DE10038510C2 - Verfahren zur Kontaktierung elektronischer Schaltungen und elektronische Schaltung - Google Patents
Verfahren zur Kontaktierung elektronischer Schaltungen und elektronische SchaltungInfo
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Description
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.
Die Patentschrift des Wirtschaftspatents DD 205 296
offenbart ein Verfahren zum Drahtkontaktieren mittels
Thermokompression, wobei ein Substratwerkstoff zunächst auf
eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wird, beispielsweise
100°C, und bei dem anschließend ein Draht mittels einer
Kappilarsonotrode auf das Substrat aufkontaktiert wird.
Hierbei werden keine Kontaktdrähte mit einem Kontaktkopf mit
einer Struktur verwendet.
Die Patentschrift US 48 178 49 offenbart ein Verfahren zum
Kontaktieren unter Verwendung von elektrischem Strom, wobei
jedoch ein zu kontaktierender Draht nicht auf dem Substrat
bzw. der Kontaktfläche bewegt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die
erfindungsgemäße elektronische Schaltung mit den
kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen 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. Erfindungsgemäß ist es
vorteilhaft, einen Kontaktkopf vorzusehen, der vorzugsweise
strukturiert ist, um unter minimaler 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.
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.
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 Kontaktdraht 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.
Die
Kontaktfläche des Kontaktkopfs kann außer
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 (7)
1. Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer auf einem
Substrat, insbesondere keramischen Substrat (1),
angeordneten elektrischen Schaltung, wobei 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, wobei der Kontaktdraht einen Kontaktkopf (4) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Kontaktfläche in
Berührung stehende Seite des Kontaktkopfs vor dem
Verschweissen eine Struktur aufweist, wobei die Struktur als
Rillenstruktur vorgesehen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kontaktdraht unter Anwendung eines mechanischen Drucks
an der Kontaktfläche angeschweisst wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung eine Drehbewegung
parallel zur Oberfläche ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
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.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die die Kontaktfläche berührende
Seite des Kontaktkopfes (4) 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.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktkopf einen größeren
Durchmesser aufweist als der Durchmesser des Kontaktdrahts.
7. Elektrische Schaltung mit mindestens einem die
elektrische Schaltung auf einer Kontaktfläche
kontaktierenden Kontaktdraht, wobei der Kontaktdraht
verbindungsstoffrei unter gerichteter Bewegung des
Kontaktdrahts und/oder unter Einwirkung eines zwischen dem
Kontaktdraht und der Kontaktfläche fließenden elektrischen
Stroms angeschweisst worden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kontaktdraht einen Kontaktkopf (4) aufweist, wobei
die mit der Kontaktfläche in Berührung stehende Seite des
Kontaktkopfs vor dem Verschweissen eine Struktur aufweist,
wobei die Struktur als Rillenstruktur vorgesehen ist.
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