DE2117583B2 - Verfahren zur Herstellung ge sinterter Ultraschall Schweißspitzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- würden.

lung gesinterter Ultraschall-Schweißspitzen, insbe- Die für die verschiedensten Zwecke zu formenden sondere zur Verschweißung sehr dünner Drähte, z. B. Schweißspitzen sind aus dem Artikel »New Ultrasoder Zuführungsdrähte bei mikro-miniaturisierten nie Plastic Welding Technique« aus Welding Jour-Halbleiterbauelementen, auf einer anderen leitenden 40 nal, Juli 1967, S. 595 und 596, bekannt. Der Nachteil metallischen Oberfläche. der in diesem Aufsatz gezeigten Schweißspitzen be-

Mit der zunehmenden Verwendung von Miniatur- sieht darin, daß sie aus massivem Stahl hergestellt

schaltungen und Schaltmodulen wuchs auch der Be- sind und somit den Anforderungen zur Verschwei-

darf für ein unabhängiges kompaktes Verbindungs- ßung der mikro-miniaturisierten Schaltkreise nicht

gerät zur Befestigung von Drähten und Elementen 45 gerecht werden.

auf Schaltkarten. Allgemein bekannt ist die Ultra- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zuschallschweißung, jedoch wird ihre weitgehende Ver- gründe, ein Verfahren zur Herstellung von verbesserwendung bei Miniaturschaltungen dadurch behin- ten Schweißspitzen zu schaffen, dert, daß Umfang und Form des Schweißgerätes Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe benicht zu den üblichen kleinen Abmessungen der bei 50 steht in einem Verfahren zur Herstellung gesinterter der Schweißung beteiligten Elemente passen. Das ty- Schweißspitzen, das dadurch charakterisiert ist, daß pische Ultraschall-Schweißgerät besteht aus einer reines Eisenpulver einer Teilchengröße von 10 bis Schweißspitze, die den zu schweißenden Draht rela- 100 μπι mit Zusätzen aus Graphit und Lithiumstearat tiv zur Schaltkarte in Schwingungen versetzt. Die gemischt und das Gemisch in einer Paßform gepreßt Spitze ist ungefähr rechtwinklig zu einem Bauteil an- 55 wird, dit gepreßten Stäbe unter Einwirkung von hogeordnet, welches die Ultraschallschwingungen ver- her Temperatur vom Schmiermittel befieit und anstärkt überträgt und Horn genannt wird. An dem der schließend gesintert werden, danach nochmals einem Spitze gegenüberliegenden Ende des Hornes ist ein hohen Druck ausgesetzt, dann abgekühlt und eine relativ großer Treiberzapfen angebracht. Die bestimmte Zeit getempert werden, wonach abschlie-Schweißspitze besteht bei den bekannten Schweißge- 60 ßend die eigenliche Schweißspitze spanabhebend an raten aus massivem Material, wie z.B. Stahl. Bisher den Stäben geformt wird.

glaubte man, die Probleme der Heranführung der Der Vorteil der gesinterten Stahl-Schweißspitzen Schweißspitze an die zu schweißenden Drähte durch besteht insbesondere in der hohen Zug- und Druckeinfache Verlängerung der Schweißspitze lösen zu festigkeit sowie in der hohen Standfestigkeit, die können, wodurch die ganze Antriebsbaugruppe weiter 65 einen sauberen Schweißvorgang durch Schwingungsvon der Oberfläche der Schaltkarte entfernt wurde. übertragung und dabei eine minimale Abweichung Die Schweißspitze ist jedoch in bezug auf ihre mög- aus der gewünschten Lage ermöglichen, liehe Länge stark beschränkt, da sie bei Erregung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den

Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher erklärt Es zeigt

Fig.l eine Seitenansicht des Ultraschallgebers, die Schweißspitze und das Horn,

F i g. 2 eine Vorderansicht der Schweißspitze,

F i g. 3 eine Seitenansicht der Schweißspitze, F i g. 4 eine Unteransicht der Schweißspitze, Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht des Teiles A

der F i g. 3 der Schweißspitze und .

Fig.6 eine vergrößerte Vorderansicht des Tei- x.

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DasinFi_g I gezeigte Gerät umfaßt einen Ultraschallgeber 10 zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Ultraschallschwingungen. Der Geber IG ist über ein Horn 11 mit einer Schweißspitze 12 verbunden. Das Horn 11 wird zu Schwingungen m 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 mii Anschlußsockeln oder ähnlichem. Ein feiner Draht 15, von z. B. 63_μχη, wird durch das Ende der Spitze 12 mit dem Sockel 14 in Berührung gehalten.

Nach dem Erfindungsgedanken sind die Schweißspitzen der Ausführungsbeispiele aus reinem Eisenpulver mit Graphitzusatz hergestellt. Im Idealfall hat das Eisenpulver eine Teilchengröße von 40 pm. Der gesinterte Stab hat eine Zugfestigkeit von ungefähr 5,62kp/mm₂, eine Dichte von 7,25 g/cm» und eine Knoophärte von etwa 250. Obwohl die Härte relaüv zu keramischen Materialien sehr niedrig liegt, hegen Dehnbarkeit und Ermüdungseigenschaften wesent ^li!f^er

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_D!fFo;_m 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 Drahtdicke und der Drahtdichte in dem Bereich ab, wo die Schweißspitze rum Schweißen benutzt wird. Ein Beispiel für die Spitzenmaße ist in den F i g. 2 bis 6 gezeigt Diese spezielle Spitze wird für eine besondere Anwendung zum Schweißen von 50 bis 75 μΐη dicken Drähten in einer sehr kompakten Anordnung benutzt. Die Form und Abmessungen der Spitze konnen sich wesentlich ändern ohne daß die Schweißcharakteristik dadurch beeinflußt wird

Die Spitzen werden folgendermaßen hergestellt Das Ausgangsmaterial ist ein Eisenpulver von 10 bis 100 μηι Teilchengröße mit einer den Nennwerten entsprechenden Reinheit mit einem Graphitzusatz. Die Spitze wird durch Komprimierung und Sinterung auf eine zylindrische Form gebracht. Es kann jedoch auch ein Block geformt werden, aus welchem der Stiel und die Spitze spanabhebend gearbeitet werden. Ein Beispiel für die Sinterung und die Waimebehandlung des resultierenden Stahlblockes ist nut den folgenden Verfahrensschritten angegeben:

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b) Das Schmiermittel Lithiumstearat wird abge- Lage aut.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Ί > durch den Schwingungsüberträger: pdet- das Horn Patentansprüche: sich nicht nur hin- und herbewegt, sondern ihre eigene sinusförmige Schwingung ausführt, d.h. auf

1. Verfahren zur Herstellung gesinterter Ultra- der Schweißspitze selbst liegt eine stehende Welle. schall-Schweißspitzen, die insbesondere zur Ver- 5 Mit zunehmender Länge der Schweißspitze nimmt schweißung sehr dünner Drähte, z. B. der Zufüh- auch ihre relative Flexibilität zu. Der Schweißvorrungsdrähte bei mikro-miniaturisierten Halbleiter- gang, der dadurch ausgelöst wird, daß der Endpunkt bauelementen, auf einer anderen leitenden metal- der Schweißspitze einen Draht relativ zur Schaltkarte lischen Oberfläche dienen, dadurch ge- in Schwingungen versetzt, hört auf, wenn eine dünne kennzeichnet, daß reines Eisenpulver einer io Schweißspitze aus massivem Material eine gewisse Teilchengröße von 10 bis 100 μΐη mit Zusätzen Länge, z. B. etwa 25 mm, überschreitet. Nachdem die aus Graphit und Lithiumstearat gemischt und das Schweißspitze nämlich ihre höchstzulässige Länge erGemisch in einer Paßform gepreßt wird, die ge- reicht hat, ruht das Ende der Schweißspitze nur auf preßten Stäbe unter Einwirkung von hoher Tem- der Oberfläche der Schaltkarte, während ihr elgentliperatux vom Schmiermittel befreit und anschlie- 15 eher Schaft sinusförmig hin- und herschwingt, d. h. ßend gesintert werden, danach nochmals einem die Länge der Spitze gekoppelt mit ihrer Flexibilität hohen Druck ausgesetzt, dann abgekühlt und eine zerstört die Möglichkeit des Ultraschallschweißens, bestimmte Zeit getempert werden, wonach ab- Energie auf den Draht und auf die Schaltkartenoberschließend die eigentliche Schweißspitze spanab- fläche zu übertragen. Damit ist gezeigt, daß die bishebtnd an den Stäben geformt wird. 20 her bekannten massiven Schweißspitzen nicht den

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Anforderungen genügen, die an sie gestellt werden, kennzeichnet, daß die Spitze an dem gesinterten wenn Ultraschallschweißgeräte für die Verbindung Stab durch Abschleifen geformt, eingekerbt, in von Drähten und Elementen mit äußerst kleinen Dieine 10 bis 15°/oige Schwefelsäurelösung bei mensionen verwendet werden.

einer bestimmten Temperatur eingetaucht und »5 Aus dem Aufsatz »Das Ultraschall-Schweißen und abschließend in einer Lösung aus 10 °/o Salpeter- seine Anwendungsmöglichkeiten für Kupfer und säure und 1⁰Zo Flußsäure gereinigt wird. Kupferlegierungen« aus Metallwissenschaft und

3. Anwendung des Verfahrens nach An- Technik, Heft 10, 1966 ist es bekannt, Schweißspitspruch 1 oder 2 auf eine Mischung aus reinem zen auch aus keramischem gesintertem Material, Eisenpulver einer Teilchengröße von 20 bis 30 wie z.B. gesintertem Aluminiumoxid oder Borkar-60 μτη und 0,15 %> Graphit sowie 0,75 Vo Lithium- bid, herzustellen. Der Nachteil dieser keramischen stearat. Schweißspitzen besteht jedoch vor allem darin, daß

sie sehr spröde sind und nicht die für feine Drähte

erforderlichen Feinstabmessungen, vor allem im

35 Durchmesser, aufweisen, da sie anderfalls abbrechen