JPH02503294A

JPH02503294A - 微小構成素子を接続溶接するための方法

Info

Publication number: JPH02503294A
Application number: JP89501689A
Authority: JP
Inventors: フント，パウル; ランガー，ロタール; イエナー，ヴオルフガング
Original assignee: ローベルトボツシユゲゼルシヤフトミツトベシユレンクテルハフツング
Priority date: 1988-02-27
Filing date: 1989-02-01
Publication date: 1990-10-11
Also published as: US5113054A; WO1989008001A1; GB2224966B; GB2224966A; GB8924073D0; DE3806309C1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】微小構成素子を接続溶接するための方法背景技術本発明は、請求項１記載の上位概念による、微小構成素子を溶接、特に抵抗溶接するための方法に関する。ＤＥ−ＡＳ　　１７５２６７９号明細書によれば、微小−又は極小構成素子に、多数の電気的な導体、又はもろい材料より成るウェハを対応配置する方法が公知である。基板と導体は重ね合わされて伝達部材によって圧縮され、伝達圧力と協働して熱圧縮又は超音波によって溶接される。圧力伝達は、伝達部材によつて負荷され、すべての導体若しくは、ウェハのすべての対応面に直接及び同時に作用する変形可能な伝達材料によって行われる。これによって、構成素子の許容誤差を越えそうな厚さにおいても、得られた良好な接続状態を高め、同時に多数の接続を形成するために良好に利用できる接続方法が得られる。導体は、基板に取り付ける際に変形せしめられる。この変形の大きさは、使用された材料、供給された機械的なエネルギー、部材の幾何学的形状及び熱供給に基づいている。溶接過程の最初の段階において、伝達部材と導体との境界面における圧力は、伝達部材と伝達材料との境界面における圧力よりも、接触面が非常に小さいために著しく大きい。伝達材料が導体を取り囲んで変形し、基板に接触すると、圧力は低下させられて接触面は、伝達部材と伝達材料との境界面の大きさに相当する程度まで大きくなる。つまり圧力は低下し、変形は止まる。変形不能な硬質材料、例えば金属化されたシリコンより成るウェハを溶接するための方法を用いる場合、伝達材料とウェハとの境界面及び、ウェハと基板との境界面に圧力差は生じない。何故ならばこれら２つの境界面は同じ大きさを有しているからである。

ＤＥ−ＰＳ　　２０４９２７７号明細書によれば、さらに、球状の接触金属ブランクを接触部分に電気抵抗溶接によって固く溶接するための装置が公知である。

この装置においては、電極がそのヘッド端部で、球状の接触金属ブランクを受容するための球欠状の切欠を備えている。この装置においては、圧力及び熱は電極から、溶接しようとする球に直接伝達される。

本発明の利点これに対して、請求項１に記載されｔ；特徴を有する本発明の方法は、成形体として働く構成素子と伝達材料との間の、圧力を伝達する接触−又は境界面が、伝達材料の変形によって著しく大きくなり、一方、溶接が行われる構成素子間の境界面は比較的小さく、圧力及び熱の作用下でも、変形された伝達材料と成形体として働く構成素子との間の、圧力を伝達する接触面よりも有利には明らかに小さく維持されるという利点を有している。これによって、溶接過程時に、成形体として働く、球の露出する部分の元の形状及び材料組織が変化することなしに、多数の単一部分より成る構成素子、例えば球弁体を簡単な形式で製造することができる。溶接のために必要な圧力は、変形された伝達材料によって大きな面に亙つて、しかも成形体に点状の圧力箇所が形成されることなしに伝達されるので、面単位当たりの成形体の圧力負荷は比較的小さく維持される。それと同時に、構成素子間の比較的小さい境界面にかかる圧力は集中し、この範囲において２つの構成素子が互いに非常に強く押し付けられるように作用する。前記抵抗溶接においては、変形された伝達材料を介して、この伝達材料によっておおわれた、球の露出する部分が比較的わずかに一様に加熱されると共に、小さい伝達抵抗を有する、大きい面に亙っての電流伝達が行われる。これに対して溶接箇所の範囲においては、電流は、大きい伝達抵抗を伴って小さい面に集中せしめられるので、この箇所における材料は迅速に加熱されて、溶接のために必要な塑性若しくは溶融段階に移行する。溶接ゾーンにおいて形成される高い面圧は、この過程を加速させるために役立つ。

その他の請求項に記載された手段によって、請求項１に記載された方法の有利な変化実施例及び改良が可能である。有利には、伝達材料として特に、圧力作用を受けて塑性変形する金属のブランク材料が使用される。このための材料としては銅シートが適していることが分かった。何故ならば、銅シートは容易に変形可能で、熱に対して強いからである。圧力作用下でシートを変形させることができるようにするために、伝達部材は中空室を有しており、この中空室内にシートが成形体として働く構成素子によって押し込まれる。この中空室は、本発明の別の特徴によれば成形体の外側輪郭形状に合わされている。扁平な接触面を備えた伝達部材の使用を可能にする別の可能性は、シートを厚くて柔軟な材料より成る層、例えばＰｂ−又はＰｂＳｎ一層によって覆うことによって得られる。この層内で、成形体として働く構成素子の外側輪郭が圧力の作用を受けて写し取られる。

図面本発明の複数の実施例が図面に示されており、さらに別の利点を示しながら以下に詳しく説明されている、第１図は、２つの部分から成る球弁体を製造するための、本発明の方法に従って作業する抵抗溶接装置の第１実施例の一部破断した概略的な側面図、第２図は第１図とは異なる成形電極を備えた装置、第３図は２つの構成素子から成る変形可能な伝達材料と扁平な成形電極とを備えた装置、第４図は第１図と同様の装置で球弁体の円板状の球保持体が絶縁材料で覆われている装置のそれぞれ一部破断した概略的な側面図である実施例の説明図面で概略的に示された抵抗溶接装置は、下側の定置の電極１とこれに対して間隔を保って配置された上側の電極２とを有しており、この上側の電極２は第１図に示した２重矢印３の方向で昇降可能である。２つの電極１若しくは２の扁平な端面４若しくは５は、溶接電流に接続されていて、微小構成素子を接続溶接するために用いられる。これらの微小構成素子は、この実施例では焼入れされた鋼球６と球ホルダ７（第１図〜第３図）若しくは８（第４図）とから成っている。

これら２つの素子は溶接された状態で球弁のための弁体を形成する。球ホルダ７は、下側の電極ｌの孔９内に挿入され、つばｌＯでこの電極の端面４に支えられる内実のシリンダピンとして構成されている。第４図による球ホルダ８は扁平な円板として構成されていて、この円板のために、下側の電極ｌには凹部１１の形状の受容部が設けられている。球ホルダ７はその端面で袋孔１２を備えており、この袋孔１２が球６を受容しこれをセンタリングする。球ホルダ８は同じ目的で貫通孔１３を有している。どちらの場合も孔の直径は球の直径よりも著しく小さいので、球は一部だけが孔内に侵入する。球の大部分は球ホルダ７若しくは８上で旭理可能に露出している。球と孔との接触は円形ライン又は僅かな幅を有する環状面１４に沿って行われる。この面で２つの部分６．７若しくは６．８は互いに溶接される。

溶接に必要な圧力及び熱は、上側の電極２を下降させ溶接電流を接続することによって電極１．２を介して部分６．７若しくは６．８に供給される。この場合に、球６の露出された部分の材料組織の変形及び／又は変化を阻止するために、上側の電極２は球６の露出部分に直接光てつけられずに、球６と電極２との間に変形可能な伝達材料が設けられている。この伝達材料は、電極２によって加えられた圧力及び溶接電流を球の露出された部分範囲で総ての球面のほぼ半分に分配する。このためには有利には、圧力作用を受けて塑性変形する、僅かな体積電気抵抗を有する材料が使用される。

塑性変形可能な材料の代わりに、圧力解除後に初めの形に戻る、導電性材料より成るゴム弾性的な材料を使用してもよい。重要なことは、変形された伝達材料と成形体として働く球６の露出部分との間の、圧力を伝達する接、融通又はコンタクト面１５が、構成素子が互いに溶接される面１４よりも著しく大きいことである。これによって、電極ｌによって加えられる圧力が球の大きい面を介して小さい面の溶接ゾーン１４に伝達されここに集中されることが保証される。変形可能な伝達材料は球表面に合致し、露出する球面が部分的に変形するのを妨げる。しかも自由な球面を大きい面に互って被覆することは、伝達材料と球との間の移行抵抗を小さくするように配慮するので、球の露出部分が不都合に高い熱負荷にさらされることはない。これに対して溶接電流は溶接ゾーン１４の範囲で非常に小さい面に集中せしめられ、これによってこのゾーンは溶接温度に迅速に加熱されることが保証される。塑性変形可能な材料としては有利には、電気を良く通し高い溶融温度を有しかつ容易に変形可能な材料より成る薄いシート状の帯金風１６が使用される。この要求は、例えば、比較的高い溶融温度で良好な導電特性及び大きい延性を有する帯鋼によって満Ｉ；される。

帯金風１６の所望の変形を可能するために、第１図及び第４図の実施例においては、上側の電極２の端面５が下方に向かって開放する半球状の球欠１７を備えており、この球欠１７の大きさは、上側の球半部及びこの球半部を取り囲む帯金風１６を受容できる程度に選定されている。上側の電極２の圧力は帯金風を球面に応じて変形させるが、この時に球６が成形体として働く。球形状に対する球欠形状の僅かなずれは帯金風によって補償される。帯金風１６の変形が得られると、溶接電流が所定の時間間隔だけ接続され、溶接が行われると、電極２が持ち上げられて帯金風１６は上側の電極２の少なくとも直径分だけさらに移動せしめられる。このために例えば１図示していないが公知であるステップバイステップ式スイッチが使用される。帯金風１６の送り方向は第１図では矢印で示されている。

第２図では、帯金風１６を変形させるために球欠状の中空室１７の代わりに上側の電極２の端面５に形成された袋孔１８が使用されており、この袋孔１８の直径は、球６の直径と帯金風１６の厚さの２倍と電極内の遊び０．２ｍｍと足したものに相当する。溶接過程時に帯金風１６は円形ライン状の孔縁部によってつかまえられて、球の上部の球半部を覆うまで球の回りで引っ張られる。電極２によって加えられる圧力は、帯金風１６及び球を介して、球と球ホルダとの間の溶接ゾーンを形成する接触面１４に伝達され、ここで小さい面に集中される。球ホルダは溶接過程中モのつばｌＯで、下側の定置の電極１の端面４によって支えられる変形された帯金風１６と球ホルダ７若しくは８の端面との間の間隔は、球直径並びに球ホルダに形成された孔１２若しくは１３の直径に従う。球直径が球ホルダ８の直径よりも著しく小さい、第４図に示された形式の、非常に小さい直径の球及び弁体を溶接する際には、溶接電流の分路を避けるために、球ホルダの表面に絶縁材シートをかぶせるとよい、この絶縁材シートは球ホルダの孔の範囲で切欠を有している。このような、切欠を備えたシート２０は第４図に示されている前記実施例においては２つの電極は互いに正確に上下に並べられており、これによって球６は溶接過程時に球ホルダの孔１２若しくは１３内で保持される。このような２つの電極の高精度の整列は第３図の実施例による装置では必要ない。何故ならばこの実施例では上側の電極２の扁平面若しくは端面５は、球ホルダの孔１２若しくは１３に関連した球の位置に影響を与える中空室を有する必要がないからである。これは、シート状の帯金風１６が厚（柔軟な金属層によって覆われていて、この金属層２１内で球６の上側の半部が圧力作用を受けてシールされていることによって得られる。このような金属層としては例えばＰｂ−文はＰｂＳｎ一層が使用される。電極２の端面が比較的大きいことによって、変形時に柔軟な金属層２１が電極内に沈下することは十分に避けられる。変形可能な材料ｉ６と２１との組み合わせの厚さは、第３図に示されているように、球の半径よりもやや大きく選定されている。溶接過程時に帯金風が電極２の圧力負荷を受けて柔軟な金属層内に押し込まれ、この時に上側の球半邪の形状が正確に写し取られる。

直径が２．０ｍｍ、！り小さい球においては、金属層２１の厚さは球半径よりも小さい。

提案されＩ；前記方法は、シール部材として働く高精度の部分、例えば焼入れされｔ；球を溶接する時に溶接接続部以外の変形又は劣化が生じないように補償する。これは、可動な伝達部材２と球との間で変形可能な伝達材料を使用して、可動な伝達部材と球との接触面が溶接ゾーンに対して可能な限り大きく維持されていることによって得られる。

微小構成素子を接続溶接するための本発明の方法は、実施例で説明した球弁体の抵抗溶接だけに限定されるものではない。むしろその他の構成素子、特に焼入れされた材料から成る精密構成素子を互いに溶接することも出来る。この場合、構成素子間の、溶接ゾーンとしての接触面は、変形された伝達材料によ７て覆われた、圧力を伝達する接触面よりも有利には明らかに小さくされる。前記有利な抵抗加熱の他に、溶接ゾーンを所望に加熱するためにその他の熱源、例えば加熱されたポンチ又は溶接箇所に向けられたガス炎も使用できる。

前記のように、溶接電流は、伝達材料１６若しくは１６．２１が十分完全に変形されてから接続される。

このために、第１図に図示された溶接電流源２２の電流回路にスイッチ２３が配置されている。このスイッチ２３は、可動な電極２に接続されていて、この電極２がその下の終端位置に達したときにこの電極２によってオンされる。これによって、溶接電流が帯金風１６から半球の露出するすべての面に分割されることが保証される。大きい面は小さい電流集中を、ひいては弱い加熱を示す。これによって部分的な軟化を生ぜしめることのある、半球の部分面の過熱が確実に避けられる。この手段は、変形された伝達材料と成形体との間で圧力を伝達する接触面が溶接ゾーンよりも大きい、溶接製品のためにだけ適しているのではなく、このような条件を満たしていない構成素子を溶接するためにも使用できる。

国際調査報告ＰＣＴ／ＤＥ　８９，１０００６０ＳＡ　　　２６５０３ −１−−＾−−６１−　ＰＣＴ／ＤＥ　８９１０００６０

Claims

【特許請求の範囲】１．互いに接続しようとする構成素子を伝達部材によって互いに圧縮し、伝達された圧力と協働して加熱によって互いに溶接し、この時に圧力伝達及び熱伝達を、伝達部材によって負荷された変形可能な伝達材料によって行う、微小構成素子を接続溶接、特に抵抗溶接するための方法において、変形された伝達材料（１６若しくは１６，２１）と、成形体として働く構成素子（６，７若しくは６，８）との間で圧力を伝達する接触面（１５）を、構成素子（６，７若しくは６，８）が互いに溶接される面（１４）よりも大きくすることを特徴とする、微小構成素子を接続溶接、特に抵抗溶接するための方法。２．伝達材料（１６若しくは１６，２１）として、圧力作用を曳けて塑性変形可能な材料を使用する、請求項１記載の方法。３．変形可能な材料として、高い溶融温度を有する容易に変形可能な材料、有利には銅又は銅合金より成るシート（１６）を使用する、請求項２記載の方法。４．シート（１６）を、このシート（１６）が圧力を受けて変形する際に、伝達部材（２）に形成された中空室（１７若しくは１８）内に侵入させる、請求項３記載の方法。５．中空室（１７）の形状を、成形体として働く構成素子（６）の外側輸郭形状に合わせる、請求項４記載の方法。６．シート（１６）の裹側に厚い柔軟な材料層（２１）、例えばＰｂ−又はＰｂＳｎ−層を設け、この材料層に、成形体として働く構成素子（６）の外側輪郭を圧力作用下で写し取らせる、請求項３記載の方法。７．請求項１から６までのいずれか１項記載の方法によって製造された弁体、特に導電性材料より成る球弁体において、電極（１）上に載設された若しくは電極（１）内に挿入された球ホルダ（７若しくは８）が、成形体として働く球（６）を受容するために用いられる孔（１２若しくは１３）を備えており、該孔の亘径が球直径よりも小さいことを特徴とする、弁体。８．球ホルダ（８）の表面に絶縁シート（２０）が張られており、該絶縁シート（２０）が孔（１３）の範囲で切欠（１９）を有している、請求項７記載の弁体。９．互いに接続しょうとする構成素子を電極を負荷する力によって互いに圧縮し、伝達された圧力と協働して溶接し、この時に圧力伝達及び熱伝達を、電極圧力によって変形可能な伝達材料によって行う、特に請求項１から６までのいずれか１項記載の微小構成素子を微抗溶接するための方法において、伝達材料（１６若しくは１６，２１）を十分完全に変形させてから、溶接電流を接続させることを特徴とする、微小構成素子を抵抗溶接するための方法。