DE60201382T2 - Resonator für Ultraschallschweissen - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • [Gebiet der Erfindung]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator für das Ultraschallschweißen, der verwendet wird, um einen Schweißdraht durch Ultraschallwellen für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung anzuschweißen.
  • [Beschreibung des Standes der Technik]
  • 4 zeigt eine Ultraschallschweißmaschine des Standes der Technik, die für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung eingesetzt wird. Wenn ein Schweißdraht 101, so wie ein Golddraht, durch einen Drahtweg 105 gegeben wird, der in einer Kapillare 104 gebildet ist, die an dem Ende eines Ultraschallhorns 103 mittels einer Klemme 102 angebracht ist, wird das Ende des Schweißdrahtes 101, der vom Ende der Kapillare 104 nach unten hervorragt, zusammen mit dem Ultraschallhorn 103 und der Kapillare 104 nach unten bewegt, so daß er auf eine Elektrode in einer nicht gezeigten Halbleitervorrichtung oder einem Leiterrahmen gebracht wird, die bzw. der zwischen der Elektrode und der Kapillare 104 eingebunden und sandwichartig eingeschlossen werden soll, und das Ultraschallhorn 103 und die Kapillare 104 werden durch Ultraschallwellen in Schwingungen versetzt, um das Ende des Schweißdrahtes 101 mit der Elektrode zu verschweißen.
  • Da jedoch die Kapillare 104 mit den Ende des Ultraschallhorns 103 verbunden ist, das an der Ultraschallschweißmaschine in einer solchen Weise angebracht ist, daß sie beim Stand der Technik auf einer Seite gehalten wird, wird das Ultraschallhorn 103 durch Druck beim Verschweißen des Schweißdrahtes 101 mit der Elektrode mit einem Unterstützungspunkt für die Ultraschallschweißmaschine als ein Drehpunkt verbogen, wodurch die Schweißposition zwischen dem Schweißdraht 101 und der Elektrode leicht verändert wird, so daß es unmöglich gemacht wird, ein geeignetes Verschweißen durchzuführen.
  • Dasselbe Problem tritt in bezug auf eine ähnliche Ausführungsform auf, die in der EP 0 655 815 A1 offenbart ist.
  • Die EP 1 074 330 A2 ist benutzt worden, um den einleitenden Teil von Anspruch 1 zu formulieren. In der EP 1 074 330 A2 ist ein Ultraschallverbindungswerkzeug offenbart, welche ein verbessertes Konzept für Unterstützungsbereiche hat, und welches aber nichtsdestotrotz nicht zum Verschweißen mittels Drahtverschweißen geeignet ist. Stattdessen ragen quadratische Schweißarbeitsbereiche von dem Hornkörper an dem mittleren Punkt der maximalen Schwingungsamplitude des Hornkörpers hervor. Ein Arbeitsbereich und ein Aufbautisch werden benutzt, um Elemente zu halten, die durch Druck zusammengeschweißt werden sollen. Da die Arbeitsbereiche und die Elemente vergleichsweise große Abmessungen haben, tritt das oben umrissene Problem der hohen Positioniergenauigkeit bei diesem Verbindungswerkzeug nicht auf.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Resonator für das Ultraschallschweißen zur Verfügung zu stellen, welcher in der Lage ist, geeignetes Verschweißen durchzuführen, indem das Ultraschallhorn auf beiden Seiten der Kapillare gehalten wird, um die Schweißposition zwischen dem Schweißdraht und der Elektrode genau einzuhalten. Diese Aufgabe wird durch einen Resonator nach Anspruch 1 gelöst.
  • Da das Ultraschallhorn Halteabschnitte aufweist, die sich auf beiden Seiten der Kapillare, durch die der Schweißdraht bei der vorliegenden Erfindung gelegt wird, an den Punkten minimaler Schwingungsamplitude befinden, wird das Ultraschallhorn an einer nicht gezeigten Schweißmaschine durch die Halteabschnitte in einer solchen Weise angebracht, daß es auf beiden Seiten gehalten wird. Wenn daher der Endbereich des Schweißdrahtes zwischen einem Gegenstand, der verschweißt werden soll, und der Kapillare durch vorbestimmten Druck eingeschlossen wird, wird das Ultraschallhorn an der Schweißposition zwischen dem Schweißdraht und dem Gegenstand, der durch den Druck verschweißt werden soll, gebogen, um den Schweißdraht an den Gegenstand, der verschweißt werden soll, anzubinden, so daß es möglich gemacht wird, die Schweißposition zwischen dem Schweißdraht und dem Gegenstand der verschweißt werden soll, genau einzuhalten und den Schweißdraht mit dem Gegenstand, der verschweißt werden soll, in geeigneter Weise zu verschweißen. Da das Ultraschallhorn an der Schweißmaschine in einer solchen Weise angebracht ist, daß es auf beiden Seiten mit der Kapillare als dem Zentrum gehalten wird, wird Druck, der auf den Schweißdraht von der Kapil lare zum Zeitpunkt des Verschweißens aufgegeben wird, rechts und links gut ausgeglichen, so daß es möglich wird, einen dünnen Draht, dicken Draht oder Draht, der mit einem Polymermaterial beschichtet ist, als den Schweißdraht zu verwenden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Schnittansicht der internen Struktur eines Resonators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist eine Schnittansicht des Endbereiches einer Kapillare gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine Draufsicht auf den Resonator der Ausführungsform; und
  • 4 ist ein Schaubild, das typischerweise den Stand der Technik zeigt.
  • Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Die 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 ist eine Schnittansicht eines Resonators 1, 2 ist eine Schnittansicht des Endbereiches einer Kapillare 3 und 3 ist eine Draufsicht auf den Resonator 1.
  • Mit Bezug auf 1 wird der Schlüsselbereich des Resonators 1 dieser Ausführungsform beschrieben werden. Der Resonator 1 weist ein Ultraschallhorn 2 und eine Kapillare 3 auf. Das Ultraschallhorn 2 ist wie eine Stange geformt, hat eine Länge gleich wenigstens der Wellenlänge der Resonanzfrequenz der Ultraschallschwingung, die von einem Transducer 4 übertragen wird (Länge von dem Punkt f1 maximaler Schwinungsamplitude zu dem Punkt f5 maximaler Schwinungsamplitude), ist aus einem Material hergestellt, das ausgezeichnete akustische Eigenschaften hat, so wie eine Aluminium- oder Titanlegierung oder gehärtetem Eisen, und ist als integraler Körper ausgebildet, der einen Drahtweg 5, einen Verbindungsbereich 6 zur Kapillare, Verbindungsbereiche für Teile 7 und Haltebereiche 8, wie in 3 gezeigt, aufweist. Der Drahtweg 5 ist ein Durchgangsloch, der an dem Punkt f3 maximaler Schwingungsamplitude des Ultraschallhorns 2 gebildet ist, so daß der Schweißdraht 9 hindurch verläuft. Der Verbindungsbereich 6 für die Kapillare ist ein Schraubloch mit einem Innengewin de, das koaxial in einem Endbereich des Drahtweges 5 gebildet ist. Die Verbindungsbereiche 7 für Teile sind ein Schraubenloch mit einem Innengewinde zum Verbinden des Transducers 4 oder einem nicht gezeigten Verstärker koaxial zu dem Ultraschallhorn 2 durch eine Schraube 10 ohne Kopf und in den Mitten der rechten und linken Endfläche gebildet, die an den Punkten f1 und f5 maximaler Schwingungsamplitude des Ultraschallhorns 2 vorhanden sind.
  • Die Kapillare 3 ist an der äußeren unteren Fläche des Ultraschallhorns 2 am Punkt f3 der maximalen Schwingungsamplitude angebracht, um so den Schweißdraht 9 hindurchzulassen. Die Kapillare 3 ist aus einem Material gebildet, das ausgezeichnete akustische Eigenschaften hat, so wie eine Aluminium- oder Titanlegierung oder gehärtetes Eisen, als eine Einheit getrennt von dem Ultraschallhorn 2, geformt wie eine gerade Stange, und weist einen Verbindungsbereich 11 an der Oberseite und einen Drahtweg 12, der sich in einer axialen Richtung erstreckt, auf. Der Verbindungsbereich 1 hat ein Außengewinde auf der Umfangsfläche. Der Drahtweg 2 ist von der Oberseite des Verbindungsbereichs 11 zu der Unterseite der Kapillare 3 durch ein Werkzeug, so wie ein Bohrer, gebildet, und der untere Endbereich des Drahtweges 12 ist konisch derart, daß sein Durchmesser in Richtung auf das untere Ende geringer wird, was die Form des Endes des Bohrers, wie in 2 gezeigt, wiedergibt, und erstreckt sich zu der Unterseite der Kapillare 3. Indem man die Schraube mit Außengewinde des Verbindungsbereiches 11 in die Schraube mit Innengewinde des Verbindungsbereiches 6 der Kapillare schraubt, wird die Kapillare 3 an dem Ultraschallhorn 2 derart befestigt, daß sie von der unteren Fläche des Ultraschallhorns 2 hervorsteht. Wenn die Kapillare 3 somit an dem Ultraschallhorn 2 befestigt ist, ist der Drahtweg 12 der Kapillare 3 koaxial mit dem Drahtweg 5 des Ultraschallhorns 2 verbunden.
  • Ein plattenartiger Schweißarbeitsbereich 13, der getrennt von der Kapillare 3 ausgebildet ist, ist an der Bodenfläche der Kapillare 3 durch ein Verbindungsmittel 14, so wie Wachs, angebunden. Der Schweißarbeitsbereich 13 ist wie eine Platte geformt und aus superhartem Stahl, so wie Hochgeschwindigkeitsstahl, hergestellt. Er wird über das Bindemittel direkt an die Bodenfläche der Kapillare 3 angebunden, ein kleines Loch 15 wird in dem Schweißarbeitsbereich 13 von der Bodenfläche in Richtung auf die Kapillare 3 durch Entladungsbearbeitung, Drahtbearbeitung oder Wasserbearbeitung gebildet, und die Bodenfläche des Schweißarbeitsbereichs 13 wird poliert. Das kleine Loch 15 ist groß genug, damit der Schweißdraht 9 durchlaufen kann, und ist koaxial mit der Öffnung des Schweißweges 12 verbunden, der sich zu der Bodenfläche der Kapillare 3 erstreckt, wie es in 2 gezeigt ist.
  • Wie in 3 gezeigt, befinden sich die Haltebereiche 8 auf der vorderen und hinteren Außenseite des Ultraschallhorns 2 an den Punkten f2 und f4 minimaler Schwingungsamplitude, die gleich von dem Punkt f3 maximaler Schwingungsamplitude in entgegengesetzten Richtungen beabstandet sind, so daß sie senkrecht zu der Kapillare 3 liegen und an dem Ultraschallhorn 2 an Positionen angebracht sind, wo sie symmetrisch um die Mittenlinie L2 und die Mittenlinie L3 sind, welche durch den Punkt f3 maximaler Schwingungsamplitude läuft, und ist senkrecht zu der Mittenlinie L2 als Symmetrieachsen und auch symmetrisch zu jeder anderen, sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung. Jeder der Haltebereiche 8 weist einen Wurzelbereich 16, einen dazwischen liegenden Bereich 17 und einen Befestigungsbereich 18 auf. Die Wurzelbereiche 16 sind wie eine dicke Platte geformt, die sich nach außen in einer Richtung senkrecht zu der Schwingungsrichtung X vom Ultraschallhorn 2 an den Punkten f2 und f4 minimaler Schwingungsamplitude erstreckt. Die zwischenliegenden Bereiche 17 verbinden die Wurzelbereiche 16 mit den Befestigungsbereichen 18 und sind wie eine dünne Platte geformt, die sich in eine Richtung parallel zu der Schwingungsrichtung X erstreckt. Die Befestigungsbereiche 18 sind wie eine dicke Platte geformt, die sich in eine Richtung parallel zu der Schwingungsrichtung X erstreckt. Geklammerte Haltebereiche, die jeweils den Wurzelbereich 16, den zwischenliegenden Bereich 17 und den Befestigungsbereich 18 aufweisen, sind in Quer- und Längsrichtung symmetrisch zueinander, jedoch können der rechte und der linke Haltebereich in dieselbe Richtung weisen. Verengte Bereiche 19 sind in dem zwischenliegenden Bereich des Ultraschallhorns 2 gebildet, können jedoch weggelassen werden.
  • Gemäß der Struktur dieser Ausführungsform ist das Ultraschallhorn 2 an einer nicht gezeigten Schweißmaschine über die Befestigungsbereiche 18 der Haltebereiche 8 angebracht, die sich an den Punkten minimaler Schwingungsamplitude befinden und gleich von der Kapillare 3 in entgegengesetzten Richtungen beabstandet sind, in einer solchen Weise, daß es auf beiden Seiten gehalten wird. In diesem Zustand, wie in 1 gezeigt, wird der Schweißdraht 9 nach unten zusammen mit dem Ultraschallhorn 2 und der Kapillare 3 bewegt, während bewirkt wird, daß er von dem Drahtweg 5 in dem Ultraschallhorn 2 durch die Klammer 20 läuft, die getrennt von dem Resonator 1 zu dem kleinen Loch 15 in den Schweißarbeitsbereich 13 durch den Drahtweg 12 in die Kapillare 3 läuft, so daß der Endbereich des Schweißdrahtes 9, der sich nach unten von dem Ende des Schweißarbeitsbereiches 13 erstreckt, auf die Elektrode einer nicht gezeigten Halbleitervorrichtung oder eines Drahtrahmens, der verschweißt wer den soll, gelegt wird, und zwischen der Elektrode und dem Schweißarbeitsbereich 13 durch vorbestimmten Druck eingeschlossen wird.
  • Da das Ultraschallhorn 2 die Haltebereiche 8 aufweist, die sich an den Punkten minimaler Schwingungsamplitude gleich beabstandet von der Kapillare 3 in entgegengesetzten Richtungen befinden, ist das Ultraschallhorn 2 an der nicht gezeigten Schweißmaschine durch die Haltebereiche 8 in einer solchen Weise angebracht, daß es auf beiden Seiten gehalten wird, wodurch, wenn der Endbereich des Schweißdrahtes 9 zwischen der Elektrode, die verschweißt werden soll, und dem Schweißarbeitsbereich 13 der Kapillare 3 durch vorbestimmten Druck eingeschlossen ist, das Ultraschallhorn 2 durch Druck zum Verschweißen des Schweißdrahtes mit der Elektrode an der Schweißposition zwischen dem Schweißdraht 9 und der Elektrode gebogen, so daß es möglich ist, die Schweißposition zwischen dem Schweißdraht 9 und der Elektrode genau einzuhalten.
  • Während die Schweißposition zwischen dem Schweißdraht 9 und der Elektrode genau eingehalten wird, erzeugt der Transducer 4 Ultraschallschwingung. Das Ultraschallhorn 4, die Kapillare 3 und der Schweißarbeitsbereich 13 resonieren mit dieser Ultraschallschwingung in der Richtung X, die durch den Pfeil angegeben ist, Ultraschallschwingung, die durch Resonanz erzeugt wird, wird von dem Schweißarbeitsbereich 13 zu dem Ende des Schweißdrahtes 9 gegeben, und der Kontaktbereich des Schweißdrahtes 9 mit der Elektrode, die verschweißt werden soll, so daß der Endbereich des Schweißdrahtes 9 und die Elektrode in geeigneter Weise miteinander verschweißt werden können.
  • Bei dieser Ausführungsform sind die Schweißwege 5 und 12 zum Durchlassen des Schweißdrahtes 5 linear und vertikal in dem Ultraschallhorn 2 und der Kapillare 3 jeweils ausgebildet. Der Drahtweg 5 kann nach außen vom zwischengeschalteten Bereich des Ultraschallhorns 2 in einer radialen Richtung gebildet sein, so daß der Schweißdraht 9 durch das kleine Loch 15 von dem zwischengeschalteten Bereich des Ultraschallhorns 2 gelassen wird. Als Alternative kann der Drahtweg 5 vom Ultraschallhorn 2 weggelassen werden, und der Drahtweg 12 kann nach außen von dem zwischengeschalteten Bereich der Kapillare 3 in einer radialen Richtung so gebildet sein, daß der Schweißdraht 9 durch das kleine Loch 15 von dem zwischengeschalteten Bereich der Kapillare 3 geleitet wird. Obwohl der Schweißarbeitsbereich 13 getrennt von der Kapillare 3 gebildet ist, ist es, wenn er mit der Kapillare 3 als eine einzelne Einheit ausgebildet ist, nicht notwendig, den Schweißarbeitsbereich 13 zu der Kapillare 3 mittels des Verbindungsmittels 14 anzubinden.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (6)

  1. Resonator für das Ultraschallschweißen, bei dein ein Ultraschallhorn (2) eine Länge hat, die gleich wenigstens einer Wellenlänge der Resonanzfrequenz von Ultraschallschwingung ist, welche von einem Transducer (4) übertragen wird, wobei die Länge sich zwischen Punkten (fl, f5) maximaler Schwingungsamplituden rechts und links erstreckt, und bei dem das Horn (2) Haltebereiche (8) aufweist, die sich an Punkten (f2, f4) minimaler Schwingungsamplitude auf beiden Seiten von und entfernt von einem Punkt (f3) maximaler Schwingungsamplitude des Ultraschallhorns (2) in entgegengesetzten Richtungen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschallhorn (2) einen Drahtweg (5) aufweist, der als ein Durchgangsloch an einem Punkt (f3) maximaler Schwingungsamplitude gebildet ist, welches wenigstens eine äußere untere Fläche des Ultraschallhorns und eine Kapillare (3), die einen weiteren Drahtweg (12) hat, durchdringt, welche an der äußeren unteren Fläche des Ultraschallhorns (2) an dem Punkt (f3) maximaler Schwingungsamplitude derart angebracht ist, daß der weitere Drahtweg (12) der Kapillare (3) koaxial an den Drahtweg (5) des Ultraschallhorns (2) angebunden ist, damit ein Schweißdraht (9) hindurchlaufen kann.
  2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (3) eine von dem Ultraschallhorn (2) getrennte Einheit ist.
  3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (3) einen Verbindungsbereich (11) an der Oberseite aufweist und der weitere Drahtweg (12) sich in eine – axiale Richtung erstreckt.
  4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (3) angebracht wird, indem eine männliche Schraube des Verbindungsbereiches (11) in eine weibliche Schraube eines Verbindungsbereiches (6) für die Kapillare des Ultraschallhorns (2) geschraubt wird.
  5. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenartiger Schweißarbeitsbereich (13) getrennt von der Kapillare (3) gebildet wird.
  6. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißarbeitsbereich (13) über ein Verbindungsmittel (14) mit der unteren Fläche der Kapillare (3) verbunden ist.
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