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DE2832050A1 - Verfahren zur bildung einer kugel an einem draht durch funkenentladung, vorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens und kugel-verbindungsvorrichtung mit der kugel- bildungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur bildung einer kugel an einem draht durch funkenentladung, vorrichtung zur ausfuehrung des verfahrens und kugel-verbindungsvorrichtung mit der kugel- bildungsvorrichtung

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DE2832050A1
DE2832050A1 DE19782832050 DE2832050A DE2832050A1 DE 2832050 A1 DE2832050 A1 DE 2832050A1 DE 19782832050 DE19782832050 DE 19782832050 DE 2832050 A DE2832050 A DE 2832050A DE 2832050 A1 DE2832050 A1 DE 2832050A1
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DE
Germany
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wire
ball
electrode
spark discharge
forming
Prior art date
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Application number
DE19782832050
Other languages
English (en)
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DE2832050C2 (de
Inventor
Albert W Carter
Donald Ashley Edson
Keith Ian Johnson
Michael Harvey Scott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Welding Institute England
Original Assignee
Welding Institute England
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of DE2832050A1 publication Critical patent/DE2832050A1/de
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Publication of DE2832050C2 publication Critical patent/DE2832050C2/de
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Description

Verfahren zur Bildung einer Kugel an einem Draht durch Funkenentladung, Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und Kugel-Verbindungsvorrichtung mit der Kugel-Bildungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung einer Kugel an einem Draht durch Funkenentladung, um eine Kugel-Verbindung des Drahtes mit einem Bauteil oder Anschluß zu ermöglichen, eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens und eine Kugel-Verbindungsvorrichtung mit dieser Kugel-Bildungsvorrichtung.
Das Verfahren und die Vorrichtung sind besonders aar Ausbildung elektrischer Verbindungen kleiner Bauteile oder Schaltkreise, vornehmlich der Verbindung integrierter Silizium-Mikroschaltungsbausteine, sogenannter "chips", mit Substratschaltungen geeignet,
Integrierte Silizium-Mikroschaltungsbausteine werden derzeit mit Substratschaltungen durch Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von beispielsweise 25 Mikrometer oder durch Golddrähte verbunden. Bei einem Verfahren wird ein keilförmiges Ultraschall-Werkzeug zur Verbindung der Aluminium- oder Golddrähte mit den Belägen auf dem Silizium-Mikrobaustein oder den Belägen auf der Substratschaltung verwendet.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine Kugel am Ende eines Golddrahtes gebildet und die Gold-Kugel dann mit dem Silizium-Mikroschaltungsbaustein oder der Substratschaltung durch Erwärmung und Druck oder Ultraschall verbunden. Die Kugel kann durch Beaufschlagung des Drahtes mit einer Wasserstoff flamme oder durch Erzeugung einer Funkenentladung zwischen dem Draht und einer Elektrode gebildet werden. Die Funkenentladung wird durch Anlegen einer hinreichend hohen Spannung (350 V oder mehr) zwischen dem Golddraht und einer weiteren Elektrode, zwischen denen ein Spalt bestellt, be-
Die Ausbildung einer Verbindung mittels einer Kugel hat zahlreiche Vorteile gegenüber der Ausbildung von Verbindungen mittels eines keilförmigen Werkzeugso Ferner sollte eine monometallische Aluminiumverbindung zwischen den Aluminiumbelägen und den Drähten ausgebildet werden, weil hierdurch brüchige intermetallische Verbindungen weitgehend vermieden werden und die Zuverlässigkeit sowie Wirtschaftlichkeit erhöht wird. Seit Jahren hält man es jedoch nicht für möglich, das Kugel-Verbindungsverfahren auf Aluminium anzuwenden« Denn wenn der Draht in eine Flamme gehalten wird, verhindert die sich sehr rasch auf einer freien Oberfläche des Aluminiums bildende Oxidschicht die Ausbildung einer geeigneten Kugel. Mittels einer Funkenentladungseinrichtung, die für die Ausbildung von Kugel-Verbindungen mit Golddraht verwendet wird, kann zwar eine Kugel an einem Aluminiumdraht ausgebildet werden, doch wird diese Kugel sehr rasch oxidiert und unbrauchbar. Versuche, eine Kugel an einem Aluminiumdraht in einer Schutzatmosphäre (z„ ß. Argon) auszubilden, führten zu einer Glimmentladung ohne die Bildung einer Kugel.
In der britischen Zeitschrift "Applied Physics" 1965, Heft 16, Seiten 865 bis 868, berichten D0 Baker und I. E. Bryan in dem Aufsatz "An improved form of thermocompression bond", daß es gelungen sei9 ein Verfahren zur Ausbildung von Kugel-Verbindungen mit Aluminiumdrähten zu entwickeln. Als Energiequelle
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wurden ein fokussierter Laser-Strahl, ein Mikroplasma-Brenner, eine Kondensatorentladungs- und eine Miniaturstrahlungs-Heizvorrichtung untersucht. Sie stellten jedoch fest, daß die Oberflächen-Oxidschicht ausreichte, den Oberflächenspannungen entgegenzuwirken, die bestrebt sind, das Drahtende in die gewünschte Kugelform zu bringen, selbst bei einer Erwärmung in einer Schutzgasatmosphäre.
Wach der deutschen Patentanmeldung P 26 21 138.1 ist es möglich, eine Kugel an Drähten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu bilden, indem zwischen dem Draht und der Elektrode eine Spannung angelegt wird, die nicht größer als 200 V, also wesentlich niedriger als die bei Golddrähten verwendete (650 V) ist, und indem der Draht und die Elektrode kurzzeitig in Berührung gebracht werden, um das Drahtende zu schmelzen und die Funkenentladung auszulösen, während gleichzeitig ein Schutzgas in den Bereich der Funkenentladung geleitet wird.
Wegen der bei diesem Verfahren angewandten Berührungszündung der Funkenentladung wird jedoch die Elektrode in höherem Maße abgenutzt, so daß die Elektroden häufiger ausgewechselt werden müssen, als es im Falle der Zündung der Funkenentladung unter Einhaltung eines Abstands bzw. Spalts zwischen Draht und Elektrode der Fall wäre.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und Vorrichtungen der eingangs genannten Art anzugeben, das bzw. die die Ausbildung einer Kugel an einem Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. einer Kugel-Verbindung mittels derartiger Drähte ermöglichen, ohne daß die für die Funkenentladung benutzte Elektrode zu stark abnutzt.
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Wach der Erfindung besteht das Verfahren darin, daß der Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die Funkenentladung durch Anlegen einer Spannung mit einem Betrag zwischen 350 V und 10 000 V an einem Spalt zwischen einer Elektrode und dem Draht in einer Schutzatmosphäre bewirkt wird und daß der ohmsche Widerstandswert in dem Entladungsstromkreis so gewählt ist, daß der Spitzenwert der Stromdichte in dem Drahtquerschnitt 1,2 . 109A/m2 bis 13,5 · 109A/m2 beträgt.
Hierbei wird die Funkenentladung in einem Spalt gezündet, so daß die Abnutzung der Elektrode gering ist. Am unteren Ende des Stromdichtebereiches beträgt die Stromdichte etwa das Vierzigfache des Wertes, der bei einer Kugel-Verbindung mit Gold angewandt wird, und am oberen Ende des Bereiches liegt dieser Wert etwa 450 mal höher als der Wert für Gold. Die bei einer Kugel-Verbindung mit Gold angewandte Stromdichte ermöglicht zwar die Ausbildung von Kugeln an Aluminiumdrähten in Luft, doch werden diese durch Oxidation beeinträchtigt. In Argon tritt eine Glimmentladung auf, ohne daß eine Kugel gebildet wird, sofern die Stromdichte nicht um einen Faktor von mindestens 40 gesteigert wird, wie es oben angegeben ist.
Der Entladungsstrom wird von einer Kapazität geliefert, die bei einem Draht mit einem Durchmesser von 25 Mikrometer einen Wert von 0,2 bis 0,5 Mikrofarad haben kann. Bei einer Spannungsquelle mit einer Ausgangsspannung von 500 V, sollte der ohmsche Stromkreiswiderstand zwischen 75 und 850 0hm liegen. Der Spitzenwert der Stromstärke liegt dann am unteren Ende des Widerstandsbereiches bei 6,7 Ampdre und am oberen Ende des Widerstandsbereiches bei 0,6 Ampe*re.
Wenn die angewandten Werte in diesen Bereichen liegen, f lassen sich Kugeln hoher Qualität in Argon bei einem Alu- | miniumdrät mit einem Durchmesser von 25 Mikrometer her- f
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- 7 stellen, wobei der Draht in dem Stromkreis liegt.
Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltung zur Bildung der Kugel an der Spitze eines Drahtes aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und
Fig. 2 das bevorzugte Verbindungs-Werkzeug, das für einen Aluminiumdraht verwendet wird, an dem die Kugel ausgebildet worden ist.
Nach Fig. 1 erstreckt sich ein Draht 1 von einer Spule 2 durch eine elektrisch leitfähige Klemme 3 und eine Kapillardüse 4 am Ende des Horns 5 eines Ultraschall-Schweißwerkzeugs 6. Die aus der Kapillardüse 4 herausragende Drahtspitze soll an einer Mikroschaltung 7 angeschweißt werden, die auf einer Aufnahmebasis 8 angeordnet ist.
Zur Bildung einer Kugel am Ende des Drahtes wird eine Funkenentladung zwischen der Spitze d?s Drahtes 1 und einer Elektrode 9 in einem Spalt von etwa 0,125 mm (0,005") Länge erzeugt. Die Elektrode 9 wird von einem Halter 10 getragen, der mit einem (in der Zeichnung im Schnitt dargestellten) transparenten vorderen Teil 11 versehen ist, und am Ende eines schwenkbar gelagerten Anns 12 befestigt. Eine von einer Antriebseinrichtung 14 gedrehte Kurvenscheibe 13 schwenkt den Arm 12 in die in Fig. 1 dargestellte Kugel-JBildungslage nach vorn und zieht ihn dann zurück, um die Herstellung einer Verbindung zu ermöglichen. Der transparente vordere Teil des Elektrodenhaltas 10 ist mit einem Schlitz 15 versehen, damit die Düsenspitze und der Draht in den Elektrodenhalter ragen kann, während dieser vorgeschoben wird.
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Über einen Transformator T und einen Gleichrichter U wird ein Kondensator C1 aufgeladen, der über einen ohmschen Widerstand R1 an einer Speicherkapazität C2 liegt, die den Entladungsstrom liefert. Der Kondensator C2 entlädt sich über einen ohmschen Widerstand R2, wenn ein Thyristor Th gezündet wird, und die Bogenentladung wird dann zwischen der Elektrode 9 und dem Drahtende ausgelöst. Eine Schutzgasquelle 24 ist über ein Rohr 25 mit dem Inneren des Elektrodenhalter verbunden. Während der .Bogenentladung strömt das Schutzgas an der Elektrode und der Drahtspitze vorbei und aus dem Schlitz 15 hinaus.
Die Werte der Kapazität C2 und des Widerstands R2 liegen in den oben angegebenen Bereichen.
Die Funkenentladung zwischen dem Draht und der Elektrode führt zur Bildung einer Kugel am Ende des Drahtes.
Während sich die Kurvenscheibe 13 weiterdreht, wird die Elektrode 9 zurückgezogen.
Die Antriebseinrichtung 14 treibt eine weitere Kurvenscheibe 30 an. Die Kurvenscheibe 30 verschwenkt über eine Rolle 31 einen Hebel 32, an dessen Ende die Klemme 3 angeordnet ist, um eine Achse 33. Die Ultraschall-Umformeranordnung 6 wird ebenfalls um die Achse 33 geschwenkt. In der in Fig. 1 dargestellten Lage hat die Kurvenscheibe 30 den Hebel 32 und die Umformeranordnung 6 so verschwenkt, daß die Klemme 30 und die Kapillardüse 4 oberhalb des Werkstücks liegen, um die Bildung einer Kugel zu ermöglichen. Wenn die Kugel gebildet worden ist, wird die Kurvenscheibe 30 soweit gedreht, daß die Klemme 3 und die Kapillardüse 4 nach unten geschwenkt w.erden und die Kugel mit der Mikroschaltung in Berührung kommt. Eine Feder 34 hält die Rolle 31 mit der Kurvenscheibe 30 in Berührung. Dann wird der Ultraschallumformer 6 eingeschaltet, so daß über das Ultraschall-Horn 5 die Düse 4 und damit die Kugel am Ende des Drahtes an der Mikroschaltung in Schwingungen versetzt wird, um in an sich
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bekannter Weise eine Verbindung durch Ultraschall herzustellen.
Nachdem der Draht in der oben beschriebenen Weise mit der Mikroschaltung verbunden worden ist, kann er an einen herausführenden Anschluß 35 angeschlossen werden. Bei der Ausbildung dieser Verbindung kann ein Keil-Verbindungsverfahren angewandt werden, weil die verfügbare Verbindungsfläche größer ist. Für die Verbindung mit der Mikroschaltung ist die verfügbare Verbindungsfläche klein, so daß der Betrag der zur Ausbildung der Verbindung erforderlichen Energie kritischer ist. Gewünschtenfalls kann die Kapillardüse 4 verwendet werden, um die Keil-Verbindung mit dem herausführenden Anschluß in an sich bekannter Weise herzustellen.
Obwohl das dargestellte Ultraschall-Verfahren zum Verbinden des Drahtes mit der Mikroschaltung bevorzugt wird, ist es auch möglich, diese Verbindung unter Anwendung von Wärme und Druck herzustellen.
Fig. 2 stellt das Arbeitsende des bevorzugten Verbindungswerkzeugs im Querschnitt dar. Axial durch das Werkzeug verläuft ein Kapillarloch 40, das in dem an die Arbeitsfläche angrenzenden Bereich in eine abgeschrägte Öffnung 41 übergeht. Der Winkel zwischen der Wand der abgeschrägten Öffnung und der Werkzeugachse beträgt 45°. Die Arbeitsfläche ist eine im wesentlichen ebene Ringfläche 42 mit einem Außendurchmesser von etwa 254 Mikrometer (0,010"). Die abgeschrägte Öffnung bildet eine Vertiefung, in die die Kugel in an sich bekannter Weise vor der Herstellung der Verbindung hineingezogen wird, um die mechanische Ausrichtung des Aluminiumdrahtes und der Kugel mit dem Bauteil oder Anschluß nach der Verbindung zu verbessern.
Die Elektrode besteht vorzugsweise aus Wolfram. Das Werkzeug kann aus Titankarbid oder Wolframkarbid, vorzugsweise mit etwas Kobalt, hergestellt sein.
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Obwohl vorstehend auf einen Aluminiumdrahtdurchmesser von 25 Mikrometer bezug genommen wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Drähten mit anderen Durchmessern angewandt werden. Beispielsweise sind bei einem Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 75 Mikrometer eine Kapazität von 3,1 Mikrofarad und ein ohmscher Widerstandswert von 30 Ohm sowie eine Spannungsquelle mit 500 V geeignet. Ganz allgemein nimmt die Kapazität proportional zur Querschnittsfläche des Drahtes zu. Die Erfindung kann auch bei einem Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 375 Mikrometer angewandt werden.
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Claims (6)

Patentansprüche
1. !Verfahren zur Bildung einer Kugel an einem Draht durch
Funkenentladung, um eine Kugel-Verbindung des Drahtes mit einem Bauteil oder Anschluß zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht und die Funkenentladung durch Anlegen einer Spannung mit einem Betrag zwischen 350 V und 10 000 V an einem Spalt zwischen einer Elektrode und dem Draht in einer Schutzatmosphäre bewirkt wird und daß der ohmsche Widerstandswert in dem EntladungsStromkreis so gewählt ist, daß der Spitzenwert der Stromdichte in dem Drahtquerschnitt 1,2 · 109A/m2 bis 13,5 · 109A/m2 beträgt.
2. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Elektrode und einem Drahthalter zur Halterung eines Drahtes mit vorbestimmter Querschnittsfläche derart, daß zwischen der Elektrode und der Drahtspitze ein Spalt als Funkenentladungsstrecke verbleibt, mit einer Kapazität und einem Ladestromkreis für die Kapazität, der die Elektrode und eine im Betrieb elektrisch mit dem Draht im Drahthalter verbundene Einrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (10, 24, 25) zur Bildung einer Schutzatmosphäre in einer den Spalt aufweisenden Zone vorgesehen und die Lade- und EntladeStromkreise (T, U, C1, C2, R1, R2, Th, 1, 3, 9) so ausgebildet sind, daß die von der Kapazität (C2) an den Spalt angelegte Spannung zwischen 350 V und 10 000 V und der Spitzenwert der Stromdichte im Drahtquerschnitt bei 1,2 · 109A/m2 bis 13,5 · 109A/m2 liegt..
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3. Vorrichtung nach Anspruch 2 für einen Draht mit einem Durchmesser von etwa 25 Mikrometer, dadurch gekennzeichnet, daß der ohmsche Stromkreiswiderstand zwischen 75 und 850 Ohm liegt.
4. Kugel-Verbindungsvorrichtung mit einer Kugel-Mldungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch ein Verbindungswerkzeug (6) mit einem mittleren Kapillarloch (40) zur Aufnahme des Drahtes (1), das in dem an die Arbeitsfläche (42) angrenzenden Bereich in eine abgeschrägte Öffnung (41) übergeht, deren Wand mit der Achse des Kapillarloches (40) einen Winkel von etwa 45° einschließt.
5. Kugel-Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (42) des Werkzeugs (6) am Ausgang der abgeschrägten Öffnung (41) einen im wesentlichen ebenen Bereich mit einem Außendurchmesser von etwa 0,254 mm (0,010") aufweist.
6. Kugel-Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (6) aus Titankarbid oder Wolframkarbid hergestellt ist.
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