DE2832050C2 - - Google Patents

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DE2832050C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE-OS 26 21 138 bekannt.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders zur Ausbildung elektrischer Verbindungen kleiner Bauteile oder Schaltkreise, vornehmlich der Verbindung integrierter Silizium-Mikroschaltungsbausteine, sogenannter "chips", mit Substratschaltung geeignet.
Integrierte Silizium-Mikroschaltungsbausteine werden derzeit mit Substratschaltungen durch Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von beispielsweise 25 Mikrometer oder durch Golddrähte verbunden. Bei einem bekannten Verfahren wird ein keilförmiges Ultraschall-Werkzeug zur Verbindung der Aluminium- oder Golddrähte mit den Belägen auf dem Silizium-Mikrobaustein und den Belägen auf der Substratschaltung verwendet.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine Kugel am Ende eines Golddrahtes gebildet und die Gold-Kugel dann mit dem Silizium-Mikroschaltungsbaustein oder der Substratschaltung durch Erwärmung und Druck oder Ultraschall verbunden.
Die Ausbildung einer Verbindung mittels einer Kugel hat zahlreiche Vorteile gegenüber der Ausbildung von Verbindungen mittels eines keilförmigen Werkzeugs.
Eine solche Kugel z. B. kann durch Beaufschlagung des Golddrahtes mit einer Wasserstoffflamme gebildet werden.
Aus der DE-OS 26 21 138 ist ein Verfahren bekannt, bei dem an einem Golddraht durch Anlegen einer Hochspannung von beispielsweise 10 kV an einen Spalt zwischen den Golddraht und eine Elektrode eine Funkentladung mit einem Lichtbogenstrom von 1 bis 2 mA ausgelöst und dadurch am Ende des Golddrahtes ein Kügelchen angeschmolzen wird. Als wesentlich wird hierbei die Einhaltung einer bestimmten Stromstärke über eine vorbestimmte Zeitspanne angesehen.
Die Verwendung einer monometallischen Aluminiumverbindung zwischen den Aluminiumbelägen und den Drähten ist von Vorteil, weil hierdurch brüchige intermetallische Verbindungen weitgehend vermieden werden und die Zuverlässigkeit sowie Wirtschaftlichkeit erhöht werden.
Aus der DE-OS 26 21 138 ist es bekannt, daß die obengenannten Verfahren zur Bildung einer Kugel am Ende eines Golddrahtes nicht direkt auf einen Draht aus Aluminium übertragbar sind. Denn wenn ein Aluminiumdraht in eine Flamme gehalten wird, verhindert die sich sehr rasch auf der freien Oberfläche des Aluminiums bildende Oxidschicht die Ausbildung einer geeigneten Kugel. Mittels einer Funkenentladungseinrichtung, wie sie für die Ausbildung von Kugel-Verbindungen mit Golddraht verwendet wird, konnte zwar eine Kugel an einem Aluminiumdraht ausgebildet werden, doch wurde diese Kugel sehr rasch oxidiert und unbrauchbar. Versuche, eine Kugel an einem Aluminiumdraht in einer Schutzatmosphäre (z. B. Argon) auszubilden, führten zu einer Glimmentladung ohne die Bildung einer Kugel.
In der britischen Zeitschrift "Journal of Applied Physics" 1965, Heft 16, Seiten 865 bis 868, berichten D. Baker und I. E. Bryan in dem Aufsatz "An improved form of thermocompression bond", daß ein nicht erfolgreicher Versuch unternommen wurde, ein Verfahren zur Ausbildung von Kugel-Verbindungen mit Aluminiumdrähten zu entwickeln. Als Energiequelle wurden ein fokussierter Laser-Strahl, ein Mikroplasma-Brenner, eine Kondensatorentladungs- und eine Miniaturstrahlungs-Heizvorrichtung untersucht. Sie stellten fest, daß die Oberflächen-Oxidschicht ausreichte, den Oberflächenspannungen entgegenzuwirken, die bestrebt sind, das Drahtende in die gewünschte Kugelform zu bringen, selbst bei einer Erwärmung in einer Schutzgasatmosphäre.
Aus der DE-OS 25 41 206 ist ein Verfahren zum Bonden von Drähten bekannt, bei dem ein elektrischer Strom durch den Draht geleitet und der Draht durch Widerstandserwärmung bis zum Bruch gebracht wird. Dabei werden an den Drahtenden Kugeln angeschmolzen. Die hierbei angewandte Spitzenstromsträke beträgt 13 Ampere bei einer Spannung von 12 Volt. Bei einem Aluminiumdrahtdurchmesser von 25 Mikrometern betgrägt die Stromdichte etwa 2 × 10⁶ A/m². Das Durchschmelzen des Drahtes führt jedoch zu einem erheblichen Drahtmaterialaufwand.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wie sie aus der DE-OS 26 21 138 bekannt sind und wovon in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 ausgegangen wird, werden der Draht und die Elektrode bei einer angelegten Spannung von weniger als 200 V zunächst kurzzeitig in Berührung gebracht. Während der Berührung tritt an der Kontaktstelle infolge eines hohen Stromes eine starke Erhitzung auf, so daß beim Auseinanderziehen von Draht und Elektrode eine Bogenentladung auftritt und das Drahtende unter Bildung einer Kugel anschmilzt. Hierbei erfolgt auch eine starke Erhitzung der Elektrode, wobei ein Brennfleck mit hoher Stromdichte auftritt, der zu einer starken Abnutzung der Elektrode führt. Sie muß daher häufig ausgewechselt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 anzugeben, bei dem bzw. der eine starke Abnutzung der für die Funkenentladung benutzten Elektrode vermieden wird.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2.
Bei dieser Lösung wird eine örtliche Überhitzung der Elektrode vermieden. Sie hat daher eine entsprechend hohe Lebensdauer.
Der den Entladestromkreis speisende Kondensator kann eine Kapazität aufweisen, die bei einem Draht mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern einen Wert von 0,2 bis 0,5 Mikrofarad hat. Bei einer Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung von 500 V sollte der ohmsche Widerstand des Entladestromkreises zwischen 75 und 850 Ohm liegen. Der Spitzenwert der Stromstärke liegt dann am unteren Ende des Widerstandsbereichs bei 6,7 Ampere und am oberen Ende des Widerstandsbereichs bei 0,6 Ampere.
Wenn die angewandten Werte in diesen Bereichen liegen, lassen sich Kugeln hoher Qualität in einer Schutzgasatmosphäre aus Argon bei einem Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern herstellen, wobei der Draht in dem Stromkreis liegt.
Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figur zeigt eine Vorrichtung zur Bildung einer Kugel an der Spitze eines Drahtes aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
Nach der Zeichnung erstreckt sich ein Draht 1 von einer Spule 2 durch eine elektrisch leitfähige Klemme 3 und eine Kapillardüse 4 am Ende des Horns 5 eines Ultraschall- Schweißwerkzeugs 6. Die aus der Kapillardüse 4 herausragende Drahtspitze soll an einer Mikroschaltung 7 angeschweißt werden, die auf einer Aufnahmebasis 8 angeordnet ist.
Zur Bildung einer Kugel am Ende des Drahtes wird eine Funkenentladung zwischen der Spitze des Drahtes 1 und der Elektrode 9 in einem Spalt von etwa 0,125 mm (0,005″) Länge erzeugt. Die Elektrode 9 wird von einem Halter 10 getragen, der mit einem (im Schnitt transparent dargestellten) vorderen Teil 11 versehen und am Ende eines schwenkbar gelagerten Arms 12 befestigt ist. Eine von einer Antriebseinrichtung 14 gedrehte Kurvenscheibe 13 schwenkt den Arm 12 in die dargestellte Kugel- Bildungslage nach vorn und zieht ihn danach wieder zurück, um die Herstellung einer Verbindung zu ermöglichen. Der transparente vordere Teil des Elektrodenhalters 10 ist mit einem Schlitz 15 versehen, damit die Spitze der Kapillardüse und der Draht in den Elektrodenhalter ragen können, während dieser vorgeschoben wird.
Über den Transformator T und den Gleichrichter U wird der Kondensator C 1 aufgeladen, der über den ohmschen Widerstand R 1 an der Speicherkapazität C 2 liegt, die den Entladungsstrom liefert. Der Kondensator C 2 entlädt sich über den ohmschen Widerstand R 2, wenn der Thyristor Th gezündet wird, und die Bogenentladung wird dann zwischen der Elektrode 9 und dem Drahtende ausgelöst. Eine Schutzgasquelle 24 ist über ein Rohr 25 mit dem Inneren des Elektrodenhalters verbunden. Während der Funkenentladung strömt das Schutzgas an der Elektrode und der Drahtspitze vorbei und aus dem Schlitz 15 hinaus.
Die Werte des Kondensators C 2 und des Widerstands R 2 liegen in den oben angegebenen Bereichen.
Die Funkenentladung zwischen dem Draht und der Elektrode führt zur Bildung einer Kugel am Ende des Drahtes.
Während sich die Kurvenscheibe 13 weiterdreht, wird die Elektrode 9 zurückgezogen.
Die Antriebseinrichtung 14 treibt eine weitere Kurvenscheibe 30 an. Die Kurvenscheibe 30 verschwenkt über eine Rolle 31 einen Hebel 32, an dessen Ende die Klemme 3 angeordnet ist, um eine Achse 33. Das Ultraschall- Schweißwerkzeug 6 wird ebenfalls um die Achse 33 geschwenkt. In der dargestellten Lage hat die Kurvenscheibe 30 den Hebel 32 und das Ulstraschall-Schweißwerkzeug 6 so verschwenkt, daß die Klemme 3 und die Kapillardüse 4 oberhalb des Werkstücks liegen, um die Bildung einer Kugel zu ermöglichen. Wenn die Kugel gebildet worden ist, wird die Kurvenscheibe 30 so weit gedreht, daß die Klemme 3 und die Kapillardüse 4 nach unten geschwenkt werden und die Kugel mit der Mikroschaltung in Berührung kommt. Eine Feder 34 hält die Rolle 31 mit der Kurvenscheibe 30 in Berührung. Dann wird das Ultraschall- Schweißwerkzeug 6 eingeschaltet, so daß über das Ultraschall- Horn 5 die Düse 4 und damit die Kugel am Ende des Drahtes an der Mikroschaltung in Schwingungen versetzt wird, um in an sich bekannter Weise eine Verbindung durch Ultraschall herzustellen.
Nachdem der Draht in der oben beschriebenen Weise mit der Mikroschaltung verbunden worden ist, kann er an einen herausführenden Anschluß 35 angeschlossen werden. Bei der Ausbildung dieser Verbindung kann ein Keil- Verbindugnsverfahren angewandt werden, weil die verfügbare Verbindungsfläche größer ist. Für die Verbindung mit der Mikroschaltung ist die verfügbare Verbindungsfläche klein, so daß der Betrag der zur Ausbildung der Verbindung erforderlichen Energie kritischer ist. Gewünschtenfalls kann die Kapillardüse 4 verwendet werden, um die Keil-Verbindung mit dem herausführenden Anschluß in an sich bekannter Weise herzustellen.
Obwohl das dargestellte Ultraschall-Verfahren zum Verbinden des Drahtes mit der Mikroschaltung bevorzugt wird, ist es auch möglich, diese Verbindung unter Anwendung von Wärme und Druck herzustellen.
Statt bei einem Aluminiumdrahtdurchmesser von 25 Mikrometern kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Drähten mit anderen Durchmessern angewandt werden. Beispielsweise sind bei einem Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 75 Mikrometern eine Kapazität von 3,1 Mikrofarad und ein ohmscher Widerstandswert von 30 Ohm sowie eine Spannungsquelle mit 500 V geeignet. Ganz allgemein nimmt die Kapazität proportional zur Querschnittsfläche des Drahtes zu. Die Erfindung kann auch bei einem Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 375 Mikrometern angewandt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Bildung einer Kugel an einem Ende eines Drahtes aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einer Funkenentladung in einem Spalt zwischen einer Elektrode und dem Ende des Drahtes in einer Schutzgasatmosphäre, wobei der Spalt in einem Entladestromkreis mit einem verstellbaren Widerstand liegt und über dem Spalt eine Spannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenentladung durch eine über den Spalt angelegte Spannung ausgelöst wird, deren Höhe zwischen 350 V und 10 000 V liegt, und daß der Wert des ohmschen Widerstandes in dem Entladestromkreis so gewählt ist, daß der Spitzenwert der Stromdichte in dem Draht 1,2 · 10⁹ A/m² bis 13,5 · 10⁹ A/m² beträgt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Elektrode und einem Drahthalter zum Halten eines Drahtes mit vorbestimmter Querschnittsfläche derart, daß zwischen der Elektrode und dem Ende des Drahtes ein Spalt als Funkenentladungsstrecke vorhanden ist, mit einem Kondensator zum Anlegen einer Spannung über den Spalt, mit einem Ladestromkreis und einem Entladestromkreis für den Kondensator, wobei der Entladestromkreis einen verstellbaren Widerstand enthält, und mit einer Einrichtung (10, 24, 25) zur Bildung einer Schutzgasatmosphäre in einer den Spalt aufweisenden Zone, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahthalter den Draht beim Auslösen der Funkenentladung derart hält, daß der Spalt verbleibt, daß der Ladestromkreis (T, U, C 1, C 2, R 1) so ausgebildet ist, daß die Höhe der von dem Kondensator (C 2) über den Spalt angelegten Spannung zwischen 350 V und 10 000 V liegt und daß der Wert des ohmschen Widerstandes (R 2) in dem Entladestromkreis (R 2, Th, 1, 3, 9) so gewählt ist, daß der Spitzenwert der Stromdichte im Draht 1,2 · 10⁹ A/m² bis 13,5 · 10⁹ A/m² beträgt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2 für einen Draht mit einem Durchmesser von etwa 25 Mikrometern, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des ohmschen Widerstandes im Endladestromkreis zwischen 75 und 850 Ohm liegt.
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