DE4032192A1

DE4032192A1 - Vorrichtung zum erhitzen des werkzeugs an ultraschallbetriebenen loet- und schweissvorrichtungen

Info

Publication number: DE4032192A1
Application number: DE19904032192
Authority: DE
Inventors: Michael Kising; Fred Woelke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1990-10-08
Publication date: 1991-06-27
Anticipated expiration: 2010-10-09
Also published as: DE4032192C2

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung einer Vorrichtung zum Erhit zen des Werkzeuges an ultraschallbetriebenen Löt- und Schweißvor richtungen nach dem Oberbegriff des Anspuches 1.

Aus der DE-OS 22 36 699 ist eine Vorrichtung bekannt, die aus einem Lötkolben besteht, dessen Lötspitze zu mechanischen Schwingungen angeregt werden kann. Die Schwingungen begrenzen sich auf einen Frequenzbereich unterhalb des Ultraschalls. Diese Vorrichtung ist für ultraschallbetriebene Löt- und Schweißvorrichtungen unge eignet, da der Massenschwinger zu träge ist und eine Temperatur steuerung bzw. -regelung an der Werkzeugspitze nicht erfolgt.

Aus der DE-PS 37 44 099 C1 geht ein Bondkopf zum Thermosonic-Bonden hervor, der einen nicht näher beschriebenen beheizten Bondarm be sitzt. Der Bonddraht wird dabei thermisch getrennt von dem Bondarm geführt. Es werden keine Angaben über die Heizungsvorrichtung und deren Steuer- bzw. Regelung gemacht.

Aus US-P 39 31 921 geht eine Ultraschall-Lötvorrichtung hervor, deren Lötkopf von einem Gasbrenner erhitzt wird. Eine Temperatur regelung ist dabei nicht möglich, abgesehen von dem unkontrol lierten Erhitzen oder Anbrennen beteiligter Bauteile.

Die US-PS 48 21 944 offenbart eine Vorrichtung zum Bonden ohne Ul traschall. Das Verfahren beruht auf einer induktiven Erhitzung des Drahtes mittels einer Spule.

Zuletzt sei noch auf die US-PS 45 29 115 hingewiesen, die eine Er hitzung des Ambosses mittels einer Spule vorsieht, während der ei gentlicher Bondkopf nicht beheizt wird. Diese Heizvorrichtung wird weder gesteuert noch geregelt und kann keine konstante Durchwär mung des Werkzeuges einschließlich eines beim Bonden in Arbeits nähe zum Substrat geführten Bonddrahtes gewährleisten.

Aus dem Stand der Technik gehen damit Vorrichtungen zum Löten oder Schweißen hervor, die in keinem Fall den Erfindungsgedanken, wie er im Anspruch 1 zum Ausdruck kommt, vorwegnehmen. Dabei spielt die stoffschlüssige Verbindung von Heizelementen, die eine geringe Masse haben und gleichzeitig noch zur Temperaturmessung dienen eine entscheidende Rolle. Diese erfindungsgemäße Vorrichtung er möglicht es erstmals eine direkte Wärmeübertragung bis zu hohen Temperaturen (ca. 600°C), bei guter flächiger und zeitlich konstan ter Erwärmung durchzuführen. Z. B. werden beim Bonden bestimmter Materialien durch die gleichmäßige und konstante Durchwärmung des Werkzeuges reproduzierbare Verbindungen erreicht.

Aufgabe war es also eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des Werkzeu ges ultraschallbetriebener Löt- und Schweißvorrichtungen zu schaf fen, die eine gleichmäßige und konstante Durchwärmung des Werkzeu ges ermöglicht, unter Vermeidung der Nachteile aus dem Stand der Technik.

Gelöst wird die Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des An spruch 1 und das Verfahren zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in den weiteren Unteransprü chen vorgenommen.

Fig. 1a und Fig. 1b zeigen die Vorder- und Seitenansicht des Werkzeuges an ultraschallbetriebenen Löt- und Schweißvorrichtungen,

Fig. 2 zeigt ein Heizelement (Temperaturelement mit Stromzuleitungsdrähten (z. B. PT 100).

Das Werkzeug (3) wird mittels einer Klemmschraube (2) in den Schweißrüssel (5) eingespannt. Die Ultraschallquelle sitzt dabei nicht sichtbar, auf dem Schweißrüssel. An dem Werkzeug (3) ist mindestens ein Heizelement (1) aufgebracht, das gleichzeitig auch der Temperaturmessung dienen kann (vergl. Fig. 1b). Das Heizelement (1) wird stoffschlüssig mit dem Grundwerkstoff des Werkzeuges (3) verbunden. Dadurch entsteht eine innigliche schwer bis nicht lösbare und hohen Temperaturen aussetzbare Verbindung, die aufgrund der geringen Masse des Heizelementes (1) keine unzulässigen Frequenzstörungen der Ultraschallschwingungen des Werkzeuges (1) bewirkt. Die stoffschlüssige Verbindung kann durch Schweißen, Löten oder Kleben erfolgen. Vorteilhaft ist es, das Heizelement so nahe wie möglich an die Werkzeugspitze anzuordenen. Die dafür vorhergesehene Fläche auf dem Werkzeug (3) kann rund, eben oder beides sein. Die geometrische Form der Fläche kann polygonal, länglich, gedrungen oder rundlich sein. Sie sollte allerdings formschlüssig zum Heizelement ausgebildet werden, um den besten Wärmeübergang auf des Werkzeug zu gewährleisten. Als kombiniertes Heiz- und Temperaturelement kann beispielsweise ein fertiges miniaturisiertes Bauelement (1) (PT 100) ausgewählt werden (vergl. Fig. 2). Durch Lötung nach dem beanspruchten Verfahren wird eine schwingungsfeste und temperaturfeste Verbindung bis ca. 600°C hergestellt. Die Kontaktierungsdrähte (6) des Pt 100 sind dabei so ausgeführt, daß sie lang genug sind um elastisch den Schwingungen mit der Auslenkung δ ohne hohe Biegebelastungen folgen zu können. Der Vorteil der vorgegebenen Länge der Kontaktierungsdrähte (6) liegt in einem kleinen Biegewinkel (α) direkt an der Übergangsstelle in das Bauteil. Die Länge der Kontaktierungsdrähte wirkt sich aber auch vorteilhaft auf das gute Tragverhalten der Kontaktierungsstelle (7) aus, da diese thermisch weniger belastet ist.

Die Schwingfrequenz des Pt 100 liegt dabei bei ca. 60 kHz und ei ner Amplitude von ca. 10 µm.

Claims

1. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges an ultraschallbetrie benen Löt- und Schweißvorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (1) stoffschlüssig mit dem Werkstoff des Werkzeuges verbunden ist.

2. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (1) ein Widerstandselement ist, das abwechselnd als Heizung oder Temperaturmesser geschaltet werden kann.

3. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges nach einem der Ansprü che 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Heizelemente (1) auf das Werkzeug (3) flächenhaft und formschlüssig aufgebracht ist.

4. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges nach einem der vorange gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung mindestens eines Heizelementes mit dem Werkzeugwerkstoff durch Lötung, Schweißung oder Klebung erfolgt.

5. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges nach einem der verange gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (1) zwischen der Werkzeugspitze (4) und der Werkzeugeinspannung am Schweißrüssel (1) angebracht ist.

6. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges nach einem der vorange gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (1) an einer der geometrisch vielfältig ausbildbaren Flächen des Werkzeuges angepaßt ist.

7. Vorrichtung zum Erhitzen des Werkzeuges nach einem der vorange gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Heizelement (1) ein Plättchen ist, das aus Keramik, Glas oder Kunststoff besteht, auf das eine heiz- und meßaktive Werkstoffschicht aufgebracht ist, die bei Änderung der Temperatur eine Änderung des elektrischen Widerstandes zur Folge hat.

8. Verfahren zur Herstellung der werkstoffschlüssigen Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) Werkzeug, Lot und Heizelement im Lösungsmittel gereinigt werden,
b) auf die zu fügenden Flächen Aktivlot oder Glaslot aufgebracht wird,
c) die zu verlötenden Teile fixiert werden
d) die zu verlötenden Teile in den Arbeitsraum des Lötofens eingebracht werden,
e) ein Hochvakuum von ca. 10^-4-10^-5 mbar erzeugt wird, oder Schutzgas in den Arbeitsraum eingebracht wird um bei Atmosphärendruck zu arbeiten,
f) die zu verlötenden Teile bis auf 800°C erwärmt werden, damit das Lot die Oberfläche des Heizelementes und die Oberfläche des Werkzeuges benetzt,
g) die Teile auf Raumtemperatur abgekühlt werden, bis sie bei Atmosphärendruck wieder entnommen werden können.