlenleitereinrichtungen zur Verwendung bei der Thermokompressionsverbindung entsprechend der Erfindung;
Fig. 13 eine Seitenansicht einer Leere zur Verwendung bei der %
Ultraschallverbindung entsprechend der Erfindung;
Fig. 14 eine Aufsicht der Leere, die in Fig. 13 dargestellt ist;
Fig. 15 einen Querschnitt einer anderen Ausführung der Leere der Fig. 13 und 14;
Fig. 16 einen Aufriß teilweise im Schnitt, der sämtliche Teile in ihrer Lage für die Verbindung eines Einkristallsiliciumscheibchens mit einer Unterlage entsprechend der Erfindung darstellt; |
Fig. 17 die der Fig. 16 gleicht, dieselben Teile während der Verbindung; und
Fig. 18 eine teilweise perspektivische Ansicht einer Maschine, die in der Lage ist, entweder Thermokompressions- oder Ultraschallverbindungen entsprechend der Erfindung herzustellen.
Die Fig. 1 bis Ii zeigen die Verbindung eines einzelnen Leiters mit
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einer Unterlage mit Hilfe der ersten Ausführung der Erfindung. Eine isolierende Unterlage 10 mit einer metallischen Grundfläche 12 auf der Oberfläche wird auf einen festen Untersatz (nicht dargestellt) gebracht. Auf der Grundfläche 12 wird an dem gewünschten Verbindungspunkt ein Leiter 14 aufgelegt. Zur Erläuterung soll die Unterlage 10 aus einer Aluminiumoxydkeramik bestehen, während die Grundfläche 12 und der Leiter 14 Gold sind. Der nachgiebige Stoff hat die Form eines Drahtes 16 aus einem filmbildenden Metall wie Aluminium. Ein erhitzter Stempel 18 klemmt zunächst die Werkstücke an den Untersatz, wobei nach Anwendung von Druck der Draht 16 und der Leiter sich zu verformen beginnen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Insbesondere wird die Berührungslinie 20 zwischen den beiden Stücken eine Berührungszone 22 und es erscheinen die Ausbauchungen 24 an den nicht begrenzten Seiten des Leiters 14. Gleichzeitig verformt sich der Draht 16 um den Leiter 14. Wenn die Verbindung hergestellt ist, haben sich die anfänglichen Ausbauchungen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, zu dem Gebiet 26 verformt, während sich der Draht 16 so verformt hat, daß er das gesamte Verbindungsgebiet auf seinen Werkstücken bedeckt. Das Fließen des Leitermetalls im Gebiet 26 zum Grundmetall 12 trägt zur Güte der Verbindung bei.
Wenn die Verbindung hergestellt ist, wird der Stempel 18 hochgehoben und der Draht 16 entfernt. Das Vorhandensein der Verbindung kann
durch Prüfen des Eindrucks im Draht 16 untersucht werden, der ein genaues Abbild des Verbindungsgebietes darstellt. Dies ist selbstverständlich dem zerstörenden Scherschäl-Test vorzuziehen.
Der Draht 16 wird wegen des zähen Oxydfilms auf seiner Oberfläche nicht selbst mit den Werkstücken verbunden. Da filmbildende Metalle (z.B. Aluminium, Nickel, Titan und Tantal) stets derartige Oxydfilme aufweisen und deren Dicke leicht durch Anodisierung geregelt % werden kann, sind sie bei dieser Ausführung als nachgiebiger Stoff vorzuziehen. Es können auch andere Materialien verwendet werden. Ferner können Trennmaterialien benutzt werden, um eine Verbindung des Stoffes mit dem Werkstück zu verhindern, doch werden selbstverständlich Trennmaterialien vermieden, wenn sie Verunreinigungsprobleme ergeben können.
Da Gold ein verhältnismäßig weiches Metall ist im Vergleich zu Aluminium, könnte man erwarten, daß der Draht 16 stark verformt oder durch den Leiter 14 zerschnitten wird, doch ist dies nicht der Fall. Es wurden erfolfreiche Verbindungen von Goldleiiern unter Verwendung von Nickel als nachgiebiger Stoff hergestellt, das noch härter als Aluminium ist.
Das obige Verbindungsverfaliren ergibt weniger unbefriedigende Verbindungen als die herkömmlichen Ultraschall- oder Thermokompres1·
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sionsverfahren und die einzelnen Verbindungen sind von überlegener Güte, wie Scherschäl-Teste zeigen.
Nachfolgend wird eine mögliche Erklärung für diese Überlegenheit gegeben. Man könnte meinen, daß in jedem besonderen Fall und bei Annahme einer konstanten Verbindungszeit ein Bereich der gesamten Verbindungsenergie vorhanden ist, die eine gute Verbindung ergibt, A wobei diese Energie zwischen mechanischer und thermischer Energie
in irgendeiner Weise aufgeteilt werden kann. Wenn eine unzureichende Gesamtverbindungsenergie zugeführt wird, härtet der Leiter nicht zufriedenstellend an der Unterlage und kann abgezogen werden. Wenn zuviel Verbindungsenergie zugeführt wird, wird der Leiter beschädigt und bricht beim Abziehen.
Bei der Verbindung mit einem nachgiebigen Stoff entsprechend der obigen Ausführung wird die obere Grenze der gesamten Verbindungsenergie, die eine gute Verbindung ergibt, wesentlich heraufgesetzt, da sich der nachgiebige Stoff und nicht das Werkstück verformt, wodurch das Risiko zu großer Verformung des Leiters herabgesetzt wird. Der tatsächliche Mechanismus der Verbindung an der Zwischenfläche wird ohne Rücksicht auf die Art der verwendeten Verbindung als Diffusion angenommen. Die Diffusion ist ein zeit- und temperaturabhängiger Prozeß. Bei der Verbindung mit einem nachgiebigen Stoff kann eine etwas längere Verbindungszeit benutzt werden, so daß eine
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größere Diffusion an der Zwischenfläche möglich wird, wodurch eine festere und bessere Verbindung entsteht. Die gleichen Betrachtungen gelten für Ultraschallverbindungen, wie auch für Thermokompressionsverfahren, doch ist der Mechanismus bei der Herstellung ganz verschieden. Zum Beispiel wird bei der Ultraschallverbindung Wärme sowohl durch innere als auch durch äußere Reibung und Hysterese erzeugt zusätzlich zu den verwendeten äußeren Quellen.
Pig. 4 bis 7 erläutern die Verbindung einer Strahlenleitereinrichtung mit integrierten Schaltkreisen mit einer Unterlage entsprechend der ersten Ausführung der Erfindung. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, besteht die Einrichtung aus einem Siliciumscheibchen 28, von dem die Goldleiter 30 ausgehen. Es ruht auf einer Unterlage 32, wobei unter jedem Leiter metallische Grundgebiete (nicht dargestellt) vorhanden sind.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, wird auf die Leiter 3 0 und um die Ein- Λ
richtung 28 eine hohle Vorform oder ein Leiterrahmen 34 angeordnet. Die Vorform 34 erstreckt sich im wesentlichen über den oberen Teil der Einrichtung 28, so daß während der Verbindung der heiße Stempel nicht auf die Einrichtung 28 drückt.
Die Verbindung ist in Fig. fi dargestellt. Ein heißer Stempel 36 wird auf die Anordnung heruntergedrückt, wobei eine Verformung der Vorform 34 und der Leiter 30 in der gleichen Weise bewirkt wird, wie es
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oben anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Es sei bemerkt, daß die Vorform 34 sich in genauer Übereinstimmung mit den Leitern verformt, auch wenn diese einen sehr kleinen Abstand haben. Fig. 7 zeigt die verbundene Einrichtung nach der Entfernung der Vorform.
Das Ausmaß der Verformung der Leiter während der Verbindung ist offensichtlich eine Funktion der geometrischen Form des nachgiebigen Stoffes und der physikalischen Eigenschaften der Materialien, und zwar mehr als irgend etwas sonst. Die Fig. 1 bis 3 und 4 bis 7 zeigen zwei Formen eines nachgiebigen Stoffes und zwei etwas verschiedene Leiter-Verformungen. Wenn der nachgiebige Stoff eine Scheibe ist, die im wesentlichen den ganzen Leiter senkrecht zur Einrichtung bedeckt, werden die Verbindungen mit geringer oder nicht sichtbarer Verformung des Leiters hergestellt. Bei der Verbindung von einfachen Strahlenleitereinrichtungen wird eine feste Scheibe des nachgiebigen Stoffes, die die gesamte Einrichtung und die Leiter bedeckt, verwendet, wenn die Einrichtung fest genug ist. Der Stempeldruck wird überall zugeführt, der Stoff verformt sich um die Einrichtung und die Leiter und stellt gute Verbindungen her. Die Verbindung der Einrichtung ist offensichtlich unmöglich, da die Einrichtung und die Leiter den gleichen Kräften unterworfen werden.
Das Obige kann durch ein besonderes Beispiel der Verbindung einer 1Q9829/Q4ig
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Strahlenleiter einrichtung mit 16 Leitern mit den Au/Ti-Grundflächen auf einer Glasunterlage erläutert werden. Der nachgiebige Stoff war Aluminium 2024 mit einer Dicke von 0, 013 cm mit einem eingestanzten quadratischen Loch von 0,1359 cm. Die Einrichtung wurde auf die Unterlage aufgebracht und das Aluminium dar aufgelegt, wobei das Loch gerade über den Körper der Einrichtung paßte. Der Stempel war aus rostfreiem Stahl mit einer flachen Inconel-Spitze, die durch einen 150 Watt Patronenheizer erhitzt würde. Die Verbindung wurde 1, 5 Sekunden lang mit einem Gesamtspempeldruck von etwa 22 kg (1, 36 kg je Leiter) bei einer Temperatur von 400 C ausgeführt. Die seitliche Verformung der Strahlenleiter infolge der Verbindung betrug weniger als 10 %. Nach der Verbindung konnte die Einrichtung mit
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Druckluft von 25 kg/cm nicht losgesprengt werden. Wenn eine scharfe Sonde benutzt wurde, um die Einrichtung von der Unterlage abzuscheren, brachen sämtliche 18 Leiter ab und blieben mit der Unterlage verbunden.
Im allgemeinen wurde festgestellt, daß erfolgreiche Thermokompressionsverbindungen mit Hilfe des Verfahrens der Erfindung bei Temperaturen im Bereich von 350 C bis 500 C Verbindungszeiten von 1 bis 5 Sekunden und Stempeldrücken von 13, 5 bis 22, 7 kg hergestellt werden können. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß alle diese Parameter relativ sind£>ei niedrigeren Temperaturen sind z.B. län-
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gere Zeiten besser und umgekehrt.
Die Fig. 8 bis 11 zeigen die Verbindung entsprechend einer zweiten Ausführung der Erfindung. Bei dieser Ausführung ist ein Untersatz oder Tisch 38 vorgesehen, der zur Vibration parallel zur oberen Fläche mit einem Ultraschallhorn verbunden ist. Es ist zweckmäßig eine leichte Ausnehmung 40 in der oberen Fläche des Untersatzes 38 vorzusehen, die mit der Größe der Unterlage übereinstimmt, mit der die Leiter verbunden werden sollen. In dieser Ausnehmung wird eine Unterlage 42 gelegt und wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, eine Strahlenleitereinrichtung 44 darauf gelegt. Ein Kolben oder eine Klemme 46 weist eine Spitze 48 auf, die aus einem elastisch verformbaren Material besteht und die in der Lage ist, sich um eine Einrichtung zu verformen und alle Leiter ohne Rücksicht auf Größendifferenzen sicher an der Unterlage 42 festzuklemmen. Der Kolben 46 kann hydraulisch durch Nocken durch eine Spule betätigt werden, oder es kann ein anderes geeignetes Mittel verwendet werden.
Die Ultraschallenergie wird zugeführt und bewirkt, daß der Untersatz 38 in der Richtung vibriert, wie durch den Pfeil in Fig. 9 angegeben ist, d.h. parallel zur Oberfläche. Die Verbindung wird in der herkömmlichen Weise mit Ultraschall hergestellt.
Es wurde bereits angegeben, daß während der Ultraschallverbindung
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vorteilhafterweise Wärme zugeführt werden kann, mit dem Vorteil, daß eine Kalthärtung der Leiter verhindert wird. Die Zuführung der Wärme über eine herkömmliche Ultraschallverbindungsspitze ergibt jedoch Probleme insofern, als die Schalleigenschaften der Spitze zum Teil temperaturabhängig sind. Dies Problem wird bei der vorliegenden Erfindung vermieden, weil die Wärme über den Kolben 46 und den nachgiebigen Stoff 48 zugeführt werden kann.
Die Verbindung von zwei Kugeldrahtleitern mit den Grundflächen auf einer Unterlage entsprechend der zweiten Ausführung der Erfindung, ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Die Unterlage 42 weist zwei leitende Grundflächen 50 und zwei Kugelleiter 52 auf, die auf sie gelegt sind. Es sei bemerkt, daß die Größe der Leiter 52 wesentlich verschieden ist. In diesem Fall werden an Stelle des nachgiebigen Teils 48 einzelne nachgiebige federbelastete Kolben 54 verwendet, wobei sich jeder Kolben 54 einem Leiter anpaßt und ihn fest an der Λ
Unterlage festklemmt. Die Verbindung wird in der gleichen Weise ausgeführt, wie sie oben im Zusammenhang mit den Fig. 8 und 9 beschrieben wurde, wobei die Wärme vorteilhafterweise über die Kolben 54 zugeführt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ausführung der Fig. 10 und 11 (und die unten anhand der Fig. 13 und 14 beschriebene Einrichtung) nur für die Verbindung von Drahtleitern oder verhältnismäßig großen Einrichtungen geeignet ist, und daß sie
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nicht zur Verbindung von sehr kleinen Strahlenleitereinrichtungen oder integrierten Schaltkreiseinrichtungen benutzt werden kann. Weiter hat sie nicht den Vorteil ein Abbild der Verbindung zu erzeugen.
Fig. 12 erläutert die Verwendung eines nachgiebigen Stoffes, insbesondere eines filmbildenden Metalls als Leiterrahmen für eine oder mehrere diskrete Strahlenleitereinrichtungen. Es wird ein rechteckiger Rahmen 56 mit einer Öffnung 58 vorgesehen, in die die Einrichtung 60 durch den Boden eingebracht wird, wobei die Leiter 62 der, Einrichtung 60 durch Verwendung eines Klebemittels leicht an der Unterseite des Rahmens 56 angeheftet werden. Andererseits kann die Öffnung 58 eine solche Größe haben, daß der Körper 60 eng in sie hineinpaßt und durch Reibung festgehalten wird. Auf der Außenseite des Rahmens 56 sind Anzeigemarken 64 vorgesehen, die mit entsprechenden Marken auf der Unterlage übereinstimmen, an der die Einrichtung befestigt werden soll. Ähnliche Marken (nicht dargestellt) auf der Unterseite des Rahmens 56 erleichtern die genaue Anordnung der Einrichtung innerhalb des Rahmens. Auf diese Weise wird die richtige Übereinstimmung jedes Leiters mit der entsprechenden Grundfläche auf der Unterlage beträchtlich vereinfacht. Die gestrichelten Linien 65 zeigen, wie der Rahmen 56 als Teil eines sehr viel größeren Rahmens ausgebildet werden kann, der eine Vieleahl von Einrichtungen 60 festhält. Wie oben bemerkt wurde, kann der Leiterrahmen die Form eines
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langen Bandes, aus dem nachgiebigen Stoff annehmen. Auch kann die Übereinstimmung mit optischen Einrichtungen hergestellt werden, indem im Band oder Leiterrahmen kleine Löcher vorgesehen werden.
Die Fig. 13 und 14 sind eine Seitenansicht und eine Aufsicht einer Leere, um die Einrichtung 60 (Fig. 12) zur Verbindung entsprechend der in den Fig. 10 und 11 dargestellten Ausführung, festzuklemmen. Eine Platte 66 ist mit den Löchern 68 versehen zur Befestigung in genauer (|
Übereinstimmung mit Stiften auf einer Verbindungsmaschine. Es ist eine Reihe von Löchern 70 vorgesehen, deren Anzahl gleich der Anzahl der Leiter an der zu verbindenden Einrichtung ist, und die einen solchen Abstand haben, daß sie mit den Leitern übereinstimmen. Ein Stift 72 mit einem Anlagekeil 74 nahe dem einen Ende und einem Bund 76 nahe dem anderen Ende wird in jedes Loch 70 gebracht, wobei eine Feder 78 zwischen dem Bund 76 und der Unterseite der Platte 76 teilweise zusammengedrückt wird und der Anlagekeil 74 dazu dient, g
jeden Stift 72 in seiner Lage zu halten.
Die Platte 66 wird in einer senkrecht beweglichen Spannvorrichtung in einer Verbindungsmaschine angeordnet. Wenn die Einrichtung 60 auf eine geeignete Unterlage auf dem Untersatz angeordnet ist, wird die Befestigung (Spannvorrichtung) nach unten bewegt. Die Spitzen der Stifte 72 kommen mit den einzelnen Leitern in Eingriff. Wenn
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die Spannvorrichtung noch mehr nach unten gebracht wird, werden die Federn 78 weiter zusammengedrückt und üben über die Stifte 72 eine klemmende Kraft aus, die ausreicht, um eine Verbindung nach dem Zuführen von Wärme und/oder Ultraschallenergie herzustellen. Die kleine Größe der Stifte 72 kann das Zuführen von Wärme unmittelbar über die Stifte verhindern, in welchem Fall ein heißes Gas an den Verbindungsgebieten vorbeistreichen kann, oder ein anderes Mittel verwendet werden kann.
Fig. 15 zeigt eine Leere, die zur Herstellung einer Verbindung einer Strahlenleiter einrichtung entsprechend der in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführung von Nutzen ist. Eine Platte 80 weist ein Loch zur Anbringung auf der Verbindungsmaschine auf. Ein nachgiebiger Stoff 84 wird dauernd mit der Unterseite der Platte um eine zentrale öffnung 86 herum befestigt. Die öffnung 86 ist nur zur visuellen Prüfung der Übereinstimmung der Unterlage der Einrichtung und des Stoffes 84 vorgesehen. Der nachgiebige Stoff 84 ist vorzugsweise ein elastisch verformbares Material, wie Silicongummi oder derhleichen. Die Verbindung wird in der gleichen Weise ausgeführt, wie sie oben beschrieben wurde. Es sei bemerkt, daß Leeren wie sie in den Fig. 13 bis 15 dargestellt sind, mit jeder gewünschten Form zur Verbindung von Einrichtungen, Drahtleitern und dergleichen mit Unterlagen unterschiedlicher Größen hergestellt werden können.
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Die Pig. 16 und 17 zeigen die bevorzugte Ausführung der Erfindung zur Verbindung von spröden Scheibchen, die von Einkristallscheiben abgeschnitten sind, mit einer Unterlage. Diese Figuren erläutern die Verbindung eines Siliciumscheibchens mit einem Kupferbolzen zur Verwendung als Leistungsgleichrichter.
Ein Ambos 88 weist ein Loch 90 auf, in das ein Kupferbolzen 92 eng hineinpaßt. Der Kopfteil des Bolzens 92 ruht auf der Oberfläche des Ambos. Der Bolzen 92 besteht gewöhnlich aus Kupfer, um als Wärme senke zu wirken, da Silicium und Kupfer verschiedene thermische Ausdehungseigenschaften haben, ist es notwendig eine geeignete Vorform 93 an seiner Oberfläche zu befestigen. Die Vorform 93 kann aus Molybden, Wolfram, einem silber-getränkten Wolframteil oder dergleichen bestehen. Der Zweck der Vorform besteht darin, die thermische Beanspruchung des Kupfers zu absorbieren und zu verhindern, daß das aktive Element reißt. Sie ist gewöhnlich an den Kupfer bolz en 92 hart angelötet. Auf der Vorform 93 ist eine Siliciumscheibe 94 angeordnet. Die Scheibe 94 muß auf ihrer unteren Seite metallisiert und plattiert sein, doch ist dies auch für äie Lötung oder Hartlötung notwendig. Der nachgiebige Stoff 95, der wiederum aus einem !'Umbildenden Metall wie Aluminium bestellen kann, wird auf die Siliciumseheibe 94 gelegt und die Verbindungsspitze 96 darauf gebracht und nach unten bewegt, um die Anordnung in ihrer Lage
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festzuklemmen. Es ist nicht notwendig zu erwähnen, daß nur ein sehr leichter Klemmdruck verwendet wird. Wärme und Ultraschallenergie werden für den Bruchteil einer Sekunde zugeführt, wobei die Verbindungsspitze in der Richtung vibriert, die durch den Pfeil in Fig. 17 dargestellt ist. Wie ebenfalls aus Fig. 17 zu ersehen ist, verformt sich der nachgiebige Stoff 95 um die Scheibe 94, wobei das kurze Zuführen der Verbindungsenergie ausreicht, die Scheibe 94 mit der Vorform 93 ohne Verformung oder Reißen der Scheibe zu verbinden. Selbstverständlich ändert sich die gesamt zugeführte Verbindungsenergie mit der Größe der Scheibe und den beteiligten Materialien.
Als weiteres Beispiel dieser Ausführung der Erfindung wurde eine Galliumarsenid-Laser-Flächendiode mit Gold auf beiden Seiten metallisiert und mit einer Au/Ti plattierten Unterlage verbunden. Das Scheibchen, das etwa 0, 025 cm im Quadrat maß, war weniger als 0, 013 cm dick. Das Scheibchen wurde auf die Oberfläche einer Unterlage gelegt und darauf ein Stück aus einem Aluminium hoher Reinheit mit einer Dicke von 0, 038 cm angeordnet. Über die Anordnung wurde eine Ultraschallverbindungsspitze gebracht, wobei etwa 0, 7 kg Klemmdruck verwendet wurde. Die Wärme die über die Verbindungsspitze zugeführt wurde, wurde eingeschaltet und eine Sekunde später die Ultraschallenergie mit einem Wert von 1 Watt eines 40 KIIz-Generators 0, 5 Sekunden lang zugeführt. Die genaue Temperatur, die das
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Aluminium oder das Scheibchen erreichte, konnte nicht gemessen werden, doch erreichte die Verbindungsspitze 315 C. Das Vorhandensein einer richtigen Verbindung wurde bestätigt, indem das Scheibchen in einen Kreis über das Gold auf der Unterlage und den oberen Plattenkontakt eingeschaltet wurde. Das Scheibchen wirkte als Laser diode und emittierte Licht.
Fig. 18 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer Verbin- A
dungsmaschine, die dazu bestimmt ist, Verbindungen nach den meisten Ausführungen der Erfindung herzustellen. Selbstverständlich können Maschinen für kommerzielle Zwecke gebaut werden, die für eine bestimmte Ausführung und nicht für alle Ausführungen zu verwenden sind.
In Fig. 18 bestehen das Grundteil 100 und das hintere Teil 102 aus einem Stück und bilden zusammen den Untersatz für die Maschine. Ein allgemein U-förmiger Arm 104 (nur teilweise dargestellt) erstreckt sich vom hinteren Teil 102 nach außen und trägt ein geeignetes binokulares Mikroskop (nicht dargestellt), das der Bedienungsmann bei der Anordnung der verschiedenen Teile verwendet. Auf dem Grundteil 100 befindet sich ein fester Tisch 106, auf dem eine Platte 108 ruht, die mit einem Ultraschallhorn 110 gekoppelt ist, das die Platte 108 in der waagerechten Ebene vibrieren läßt. Die Ultraschallenergie-
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quelle ist herkömmlich und nicht dargestellt. Auf die Platte 108 ist mit Hilfe von vier Schrauben 114 eine zweite Platte 112 geschraubt. Die Platte 112 ist auf der oberen Oberfläche mit einer zentralen Ausnehmung 116 versehen, die so eingerichtet ist, daß sie eine spezielle Unterlage aufnimmt und festhält. Der Grund für das Vorsehen der getrennten Platte 112 besteht darin, daß verschieden große Unterlagen oder Schaltungsplattinen leicht einzusetzen sind.
An dem hinteren Teil 102 ist zentral ein senkrechtes Teil 118 angeordnet. Dies ist vorgesehen, um die senkrecht beweglichen Teile der Maschine aufzunehmen. Das Teil 118 besitzt eine Zahnstange 120 auf seiner vorderen senkrechten Fläche, die mit einem Ritzel oder mit Ritzeln (nicht dargestellt) auf den senkrecht beweglichen Teilen in Eingriff kommt, und zwar in der gleichen Weise, wie der Zylinder eines Mikroskops in seinem Rahmen aufwärts und abwärts bewegt wird,
™ Für die Thermokompressionsverbindung wird ein hydraulischer oder
durch eine Spule betätigter Stempelmechanismus 122 auf dem Teil angeordnet. Der Stempelmechanismus 122 besitzt einen nach unten führenden Stempel 124 mit einer austauschbaren Spitze 126. Der Grund für das Vorsehen der Spitze 126 besteht wiederum darin, daß Einrichtungen mit verschiedenen Größen und verschiedene Arten von Spitzen verwendet werden können. So kann die Spitze 126 aus einem
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plastisch verformbaren, filmbildenden Metall bestehen, sie kann durchbohrt sein oder sie kann ein flaches Molybdenstück sein (d.h. wenn ein Leiterrahmen verwendet wird). Es sind Grob- und Feineinstellungen 128 und 130 vorgesehen, um den Stempel 124 vor der Verbindung in die richtige Lage zu bringen. Ein Meßgerät 132 zeigt den Stempeldruck, und ein Meßgerät 134 die Stempeltemperatur an. Die Energie die zur Betätigung und Erhitzung des Stempels notwendig ist, wird über eine Leitung zugeführt. Andere Regelungen können nach Bedarf vorgesehen werden.
Für die Ultraschallverbindung entsprechend der Erfindung wird der Stempelmechanismus 122 durch die Spannvorrichtung 136 ersetzt. Diese weist ebenfalls ein Ritzel oder Ritzeln auf (nicht dargestellt), sie ist so eingerichtet, daß sie an der Zahnstange 120 am Teil 118 anzubringen ist. Die Spannvorrichtung 136 weist einen einfachen Rahmen 138 mit einer öffnung 140 auf, in der sich ein ringförmiger Ab- j| satz 142 befindet. Die öffnung 140 und der Absatz 142 sind so eingerichtet, daß sie eine Leere wie sie in den Fig. 13 bis 15 dargestellt ist, aufnehmen und festhalten. Es sind auf dem Absatz 142 mit Gewinde versehene Bolzen (nicht dargestellt) vorgesehen, die mit den Löchern (fi<5, H2) der Leere übereinstimmen, so daß diese aufgeschraubt wurden kann. Für üie Ultraschallverbindung entsprechend dom anhand der Fig. 16 und 17 beschriebenen Verfahren wird selbst -
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verständlich ein Ultraschallhorn an Stelle der Stempelanordnung verwendet.
Bei der Verbindung mit Hilfe jedes der Verfahren wird die Unterlage in die Ausnehmung 116 hineingesetzt und die Einrichtung (oder die Leiter) darauf gelegt. Das Arbeitselement, nämlich der Stempel oder die Spannvorrichtung 136 wird dann nach unten bewegt, so daß es mit der Einrichtung in Eingriff kommt und Verbindungsenergie mit Hilfe des Stempels 124 oder des Horns 110 zugeführt. In jedem Fall werden sämtliche Leiter gleichzeitig verbunden, wobei die Verbindung sowohl schnell als auch zuverlässig vor sich geht. Zum Beispiel kann ein geschickter Arbeiter wenigstens 12 Strahlenleiter einrichtungen mit 16 Leitern mit einzelnen Unterlagen in einer Stunde verbinden, er kann diese Geschwindigkeit den ganzen Tag ohne unzulässige Ermüdung aufrechterhalten. Das Ausschußverhältnis ist vernachlässigbar. Bei geeigneten automatischen Einrichtungen zum Ausrichten und großen Leiterrahmen sollte die Produktionsgeschwindigkeit wesentlich höher sein. Zum Beispiel können kleine Löcher an speziellen Stellen in den Leiterrahmen gestanzt werden, wobei eine optische Einrichtung benutzt wird, um die genaue Ausrichtung festzulegen. Der wesentlichste Vorteil besteht selbstverständlich darin, daß die Produktionsgeschwindigkeit und die Zuverlässigkeit für eine kompliziertere Einrichtung die gleiche ist, auch wenn 100 oder mehr Leiter vorhanden sind, da
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es nicht schwieriger ist die Verbindung auszuführen. Der weitere Vorteil, daß man bei Verwendung eines plastisch verformbaren Metalls als nachgiebigen Stoff ein genaues Abbild jeder ausgeführten Verbindung hat, ist sehr wesentlich. Für ein gegebenes Werkstück kann eine Serie von Abbildern als Norm benutzt werden, anhand derer jedes Abbild beurteilt wird, wobei sowohl das Vorhandensein einer Verbindung für jeden Leiter als auch die Verbindungsgüte angezeigt wird. Wenn der metallische nachgiebige Stoff die Form eines Leiterrahmens hat, besteht der weitere Vorteil, daß man eine handliche Einrichtung hat, die leicht auf die Unterlage aufzubringen ist.
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Claims (15)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von Werkstücken, bei dem die Werkstücke an den gewünschten Verbindungs gebieten zwischen einem Untersatz und einem Verbindungs stoff zusammengehalten werden und bei dem eine ausreichende Verbindungsenergie entweder durch mechanische Mittel oder durch eine Kombination von mechanischen und thermischen Mitteln zugeführt wird, μπι die Verbindung auszuführen, dadurch gekennzeichnet, daß ein nachgiebiger Verbindungsstoff verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verbindungs stoff elastisch verformbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungs stoff plastisch verformbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsstoff ein Metall mit einem haftenden Oxydüberzug ist, z.B. Aluminium.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungs stoff Polytetrafluorethylen ist.
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6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsstoff in der Lage ist, einen Eindruck einer ausgeführten Verbindung festzuhalten.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke von einer aus einer Vielzahl von feinen metallischen elektrischen Leitern und einer Vielzahl von metallischen Grundflächen auf einer Unterlage bestehen, wobei die Verbindungen zwischen den Leitern und den Grundflächen ausgeführt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter eine Vielzahl von Leitern einer oder mehrerer elektrischer Einrichtungen sind.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenig-
stens eine der elektrischen Einrichtungen eine Halbleitereinrichtung mit integrierten Schaltkreisen ist.
10. .Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Stoff während der Verbindung die gesamte Einrichtung bedeckt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn-
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zeichnet, daß ein Werkstück ein spröder Kristallkörper mit einem metallischen Film auf der einen Oberfläche ist und das andere Werkstück aus einer metallischen Grundfläche besteht, wobei die Verbindung zwischen dem metallischen Film und der Grundfläche ausgeführt wird und wobei der nachgiebige Stoff den spröden Kristallkörper während der Verbindung umgibt und umfaßt.
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12. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungen zwischen
einem oder mehreren diskreten ersten Werkstücken und einem oder mehreren zweiten Werkstücken ausgeführt werden sollen, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Stoff aus einem oder mehreren elastisch angeordneten Stiften besteht, wobei jeder als ein getrennter Stift mit jedem der ersten Werkstücke in Eingriff kommt.
13. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Verbindung wenigstens teilweise durch Ultraschallvibration ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsrichtung im wesentlichen parallel zur Ebene der Unterlage liegt.
14. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der nachgiebige Stoff mit einer öffnung oder mit öffnungen versehen ist, die so eingerichtet sind, daß sie die elektrische Einrichtung oder die Einrichtungen während der Verbindung in ihrer Lage halten.
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15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter vor der Verbindung durch Klebewickel in der richtigen Lage zu dem nachgiebigen Stoff gehalten werden.
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