WO2014094730A1 - Werkzeug zum herstellen einer reibschweissverbindung zwischen einem draht und einem substrat, mit einer taschenförmigen ausnehmung - Google Patents

Werkzeug zum herstellen einer reibschweissverbindung zwischen einem draht und einem substrat, mit einer taschenförmigen ausnehmung Download PDF

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substrate
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Michael BRÖKELMANN
Hans-Jürgen HESSE
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Hesse Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a tool for producing a friction welded connection between a wire and a substrate with a tool shaft extending in the direction of a tool longitudinal center axis, having a tool receiving section for fixing the tool to a tool holder of a friction welding machine and having a tool tip adjoining the tool shank, wherein Tool tip is associated with an end face of the tool and wherein for receiving the wire in friction welding in the transverse direction of the tool extending groove-shaped groove is provided, which is limited by an at least partially applied to the wire during friction welding jacket surface, and a device for friction welding of wire with a workpiece holder for fixing the substrate, with a rotatably and / or translationally movable provided to the workpiece holder tool head, wherein the tool head a tool holder for releasably holding a tool and having a fixed in the tool holder tool.
  • the invention relates to a method for producing a friction-welded connection between a wire and a substrate, wherein a tool with a trough-shaped shaped groove is lowered in the direction of the substrate until a lateral surface of the groove at least partially abuts the wire provided between the tool and the substrate, the tool is pressed under pre-deformation of the wire with a predetermined force against the substrate, wherein due to the pre-deformation the wire forming a positive connection between the tool and the wire, an ultrasonic source is activated and the tool is excited to ultrasonic vibrations, wherein a groove having tool tip of the tool vibrates in the wire longitudinal direction and due to the vibrations, the friction welded joint between the form-fitting guided in the groove Wire and the substrate is formed.
  • a wire is connected to a substrate by means of a tool excited to ultrasonic vibrations, in particular ultrasonic bending oscillations.
  • the tool is lowered with a predetermined normal force in the direction of the substrate and pre-deformed in a transverse groove of the tool wire, so that forms a positive connection between the wire and the tool.
  • the ultrasonic vibration of the tool is transmitted to the wire, prevents relative movement between the wire and the tool and forced a frictional movement of the wire on the substrate.
  • the positive connection between the tool and the wire is a necessary prerequisite for producing a friction-welded connection between the wire and the substrate.
  • the plastic pre-deformation of the wire when lowering the tool in the direction of the substrate is usually favored by the shape of the transverse groove of the tool.
  • Particularly known are V-shaped groove shapes that reliably deform the round surface of the wire plastically and lead to an effective positive connection between the wire and tool.
  • the degree of pre-deformation of the wire depends in particular on the hardness of the wire and the normal force acting on the lowering of the tool.
  • the normal force results additively from a set during the touch bond and the first derivative of Aufsetzimpulses over time.
  • the Aufsetzimpuls arises from the product of the moving masses, ie in particular tool and tool head, and Aufsetz Bulgaria.
  • aluminum wires are processed today by means of ultrasonic friction welding.
  • the commercially available tools are designed. If, instead of a wire of aluminum, a wire made of a harder material, such as a copper wire, processed with the market standard tool, due to the greater hardness of the wire, the normal force must be increased when lowering the tool when the positive connection between wire and tool in the same or A similar way is to be achieved. Due to the larger normal force, however, damage or destruction of the substrate or the chip to be processed can occur. In this respect, the use of identical tools and the increase of the normal force acting on the wire in the processing of hard wires is not readily possible. Alternatively, it would be possible to shorten the groove for receiving the wire during bonding. At the same normal force then results in a larger surface pressure, which has a sufficient positive connection result. By reducing the groove length, however, simultaneously reduces the bonding surface of wire and substrate, with the result that the maximum current density is exceeded and the mechanical strength of the connection may not be guaranteed.
  • the object of the present invention is therefore to specify a tool, a device and a method for producing a friction welded connection between a wire with high hardness, in particular a copper wire, and a substrate.
  • the invention in connection with the preamble of patent claim 1, characterized in that on the lateral surface at least one pocket-shaped recess is provided such that a cross section of the groove in the Be formed rich of the recesses widened and a wall of the recess against the lateral surface is provided set back.
  • the particular advantage of the invention is that, by providing the pocket-shaped recess in the lateral surface of the transverse groove, it is equally possible to retain the original groove shape in terms of cross-section and length and to reduce the area effective for pre-forming the wire by the size of the recess. In this respect, increases the surface pressure at a constant normal force, so that a positive connection between the tool and wire is formed safely and reliably, even with a hard wire. At the same time the groove retains the original length, so that the bonding surface between wire and substrate and thus the current density as well as the mechanical strength of the compound are retained.
  • the core of the invention is therefore to provide a pocket-shaped recess on the lateral surfaces of a commercially available with respect to its geometry or designed for the processing of aluminum wires with a V-shaped transverse groove in an inner region of the lateral surface for widening the cross section of the groove in the region of the recess.
  • a contact of wire and tool in the region of the recesses is prevented as a result of the recesses.
  • the normal force acts distributed over a smaller effective area on the wire. The reduction of the area leads to an increase in the surface pressure and consequently to a greater plastic deformation of the wire in the contact area of wire and tool.
  • the at least one recess is spaced from the two obliquely defining the groove in the transverse direction inclined surfaces (boundary surfaces) of the tool tip.
  • the position of the recess in the groove can be chosen freely.
  • a distance of the recess to the groove bounding inclined surfaces is to be determined so that the thrust forces occurring during the friction welding process can be absorbed by the tool.
  • the recess extends from the end face of the tool in the direction of a bottom of the groove.
  • the recess can thus be manufactured in a particularly simple manner, inexpensively and precisely. The reproducibility is high. Ultimately, this ensures that the tools provided inexpensively and produced with tools of the same type friction welded joints reproducible electrical and mechanical properties.
  • the pocket-shaped recess can be formed symmetrically with respect to a tool longitudinal center axis and extending in the direction of the groove extending transverse plane or with respect to the tool longitudinal center axis and perpendicular to the tool transverse plane provided tool normal plane.
  • a groove depth determined by the end face of the tool to the bottom of the groove is greater than a recess depth detected in the direction of the tool longitudinal center axis, or the groove depth corresponds to the recess.
  • the recess does not protrude beyond the reason of the groove in the tool.
  • the mechanical strength of the tool is maintained.
  • the vibration properties of the tool are not or only slightly influenced, so that the ultrasonic vibration in the tool can be formed in the usual way.
  • a certain length of the groove in the transverse direction of the tool can be at least twice as large as a maximum transverse dimension of the recess, which is also determined in the transverse direction.
  • this limits the size of the surface pressure and defines the size of the effective lateral surface.
  • the lateral surface can be halved and as a result the surface pressure can be doubled.
  • the hardness of the wire to be processed is greater than that of an aluminum wire by a factor of 2
  • the present tool can be used without increasing the normal force and without the risk of damaging the substrate or chip.
  • Pre-deformation and a reliable positive connection between wire and tool are formed.
  • the hardness of copper is about a factor of 1.8 greater than that of aluminum.
  • a copper wire can be reliably connected to the substrate by means of friction welding without changing the normal forces acting on the wire and the substrate with the tool according to the invention.
  • the recess depth and a maximum perpendicular dimension of the recess are determined such that a contact of wire and tool in the region of the recess during the first process step in which the tool is lowered in the direction of the substrate and the wire provided between the tool and the substrate in the groove is pre-formed, is not formed, whereas the wire touches the wall of the recess when after lowering the tool and after the pre-deformation of the Wirten the friction welded joint is formed to form the ultrasonic vibration.
  • the time at which the wire touches the wall of the recess depends on the geometry of the wall.
  • the wall can be so far designed as a freeform surface.
  • the duration of the contact of the wire and the wall of the recess may comprise any part of the process time, in particular also 100%.
  • the surface pressure during the lowering can thus be increased for a constant normal force.
  • the wire is pressed in the region of the recess after the pre-deformation and during friction welding of the tool to the substrate. A deflection of the wire perpendicular to the bonding surface in the region of the recess is prevented in this respect.
  • the quality of the friction weld joint is improved by ensuring the formation of the bond in the entire contact surface, a faulty friction weld joint is prevented.
  • the groove has a V-shaped base cross section, which is widened in the region of the recess to a U-shaped cross section.
  • a U-shaped cross section can be produced in a simple manner become.
  • the use of a V-shaped base cross-section allows a commercial aluminum wire processing tool to be converted to a harder wire processing tool, for example, for processing a copper wire.
  • the tool for processing the hard wires can thus be produced comparatively inexpensively in small quantities.
  • a maximum width of the recess which is perpendicular to the transverse direction, is greatest at the end face of the tool.
  • the recess then tapers in the direction of the groove bottom.
  • this prevents an undercut in the region of the recess or a lateral clamping of the deformed wire in the tool, so that a lifting of the tool from the wire is possible without damage.
  • the invention in connection with the preamble of claim 10 is characterized in that during the execution of the ultrasonic bending vibration, a contact auxiliary surface, which does not touch the wire at the time of activating the ultrasonic source, due to further deformation of the wire and / or a further lowering of the tool in the direction of the substrate to the wire applies.
  • the particular advantage of the invention is that, by the contact contact of the contact auxiliary surface during ultrasonic welding, deflection of the wire perpendicular to the end face of the tool or perpendicular to the connecting surface is prevented. In this respect, the quality of the friction weld improves. Both the electrical and the mechanical properties of the compound are favored.
  • the wire when using a tool according to the invention for producing the friction welded connection between the wire and the substrate, at least part of the wall of the recess becomes the contact auxiliary surface.
  • the wire lies to ensure a sufficient surface area. Pressing in the groove not just on the wall. After reaching a sufficient for the positive locking pre-deformation or after starting the friction welding process, the wire is moved in its longitudinal direction relative to the substrate. The plastic deformation of the wire progresses. During the friction welding process, the wire will contact the wall of the recess. Further deflection of the wire perpendicular to the welding plane is then not possible.
  • the tool is excited to ultrasonic vibrations for a process time, wherein the wire touches the tool in the area of the auxiliary contact surface at least for a partial process time.
  • the partial process time is greater than 0%, preferably at least 50% and a maximum of 100% of the process time.
  • the quality of the friction-welded connection advantageously improves as a result of the contact of the wire and the tool in the area of the auxiliary contact surface. Since the contact in the area of the auxiliary contact surface counteracts a deflection of the wire, the contact to the auxiliary contact surface should be made as quickly as possible and maintained over the remaining part of the process time.
  • FIG. 1 shows a side view of a tool according to the invention for processing hard wires with a tool shank, a tool receiving section and a tool tip,
  • Figure 2 is an enlarged view of the tool tip in a front view as
  • FIG. 3 is a perspective view of the tool tip with a U-shaped recess
  • Figure 4 shows a portion of a deformed by means of the tool of Figure 1
  • FIG. 5 shows the tool tip of an alternative embodiment of the tool according to the invention in a front view
  • FIG. 6 shows the tool tip of the tool according to FIG. 5 in a perspective view
  • FIG. 8 is a timing diagram of a friction welding process according to the invention.
  • a tool according to the invention according to FIGS. 1 to 3 comprises a tool shank 1 extending into a tool longitudinal center axis 4, a tool receiving section 2 adjoining the tool shank 1 at the end and a tool holder section 2. tip 3, which adjoins the tool shank 1 on the tool receiving portion 2 opposite side.
  • the tool receiving portion 2 is formed so that the tool can be used in a tool holder of a friction welding machine, in particular a bonding machine, and fixed there.
  • the tool is formed symmetrically with respect to the tool longitudinal center axis 4. In the area of the tool tip 3, the tool tapers in the direction of the tool longitudinal center axis 4, wherein the tool tip 3 has a smallest width in the region of an end-side end face 5.
  • the tool according to the invention is used for example for producing a friction welded connection between a wire 20 and a substrate or a semiconductor chip.
  • a groove-shaped groove 7 extending in a transverse direction 6 of the tool is formed on the tool in the region of the end face 5.
  • the channel-shaped groove 7 is realized in the present case as a V-shaped groove 7.
  • a lateral surface 8 of the groove 7 is defined by two mutually angled extending, flat shell part surfaces 8.1, 8.2.
  • a pocket-shaped recess 11 is provided in an inner region of the groove 7.
  • the V-shaped cross section of the groove 7 (basic cross section) is widened.
  • the recess 11 has a U-shaped cross section and is bounded by a relative to the lateral surface 8 set back wall 35.
  • the recess 11 extends from the end face 5 of the tool tip 3 to a groove bottom 12, which connects the mutually employed skirt part surfaces 8.1, 8.2.
  • the recess 11 has its maximum width 13 in the region of the front side 5 and tapers in the direction of the groove bottom 12.
  • the maximum width 13 of the recess 11 corresponds to a maximum width of the groove 7. Since the recess 11 extends exactly to the groove bottom 12 corresponds a groove depth 14 of a depth 15 of the recess 11 in the direction of the tool longitudinal center axis. 4
  • the recess 11 has a constant transverse dimension 16 in the transverse direction 6 of the groove 7.
  • the transverse dimension 16 of the recess 11 corresponds to approximately 40% of a
  • the transverse direction 6 is determined to be symmetrical with respect to both the longitudinal center axis 4 and extending in the direction of the groove 7 extending tool transverse plane 18 and the tool longitudinal central axis 4 receiving and perpendicular to the tool transverse plane 18 provided normal plane 19 tool ,
  • Figure 4 shows a portion of the wire 20 which has been friction welded by means of the tool according to Figures 1 to 3.
  • the wire 20 has an approximately triangular shape in a front region 21 and in a rear region 22.
  • Two adjacent leg surfaces 23 of the triangularly shaped wire section 20 in the front region 21 and in the rear region 22 were formed by the V-shaped jacket partial surfaces 8.1, 8.2 of the tool.
  • a third side of the triangularly deformed wire 20 defines the current-carrying planar connection surface 26 of the wire 20 and substrate.
  • a central region 24 in which the wire 20 is deformed only in the region of the connection surface 26 and is otherwise obtained undeformed.
  • the recess 11 of the tool is associated with the central region 24.
  • the wire section 20 has no contact with the tool in this central region 24 and is consequently not deformed.
  • a length of the front region 21, the middle region 24 and the rear region 22 of the wire 20 measured in the wire longitudinal direction 25 corresponds to the length 17 of the groove 7 in the transverse direction 6.
  • the middle region 24 is determined by the transverse dimension 16 of the recess 11, while an equal length of the front portion 21 and the rear portion 22 of the length 17 of the groove 7 and the transverse dimension 16 of the recess 11 result.
  • the bonding tool is lowered with the tool tip 3 and the groove 7 in the direction of the substrate.
  • the wire 20 which is associated with the groove 7 and between the tool and the substrate is subjected to a predetermined normal force and deforms.
  • the wire 20 initially touches the tool during lowering only in the area of the lateral surface 8. Since the groove 7 is formed widened in the region of the recess 11, there is no contact between the wire 20 and the tool in the region of the recess 11.
  • the wall 35 of the recess 11 and the wire 20 accordingly have no contact.
  • a surface pressure between wire 20 and tool is determined by the size of the normal force and the size of the lateral surface 8, while a wire 20 facing surface of the recess 11 is disregarded. Accordingly, for a given length 17 of the groove 7, the size of the recess 11 determines the remaining size of the lateral surface 8.
  • the tool By activating an ultrasonic source, the tool is excited to ultrasonic vibrations, in particular to Ultraschallbieschwwingept.
  • ultrasonic vibrations As a result of the positive connection between the tool and wire 20 of the wire 20 performs in its longitudinal direction 25 ultrasonic vibrations.
  • the ultrasonic vibrations of the wire 20 result in a relative movement between the wire 20 and the substrate, which, in cooperation with the acting normal force, causes a friction-welded connection to be formed in the connection surface 26.
  • a size of the bonding surface 26 ultimately defines the maximum current and mechanical strength of the friction weld joint.
  • the wire 20 in the region of the recess 11 has no contact with the wall 35 of the recess 11 or with the tool. Instead, the wire 20 rests exclusively in the area of the lateral surface 8 on the tool.
  • a Lotlot 27 of the recess 11 which is defined as a depth of the recess 11 in the direction of a jacket surface 8 launched Lot, chosen sufficiently large.
  • the tool has a recess 11 with a modified geometry in the region the wall 35 on.
  • the U-shaped cross-section of the recess 11 is retained in a region near the end face.
  • the V-shaped cross section of the groove 7 is maintained.
  • an interface of the recess 11 extends substantially parallel to the end face 5, wherein the transitions to the V-shape and the U-shape are configured by suitable transition geometries.
  • FIG. 7 shows a section of the wire 20 deformed by the tool according to FIGS. 5 and 6. It can be seen that the middle region 24 of the wire 20 approaches the groove 7 in an upper region of the V-shape lying opposite the connection surface 26, which is also found in the front region 21 and rear region 22 of the wire 20, and that in the following the U-shape returns.
  • the recess 11 in the connecting region 28 is designed so that contact of the tool and wire 20 in the region of the recess 11 during the lowering of the tool in the direction of the substrate and during the pre-deformation of the wire 20 is not formed.
  • the wall 35 of the recess 11 does not touch the wire 20.
  • a comparatively high surface pressure is present in the region of the lateral surface 8, which ensures sufficient pre-deformation of the hard wire 20 and the formation of a positive connection between the wire 20 and the tool.
  • the geometry of the recess 11 and in particular of the connecting region 28 ensures that the contact between the wire 20 and the tool is formed at the end of the pre-deformation or in the course of the friction welding process and the wire 20 is also pressed against the substrate in the connection region 28.
  • the wire 20 in the region of the connection region 28 is prevented from dodging laterally or perpendicular to the bonding surface (connection surface 26).
  • FIG. 8 shows the time profile of a method according to the invention for producing a friction-welded joint.
  • the tool with the groove-shaped groove 7 is advanced in the direction of the wire 20. lowers until the outer surface 8 of the groove 7 bears against the wire 20 and deforms under a predetermined normal force of the wire 20.
  • a positive connection between wire 20 and tool is formed.
  • a second process step 31 an ultrasonic source is activated and the tool to ultrasonic vibrations, in particular Ultraschallbieschwwingept, excited. With the tool, the wire 20 is excited to longitudinal wire vibrations due to the positive connection. Between the wire 20 and the substrate a friction welded connection is produced as a result of the vibrations.
  • the second process step 31 has a predetermined process time or 32 determined according to detected process parameters.
  • the contact between the tool and the middle region 24 of the wire 20 forms.
  • a partial surface of the wall 35 of the recess 11, the so-called contact auxiliary surface 34 rests against the wire 20 in the middle region 24.
  • the contact auxiliary surface 34 participates in the deformation process of the wire 20 in the same way as the lateral surface 8 of the groove 7.
  • the enlargement of the contact surface in the second process step 31 ultimately leads to an increase in the quality of the friction welded connection between the wire 20 and the substrate.
  • the contact is formed only in the area of the lateral surface 8 and that at the beginning of the second process step 31 or as soon as possible after the start of the contact. Chen 34 are brought into engagement.
  • the sub-process time 33 is about 60% of the process time 32.
  • the illustrated examples of the tool illustrate the invention by way of example only.
  • the tool in particular in the area of the tool tip, be formed asymmetrically, in particular the recess 11 asymmetrically with respect to.
  • the transverse tool plane 18 and the tool normal plane 19 may be provided.
  • the transverse dimension 16 of the recess 11 with respect to the length 17 of the groove 7 are selected as needed. While a copper wire is about 1.8 times harder than an aluminum wire and as a result, the surface pressure should be increased to a corresponding extent, a material which is harder than aluminum and softer than copper, can be friction welded to a tool, which is a recess 11 with a smaller transverse dimension 16 than shown here.
  • the lateral surface 8 increases and as a result, the surface pressure is reduced.
  • a microstructure in particular a waffle pattern or the like, is formed in the area of the lateral surface 8.
  • the tool according to the invention can be used with the tool receiving portion 2 first in a tool holder of a device for friction welding of wire and substrate (friction welding machine).
  • the tool holder is usually located on a rotatably or translationally movable tool head of the friction welding machine, while the substrate is fixed via a workpiece holder of the friction welding machine.
  • it may be provided to use the tool for bonding copper wire.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug (1) zum Herstellen einer Reibschweißverbindung zwischen einem Draht und einem Substrat mit einem sich in Richtung einer Werkzeuglängsmittelachse erstreckenden Werkzeugschaft (2, 3), mit einem Werkzeugaufnahmeabschnitt (2) zum Festlegen des Werkzeugs an einer Werkzeugaufnahme einer Reibschweißmaschine und mit einer sich an den Werkzeugschaft anschließenden Werkzeugspitze (3), wobei der Werkzeugspitze (3) eine Stirnseite (5) des Werkzeugs (1) zugeordnet ist und wobei zur Aufnahme des Drahts beim Reibschweißen im Bereich der Stirnseite (5) eine sich in einer Querrichtung des Werkzeugs erstreckende rinnenförmige Nut (7) vorgesehen ist, welche durch eine beim Reibschweißen zumindest abschnittsweise an den Draht anlegbare Mantelfläche begrenzt ist, wobei an der Mantelfläche wenigstens eine taschenförmige Ausnehmung (11) vorgesehen ist derart, dass ein Querschnitt der Nut (7) im Bereich der Ausnehmungen (11) aufgeweitet ausgebildet und eine Wandung der Ausnehmung (11) gegenüber der Mantelfläche zurückversetzt vorgesehen ist.

Description

WERKZEUG ZUM HERSTELLEN EINER REIBSCHWEISSVERBINDUNG ZWISCHEN EINEM DRAHT UND EINEM SUBSTRAT, MIT EINER TASCHENFORMIGEN AUSNEHMUNG
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen einer Reib Schweißverbindung zwischen einem Draht und einem Substrat mit einem sich in Richtung einer Werkzeuglängsmittelachse erstreckenden Werkzeugschaft, mit einem Werkzeugaufnahmeabschnitt zum Festlegen des Werkzeugs an einer Werkzeugaufnahme einer Reibschweißmaschine und mit einer sich an den Werkzeugschaft anschließenden Werkzeugspitze, wobei der Werkzeugspitze eine Stirnseite des Werkzeugs zugeordnet ist und wobei zur Aufnahme des Drahts beim Reibschweißen im Bereich der Stirnseite eine sich in einer Querrichtung des Werkzeugs erstreckende rinnenförmige Nut vorgesehen ist, welche durch eine beim Reibschweißen zumindest abschnittsweise an den Draht anlegbare Mantelfläche begrenzt ist, sowie eine Vorrichtung zum Reibschweißen von Draht mit einer Werkstückaufnahme zum Festlegen des Substrats, mit einem rotatorisch und/oder translatorisch beweglich zu der Werkstückaufnahme vorgesehenen Werkzeugkopf, wobei der Werkzeugkopf eine Werkzeugaufnahme zum lösbaren Halten eines Werkzeugs aufweist und mit einem in der Werkzeugaufnahme festlegten Werkzeug.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Reibschweißverbindung zwischen einem Draht und einem Substrat, wobei ein Werkzeug mit einer rinnen- förmigen Nut voran in Richtung des Substrats abgesenkt wird, bis eine Mantelfläche der Nut zumindest abschnittsweise an dem zwischen dem Werkzeug und dem Substrat vorgesehenen Draht anliegt, das Werkzeug unter Vorverformung des Drahts mit einer vorbestimmten Kraft gegen das Substrat gepresst wird, wobei sich infolge der Vorverformung des Drahts ein Formschluss zwischen dem Werkzeug und dem Draht ausbildet, eine Ultraschallquelle aktiviert wird und das Werkzeug zu Ultraschallschwingungen angeregt wird, wobei eine die Nut aufweisende Werkzeugspitze des Werkzeugs in Drahtlängsrichtung schwingt und infolge der Schwingungen sich die Reib Schweißverbindung zwischen dem in der Nut formschlüsssig geführten Draht und dem Substrat ausbildet.
Beim Ultraschalldrahtbonden wird ein Draht mittels eines zu Ultraschallschwingungen, insbesondere Ultraschallbiegeschwingungen, angeregten Werkzeugs mit einem Substrat verbunden. Zunächst wird das Werkzeug mit einer vorbestimmten Normalkraft in Richtung des Substrats abgesenkt und der in einer Quernut des Werkzeugs liegende Draht vorverformt, so dass sich zwischen dem Draht und dem Werkzeug ein Formschluss ausbildet. Infolge des Formschlusses wird die Ultraschallschwingung des Werkzeugs auf den Draht übertragen, eine Relativbewegung zwischen Draht und Werkzeug verhindert und eine Reibbewegung des Drahts auf dem Substrat erzwungen. Insofern ist der Formschluss zwischen Werkzeug und Draht eine notwendige Voraussetzung zur Herstellung einer Reibschweißverbindung zwischen Draht und Substrat. Die plastische Vorverformung des Drahts beim Absenken des Werkzeugs in Richtung des Substrats wird üblicherweise durch die Form der Quernut des Werkzeugs begünstigt. Insbesondere bekannt sind V-förmige Nutformen, die die runde Oberfläche des Drahts zuverlässig plastisch verformen und zu einem wirksamen Formschluss zwischen Draht und Werkzeug führen. Der Grad der Vorverformung des Drahts hängt dabei insbesondere von der Härte des Drahts und der beim Absenken des Werkzeugs wirkenden Normalkraft ab. Die Normalkraft ergibt sich additiv aus einer während des Aufsetzens eingestellten Bondkraft sowie der ersten Ableitung des Aufsetzimpulses nach der Zeit. Der Aufsetzimpuls ergibt sich aus dem Produkt der bewegten Massen, d. h. insbesondere Werkzeug und Werkzeugkopf, und der Aufsetzgeschwindigkeit. Üblicherweise werden heute mittels Ultraschall-Reibschweißen Aluminiumdrähte verarbeitet. Auf diese Drähte sind die marktüblichen Werkzeuge ausgelegt. Sofern statt eines Drahts aus Aluminium ein Draht aus einem härteren Material, beispielsweise ein Kupferdraht, mit dem marktüblichen Werkzeug verarbeitet werden, muss infolge der größeren Härte des Drahts die Normalkraft beim Absenken des Werkzeugs erhöht werden, wenn der Formschluss zwischen Draht und Werkzeug in gleicher bzw. ähnlicher Weise erreicht werden soll. Durch die größere Normalkraft kann es jedoch zu einer Beschädigung bzw. Zerstörung des Substrats oder des zu verarbeitenden Chips kommen. Insofern ist die Verwendung identischer Werkzeuge und die Vergrößerung der auf dem Draht wirkenden Normalkraft bei der Verarbeitung harter Drähte nicht ohne Weiteres möglich. Alternativ wäre es möglich, die Nut zur Aufnahme des Drahts beim Bonden zu kürzen. Bei gleicher Normalkraft ergibt sich dann eine größere Flächenpressung, welche einen ausreichenden Formschluss zur Folge hat. Durch die Reduzierung der Nutlänge verkleinert sich jedoch zugleich die Verbindungsfläche von Draht und Substrat mit der Folge, dass die maximale Stromdichte überschritten wird und die mechanische Festigkeit der Verbindung unter Umständen nicht zu gewährleisten ist.
Weiter ist bekannt, zur Verarbeitung von Drähten mit großer Härte handelsübliche Werkzeuge zu verwenden und die Mantelfläche der Quernut zu profilieren bzw. aufzu- rauen. Beispielsweise geschieht dies durch Einbetten von Diamantsplittern oder das Aufprägen eines Waffelmusters auf die Mantelfläche, vgl. beispielsweise DE 10 2007 046 021 B4 oder US 2009/0127317 AI. Auch hier hat sich eine abschließend befriedigende Lösung jedoch bis heute nicht herauskristallisiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insofern, ein Werkzeug, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Reib Schweißverbindung zwischen einem Draht mit großer Härte, insbesondere einem Kupferdraht, und einem Substrat anzugeben.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass an der Mantelfläche wenigstens eine ta- schenförmige Ausnehmung vorgesehen ist derart, dass ein Querschnitt der Nut im Be- reich der Ausnehmungen aufgeweitet ausgebildet und eine Wandung der Ausnehmung gegenüber der Mantelfläche zurückversetzt vorgesehen ist.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Vorsehen der ta- schenförmigen Ausnehmung in der Mantelfläche der Quernut gleichermaßen die ursprüngliche Nutform hinsichtlich Querschnitt und Länge beibehalten werden kann und die beim Vorverformen des Drahts wirksame Fläche um die Größe der Ausnehmung reduziert wird. Insofern erhöht sich bei konstanter Normalkraft die Flächenpressung, sodass ein Formschluss zwischen Werkzeug und Draht auch bei einem harten Draht sicher und zuverlässig ausgebildet wird. Zugleich behält die Nut die ursprüngliche Länge, sodass die Verbindungsfläche zwischen Draht und Substrat und damit die Stromdichte ebenso wie die mechanische Festigkeit der Verbindung erhalten bleiben.
Kern der Erfindung ist es insofern, an den Mantelflächen eines hinsichtlich seiner Geometrie handelsüblichen bzw. für die Verarbeitung von Aluminiumdrähten entworfenen Werkzeugs mit einer V-förmigen Quernut in einem Innenbereich der Mantelfläche eine taschenförmige Ausnehmung vorzusehen zur Aufweitung des Querschnitts der Nut im Bereich der Ausnehmung. Beim Vorverformen des Drahts ist infolge der Ausnehmungen ein Kontakt von Draht und Werkzeug im Bereich der Ausnehmungen verhindert. Die Normalkraft wirkt insofern verteilt über eine kleinere wirksame Fläche auf den Draht. Die Verkleinerung der Fläche führt zu einer Erhöhung der Flächenpressung und demzufolge zu einer stärkeren plastischen Verformung des Drahts im Kontaktbereich von Draht und Werkzeug. Die wenigstens eine Ausnehmung findet sich beabstandet von den beiden die Nut in Querrichtung begrenzenden Schrägflächen (Begrenzungsflächen) der Werkzeugspitze.
Grundsätzlich kann die Lage der Ausnehmung in der Nut frei gewählt werden. Ein Abstand der Ausnehmung zu den die Nut begrenzenden Schrägflächen ist jedoch so zu festzulegen, dass die während des Reibschweißprozesses auftretenden Schubkräfte vom Werkzeug aufgenommen werden können. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Ausnehmung von der Stirnseite des Werkzeugs in Richtung eines Grunds der Nut. Vorteilhaft lässt sich die Ausnehmung so in besonders einfacher Weise, kostengünstig und präzise fertigen. Die Reproduzierbarkeit ist hoch. Letztlich wird hierdurch gewährleistet, dass die Werkzeuge kostengünstig bereitgestellt und mit Werkzeugen gleichen Typs hergestellte Reib Schweißverbindungen reproduzierbare elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die taschenförmige Ausnehmung symmetrisch ausgebildet bzgl. einer die Werkzeuglängsmittelachse aufnehmenden und sich in Richtung der Nut erstreckenden Werkzeugquerebene bzw. bzgl. einer die Werkzeuglängsmittelachse aufnehmenden und lotrecht zu der Werkzeugquerebene vorgesehenen Werkzeugnormalenebene.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine von der Stirnfläche des Werkzeugs bis zu dem Grund der Nut bestimmte Nuttiefe größer als eine in Richtung des Werkzeuglängsmittelachse erfasste Ausnehmungstiefe, bzw. die Nuttiefe entspricht der Ausnehmung stiefe. Die Ausnehmung ragt insofern nicht über den Grund der Nut in das Werkzeug ein. Die mechanische Festigkeit des Werkzeugs bleibt erhalten. Zugleich werden die Schwingungseigenschaften des Werkzeugs nicht bzw. nur geringfügig be- einflusst, sodass sich die Ultraschallschwingung im Werkzeug in gewohnter Weise ausbilden kann.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine in Querrichtung des Werkzeugs bestimmte Länge der Nut wenigstens doppelt so groß wie eine ebenfalls in die Querrichtung bestimmte maximale Querabmessung der Ausnehmung. Vorteilhaft ist hierdurch die Größe der Flächenpressung begrenzt und die Größe der wirksamen Mantelfläche definiert. Insbesondere kann bei einer maximalen, konstanten Querabmessung der Ausnehmung die Mantelfläche halbiert und infolge dessen die Flächenpressung verdoppelt werden. Ist die Härte des zu verarbeitenden Drahts um einen Faktor 2 größer als die eines Aluminiumdrahts, können mit dem vorliegenden Werkzeug ohne Erhöhung der Normalkraft und ohne die Gefahr der Beschädigung von Substrat oder Chip eine ausrei- chende Vorverformung und ein zuverlässiger Formschluss zwischen Draht und Werkzeug ausgebildet werden. Beispielsweise ist die Härte von Kupfer etwa um einen Faktor 1,8 größer als die von Aluminium. Ein Kupferdraht kann insofern mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug zuverlässig ohne Veränderung der Normalkräfte, die auf den Draht und das Substrat einwirken, mittels Reibschweißen mit dem Substrat verbunden werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Ausnehmungstiefe und ein maximales Lotmaß der Ausnehmung, welches bestimmt ist durch ein Tiefenmaß der Ausnehmung in Richtung eines auf die Mantelfläche aufgelegten Lots, derart festgelegt, dass eine Berührung von Draht und Werkzeug im Bereich der Ausnehmung während des ersten Prozessschrittes, in dem das Werkzeug in Richtung des Substrats abgesenkt und der zwischen dem Werkzeug und dem Substrat in der Nut vorgesehene Draht vorverformt wird, nicht ausgebildet ist, wohingegen der Draht die Wandung der Ausnehmung berührt, wenn nach dem Absenken des Werkzeugs und nach der Vorverformung des Drahts die Reibschweißverbindung unter Ausbildung der Ultraschallschwingung hergestellt wird. Der Zeitpunkt, zu dem die Berührung des Drahtes mit der Wandung der Ausnehmung stattfindet, hängt ab von der Geometrie der Wandung. Die Wandung kann insoweit als Freiformfläche gestaltete sein. Die Dauer des Kontaktes von Draht und Wandung der Ausnehmung kann einen beliebigen Teil der Prozesszeit umfassen, insbesondere auch 100%. Vorteilhaft kann hierdurch zum einen bei konstanter Normalkraft die Flächenpressung während des Absenkens erhöht werden. Zugleich wird der Draht im Bereich der Ausnehmung nach der Vorverformung und während des Reibschweißens vom Werkzeug auf das Substrat gedrückt. Ein Ausweichen des Drahts senkrecht zur Bondfläche im Bereich der Ausnehmung ist insofern unterbunden. Die Qualität der Reib Schweißverbindung wird verbessert, indem die Ausbildung der Verbindung in der gesamten Kontaktfläche sichergestellt wird, einer fehlerhaften Reib Schweißverbindung wird vorgebeugt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Nut einen V-förmigen Grundquerschnitt auf, welcher im Bereich der Ausnehmung zu einem U-förmigen Querschnitt aufgeweitet ist. Vorteilhaft kann ein U-förmiger Querschnitt in einfacher Weise hergestellt werden. Die Verwendung eines V-förmigen Grundquerschnitts erlaubt es, ein handelsübliches Werkzeug zur Verarbeitung von Aluminiumdraht zu einem Werkzeug zur Verarbeitung härterer Drähte, beispielsweise zur Verarbeitung eines Kupferdrahts, umzuarbeiten. Das Werkzeug zur Verarbeitung der harten Drähte kann insofern auch in kleinen Stückzahlen vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine senkrecht zur der Querrichtung bestimmte maximale Breite der Ausnehmung an der Stirnseite des Werkzeugs am größten. Insbesondere verjüngt sich die Ausnehmung dann in Richtung des Nutgrunds. Vorteilhaft wird hierdurch ein Hinterschnitt im Bereich der Ausnehmung bzw. eine seitliche Verspannung des verformten Drahtes im Werkzeug verhindert, sodass ein Abheben des Werkzeugs vom Draht beschädigungsfrei möglich ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 dadurch gekennzeichnet, dass sich während des Ausführens der Ultraschallbiegeschwingung eine Kontakthilfsfläche, welche zum Zeitpunkt des Aktivierens der Ultraschallquelle den Draht nicht berührt, infolge einer weiteren Verformung des Drahts und/oder einer weiteren Absenkung des Werkzeugs in Richtung des Substrats an den Draht anlegt.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch das Inkontakttreten der Kontakthilfsfläche während des Ultraschallverschweißens ein Ausweichen des Drahts senkrecht zur Stirnfläche des Werkzeugs bzw. senkrecht zur Verbindungsfläche unterbunden wird. Insofern verbessert sich die Qualität der Reib Schweißverbindung. Sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Eigenschaften der Verbindung werden begünstigt.
Beispielsweise wird bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Herstellen der Reib Schweißverbindung zwischen Draht und Substrat wenigstens ein Teil der Wandung der Ausnehmung zur Kontakthilfsfläche. Während des Aufsetzens des Werkzeugs auf das Substrat und der Vorverformung des zwischen Werkzeug und Substrat vorgesehenen Drahts liegt der Draht zur Gewährleistung einer ausreichenden Flä- chenpressung im Bereich der Nut gerade nicht an der Wandung an. Nach Erreichen einer für den Formschluß hinreichenden Vorverformung bzw. nach Starten des Reibschweißprozesses wird der Draht in seine Längsrichtung relativ zum Substrat bewegt. Die plastische Verformung des Drahts schreitet voran. Während des Reibschweißprozesses wird eine Berührung des Drahts mit der Wandung der Ausnehmung stattfinden. Ein weiteres Ausweichen des Drahts senkrecht zur Schweißebene ist dann nicht möglich.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Werkzeug für eine Prozesszeit zu Ultraschallschwingungen angeregt, wobei der Draht das Werkzeug im Bereich der Kontakthilfsfläche wenigstens für eine Teilprozesszeit berührt. Die Teilprozesszeit ist größer 0%, bevorzugt wenigstens 50 % und maximal 100% der Prozesszeit. Vorteilhaft verbessert sich die Qualität der Reibschweißverbindung durch den Kontakt von Draht und Werkzeug im Bereich der Kontakthilfsfläche. Da der Kontakt im Bereich der Kontakthilfsfläche einem Ausweichen des Drahts entgegenwirkt, soll der Kontakt zur Kontakthilfsfläche so schnell als möglich hergestellt werden und über den verbleibenden Teil der Prozesszeit aufrecht erhalten bleiben. Gleichwohl muss zur Sicherung einer ausreichenden Vorverformung und der Herstellung des Formschlusses von Draht und Werkzeug sichergestellt sein, dass beim Absenken des Werkzeugs und beim Vor- verformen des Drahts die Flächenpressung ausreichend groß ist und insofern der Draht im Bereich der Ausnehmungen nicht am Werkzeug anliegt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
Aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben sich weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale können jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der Vorrichtung und jeweils umgekehrt. Daher kann auf die Offenbarung der einzelnen Erfindungsaspekte stets wechselseitig Bezug genommen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zur Verarbeitung harter Drähte mit einem Werkzeugschaft, einem Werkzeugaufnahmeabschnitt und einer Werkzeugspitze,
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung der Werkzeugspitze in einer Frontansicht als
Bereich X gemäß Figur 1,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht der Werkzeug spitze mit einer U-förmigen Ausnehmung,
Figur 4 einen Abschnitt eines mittels des Werkzeugs nach Figur 1 verformten
Drahts,
Figur 5 die Werkzeug spitze einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs in einer Vorderansicht,
Figur 6 die Werkzeugspitze des Werkzeugs nach Figur 5 in einer perspektivischen
Ansicht,
Figur 7 einen Abschnitt eines mittels des Werkzeugs nach Figur 5 verformten Drahts und
Figur 8 ein Zeitschema eines erfindungsgemäßen Reibschweißverfahrens.
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug gemäß der Figuren 1 bis 3 umfasst einen sich in eine Werkzeuglängsmittelachse 4 erstreckten Werkzeugschaft 1, einen sich endseits an den Werkzeugschaft 1 anschließenden Werkzeugaufnahmeabschnitt 2 und eine Werkzeug- spitze 3, welche sich an den Werkzeug schaft 1 auf der dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 2 gegenüberliegenden Seite anschließt. Der Werkzeugaufnahmeabschnitt 2 ist so ausgebildet, dass das Werkzeug in einer Werkzeugaufnahme einer Reibschweißmaschine, insbesondere eines Bondautomaten, eingesetzt und dort festgelegt werden kann. Das Werkzeug ist bezüglich der Werkzeuglängsmittelachse 4 symmetrisch ausgebildet. Im Bereich der Werkzeugspitze 3 verjüngt sich das Werkzeug in Richtung der Werkzeuglängsmittelachse 4, wobei die Werkzeugspitze 3 im Bereich einer endseitigen Stirnseite 5 eine geringste Breite aufweist.
Das erfindungsgemäße Werkzeug wird beispielsweise zum Herstellen einer Reib Schweißverbindung zwischen einem Draht 20 und einem Substrat bzw. einem Halbleiterchip verwendet. Zur Aufnahme des Drahts 20 beim Reibschweißen ist an dem Werkzeug im Bereich der Stirnseite 5 eine sich in eine Querrichtung 6 des Werkzeugs erstreckende rinnenförmige Nut 7 ausgebildet. Die rinnenförmige Nut 7 ist vorliegend als V-förmige Nut 7 realisiert. Eine Mantelfläche 8 der Nut 7 ist durch zwei zueinander abgewinkelt verlaufende, ebene Mantelteilflächen 8.1, 8.2 definiert.
Beabstandet von zwei die Nut 7 stirnseitig begrenzenden Schrägflächen 9, 10 des Werkzeugs ist in einem inneren Bereich der Nut 7 eine taschenförmige Ausnehmung 11 vorgesehen. Im Bereich der Ausnehmung 11 ist der V-förmige Querschnitt der Nut 7 (Grundquerschnitt) aufgeweitet. Die Ausnehmung 11 besitzt einen U-förmigen Querschnitt und ist durch eine relativ zu der Mantelfläche 8 zurückversetzte Wandung 35 begrenzt. Die Ausnehmung 11 erstreckt sich von der Stirnseite 5 der Werkzeugspitze 3 bis zu einem Nutgrund 12, welcher die zueinander angestellten Mantelteilflächen 8.1, 8.2 verbindet. Die Ausnehmung 11 hat ihre maximale Breite 13 im Bereich der Stirnseite 5 und verjüngt sich in Richtung des Nutgrunds 12. Die maximale Breite 13 der Ausnehmung 11 entspricht hierbei einer maximalen Breite der Nut 7. Da die Ausnehmung 11 exakt bis zum Nutgrund 12 reicht, entspricht eine Nuttiefe 14 einer Tiefe 15 der Ausnehmung 11 in Richtung der Werkzeuglängsmittelachse 4.
Die Ausnehmung 11 weist in die Querrichtung 6 der Nut 7 eine konstante Querabmessung 16 auf. Die Querabmessung 16 der Ausnehmung 11 entspricht ca. 40 % einer in die Querrichtung 6 bestimmten Länge 17 der Nut 7. Dabei ist die Ausnehmung 11 symmetrisch sowohl zu einer die Längsmittelachse 4 aufnehmenden und sich in Richtung der Nut 7 erstreckenden Werkzeugquerebene 18 und zu einer die Werkzeuglängsmittelachse 4 aufnehmenden und lotrecht zu der Werkzeugquerebene 18 vorgesehenen Werkzeugnormalenebene 19 ausgebildet.
Figur 4 zeigt einen Abschnitt des Drahts 20, welcher mittels des Werkzeugs nach den Figuren 1 bis 3 reibverschweißt wurde. Der Draht 20 weist in einem vorderen Bereich 21 und in einem hinteren Bereich 22 eine näherungsweise dreieckige Form auf. Zwei benachbarte Schenkelflächen 23 des dreieckig verformten Drahtabschnitts 20 im vorderen Bereich 21 und im hinteren Bereich 22 wurden von den V-förmigen Mantelteilflä- chen 8.1, 8.2 des Werkzeugs geformt. Eine dritte Seite des dreieckig verformten Drahts 20 definiert die stromdurchflossene ebene Verbindungsfläche 26 vom Draht 20 und Substrat.
Zwischen dem vorderen Bereich 21 und dem hinteren Bereich 22 findet sich ein mittlerer Bereich 24, in dem der Draht 20 nur im Bereich der Verbindungsfläche 26 verformt ist und ansonsten unverformt erhalten ist. Während der Herstellung der Reibschweißverbindung ist die Ausnehmung 11 des Werkzeugs dem mittleren Bereich 24 zugeordnet. Der Drahtabschnitt 20 hat in diesem mittleren Bereich 24 keinen Kontakt zum Werkzeug und wird demzufolge nicht verformt.
Eine in Drahtlängsrichtung 25 gemessene Länge des vorderen Bereichs 21, des mittleren Bereich 24 und des hinteren Bereichs 22 des Drahts 20 entspricht der Länge 17 der Nut 7 in die Querrichtung 6. Der mittlere Bereich 24 ist längenmäßig durch die Querabmessung 16 der Ausnehmung 11 bestimmt, während eine gleiche Länge des vorderen Bereichs 21 und des hinteren Bereichs 22 aus der Länge 17 der Nut 7 und der Querabmessung 16 der Ausnehmung 11 resultieren.
Zum Herstellen der Reib Schweißverbindung wird das Bondwerkzeug mit der Werkzeugspitze 3 und der Nut 7 voran in Richtung des Substrats abgesenkt. Beim Absenken wird der Draht 20, welcher der Nut 7 zugeordnet ist und sich zwischen dem Werkzeug und dem Substrat befindet, mit einer vorbestimmten Normalkraft beaufschlagt und verformt sich. Infolge der Verformung bildet sich ein Formschluss zwischen Draht 20 und Werkzeug. Der Draht 20 berührt das Werkzeug während des Absenkens initial ausschließlich im Bereich der Mantelfläche 8. Da die Nut 7 im Bereich der Ausnehmung 11 ausgeweitet ausgebildet ist, kommt es im Bereich der Ausnehmung 11 nicht zu einer Berührung von Draht 20 und Werkzeug. Die Wandung 35 der Ausnehmung 11 und der Draht 20 haben dementsprechend keinen Kontakt. Eine Flächenpressung zwischen Draht 20 und Werkzeug ist durch die Größe der Normalkraft und die Größe der Mantelfläche 8 bestimmt, während eine dem Draht 20 zugewandte Fläche der Ausnehmung 11 unberücksichtigt bleibt. Bei einer vorgegebenen Länge 17 der Nut 7 bestimmt demzufolge die Größe der Ausnehmung 11 die verbleibende Größe der Mantelfläche 8.
Durch das Aktivieren einer Ultraschallquelle wird das Werkzeug zu Ultraschallschwingungen, insbesondere zu Ultraschallbiegeschwingungen angeregt. Infolge des Formschlusses zwischen Werkzeug und Draht 20 führt der Draht 20 in seine Längsrichtung 25 Ultraschallschwingungen aus. Aus den Ultraschallschwingungen des Drahts 20 resultiert eine Relativbewegung zwischen Draht 20 und Substrat, die im Zusammenwirken mit der wirkenden Normalkraft dazu führt, dass sich in der Verbindungsfläche 26 eine Reibschweißverbindung ausbildet. Eine Größe der Verbindungsfläche 26 definiert letztlich den maximalen Strom und die mechanische Festigkeit der Reib Schweißverbindung.
Während des Ausbildens der Reibschweißverbindung hat der Draht 20 im Bereich der Ausnehmung 11 keinen Kontakt zu der Wandung 35 der Ausnehmung 11 bzw. zum Werkzeug. Stattdessen liegt der Draht 20 ausschließlich im Bereich der Mantelfläche 8 am Werkzeug an. Um zuverlässig den Kontakt zwischen Draht 20 und Wandung 35 der Ausnehmung 11 zu verhindern, ist ein Lotmaß 27 der Ausnehmung 11, welches definiert ist als ein Tiefenmaß der Ausnehmung 11 in Richtung auf eines die Mantelfläche 8 aufgelegten Lots, ausreichend groß gewählt.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemäß der Figuren 5 und 6 weist das Werkzeug eine Ausnehmung 11 mit einer modifizierten Geometrie im Bereich der Wandung 35 auf. Grundsätzlich bleibt in einem stirnseitinnahen Bereich der U- förmige Querschnitt der Ausnehmung 11 erhalten. In der Nähe des Nutgrunds 12 bleibt demgegenüber der V-förmige Querschnitt der Nut 7 erhalten. In einem Verbindungsbereich 28 erstreckt sich eine Grenzfläche der Ausnehmung 11 im Wesentlichen parallel zur Stirnseite 5, wobei die Übergänge zur V-Form und zur U-Form durch geeignete Übergangsgeometrien ausgestaltet sind.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figur 7 zeigt einen durch das Werkzeug gemäß der Figuren 5 und 6 verformten Abschnitts des Drahts 20. Es wird deutlich, dass der mittlere Bereich 24 des Drahts 20 in einem oberen, der Verbindungsfläche 26 gegenüberliegenden Bereich der V-Form der Nut 7 angenähert ist, welche sich im vorderen Bereich 21 und hinteren Bereich 22 des Drahts 20 ebenfalls findet, und dass im Weiteren die U-Form wiederkehrt. Um dies zu erreichen, ist die Ausnehmung 11 in dem Verbindungsbereich 28 gerade so gestaltet, dass ein Kontakt von Werkzeug und Draht 20 im Bereich der Ausnehmung 11 beim Absenken des Werkzeugs in Richtung des Substrats und während der Vorverformung des Drahts 20 nicht ausgebildet wird. Die Wandung 35 der Ausnehmung 11 berührt den Draht 20 nicht. Insofern ist im Bereich der Mantelfläche 8 eine vergleichsweise hohe Flächenpressung vorhanden, die eine ausreichende Vorverformung des harten Drahts 20 und die Ausbildung eines Formschlusses zwischen Draht 20 und Werkzeug sicherstellt. Zugleich gewährleistet die Geometrie der Ausnehmung 11 und insbesondere des Verbindungsbereichs 28, dass sich am Ende der Vorverformung bzw. im Verlauf des Reibschweißvorgangs der Kontakt zwischen Draht 20 und Werkzeug ausbildet und der Draht 20 auch im Verbindungsbereich 28 gegen das Substrat gedrückt wird. Gleichzeitig wird verhindert, dass der Draht 20 im Bereich des Verbindungsbereichs 28 seitlich bzw. senkrecht zur Bondfläche (Verbindungsfläche 26) ausweicht.
Exemplarisch zeigt Figur 8 den zeitlichen Verlauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Reibschweißverbindung. In einem ersten Prozessschritt 30 wird das Werkzeug mit der rinnenförmigen Nut 7 voran in Richtung des Drahts 20 abge- senkt, bis die Mantelfläche 8 der Nut 7 an dem Draht 20 anliegt und sich unter einer vorbestimmten Normalkraft der Draht 20 verformt. Während dieses ersten Prozessschritts 30 bildet sich ein Formschluss zwischen Draht 20 und Werkzeug aus.
In einem zweiten Prozessschritt 31 wird eine Ultraschallquelle aktiviert und das Werkzeug zu Ultraschallschwingungen, insbesondere Ultraschallbiegeschwingungen, angeregt. Mit dem Werkzeug wird infolge des Formschlusses der Draht 20 zu Drahtlängsschwingungen angeregt. Zwischen dem Draht 20 und dem Substrat wird infolge der Schwingungen eine Reib Schweißverbindung hergestellt. Der zweite Prozessschritt 31 hat eine vorbestimmte oder aufgrund erfasster Prozessparameter festgelegte Prozesszeit 32.
Am Ende der Vorverformung bzw. im Laufe der Ultraschallanregung bildet sich die Berührung zwischen Werkzeug und dem mittleren Bereich 24 des Drahts 20 aus. Hierbei liegt eine Teilfläche der Wandung 35 der Ausnehmung 11, die sogenannte Kontakt- hilfsfläche 34, in dem mittleren Bereich 24 an dem Draht 20 an. Die Kontakthilfsfläche 34 nimmt insofern an dem Verformungsprozess des Drahts 20 ebenso teil wie die Mantelfläche 8 der Nut 7. Die Vergrößerung der Kontaktfläche in dem zweiten Prozessschritt 31 führt letztlich dazu, dass die Qualität der Reib Schweißverbindung von Draht 20 und Substrat steigt. Bei der Festlegung der Geometrie der Ausnehmung 11 gilt es insofern zum einen sicherzustellen, dass in dem ersten Prozessschritt 30 der Kontakt einzig im Bereich der Mantelfläche 8 ausgebildet wird und dass zu Beginn des zweiten Prozessschritts 31 bzw. möglichst bald nach dessen Beginn auch die Kontakthilfsflä- chen 34 in Eingriff gebracht werden. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Teilprozesszeit 33 etwa 60 % der Prozesszeit 32.
Die dargestellten Beispiele des Werkzeugs illustrieren die Erfindung lediglich beispielhaft. Nach alternativen, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung kann beispielsweise das Werkzeug, insbesondere im Bereich der Werkzeug spitze, unsymmetrisch ausgebildet sein, wobei insbesondere die Ausnehmung 11 unsymmetrisch bzgl. der Werkzeugquerebene 18 bzw. der Werkzeugnormalenebene 19 vorgesehen sein kann. Ebenso kann die Querabmessung 16 der Ausnehmung 11 in Bezug zu der Länge 17 der Nut 7 bedarfsgerecht gewählt werden. Während ein Kupferdraht etwa um den Faktor 1,8 härter ist als ein Aluminiumdraht und infolge dessen die Flächenpressung im entsprechenden Maße erhöht werden soll, kann ein Material, welches härter ist als Aluminium und weicher als Kupfer, mit einem Werkzeug reibverschweißt werden, welches eine Ausnehmung 11 mit einer geringeren Querabmessung 16 aufweist als hier dargestellt. Durch die Reduzierung der Querabmessung 16 vergrößert sich die Mantelfläche 8 und infolge dessen reduziert sich die Flächenpressung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass im Bereich der Mantelfläche 8 eine Mikrostruktur, insbesondere ein Waffelmuster oder dergleichen, ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Werkzeug kann mit dem Werkzeugaufnahmeabschnitt 2 voran in eine Werkzeugaufnahme einer Vorrichtung zum Reibschweißen von Draht und Substrat (Reibschweißmaschine) eingesetzt werden. Die Werkzeugaufnahme befindet sich üblicherweise an einem rotatorisch bzw. translatorisch verfahrbaren Werkzeugkopf der Reibschweißmaschine, während das Substrat über eine Werkstückaufnahme der Reibschweißmaschine festgelegt ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, das Werkzeug zum Bonden von Kupferdraht zu verwenden.

Claims

Patentansprüche
1. Werkzeug zum Herstellen einer Reib Schweißverbindung zwischen einem Draht und einem Substrat mit einem sich in Richtung einer Werkzeuglängsmittelachse erstreckenden Werkzeugschaft, mit einem Werkzeugaufnahmeabschnitt zum Festlegen des Werkzeugs an einer Werkzeugaufnahme einer Reibschweißmaschine und mit einer sich an den Werkzeugschaft anschließenden Werkzeugspitze, wobei der Werkzeugspitze eine Stirnseite des Werkzeugs zugeordnet ist und wobei zur Aufnahme des Drahts beim Reibschweißen im Bereich der Stirnseite eine sich in einer Querrichtung des Werkzeugs erstreckende rinnenförmige Nut vorgesehen ist, welche durch eine beim Reibschweißen zumindest abschnittsweise an den Draht anlegbare Mantelfläche begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mantelfläche (8) wenigstens eine taschenförmige Ausnehmung (11) vorgesehen ist derart, dass ein Querschnitt der Nut (7) im Bereich der Ausnehmungen (11) aufgeweitet ausgebildet und eine Wandung (35) der Ausnehmung (11) gegenüber der Mantelfläche (8) zurückversetzt vorgesehen ist.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmung (11) von der Stirnseite (5) des Werkzeugs beginnend in Richtung eines Grundes der Nut (7) erstreckt.
3. Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmige Ausnehmung (11) symmetrisch ausgebildet ist bezüglich einer die Werkzeuglängsmittelachse (4) aufnehmenden und sich in Richtung der Nut (7) erstreckenden Werkzeugquerebene (18) und/oder bezüglich einer die Werkzeuglängsmittelachse (4) aufnehmende und lotrecht zu der Werkzeugquerebene (18) vorgesehene Werkzeugnormalenebene (19).
4. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Stirnseite (5) bis zu den Grund der Nut (7) erstreckte Nuttiefe (14) größer ist als eine in Richtung der Werkzeuglängsmittelachse (4) erfasste Ausnehmungs- tiefe (15), oder dass die Nuttiefe (4) der Ausnehmungstiefe (15) entspricht.
5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine in die Querrichtung (6) des Werkzeugs bestimmte Länge (17) der Nut (7) wenigstens doppelt so groß ist wie eine ebenfalls in die Querrichtung (6) bestimmte maximale Querabmessung (16) der Ausnehmung (11).
6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querabmessung (16) der Ausnehmung (11) über den gesamten Bereich der Ausnehmung (11) konstant ausgebildet ist.
7. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungstiefe (15) und ein Lotmaß (27) der Ausnehmung (11), welches bestimmt ist durch ein Tiefenmaß der Ausnehmung (11) in Richtung eines auf die Mantelfläche (8) aufgelegten Lots, derart festgelegt sind, dass eine Berührung von Draht (20) und Werkzeug im Bereich der Ausnehmung (11) während eines ersten Prozessschritts (30), in dem das Werkzeug in Richtung des Substrats abgesenkt und der zwischen dem Werkzeug und dem Substrat in der Nut (7) vorgesehene Draht (20) vorverformt wird, nicht ausgebildet ist und dass es an der Wandung (35) der Ausnehmung (11) zu einer Berührung von Draht (20) und Werkzeug kommt, während nach dem Absenken des Werkzeugs und der Vorverformung des Drahts (20) in einem zweiten Prozessschritt die Reibschweißverbindung mit dem Substrat ausgebildet wird, indem über das Werkzeug eine Ultraschallschwingung in eine Drahtlängsrichtung (25) auf den Draht (20) aufgeprägt wird.
8. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (7) einen V-förmigen Grundquerschnitt mit zwei ebenen Mantelteilflächen (8.1, 8.2) aufweist, welcher im Bereich der Ausnehmung (11) zu einem U- förmigen Querschnitt aufgeweitet ist.
9. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine senkrecht zu der Querrichtung (6) bestimmte maximale Breite (13) der Ausnehmung (11) an der Stirnseite (5) des Werkzeugs gegeben ist und/oder dass die maximale Breite der Ausnehmung (11) einer maximalen Breite der Nut (7) entspricht.
10. Verfahren zum Herstellen einer Reibschweißverbindung zwischen einem Draht und einem Substrat, wobei
- ein Werkzeug mit einer rinnenförmigen Nut voran in Richtung des Substrats abgesenkt wird, bis eine Mantelfläche der Nut zumindest abschnittsweise an dem zwischen dem Werkzeug und dem Substrat vorgesehenen Draht anliegt,
- das Werkzeug unter Vorverformung des Drahts mit einer vorbestimmten Kraft gegen das Substrat gepresst wird, wobei sich infolge der Vorverformung des Drahts ein Formschluss zwischen dem Werkzeug und dem Draht ausbildet,
- eine Ultraschallquelle aktiviert wird und das Werkzeug zu Ultraschallbiegeschwingungen angeregt wird, wobei eine die Nut aufweisende Werkzeugspitze des Werkzeugs in eine Drahtlängsrichtung schwingt und infolge der Schwingungen sich die Reib Schweißverbindung ausbildet,
dadurch gekennzeichnet, dass sich nach der Vorverformung zu Beginn oder während des Ausführens der Ultraschallbiegeschwingung eine Kontakthilfsfläche (34), welche zum Zeitpunkt des Aktivierens der Ultraschallquelle den Draht (20) nicht berührt, infolge einer weiteren Verformung des Drahts (20) und/oder eines weiteren Absenkens des Werkzeugs in Richtung des Substrats an den Draht (20) anlegt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug für eine Prozesszeit (32) zu Ultraschallschwingungen angeregt wird und dass während einer Teilprozesszeit (33) die Kontakthilfsfläche (34) an dem Draht anliegt, wobei die Teilprozesszeit (33) mehr als 0% der Prozesszeit (32), bevorzugt wenigstens 50 % und maximal 100 % der Prozesszeit (32) beträgt.
12. Vorrichtung zum Reib schweißen von Draht, insbesondere Kupferdraht, mit einer Werkstückaufnahme zum Festlegen des Substrats, mit einem rotatorisch und/oder translatorisch beweglich zu der Werkstückaufnahme vorgesehenen Werkzeugkopf, wobei der Werkzeugkopf eine Werkzeugaufnahme zu lösbaren Halten eines Werkzeugs aufweist und mit einem in der Werkzeugaufnahme festlegten Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug als ein Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
13. Verwendung eines Werkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Reibschweißen von Kupferdraht.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015170738A1 (ja) * 2014-05-08 2015-11-12 ローム株式会社 ワイヤボンディング構造の製造方法、ワイヤボンディング構造、電子装置
JP6646872B2 (ja) * 2016-03-09 2020-02-14 株式会社オートネットワーク技術研究所 端子付き電線の製造方法及び端子付き電線
DE102016117220B3 (de) * 2016-08-04 2017-10-26 Electronicon Kondensatoren Gmbh Elektrische Verbindungsanordnung mit Abreißsicherungsfunktion
US11756919B2 (en) * 2018-02-07 2023-09-12 Mitsubishi Electric Corporation Wedge tool, bonding device, and bonding inspection method
EP4028178A1 (de) * 2019-09-11 2022-07-20 Hesse GmbH Ultraschallwerkzeug und ultraschallverbindungsvorrichtung hiermit
CN114750416A (zh) * 2021-12-30 2022-07-15 常州星宇车灯股份有限公司 用于车灯振动摩擦焊接的焊接筋及车灯的焊接方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090127317A1 (en) 2007-11-15 2009-05-21 Infineon Technologies Ag Device and method for producing a bonding connection
US20110290859A1 (en) * 2009-02-06 2011-12-01 Orthodyne Electronics Corporation Ribbon bonding tools and methods of using the same
JP2012015263A (ja) * 2010-06-30 2012-01-19 Shindengen Electric Mfg Co Ltd ワイヤボンディング装置
DE102007046021B4 (de) 2006-10-20 2012-09-13 Infineon Technologies Ag Halbleiteranordnung, Halbleitermodul und Verfahren zum Verbinden eines Halbleiterchips mit einem Keramiksubstrat

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5868301A (en) * 1996-04-10 1999-02-09 Tessera, Inc. Semiconductor inner lead bonding tool
US6523732B1 (en) * 2001-10-10 2003-02-25 Ford Global Technologies, Inc. Ultrasonic welding apparatus
JP4276989B2 (ja) * 2004-09-29 2009-06-10 富士通株式会社 超音波接合用ボンディングツールおよび超音波接合方法
WO2013112205A2 (en) * 2011-09-20 2013-08-01 Orthodyne Electronics Corporation Wire bonding tool

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007046021B4 (de) 2006-10-20 2012-09-13 Infineon Technologies Ag Halbleiteranordnung, Halbleitermodul und Verfahren zum Verbinden eines Halbleiterchips mit einem Keramiksubstrat
US20090127317A1 (en) 2007-11-15 2009-05-21 Infineon Technologies Ag Device and method for producing a bonding connection
US20110290859A1 (en) * 2009-02-06 2011-12-01 Orthodyne Electronics Corporation Ribbon bonding tools and methods of using the same
JP2012015263A (ja) * 2010-06-30 2012-01-19 Shindengen Electric Mfg Co Ltd ワイヤボンディング装置

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