DE2117583C3

DE2117583C3 - Verfahren zur Herstellung gesinterter Ultraschall-Schweißspitzen

Info

Publication number: DE2117583C3
Application number: DE2117583A
Authority: DE
Inventors: Kailash Chandra Johnson City Joshi; Franklin Fong Ming Endwell Lee
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-05-04
Filing date: 1971-04-10
Publication date: 1974-04-25
Also published as: GB1335093A; FR2092539A5; BE765070A; DE2117583B2; CA945789A; US3711341A; DE2117583A1

Description

von der Oberfläche dci Schaltkartc entfernt, wurde Die SchweüJspilze ist jedoch in bezug auf ihre mögliche Länge stark beschränkt, da sie bei Erregung

iibcrt!"!igung und dabei eine minimale Abweichung aus der gewünschten Lage ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den

Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher brannt, indem man die Stäbe etwa 20 Minuten

erklärt. Es zeigt lang in Luft einer Temperatur von 538 C aus-

Fig. 1 eine Seitenansicht des Ultraschallgebers, setzt. _nMor _ fin Minn

die Schweißspilze und das Horn, c) Die Stäbe werden bei 1288 C etwa 60 M.nu-

. F i g. 2 eine Vorderansicht der Schweißspitze, 5 ten lang in dissozuertem AmmoniaK (Nt._a) ge-

Fig. 3 eine Seitenansicht der ScLweißspitze, sintert.

F i g. 4 eine Unteransicht der Schweißspitze, d) Die Stäbe werden nochmals nut 8 t/cm geprebt.

Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht des Teiles A e) Die Stäbe werden, falls notwendig au y_S_ c

der Fig. 3 der Schweißspitze und erhitzt, danach ungefähr 30Minuten lang ,n

Fig.6 eine vergrößerte Vorderansicht des Tei- io Luft abgekühlt und dann bei 204 C ebenfalls

les^ der ^ ig. 3. in Luft etwa 30Minuten lang getempert. Die

Das in Fig. 1 gezeigte Gerät umfaßt einen Ultra- mechanischen Eigenschaften der Sinterstabe

schallgeber 10 zur Umwandlung elektrischer Schwin- sind: Dichte 7,15 g/cm^s, RockwellJiarte α »ο,

gungen in Ultraschallschwingungen. Der Geber 10 ist Scherfestigkeit 0,13 kp/mm-.

über ein Horn 11 mit einer Schweißspitze 12 verbun- 15 Die Spitzen werden dann durch jedes geeignete

den. Das Horn Il wird zu Schwingungen in der spanabhebende Verfahren in ihre endgültige borm

durch die Zeile angegebenen oder in einer anderen gebracht. Bei dieser Bearbeitung wird eine fcinnch-

lum Schweißen geeigneten Richtung veranlaßt. Ge- tung zum Fluchten der Schweißspitze mit ange-

genüber der Spitze 12 befindet sich tine Schaltkarle bracht, die aus einer Bohrung oder Abtlacnurig an

|3 mit einem daraufgeätzten Leitungsmuster 14 mit ao dem der Spitze entgegengesetzten ende bestem und

Anschlußsockeln oder ähnlichem. Ein feiner Draht die Lagerung und Halterung der Spitze in dem Ultra-

15, von z.B. 63μηι, wird durch das Ende der Spitze schall-Schweißgerätermöglicht.

12 mit dem Sockel 14 in Berührung gehallen. Auf Wunsch kann durch Vor- und Ruckwartsbe-

Nach dem Erfindungsgedanken sind die Schweiß- wcgung eines Wolframdrahtes auf dem f^|acn^e!j »P"-

•pitzen der Ausführungsbeispielc aus reinem Eisen- 25 zenend; eine Kerbe in die Spitze eingearbeitet wer-

pulver mit Graphitzusatz hergestellt. Im Idealfall hat den. Durch geeignete Halterung könnenι I iere und

das Eisenpulver eine Teilchengröße von 40 ,.m. Der Breite der Kerbe gesteuert werden. Die Kerbe kann

gesinterte Stab hat eine Zugfestigkeit von ungefähr aber auch durch ein Schleifrad eingeschlafen werden.

5,62 kp/mm², eine Dichte von 7.25 g'em» und eine Außerdem kann die Spitze chemisch-mechanisch ein-

;„noophärte von etwa 250. Obwohl die Härte relativ 30 gekerbt werden. Die Wahl der jeweiligen Kerbtecn-

fu keramischen Materialien sehr niedrig liegt, liegen nik hängt von der gewünschten Reproduzierbarkeit

Dehnbarkeit und Ermüdungscigenschaftcn wesent- der Kerbe ab. Im Ausführungsbeispiel wurde ein mit

lieh höher. Diamantstaub besetztes Schleifrad zur Erzeugung des

Die Form der Schweißspitze ist typischerweise ein besten Ergebnisses für den spezifischen Anwenlangcr zylindrischer Stiel mit einem abgeschrägten 35 dungszweck der Schweißspitze benutzt. Ende und kann entweder einen kreisförmigen oder Nach dem Abschleifen und Einkerben werden die rechteckigen Querschnitt haben. Die Abmessungen Spitzen durch Eintauchen in eine 10 bis 15 /oige (der Spitze hängen von der Frequenz, der Lrahtdicke Schwefelsäurelösung bei 71 C wahrend ungefähr und der Drahtdichle in dem Bereich ab, wo die 3 Minuten und anschließendes Tauchen wahrend Schweißspitze zum Schweißen benutzt wird. Ein Bei- 40 ungefähr 1 Minute in eine Lösung aus 10 °/o Salpeterspiel für die Spitzenmaße ist in den Fig. 2 bis 6 ge- säure und 1 ° 0 Flußsäure bei 60 C gereinigt hm zeigt. Diese spezielle Spitze wird für eine besondere sorgfältiges Abspülen in Wasser beendet den Reini-Anwendung zum Schweißen von 50 bis 75 um dicken gungsprozeß. . Drähten in einer sehr kompakten Anordnung be- Für Versuchszwecke wurden SchweiBspitzen entnutzt. Die Form und Abmessungen d<-r Spitze kön- +5 sprechend den Darstellungen in den Fi g. 2 bis 6 fernen sich wesentlich ändern, ohne daß die Schweiß- gestellt. Das Spitzenende besteht aus einem Quadrat Charakteristik dadurch beeinflußt wird. mit 150 ,im Kantenlänge und einer 50 um breiten und

Die Spitzen weiden folgendermaßen hergestellt. 25 ,.m tiefen Kerbe. Einige Spitzen wurden mit einem

Das Auvgangsmatcrial ist ein Eisenpulver vor, 10 bis 37,5 ,im dicken Wolframdraht unter Verwendung

100,.in Teilchengröße mit einer den Nennwerten ent- 5° einer Diamantenpaste Nr. 9 eingekerbt. Bei weiteren

sprechenden Reinheit mit einem Graphitzusalz. Die Spitzen erfolgte die Einkerbung mit einem Scnleit-

Spitze wird durch Komprimierung und Sinterung auf rad, welches mit Diamantsplittern besetzt war. hr-

cine zylindrische Form gebracht. Es kann jedoch findlingsgemäß wurden die Spitzen zuerst warnu-be-

auch ein Block geformt werden, aus welchem der handelt und dann eingekerbt. In allen Fallen wurden

Stiel und die Spitze spanabhebend gearbeitet weiden. 55 die wärmebchandelten Spitzen chemisch zur Entfcr-

Ein Beispiel füi die S-nterung und die Wäimcbc- nung von Oberflächenverunreinigungen nachbenan-

handlung des usultierendcn Stahlblockes ist mit den ddt. Die Versuchsergebnisse zeigen daß die

folgenden Vcrfahunsschritten angegeben: Schweißspitzen, die nicht wannebehandelt wurden,

a) reines Eisenpulver einer Teilchengröße von 20 eine wesentlich größere Abnutzung aufwiesen. Die bis 60 _Mm wird mit 0,75% Lithiimistearai gc- 6«. Ultrnschail-Drahtschweißungcn, die mil aus gesintermischt und mit 0.15% Graphit und dnem lern Metall hergestellten Schweißspitzen ausgeführt Druck von 8 t/cm² gepreßt Die Pi· hie dei gc- wurden, wiesen ausgezeichnete Zugfestigkeit und preßten Stabe lieg· bei etwa 0,45 gen" eine minimale Abweichung aus ihrer vorgesehenen

b) Das Schmiermittel Lilhiumstearnt wild ;ibgc- Luge auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

L Verfahren zur Herstellung gesinterter Ultraß

durch den Schwingungsüberträger 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, hd Lä d Sheißspitze nimmt

schweißung sehr dünner Drähte, z. B. der Zuführungsdrähte bei mikro-miniaturisierten Halbleiterbauelementen, auf einer anderen leitenden metallischen Oberfläche dienen, dadurch ge

schail-Schwelßspitzen, die insbesondere zur Ver- 5 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 Schaltkartc in Schwingungen versetzt, hört auf, wenn eine dünne

kennzeichnet, daß reines Eisenpulver einer 10 Schweißspitze aus massivem Material eine gcwisse Teilchengröße von 10 bis 100 μπι mit Zusätzen Länge, z. B. etwa 25 mm, überschreitet. Nachdem die aus Graphit und Lithiumstearat gemischt und das Schweißspitzc nämlich ihre hochstzulässige Länge erGemisch in einer Paßform gepreßt wird, die ge- reicht hat, ruht das Ende der Schweißsphze nur auf preßten Stäbe unter Einwirkung von hoher Tem- der Oberfläche der Schaltkartc, während ihr eigentliperatur 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

zerstört die Möglichkeit des Ultraschallschweißens. Energie auf den Draht und auf die Schaltkartenoberfläche zu übertragen. Damit ist gezeigt, daß die bisher bekannten massiven Schweißspitzen nicht de;; Anforderungen genügen, die an sie gestellt werden, wenn Ultraschallschweißgeräte für die Verbindung von Drähten und Elementen mit äußerst kleinen Di-

hohen Druck ausgesetzt, dann abgekühlt und eine bestimmte Zeit getempert werden, wonach abschließend die eigentliche Schweißspitze spanabhebend an den Stäben geformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze an dem gesinterten Stab durch Abschleifen geformt, eingekerbt, in eine 10 bis 15%ige Schwefelsäurelösung bei T i

mensionen verwendet werden.

einer bestimmten Temperatur eingetaucht und 35 Aus dem Aufsatz »Das Ultraschall-Schweißen und abschließend in einer Lösung aus 10 % Salpeter- seine Anwendungsmögliclikeiten für Kupfer und

Kupferlegierungen« aus Metall Wissenschaft und Technik^HeftlO, 1966 ist es bekannt, Schweißspitzen auch aus keramischem gesintertem Material,

säure und 1 ". 0 Flußsäure gereinigt wird.
3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf eine Mischung aus reinem

Eisenpulver einer Teilchengröße von 20 bis 30 wie z.B. gesintertem Aluminiumoxid oder Borkai 60 μηι und 0,15" ο Graphit sowie O,75°/o Lithium- bid, herzustellen. Der Nachteil dieser keramischen Mcarat. Schweißspitzen besteht jedoch vor allem darin, daB

sie sehr spröde sind und nicht die für feine Drähte

erforderlichen Feinstabrnessungen, vor allem im

Durchmesser, aufweisen, da sie andcrfalls abbrechen wurden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter Ultrascliall-Schweißspitzcn. insbesondere zur Verschweißung sehr dünner Drähte. z.B. der Zuführungsdrähte bei mikro-miniaturisierten

Die für die verschiedensten Zwecke zu formenden Schweißspitzen sind aus dem Artikel »New Ultrasonic Plastic Welding Technique.· aus Welding Jour-

Halbleiterbauelementen, auf einer anderen leitenden 40 nal, Juli 1967. S. 595 und 596, bekannt. Der Nacht-.:!

metallischen Oberfläche. der in diesem Aufsatz gezeigten Schweißspitzen Oe-

Mit der zunehmenden Verwendung von Miniuuir- steht darin, daß sie aus massivem Stahl hergestellt

schaltungen und Schaitmodulcn wucns auch der Be- sind und somit den Anforderungen zur Verschwci-

darf für ein unabhängiges kompaktes Verbindungs- Bung der mikro-miniaturisierlen Schaltkreise nicht

gerät zur Befestigung von Drähten und Elementen 45 gerecht werden.

auf Schaltkarlen. Allgemein bekannt ist die Ultraschallschweißung, jedoch wird ihre weitgehende Verwendung bei Miniaturschnltungen dadurch behindert, daß Umfang und Form jes Schw.nßge'ätes
nicht zu den üblichen kleinen Abmessungen der bei
der Schweißung beteiligten Elemente passen. Das typische Ultraschall-Schweißgcrät besteht aus einer
Schweißspitze, die den zu schweißenden Draht Ie¹U-tiv Mir Schaltkartc in Schwingungen vcrset/t. Die
Spii.'C ist ungefähr 1 echtwinklig zu einem Bauteil an- 55
geordnet, welches die Ultnischallschwingungcn ■>. rstärkt überträgt und Horn genannt wird. An dem dir
Spitze gegenüberliegenden Ende des 1 Ionic-, ist ein
relativ großer Trciberznpfeii angebracht. Die
Sehweißspitze besteht bei den bi!,::nnien Schvu-ißc.e- <ic ßend tli
läten aus massivem Material, wie /. B. Stahl, liislie:
glaubte man. die Probleme der Heranführung dir
Sehweißspitze an die zu schweißenden Drähte dtuc'i
einfache Verlängerung der Sehwcißspi'.'.e lösen . j
können, wodurch die ganze Antriebsbaugruppe weiter 65 einen sauberen Schweißvorgang durch Schwingungs-

Her Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein VtMahren zur Herstellung von verbesserten Schweißspilzen zu schäften.

Die L'iiindungsgcmäße Lösung der Aufgabe be-5« steht in einem Verfahren zur Herstellung gesinterter Schweißspit/en. das dadurch charakterisiert ist, daß reines Eisenpulver einer Teilchengroße von 10 bis 100 um mit Zusätzen aus Graphit und Lithiumstearat gemischt und das Gemisch in einer Paßform gepreßt wird, die gepreßten Stäbe ur,icr Einwirkung von hohe! Temperatur vom Schmiermittel befreit und anschließend gcsinteit weiden, danach nochmals einem honen Otin.k ausgesetzt, dann abgekühlt und eine Iv υ ■-He /Vit getempert wen.lcn, wonach abscliü;

ei¹,:-, n'iiche Schweißsritze spanabhebend an den Siiiivn .:e!'oimt wird.

IXi Vorteil der gcsinUTien Stahl-Schweißspilzen besteht insbesondere in ti ei hohen Zug- und Druckfestigkeit s'»wie in der hohen Standfestigkeit, die