DE1281812B

DE1281812B - Vorrichtung zum Anschweissen von duennen Draehten an Halbleiterbauteile mit Hilfe der Pressschweissung (Kalt- und Warmschweissung), mit einer Zufuhr fuer den Draht an einem den Pressdruck auf den Draht uebertragenden Schweisskopf

Info

Publication number: DE1281812B
Application number: DEW32871A
Authority: DE
Inventors: Arthur Julian Avila; Steven Joseph Buzash; Robert Powell Clagett; Ralph Eckel Thomas
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-08-30
Filing date: 1962-08-30
Publication date: 1968-10-31
Also published as: BE621898A; CH396223A; GB1007459A; AT240911B; US3128648A; DE1281812C2; FR1337545A; SE317447B; NL282318A; US3128649A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B 23 k

Deutsche KL; 49 h -19/00

Nummer: 1281812

Aktenzeichen: P 12 81 812.1-14 (W 32871)

Anmeldetag: 30. August 1962

Auslegetag: 31. Oktober 1968

Bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen, insbesondere Transistoren, ist es mitunter notwendig, eine Drahtzuleitung, die oft dünner als ein menschliches Haar ist, an einem bestimmten Bereich des Halbleiterbauteiles anzuschweißen. Häufig liegen diese Bereiche so dicht beieinander, daß es notwendig ist, Drähte von der Größenordnung 10 Mikron zu verwenden, um einen Kurzschluß dieser Bereiche zu vermeiden. Um die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers nicht zu ändern, müssen solche Schweißstellen mit einem Minimum an Wärme und Druck ausgeführt werden, sie werden demgemäß bevorzugt durch Ultraschallschweißunghergestellt. Unabhängig jedoch vom im Einzelfall verwendeten Schweißverfahren ist es jedoch sehr wichtig, am Schweißkopf eine wirkungsvolle, als Zwingeneinrichtung dienende Drahtführung zum festen Greifen des anzuschweißenden Drahtes vorzusehen und die Schweißenergie auf die Verbindungsstelle zu beschränken. Nur bei einem sicheren Erfassen des anzuschweißenden Drahtes und bei entsprechender Konzentration der Schweißenergie auf die Verbindungsstelle können übermäßige Deformation, Rückschweißungen und Energieverluste ausgeschaltet werden.

Bei den sehr dünnen Drähten ist das einwandfreie Erfassen des Drahtes durch den Schweißkopf schwierig, weil es nicht möglich ist, solche dünne Drähte mit gleichbleibendem Durchmesser herzustellen. Es muß daher von der Zwingeneinrichtung am Schweißkopf verlangt werden, daß sie auch Drähte mit wechselnden Durchmessern sicher ergreift.

Gemäß der Erfindung werden die vorstehenden Schwierigkeiten bei einer Vorrichtung der einleitend beschriebenen Art dadurch vermieden, daß das an den Drähten zur Anlage kommende Ende des Schweißkopfes (Schweißende) quer zur Richtung der Drahtführung aus einen Zylinder (Draht) tangierenden Flächen besteht.

Diese Flächen können beispielsweise durch eine V-Nut oder durch zwei aneinander anliegende parallele Zylinder gebildet sein. Mit einem solcherart ausgebildeten Querschnitt der als Zwinge dienenden Drahtführung, welcher als wesentliches Merkmal zum kreisförmigen Drahtquerschnitt geometrisch unähnlich ist, ist es ohne weiteres möglich, Drähte, die große Querschnittstoleranzen besitzen, sicher und einwandfrei zu erfassen. Dies wäre bei Wahl eines geometrisch ähnlichen Querschnittes für die Drahtführung nicht möglich. (Ein solcher Zwingenquerschnitt ist beispielsweise bei einer bekannten, zur Verschweißung wesentlich größerer Profilstäbe vorgesehenen Sonotrode verwendet.)

Vorrichtung zum Anschweißen von dünnen
Drähten an Halbleiterbauteile mit Hilfe der
Preßschweißung (Kalt- und Warmschweißung), mit einer Zufuhr für den Draht an einem den
Preßdruck auf den Draht übertragenden
Schweißkopf

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

6200 Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Arthur Julian Avila, Flemington, N. J.;

Steven Joseph Buzash, Riverside, N. J.;

Ralph Eckel Thomas,

Robert Powell Clagett, Yardley, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. August 1961
(135 032, 135 051)

Es ist eine Punktschweißelektrode bekannt, die am Schweißende einen oder mehrere schwenkbar gelagerte Köpfe besitzt. Jeder dieser Köpfe trägt zwei benachbart zueinander angeordnete, parallelliegende Zylinder. Diese Zylinder dienen aber dazu, an mehreren räumlich getrennten und voneinander unabhängigen Schweißstellen gleichzeitig den für eine in einem einzigen Arbeitsgang erfolgende Schweißung erforderlichen Preßdruck auch dann zuzuführen, wenn das anzuschweißende Werkstück, z. B. eine Litze, unregelmäßige Dicke besitzt, also die einzelnen Schweißpunkte auf unterschiedlicher Höhe liegen. Das anzuschweißende Werkstück wird daher bei der bekannten Punktschweißelektrode nicht in die zwischen zwei benachbarten Zylindern vorhandene Rast eingelegt, sondern verläuft quer zu dieser über sämtliche, am Schweißende der Punktschweißelektrode vorgesehenen Zylinder hinweg. Die Problemstellung bei dieser bekannten Punktschweißelektrode weicht daher von der der Erfindung zugrunde liegenden ab.

Eine weitere Schwierigkeit bei den bekannten Verfahren zum Anschweißen dünner Zuleitungsdrähte an Halbleiterbauteile besteht darin, daß die Behand-

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lung dieser Drähte sehr genaue und zeitraubende Der Schweißkopf 11 weist einen längeren, nadel-

Sorgfalt erfordert. Für jede hergestellte Verbindung förmigen Stab 16 auf, der aus Stahl oder einem ähnhat eine Bedienungsperson das nicht unterstützte liehen Stoff hergestellt ist. Am Schweißende ist der Ende des Zuleitungsdrahtes zu untersuchen und wie- Stab mit einer ebenen Fläche 17 versehen. An dieser derholt zu kontrollieren. Dies führt nicht nur zu un- 5 Fläche 17 ist mittels Schweißstellen 18 eine als nützen Bewegungen und zu Zeitverlust, sondern es Schweißzwinge dienende Drahtführung befestigt, die ist vor allem auch unmöglich, den Schweißvorgang aus zwei parallelen, aneinander anliegenden zylinzu mechanisieren. Auch diese Schwierigkeit ist durch drischen Stäben 19 gebildet ist. Die Stäbe 19 bestehen die Erfindung behoben, da die erfindungsgemäß aus- aus einem Material, vorzugsweise aus Wolfram, das gebildete Drahtführung Doppelfunktion besitzt; sie io hart ist im Vergleich zum anzuschweißenden Draht, dient einerseits als Drahtzwinge, andererseits als Die zylindrischen Stäbe 19 (F i g. 2) bilden eine die Führungskanal für die Drahtzufuhr. Zweckmäßig ist Zwinge darstellende Vertiefung 21. Der Draht wird hierfür vorgesehen, daß die Führung für den Draht von einem Leitstück 22 her in die die Schweißlage aus einem knickfrei in das Schweißende des Schweiß- bestimmende Vertiefung 21 eingeführt. Vorzugsweise kopfes mündenden Rohr besteht. Wird dabei noch 15 haben beide Stäbe 19 etwa den doppelten Durchzwischen Rohrmündung und Schweißende des Kopfes messer des Drahtes 12, damit dieser fest ergriffen eine Drahtschere vorgesehen, deren in Richtung auf wird und damit der auszuübende Schweißdruck, z. B. das Schweißende bewegliche Scherbacke eine gegen Ultraschalldruck, an der Verbindungsstelle ausreidas Drahtende gerichtete ansteigende Fläche auf- chend konzentriert wird. Hierdurch werden Rückweist, so wird der weitere Vorteil erreicht, daß das ao schweißungen und unnötige Energieverluste praktisch Abschneiden des Drahtes und das Umlegen des aus ausgeschaltet und eine optimale geringe Verbindungsdem Schweißkopf vorstehenden verbleibenden Draht- deformation und hohe Festigkeit erhalten, endes in die Zwinge in einem Arbeitsgang zur Vor- Erfolgt die Schweißung nach dem Warmpreßbereitung des Schweißkopfes für die nächste schweißverfahren, so wird der Schweißkopf und/oder Schweißung erfolgen kann. 25 das Werkstück in bekannter Weise auf der hierfür

Zweckmäßig ist im Falle der Ultraschallschweißung erforderlichen Temperatur gehalten und mit dem erder Schweißkopf aus nichtmetallischem, hartem forderlichen Anpreßdruck auf die Verbindungsstelle Werkstoff, insbesondere aus Quarz oder aus Glas, aufgesetzt.

hergestellt. Hierdurch erhält man den Vorteil, daß Erfolgt die Schweißung mit Hilfe von Ultraschall,

eine Rückschweißung mit absoluter Sicherheit ver- 30 dann wird der Schweißkopf unter vergleichsweise mieden wird. kleinem Druck aufgesetzt und mit Hilfe eines nicht

Im folgenden ist die Erfindung an Hand mehrerer dargestellten Ultraschallgenerators zu Biegeschwinin der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele gungen angeregt. Das Schweißende des Kopfes führt beschrieben; es zeigt dabei Schwingungen in der durch die Teile 106 in

Fig. 1 eine vergrößerte Seitenansicht, teilweise 35 Fig. 2 dargestellten Richtung aus. Hierdurch entgeschnitten, einer ersten Ausführungsform, * steht eine Scheuerwirkung zwischen Draht 12 und F i g. 2 einen Teilschnitt längs der Linie 2-2 in Fläche 13. Die Amplitude der Ultraschallschwingun-F i g. 1, gen ist mit Rücksicht auf die kleinen Abmessungen F i g. 3 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Fläche 13 entsprechend klein. Die Ultraschalleiner mit der Einrichtung nach F i g. 1 und 2 her- 40 einwirkung dauert z. B. 0,05 Sekunden, wenn ein gestellten Schweißverbindung, Golddraht mit einem Durchmesser von 0,025 mm auf F i g. 4 eine vergrößerte Schnittansicht einer zwei- Aluminium angeschweißt werden soll, wobei das Auften Ausführungsform, Iagegewicht des Schweißkopfes auf der Schweißstelle F i g. 5 einen stark vergrößerten Teilschnitt längs etwa bei 10 g liegt.

der Linie 5-5 in F i g. 4, 45 Während der Einwirkungszeit wird diese Scheuer-

F i g. 6 und 7 stark vergrößerte Schnittansichten bewegung wegen der Zwingenwirkung der Vertiefung einer dritten Ausführungsform zur Darstellung auf- 21 ausschließlich auf die Verbindungsstelle konzeneinanderfolgender Schritte des Schweißvorgangs, triert. Es treten daher keine Relativbewegungen zwi-

F i g. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 in sehen Draht und Zwinge auf, wodurch Rückschwei-Fig. 7 und 50 ßungen vermieden werden, Oxyde, die an der Ver-

F i g. 9 eine vergrößerte perspektivische Ansicht bindungssteile möglicherweise vorhanden sind, werden einer mit der Einrichtung nach den F i g. 6 bis 8 her- durch diese Scheuerwirkung abgearbeitet und entgestellten Schweißverbindung. fernt; das Material des Drahtes 12 schmilzt wegen Die Figuren sind der besseren Erläuterung halber der bei dieser Scheuerwirkung auftretenden Reibungszum Teil nicht maßstabsgerecht gezeichnet. 55 wärme schließlich an der Fläche 13 an. Das Ergebnis In F i g. 1 ist ein Schweißkopf 11 zum Verbinden ist eine Schweißverbindung 105, wie sie vergrößert in eines Zuleitungsdrahtes 12 mit einer vorgegebenen F i g. 3 dargestellt ist. Eine Betrachtung der Schweiß-Anschlußstelle 13, ζ. B. einer streifenförmigen Kon- verbindung 105 zeigt, daß sich diese in Längsrichtung taktfläche, die auf einem Halbleiterkörper 14 vor- der Fläche 13 erstreckt und eine wesentliche Kontaktgesehen ist, dargestellt. Bei Hochfrequenz-Halbleiter- 60 fläche bildet. Die Schweißverbindung 105 hat somit bauteilen müssen solche Kontaktflächen geringe Aus- einen geringen elektrischen Widerstand und eine dehnung haben, z. B. 0,05 bis 0,1 mm. Der Draht 12 große mechanische Festigkeit, muß hierbei ebenfalls einen geringen Durchmesser Im allgemeinen sind bei Raumtemperatur die aufweisen, ζ. B. 0,025 mm (etwa ^%U des Durchmes- Ultraschallschwingungen ausreichend, um Gold mit sers des menschlichen Haares). Wegen der sehr guten 65 Aluminium zu verbinden. Für andere Materialien elektrischen Eigenschaften von Gold und der Ein- kann es unter Umständen erforderlich sein, den Draht fachheit, mit der dieses verarbeitet werden kann, be- 12 und/oder die Fläche 13 während der Ultraschallsteht der Draht 12 vorteilhafterweise aus Gold. einwirkung zu erwärmen.

Einer der großen Vorteile des Ultraschallschweißens besteht darin, daß die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers durch den Schweißvorgang nicht oder zumindest nicht wesentlich geändert werden.

Dies ist auf die geringe Wärme und den geringen Druck zurückzuführen, die bzw. der während des Schweißvorganges entstehen.

Als weitere Ausführungsform ist in den Fig. 4 und 5 ein Schweißkopf 111 mit einer V-Nut 121 zum Verbinden des Zuleitungsdrahtes 12 mit dem auf dem Halbleiterkörper 14 gebildeten Kontaktstreifen 13 dargestellt. Der Schweißkopf 111 weist einen Träger 115 mit einem hieran befestigten längeren, nadeiförmigen Stab 116 auf. Der Stab 116 besteht aus nichtmetallischem Material, das hart im Vergleich zu dem des Drahtes 12 ist, er besteht beispielsweise aus Glas, Quarz, Saphir, Diamant od. dgl. Durch die Verwendung eines solchen Materials für den Stab 116 sind Rückschweißungen mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen.

Die plane Fläche 117 am Schweißende des Stabes 116 geht über ein gekrümmt verlaufendes Übergangsflächenteil 118 in eine, 119, der Seitenflächen des Stabes 116 über. In die Flächenteile 117 bis 119 des Stabes ist die V-Nut 121 eingearbeitet. Sie dient zum Zuführen des Drahtes über ein Leitstück 122 zum Schweißende 117 und dort zugleich zum Festhalten des Drahtes während des Schweißvorganges. Die V-Nut 121 hat vorzugsweise ein Dreieckprofil mit einer Basis, die etwa gleich dem l,5fachen des Durchmessers (z. B. 0,05 mm) des anzubringenden Drahtes 12 ist, und mit einer Höhe von etwa ³A des Drahtdurchmessers. Im Schweißende 117 ist die Basis der V-Nut 121 vorzugsweise etwa doppelt so groß wie der Durchmesser des Drahtes 12. Mit diesen Abmessungen erfaßt die V-Nut 121 den Draht 12 während des Schweißvorganges sicher. Der Schweißvorgang selbst läuft hierbei ebenso ab, wie es vorstehend bereits beschrieben worden ist. Die hierbei erhaltene Schweißverbindung hat das in F i g. 4 dargestellte Aussehen. Wegen des abgerundeten Kantenteiles 118 und damit wegen der in diesem Bereich entsprechend gekrümmten V-Nut 121 ist jedoch ein glatterer und allmählicherer Übergang von der Schweißverbindung 107 auf den sich daran anschließenden Draht 12 vorhanden. Wegen dieses glatten und allmählichen Überganges von der eigentlichen Schweißverbindung auf den nicht deformierten Draht hat diese Verbindung eine größere mechanische Festigkeit als die Verbindung 105.

In den Fig. 6 bis 8 ist eine Schweißkopfausführung 185 dargestellt, die einen längeren nadeiförmigen Stab 186, der mit einer durchlaufenden Kanüle 187 versehen ist, aufweist. Das Schweißende des Stabes 186 ist unter anderem durch Flächen 188, 189 in der dargestellten Weise pyramidenförmig zugespitzt und zur Bildung einer ebenen Scheitelfläche 193 abgestumpft. Diese das Schweißende bildende Fläche liegt senkrecht zur Längsachse der Kanüle 187.

An der Scheitelfläche 193 ist eine als Schweißzwinge dienende Drahtführung angeschweißt oder anderweitig befestigt. Die Schweißzwinge ist wie beim ersten Ausführungsbeispiel durch zwei parallele, aneinander anliegende zylindrische Stäbe 194 gebildet, deren Material, z. B. Wolfram, hart im Vergleich zum Drahtmaterial ist. Die Stäbe 194 bilden die Zwingenvertiefung 195 (F i g. 8), die gleichfalls rechtwinklig zur Kanüle 187 verläuft. Der Draht 12 wird durch die Kanüle 187 zugeführt, an einer gebrochenen Einlaufkante 197 abgebogen und liegt dann mit dem abgebogenen Endteil 196 in der Vertiefung 195. Der ίο Durchmesser der Stäbe 194 ist wiederum vorzugsweise doppelt so groß wie der Durchmesser des anzuschweißenden Drahtes 12, damit optimal geringe. Quetschung und hohe Festigkeit an der Verbindungsstelle erhalten wird. Ferner sind auch die Stäbe 194 am kanülenseitigen Ende abgeschrägt, um den Krümmungsradius der Drahtbiegung ausreichend groß zu halten. Eine Drahtschere 213 mit einer zum Schweißkopf hin ansteigenden Scherbacke 214 liegt unterhalb des Schweißkopfes.

ao Bei einer Scherbewegung der Drahtschere 213 quer zur Achse des Schweißkopfes wird der Draht abgeschnitten und zugleich der verbleibende vorstehende Teil 196 des Drahtes 12 durch die ansteigende Fläche 216 der Scherbacke 214 um etwa 90° abas gebogen, so daß er genau mit der Vertiefung 195 ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird das Abscheren und das genaue Ausrichten des Drahtendes in einem einzigen Schritt erreicht. Die Länge des verbleibenden vorstehenden Teiles 196 des Drahtes 12 ist durch die gegenseitige Lage von Drahtschere und Schweißkopf bestimmt und richtet sich nach dem Einzelfall.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Anschweißen von dünnen Drähten an Halbleiterbauteile mit Hilfe der Preßschweißung (Kalt- und Warmschweißung), mit einer Zufuhr für den Draht an einem den Preßdruck auf den Draht übertragenden Schweißkopf, dadurch gekennzeichnet, daß das an den Drähten zur Anlage kommende Ende des Schweißkopfes (Schweißende) quer zur Richtung der Drahtführung aus einen Zylinder (Draht) tangierenden Flächen besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 für Ultraschallschweißung, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißende des Kopfes aus nichtmetallischem, hartem Werkstoff, insbesondere Quarz oder Glas, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung für den Draht aus einem knickfrei in das Schweißende des Kopfes mündenden Rohr besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Drahtschere zwischen Rohrmündung und Schweißende des Kopfes, deren in Richtung auf das Schweißende bewegliche Scherbacke eine gegen das Drahtende gerichtete ansteigende Fläche (216) aufweist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 1090 934;
USA.-Patentschriften Nr. 2 655 583, 2 985 954.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen