DE2710835A1

DE2710835A1 - Vorrichtung zum anloeten oder anschweissen von anschlussdraehten an anschlusskontakten in halbleitervorrichtungen

Info

Publication number: DE2710835A1
Application number: DE19772710835
Authority: DE
Inventors: Joseph Funari
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-03-16
Filing date: 1977-03-12
Publication date: 1977-09-29
Also published as: FR2345053A1; IN147651B; US4171477A; DE2710835C3; FR2345053B1; JPS5824941B2; GB1530537A; DE2710835B2; IT1115709B; JPS52112277A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Anlöten oder Anschweißen von dünnen Anschlußdrähten an Metallisierungen, Insbesondere an Anschlußkontakten von Halbleitervorrichtungen. In neuerer Zelt wurden bei der Anordnung von elektronischen Bauelementen Immer größere Packungsdichten bei Immer kleiner werdenden Bauelementen erzielt. Elektronische Funktionen, die vor 10 Jahren noch durch Anordnungen von einzelnen Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und weiteren Schaltelementen dargestellt wurden, die auf In gedruckter Schaltungstechnlk hergestellten Schaltungskarten befestigt waren, werden nunmehr durch Integrierte Schaltungen dargestellt, die auf mit keramischen Substraten versehenen Moduln aufgebracht sind. Dieser Fortschritt in der Miniaturisierung ergab naturgemäß immer größere Schwierigkeiten beim Herstellen der entsprechenden Anschlüsse. Beispielsweise sind ganz besondere Verfahren erforderlich, um sehr dünne ; Drähte mit einem Durchmesser von etwa 0,25 mm an den sehr kleinen Anschlußkontakten oder Anschlüssen auf den Substraten der Moduln anzulöten, um eine Verbindung zwischen dem Chip und den Schal- ' tungen des Moduls herzustellen. Ferner erschien es mehr und ' mehr wünschenswert, auch die Schaltungen auf dem Chip oder den i

Moduln einschließlich der Herstellung von Leitungsverbindungen ,

i dadurch herzustellen, daß man kurze Drahtstücke für eine Ver- j bindung von zwei Kontaktanschlüssen eines eine integrierte | Schaltung enthaltenden Chips oder zweier Kontaktanschlüsse auf ι dem Substrat eines Moduls miteinander verband. !

Metallurgisch betrachtet gibt es drei verschiedene Arten der ' Verbindung, die im allgemeinen bei einer Zusammenschaltung zwischen dem eine integrierte Schaltung tragenden Chip mit seinen | Anschlüssen und den Metallisierungen oder Kontaktanschlüssen j des Modulsubstrats eingesetzt werden. Solche Verbindungen werden hergestellt durch a) durch Fließen eines Lotes, b) durch metallische Diffusion bei erhöhter Temperatur und c) durch eine | Diffusion bei Zimmertemperatur. Bei der dichten Packung elek- | tronischer Bauelemente stellt es ein Beispiel für das unter a ge- ;

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nannte Verfahren dar, bei dem durch ein geschmolzenes Kügelchen eines Lötmetalls eine Verbindung zwischen den Kontaktanschlüssen eines Substrates und den Anschlußkontakten eines eine integrierte Schaltung enthaltenden Chips in der Weise hergestellt wird, daß die die Schaltung aufweisende Seite des Chips nach unten weist. Dies ist das sogenannte Flip-Chip-Verfahren. Dabei handelt es sich um ein sehr wirtschaftliches Verfahren zur Verbindung eines eine integrierte Schaltung enthaltenden Chips mit den Schaltungen des Substrates. Es gibt jedoch Fälle, bei denen diese Ausrichtung des Chips nicht brauchbar ist. Insbesondere dann, wenn die Wärmeübertragung von dem Chip eine wesentliche Rolle spielt, dann wird es notwendig, den eine integrierte Schaltung tragenden Chip von der Rückseite her in der Weise mit der Schaltung des Substrates zu verbinden, daß die Schaltungsseite des Chips nach oben weist. Eine derartige Befestigungs- und Anschlußart ist auch bei einigen Anwendungsgebieten von ungewöhnlich großen hochintegrierte Schaltungen enthaltenden Chips erforderlich, bei denen zyklische Temperaturänderungen Ermüdungserscheinungen der Lötstützpunkte verursachen könnten. Wird diese Befestigungsart für Halbleiterchips verwendet, dann ist es notwendig, ein leitendes Element mit seinen Enden an jedem Anschlußkontakt des Chips anzulöten oder anzubringen und mit dem Anschlußkontakt der Substratmetallisierung zu verbinden. Dieses leitende Element kann dabei ein Draht sein oder ein aufmetallisierter Leiter oder ein ähnliches Element, das diese Verbindung herstellt.

Wenn es notwendig ist, einen Draht für eine solche leitende Verbindung an einem Anschlußkontakt eines Chips und einem Kontaktanschluß eines Substrats anzubringen, dann lassen sich die zuvor genannten Verfahren a, b oder c anwenden. Im allgemeinen werden jedoch nur die beiden unter b und c genannten Verfahren benutzt. Das unter b genannte Verfahren wird auch als Thermokompressionsschweißen bezeichnet. Bei diesem Verfahren, das in Fig. 1 dargestellt ist, wird zunächst an einem Ende eines anzuschließenden

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Drahtes durch Abschmelzen des Endes In einer Wasserstoffflamme ein kleines Kügelchen gebildet. Dieses kugelförmige Ende des Drahtes wird dann auf eine Metallisierung oder einen metallischen Anschluß unter vorbestimmten Druck aufgebracht» der durch eine hohle Spitze übertragen wird, durch die der Draht hindurchtritt. Die Spitze und/oder die Substratmetallisierung oder der Anschlußkontakte des Chips werden in geeigneter Weise aufgeheizt» wobei die Wärme von diesen Teilen auf das kugelförmige Drahtende übergeht und dieses aufheizt. Der Druck bewirkt, daß das heiße Kügelchen plastisch verformt wird und daß durch die plastische Ausbreitung des Kügelchens über der Metallisierung an der Trennfläche zwischen Kügelchen und Metallisierung eventuell vorhandene Oxidfilsie oder andere Filme zerstört werden. Bei dem Kontakt zwischen dem sauberen Metall des Kügelchens und dem sauberen Metall der Metallisierung und der Kodiffusion der Metalle über der Trennfläche und durch die Legierung der Metalle ergibt sich an der ursprünglichen Trennfläche eine sehr feste metallische Bindung.

Das übliche Verfahren zum Befestigen von Drähten gemäß dem mit c bezeichneten Vorschlag wird als Ultraschallöten bezeichnet und ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird der anzulötende oder zu befestigende Draht unter einer Spitze mittels einer in der Spitze für die Führung des Drahtes vorgesehenen Bohrung gehalten. Ein auf die Spitze ausgeübter Druck bewirkt, daß der Draht gegen die Metallierung des Substrats oder gegen den Anschlußkontakt des Halbleiterplättchens gedrückt wird. Eine horizontale zyklische Verschiebung der Spitze in bezug auf das Substrat wird für eine vorbestimmte Zeit mit Ultraschallfrequenz vorgenommen. Diese Ultraschallbewegung verursacht eine Reibung an den beiden gegenüberliegenden Trennflächen, reißt die Oxidfilme oder andere Filme auf und erzeugt einen sauberen Kontakt von Metall zu Metall an den einander gegenüberliegenden Oberflächen und erzeugt damit eine flache Diffusion bei Zimmertemperatur und eine Legierung an der Oberfläche der Metalle. Dadurch ergibt sich eine metallische Verbindung zwischen dem Draht und

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der Metallisierung oder dem Kontakt. Es wird dabei angenommen, daß die durch die Ultraschallbewegung an der Trennfläche zwischen den beiden Oberflächen erzeugte Reibungswärme bewirkt, daß die Diffusion bei einer etwas höheren als der Zimmertemperatur erfolgt.

Diese übliche Technik zum Befestigen von Drähten gemäß den Verfahren b und c hat jedoch verschiedene Nachteile/ und die Notwendigkeit, diese Nachteile zu beseitigen, hat dazu geführt, daß das im folgenden noch zu beschreibende Schweißverfahren entwickelt worden ist. Bei der Verwendung der üblichen Befestigungsverfahren für Drähte gemäß b und c war die praktische Anwendung der Metallurgie sowohl für den Draht als auch für die Metallisierung oder den Anschlußkontakt auf Gold und Aluminium sowie einige Legierungen dieser Metalle beschränkt. Der Erfog des Ultraschall-Schweißverfahrens mit Gold und Aluminium scheint die Folge von chemischen oder metallurgischen Oberflächeneigenschaften dieser Metalle zu sein. Obgleich die Gründe für diese Eigenschaften nicht allgemein anerkannt sind, scheinen sie doch auf einen Mangel an Oxid auf der Oberfläche des Goldes und die hohe chemische und/oder metallurgische Reaktionsfähigkeit der Aluminiumoberfläche zurückzuführen sein, sobald der an der Oberfläche befindliche Aluminiumoxidfilm aufgebrochen ist. Andere Metalle als Gold und Aluminium scheinen derartige Eigenschaften nicht zu besitzen, die bei diesem Ultraschallverfahren bei Zimmertemperatur an der Trennfläche zwischen den beiden Metallen eine gute Legierung und eine feste Bindung ergeben. Das Ultraschallverfahren hat außerdem noch den Nachteil, daß es empfindlich ist gegen Maschinenschwingungen und Schmutz und außerdem schwierig einzustellen ist. Versucht man dagegen das übliche Thermokompressionsverfahren bei erhöhter Temperatur mit anderen Metallen als Gold einzusetzen, dann wird durch die rasche Oxidbildung der Vorteil des Scheuerns und des Aufreißens des Oxidfilmes zur Herstellung sauberer metallischer Oberflächen wieder zunichte gemacht. Außerdem muß dabei das Substrat auf-

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geheizt und Wasserstoff zum Schmelzen des kugelförmigen Endes des Drahtes benutzt werden. Es gibt an sich einige Vorrichtungen zum Anbringen von Drähten, die sowohl mit erhöhter Temperatur und Ultraschallreibung, der Thermokompression und Ultraschalllöten arbeiten. Die Kombination dieser Merkmale gestattet jedoch nicht die Verwendung von Drähten aus anderen Metallen als Gold in praktisch brauchbaren Größenordnungen.

Andere bekannte Verfahren zum Anbringen oder Anschweißen von Drähten sind in den US-Patentschriften 2 160 659, 2 253 375 und 3 089 020 offenbart. In der US-Patentschrift 2 160 659 wird vorgeschlagen, sehr gut leitende Metalle, wie z.B. Silber, Kupfer und andere sehr gut leitende Legierungen, vermischt mit Karbid zu benutzen, für eine Kombination von Abnutzung und einem hohen Stromfluß durch die Spitzen. Die hier verwendeten Spitzen haben einen sehr geringen spezifischen Widerstand und die Verbindung wird dadurch hergestellt, daß durch den Draht ein sehr starker Strom hindurch geleitet wird, der den Draht schmilzt. Diese Art Widerstandsschweißverfahren, bei dem die erforderliche Wärme durch den Widerstand des Drahtes erzeugt wird, kann bei Drähten mit sehr kleinem Durchmesser nicht benutzt werden, da diese Drähte dabei durchbrennen wurden.

Die US-Patentschrift 2 253 375 offenbart die Benutzung von Schweißelektroden aus Molybdänpulver, und diese Elektroden haben einen relativ geringen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 27 Mikro-Ohm cm. Die Elektroden werden über einen Transformator gespeist. Beim Schweißen mit einer derartigen Vorrichtung wird dem Transformator kontinuierlich Leistung entzogen, und dies hat zu Folge, daß der Draht dabei verbrennt, so daß die Schweißstelle gekühlt werden muß.

Die US-Patentschrift 3 089 020 zeigt ein indirektes Schweißverfahren, bei dem ein Elektrodenpaar am Entladestromkreis eines Kondensators angeschlossen ist, wodurch der Entladestromimpuls

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des Kondensators nacheinander durch eine Elektrode, den Draht, das Bauelement an dem der Draht angeschweißt werden soll, wieder zurück durch den Draht und durch die andere Elektrode zurückfließt und die Verbindung herstellt. Dieses Schweißverfahren wird benutzt, um bei der Herstellung von gedruckten Schaltungskarten aus Netallfolie bestehende Bauelemente anzuschließen. Es kann jedoch nicht dazu eingesetzt werden, mit integrierten Schaltungen versehene Halbleiterplättchen an Metallisierungen anzuschließen. Ein ein Halbleiterplättchen mit integrierter Schaltung durchfließender Strom würde zu einer Zerstörung des Halbleiterplättchens, der Anschlußkontakte oder Metallsierungen führen, die mit Abstand auf einem Substrat aus keramischen oder Isoliermaterial angebracht sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, durch ein neuartiges Verfahren eine große Anzahl unterschiedlicher Metalle an Halbleiterplättchen mit Metallisierungen oder Anschlußkontakten auf integrierte Schaltungen aufweisenden Moduln zu befestigen. Durch das neuartige und verbesserte Schwelßverfahren wird die Temperatur an der Trennfläche zwischen den beiden Metallen in einer sehr kurzen Zeit sehr dicht an den Schmelzpunkt des Drahtes gebracht. Um dies zu erreichen, wird eine Schweißvorrichtung geschaffen, die aus zwei parallelen, elektrisch leitenden Bauteilen besteht, die gegeneinander durch eine dünne Isolierschicht elektrisch isoliert sind. Der zu befestigende Draht wird mit Hilfe einer in einem der Teile als Führung vorgesehenen Bohrung unter den Spitzen dieser Teile in Position gebracht. Als Stromversorgung dient dabei der Auflade- und Entladestromkreis eines Kondensators, durch den zwischen den Spitzen der beiden Bauteile eine Spannung angelegt wird. Gleichzeitig wird auf die Spitzen der Bauteile ein Druck ausgeübt, wodurch der Draht gegen den Anschlußkontakt oder das Halbleiterplättchen auf einem Substrat angedrückt wird und der aufgeheizte Teil des Drahtes, d.h. der

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unter den Spitzen liegende Abschnitt des Drahtes vervollständigt dabei den elektrischen Stromkreis zwischen den beiden Spitzen der Bauteile und der Spannungsquelle. Wird die Spannungsquelle angeschaltet, so daß an den Spitzen eine Spannung anliegt, dann fließt ein Strom durch die Spitzen und durch den aufgeheizten Abschnitt des Drahtes hintereinander, so daß die Spitzen der Bauteile und der aufgeheizte Abschnitt des Drahtes erhitzt werden. Auf diese Weise wird der aufgeheizte Abschnitt des Drahtes, der an der für die Verbindung vorgesehenen Trennfläche liegt, als Wärmequelle für diesen Bereich der Trennfläche benutzt.

Bei dem Schweißverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung steht die so erzeugte Wärme unmittelbar für die Verbindungsreaktionen zur Verfügung, d.h. für eine plastische Verformung bei erhöhter Temperatur und eine metallische Diffusion, so daß im Gegensatz zu bisher bekannten Schweißverfahren die Wärme nicht von einer Wärmequelle, wie z. B. der aufgeheizten Spitze und dem aufgeheizten Substrat nach dem Draht und nach der Metallisierung oder dem Halbleiterplättchen übertragen werden muß. Bei dem neuen verbesserten Verfahren steigt die Temperatur im Bereich der Trennfläche praktisch augenblicklich bis auf einen Wert an, der gerade unterhalb der Schmelztemperatur des Drahtes liegt, so daß die Diffusionsverbindung eingeleitet wird, bevor eine merkliche Oxidation sich bilden kann.

Ein ganz wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht in der Auswahl des Materials für die beiden Schweißelektroden. Die beiden leitenden Schweißelektroden sollten aus einem Material relativ ho-t hen spezifischen Widerstandes bestehen. Dieser spezifische Widerstand sollte mindestens in der Größenordnung von 100 Mikro-Ohm cm liegen, was durch die Verwendung von Titankarbid erreicht wird. Die Benutzung eines Materials von so hohem spezifischen Widerstand für die Elektroden, wie auch andere Materialien von wesentlich höherem spezifischen Widerstand ergibt zwei Dinge. Erstens heizt der durch die Schweißelektroden und den aufgeheizten Ab-

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schnitt des Drahtes hintereinander hindurch fließende Strom dabei die Schweißelektroden gleichzeitig mit dem entsprechendem Abschnitt des Drahtes auf, so daß die aufgeheizten Spitzen der Schweißelektroden nicht dazu neigen, die in dem aufgeheizten Drahtabschnitt erzeugte Wärme abzuleiten.

Das zweite günstige Merkmal des Materials hohen spezifischen Widerstandes für die Spitzen der Elektroden liegt in seinem Beitrag zu dem Kontaktwiderstand zwischen den Spitzen der Schweißelektroden und dem aufgeheizten Abschnitt des Drahtes. Der aufgeheizte Abschnitt des Drahtes wird hauptsächlich wegen dieses Kontaktwiderstandes im Hinblick auf die beim Durchfließen des Stromes durch den Kontaktwiderstand erzeugten Leistung (Wärmeleistung) und nicht wegen des spezifischen Widerstandes des Materials des Drahtes selbst erhitzt. An der Trennfläche zwischen der Spitze und dem Draht entsteht ein großer Spannungsabfall, der den Stromfluß durch den Draht begrenzt, wodurch verhindert wird, daß der Draht überhitzt wird und durchbrennt. Außerdem entsteht an der Trennfläche zwischen den Spitzen und dem Draht eine kurze Temperaturspitze, so daß der Draht sich nicht im flüssigen Zustand durch seine Oberflächenspannung zu einem Kügelchen verformt, sondern statt dessen an einem genau bestimmten Punkt unterhalb der Spitze angeschmolzen wird, wodurch sich ein viel besserer Schmelzvorgang ergibt. Die Verbindung ergibt sich damit unter den Spitzen der Schweißelektroden in genau der gleichen Form und Größe wie die Form und Größe der Spitzen.

Aufgabe der Erfindung ist es also, ein neues und verbessertes Verfahren und eine dafür geeignete Vorrichtung für eine Verbindung eines Drahtes aus einer Reihe von Metallen für die Verbindung mit Halbleiterplättchen beim elektronischen Zusammenbau mit Substratschaltungen zu schaffen. Dabei soll die Temperatur an der Trennfläche im Bereich der Verbindung innerhalb einer sehr kurzen Zeit sehr dicht an die Schmelztemperatur des Drahtes herangeführt werden. Bai der dazu verwendeten Vorrichtung werden

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dann Schweißelektroden mit aus einem Material relativ hohen spezifischen Widerstandes benutzt, die zwischen den Spitzen der Schweißelektroden und dem Draht einen hohen Kontaktwiderstand ergeben.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung finden sich in den ebenfalls beigefügten Patentansprüchen im einzelnen.

In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 schematisch ein Termokompressionsverfahren zum

Anschweißen eines Drahtes gemäß dem Stande der Technik,

Fig. 2 schematisch eine Ultraschallschweißvorrichtung

gemäß dem Stande der Technik,

Fig. 3A schematisch die Mikroschweißvorrichtung gemäß

der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3B eine Ansicht der Spitzen der Schweißelektroden

in der Vorrichtung gemäß Fig. 3A,

Fig. 3C eine vergrößerte Ansicht des Endabschnitts der Spitzen der Schweißelektroden, Fig. 4 eine äquivalente Schaltung der in Fign. 3A und

3B dargestellten Vorrichtung und

Fig. 5 eine Tabelle der verschiedenen Materialien für

den Draht und das Substrat, die durch die neue Mikroschweißvorrichtung, die Thermokompressionsschweißvorrichtung bzw. die Ultraschallschweißvorrichtung verschweißt werden können.

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In den Fign. 3A, 3B und 3C ist die Mikroschweißvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Schweißvorrichtung besteht dabei aus einem Paar nebeneinander liegender» elektrisch leitender Schweißelektroden 10 und 11, die gegeneinander durch eine dünne Schicht aus Isoliermaterial 12, wie z.B. Glimmer, Glas oder dgl. isoliert sind. Wie man deutlich aus Fig. 3C erkennt, ist das untere Ende der Spitze der Schweißelektrode 11 soweit zurückgenommen, daß die unterste Oberfläche der Spitze etwa die gleiche Fläche aufweist wie der Abschnitt des anzuschweißenden Drahtes. Ferner wird dadurch Raum geschaffen für eine als Drahtführung dienende Bohrung oder Nut sowie für eine scharfe Kante zum Abschneiden des Drahtes nach dem Schweißvorgang. Wie im einzelnen noch beschrieben wird, bestehen die Schweißelektrodenspitzen aus einem Material mit relativ hohem spezifischen Widerstand. Die Schweißelektroden selbst sind an einem Tragarm 13 befestigt, der mit einem Lagerbock 14 verbunden ist, der auf einer Welle schwenkbar gelagert ist. Am anderen Ende des Lagerbockes 14 ist ein einstellbares Gegengewicht 16 angeordnet.

Zum Absenken und Anheben der Schwelßelektrodenanordnung in Berührung und außer Kontakt mit einem zwischen den Enden der Schweißelektrodenspitzen und einer Metallisierung 18 eines Schaltkreises angelegten Draht 17 auf einem Substrat, an dem der Draht befestigt werden soll, ist eine motorgetriebene Nockenscheibe 19 vorgesehen, die mit einem an einem Hebelarm 20 angebrachten Nockenläufer zusammenwirkt. Dieser Hebelarm ist um einen an einem Rahmen befestigten Zapfen 20a verschwenkbar und ist ebenfalls bei 20b an einem Ende an einer Stange 21 angelenkt, die am anderen Ende bei 22 gelenkig mit dem Lagerbock 14 verbunden ist. Wenn die Nockenlaufrolle mit dem niedrigen Abschnitt der Nockenscheibe zusammenwirkt, dann wird der Tragarm 13 um die Achse 15 im Uhrzeigersinn verschwenkt und hebt die Schweißelektrodenanordnung an, die damit außer Kontaktberührung mit dem Draht kommt. Wenn der Nockenläufer auf den hohen Abschnitt der Nockenscheibe aufläuft, dann verschwingt der Tragarm 30

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wegen seines Gewichtes im Gegenuhrzeigersinn und die Schweißelektrodenanordnung senkt sich bis zur Kontaktberührung mit dem Draht nach unten. Das als Gegengewicht vorgesehene Gewicht 16, das einstellbar sein kann, dient dazu, den durch die Elektrodenspitzen auf den Draht ausgeübten Druck zu regeln.

Als Stromquelle für die Schweißelektroden wird vorzugsweise eine Lade-/£ntladeschaltung mit einem Kondensator benutzt. Wie aus Fig. 3A zu ersehen, besteht die Schaltung aus einer Gleichspannungsquelle oder Batterie 23, einem Kondensator 24, einem Ladewiderstand 25 und einem einpoligen Umschalter 26. Diese Schaltung ist über Leitungen 27 und 28 an den Schweißelektroden angeschlossen. Die Leitung 27 ist dabei an einer metallischen Schraube 29 angeschlossen, die am vorderen Endabschnitt 13a des Tragarmes 13 vorgesehen ist. Die Schraube 29 stellt eine elektrisch leitende Verbindung mit der Schweißelektrode 1O und dem vorderen Abschnitt 13a des Tragarmes dar, der aus einem nichtleitenden Kunststoffmaterial besteht. Die Leitung 28 ist an einer metallischen Schraube 30 angeschlossen, die am Hauptteil des Tragarmes 13 befestigt ist, der sich von der Schweißelektrode 11 nach rückwärts erstreckt. Dieser Teil des Tragarms besteht aus einem leitenden Metall und steht in elektrisch leitendem Kontakt mit der Schweißelektrode 11. Liegt der Umschalter 26 am Kontakt 31 an, dann wird der Kondensator 24 aufgeladen. Liegt der Umschalter 26 an dem Kontakt 32 an, so entlädt sich der Kondensator 24 und ein Strom fließt durch die Schweißelektrode 10, Draht 17 und die Schweißelektrode 11 in Reihe und bewirkt ein Anschweißen des Drahtes, wenn die Spitzen der Schweißelektroden in Schweißposition in Berührung mit dem Draht sind, wie dies Fig. 3A zeigt.

Ferner sind Vorrichtungen zum Festhalten, Zuführen und Abschneiden des Drahtes vorgesehen. Gemäß Fign. 3A und 3B besteht die Vorrichtung aus einem Paar Klemmbacken 33 und 34, die jeweils auf einer Seite des Tragarms 13 in Nachbarschaft mit den Schweiß-

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elektroden 10 und 11 angebracht sind. Die Klemmbacke 33 ist an einem federbelasteten Lagerstift 35 befestigt, der durch eine Nockenscheibe 35a in waagrechter Richtung hin- und herbewegbar ist. Die Klemmbacke 34 ist an einem feststehenden Lagerzapfen befestigt. Die unteren Enden der Klemmbacken sind gegeneinander abgebogen und bilden einen Spalt 37, der der Aufnahme des Drahtes 17 dient. Die inneren Oberflächen der oberen Enden der Klemmbacken sind durch eine U-förmige Feder 39 gegen einen Schwenkbolzen 38 vorgespannt, wobei die Enden der ü-förmigen Feder unter Druck an den äußeren Oberflächen der oberen Enden der Klemmbakken anliegen, so daß normalerweise der Spalt 37 so weit offen gehalten wird, daß der Draht daran nicht eingeklemmt wird. Zum Ergreifen und Festhalten des Drahtes für seine Zufuhr wird der Schwenkzapfen 35 an der Klemmbacke 33 angedrückt, wodurch sich der Spalt 37 verkleinert, so daß die Enden der Klemmbacken den Draht ergreifen.

Gemäß Fig. 3A wird die Vorrichtung zum Festhalten und Zuführen des Drahtes mittels einer exzentrischen Nockenscheibe, die mit einem bei 42 schwenkbar gelagerten Nockenhebel 41 zusammenwirkt, im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn verschwenkt. Am anderen Ende des Nockenhebels 41 ist eine Schubstange 43 in waagrechter Richtung gleitend verschiebbar angeordnet, die an der Klemmbacke 34 anliegt und durch eine Zugfeder 44 gegen die Schubstange 43 gedrängt ist.

Kurz gesagt, arbeiten die verschiedenen Vorrichtungen dabei wie folgt zusamment Beim Beginn eines Zyklus sind die Klemmbacken 33 und 34 in ihrer geschlossenen oder Klemmstellung und der Tragarm 13 befindet sich in waagrechter Lage. Von einer Voratsspule 45 wird dann durch die Maschinenbedienung der Draht 17 durch eine entsprechend ausgebildete Führungsbohrung 46 im Tragarm 13 dadurch zwischen den Klemmbacken 33 und 34 eingeführt, daß diese von Hand gespreizt werden, sodann durch die Drahtführungsnut 47 in der Schweißelektrode 11 und von dort

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In eine Position unterhalb der Spitzen der Schweißelektroden 10 und 11. Die Klemmbacken 33 und 34 werden nunmehr freigegeben, so daß sie sich in Klemmstellung begeben und die Nockenscheibe 19 wird betätigt und dreht damit den Tragarm 13 aus der waagrechten Lage um etwa 4° im Gegenuhrzeigersinn nach unten.

Durch die Neigbewegung um 4° kommen die Schweißelektroden in eine Position, die ungefähr 0,05 mm oberhalb des Drahtes und des Substrats liegt. In dieser Position wird das weitere Absenken des Tragarmes 13 und der Schweißelektroden durch eine nockenbetätigte, durch eine Schraube einstellbare Vorrichtung, (nicht gezeigt) die unabhängig von der Nockenscheibe 19 ist und einen Stift oder Arm 13 senkrecht nach oben oder nach unten bewegt. Der Stift 13b liegt dabei unterhalb des Tragarmes 13 und hält den Tragarm in einer Position 0,05 mm oberhalb des Drahtes an. Zu diesem Zeitpunkt wird die Nockenscheibe auch kurzzeitig durch eine Taktgeberscheibe angehalten, die einen Gleichstrommotor für den Nockenscheibenantrieb steuert. Die Suchposition von 0,05 mm über dem Draht kann durch Einstellen einer Einstellschraube an dem Stift 13b eingestellt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird das Substrat in eine Position bewegt, in der der Draht ganz genau auf dem Punkt auf dem Substrat aufliegt, an dem er befestigt werden soll.

Anschließend wird die mit einer Einstellschraube versehene Vorrichtung frei gegeben, so daß sich der Stift 13b in seine untere Lage bewegt, und die Nockenscheibe 19 wird wiederum betätigt und bringt damit den Tragarm 13 und die Schweißelektroden in Schweißposition. Das Absenken des Tragarmes 13 ist dabei sehr kurz, wodurch ein Aufprall vermieden wird, und der Tragarm mit den Spitzen der Schweißelektroden frei auf dem Draht aufliegt als eine von der Nockenscheibe 19 unabhängige Last. Diese Last kann durch das Gegengewicht 16 voreingestellt werden. Dann wird die Schaltung eingeschaltet, so daß sich der Kondensator 24 entlädt und ein Strom nacheinander durch die Spitzen

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der Schweißelektroden und den Draht hindurch fließt und damit die Verbindung herstellt, worauf die Klemmbacken geöffnet und die Schweißelektroden wiederum angehoben werden, bis auf eine einstellbare Höhenposition oder aber voll in die waagrechte Lage für eine Freigabe des Substrats und des Drahtes. Diese Zwischenposition ist einstellbar und muß nicht notwendigerweise voll der waagrechten Lage entsprechen und hängt von der Metallisierung des Substrats und von den Bauelementen ab.

Ist ein Ende des Drahtes befestigt, dann wird das Substrat in die nächste Schweißposition gebracht. Dabei bewegt sich der Draht frei in seiner eingefädelten Bahn, wie er durch das Substrat mitgezogen wird. Die Schweißelektroden werden wiederum bis auf 0,05 mn abgesenkt und das Substrat wird dann genau in die gewünschte Position gebracht. Durch den Lagerzapfen 35 werden die Klemmbacken nunmehr wiederum geschlossen und die Schweißelektroden werden in Kontaktberührung mit dem Draht gebracht, und der Kondensator entlädt sich über den EntladeStromkreis zum Anschweißen des anderen Endes des Drahtes. Solange die Schweißelektroden noch in Berührung mit dem Draht sind, werden die Klemmbacken geschlossen und die Nockenscheibe 40 bewegt die Klemmbacken Im Gegenuhrzeigersinn oder nach rückwärts, und der Draht wird durch die scharfe Unterkante 48 der Schweißelektrode 11 abgeschnitten. Wird der Draht durch die Bewegung der geschlossenen Klemmbacken im Gegenuhrzeigersinn abgeschnitten, dann wird dadurch der zwischen dem angeschweißten Ende und den Klemmbacken befindliche Abschnitt des Drahtes gestreckt, wodurch es möglich wird, die gewünschte Drahtlänge für den nächsten Schweißzyklus wieder unter die Spitzen der Schweißelektroden zu bringen. Die Schweißelektroden werden nun wieder nach oben zurückgeführt und die geschlossenen Klemmbacken im Uhrzeigersinn verschwenkt, so daß Draht in eine Position unterhalb der Schweißelektroden zur Vorbereitung eines nächsten Schweißzyklus gebracht wird.

Falls erforderlich, kann die Nockenscheibe 40 so ausgelegt werden, EN 975 021/X

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daß sich die Klemmbacken um einen größeren Abstand im Uhrzeigersinn gegen einen Anschlag verschwenken lassen, worauf sie sich dann gegen den Uhrzeigersinn bewegen und damit sicherstellen, daß die erforderliche Drahtlänge für den nächsten Schweißzyklus unter die Schweißelektroden kommt. Wenn ferner Drähte mit einem größeren Durchmesser als 0,05 mm angeschweißt werden sollen, kann es erforderlich sein, eine Schneidvorrichtung zu verwenden, die den Draht vorher teilweise abtrennt, bevor er abgeschnitten wird.

Obgleich die meisten dieser Teile an sich bekannt sind und im Handel erhältlich mit der Ausnahme der Schweißelektroden, die aus einem Material mit im wesentlichen hohen spezifischen Widerstand bestehen, so wurden die Einzelteile doch kurz dargestellt und beschrieben, um auf diese Weise eine Schweißvorrichtung darstellen zu können, bei der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung Anwendung finden können.

Wie bereits erwähnt, liegt ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung in der Tatsache, daß die Schweißelektroden 10 und 11 aus einem Material bestehen, das einen im wesentlichen hohen spezifischen Widerstand im Vergleich mit dem spezifischen Widerstand des anzuschweißenden Drahtes aufweist. Es wurde festgestellt, daß der kleinste Wert des spezifischen Widerstandes, der die gewünschten Egebnisse beim Anschmelzen oder Anschweißen des Drahtes liefert, zwischen etwa 100 und 170 Mikro-Ohm cm liegt, dem spezifischen Widerstandsbereich von Titankarbid. Im Vergleich dazu liegt der spezifische Widerstand von Golddraht, der zum Herstellen solcher Verbindungen benutzt wird, bei ungefähr 2,3 5 Mikro-Ohm cm. Außer mit Titankarbid wurden auch außergewöhnlich gute Ergebnisse dadurch erzielt, daß man die Schweißelektroden aus Kohlenstoff und seinen Legierungen mit einem spezifischen Widerstand im Bereich zwischen 4000 bis 50OO Mikro-Ohm cm herstellte. Andere Materialien, von denen angenommen wird, daß sie nicht nur gute Ergebnisse liefern, sondern zusätzlich noch die Lebens-

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dauer der Schweißelektroden vergrößern, sind eine Kombination von Karbid und Graphit mit einem spezifischen Widerstand von 3200 Mlkro-Ohm cm und bis zu Siliziumkarbid mit einem spezifischen Widerstand von 200 000 Mikro-Ohm cm und höher und einer Zirkon-Bor-Silizium-Karbid-Verbindung mit einem spezifischen Widerstandsbereich von 170 bis 200 Mikro-Ohm cm und Siliziumkristallen mit einem spezifischen Widerstandsbereich von 4000 bis 5000 Mlkro-Ohm cm.

In Fig. 4 ist eine äquivalente elektrische Schaltung für die in den Fign. 3A und 3B dargestellte Vorrichtung gezeigt. Die Schaltungswerte sind dabei für einen Schweißzyklus dargestellt, bei dem ein Golddraht mit einem Durchmesser von 0,025 mm an einer Goldoberfläche oder Metallisierung unter Verwendung von aus Titankarbid bestehenden Schweißelektroden angeschweißt wurde. Eine Spannungsquelle von 4,5 V ergab einen Spitzenstrom von 0,5 A für 250 msek. Die in der Trennfläche der Schweißelektroden mit dem Golddraht erzeugte Temperatur betrug ungefähr 800° C. RO stellt dabei einen Lastwiderstand von 5 Ohm für die Gleichspannungsquelle 23 dar. Der Kondensator 24 hatte eine Kapazität von 32 0OO Mikro-Farad. R1 und R2 sind die Widerstände der von der Spannungsquelle 23 nach den Titankarbid-Schweißelektroden führenden Leitungen und dieser Widerstand betrug jeweils 200 Mikro-Ohm. R3 und R4 stellt jeweils den spezifischen Widerstand der aus Titan-Karbid bestehenden Schweißelektroden dar und betrug für jede Schweißelektrode 0,3 Ohm. R5 und R6 stellen den Kontaktwiderstand zwischen den Schweißelektroden und dem Golddraht dar, und diese Widerstände betrugen jeweils 4,5 Ohm. R7 stellt den Widerstand des Golddrahtes zwischen den beiden Schweißelektroden dar und betrug etwa 0,03 Mikro-Ohm. Es wurde festgestellt, daß zur Erzielung des gewünschten Kontaktwiderstands an der Trennfläche zwischen den Schweißelektroden und dem anzuschweißenden Draht das Verhältnis der Widerstände zwischen dem

Material des Drahtes und dem Material der Schweißelektroden R7

R3 od. R4

mindestens 1 ι 11 sein sollte.

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Zur Darstellung zweier weiterer Beispiele der vielen Materlallen, die mit dem neuen Mikroschweißverfahren angeschmolzen oder angeschweißt werden können, wurde ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,0385 mm an der Chromoberfläche einer Metallisierung unter Verwendung von Titankarbid-Schweißelektroden bei einer Spannung von 14 V für 2OO msek angeschweißt. An der Trennfläche zwischen den Schweißelektroden und dem Draht wurde Im Minimum eine Temperatur von 750 C erzielt. Ferner wurde ein mit einer Zinn-Blei-Legierung überzogener Kupferdraht mit einer Stärke von 0,077 mm unter Verwendung von Titankarbid-Schweißelektroden an einer mit Zinn-Blei überzogenen Metallisierung bei einer Spannung von 10 V für 200 msek angeschweißt. An der Trennfläche zwischen den Schweißelektroden und dem Draht wurde eine Temperatur von mindestens 4OO C erzeugt.

In der in Fig. 5 gezeigten Tabelle ist ein Vergleich der Materialeigenschaften bei ihrer Verwendung für eine Thermokompressionsschweißung (TC) durch ein Dreieck dargestellt, Ultraschallschweißung (USB) wird durch einen Kreis bezeichnet, und das neue Mikroschweißverfahren (MSW) wird durch ein Quadrat gekennzeichnet. Alle möglichen Kombinationen zwischen dem Material der Oberfläche und dem Material des Drahtes, das daran befestigt wurde,

wurden auch ausgeführt, und es wurde, wie dargestellt, festge- , stellt, daß sich viele weitere Materialkombinationen unter Ver- ' wendung des neuen MikroschweiBverfahrens miteinander verschweißen

ließen, als dies mit den bisher bekannten Verfahren möglich war. Hie bereits dargelegt wurde, wird der wesentlich bessere Erfolg j

des neuen Mikroschweißverfahrens auf die Verwendung von Schweißelektroden zurückgeführt, die aus einem Material mit im wesent- | liehen hohem spezifischen Widerstand aufgebaut sind, wodurch sich an der Trennfläche zwischen dem anzuschweißenden Draht und den Schweißelektroden ein hoher Spannungabfall ergibt, der den durch den Draht fließenden Strom begrenzt, wodurch die Temperatur an der Trennfläche praktisch augenblicklich zur Herstellung einer Diffusionsverbindung ansteigt, bevor eine merkliche Oxidation

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eintreten kann. Drähte mit einem Durchmesser zwischen 0,0127 mm und 0,127 imn können dabei an einem Anschußkontakt oder einer Metallisierung von etwa 0,05 χ O,O5 mn und größer mit einer Dicke von 500 A und mehr angeschlossen werden. An entweder durch Verdampfung aufgebrachte Leiter oder mit Hilfe einer Paste aufgebrachte Schaltungen auf einem metallisierten keramischen Substrat können Leitungen angeschweißt werden.

Zusätzlich dazu, daß eine größere Anzahl von Materialkombinationen zwischen Draht und Anschlußelektrode wegen der hohen Aufheizgeschwindigkeit und der geringen Oxidationsentwicklung an der Schweißtrennfläche möglich sind, kann das neue Mikroschweißverfahren auch zum Anschweißen von isolierten Drähten benutzt werden. Unter in der Praxis vorkommenden Abmessungen der Anschlußkontakte können die Spitzen der Schweißelektroden einige Arten von Isolationsüberzügen durchdringen, wie z.B. Polytetrafluoräthylen, stranggepreßtes Polyamid, Polyuretan und Lack und zwar so weit, daß ein Kontakt mit dem Draht hergestellt und dieser angeschweißt wird. Da der Schweißzyklus so kurz ist, wird nur die in dem aufgeheizten Drahtabschnitt vorhandene Isolation abgebrannt oder beschädigt. Es wurde ferner beobachtet, daß die hohe Energiedichte und die kurze Zyklusdauer bewirkt, daß der Schweißvorgang ohne Aufheizen des Substrates durchgeführt werden kann. Dadurch werden nachteilige Auswirkungen vermieden, die bei einer Aufheizung auf wärmeempfindliche Materialien oder Vorrichtungen auf dem Substrat auftreten können.

Weitere Vorteile des neuen Schweißverfahrens bestehen darin, daß es gegen vom Fußboden her übertragene Schwingungen auf die Schweißvorrichtung unempfindlich ist bis zu dem Grad, wie weit die Schweißoberfläche auf der Achse der Schweißelektrode senkrecht steht, bis zur Sauberkeit des Anschlußkontaktes oder der Anschlußfläche sowie bis zur Härte des Anschlußkontaktes oder der Anschlußfläche. Im Gegensatz zu dem UltraschalIschweißverfahren ist es hier nicht notwendig, auf eine bestimmte Frequenz

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oder eine Eingangsleistung abzustimmen, um gute Verbindungen mit den Anschlußdrähten herzustellen.

Man kann natürlich zur Verbesserung der Schweißergebnisse eine Aufheizung des Substrats wirkungsvoll dann einsetzen, wenn die zu verschweißende Metallisierung besonders breit oder dick ist und dabei eine kräftige Wärmeableitung liefert.

Wie beschrieben, wird vorzugsweise als Stromquelle die elektrische Leistung eines aufgeladenen Kondensators benutzt, der über einen Schalter durch den die Schweißelektrode einschließenden Stromkreis entladen wird. Diese Anordnung liefert zum Zeitpunkt Null einen sehr hohen Strom und eine hohe Leistungsabgabe, wodurch der unter den Schweißelektroden liegende Drahtabschnitt rasch aufgeheizt wird. Dadurch soll jedoch nicht die Benutzung einer anderen Energiequelle ausgeschlossen sein, wenn damit nur die gewünschten Ergebnisse in gleicher Weise erzielt werden können.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Schweißvorrichtung zum Anschweißen eines dünnen Drahtes
an Kontaktanschlüssen auf einem Substrat, mit einem Paar gegeneinander isolierter Schweißelektroden, die mit dem
anzuschweißenden Draht in Kontakt gebracht werden können, sowie mit einer an den Schweißelektroden angeschlossenen Stromquelle, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißelektrodenpaar (10, 11) aus einem Material besteht, dessen
spezifischer Widerstand wesentlich höher ist, als der
spezifische Widerstand des Drahtes und daß die Stromquelle zum Anschweißen des Drahtes einen kurzen, die Schweißelektroden und den anzuschweißenden Draht durchfließenden
einzelnen Stromimpuls zu liefern vermag.

2. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden (10, 11) aus einem Material mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 100 Mikro-0hm cm besteht.

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle für den Schweiß-Stromimpuls ein in einem Aufladestromkreis bzw. Entladestromkreis einschaltbarer Kondensator (24) vorgesehen ist.

4. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden (10, 11) aus Titankarbid
bestehen.

5. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus Kohlenstoff und Kohlenstoff-Legierungen bestehen.

6. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus einer Kombination von Karbid und Graphit bestehen.

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ORIGINAL INSPECTED

7. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet» daß die Schweißelektroden aus Siliziumkarbid bestehen,

8. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus einer Zirkonborid-Siliziumkarbid-Verbindung bestehen.

9. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus Siliziumkristallen bestehen.

10: Schweißvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 und 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der spezifischen Widerstände des Drahtes und der SchweißelektrodenmLndestens 1 zu 11 beträgt, und daß damit beim Durchfließen des Stromimpulses durch dieses Widerstandsverhältnis an den Trennflächen zwischen Schweißelektroden (10, 11) und Draht (17) ein wesentlicher Spannungsabfall auftritt.

11. Schweißvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus Titankarbid und der Draht sowie der Anschlußkontakt aus Gold bestehen.

12. Schweißvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus Titankarbid, der Draht aus Kupfer und der Anschlußkontakt aus Chrom bestehen.

13. Schweißvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißelektroden aus Titankarbid, der Draht aus mit einer Zinn-Blei-Legierung überzogenem Kupfer besteht und der Anschlußkontakt mit einer Zinn-Blei-Legierung überzogen ist.

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14. Schweißvorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus Aluminium und der Anschlußkontakt ais Aluminium, Kupfer, Gold oder Chrom besteht.

15. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus Gold und der Anschlußkontakt mit den Leitungszügen aus Aluminium, Kupfer, Titan, Gold, Chrom, Indiumantimonid, Zinn-Blei, Nickelpaste, Palladium, einer ternären laste, Silber-Palladiumpaste oder Molybdänpaste bestehen.

16. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus Kupfer und die Anschlußkontakte mit den Leitungszügen aus Aluminium, Kupfer, Chrom, Gold, Zinn-Blei, Nickelpaste, einer ternären Paste oder Silber-Palladiumpaste bestehen.

17. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus vergoldetem Kupfer und die metallisierten Leitungszüge aus Aluminium, Kupfer, Gold, Chrom, Zinn-Blei, Nickelpaste, ternärer Paste oder Silber-Palladiumpaste bestehen.

18. Schweißvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht einen überzug aus Polytetrafluoräthylen aufweist und aus Aluminium, Gold, Kupfer oder vergoldetem Kupfer und die metallsierten Leitungszüge entweder aus Gold oder einer Zinn-Blei-Legierung bestehen.

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