DE10211264B4

DE10211264B4 - Ultraschallbondierungsverfahren für beschichtete elektrische Drähte und Ultraschallbondierungsvorrichtung, die dieses verwendet

Info

Publication number: DE10211264B4
Application number: DE10211264.9A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Kondo
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: GB2373207A; GB2373207B; JP2002280140A; DE10211264A1; GB0204222D0; US6935551B2; JP4202617B2; US20040232208A1

Abstract

Gekreuzte Teile (C) von beschichteten elektrischen Drähten (20) und (21) werden zwischen einem Hornseiten-Chip (11) und einem Ambossseiten-Chip (12) in Sandwichbauweise angeordnet und gedrückt (Schritt zum Anordnen in Sandwichbauweise). Eine Ultraschallschwingungskraft, die durch einen ersten Schwingungszustand bestimmt ist, wird an den Hornseiten-Chip (11) angelegt, um Isolierungen (20a) und (21a) der beschichteten elektrischen Drähte (20) und (21) zu schmelzen (Isolierschmelzschritt). Ein Zeitpunkt, zu welchem Leiter (20b) und (21b) der beschichteten elektrischen Drähte (20) und (21) in Kontakt miteinander gelangen, wird durch das Schmelzen der Isolierungen (20a) und (21a) automatisch erfasst (Leiterkontakt-Erfassungsschritt). Nachdem die Leiter in Kontakt miteinander gelangten, wird eine Ultraschallschwingungskraft, die durch einen zweiten Schwingungszustand bestimmt ist, an den Hornseiten-Chip (11) angelegt, um dadurch die Leiter (20b) und (21b) aneinander zu bondieren (Leiterbondierungsschritt).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallbondverfahren für isolierend-beschichtete elektrische Drähte, wobei sich zu bondende isolierend-beschichtete elektrische Drähte gegenseitig kreuzen, ohne eine Isolierung zu entfernen, und gekreuzte Teile der Drähte durch eine Ultraschallschwingung miteinander verbunden bzw. gebondet werden. Die Erfindung betrifft auch eine Ultraschallbondvorrichtung, die das Verfahren verwendet.
Beim Ultraschallbonden isolierend-beschichteter elektrischer Drähte werden die isolierend-beschichteten elektrischen Drähte gleichzeitig einer Ultraschallschwingung und einer Druckkraft ausgesetzt, um dadurch die Drähte aneinander zu bonden bzw. miteinander zu verbinden. Das Ultraschallbonden ist eine Technik zum Verbinden elektrischer Drähte miteinander, wie sie in JP H9-29445 A offenbart ist.
Bei dieser Technik werden obere und untere Teile gekreuzter Teile der elektrischen Drähte, die miteinander zu verbinden sind, in Sandwichbauweise zwischen einem Hornseiten- bzw. Armseiten-Chip bzw. -Plättchen (im Folgenden: Horn) und einem Ambossseiten- bzw. Ambossschenkel-Chip bzw. -Plättchen (im Folgenden: Amboss) angeordnet. In diesem Zustand wird eine Ultraschallschwingung an das Horn angelegt, um dadurch die elektrischen Drähte an den gekreuzten Teilen miteinander zu verbinden bzw. zu bonden.
Au DE 196 36 217 A1 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von Drähten mit isolierendem Lacküberzug bekannt, die eine Sonotrode (Horn) zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen und einen Amboss aufweist, die jeweils ein Profil zur Aufnahme eines oder mehrerer Drähten aufweisen. Die erzeugte Ultraschallschwingung dient sowohl der Entfernung der Lackisolierung als auch dem Verschweißen der Leiter.
Bei der herkömmlichen Bondoperation von elektrischen Drähten unter Verwendung der Ultraschallschwingung müssen jedoch dann, wenn die elektrischen Drähte isolierend-beschichtete elektrische Drähte sind, nachdem Isolierungen geschmolzen und entfernt sind, Leiter bzw. Leitungen in den Isolierungen aneinander gebondet werden. Wenn die beschichteten elektrischen Drähte aneinander zu bonden sind, wird ein Schwingungszustand der Ultraschallschwingung, die an das Horn anzulegen ist, durch eine Druckkraft, eine Frequenz, eine Amplitude und ähnliches bestimmt, aber ein Schwingungszustand ist dann anders, wenn die Isolierungen geschmolzen sind und wenn die Leiter aneinander gebondet sind. Daher ist das Einstellen von Bedingungen bzw. Zuständen, die beiden Schwingungszuständen genügen, kompliziert und die Bedingungs- bzw. Zustandseinstellung wird auf einfache Weise in Abhängigkeit von einer positionsmäßigen Abweichung von Leitern oder von einer Einstellabweichung zur Zeit einer Druckausübung variiert. Somit hängt die Bondoperation von elektrischen Drähten stark von einer Vermutung oder einem Bediener ab, und es ist schwierig, einen einheitlichen Verbindungszustand zu erhalten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallbondverfahren und eine Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte zu schaffen, durch das bzw. bei der ein einheitlicher Verbindungszustand gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschallbondverfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Ultraschallbondvorrichtung gemäß Patentanspruch 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist es durch geeignetes Einstellen des ersten Schwingungszustands der beim Isolierschmelzschritt verwendeten Ultraschallschwingung und des beim Leitungsbondschritt verwendeten zweiten Schwingungszustands der Ultraschallschwingung in optimalen Zuständen möglich, die Isolierung zu schmelzen und die Leitungen aneinander zu bonden. Zu diesem Zeitpunkt kann der Kontakt zwischen den Leitungen der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte durch den Leitungskontakt-Erfassungsschritt automatisch erfasst werden, können die Bedingungen bzw. Zustände automatisch zwischen dem Isolierschmelzschritt und dem Leitungsbondschritt umgeschaltet werden, kann eine Reihe bzw. Aufeinanderfolge von Verbindungsoperationen, bei welchen die Isolierungen geschmolzen und entfernt werden und die Leitungen aneinander gebondet werden, auf einfache Weise und stabil ausgeführt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Prozesses, bei welchem das Schmelzen von einem Zustand aus, in welchem die Leitungen in Kontakt miteinander zu gelangen beginnen, fortschreitet, der Kontaktbereich zwischen den Leitungen vergrößert und wird das Kontaktierungs-Fortschrittsausmaß durch die Variation des Kontaktbereichs beurteilt. Daher kann der Bondzustand zwischen den Leitungen gemäß dem Fortschrittsausmaß durch Variieren der Ultraschallschwingungen optimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, den Kontaktbereich zwischen den Leitungen durch die Variation bezüglich des Widerstandswerts zwischen dem Horn und dem Amboss genau zu erfassen. Daher ist es möglich, das Bond-Fortschrittsausmaß auf einfache Weise und genau abzuschätzen und den zweiten Schwingungszustand geeignet zu variieren.
Erfindungsgemäß können in einem Zustand, in welchem die gekreuzten Teile der beschichteten elektrischen Drähte zwischen dem Horn und dem Amboss in Sandwichbauweise angeordnet sind und gedrückt werden, wenn die Ultraschallschwingung vom Ultraschallvibrator zum Horn ausgegeben wird, die gekreuzten Teile der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte durch die Ultraschallschwingung geschmolzen werden. Zu dieser Zeit wird die Ultraschallschwingungs zum Schmelzen der Isolierungen durch den ersten Schwingungszustand bestimmt, und wird die Ultraschallschwingung zum Bonden der Leitungen aneinander durch den zweiten Schwingungszustand bestimmt. Durch derartiges Einstellen des ersten Schwingungszustands und des zweiten Schwingungszustands, dass der Schmelzzustand der Isolierungen und der Bondzustand der Leitungen optimal wird, kann eine Reihe bzw. Aufeinanderfolge von Verbindungsoperationen, bei welchen die Isolierungen geschmolzen und entfernt werden und die Leitungen aneinander bondiert werden, auf einfache Weise und stabil ausgeführt werden.
Daher kann die Ultraschallschwingung zwischen einem Fall, in welchem die Leitungen in Kontakt zueinander zu gelangen beginnen und der Kontaktbereich klein ist, und einem Fall, in welchem das Schmelzen der Leitungen fortschreitet und der Kontaktbereich vergrößert ist, variiert werden, und es ist möglich, den Bondzustand zwischen den Leitungen gemäß dem Fortschreitungsausmaß zu optimieren.
Fernerist es deshalb, weil es möglich ist, den Kontaktbereich zwischen den Leitern durch die Variation des Widerstandswerts zwischen dem und dem Amboss genau zu erfassen, möglich, das Bond-Fortschrittsausmaß auf einfache Weise und genau abzuschätzen und den zweiten Schwingungszustand geeignet zu variieren.
Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm eines eingestellten Zustands eines isolierend-beschichteten elektrischen Drahts gemäß einem Ausführungsbeispiel einer Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Blockdiagramm eines Schritts zum Anordnen des isolierend-beschichteten elektrischen Drahts in Sandwichbauweise gemäß dem Ausführungsbeispiel der Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte der Erfindung;
3 ist ein Blockdiagramm eines Isolierschmelzschritts des Ausführungsbeispiels der Ultraschallbondvorrichtung für beschichtete elektrische Drähte der Erfindung; und
4 ist ein Blockdiagramm eines Leitungsbondschritts der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte des Ausführungsbeispiels der Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte der Erfindung.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
Ein Ultraschallbondverfahren für beschichtete elektrische Drähte des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird durch eine in 1 gezeigte Ultraschallbondvorrichtung 10 erreicht. Die Ultraschallbondvorrichtung 10 weist ein Hornseiten-Chip 11 (im Folgenden: Horn) und ein Ambossseiten-Chip 12 (im Folgenden: Amboss) auf, die in vertikaler Richtung derart angeordnet sind, dass sie einander gegenüberliegen. Beschichtete elektrische Drähte 20 und 21, die miteinander zu verbinden sind, sind zueinander gekreuzt und zwischen dem Horn 11 und dem Amboss 12 angeordnet. Das Horn 11 ist in vertikaler Richtung bewegbar und der Amboss 12 ist fixiert. Wenn das Horn 11 abgesenkt wird, werden die gekreuzten Teile C der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21, die zwischen den Horn/Amboss 11 und 12 angeordnet sind, unter einer geeigneten Druckkraft in einer Druckrichtung P in Sandwichbauweise angeordnet.
Ein Ultraschallvibrator 13 ist mit dem Horn 11 verbunden. Eine Ultraschallschwingung, die durch den Ultraschallvibrator 13 erzeugt wird, wird in das Horn 11 einleitet. Es wird zugelassen, dass ein Strom zwischen dem Horn 11 und dem Amboss 12 fließt. Eine Erfassungseinrichtung 14 ist zwischen Horn und Amboss 11 und 12 zum Erfassen einer Variation eines elektrischen Widerstandswerts zwischen Horn und Amboss 11 und 12 vorgesehen. Ein Erfassungssignal der Erfassungseinrichtung 14 wird zur Steuereinrichtung 15 ausgegeben, die Schwingungszustände der Ultraschallschwingung ändert, die durch den Ultraschallvibrator 13 erzeugt wird.
Der Ultraschallvibrator 13 bestimmt eine optimale Ultraschallschwingung zum Schmelzen von Isolierungen 20a und 21a der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 durch einen ersten Schwingungszustand und bestimmt eine optimale Ultraschallschwingung zum Bonden der Leitungen 20b und 21b der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 durch einen zweiten Schwingungszustand. Wenn die Erfassungseinrichtung 14 einen Zeitpunkt erfasst, zu welchem die Leitungen 20b und 21b der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 in Kontakt miteinander gelangen, d. h. einen Zeitpunkt, zu welchem Horn und Amboss 11 und 12 durch die beiden Leitungen 20b und 21b in einen leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, werden der erste Schwingungszustand und der zweite Schwingungszustand umgeschaltet.
Daher werden bei dem Ultraschallbondverfahren für beschichtete elektrische Drähte 20 und 21 unter Verwendung der Ultraschallbondvorrichtung 10 zuerst, wie es in 2 gezeigt ist, die gekreuzten Teile C der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 zwischen dem Horn 11 und dem Amboss 12 angeordnet und gedrückt (Schritt zum Anordnen in Sandwichbauweise). Als nächstes wird, wie es in 3 gezeigt ist, eine Ultraschallschwingung, die durch den ersten Schwingungszustand bestimmt wird, an das Horn 11 angelegt, um dadurch die Isolierungen 20a und 21a der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 zu schmelzen (Isolierschmelzschritt). Dann wird, wie es in 4 gezeigt ist, ein Zeitpunkt, zu welchem die Leitungen 20b und 21b der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 durch Schmelzen der Isolierungen 20a und 21a in Kontakt miteinander gelangen, durch die Erfassungseinrichtung 14 automatisch erfasst (Leitungskontakt-Erfassungsschritt). Dann wird, nachdem die Leitungen 20b und 21b in Kontakt miteinander gelangten, eine Ultraschallschwingung, die durch den zweiten Schwingungszustand bestimmt wird, an das Horn 11 angelegt, und die Leitungen 20b und 21b werden aneinander gebondet (Leitungsbondschritt).
Im zweiten Schwingungszustand, der die Ultraschallschwingung im Leitungsbondierschritt bestimmt, wird ein Kontaktbereich zwischen den Leitungen 20b und 21b erhöht, wenn die Bondoperation zwischen ihnen fortschreitet, aber das Ausmaß des Bondoperation-Fortschritts wird aus einer Variation bezüglich eines elektrischen Widerstandswerts durch die Erfassungseinrichtung 14 erfasst, und gemäß der Variation bezüglich des Widerstandswerts wird eine Steuerschwingung von der Erfassungseinrichtung 14 zum Ultraschallvibrator 13 ausgegeben, so dass ein zweiter Schwingungszustand gemäß dem Ausmaß des Bondoperation-Fortschritts variiert werden kann.
Gemäß der Ultraschallbondvorrichtung 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels mit der obigen Struktur werden, wie es in 2 gezeigt ist, die gekreuzten Teile C der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 zwischen dem Horn 11 und dem Amboss 12 in Sandwichbauweise angeordnet und gedrückt, und in diesem Zustand wird die Ultraschallschwingung vom Ultraschallvibrator 13 zum Horn 11 ausgegeben, um dadurch die beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 an den gekreuzten Teilen C durch die Ultraschallschwingung zu verbinden. Zu dieser Zeit wird, wie es in 3 gezeigt ist, wenn die Isolierungen 20a und 21a der beschichteten elektrischen Drähte 20 und 21 geschmolzen sind, die vom Ultraschallvibrator 13 ausgegebene Ultraschallschwingung durch den ersten Schwingungszustand bestimmt, und die Isolierungen 20a und 21a, die vollständig aus Harz ausgebildet sind, können in einem optimalen Zustand geschmolzen werden.
Als nächstes geht die Schmelzoperation für die Isolierungen 20a und 21a weiter und gelangen die Leitungen 20b und 21b in Kontakt miteinander, wie es in 4 gezeigt ist, erfasst die Erfassungseinrichtung 14 diesen Zustand aus dem elektrischen Widerstandswert und wird der zweite Schwingungszustand automatisch zum zweiten Schwingungszustand geschaltet, so dass die vom Ultraschallvibrator 13 ausgegebene Ultraschallschwingung durch den zweiten Schwingungszustand bestimmt wird, um dadurch die Leitungen 20b und 21b aneinander zu bonden. Zu dieser Zeit können deshalb, weil der zweite Schwingungszustand durch eine Variation bezüglich des Kontaktbereichs zwischen den Leitungen 20b und 21b variabel wird, die Ultraschallschwingungen zwischen dem Zustand, in welchem der Kontakt zwischen den Leitungen 20b und 21b beginnt und der Kontaktbereich klein ist, und dem Zustand, in welchem die Schmelzoperation der Leitungen 20b und 21b fortschreitet und der Kontaktbereich groß ist, variiert werden. Mit dieser Eigenschaft kann der Bondzustand zwischen den Leitungen 20b und 21b gemäß dem Fortschrittsausmaß optimiert werden.
Bei diesem Bonden werden Oxid-Filme an den gebondeten Oberflächen der Leitungen 20b und 21b durch die Ultraschallenergie zerstört, werden Metalloberflächen gereinigt, und werden als Ergebnis aktivierte Metallatome aneinander gebondet, um dadurch die Leiter 20b und 21b aneinander zu bonden. In diesem Fall werden die Leiter 20b und 21b einem sogenannten Kaltbonden unterzogen, und zwar bei einer Temperatur, die niedriger als eine Schmelztemperatur ist.
Weiterhin erfasst die Erfassungseinrichtung 14 bei diesem Ausführungsbeispiel dann, wenn der zweite Schwingungszustand gemäß einer Änderung eines Kontaktbereichs der Leiter 20b und 21b geändert wird, die Variation bezüglich eines Widerstandswerts eines Stroms, der zwischen dem Horn 11 und dem Amboss 12 fließt. Daher ist es möglich, die Änderung des Kontaktbereichs auf einfache Weise und genau abzuschätzen und den zweiten Schwingungszustand geeignet zu ändern. Somit ist es möglich, einen konstanten Bondzustand ungeachtet dessen zu erhalten, ob ein jeweiliger der Leiter 20b und 21b ein Einzeldraht oder ein verdrillter Draht ist, oder eine Variation von Einstellzuständen oder beide der Leiter 20b und 21b.
Daher können gemäß der Ultraschallbondvorrichtung 10 dieses Ausführungsbeispiels durch derartiges Einstellen des ersten Schwingungszustands und des zweiten Schwingungszustands, die durch die Druckkraft, die Frequenz, die Amplitude und ähnliches bestimmt werden, dass Schmelzzustände der Isolierungen 20a und 21a und ein Bondzustand zwischen den Leitern 20b und 21b optimal werden, eine Reihe bzw. Aufeinanderfolge von Verbindungsoperationen, bei welchen die Isolierungen 20a und 21a geschmolzen und entfernt werden und die Leiter 20b und 21b aneinander gebondet werden, ungeachtet eines Ausmaßes einer Erfahrung eines Bedieners auf einfache Weise und stabil ausgeführt werden. Daher ist es möglich, die Stabilität der verbundenen Teile zu verbessern und die Verbindungsfähigkeit zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Ultraschallbondverfahren für beschichtete elektrische Drähte, wobei dann, wenn gekreuzte Teile von beschichteten elektrischen Drähten durch eine Ultraschallschwingung aneinander gebondet werden, Schwingungszustände der Ultraschallschwingung zwischen einer Schmelzoperation für eine Isolierung und einer Bondoperation für Leiter umgeschaltet werden, so dass beschichtete elektrische Drähte stabil aneinander gebondet werden können.

Claims

Ultraschallbondverfahren für isolierend-beschichtete elektrische Drähte zum Kreuzen isolierend-beschichteter elektrischer Drähte miteinander und zum Bonden gekreuzter Teile der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte (20, 21) aneinander durch eine Ultraschallschwingung, wobei das Ultraschallbondverfahren folgendes aufweist: einen Schritt, bei dem gekreuzte Teile der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte (20, 21) zwischen einem Horn (11) und einem Amboss (12) in Sandwichbauweise angeordnet werden; einen Isolierungschmelzschritt, bei dem eine Ultraschallschwingung, die durch einen ersten Schwingungszustand bestimmt ist, an das Horn (11) angelegt wird und Isolierungen (20a, 21a) der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte (20, 21) geschmolzen werden; einen Leiterkontakt-Erfassungsschritt, bei dem automatisch ein Zeitpunkt erfasst wird, bei dem die Isolierungen (20a, 21a) geschmolzen sind und die Leiter (20b, 21b) der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte (20, 21) in Kontakt miteinander gelangen; und einen Leiterbondschritt, bei dem eine Ultraschallschwingung, die durch einen zweiten Schwingungszustand bestimmt ist, an das Horn (11) angelegt wird, nachdem die Leiter (20b, 21b) in Kontakt miteinander gelangt sind, um dadurch die Leiter (20b, 21b) aneinander zu bonden.
Ultraschallbondverfahren für isolierend-beschichtete elektrische Drähte nach Anspruch 1, wobei beim Leiterbondschritt der zweite Schwingungszustand, der die Ultraschallschwingung bestimmt, gemäß einer Variation bezüglich eines Kontaktbereichs zwischen den Leitern (20b, 21b) variabel ist.
Ultraschallbondverfahren für beschichtete elektrische Drähte nach Anspruch 2, wobei die Variation bezüglich eines Kontaktbereichs zwischen den Leitern (20b, 21b) durch eine Variation bezüglich eines Zustandswerts eines Stroms erfasst wird, der zwischen dem Horn (11) und dem Amboss (12) fließt.
Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte (20, 21) zum Kreuzen isolierend-beschichteter elektrischer Drähte (20, 21) miteinander und zum Bonden gekreuzter Teile der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte aneinander durch eine Ultraschallschwingung, wobei die Ultraschallbondvorrichtung folgendes aufweist: ein Horn (11) und einen Amboss (12) zum Anordnen gekreuzter Teile der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte (20, 21) in Sandwichbauweise und zum Zusammendrücken der Drähte; einen Ultraschallvibrator (13), der eine Ultraschallschwingung ausgibt, die durch einen ersten Schwingungszustand bestimmt ist, der die Isolierungen (20a, 21a) der isolierend-beschichteten elektrischen Drähte (20, 21) schmelzt, und der eine Ultraschallschwingung ausgibt, die durch einen zweiten Schwingungszustand bestimmt ist, der die Leiter (20b, 21b) aneinander bondet, nachdem die Leiter der isolierende-beschichteten elektrischen Drähte in Kontakt zueinander gelangten.
Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte nach Anspruch 4, die weiterhin folgendes aufweist: eine Erfassungseinrichtung (14) zum Erfassen einer Variation in bezug auf einen Kontaktbereich zwischen den Leitern (20b, 21b), und eine Steuereinrichtung (15) zum Ändern des zweiten Schwingungszustands, der die Ultraschallschwingung bestimmt, gemäß einer Variation bezüglich des Kontaktbereichs, der durch die Erfassungseinrichtung (14) erfasst wird.
Ultraschallbondvorrichtung für isolierend-beschichtete elektrische Drähte nach Anspruch 5, wobei die Erfassungseinrichtung (14) eine Variation bezüglich eines Widerstandswerts eines Stroms erfasst, der zwischen dem Horn (11) und dem Amboss (12) fließt.