DE2242338A1 - Ultraschallverschweissung von duennen metalldraehten mit metallschichten - Google Patents

Ultraschallverschweissung von duennen metalldraehten mit metallschichten

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DE2242338A1
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ultrasonic welding
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Leo Missel
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International Business Machines Corp
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Description

Böblingen, den 23. August 1972 oe-sn
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtl. Aktenzeichen: Neuanmeldung
Aktenzeichen der Anmelderin: SA 971 004
Ultraschallverschweißung von dünnen Metalldrähten mit Metallschichten ... . .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ultraschallverschweißen eines dünnen Metalldrahtes mit einer Metallschicht auf einem Substrat, wobei die Bindung über eine Goldschicht zustande kommt.
Ein Verfahren der genannten Art wäre besonders brauchbar beim Befestigen von Verbindungsdrähten an gedruckten Schaltungen. Auf gedruckten Schaltungen sind oft eng benachbart viele Drähte befestigt, deshalb ist es schwierig beim An- oder Ablöten eines Drahtes, nicht auch gleichzeitig Lötverbindungen benachbarter Drähte zu schmelzen. Beim Ultraschallschweißen hingegen tritt höchstens eine eng begrenzte, lokale Erwärmung des Substrats auf , so daß beim Aufschweißen eines Drahtes in der Nachbarschaft befestigte Drähte nicht beeinflußt werden.
Es sind Verfahren bekannt, Metalldrähte mit Metallschichten mittels Ultraschall zu verschweißen. Zum Beispiel wird in der US Patentschrift 3 458 921 ein Verfahren beschrieben, Golddrähte mit Aluminium- oder Goldschichten zu verschweißen. Bei einem ähnlichen Verfahren wird Golddraht mit Nickel-Chrom-Nickelschichten verschweißt. Die Ultraschallverschweißung wurde auch erfolgreich angewandt beim Verbinden von Aluminiumdrähten mit Aluminiumscheibchen und Aluminiumscheibchen, die mit Gold plattiert waren, und von Kupferdraht mit goldplattierten Kupferscheibchen. Leider
ist es nicht möglich, diese Verfahren bei gedruckten Schaltungen anzuwenden. Golddraht hat eine geringe mechanische Festigkeit und eine relativ geringe Leitfähigkeit. Außerdem wird das Gold an der Verbindungsstelle durch die Bearbeitung brüchig, wodurch die Festigkeit des Drahtes und der Bindung reduziert wird. Auch Aluminiumdrähte sind mechanisch wenig stabil. Dem könnte nur dadurch begegnet werden, daß man die Aluminiumdrähte in eine tragende Schutzschicht eingießt, wodurch aber spätere Nacharbeit unmöglich wird. Bindungen, die Grenzflächen von zwei verschiedenen Metallen, wie zum Beispiel Kupfer-Gold oder Kupfer-Aluminium, einschließen, korrodieren.
Deshalb wurde bei der Herstellung gedruckter Schaltungen versucht, mittels Ultraschall eine unmittelbare Bindung zwischen einem Kupferdraht und einer Kupferschicht herzustellen. Kupfer ist zwar mechanisch widerstandsfähig, jedoch war die erzielte Verbindung nicht zufriedenstellend.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine mechanisch widerstandsfähige, nicht korrodierende Verbindung zwischen einem gut leitenden, mechanisch widerstandsfähigen Draht und einer Metallschicht auf einem Substrat so herzustellen, daß dabei die Umgebung der Verbindungsstelle nicht erwärmt wird und Nacharbeit an der Verbindungsstelle möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Draht und die Metallschicht, die beide kubische Kristallstruktur haben, vor dem Ultraschallverschweißen mit einer besonders weichen Goldschicht überzogen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn als besonders weiches Gold Gold mit einer Knoop-Härte zwischen 50 und 100 und einer Reinheit von 99,98 % verwendet wird.
Die vollständige Bedeckung von Draht und Metallschicht mit Gold verhindert Korrosion. Die durch Ultraschallschwexßung herge-
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stellte Bindung über die Goldschicht ist überraschenderweise 2 bis 5 mal stärker als nach der Zerreißfestigkeit von besonders weichem Gold zu erwarten gewesen wäre. Es wird angenommen, daß diese Bindungsfestigkeit mit der kubischen Struktur der zu verschweißenden Metalle zusammenhängt. Besonders weiches Gold erlaubt esf die Fertigungsparameter in weiten Grenzen zu variieren. Dies ist günstig im Hinblick auf einen brauchbaren Fertigungsprozeß.
In vorteilhafter Weise wird die Goldplattierung so aufgebracht, daß der Draht und die Metallschicht vor dem überziehen mit Gold gereinigt werden, anschließend in einem ersten Plattierungsbad elektrolytisch mit einer dünnen Goldschicht überzogen werden, wonach in einem Verstärkungsbad die Goldschicht auf die gewünschte Dicke gebracht wird. Dabei ist es von Vorteil, wenn in ungefähr neutralen Bädern goldplattiert wird.
Bei Anwendung dieser Verfahrensschritte kann eine sehr gut haftende, porenfreie, reine Goldschicht erzeugt werden.
Es ist vorteilhaft, einen araht aus Kupfer und als Metallschicht eine auf eine Glasfiberplatte plattierte Kupferschicht zu verwenden. Wird ein sauerstoffreier, voll weich geglühter und sehr gut leitender Kupferdraht genommen, so lassen sich die Fertigungsparameter in weiteren Grenzen variieren, als bei Verwendung eines relativ harten Kupferdrahtes.
Es wirkt sich vorteilhaft auf die Eigenschaften der Goldschichten
aus, wenn im ersten Plattierungsbad bei ungefähr 54 0C und einer
Stromdichte von 16-27 mA/cm plattiert wird und wenn die Goldschicht auf der kupferplattierten Glasfiberplatte bei einer Strom-
2
dichte von 2,2-6,6 mA/cm und die Goldschicht auf den Kupferdraht
2 bei einer Stromdichte von 2,2-16 mA/cm verstärkt wird.
Bei niedrigeren als den angegebenen Stromdichten wurde zwar eine glatte, besonders weiche Goldschicht erzielt, jedoch waren die
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mit diesen Goldschichten hergestellten Bindungen nicht zuverlässig. Bei Stromdichten oberhalb der angegebenen Grenze war die Goldschicht rauh und porös und die mittels Ultraschallverschweißung hergestellten Bindungen waren hart und brüchig.
Um eine Nacharbeit an der Bindung zwischen dem Kupferdraht und der kupferbeschichteten Glasfiberplatte zu erleichtern, ist es vorteilhaft, die Goldschicht auf der kupferbeschichteten Glasfiberplatte etwa 8 μ dick zu machen.
Die Erfindung wird anhand von durch Zeichnungen veranschaulichten Beispielen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Gerät zum
Ultraschallschweißen,
Fig. 2 das beschriebene Verfahren in Blockform und
Fign. 3a und 3b an zwei Beispielen die Struktur der Goldschicht,
wie sie das beschriebene Verfahren fordert, bzw. wie sie für das beschriebene Verfahren nicht brauchbar ist.
Geräte zum Ultraschallschweißen sind an sich bekannt. Für das beschriebene Verfahren ist jeder Ultraschallschweißapparat geeignet, sofern sich die bei Anwendung des Verfahrens benutzten Werkstücke in ihm bearbeiten lassen. Einen typischen Ultraschallschweißapparat zeigt Fig. 1 in schematischer Darstellung. Das Gerät besteht aus einer Haltevorrichtung 100 zum Festhalten des Werkstücks 120 und einer Schwingungsvorrichtung, um ein Werkstück 126 mit Ultraschall anzuregen. Die Schwingungsvorrichtung besteht aus einem Schwingungserreger 102, einer Erregerspule 104, einem magnetostriktiven Umwandler 106, einem Ubertragungsstab 108 und einer Schweißspitze 110. Die Frequenz des Schwingungserregers 102 bestimmt die Vibrationsfrequenz. Das von der Spule 104 erzeugte magnetische Wechselfeld verursacht eine stehende mechanische Welle
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im magnetostriktiven Umwandler 106. Der Übertragungsstab 108 übermittelt die Vibration zu der Schweißspitze 110, die den als Werkstück dienenden Draht 126 longitudinal vor- und zurückschwingen läßt. Die Feder 112 erzeugt die Anpreßkraft, die an dem Übertragungsstab 108 nahe bei der Schweißspitze 110 angreift. Dieser Anpreßdruck hält das bewegliche Werkstück 126 in Kontakt mit dem Werkstück 120. Das Werkstück 120 ist in Fig. 1 dargestellt als eine mit einer Kupferschicht 122 laminierte Fiberglasplatte 121. Die Kupferschicht 122 wird mit einer glatten, besonders weichen Goldschicht 124 plattiert. Das bewegliche Werkstück 126 ist dargestellt als ein Stück Kupferdraht, das mit einer glatten, besonders weichen Goldschicht plattiert ist. Die Schwingungsfrequenz liegt vorzugsweise bei etwa 60 000 Hz. Die Amplitude ist variierbar, damit die auf das bewegliche Werkstück 126 über die Schweißspitze 110 übertragene Energie geregelt werden kann.
In wenigen Worten läßt sich das hier beschriebene Verfahren so darstellen, daß zwei Werkstücke von kubischer Struktur, die miteinander verschweißt werden sollen, je mit einer Schicht aus glattem, besonders weichem Gold beschichtet werden, daß die beiden Werkstücke in Kontakt miteinander gebracht werden und dann durch Ultraschallenergie derart miteinander verbunden werden, daß eine aus Gold bestehende Bindung zwischen ihnen entsteht. In dieser Beschreibung soll unter besonders weichem Gold Gold mit einer Knoop-Härte zwischen 50 und 100 und einer Reinheit, die besser als 99,98 % ist, verstanden werden.
Das beschriebene Verfahren ist allgemein anwendbar beim Ultraschallverschweißen von Werkstücken. Zur Erklärung wird das Verfahren jedoch am Beispiel der Verschweißung eines 50 bis 100 Ai dicken Kupferdrahtes mit einer kupferbeschichteten Fiberglasplatte erläutert.
Fig. 2 illustriert die wesentlichen Schritte des Schweißverfahrens. Diese Schritte werden hier kurz aufgezählt und später im Detail diskutiert. Im ersten Schritt werden die beiden Werkstücke,
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die miteinander verbunden werden sollen, vor dem Aufbringen des Goldes gereinigt. Als nächstes wird eine dünne Goldschicht durch Elektroplattierung auf beide Werkstücke aufgebracht. Diese Goldschicht muß dicht sein und gut haften, damit bei der Verstärkung der Goldschicht im folgenden Schritt die Werkstücke nicht von Säuren angegriffen werden. Bei der anschließenden Verstärkung der Goldschicht wird die Stromdichte so gewählt, daß eine glatte, besonders weiche Goldschicht entsteht. Nach dem Goldplattieren werden die beiden Werkstücke getrocknet und dann in Kontakt miteinander gebracht. Anschließend wird eine Ultraschallschweißspitze auf das eine Werkstück gesetzt und wenn notwendig, wird ein Anpreßdruck ausgeübt. Anschließend beschallt die Schweißspitze das Werkstück, mit der sie in Kontakt ist, bis eine Verbindung zwischen den Goldschichten hergestellt ist.
Um die beiden Werkstücke erfolgreich mit Ultraschall miteinander zu verbinden, muß das Gold fest an den Werkstücken haften und darf nicht mit dem Material verunreinigt sein, aus dem die Werkstücke bestehen. Um eine gute Haftung zu gewährleisten, müssen die Werkstücke im ersten Schritt des PlattierungsVerfahrens gründlich gereinigt werden. Jedes Reinigungsverfahren, das die Oberfläche gründlich reinigt, ist geeignet. Ein günstiges Reinigungsmittel für die kupferbeschichtete Fiberglasplatte ist ein solches, das Netzmittel und ein feines Schleifmittel, wie zum Beispiel Bimsstein, welches die Oberfläche nicht kratzt, enthält, und eine schmutzabhebende Wirkung hat. Das Schleifmittel wird von der Fiberglasplatte während des Spülens durch Abwischen entfernt. Anschließend wird die Fiberglasplatte 30 Sekunden lang in eine 20 %ige Ammoniumpersulfatlösung getaucht, um die Kupferoberfläche für eine bessere Haftung des anschließend aufgebrachten Goldes zu aktivieren. Die Hauptmenge des Ammoniumpersulfats wird durch Spülen mit Wasser entfernt, da es jedoch schwierig ist, das Ammoniumpersulfat durch Wasser vollständig zu entfernen, folgt der Wasserspülung ein eine Minute dauerndes Eintauchen in 3 %ige Schwefelsäure, die das noch vorhandene Ammoniumpersulfat entfernt. Die Reinigung wird beendet durch eine Spülung mit destilliertem
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Wasser, bei der alle Verunreinigungen von der Fiberglasplatte entfernt werden.
Die Reinigung des Drahtes unterscheidet sich von der Reinigung der Fiberglasplatte wegen des Durchmessers (50 bis 100 μ) des Drahtes und auch weil der Draht zu Beginn wesentlich reiner als die Fiberglasplatte ist. Im allgemeinen ist es nicht nötig, bei der Reinigung des Drahtes ein abschleifendes Reinigungsmittel zu verwenden, und dies wäre auch nicht günstig, da durch ein Reinigungsmittel zu viel Kupfer von den dünnen Drähten abgetragen würde. Zur Reinigung wird der Draht in eine saure Lösung von Thioharnstoff ' getaucht, die alle Anlaufbeläge, Schmierstoffe und andere Verunreinigungen entfernt. Dann wird der Draht in Fluorborsäure (HBF4) gespült. Die Fluorborsäure wird zum Reinigen des Drahtes genommen, weil sie im Unterschied zum Ammoniumpersulfat kein Kupfer löst. Abschließend wird der Draht zunächst in Leitungswasser und dann in destilliertem Wasser gespült.
Im nächsten Schritt wird eine dünne Goldschicht auf die Werkstücke aufgebracht. Es ist günstig, diese Goldschicht in einem Plattierungsbad bei 54,4 0C und einer Stromdichte von 16 bis 27
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mA/cm innerhalb von 30 Sekunden aufzubringen. Die Kathode wird mit dem Kupfer verbunden und die Spannung wird angelegt, bevor das Werkstück in das Plattierungsbad eingetaucht wird. Dadurch wird sichergestellt, daß die Plattierung sofort eintritt, wenn die Werkstücke in das Bad eintauchen, und daß zerstörende chemische Reaktionen, die in Abwesenheit der Spannung einsetzen würden, nicht stattfinden. Der Draht wird in derselben Weise wie die Fiberglasplatte plattiert, jedoch nur 20 Sekunden lang, weil wegen der Geometrie des Drahtes die Plattierung schneller erfolgt. Nach der ersten Plattierung werden die Werkstücke in destilliertem Wasser gespült, um die Verunreinigung des Verstärkungsbades durch das erste Plattierungsbad zu verhindern. Das erste Plattierungsbad produziert große Gasmengen an den zu plattierenden Oberflächen. Dieses Gasen bringt die umgebende Badflüssigkeit durcheinander, wodurch das zur Plattierung notwendige Gold herbeige-
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schafft wird, und bewirkt auch eine letzte Reinigung der Kupferoberfläche. Das Bad enthält Goldcyanid, dem Citrate zugesetzt werden. Ein solches Bad kann zum Beispiel käuflich unter dem Handelsnamen Aurobond TN bezogen werden.
Wie Fig. 2 veranschaulicht, besteht der dritte Schritt des Schweißverfahrens darin, eine dicke Goldschicht auf den Werkstücken, die miteinander verbunden werden sollen, aufzubringen. Beim Aufbringen der dicken Goldschicht auf die Fiberglasplatte wird bei einer
2
Stromdichte von 2,2-6,6 mA/cm gearbeitet, um eine gute, glatte, besonders weiche Goldschicht zu erzeugen. Bei Stromdichten unterhalb des angegebenen Bereiches wurde gefunden, daß, trotzdem das aufgebrachte Gold glatt und weich war, zuverlässige Verbindungen mittels Ultraschall nicht hergestellt werden konnten. Die untere Grenze der Stromdichte wird am besten experimentell bestimmt und hängt ab von dem Gerät, das benutzt wird. Bei Stromdichten oberhalb der oberen Grenze wird das aufgebrachte Gold rauh und porös und ist ungeeignet für eine gute Verbindungsbildung, weil es hart, brüchig und unrein ist. Die obere Grenze der Stromdichte hängt ab von der Zusammensetzung des Plattierungsbades, der Goldkonzentration im Bad und davon, ob und in welcher Form das Bad gerührt wird, um frisches Gold an die Oberfläche der Fiberglasplatte zu bringen. Mit zunehmendem Rühren, mit zunehmender Goldkonzentration oder auch mit zunehmender Badtemperatur erhöht sich die obere Grenze der vertretbaren Stromdichte. Deshalb wird die obere Grenze der Stromdichte am besten experimentell für das benützte System bestimmt. Die Aufbringung der dicken Goldschicht auf den Draht verläuft ähnlich, mit der Ausnahme, daß ein größerer Bereich der
2
Stromdichte, nämlich von 2,2-16 mA/cm , benutzt werden kann. Die höhere obere Grenze der Stromdichte rührt daher, daß sich das Rühren bei Drähten infolge ihrer Gestalt und ihres kleinen Durchmessers effektiver auswirkt, wodurch das Problem der flüssigen Schichten an der zu plattierenden Oberfläche eliminiert wird. Nach dem Entfernen der Fiberglasplatten oder der Drähte aus dem Verstärkungsbad, werden sie zunächst mit Leitungswasser und dann mit destilliertem Wasser gespült. Anschließend werden die Werkstücke
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mit Luft getrocknet. Das Verstärkungsbad ist vorzugsweise beinahe neutral mit einem ρ -Wert zwischen 5 und 6, wodurch die aufgebrachte Schicht reiner und weniger porös wird. Das Verstärkungsbad soll so wenig Gas wie möglich an zu plattierenden Oberflächen erzeugen. Gasbildungen an den zu plattierenden Oberflächen würden poröse Goldschichten mit eingeschlossenem Gas erzeugen. Ein wirkungsvolles Plattierungsbad im Sinne des beschriebenen Verfahrens, ist ein solches, bei dem ein hoher Prozentsatz des Plattierungsstroms Gold abscheidet und nur ein geringer Prozentsatz des Stromes Gas erzeugt. Ein solches Bad enthält vorzugsweise Goldcyanid, dem Citrate zugemischt worden sind. Solche Bäder können käuflich erworben werden.
Um gute Resultate zu erzielen, ist es wichtig, daß mit großer Sorgfalt während der Reinigungs- und Plattierungsschritte eine Verunreinigung der Plattierungsbäder durch Fremdmaterialien, besonders Metallen, verhindert wird, da die Härte des Goldes bei Einführung von sehr kleinen Mengen verunreinigender Metalle sehr schnell ansteigt. Um eine gute Haftung der plattierten Schicht zu erhalten, ist es günstiger, wenn die miteinander zu verbindenden Werkstücke vom Beginn der Reinigung bis zum Ende des verstärkenden Plattierungsschrittes nicht trocknen und daß ein Schritt auf den anderen ohne Unterbrechung folgt.
Es ist sehr wichtig, daß das plattierte Gold so weich wie möglich ist, weil weiches, duktiles Gold bei den nachfolgenden Verschweißungsschritten weite Bereiche der Prozeßparameter zuläßt, wodurch sich ein brauchbares Herstellungsverfahren ergibt. Die Qualität der Verbindung hängt mehr ab von der Weichheit des Goldes auf der Glasfiberplatte, als von der Weichheit des Goldes auf dem Draht.
Fig. 3A zeigt im Querschnitt eine Goldschicht auf einer Glasfiberplatte, die im Sinne des beschriebenen Verfahrens als gut zu bezeichnen ist. Die Zeichnung zeigt die Schichten in einer etwa 500-fachen Vergrößerung. Die Goldschicht 124 zeigt keine
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sichtbaren strukturellen Unterschiede. Das Glasfibersubstrat 12ί , auf dem sich die Kupferschicht 122 befindet, wurde bei einer
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Stromdichte von etwa 3 mA/cm plattiert. In der Fig. 3B wird dagegen eine Goldschicht im Querschnitt gezeigt, die im Sinne des beschriebenen Verfahrens nicht brauchbar ist. Auch diese Zeichnung entspricht etwa einer 500-fachen Vergrößerung. Die Goldschicht 124 hat eine poröse und säulenartige Struktur. Eine solche Struktur erzeugt sehr schlechte ultraschallgeschweißte Verbindungen, da das Gold hart, brüchig und unrein ist. Diese unbrauchbare Plattierung
wurde bei einer Stromdichte von etwa 7 mA/cm erzeugt. Offensichtlich ist die richtige Stromdichte für eine erfolgreiche Plattierung sehr wesentlich. Deshalb ist es günstig, wenn ein akzeptabler Bereich der Stromdichte experimentell ermittelt worden ist, für die in der Produktion verwendete Stromdichte die Mitte des ermittelten Bereichs zu wählen.
Der letzte Schritt des Verfahrens ist die Verbindung der goldplattierten Werkstücke. Man kann die Werkstücke sofort nach dem Trocknen am Ende des Plattierungsschritts miteinander verbinden; man kann sie vor dem Verschweißen aber auch eine beliebige Zeit lagern. Wenn der plattierte Draht 126 mit der plattierten Glasfiberplatte 120 verschweißt werden soll, wird die Platte 120, wie es Fig. 1 zeigt, auf dem Ultraschallschweißgerät befestigt. Wie Fig. 2 Schritt 4A zeigt, wird der Draht 126 dort auf die Platte gelegt, wo er angeschweißt werden soll und die Schweißspitze 110 wird so auf den Draht gesetzt, daß der von der Feder 112 ausgeübte Anpressdruck den Draht in Kontakt mit der Platte hält. Wie im Schritt 4B illustriert, wird nun die Erregerspule 104 durch den Schwingungserreger 102 erregt. Dadurch wird der Draht 126 in longitudinaler Richtung mit einer Frequenz von etwa 60 000 Hz erregt. Die Erregung und der Aufpreßdruck bewirken zusammen, daß die Goldschicht 128 auf dem Draht mit der Goldschicht 124 auf der Fiberglasplatte miteinander verschmelzen und eine einheitliche Goldschicht bilden ohne eine erkennbare Grenze zwischen den ursprünglichen Schichten. Da nur eine niedrige Energie angewandt wird, um die Verbindung herzustellen, wird angenommen, daß die
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Temperatur des Goldes nicht genügend erhöht wird, um eine heiße Schweißung hervorzurufen, sondern daß bei der Ultraschallschweißung eine kalte Schweißung zwischen den beiden sauberen Goldoberflächen entsteht.
Die Amplitude des Ultraschalls, der Anpreßdruck, die Dauer der Beschallung und die Duktilität des Drahtes sind wesentliche Parameter, um gute Verbindungen zu bekommen. Da der Anpreßdruck durch die Feder 112 ausgeübt wird, ist der Anpreßdruck reproduzierbar. Außerdem erhöht die Feder nicht wesentlich die Masse, die erregt werden muß und es ist deshalb ausgeschlossen, daß der Umwandler 106 überlastet wird. Die Festlegung des Anpreßdrucks bewirkt, daß die Utraschallamplitude und die Dauer ihrer Anwendung in weiten Grenzen variiert werden können, um gute Verbindungen herzustellen. Der Anpreßdruck ist nicht kritisch. Werte zwischen 130 und 160 g sind recht zufriedenstellend, obwohl auch Werte außerhalb dieses Bereichs brauchbar sind.
Wurde bei Verwendung eines sehr duktilen Kupferdrahtes 1,05 Sekunden lang mit einer Amplitude von 2,5 ja beschallt, so war die Verbindung recht befriedigend. Wurde unter sonst gleichen Bedingungen die Amplitude auf 4 μ erhöht, so wurde der Draht flachgedrückt und die Goldschicht auf der Oberseite wurde teilweise entfernt. Die Bindung war jedoch gut.
Wurde ein mit Berylliumoxyd gehärteter Kupferdraht benutzt, so wurde bei 1,05 Sekunden dauernder Beschallung bei einer Amplitude von 2,5 μ zwar eine gute Verbindung hergestellt,' jedoch wurde die Goldschicht auf der Oberseite entfernt. Bei einer Amplitude von 4 μ unter sonst gleichen Bedingungen, wurde auch das Gold auf der Drahtoberseite entfernt, aber außerdem das Gold an der gewünschten Verbindungsstelle soweit verdrängt, daß ein Kupfer-Kupfer-Kontakt zustande kam.
Die Entfernung des Goldes an der Drahtoberseite ist deshalb bedenklich, weil die Goldschicht als Korrosionsschutz benötigt wird.
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Diese vier Beispiele zeigen, daß mit einem duktilen Draht leichter gute Ergebnisse erzielt werden können, oder mit anderen Worten, daß bei Verwendung harter Drähte die Prozeßparameter genauer eingehalten werden müssen.
Die Qualität der Verbindungen wurde geprüft durch Ziehtest an den Drähten, nachdem sie auf die vergoldeten und verkupferten Fiberglasplatten geschweißt worden waren. Um gleichförmige Testbedingungen sicherzustellen, war die Ziehrichtung bei diesen Tests senkrecht zu der Oberfläche der Glasfiberplatte. Die Prüfungen wurden mit 62,5, 87 und 100 /a dickem, vollständig weich geglühtem Kupferdraht durchgeführt. Vollständig weich geglühter Draht wurde benützt, wegen seiner Duktilität und um zu verhindern, daß beim Entfernen der Isolierung durch Hitzeeinfluß das Kupfer teilweise weich geglüht wird und dadurch die Eigenschaften des Drahtes stellenweise geändert werden. Die Tabelle I zeigt die Ergebnisse dieser Prüfungen, wobei laminierte Glasfiberplatten für gedruckte Schaltungen benutzt wurden. Die Ergebnisse sind aufgelistet für drei verschiedene Dicken des Kupferbelags auf der Glasfiberplatte. Auf jede der drei Arten von kupferbeschichteten Glasfiberplatten wurden Drähte mit den drei verschiedenen Durchmessern geschweißt. Für diese Drähte sind in der Tabelle Zieh-Stärken angegeben, die sich auf die nicht angeschweißten Drähte beziehen. Die Stärke dieser Drähte reicht aus, um ein Abbrechen zu verhindern, wenn die angeschweißten Drähte mit normaler Sorgfalt behandelt werden. Die Leitfähigkeit der Drähte reicht aus für viele Anwendungen. Wie sich aus der Tabelle ergibt, wurden die verschieden dicken Drähte mit unterschiedlichen Ultraschal lamplituden auf die mit verschieden dicken Kupferbelägen versehenen Glasfiberplatten geschweißt. Außerdem wurde noch, wie die Tabelle zeigt, die Dauer des Verschweißens variiert (0,57 und 2,8 Sekunden). Die Ultraschallschweißspitze wurde mit Amplituden von 2,2, 2,4, 2,5, 2,6 und 2,7 μ hin- und her bewegt. Die in der Tabelle diesen Werten für die einzelnen Draht-, Kupferbelagstärken und Beschallungszeiten zugeordneten Prozentzahlen sind das durchschnittliche, in Prozent ausgedrückte Verhältnis von
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Ziehstärke der Drähte zu der Zerreißstärke der geschweißten Verbindungen. Der Ausdruck "ausgefallen" in der Tabelle bezeichnet eine starke Beschädigung des Drahtes. Für die meisten Anwendungen ist eine Bindung, deren Zerreißstärke 100 g übersteigt, als gut zu bezeichnen. Nur bei dem 62,5 μ starken Draht ist eine Zerreißfestigkeit der Bindung von 80 g bereits als gut zu bezeichnen, da die Ziehstärke des nicht angeschweißten Drahtes nur 93 g beträgt. Es spricht für die Brauchbarkeit des Herstellungsverfahrens, daß, wie die Tabelle I zeigt, die Zeitdauer des Schweißens und die Amplitude der Ultraschallenergie in weiten Grenzen variiert werden können und trotzdem noch gute Verbindungen erzielt werden. Bei den Versuchen, deren Ergebnis die Tabelle I wiedergibt, betrug der Anpreßdruck 160 g. Bei einem Anpreßdruck von 130 g wurden aber auch gute Resultate erzielt. Die Goldschicht auf den Glasfiberplatten war 7,5 ^z stark und die Drähte waren mit einer 2,5 /i dicken Goldschicht plattiert.
Eine Trennung des Kupferbelags von dem Glasfibersubstrat kann Ausfälle verursachen. Es wird angenommen, daß durch die Anwendung der Ultraschallenergie die Verbindung zwischen dem Kupfer und dem Glasfiber gelockert wird. Experimente haben gezeigt, daß die Dicke der Kupferschicht auf der Glasfiberplatte umso dicker sein muß, je größer der Drahtdurchmesser ist, damit Ausfälle an der Kupfer-Glasfiber-Grenzfläche vermieden werden.
Die Goldschicht auf den Glasfiberplatten muß nicht notwendigerweise 7,5yü stark sein, jedoch ist eine so dicke Goldschicht günstig, wenn eine Nacharbeit an den Bindungen notwendig werden sollte. Wenn es erwünscht ist, einen Draht zu entfernen, weil er gebrochen ist, oder weil die Schaltung geändert worden ist, wird der Draht 50 bis 70 μ seitwärts verschoben, um die Bindung abzuscheren. Die Dicke der Goldschicht auf der Glasfiberplatte gewährleistet, daß das Kupfer weiterhin mit Gold bedeckt ist und macht es möglich,den Ersatzdraht an derselben Stelle anzuschweißen. Eine Nacharbeit an den Drähten ist möglich, weil diese freiliegen. Die Drähte können freiliegen, weil sie so stark sind, daß sie nicht eingebettet
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werden müssen und weil die Goldplattierung den Korrosionsschutz garantiert. Beschleunigte Alterungsversuche und Versuche, bei denen die Drähte ungünstigen äußeren Bedingungen ausgesetzt worden waren, veränderten die Zerreißfestigkeit der Bindungen nicht wesentlich.
Wie sich aus der Tabelle ergibt, hängt die Qualität der hergestellten Verbindung nicht nur vom Drahtdurchmesser, sondern auch von der Dicke der Kupferschicht auf der Glasfiberplatte und von der Amplitude der ültraschallenergie ab.
Die mit den beschriebenen Verfahren hergestellten Verbindungen sind viel fester als das besonders weiche Gold, aus dem sie hergestellt worden sind. Gute Verbindungen, die entsprechend den beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, ergeben Zerreißfestigkeiten, die 2 bis 5 mal höher sind, als aufgrund der bei
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1240 kp/cm liegenden Zerreißfestigkeit von besonders weichem Gold zu erwarten wäre. Ein 62,5 μ dicker Draht, der mit einer etwa
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3,2 χ 10 mm großen Fläche angeschweißt ist, kann einer Zugbelastung von 90 g widerstehen, was einer Zerreißfestigkeit in der
Größenordnung von 2500 kp/cm entspricht. Unter sehr günstigen Umständen, können Zerreißfestigkeiten in der Größenordnung von
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7000 kp/cm erzielt werden. Tatsächlich war es im allgemeinen nicht die Gold-Gold-Bindung, die einen Ausfall verursachte, sondern entweder der Draht selbst oder die Verbindung zwischen dem Kupfer und der Oberfläche der Glasfiberplatte. Es wird angenommen, daß dieser unerwartete Anstieg der Zerreißfestigkeit möglicherweise mit dem Vorhandensein des härteren, kubischen Metalls, auf dem das Gold aufgebracht worden ist, und von der geringen Schichtdicke der Goldbeläge herrührt, jedoch wird der Mechanismus noch nicht vollständig verstanden.
Das beschriebene Verfahren ist auch dann anwendbar, wenn Werkstücke, die nicht aus Kupfer, sondern aus Nickel oder Permalloy bestehen, zusammengeschweißt werden sollen.
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- 15 Tabelle I
Dicke der Kupfer
schicht (mm)		 1,9 62,5 0,57 2,8 81 2,8 100 0,57 2,8 2,5 62,5 0,57 2,8 81 2,8 100 0,57 2,8 3,1 62,5 0,57 2,8 81 2,8 100 0,57 2,8
Draht-0 (p) * 93 100 %
100 %
100 %
100 %
100 %		 100 %
100 %
100 %
100 %
100 %		 183 90 %
86 %
90 %
85 %
76 %		 225 63 %
94 %
100 %
99 %
86 %		 95 %
96 %
86 %
83 %
ausge
fallen		 93 100 %
100 %
100 %
100 %
100 %		 98 %
98 %
98 %
98 %
98 .%		 183 88 %
84 %
90 %
80 %
78 %		 225 94 %
85 %
85 %
96 %
88 %		 99 %
99 %
90 %
95 %
76 %		 93 100 %
90 %
100 %
100 %
100 %		 100 %
100 %
100 %
86 %
90 %		 183 88 %
88 %
78 %
72 %
ausge
faller		 225 63 %
94 %
100 %
99 %
86 %		 95 %
96 %
86 %
83 %
ausge
fallen
Reißfestigkeit (g) • 0,57 0,57 0,57
Schweißzeit (sek.) 85 %
90 %
90 %
90 %
88 %		 81 %
87 %
88 %
88 %
89 %		 90 %
88 %
88 %
87 %
88 %
Ultraschallamplitu-
de (an Draht) (p) 2,2
2,4
2,5
2,6
2,7
Dicke der Kupfer
schicht (nun)
Draht-0 (p)
Reißfestigkeit (g)
Schweißzeit (sek.)
Ultraschallamplitu
de (am Draht) (u) 2,2
2,4
2,5
2,6
2,7
Dicke der Kupfer
schicht (mm)
Draht-0 (p)
Reißfestigkeit (g)
Schweißzeit (sek.)
Ultraschallamplitu
de (am Draht) (μ) 2,2
2,4
2,5
2,6
2,7
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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Ultraschallverschweißen eines dünnen
Metalldrahtes mit einer Metallschicht auf einem Substrat, wobei die Bindung über eine Goldschicht zustande kommt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (126) und die
Metallschicht (122), die beide eine kubische Kristallstruktur haben, vor dem Ultraschallverschweißen mit einer besonders weichen Goldschicht .überzogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als besonders weiches Gold Gold mit einer Knoop-Härte
,zwischen 50 und 100 μ und einer Reinheit von 99,98 % verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (126) und die Metallschicht (122) vor dem
überziehen mit Gold gereinigt werden, anschließend in
einem ersten Plattierungsbad elektrolytisch mit einer
dünnen Goldschicht überzogen werden, wonach in einem Verstärkungsbad die Goldschicht auf die gewünschte Dicke gebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in ungefähr neutralen Bädern goldplattiert wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht (126) aus Kupfer
und als Metallschicht (122) eine auf eine Glasfiberplatte (121 plattierte Kupferschicht verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sauerstoffreier, voll weich geglühter und sehr gut
leitender Kupferdraht verwendet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Plattierungsbad bei
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ungefähr 54 0C und einer Stromdichte von 16 bis 27 itiA/cm plattiert wird und daß die Goldschicht (124) auf der kupferplattierten Glasfiberplatte (120) bei einer Strom-
2
dichte von 2,2 bis 6,6 mA/cm und die Goldschicht (128) auf den Kupferdraht (126) bei einer Stromdichte von 2,2
2
bis 16 mA/cm verstärkt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Goldschicht (124) auf der kupferbeschichteten Glasfiberplatte (120) etwa 8 μ dick gemacht wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ultraschallverschweißen der Anpreßdruck, die Dauer und die Amplitude der Beschallung und die Duktilität des Drahtes aufeinander abgestimmt werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,-dadurch gekennzeichnet, daß ein sauerstoffreier, weich geglühter und sehr gut leitender Kupferdraht (126) bei einer Belastung mit einem Gewicht von 130 bis 160 g, einer etwa 1 Sekunde dauernden Beschallung mit einer Amplitude am Draht von 2,5 u mit der kupferbeschichteten Glasfiberplatte (120) verschweißt wird.
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DE2242338A 1971-09-17 1972-08-29 Ultraschallverschweissung von duennen metalldraehten mit metallschichten Pending DE2242338A1 (de)

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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3921885A (en) * 1973-06-28 1975-11-25 Rca Corp Method of bonding two bodies together
US3875652A (en) * 1973-08-08 1975-04-08 Rca Corp Method of bonding metals together
US4046073A (en) * 1976-01-28 1977-09-06 International Business Machines Corporation Ultrasonic transfer printing with multi-copy, color and low audible noise capability
JPS5963737A (ja) * 1982-10-04 1984-04-11 Hitachi Ltd 布線の接続方法
US4730764A (en) * 1987-04-06 1988-03-15 American Technology, Inc. Ultrasonic welding wire termination apparatus
SE9201280L (sv) * 1992-04-23 1993-10-24 Tetra Laval Holdings & Finance Anordning för ultraljudförsegling av termoplastiska material innefattande en vibrationsalstrare av s k jättemagneto- striktiv pulverkomposit
US5409155A (en) * 1993-04-23 1995-04-25 Solectron Croporation Vibrational self aligning parts in a solder reflow process
DE19541976A1 (de) * 1995-11-10 1997-05-15 Ego Elektro Blanc & Fischer Elektrische Schaltung
JP3311641B2 (ja) * 1997-05-30 2002-08-05 矢崎総業株式会社 端子及び端子と電線との接続構造
US6019271A (en) * 1997-07-11 2000-02-01 Ford Motor Company Method for ultrasonic bonding flexible circuits
US6610930B1 (en) * 1998-09-16 2003-08-26 Kulicke & Soffa Investments, Inc. Composite noble metal wire
JP5189427B2 (ja) * 2008-07-17 2013-04-24 Ｎｔｎ株式会社 転がり軸受用保持器および転がり軸受
EP2469992B1 (de) 2010-12-23 2015-02-11 Atotech Deutschland GmbH Verfahren zum Erhalten eines Palladiumflächenabschluss für die Kupferverdrahtung auf Druckleiterplatten und IC-Substraten

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2946119A (en) * 1956-04-23 1960-07-26 Aeroprojects Inc Method and apparatus employing vibratory energy for bonding metals
GB845112A (en) * 1956-11-02 1960-08-17 Gen Electric Co Ltd Improvements in or relating to bonded assemblies
US3458921A (en) * 1965-07-19 1969-08-05 Western Electric Co Short pulse vibratory bonding
US3617818A (en) * 1968-12-31 1971-11-02 Texas Instruments Inc Corrosion-resistent multimetal lead contact for semiconductor devices
US3609472A (en) * 1969-05-21 1971-09-28 Trw Semiconductors Inc High-temperature semiconductor and method of fabrication
US3593412A (en) * 1969-07-22 1971-07-20 Motorola Inc Bonding system for semiconductor device
US3662454A (en) * 1970-03-18 1972-05-16 Rca Corp Method of bonding metals together

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FR2153111A1 (de) 1973-04-27

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