DE3629864A1 - Vorrichtung und verfahren zum schweissen von draehten geringer dicke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betriff eine Vorrichtung zum Schweißen von Drähten geringer Dicke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Schweißen von Drähten geringer Dicke unter Verwendung einer derartigen Vorrich­ tung.

Drähte geringer Dicke werden herkömmlicherweise geschweißt oder mit solchen Verfahren wie Widerstandsschweißen oder Löten befestigt. Das Widerstands-Schweißverfahren bringt jedoch Schwierigkeiten mit sich, und zwar einmal in bezug auf das Einführen von Elektroden an den gewünschten Stellen innerhalb des beschränkten Raumes einer elektronischen Vorrichtung, welche im allgemeinen eine hohe Packungsdichte aufweist, und zum anderen in bezug auf die Gefahr, daß Spritzer, die während des Schweißens erzeugt werden, Kurz­ schlüsse in den elektronischen Schaltungen bewirken. Das Widerstandschweißverfahren ist deshalb ein ungeeignetes Verfahren, um Drähte geringer Dicke, welche an Teilen von elektronischen Vorrichtungen befestigt werden müssen, anzu­ schweißen. Auf der anderen Seite kann das Lötverfahren, da es den Verfahrensschritt des Erhitzens der gesamten elek­ tronischen Schaltung auf eine Temperatur, die für das Löten geeignet ist, oder das lokale Erhitzen derselben mit einen Lötkolben erfordert, die elektrische Schaltung insge­ samt durch die Wärme beeinträchtigen; darüber hinaus ist diese Methode ungeeignet für die Massenproduktion. Unter Berücksichtigung dieser Nachteile, wird es zunehmend als vorteilhaft empfunden, mit Verfahren zu schweißen, welche die Verwendung eines Elektronenstrahles oder eines Laser­ strahles vorsehen, da diese das Schweißen von Drähten ge­ ringer Dicke bewirken können, ohne einen direkten Kontakt mit den Schaltungen herzustellen, d. h. ohne daß die Schaltungen durch Hitze beeinträchtigt werden, während sie gleichzeitig eine hohe Energiedichte bieten. Aber selbst bei diesen, nicht-direkten Kontaktverfahren, welche Elek­ tronenstrahlen und Laserstrahlen verwenden, sind einige Probleme erkannt worden. Wenn diese Strahlen z. B. auf einen Draht geringer Dicke gerichtet werden, kann der geschmol­ zene Teil des Drahtes infolge der Oberflächenspannung schrumpfen und es bilden sich dann Vertiefungen in dem Draht, welche zu einer Verminderung der Festigkeit des Drahtes in einem großen Ausmaß führen, und manchmal sogar zu einem Bruch desselben, wenn die Kupplung gewisse Profile aufweist. In bezug auf die Notwendigkeit, sauber ge­ schweißte Drähte in zuverlässiger Weise zu erhalten, ver­ sagen diese Verfahren.

Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, ist vorge­ schlagen worden, eine Nut zu bilden, deren Tiefe größer ist als der Durchmesser des Drahtes geringer Dicke, welcher an dem äußeren Umfang des Elementes, das mit dem Draht zu verbinden ist, angeschweißt werden soll, und den Draht dann in diese Nut einzuführen, so daß er geschweißt werden kann, wie dies in der japanischen Patentveröffent­ lichung Nr. 8178/1979 mit dem Titel "VERFAHREN ZUM SCHWEIßEN VON DRÄHTEN GERINGER DICKE", die am 13. April 1979 veröffentlicht wurde, offenbart ist. Dieses Verfahren leidet jedoch an folgenden Problemen: In der Praxis ist es nämlich schwierig, den Draht in die Nut einzuführen, wenn der Draht einen Durchmesser hat, welcher sich in der Größenordnung von einigen 10 Mikrometern bewegt. Weiterhin ist es schwierig, die Drähte in den notwendigen Positionen festzuhalten, wenn sie verarbeitet werden, oder wenn es gewünscht ist, sie automatisch zu verarbeiten. Ein weiteres Verfahren, welches die Verfahrensschritte beinhaltet, zu­ nächst die Position der Drähte festzulegen und Vorsprünge zu bilden, um das Brechen durch ein Auftrageverfahren (deposition method) zu verhindern, wurde in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 27414/1976 veröffentlicht, welche mit "SCHWEIßVERFAHREN FÜR DRÄHTE GERINGER DICKE" betitelt ist und welches am 12. August 1976 veröffentlicht wurde. Wenn der Draht, welcher mit diesem Verfahren ver­ schweißt werden soll, jedoch einen relativ großen Durch­ messer hat, muß die Höhe der Vorsprünge entsprechend erhöht werden, wodurch eine lange Zeit für die Bildung solcher Vorsprünge durch Auftragen benötigt wird, was zu einer geringen Produktivität führt.

Wie vorstehend beschrieben, ziehen die beiden zuletzt er­ wähnten, im Stand der Technik bekannten Verfahren, nicht genügend Nutzen aus dem Potential der Anwendung von Elek­ tronenstrahlen oder Laserstrahlen und ihre Probleme bleiben ungelöst.

Die vorliegende Erfindung stellt sich demgemäß die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Schweißen von Drähten geringer Dicke zu schaffen, welche geeignet ist, bei dem Verfahren zum Verbinden dieser Drähte mit unterschiedlichen Elementen verwendet zu werden, und welche es ermöglicht, daß dieses Verfahren ohne das Bilden von Vertiefungen in den Drähten durchgeführt werden kann und bei der die Positionen der Drähte einfach bestimmt werden können. Die Erfindung stellt sich des weiteren die Aufgabe ein Verfahren zum Schweißen von Drähten geringer Dicke zur Verfügung zu stellen, welches eine derartige Vorrichtung verwendet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren ist Gegenstand des Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schweißen eines Drahtes geringer Dicke, ist das Fußteil, welches die Kon­ taktfläche mit einem mit dem Draht zu verbindenden Element bildet, vorgesehen, so daß die Vorrichtung einfach und in stabiler Weise auf dem Element angeordnet werden kann. Ferner ist das Aufnahmeteil, welches eine Öffnung mit einem Durch­ messer aufweist, der geringer ist, als der Durchmesser des Drahtes und welche einen Ouerschnitt in Form eines umge­ drehten Omegas hat, vorgesehen, so daß der Draht einfach in das Aufnahmeteil eingeführt werden kann, indem die Öffnung mit dem Draht heruntergedrückt wird, welcher entlang des Flanschteils geführt wird, und zwar gegen die elastische Kraft des Aufnahmeteils.

Nachdem der Draht in das Aufnahmeteil eingeschoben ist, kehrt die Öffnung des Aufnahmeteils wieder in ihre anfäng­ liche Position zurück, wodurch jede Verformung des Drahtes, welcher in das Aufnahmeteil eingeführt wurde, verhindert wird und wodurch die Position des Drahtes exakt bestimmt wird, und weiterhin kann auch die Entfernung zwischen der Erzeugungsvorrichtung der Schweißstrahlen, wie Elektronen­ strahlen oder Laserstrahlen und den wesentlichen Teilen des Drahtes und der zu schweißenden Vorrichtung konstant gehalten werden, was ein sehr wesentliches Merkmal in bezug auf die Eignung für automatisches Schweißen ist. Wenn der Ouerschnitt in Form eines umgekehrten Omegas (Unter der Form des Omegas ist hier die Form des entsprechenden Großbuchstaben des griechischen Alphabets zu verstehen) des Aufnahmeteils ein kreisförmiges Teil hat, welches im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie der Durchmesser des Drahtes aufweist, kann die Position des Drahtes noch genauer bestimmt werden, ohne daß ein Spiel zwischen dem Draht und dem Aufnahmeteil bleibt.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, das Schweißen des Drahtes nur an einem Teil von diesem zu bewirken, welches der Öffnung des Aufnahmeteils der Vorrichtung entspricht, was erreicht wird, durch das Schmelzen dieses selben Teils und der Öffnung, wobei der Rest des Drahtes in dem Aufnahmeteil aufgenommen ist und dadurch nicht schmilzt. Dadurch kann, wenn das erfin­ dungsgemäße Verfahren des Schweißens eines Drahtes geringer Dicke angewendet wird, die Bildung von Vertiefungen über der gesamten Oberfläche des Drahtes, wie dies bei früheren Verfahren auftrat, völlig vermieden werden. Weiterhin kann, da die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung es nicht nur möglich macht, den Draht an einer vorbestimmten Position ein­ fach und automatisch in die Vorrichtung zu setzen, sondern auch jede Verformung des Drahtes in bezug oder sogar außer­ halb der Vorrichtung zu vermeiden, nachdem der Draht so gesetzt wurde, die Vorrichtung vorteilhafterweise beim Schweißen von Drähten geringer Dicke verwendet werden, bei dem die Verfahrensdaten automatisch kontrolliert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1A eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Schweißen von Drähten geringer Dicke gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in dem Stadium ist, in dem sie auf eine Element montiert ist, welches mit dem Draht verbunden werden soll, und zwar unmittelbar bevor der Draht in die Vorrichtung eingeführt wird;

Fig. 1B eine Ansicht ähnlich Fig. 1, welche die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Einführen des Drahtes zeigt;

Fig. 2 eine Frontansicht der Vorrichtung gemäß der Erfindung wobei der Draht eingeführt ist, welches die Beziehung zwischen dem Durchmesser a der Öffnung eines Aufnahmeteils der Vorrichtung und den Durch­ messer b des zu schweißenden Drahtes zeigt;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 1B, welches die Art und Weise zeigt, in welcher das Strahlschweißen ausgeführt wird, und zwar unter Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Halbleiter-Drucksensors, welcher als Bei­ spiel eines Elementes dargestellt ist, mit welchem Drähte geringer Dicke durch Anwendung der Vor­ richtung und des Verfahrens zum Schweißen von Drähten geringer Dicke gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden werden sollen.

Bezugnehmend auf die Fig. 1, bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Vorrichtung zum Schweißen von Drähten geringer Dicke gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 bein­ haltet ein Führungsflanschteil 1 a, welches aus einem Paar von Flanschen gebildet ist, ein Setz- oder Aufnahmeteil 1 b, zur Aufnahme eines zu schweißenden Drahtes geringer Dicke, welches einen Ouerschnitt in Form eines umgedrehten Omegas hat, sowie eine Öffnung 1 c, die an dem Übergang zwischen dem Führungsflanschteil 1 a und dem Aufnahmeteil 1 b gebildet ist und ein Fußteil 1 d. Die Vorrichtung 1 ist mit ihrem Fußteil 1 d an einem Element 2 (von dem nur ein Teil auf der Zeichnung dargestellt ist) befestigt, welches über die Vor­ richtung mit einem Draht verbunden werden soll, und zwar durch eine geeignete Methode, wie z. B. durch Schweißen.

In Fig. 2 ist das Führungsflanschteil 1 a und das Aufnahme­ teil 1 b, zur Aufnahme eines Drahtes geringer Dicke darge­ stellt. Die Öffnung 1 c, durch welche der zu schweißende Draht in das Aufnahmeteil 1 b eingeführt ist, hat einen Durchmesser a, der geringer ist, als der Durchmesser b des Drahtes.

Im folgenden wird nun ein Verfahren zum Schweißen von Drähten geringer Dicke unter Verwendung der Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Wie in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, wird, nachdem die Vorrichtung 1 an dem Element 2 an einer gewünschten Position zum Schweißen befestigt ist, ein Draht 3 geringer Dicke, wel­ cher verschweißt werden soll, zwischen den Flanschen des Flanschteils 1 a der Vorrichtung 1 plaziert und nach unten gedrückt, wie in den Fig. 1A und 1B dargestellt ist, und zwar entlang dem Führungsflanschteil 1 a, bis es in das Aufnahmeteil 1 b der Vorrichtung 1 eingeführt ist. Danach läßt man, wie in Fig. 3 dargestellt, Laserstrahlen oder Elek­ tronenstrahlen auf die Öffnung 1 c sowie auf einen Teil des eingeführten Drahtes 3, welcher in der Öffnung 1 c frei­ bleibt, strahlen, um diese Teile einem Verbindungs­ schweißen zu unterwerfen, wodurch der Draht 3 mit dem Element 2 durch die Vorrichtung 1 verbunden wird. Sollte andererseits, anstelle des Verbindungsschweißens ein Hart­ lötvorgang ausgeführt werden, nachdem der Draht 3 in das Aufnahmeteil 1 b in der gleichen Weise wie oben eingeführt ist, wird ein Hartlot auf den Flanschteil 1 a in der Nähe der Öffnung 1 c angeordnet und das Hartlotmetall wird dann geschmolzen, indem es mit Laserstrahlen oder Elektronen­ strahlen bestrahlt wird, und es wird dem geschmolzenen Lotmetall ermöglicht, in die Öffnung 1 c sowie in den Spalt zwischen dem Draht 3 und dem Aufnahmeteil 1 b zu fließen.

Bei dieser Ausführungsform, wird ein Halbleiter-Drucksen­ sor, wie in Fig. 4 dargestellt, als ein Beispiel eines Elementes 2 angenommen, und ein Ni-Draht 3 geringer Dicke, welcher einen Durchmesser von 300 Mikrometer aufweist, wird verwendet, um Leitungen zu bilden, welche an Drahtan­ schlüsse 5 und an Gehäuseanschlüsse 6 des Sensors ge­ schweißt werden sollen.

Zunächst wird eine Vielzahl von Vorrichtungen 1 gemäß der vorliegenden Erfindung an den Drahtanschlüssen 5 und Ge­ häuseanschlüssen 6 befestigt, welche an vorgegebenen Posi­ tionen verbunden werden sollen. Dann werden, wie in Fig. 1B gezeigt, Stücke des Ni-Drahtes 3 jeweils an dem Führungs­ flanschteil 1 a der entsprechenden Vorrichtung 1 angeordnet und der Ni-Draht 3 wird dann durch geeignete Mittel, wie z. B. einen Stempel nach unten gedrückt. Wenn der Ni-Draht nach unten gedrückt wird, drückt er die Öffnung 1 c gegen die elastische Kraft nach unten, bis er in dem Aufnahmeteil 1 b aufgenommen ist. Nachdem der Draht 3 eingeschoben und in dem Aufnahmeteil 1 b aufgenommen ist, kehrt die Öffnung 1 c durch die elastische Kraft in ihre ursprüngliche Position zurück, und demgemäß nimmt der Durchmesser 1 c wieder seinen anfänglichen Wert a an, welcher geringer ist, als der Durchmesser des aufgenommenen Drahtes 3. Darum wird, nach dem Einführen z. B. während des folgenden Schrittes des Schweißens, kein Verschieben des Drahtes 3 aus dem, oder in bezug auf das Aufnahmeteil 1 b stattfinden. Nachdem der Draht 3 auf diese Weise in der vorbestimmten Position fixiert wurde, wird die Erzeugungsvorrichtung des Laser­ strahls oder Elektronenstrahls über der Öffnung 1 c ange­ ordnet, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist und die Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen werden von oben auf die Öffnung 1 c gestrahlt, um dadurch die Öffnung 1 c und einen entsprechenden Teil des Drahtes zu verschweißen, welcher durch die Öffnung 1 c den Strahlen ausgesetzt ist, und zwar durch ein Verbin­ dungsschweißen.

Wenn es beabsichtigt ist, ein Hartlöten auszuführen, unter Verwendung von Hartlotmetall, nach dem Einführen des Drahtes 3 in das Aufnahmeteil 1 b und der Anordnung einer geeig­ neten Menge von Hartlotmetall auf dem Flanschteil 1 a in der Nähe der Öffnung 1 c, wird das Hartlotmetall mit Laser­ strahlen oder Elektronenstrahlen bestrahlt und geschmolzen, um so die Öffnung 1 c und einen entsprechenden Teil des Drahtes 3 dadurch zu verbinden.

Wie vorstehend beschrieben, wird es durch die Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei dem Arbeitsgang des Anschweißens eines Drahtes geringer Dicke nicht nur möglich gemacht, die Position des Drahtes einfach festzulegen, sondern es wird auch möglich gemacht, automatisch die gleiche Position festzulegen und den Draht automatisch zu schweißen, wobei solche herkömmlichen Probleme, wie die Bildung von Vertiefungen in dem zu verarbeitenden Draht und das Auftreten von Kontaktfehlern eliminiert werden. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht somit das Schweißen von Drähten geringer Dicke in vorbestimmten Posi­ tionen in exakter und zuverlässiger Art und Weise.

Ferner wird in bezug auf den Arbeitsgang des Schweißens von Drähten geringer Dicke in Vorrichtungen, welche in Massen­ fertigung gefertigt werden, wie elektronische Vorrichtungen, die Zeit, die für den Arbeitsgang erforderlich ist, vermin­ dert, da der Grad der Automatisierung des Schweißprozesses und der Grad der Genauigkeit desselben zu den wichtigsten Faktoren gehören, mit denen man sich beschäftigen muß, um das Fertigungsergebnis und die Produktqualität zu ver­ bessern, wobei die vorstehend genannten Merkmale der vor­ liegenden Erfindung einen großen Teil dazu beitragen, die mit diesen Faktoren verbundenen Probleme zu bewältigen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Schweißen eines Drahtes geringer Dicke, welcher mit einem Element verbunden werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung ein Fußteil auf­ weist, welche die Kontaktfläche mit dem Element bildet, ein Aufnahmeteil, um diesen Draht aufzunehmen, welches einstückig mit diesem Fußteil ausgebildet ist, und wel­ ches an seinem oberen freien Ende eine Öffnung aufweist, die einen Durchmesser hat, der geringer ist, als der Durchmesser dieses Drahtes und daß diese Vorrichtung fer­ ner einen Querschnitt in Form eines umgekehrten Omega (Ω) aufweist, um somit eine elastische Rückstellkraft zu haben, sowie ein Führungsflanschteil, das einstückig mit diesem Aufnahmeteil ausgebildet ist, und durch Flansche gebildet ist, die sich von dieser Öffnung dieses Aufnahme­ teils aus nach oben und zwar in die von dem Fußteil abge­ wandte Richtung und voneinander weg erstrecken.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Ouerschnitt dieses Aufnahmeteils ein rundes Teil aufweist, welches einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich groß ist wie der Durchmesser des Drahtes geringer Dicke.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser Draht geringer Dicke ein Lei­ tungsdraht für elektronische Vorrichtungen ist.

4. Verfahren zum Schweißen eines Drahtes geringer Dicke unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an einer vorbestimmten Posi­ tion zum Schweißen eines Elementes, welches mit dem Draht geringer Dicke verbunden werden soll, diese Vor­ richtung angeordnet wird, daß dann ein Draht in das Aufnahmeteil dieser Vorrichtung eingeführt wird, indem dieser Draht entlang diesem Führungsflanschteil dieser Vorrichtung geführt wird, und daß dann ein Schweißen von oberhalb dieser Öffnung des Aufnahmeteils dieser Vor­ richtung bewirkt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schweißen ausgeführt wird, ohne das ein direkter Kontakt mit diesem Element hergestellt wird, indem Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen verwendet werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schweißverfahren unter Verwendung eines Hartlotes ausgeführt wird.