DE2117583A1

DE2117583A1 - Ultraschall Schweißspitze und Ver fahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE2117583A1
Application number: DE19712117583
Authority: DE
Inventors: Kailash Chandra Johnson City Lee Franklin Fong Ming Endwell N Y Joshi (V St A ) P
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-05-04
Filing date: 1971-04-10
Publication date: 1971-11-18
Also published as: GB1335093A; DE2117583C3; US3711341A; CA945789A; FR2092539A5; DE2117583B2; BE765070A

Description

Böblingen, den 8, April 1971 ru-ba

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket EN 969 037

Ultraschall-Schweißspitze und Verfahren zur Herstellung derselben

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ültraschall-Schweißspitzen, insbesondere zur Verschweißung von sehr dünnen Drähten auf einer anderen leitenden metallischen Oberfläche, wie z. B. zum Verbinden der Zuführungsdrähte bei mikrominiaturisierten Halbleiterbauelementen, sowie den Aufbau derartig hergestellter Schweißspitzen.

Mit der zunehmenden Verwendung von Miniaturschaltungen und Schaltmodulen wuchs auch der Bedarf für ein unabhängiges kompaktes Verbindungsgerät zur Befestigung von Drähten und Elementen auf Schaltkarten. Allgemein bekannt ist die Ultraschallschweißung, jedoch wird ihre weitgehende Verwendung bei Miniaturschaltungen dadurch behindert, daß Umfang und Form des Schweißgerätes nicht zu den üblichen kleinen Abmessungen der bei der Schweißung beteiligten Elemente passen. Das typische Ultraschall-Schweißgerät besteht aus einer Schweißspitze, die den zu schweißenden Draht relativ zur Schaltkarte in Schwingungen versetzt. Die Spitze ist ungefähr rechtwinklig zu einem Bauteil angeordnet, welches die

109847/1173

Ultraschallschwingungen verstärkt überträgt und Horn genannt wird. An dem der Spitze gegenüberliegenden Ende des Homes ist ein relativ großer Treiberzapfen angebracht. Die Schweißspitze besteht bei den bekannten Schweißgeräten aus massivem Material, wie z. B. Stahl. Bisher glaubte man, die Probleme der Heranführung der Schweißspitze an die zu schweißenden Drähte durch einfache Verlängerung der Schweißspitze lösen zu können, wodurch die ganze Antriebsbaugruppe weiter von der Oberfläche der Schaltkarte entfernt wurde. Die Schweißspitze ist jedoch in bezug auf ihre mögliche Länge stark beschränkt, da sie bei Erregung durch den Schwingungsübertrager oder das Horn sich nicht nur hin- und herbewegt, sondern ihre eigene sinusförmige Schwingung ausführt, d. h. auf der Schweißspitze selbst liegt eine stehende Welle. Mit zunehmender Länge der Schweißspitze nimmt auch ihre relative Flexibilität zu. Der SchweißVorgang, der dadurch ausgelöst wird/ daß der Endpunkt der Schweißspitze einen Draht relativ zur Schaltkarte in Schwingungen versetzt, hört auf, wenn eine dünne Schweißspitze aus massivem Material eine gewisse, Länge z. B. ca. 25 mm überschreitet. Nachdem die Schweißspitze nämlich ihre höchstzulässige Länge erreicht hat, ruht das Ende der Schweißspitze nur auf der Oberfläche der Schaltkarte, während ihr eigentlicher Schaft sinusförmig hin- und herschwingt, d. h. die Länge der Spitze gekoppelt mit ihrer Flexibilität zerstört die Möglichkeit des Ultraschallschweißens, d. h. Energie auf den Draht und auf die Schaltkartenoberfläche zu übertragen. Damit ist eindeutig gezeigt, daß die bisher bekannten massiven Schweißspitzen nicht den Anforderungen genügen, die an sie gestellt werden, wenn Ultraschallschweißgeräte für die Verbindung von Drähten und Elementen mit äußerst kleinen Dimensionen verwendet werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von verbesserten Schweißspitzen und den Aufbau einer Schweißspitze mit wesentlich besseren Eigenschaften zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfah-

109847/1 173

Docket EN 969 037

ren zur Herstellung von Schweißspitzen, das dadurch charakterisiert ist, daß ein pulverisiertes Material mit einer Korngröße von ca. 10 bis 100 Mikron in einer Preßform zusammengedrückt wird, wonach es unter Einwirkung von hoher Temperatur von Schmiermitteln befreit wird, daß die gepreßten Stäbe anschließend gesintert werden, wonach sie nochmals einem hohen Druck ausgesetzt werden und daß danach die Stäbe in einem endothermischen Vorgang abgekühlt und eine bestimmte -Zeit getempert werden, wonach die eigentliche Schweißspitze durch spahnabhebende Formgebung am Stab angebracht wird.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht im Aufbau einer Schweißspitze, die aus einem gesinterten Stab mit rundem oder rechteckigem Querschnitt besteht und an einem Ende eine Spitze oder eine Schneide aufweist.

Der Vorteil der gesinterten Schweißspitzen besteht insbesondere in der hohen Zug- und Druckfestigkeit sowie in der hohen Standfestigkeit, die es ermöglichen, daß ein sauberer Schweißvorgang durch Schwingungsübertragung stattfinden kann und dabei eine minimale Abweichung aus der gewünschten Lage ermöglicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher erklärt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Ultraschallgebers, die

Schweißspitze und das Horn;

Fig. 2 eine Vorderansicht der Schweißspitze; Fig. 3 eine Seitenansicht der Schweißspitze; Fig. 4 eine Unteransicht der Schweißspitze;

Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht des Teiles A der

Fig. 3 der Schweißspitze und

109847/1173
Docket EN 969 037

Fig· 6 eine vergrößerte Vorderansicht des Teiles A der

Fig. 3.

Das in Fig. 1 gezeigte Gerät umfaßt einen Ultraschallgeber 10 zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Ultraschallschwingungen. Der Geber 10 ist über ein Horn 11 mit einer Schweißspitze 12 verbunden. Das Horn 11 wird zu Schwingungen in der durch die Zeile angegebenen oder in einer anderen zum Schweißen geeigneten Richtung veranlaßt. Gegenüber der Spitze 12 befindet sich eine Schaltkarte 13 mit einem daraufgeätzten Leitungsmuster 14 mit Anschlußsockeln oder ähnlichem. Ein feiner Draht 15 von z. B. 2,5 mils wird durch das Ende der Spitze 12 mit dem Sockel 14 in Berührung gehalten.

Nach dem Erfindungsgedanken sind die Schweißspitzen der Ausführungsbeispiele vorzugsweise aus reinem Stahlpulver hergestellt. Im Idealfall sind die Spitzen aus gesinterten Blocks geformt, die aus reinem Stahlpulver von 40 Mikron Große hergestellt sind.' Der gesinterte Block hat eine Zugfestigkeit von ungefähr 8000 Pfund pro Quadratzoll, eine Dichte von 7,25 g pro cm und eine Knoophärte von etwa 250. Obwohl die Härte für dieses Material relativ zu keramischen Materialien sehr niedrig liegt, liegen Dehnbarkeit und Ermüdungseigenschaften wesentlich höher.

Das Herstellungsverfahren für die Schweißspitze umfaßt, kurz gesagt, die Verdichtung, Sinterung, das Schleifen und Einkerben der Spitzen sowie eine anschließende Warmbehandlung. Die Form der Schweißspitze ist typischerweise ein langer zylindrischer Stiel mit einem abgeschrägten Ende und kann entweder einen kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt haben. Die Abmessungen der Spitze hängen von der Frequenz, der Drahtgröße und der Drahtdichte in dem Bereich ab, wo die Schweißspitze zum Schweißen benutzt wird. Ein Beispiel für die Spitzenmaße ist in den Fign. 2 bis 6 gezeigt. Diese spezielle Spitze wird für eine besondere Anwendung zum Schweißen von 2 bis 3 mils Drähten in einer sehr dichten Anordnung benutzt. Die Form und Abmessungen der Spitze können sich

DocKet EH 969 037 109847/1173

wesentlich ändern, ohne daß die Schweißcharakteristik dadurch beeinflußt wird.

Die Spitzen werden folgendermaßen hergestellt. Das Ausgangsmaterial ist ein Pulver von 20 bis 60 Mikron Korngröße mit einer den Nennwerten entsprechenden Reinheit. Die Materialien können reiner Stahl oder dergleichen sein. Die Spitze wird durch Komprimierung und Sinterung auf eine zylindrische Form gebracht, die denselben Durchmesser hat wie die resultierende Spitze. Es kann jedoch auch ein kompakter Block geformt werden, aus welchem der Stiel und die Spitze spahnabhebend gearbeitet werden. Ein Beispiel für die Sinterung und Wärmebehandlung eines reinen Stahlblockes ist in den folgenden Verfahrensschritten gegeben: .

(a) pulverisierter reiner Stahl in einer Korngröße von 20 bis 60 Mikron wird mit einem Druck von 50 Tonnen pro Quadratzoll zusammengedrückt. Andere Zusätze zu den Metallpulvern sind 3/4 % Lithiumstearat und 0,15 % Graphit. Die Dichte der zusammengedrückten Stäbe liegt bei etwa 6,45 g pro cm .

(b) Schmiermittel werden abgebrannt, indem man das Stück etwa 20 Minuten lang in Luft einer Temperatur von 1000 ⁰F aussetzt.

(c) Die Stäbe werden bei 2350 ⁰F etwa 60 Minuten lang in dissoziiertem Ammoniak (NH₃) gesintert.

(d) Die Stäbe werden wieder mit 50 Tonnen pro Quadratinch gedrückt.

(e) die Stäbe werden bei 1800 ⁰F in einer endotherraischen Atmosphäre (+54 ⁰F) ungefähr 30 Minuten lang in Luft gekühlt und dann bei 400 ⁰F ebenfalls in Luft etwa 30 Minuten lang getempert. Die mechanischen Eigenschaften der Rohlinge sind: Dicke 7,15 g pro cm , Rockwell-

1098A7/1 173

Docket EN 969 037

härte B 86, Scherfestigkeit 180 Pfund pro Quadratinch.

Die Spitzen werden dann durch jedes geeignete spahnabhebende oder schleifende Verfahren auf ihre endgültige Form und Größe gebracht. Bei dieser Bearbeitung wird eine Fluchteinrichtung vorgesehen, die aus einer Bohrung oder Abflachung in der Spitze besteht und die Lagerung und Halterung der Spitze in dem Ultraschall-Schweißgerät ermöglicht.

Auf Wunsch kann durch Vor- und Rückwärtsbewegung eines Wolframdrahtes auf dem flachen Spitzenende eine Kerbe in die Spitze eingearbeitet werden. Durch geeignete Halterung können Tiefe und Breite der Kerbe gesteuert werden. Die Kerbe kann aber auch durch ein Schleifrad eingeschliffen werden. Außerdem kann die Spitze chemisch-mechanisch eingekerbt werden. Die Wahl der jeweiligen Kerbtechnik hängt von der gewünschten Reproduzierbarkeit der Kerbe ab. Im Ausführungsbeispiel wurde ein mit Diamantstaub geladenes Schleifrad zur Erzeugung des am ehesten zufriedenstellenden Ergebnisses für den spezifischen Anwendungszweck der Schweißspitzen benutzt.

Nach dem Abschleifen und Einkerben werden die Spitzen durch Eintauchen in eine 10 bis 15 %ige Schwefellösung bei 160 ⁰F für ungefähr 3 Minuten und anschließendes Tauchen während ungefähr 1 Hinute in eine Lösung aus 10 % Salpetersäure und 1 % Flußsäure bei 140 ⁰F gereinigt. Ein sorgfältiges Abspülen in Wasser beendet den Reinigungsprozeß.

Für Versuchszwecke wurden Schweißspitzen entsprechend den Darstellungen in den Fign. 2 bis 6 hergestellt. Das Spitzenende besteht aus einem 6 mil großen flachen Quadrat mit einer zwei mil breiten und 1 mil tiefen Kerbe. Einige Spitzen wurden mit einem 1,5 mil dicken Wolframdraht unter Verwendung einer Diamantenpaste Nr. 9 eingekerbt. Andere wurden wannbehandelt während bei wieder anderen Spitzen die Warmbehandlung weggelassen wurde. Bei noch anderen Spitzen erfolgte die Einkerbung mit einem Schleifrad, welches

10

Docket EN 969 037

mit Dlamantenspllttem besetzt war und dann wurden diese Spitzen warmbehandelt. Bel noch anderen Probestücken wurden die Spitzen zuerst warmbehandelt und dann eingekerbt. In allen Fällen wurden die warmbehandelten Spitzen chemisch zur Entfernung von Oberflächenverunreinigungen nachbehandelt. Die Versuchsergebnisse zeigen, daß die Schweißspitzen, die nicht warmbehandelt wurden, eine wesentlich größere Abnutzung aufwiesen. Die warmbehandelten Spitzen zeigten eine wesentliche Verbesserung des Abnutzungswiderstandes. Die Ultraschall-DrahtschweiBungen, die mit aus gesintertem Metall hergestellten Schweißspitzen ausgeführt wurden, wiesen ausgezeichnete Zugfestigkeit und eine minimale Abweichung aus ihrer vorgesehenen Lage auf.

109847/1173

Docket EN 969 037

Claims

PATEN TANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von Ultraschall-Schweißspitzen, die insbesondere zur Verschweißung von sehr dünnen Drähten auf einer anderen leitenden metallischen Oberfläche, wie z. B. zum Verbinden der Zuführungsdrähte bei mikrominiaturisierten Halbleiterbauelementen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß ein pulverisiertes Material mit einer Korngröße von ca. IO bis 100 Mikron in einer Paßform zusammengedrückt wird, wonach es unter Einwirkung von hoher Temperatur von Schmiermitteln befreit wird, daß die gepreßten Stäbe anschließend gesintert werden, wonach sie nochmals einem hohen Druck ausgesetzt werden und daß danach die Stäbe in einem endothermischen Vorgang abgekühlt und eine bestimmte Zeit getempert werden, wonach die eigentliche Schweißspitze durch spa/inabhebende Formgebung am Stab angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu sinternde pulverisierte Material aus reinem Stahl in einer Korngröße von 20 bis 60 Mikron besteht, dem vor dem Preßvorgang Zusätze aus anderen Metallpulvern, wie 3/4 % Lithiumstearat und 0,15 % Graphit beigemischt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze an dem gesinterten Stab durch einen SchleifVorgang angebracht wird und daß nach dem Schleifen und Einkerben die Spitze in eine 10 bis 15 %ige Schwefellösung bei einer bestimmten Temperatur eingetaucht wird, wonach diese Spitze anschließend in einer Lösung aus 10 % Salpetersäure und 1 % Flußsäure gereinigt wird.

4. Schweißspitze hergestellt nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus ei-

Döck-et EN 969 037 109847/1173

nem gesinterten Stab mit rundem oder rechteckigem Querschnitt besteht, und an einem Ende eine Spitze oder eine Schneide aufweist.

5. Schweißspitze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze eingekerbt ist.

10 9847/1173

Docket EN 969 037

Leerseite