DE10038510A1 - Verfahren zur Kontaktierung elektronischer Schaltungen und elektronische Schaltung - Google Patents

Verfahren zur Kontaktierung elektronischer Schaltungen und elektronische Schaltung

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer auf einem Substrat angeordneten elektrischen Schaltung vorgeschlagen, bei dem mindestens ein Kontaktdraht verbindungsstofffrei an eine elektrische Kontaktfläche der Schaltung angeschweißt wird. Im Vergleich zu üblichen Löttechniken wird kein zusätzlicher Verbindungsstoff benötigt, der im Dauerbetrieb der elektrischen Schaltung bei Temperaturbelastung zerrüttet werden könnte.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Kontaktierung und einer elektronischen Schaltung nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche. Es ist allgemein bekannt, elektronische Schaltungen über Lötverbindungen elektrisch zu kontaktieren. Diese Verfahren benötigen jedoch zusätzlich zu den zu verbindenden Leitungen weitere Materialien, um eine feste elektrisch leitende Verbindung für hohe elektrische Leistungen herzustellen. Die Verwendung bekannter Bondtechniken erfordert Mehrfachbonds, um hohe Leistungsbeanspruchungen ausfallfrei sicherzustellen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die erfindungsgemäße elektronische Schaltung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhänigen Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, ohne zusätzliche Verbindungsstoffe auszukommen, die bei einer Temperaturbelastung der Schaltung eine Schwachstelle darstellen können. Es bzw. sie stellt in einfacher Weise robuste Substratkontaktierungen bereit, die auch erhöhten mechanischen Belastungen standhalten. Das kostengünstige Verfahren ist automatisierbar und somit für hohe Bauteilstückzahlen einsetzbar.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahren und Schaltungen möglich. Insbesondere vorteilhaft ist es, einen Kontaktkopf vorzusehen, der vorzugsweise strukturiert ist, um unter minmaler Aufwendung von Bewegungsenergie beziehungsweise elektrischer Energie eine mechanisch feste Verbindung zwischen Kontaktdraht und Kontaktfläche auf dem insbesondere keramischen Substrat oder einer üblicherweise aus glasfaserverstärktem Epoxidharz bestehenden Leiterplatte herzustellen. Ein weiterer Vorteil der Strukturierung ist eine geringere thermische Belastung des Keramikverbunds, so daß elektronische Komponenten näher an den Kontaktflächen angeordnet beziehungsweise auch temperaturempfindliche Bauelemente auf dem Substrat mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kontaktiert werden können.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1a, b ein Reibschweissverfahren, Fig. 2a, b ein Abbrennstumpfschweissverfahren und Fig. 3 eine kontaktierte elektronische Schaltung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1a zeigt in einer Seitenansicht ein keramisches Substrat 1 aus Aluminiumoxid, das im abgebildeten Bereich mit einer Kupferleiterbahn 2 belegt ist. Diese Kupferleiterbahn dient zur elektrischen Kontaktierung einer (nicht abgebildeten) elektronischen Schaltung. Mit den Bezugszeichen 100, 110, 120 und 130 sind die nacheinander durchzuführenden Verfahrensschritte eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt.
Zunächst (Schritt 100) wird ein Kontraktdraht 3, der einen Kontaktkopf mit einer im Vergleich zum Kontaktdraht 3 größeren radialen Ausdehnung aufweist, mit dem Kontaktkopf auf die Kupferleiterbahn 2 aufgebracht. Hierzu wird, wie in Fig. 1b illustriert, als Werkzeug eine Spannzange 20 verwendet, die den Kontaktkopf zur Kupferleiterbahn hinführt. Der schematisch dargestellte Öffner 21 dient später zur Öffnung der Spannzange nach erfolgter Schweisskontaktierung. In einem weiteren Schritt 110 versetzt die Spannzange 20 den Kontaktdraht in Drehung, gleichzeitig drückt sie den Kontaktkopf gegen die Kupferleiterbahn, so daß der Kontaktkopf auf der Kupferleiterbahn aufgerieben wird. Der Kopf rotiert also auf der Leiterplatte. Während dieser Phase wird er mit einer Kraft, die relativ gering ist, angedrückt. Dadurch entsteht die zur Durchführung des Prozesses notwendige Wärme. Die Rotation wird bei ausreichender Erwärmung abrupt gestoppt und eine starke Presskraft wird in axialer Richtung aufgebracht. Dadurch entsteht eine Diffusionsverbindung. Der Kontaktkopf besteht hierbei vorzugsweise auch aus Kupfer, aber auch andere Leiterwerkstoffe wie Aluminium und Gold sind geeignet. Im abgebildeten Ausführungsbeispiel weist der Kontaktkopf an seiner der Kupferleiterbahn zugewandten Seite eine konzentrische Rille auf, so daß feingliedrige Metallbereiche vorhanden sind, die sich sehr leicht unter einer Drehbewegung und Druck in die Kupferleiterbahn "einfressen" beziehungsweise mit ihr verrieben werden. Das Bezugszeichen 120 markiert den verschweissten Endzustand des Kontaktdrahts; der Kontakkopf weist aufgrund des erfolgten Reibschweissens nach Erreichen einer bestimmten Reibstrecke oder nach Erreichen eines bestimmten Drehmoments über einen gewissen Zeitraum verschweisste Bereiche 10 auf. Im vorliegenden Beispiel sind diese Bereiche in Form eines konzentrischen Ringbereichs ausgebildet, entsprechend der zuvor noch vorhandenen konzentrisch ausgebildeten feingliedrigen Metallbereiche, die zerrieben worden sind.
Fig. 2 zeigt ebenfalls ein keramisches Substrat 1, das im abgebildeten Bereich mit einer Kupferleiterbahn 2 belegt ist. In den mit den Bezugszeichen 150, 160, 170 und 180 markierten Verfahrensschritten wird ein Kontaktierverfahren beschrieben, bei dem der Kontaktkopf 4 des Kontaktdrahts 3 einen Dorn 30 aufweist (siehe Fig. 2a, Schritt 150).
Beim Heranführen des Kontaktdrahtes an das Keramiksubstrat berührt zuerst der Dorn 30 die Kupferleiterbahn 2. Das hierzu verwendete Werkzeug ist schematisch in Fig. 2b dargestellt. Es weist ein den Kontaktdraht haltendes inneres Werkzeugelement 60 sowie ein äußeres Werkzeugelement 62 auf. Das innere Werkzeugelement umfaßt beispielsweise eine nicht näher dargestellte Klemmvorrichtung, um den Kontaktdraht zu greifen. Das innere Werkzeugelement ist federnd (61) gelagert, so daß beim Aufsetzen des äußeren Werkzeugelements 62 auf die Leiterbahn 2 der Dorn 30 gegen die Leiterbahn gedrückt wird. Das Werkzeug ist so ausgelegt, daß das innere Werkzeugelement 60 gegenüber dem äußeren Werkzeugelement 62, das die Kupferleiterbahn elektrisch kontaktiert, auf ein positives elektrisches Potential gelegt werden kann. So kann, wie in Schritt 160 gezeigt, durch Anlegen einer elektrischen Spannung ein Schweissvorgang eingeleitet werden, bei dem zunächst lokal im Bereich des Dorns Material durch den fließenden, insbesondere impulsförmigen Strom erwärmt wird. Das so aufgeschmolzene Material stellt eine metallische Verbindung zwischen dem Kontaktdraht und der Kupferleiterbahn her. Im Schritt 170 ist ein fortgeschrittenes Stadium dieses sogenannten Abbrennstumpfschweissverfahrens abgebildet, in dem bereits mehr oder weniger die ganze Unterseite des Kontaktkopfs mit der Kupferleiterbahn in Kontakt steht. Schritt 180 illustriert den verschweissten Endzustand, in dem ein verschweisster Bereich 50, der aus dem Material des Dorns hervorgegangen ist, den Kontaktdraht auf der Kupferleiterbahn befestigt.
Sowohl beim in Fig. 1 illustrierten Reibschweissen als auch beim in Fig. 2 beschriebenen Abbrennstumpfschweissen können die Kontaktköpfe rotationssymmetrisch ausgestaltet sein, insbesondere in Form einer flachen Scheibe oder eines Tellers ähnlich der bei Generatordioden bekannten Kopfdrahtanordnung, siehe hierzu zum Beispiel die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 195 49 202.1. Die Kontaktfläche des Kontaktkopfs kann außer bzw. alternativ zu konzentrischen Ringen auch unsymmetrisch verteilte Buckel aufweisen oder schlicht rauh sein.
In Fig. 3 ist schematisch eine elektronische Schaltung 200 auf einem keramischen Substrat abgebildet, die bereits mit den erfindungsgemäß aufgeschweissten Kontaktdrähten kontaktiert ist. Diese Kontaktdrähte eignen sich beispielsweise dazu, mit einem Anschlußelement 210 in Form eines Stanzgitters eines nicht näher dargestellten Gehäuses oder anderen elektronischen Schaltungselements mittels eines Prägewerkzeugs 220 verbunden zu werden, um einen mechanisch stabilen und elektrisch niederohmigen Anschluß der elektronischen Schaltung zu gewährleisten.

Claims (11)

1. verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer auf einem Substrat, insbesondere keramischen Substrat (1), angeordneten elektrischen Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kontaktdraht (3) mittels eines Werkzeugs (20, 21; 60, 61, 62) auf eine elektrische Kontaktfläche (2) der Schaltung aufgebracht und nachfolgend verbindungsstofffrei unter gerichteter Bewegung des Kontaktdrahts und/oder unter Einwirkung eines zwischen dem Kontaktdraht und der Kontaktfläche fließenden elektrischen Stromes angeschweisst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht unter Anwendung eines mechanischen Drucks an der Kontaktfläche angeschweisst wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht solange parallel zur Oberfläche der Kontaktfläche bewegt wird und sich somit der Kontaktdraht an der Kontaktfläche reibt, bis nach Erreichen einer bestimmten Reibstrecke eine mechanisch feste elektrische Verbindung hergestellt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung parallel zur Oberfläche eine Drehbewegung (110) ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht einen Kontaktkopf (4), insbesondere einen Kontaktkopf mit einem größeren Durchmesser als der Durchmesser des Kontaktdrahts, aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kontaktfläche in Berührung stehende Seite des Kontaktkopfs vor dem Verschweissen eine Struktur, insbesondere eine Rillenstruktur, aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kontaktdraht und der Kontaktfläche eine elektrische Spannung angelegt wird, so daß zumindest bereichsweise am mit der Kontaktfläche in Berührung stehenden Kontaktdrahtende Kontaktdrahtmaterial abgebrannt beziehungsweise aufgeschmolzen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht einen Kontaktkopf (4) aufweist, dessen die Kontaktfläche berührende Seite mindestens eine Erhebung (30), insbesondere einen Dorn, aufweist, so daß der durch die elektrische Spannung induzierte Strom zunächst über die Erhebung fließt und diese aufschmilzt.
9. Elektrische Schaltung mit mindestens einem die elektrische Schaltung auf einer Kontaktfläche kontaktierenden Kontaktdraht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht verbindungsstoffrei unter gerichteter Bewegung des Kontaktdrahts und/oder unter Einwirkung eines zwischen dem Kontaktdraht und der Kontaktfläche fließenden elektrischen Stroms angeschweissst worden ist.
10. Elektrische Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdraht einen Kontaktkopf (4), insbesondere einen Kontaktkopf mit einem größeren Durchmesser als der Durchmesser des Kontaktdrahts, aufweist.
11. Elektrische Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kontaktfläche in Berührung stehende Seite des Kontaktkopfs eine Struktur aufweist.
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