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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Thermokompressionsmontage
eines Drahtes auf einer integrierten Schaltung mit einem Körper, der
an einem Ende mit einem Kopf aus Diamant versehen ist, der eine
zumindest annähernd
konische Form aufweist und dessen Spitze frei ist und in der Verlängerung
des Körpers
liegt, wobei der Kopf unter Druck an den zu montierenden Elementen
zur Anlage kommen und für
eine Wärmeleitung
zwischen einer Wärmequelle
und den Elementen sorgen soll.
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Diese
Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verfahren und Geräte, die
der Verbindung von Drähten,
insbesondere von Antennendrähten,
mit Kontaktbereichen von integrierten Schaltungen dienen. Genauer
bezieht sich diese Erfindung insbesondere auf die Thermokompressionsverbindung
von aus Kupferdraht bestehenden Antennenverbindungsdrähten mit
Kontaktbereichen von integrierten Schaltungen mit dem Ziel, eine
sehr kompakte Radiofrequenz-Identifikationsvorrichtung
zu erhalten.
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Die
Verwendung von Radiofrequenz-Identifikationsschaltungen
(RFID) in kontaktlosen Chipkarten oder anderen kleinen tragbaren
Objekten (Schlüssel,
Uhren usw.) erfordert sehr kompakte Transpondermodule. Wenn das
Modul in einer Karte mit einer Dicke von weniger als 0,8 mm (ISO-Norm) eingebaut
werden soll, ist es offensichtlich, dass die Dicke des Moduls so
gering wie möglich
sein muss. Ein flaches Modul erleichtert das Formen, wenn die Karte
durch Spritzgießen
hergestellt wird, und gestattet den Erhalt einer glatten Fläche, wenn
die Karte durch Laminieren hergestellt wird. Beispiele für miniaturisierte
Transpondermodule werden in den Schriften
US 4 999 742 und 5 025 550 sowie in
der Schrift EP-B-O 526 484 gegeben. Alle diese Verfahren haben gemeinsam,
dass mindestens ein Zwischenteil zwischen der integrierten Schaltung
und den Antennendrähten
erforderlich ist, um ihre Verbindung zu erleichtern, wodurch die
Abmessungen des Transponders vergrößert werden. In der US-A-5
281 855 wird ein Verfahren zur Erleichterung des Zusammenschaltens
des Antennendrahts auf einer integrierten Schaltung mittels Elektroden
mit großer
Oberfläche, die
auf die Passivierungsschicht der integrierten Schaltung gepresst
sind, beschrieben, dass den Erhalt einer Endmontage mit verringerten
Abmessungen gestattet. Allerdings führt dieses Verfahren zusätzliche
Schritte in den Herstellungsprozess der integrierten Schaltung ein,
wodurch die Herstellungskosten erhöht werden.
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Für einen
die Massenherstellung dieser Vorrichtungsart in Betracht ziehenden
Fachmann liegt auf der Hand, dass jegliche Verringerung der Anzahl von
Teilen, die für
die Montage eines Moduls erforderlich sind, eine bedeutende Verringerung
der Herstellungskosten mit sich bringt, da alle betreffenden Teile
verringerte Abmessungen aufweisen und schwer zu handhaben sind.
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Auf
dem Gebiet der Mikroverdrahtung (Wirebonding) weist die Verwendung
von Antennendrähten
eine Schwierigkeit auf , auf die – zumindest nach Kenntnis des
Erfinders - nicht
eingegangen worden ist: Die Antennendrähte sind mit einer Isolierschicht bedeckt,
und sehr oft sind sie darüber
hinaus mit einer zweiten, Thermoplastschicht überzogen. Es ist schwierig,
die Isolierschicht von dem vorderen Montagedraht zurückzuziehen,
sie kann aber während der
Montage zerstört
werden, indem zum Beispiel die hohe Temperatur des Montagewerkzeugs
verwendet wird. In diesem Fall ist es wichtig, dass die Lackreste nicht
am Werkzeug kleben, denn eine Schicht aus Resten verringert die
Wärmeübertragung
zwischen dem Werkzeug und dem Draht, was die Qualität der Verbindung
zwischen dem Draht und der integrierten Schaltung stark beeinträchtigt.
Des Weiteren ist beobachtet worden, dass eine auf die Metallwerkzeuge gebrannte
dünne Schicht
aus Lackresten dazu ausreichen kann, die Adhäsion des Drahtes an dem Montagewerkzeug
anstatt an der integrierten Schaltung zu bewirken. Unter diesen
Bedingungen ist es erforderlich, das Montagewerkzeug häufig zu
reinigen, wodurch die Taktzeit der Maschine beeinträchtigt wird.
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In
der Vergangenheit ist weithin Kupferdraht zur Verbindung der Kontaktbereiche
(Bereiche) von integrierten Schaltungen mit den Kontaktfüßen der Gehäuse von
integrierten Schaltungen verwendet worden. Es ist wohlbekannt, dass
Kupferdraht aus Gründen
seiner relativen Härte
schwerer durch Thermokompression zu verbinden ist als Gold- oder
Aluminiumdraht. Aufgrund dieser Härte erfordert das Kupfer eine
hohe Temperatur und einen hohen Druck, um eine feste Verbindung
mit der integrierten Schaltung zu bilden. Dieses Erfordernis kann
zu zahlreichen Fehlern des Endproduktes führen, da dem hohe Druck den
Bruch der integrierten Schaltung mit sich bringen kann, und zwar
insbesondere, wenn er mit dem durch die hohe Temperatur verursachten Wärmeschock
verbunden ist. Ein anderer Nachteil, der mit den hohen Temperaturen
verbunden ist, ist die Gefahr der Zerstörung der Passivierungsschicht der
integrierten Schaltung, was zu Kurzschlüssen zwischen dem Verbindungsdraht
und dem Umfangsrand des Halbleitermaterials des Substrats führen kann.
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Es
sind zahlreiche Untersuchungen durchgeführt worden, um zu versuchen,
dieses Problem zu umgehen. Zum Beispiel präsentiert die EP-A-O 413 937
ein Verfahren zum Auf metallisieren einer Weichmetallschicht auf
dem Ende eines Kupferkontakts, wodurch die Gestaltung von festen
Verbindungen bei einer Temperatur von 350°C möglich wird. Leider kann ein
solches Verfahren nicht mit allgemein für die Herstellung von Antennenspulen
verwendetem Draht eingesetzt werden. Dies ist auf die zuvor genannte Schwierigkeit
zurückzuführen, die
Isolierlackschicht, die das Auf metallisieren verhindert, zu zerstören. Die Abscheidung
von winzig kleinen Goldkügelchen
auf die Bereiche der integrierten Schaltung könnte eine Lösung für das Problem darstellen, würde aber
eine unsinnige Erhöhung
der Herstellungskosten mit sich bringen.
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In
der EP-A-O 771 604 wird ein Thermokompressionsschweißwerkzeug
mit einem an seinem Ende angeordneten Diamanten zur Verbindung der elektronischen
Bauteile mit einer gedruckten Schaltung vorgeschlagen.
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Der
Hauptvorteil der Verwendung des Diamanten zur Bildung der Werkzeugspitze
ist die gute Wärmeleitfähigkeit
des Diamanten, die zwischen dem 3- und 5-Fachen höher ist als die von Kupfer (Cu),
zwischen dem 5- und 9-Fachen höher
ist als die von Aluminium (Al) und zwischen dem 8- und 14-Fachen
höher ist
als die von Silizium (Si). Somit kann die Wärme viel schneller von dem
Montagewerkzeug auf die Grenzfläche
zwischen dem Draht und dem Bereich als von der Grenzfläche auf
die integrierte Schaltung übertragen
werden. Dies bedeutet, dass die Temperatur in der Grenzfläche, die
die Bildung einer Verbindung zwischen dem Draht und dem Bereich
gestattet, viel schneller erreicht wird als bei Verwendung eines
aus Hartmetall bestehenden Werkzeugs der häufig auf dem Gebiet der Mikroverdrahtung
angetroffenen Art.
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Ein
anderer Vorteil der Verwendung des Diamanten bei der Herstellung
des Werkzeugs im Vergleich zu anderen Materialien ist die mit seiner
Härte verbundene
hohe Abriebfestigkeit des Diamanten.
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Noch
ein anderer mit der Verwendung des Diamanten verbundener Vorteil
ist seine große
chemische Trägheit.
Somit ist es möglich,
die Isolierschicht ohne chemische Beeinträchtigung des Montagewerkzeugs
auf einer Temperatur zu brennen, die hoch genug ist, eine Verschmutzung
des Werkzeugs zu verhindern.
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Die
in der EP-A-O 771 604 beschriebene Vorrichtung ist hinsichtlich
der Montage von Drähten auf
den integrierten Schaltungen nicht zufrieden stellend. Dies liegt
an dem viel geringeren Ausdehnungskoeffizienten des Diamanten als
die der gut wärmeleitenden
Metalle, wie zum Beispiel Kupfer oder Silber. Wenn die Temperatur
des Montagewerkzeugs ca. 400°C überschreitet,
treten zwischen dem Diamanten und dem Körper des Montagewerkzeugs starke
Spannungen auf, die zum Sturz des Diamanten führen.
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Nach
Herstellung der Verbindung zwischen dem Draht und der integrierten
Schaltung muss der unnütze
Teil des Verbindungsdrahts beseitigt werden, um die Erzeugung von
Kurzschlüssen
zu verhindern. Ein häufig
verwendetes Verfahren besteht darin, an den Draht eine Zugkraft
anzulegen, um ihn zu zerreißen,
während
das Montagewerkzeug in Position auf dem Bereich bleibt, um die Beanspruchung der
Verbindung zu verringern. Dieses Verfahren führt bei dünnen Golddrähten zu guten Resultaten, ist
aber bei Kupferdraht aufgrund seiner Festigkeit unwirksam. Anstatt
zu zerreißen
wird der Draht dann häufig von
dem Bereich gerissen. Es gibt verschiedene Verfahren, um den Draht
in der Nähe
der Verbindung zu schwächen,
bevor er der Zugkraft ausgesetzt wird. Der Nachteil all dieser Verfahren
ist entweder die erhöhte
Komplexität
bei der Herstellung der Montagevorrichtung oder die Anzahl zusätzlicher
Schritte, die durch das Montageverfahren erforderlich sind. Die Schrift
EP-A-O 032 437 beschreibt eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Um
die oben genannten Probleme zu lösen, besteht
eine der Aufgaben dieser Erfindung darin, die Herstellung eines
Montagewerkzeugs zu gestatten, das in der Lage ist, einen standardmäßigen Kupferdraht
mit einem Bereich einer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
bestehenden integrierten Schaltung zu verbinden, ohne die integrierte
Schaltung zu beschädigen
und ohne eine zusätzliche
Behandlung des Kupferdrahts oder des Bereichs zu erfordern.
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Eine
andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Montagewerkzeug
bereitzustellen, das durch Thermokompression isolierten Spulendraht
schweißen
kann, wobei das Isoliermaterial und eventuelle Thermoplastschichten,
mit denen der Draht beschichtet ist, zurückgezogen werden, aber ohne
oder zumindest sehr wenig zusätzliche
Wartung bezüglich
des gleichen zur Verbindung des blanken Kupferdrahts verwendeten
Montagewerkzeugs zu erfordern.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
dies durch Verwendung einer Montagevorrichtung, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Kopf durch Mittel an den Körper montiert wird, die die
Freilegung des Kopfs aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
verhindern.
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Um
die Freilegung des Diamanten zu unterdrücken, werden in den Ansprüchen 2 bis
4 die Freilegung verhindernde Mittel vorgeschlagen.
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Eine
andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Montagewerkzeug
bereitzustellen, das den Draht in der Nähe der Verbindung lokal schwächen kann,
mit dem Ziel, das Entfernen des unnützen Drahtrests nach der Herstellung
der Verbindung zu erleichtern, auf eine Weise, dass die Schwächung durch
den gleichen Vorgang erzeugt wird, der der Herstellung der Verbindung
dient, und des Weiteren, dass es nicht erforderlich ist, das Montagewerkzeug
während
des Bruchs des Drahts in Position zu halten.
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Dies
kann dadurch realisiert werden, dass der Diamantspitze eine unsymmetrische
Form verliehen wird, wie in Anspruch 5 definiert, so dass der Draht
auf einer Seite des Montagewerkzeugs abrupt abgeflacht wird, während er
auf der anderen allmählich
abgeflacht wird.
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Somit
wird es möglich,
Antennenverbindungsdrähte
direkt auf Bereiche von integrierten Schaltungen zu verbinden, ohne
auf Zwischenstücke zwischen
den Drähten
und den Bereichen zurückgreifen
zu müssen.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen
nachfolgend aus der ausführlichen
Beschreibung und den sie begleitenden Zeichnungen hervor.
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1 ist
eine Seitenschnittansicht eines Montagewerkzeugs, das im vorliegenden
Patent nicht geschützt
wird.
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2 ist
eine Seitenschnittansicht einer Ausführungsform.
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3 ist
eine Seitenschnittansicht einer zweiten Ausführungsform.
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4 ist
eine Vergrößerung einer
Seitenschnittansicht der Diamantspitze, die nach der Herstellung
der Verbindung auf dem Draht aufliegt.
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5 stellt
den Schnitt entlang der Linie A-A von 4 in Draufsicht
der auf dem Draht aufliegenden Diamantspitze gemäß einer Ausführungsform dar.
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Das
in 1 dargestellte Montagewerkzeug weist einen aus
einem kleinen Diamanten 2, der an einem Körper 3 befestigt
ist, bestehenden Kopf auf. Die im Wesentlichen konische Form des
Diamanten gestattet, dass er mittels eines Befestigungsträgers 4,
der ein Durchgangsloch mit konischer Form gleich der des Diamanten 2 enthält, am Körper 3 fest
in Position gehalten wird. Somit führen die unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
nicht zu einer Freilegung des Diamanten 2, selbst wenn
letzterer große
Abmessungen aufweist und die Temperatur des Montagewerkzeugs hoch
ist. Bei der oben genannten Form wird die Temperatur des Montagewerkzeugs
nicht durch die thermische Oxydation des Diamanten, die bei ca.
650 bis 700°C
in der Luft erfolgt, begrenzt. Bei Arbeit unter Schutzatmosphäre kann
der Diamant 2 noch auf höhere Temperaturen geführt werden,
ohne Gefahr zu laufen, aus dem Befestigungsträger 4 herauszufallen.
Das Befestigungsteil 4 kann zum Beispiel durch Schweißen dauerhaft oder
auch zum Beispiel mittels Schrauben lösbar am Körper 3 befestigt werden,
um nachfolgend zurückgezogen
werden zu können.
Dies kann sich zum Beispiel bei einem Bruch der Spitze des Diamanten 2 als nützlich erweisen,
um sie zu ersetzen.
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Wenn
die Wärme
des Montagewerkzeugs mittels eines Widerstands erzeugt wird, liegt
auf der Hand, dass der Körper
3 oder
der Befestigungsträger
4 aus
einem gut Wärme
leitenden Material bestehen müssen,
zum Beispiel aus Cu, Ag oder Al, denn die Wärme muss dann durch mindestens
eines dieser Teile, vorzugsweise beide, übertragen werden. Es können mehrere
andere Verfahren zur Erwärmung der
Spitze verwendet werden, wie beispielsweise in den Schriften
US 3 838 2401 , 3 891 822,
4 315 128, 4 529 115, 4 821 944 sowie in der EP-B-O 150 305 beschrieben.
Durch die Verwendung eines dieser Verfahren kann die Verwendung
eines Materials günstig
werden, das ein schlechter Wärmeleiter
ist.
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Bei
einer in 2 dargestellten Ausführungsform
ist der Diamant 2 an das Innere des Körpers 3 hartgelötet. Der
Hauptvorteil dieser Form besteht in der Vereinfachung der Herstellung
des Schweißwerkzeugs, denn
die Form der Hartlötung 5 ist
der des Diamanten 2 genau angepasst, ohne eine präzise Einstellung
zu erfordern. Das Hartlöten
von Diamanten ist ein üblicher
Vorgang in der Industrie der Schneidwerkzeuge und kann gemäß der US-A-5 500
248 in Luftumgebung durchgeführt
werden.
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Man
kann die Gefahr, dass der Diamant aufgrund von Unterschieden zwischen
dem Ausdehnungskoeffizienten des Diamanten und dem des Umgebungsmaterials
Spiel erhält,
nicht völlig
ausschließen.
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3 zeigt
eine Ausführung,
bei der diese Wirkung beseitigt wird, indem der Oberteil des Diamanten
auf einem Teil 10 abgestützt wird, das aus einem Material
mit einem größeren Ausdehnungskoeffizienten
als der des Umgebungsmaterials besteht.
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Die
Beseitigung des unnützen
Drahtrests 7b nach der Montage kann dadurch erleichtert
werden, dass der Spitze des Diamanten eine asymmetrische Form verliehen
wird, wie in 4 gezeigt. Die Spitze 2 wird
in einer Seitenschnittansicht vergrößert gezeigt und liegt auf
dem Kupferdraht 7 auf, nachdem die Montage auf dem Bereich 9 einer
integrierten Schaltung 8 erfolgt ist. Ein am Diamant 2 auf
der Seite des unnützen
Drahtrests 7b zugeschnittener scharfer Winkel 6 erzeugt
eine abrupte Abflachung des Drahts, die ihn wesentlich schwächt, und
gestattet sein leichtes Durchtrennen durch Ziehen in paralleler
Richtung zur Fläche
der integrierten Schaltung 8, wie durch den Pfeil gezeigt.
Somit kann der unnütze
Drahtrest ohne Reißen
des Nutzdrahts 7a vom Bereich 9 selbst nach Zurückziehen
des Werkzeugs vom Draht 7 entfernt werden.
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Andere
Formen können
verwendet werden, um den Bruch des Drahts zu erleichtern, wie zum Beispiel
ein Rand des Diamanten, der mit der Richtung des Drahts einen Winkel α bildet,
der sich von 90° unterscheidet,
wie durch 5 gezeigt. Dieser von 90° verschiedene
Winkel α erzeugt
einen Schnitt zwischen dem abgeflachten Teil des Drahts und dem schrägen Rest,
wodurch die Einleitung des Bruchs erleichtert wird.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verbindung,
wie in 4 gezeigt, im Vergleich zu anderen bekannten Techniken, wie
zum Beispiel Ball-Bonding, sehr flach ist.
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Die
vorliegende Erfindung besteht. somit aus einem Werkzeug, das zur
Herstellung von Produkten nützlich
ist, die eine sehr geringe Dicke erfordern, wie zum Beispiel Chipkarten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht die Spitze des Montagewerkzeugs aus einem Einkristalldiamanten.
Der Polykristalldiamant ist relativ zerbrechlich, und kleine Diamantkristalle
lösen sich
leicht von der Spitze, manchmal schon beim Schneiden. Ein zusätzlicher
Nachteil des Polykristalldiamanten besteht darin, dass er schneller
verschmutzt, da seine Fläche
weniger glatt ist.
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In
dem Moment, in dem die Spitze mit dem Draht in Kontakt gebracht
wird, um die Verbindung herzustellen, wird die Wärme sehr schnell vom Diamanten
in den Draht und in das Substrat der integrierten Schaltung abgeführt. Während die
Temperatur im Inneren der Verbindung abrupt ansteigt, verringert
sich somit die der Spitze ebenso abrupt. Es ist offensichtlich,
dass der Diamant eine Mindestgröße besitzen
muss, unter der seine Temperatur zu schnell abfallen würde, wodurch
verhindert wird, dass die Temperatur der Grenzfläche zwischen dem Draht und
dem Bereich eine ausreichende Höhe
erreicht. Die molare spezifische Wärme des Diamanten ist ähnlich der
von Si und die Hälfte
der von Cu. Ein Diamant mit Abmessungen von ca. 4 mm3 hat
eine sehr zufrieden stellende Verbindung der Drähte gestattet.
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Ein
Diamant mit allgemein konischer Form wird an einen aus Kupfer-Beryllium
bestehenden Körper
gelötet.
Danach wird die Spitze zu einer ähnlichen
Form wie die in 4 dargestellte zugeschnitten,
mit drei Facetten, die in einem Winkel von ca. 60° und einer
Facette, die in einem Winkel von ca. 45° bezüglich der Horizontalebene ausgerichtet
sind. Die Kante zwischen der im Wesentlichen horizontalen Arbeitsfläche der
Spitze und der Facette bildet einen Winkel von 45° mit der
Horizontalebene und ist abgerundet oder gebrochen, um den Nutzteil
des Drahts nicht zu beschädigen.
Die Arbeitsfläche
der Spitze besitzt ähnliche
Abmessungen wie die der Bereiche der integrierten Schaltung.
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Um
die Montage, das heißt
die Bildung der Verbindung, zu erleichtern, kann die Vorrichtung
mit Mitteln versehen sein, die das Anlegen von Vibrationen gestatten.
Bei diesen Mitteln könnte
es sich um Ultraschallmittel handeln.
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Die
Tatsache, dass die Temperatur der Spitze während der Montage hoch bleibt,
bringt drei Vorteile mit sich.
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Zunächst bedeutet
dies, dass die Temperatur im Inneren der Verbindung praktisch die
Anfangstemperatur der Spitze erreicht, und somit ist der erforderliche
Druck geringer als der, der bei einer aus Metall bestehenden Spitze
nötig wäre. Somit
ist es möglich
gewesen, einen ausreichend geringen Druck anzulegen, um die Drähte mit
integrierten Schaltungen mit einer Dicke von 0,15 mm zu verbinden.
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Dann
kann der Druck während
eines äußerst kurzen
Zeitraums angelegt werden, wodurch eine minimale Wärmemenge
auf die integrierte Schaltung übertragen werden
kann, die nicht dazu ausreicht, die integrierte Schaltung zu beschädigen.
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Schließlich bringt
die Tatsache, dass sich die Temperatur während des Verbindens eines
Drahtes leicht verringert, die Möglichkeit
mit sich, sehr schnell aufeinander folgende Verbindungen herzustellen, ohne
darauf warten zu müssen,
dass die Spitze ihre ursprüngliche
Temperatur wieder erreicht, wobei natürlich die Verwendung einer
Wärmequelle
mit zur Erwärmung
der Spitze geeigneter Leistung Voraussetzung ist.