DE2529014A1

DE2529014A1 - Vorrichtung zum verbinden elektrischer leiter mittels waerme und druck, insbesondere schweisskopf

Info

Publication number: DE2529014A1
Application number: DE19752529014
Authority: DE
Inventors: Dennis L Ellingson; Colin A Johnson; Seong K Rhee; N Y Sidney; Gerald C Smith
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1974-08-23
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1976-03-04
Also published as: CA1025060A; US3943323A; NL7507180A; FR2282318A1; JPS5125768A; IL47367A0; SE7508492L

Description

L Il A All TC ^KarlA DFV^CC ^DKarl DEVICE ^Diplom

slkl^LTt dKUoc bKvJob ¹^—

D-8023 München-Pullach, Wit.nei Str. 2; Te:. (0C9; 7 9: 3C 71; Telex 52*2147 bros d; Cables: «Patentibus» München

25230H

Ihr Zeichen: Tag:

Yourref: 5258-A ΌΒτ/τΆ Date: 26. JlUIl 1975

THE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield, Michigan 48075, USA

Vorrichtung zum Verbinden elektrischer Leiter mittels Wärme und Druck, insbesondere Schweißkopf

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verbindung mittels Energieimpulsen und insbesondere auf einen Bindekopf zur Anwendung von Wärme und Druck auf elektrische Leiter, die verbunden oder zusammengeklebt werden sollen.

Bei der Herstellung vieler elektrischer Vorrichtungen, wie z.B. von Halbleitervorrichtungen, gedruckte Schaltungstafelplatten, flachen oder bandartigen elektrischen Kabeln und dgl. ist oft notwendig, eine oder mehrere elektrisch leitende Zuleitungen mit einer elektrisch leitenden Anschlußklemme, Fahne oder einer anderen elektrisch leitenden Zuleitung zu verbinden. Solche Verbindungen werden typisch durch Löttechniken von Hanä^äuVch andere mehrstufige Methoden hergestellt, die eine genaue

609810/0244

25230U

Einstellung des zu verbindenden Elements, die Zufuhr einer abgemessenen Menge eines leitenden Verbindungsmaterials, die Verflüssigung des Materials und eine richtige Verteilung des Materials über der Bindungs- oder Verbindungsstelle erfordern. Ungeachtet der verwendeten besonderen Methode, muß sie jedoch so sein, daß sie die Bildung eines guten elektrischen Anschlusses und einer mechanisch starken und dauerhaften Verbindung gewährleistet.

Allgemein gesprochen, erfordern Bindemethoden unter Verwendung von Lot oft aufwenige Einrichtungen zur richtigen Steuerung des Lötmetalls, das einer gewünschten Bindestelle zugeführt wird, sowie zur Verteilung desselben. Darüber hinaus erfordern Lötverfahren oft eine besondere Orientierung der zu verbindenden Elemente in Bezug auf die eingesetzten Verbindungsmittel, wobei sie vielmehr in Bezug auf die Anzahl der Elemente, die gleichzeitig gebunden werden können, nicht flexibel und oft bei ihrer Anwendung auf Verbindungselemente begrenzt sind, die eine bestimmte Größe und Form haben. Hierbei ist zu beachten, daß durch die Unfähigkeit der herkömmlichen Lötverfahren, die Zufuhr und Verteilung des Lots richtig zu steuern, sich diese als unwirtschaftlich und nicht wirkungsvoll erwiesen und oft zur Bildung von im allgemeinen unzuverlässigen elektrischen Verbindungen geführt haben. Bei einem Versuch, die die Zufuhr, Verflüssigung und Verteilung verschiedener Bindematerialien begleitenden Probleme zu überwinden, sind Methoden unter Verwendung von vorher mit Überzügen versehenen Elementen entwickelt worden. Allgemein gesprochen, werden bei diesen Methoden Elemente verwendet, die als Überzug eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt (d.h. Lot) oder irgend ein anderes, durch Wärme weichzumachendes, elektrisch leitendes Material haben, um somit die Notwendigkeit der Zufuhr eines Verbindungsmaterials zu einer gewünschten Verbindungsstelle von einer getrennten Quelle her zu vermeiden. Obwohl durch diese Methoden die Notwendigkeit einer unabhängigen Zufuhr einer abgemessenen Menge von Verbindungsmaterialien herabgesetzt, die Menge des zur Erzielung einer Verbindung erforderlichen Materials

608810/U2AA

1 ¹J19 υ η

verringert und die den zu bindenden Elementen anhaftenden Schwierigkeiten auf ein Minimum herabgesetzt haben, sind sie im allgemeinen außerstande, mechanisch feste Verbindungen zu bilden. Unter den Methoden, die zum Verbinden zweier elektrisch leitenden Zuleitungen entwickelt worden sind, sind die Schmelzbindung und die Verbindung mittels Energieimpulsen zu erwähnen, bei denen Hitze und Druck auf zwei elektrisch leitende Materialien aufgebracht wird, um diese zu verbinden. Die Schmelzbindung wird heute weitgehend zum Verbinden der elektrischen Zuleitungen aus dünnen Filmen mit integrierten Schaltungen verwendet, die gewöhnlich auf einer verhältnismäßig zerbrechtlichen Unterlage hergestellt werden, wie z.B. Glas, keramischem Material, Silizium oder Germanium. Auch bandartige elektrische Kabel, die aus einem Kunststoffblatt mit dünnen (etwa 0.001 Zoll) Bändern eines darin eingebetteten elektrisch leitfähigen Materials bestehen, können | miteinander oder mit Schaltungen durch einen solchen Schmelzbindeprozeß verbunden werden.

Die American Welding Society bezeichnet die "Diffusionsschweißung" als einen Schweißprozeß im festen Zustand, bei dem das Zusammenwachsen der gut zusammenpassenden Oberflächen durch die Anwendung von Druck bei erhöhten Temperaturen erzeugt wird. Der Prozeß umfaßt keine makroskopische Verformung oder Relativbewegung der Teile. Diese Definition ist als "diffusionsgesteuerte Schweißung" kategorisiert worden. Eine zweite Kategorie der Diffusionsschweissung, welche eine makroskopische Verformung erfordert, ist als "Verformungsdiffusionsschweißung" bezeichnet worden. Die Verbindung mittels Energieimpulsen fällt unter diese zweite Kategorie, bei der eine makroskopische Verformung bei hohen Temperaturen erforderlich ist, um die Verbindungszeiten von Minuten oder Stunden auf Sekunden herabzusetzen und um die Herabsetzung der Oberflächenisolierung, Verunreinigungen und Oxydation zu fördern.

Bei der Verbindung mittels Energieimpulsen wird mechanischer Druck und hohe Temperatur in Form eines gesteuerten Energieimpulses von Temperatur und Druck, an dem Übergang zweier elektri-

ORIQiNAL INSPECTBD

scher Leiter zwei bis drei Sekunden lang angewendet. Die Werte von Temperatur und Druck sind durch die Fließfähigkeit und den Schmelzpunkt des Materials bestimmt, wobei die Hauptrolle des Druckes ist, Unebenheiten abzuflachen und mehr Bereich in Kontakt zu bringen, wodurch eine größere Massendiffusion an der Bindungsgrenzflache erzielt wird. Der auf die Verbindungsstelle ausgeübte Druck muß ausreichend groß sein, um eine mikroskopische plastische Verformung der Oberflächenunregelmäßigkeiten zu verursachen, um Fehlstellen in den Oberflächen der Verbindungsstelle auf ein Minimum herabzusetzen. Falls die Oberflächen der Verbindungsstelle sehr unregelmäßig sind und der Druck ungenügend ist, so verbleiben Hohlräume in der Grenzfläche, welche die Bildung einer schwachen Verbindung verursachen. Die an der Verbindungsstelle angewandte Temperatur steuert die Wanderung von Atomen über die Grenzfläche der Verbindung. Bei hohen Bindetemperaturen können daher gute Bindungen in einer Zeitspanne von 2 bis 3 Sekunden erzielt werden. Eine beim Energieimpulsbindeprozeß vorzugsweise verwendbare Temperatur liegt zwischen 50 % bis 75 % des Schmelzpunktes der zu verbindenden Materialien. Wie lange der Druck und die Temperatur der Verbindungsstelle zugeführt werden, hängt selbstverständlich von Bindetemperatur, Druck und den Eigenschaften des Verbindungskopfes ab, d.h. der thermischen Leitfähigkeit. Höhere Drücke (über der Fließfähigkeit des Materials) begünstigen kurze Bindezeiten, wogegen Bindedrücke unter der Fließfähigkeit des Materials längere Bindezeiten, möglicherweise mehrere Stunden, erfordern, um eine zuverlässige Verbindung zu erhalten.

Da ein Parameter der Energieimpulsbindung die Temperatur (Wärmeübertragung) ist, ist wichtig, daß der Verbindungskopf eine hohe thermische Leitfähigkeit hat. Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit haben jedoch im allgemeinen eine geringe mechanische Festigkeit. Daher setzen Verbindungsköpfe aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit die Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf die Bindeoberfläche des Verbindungskopfes auf ein Maximum herauf, wobei sie jedoch infolge mechanischer Fehlerhaftigkeit, Verzerrung oder Verformung auf Grund der geringen

609810/U244

mechanischen Festigkeit (Zugfestigkeit) des Materials eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer haben; und Verbindungsköpfe aus einem Material hoher Zugfestigkeit haben nicht die notwendige thermische Leitfähigkeit für eine wirksame Verwendung bei der Energieimpulsbindung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Verbindungs- oder Schweißkopf mit hoher Zugfestigkeit und guter Wärmeübertragungseigenschaften, so daß der Kopf eine verbesserte Lebensdauer hat und zur Energieimpulsbindung brauchbar ist.

Der Schweißkopf dient zum Verbinden der elektrisch leitfähigen ■Zuleitungen eines Bandkabels oder dgl. mit anderen elektrischen Leitern. Der Schweißkopf, der Wärme und Druck auf die elektrischen Leiter und Zuleitungen aufbringt, um sie miteinander zu verbinden, ist ein länglicher Teil aus einem Material hoher mechanischer Festigkeit, jedoch niedriger thermischer Leitfähigkeit, der eine Leitung aus einem Material niedriger mechanischer Festigkeit, aber hoher thermischer Leitfähigkeit enthält. Ein in die Leitung eingesetztes Heizelement führt Wärme zu der Leitung und dem Schweißkopf. Diese Anordnung ergibt einen Schweißkopf mit hoher mechanischer Festigkeit, womit ein strukturelles Versa-gen und Verformung des Schweißkopfes reduziert ist.

E_rfindungsgemäß wird ein Bindekopf geschaffen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit aber sehr guter mechanischer Festigkeit (Zugfestigkeit) besteht und eine Leitung enthält, die aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit, die etwa 10 mal größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Schweißkopfes besteht, welche in einem in Längsrichtung verlaufenden Durchgang im Schweißkopf angeordnet ist. Die Leitung weist einen in Längsrichtung verlaufenden exzentrisch angeordneten Durchgang, in welchem ein Heizelement vorgesehen ist, auf.

Demgemäß ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Schweißkopfes mit überlegener mechanischer Festigkeit,

609810/0244

während er gleichzeitig zur wirksamen Verteilung von Wärme auf seine Schweißoberfläche fähig ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Schweißkopfes mit einem in Längsrichtung verlaufenden Durchgang, der ein Heizelement enthält,· das von einem Material umgeben ist, das im Vergleich zum Material des umgebenden Schweiß kopfes eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit hat.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Schweißkopfes mit einer längeren Lebensdauer als die Schweißköpfe nach dem Stand der Technik.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Schweißkopfes aus einem Material mit hoher Zugfestigkeit, so daß der Schweißkopf strukturellen Versagen und einer Verformung an seiner Schweißoberfläche widersteht.

Die obigen und weiteren Ziele und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden näheren Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungsfiguren und Ansprüchen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden, hervor. Die Verwendung von Bezugszeichen dient ferner nur der Klarstellung und Veranschaulichung und soll nicht die Erfindung auf die spezifische Konstruktion beschränkt sein, auf die Bezug genommen wird.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Schweißkopfes;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Schweißkolbens, der einen Schweißkopf und einen Halter für den Schweißkopf enthält; und

Fig. 3 eine Schnittansicht des Schweißkolbens um 90°

gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Ansicht versetzt.

^BÜ9810/0244 ORWML

Fig. 1 zeigt einen Schweißkopf 1, der einen länglichen Körper 20, einen länglichen Teil oder eine Leitung 30, die innerhalb des Körpers 20 angeordnet ist und ein Heizelement 40 aufweist, das, wenn mit elektrischer Energie erregt, Wärme durch den länglichen Teil 30 an den Körper 20 abführt.

Der längliche Körper 20 besteht aus einem Material hoher Zugfestigkeit, aber geringer Wärmeleitfähigkeit. Beispiele solchen Materials sind unlegierter Stahl, Nickel-Chromlegierungen (inconel alloy 718), Beryllium und Wolframkarbid. Inconel ist besonders brauchbar als Schweißkopf, da die Zugfestigkeit des Materials nicht scharf abfällt, wenn Schweißtemperaturen von etwa 500°C oder höher verwendet werden. Der längliche Körper 20 hat einen im allgemeinen rechteckigen oberen Teil mit einem sich verjüngenden unteren Teil, der aus zwei Seiten 27 und 28 besteht, die sich zueinanderlaufend verjüngen und in einer Schweißoberfläche 29 enden, welche die Oberfläche ist, die mit der Fuge zwischen elektrischen (nicht gezeigten) Leitern in Berührung kommt und darauf Wärme und Druck ausübt. Die Konfiguration dieser bestimmten Schweißoberfläche 29 ist bestimmt, die bandartigen elektrischen Leiter eines Bandkabels mit den elektrischen Leitern eines anderen Kabels oder Anschlußbrettes zu verbinden. Zwei Gewindebohrungen 25 und 26 sind zum Befestigen des Körpers 20 an einem (in dieser Figur nicht gezeigten) Halter einer Schweißmaschine vorgesehen. Die Bohrungen 25 und 26 können auch in jeder den Seiten des Körpers 20 angeordnet sein, um den Körper 20 an einem Halter (50, Figur 3) eines Schweißkolbens zu befestigen. In der Längsrichtung des Körpers 20 erstreckt sich ein Durchgang 21, der eine im allgemeinen zylindrische Form hat und sich im geringen Abstand zu den konischen Oberflächen 27 und 28 des Schweißkopfes 1 befindet.

Innerhalb des in Längsrichtung verlaufenden Durchganges 21 des Körpers 20 befindet sich eine Leitung oder ein länglicher Teil 30, dessen Außenoberfläche in Kontakt mit der Wand des Durchganges 21 steht. Der längliche Teil 30 besteht aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. zumindest zweimal und

B Ü 9 8 1 U / ü 2 A U

und vorzugsweise zehnmal größer als die Wärmeleitfähigkeit des Material des Korpers 20. Beispiele für Materialien, die zur Verwendung bei der Herstellung des länglichen Teils 30 bevorzugt sind, sind Aluminium, Kupfer, Silber, Aluminiumoxide und Legierungen und Gemische davon; ein bevorzugtes Material ist Kupfer und Aluminium. Ein wichtiges Merkmal des länglichen Teils 30 ist die exzentrische Anordnung eines in Längsrichtung verlaufenden Durchganges 31 in diesem Teil. Durch die Anordnung des Durchganges 31, so daß seine Achse zur Achse des Teils 30 exzentrisch ist, besteht ein größerer Guerschnittsbereich eines Materials hoher Wärmeleitfähigkeit auf der einen Seite des Durchmessers des Durchganges 31 als auf der anderen. Der Abschnitt der Leitung 30 mit dem größeren Guerschnittsbereich aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit ist derart angeordnet, daß er näher an den konischen Seiten 27 und 28 des Körpers 20 liegt, so daß der Teil 30 den größten Teil der von innen übertragenen Wärme in Richtung der Schweißoberfläche 29 und der konischen Seiten 27 und 28 leitet. Im Durchgang 31 des Teiles 30 ist ein Heizelement 40 angeordnet, das im allgemeinen zylinderförmig ist und mit Berührung unter Druck in die Wand des Durchganges 31 paßt. Das Heizelement 40 hat einen elektrischen Widerstandsdraht 41, der, wenn erregt, elektrische Energie in Form von Wärme abführt, die durch den Teil 30 insbesondere zur Schweißoberfläche 29 radial übertragen wird. Handelsüblich erhältliche Heizelemente können verwendet werden, oder ein Heizelement kann aus einem Draht hohen Temperaturwiderstandes hergestellt werden, der in einem keramischen Material eingebettet sein kann, wie in der Zeichnung gezeigt.

Figur 2 ist eine skizzenhafte Querschnittsansicht eines Teils einer Schweißvorrichtung mit einem Kolben, der aus dem Schweißkopf 1 und einem Halter 50 für den Schweißkopf besteht, der aus einer mechanischen oder pneumatischen Energiequelle her betätigt wird, um den Schweißkopf 1 zu bewegen.

Diese Querschnittsansicht zeigt die exzentrische Anordnung des Heizelements 40 innerhalb des länglichen Teils 30, derart, daß

609810/ 0 2 4 A

2bzyu H - 9 -

der größte Teil des Materials hoher Wärmeleitfähigkeit der Leitung 30 zwischen dem Heizelement 40 und der Schweißoberfläche 29 und dicht neben den konischen Oberflächen 27, 28 und der Schweißoberfläche 29 liegt.

Um zu gewährleisten, daß eine minimale Wärmeübertragung vom Körper 20 des Schweißkopfes 1 zum Halter 50 erfolgt, besteht der Halter aus einem Material niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z.B. rostfreiem Stahl. Der Halter 50 hat einen Längsschlitz 51 zur Aufnahme des Schweißkopfes 1, der im Halter 50 durch Bolzen entweder durch die Seiten des Halters 50 oder vom Oberteil des Halters her befestigt ist. Um die Wärmeübertragung vom Schweißkopf 1 zum Halter 50 weiter auf ein Minimum herabzusetzen, wird minimaler Kontakt zwischen dem Halter 50 und dem Schweißkopf 1 durch Stufen 55 und 56 erzielt, die nur einen kleinen Teil der Seiten 22, 23 und der oberen Fläche 71 des Körpers 20 berühren, wobei der größte Teil der Oberflächenbereiche der Seiten 22, 23 und der Fläche 71 in Abstand vom Halter 50 liegt.

Figur 3 ist eine transversale Querschnittsansicht des Schweißkopfes 1 und des Halters 50, die in Figur 2 gezeigt sind. Diese Figur zeigt einerseits eine Anordnung von Bolzen 61 und 62 zum Befestigen des Schweißkopfes 1 im Halter 50 und andererseits den Widerstandsdraht 41, der im keramischen Material des Heizelements 40 eingebettet ist.

Bezugnehmend nun auf die Figuren, arbeitet der Schweißkopf wie folgt: Wenn das Heizelement 40 erregt ist, beginnt es Wärme radial nach außen durch den länglichen Teil 30 und den Körper 20 zu übertragen. Offensichtlich wird etwas Wärme in die Luft gestrahlt, während ein anderer kleiner Teil der Wärme in den Halter 50 übertragen wird. Infolge der hohen Wärmeleitfähigkeit des länglichen Teils 30 wird jedoch der größte Teil der vom Heizelement 40 übertragenen Wärme auf den unteren Teil des

- ίο -

Schweißkopfes 1 zwischen den konischen Seiten 27 und 28 auf die Schweißoberfläche 29 übertragen. Um zv/ei (nicht gezeigte) elektrische Leiter miteinander zu verbinden, ist die Fuge zwischen den zu verbindenden Leitern zwischen der Schweißoberfläche 29 und einer anderen Schweißoberfläche angeordnet. Der Schweißkopf 1 wird dann betätigt, um Druck auf die Fuge auszuüben, während gleichzeitig das Heizelement 40 betätigt wird oder betätigt worden ist, um die thermische Energie zu erzeugen, die dann auf die Schweißoberfläche 29 verteilt wird. Da die Schweißoberfläche 29 aus einem Material hoher Zugfestigkeit hergestellt ist, wird die Schweißoberfläche 29 nicht denselben Verformungen und/oder Brüchen ausgesetzt werden, wie es der Fall mit einer Schweiß- j oberfläche sein würde, die aus einem Material guter Wärmeleitfähigkeit aber niedriger Zugfestigkeit besteht.

Während eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß gewisse Änderungen und Abwandlungen vom Fachmann innerhalb der Erfindung gemacht werden können. So z.B. ist der längliche Teil 30 als eine allgemein zylindrische Form aufweisend gezeigt, obwohl andere Formen verwendet werden können.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

6üBÖ 1 0/Ü244

Claims

Patentansprüche

1. /Verbindungs- oder Schweißkopf zum Aufbringen von Wärme und.

Druck auf elektrische Leiter, um diese miteinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß er einen länglichen Körper (20) aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit aber sehr guter Zugfestigkeit aufweist, welche mit einer Schweißoberfläche (29) versehen ist, daß ein in Längsrichtung verlaufender Durchgang (21) nahe der Schweißoberfläche (29) vorgesehen ist, daß ein länglicher Teil (30) innerhalb des Durchganges (21) befestigt ist, daß der Teil (30) aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist, die mehrmals größer ist als die Wärmeleitfähigkeit des Körpers (20) aber eine Zugfestigkeit hat, die geringer als die Zugfestigkeit des Körpers (20) ist und daß der Teil (30) mit einer Längsbohrung (31) versehen ist, und ein Heizelement (40) aufweist, das innerhalb der Längsbohrung des länglichen Teil (30) vorgesehen ist.

2. Schweißkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Bohrung (31) von der Längsachse des Durchganges (21) in einer Richtung weg von der Schweißoberfläche (29) im Abstand angeordnet ist.

3. Schweißkopf nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Körper (20) einen rechteckigen oberen Teil und einen sich verjüngenden unteren Teil hat, der aus zwei Seiten (27, 28) besteht, die sich zueinander erstreckend verjüngen und in der Schweißoberfläche (29) enden.

A. Schweißkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (1) durch einen Halter (50) gelagert ist, der einen Längsschlitz (51) hat, in welchem zumindest ein Teil

6U9Ö10/U244

2529Ü14

des länglichen Körpers (20) enthalten ist und daß der Schlitz (51) zwei Stufen (55, 56) aufweist, die in der Richtung des Schlitzes (51) gerichtet sind und mit einem kleinen Bereich der gegenüberliegenden Längsseiten (22, 23) des rechteckigen oberen Abschnittes des länglichen Körpers (20) in Kontakt
kommen.

6.0 9 8 1 0 / 0 2 4 4