DE3335848C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Drahtes mit einem Sockel einer elektronischen Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein elektronisches Schaltungsmodul, wie z. B. ein Hybridmodul, ist so aufgebaut, daß Halbleiterplättchen auf einem Vielschichtkeramikmodul montiert sind. Im elektronischen Modul wird es unvermeidlich, die Verdrahtung aufgrund von Änderungen oder Fehlern in der Auslegung zu ändern. Beim Ändern ist es unmöglich, die Verdrahtung des Moduls an sich zu erneuern, sooft eine solche Änderung vorgenommen wird. In einem solchen Fall wird daher die Verbindungstechnik unter Verwendung eines Sockels für technische Änderungen (im folgenden "EC-Sockel" bezeichnet), der auf dem Modul vorgesehen ist und auf dem einzelne Drähte angebracht werden, angewandt. Sie ist in "Precise Numerical Control for the Thermal Conduction Module" von M. A. Sanborn of IBM J. Res. Den. (Vol. 27, No. 1) beschrieben.

Es ist für mit den EC-Sockeln verwendete Drähte erforderlich, daß jeweils der Draht einen kleinen Durchmesser mit einer höheren Festigkeit und Leitfähigkeit, als üblicherweise verwendet, hat und eine darauf aufgebrachte Isolation trägt.

Herkömmlich wird ein Kupferdraht als der diese Anforderungen erfüllende Draht verwendet. Der Kupferdraht wird mit Gold zur Vermeidung der Verschlechterung der Verbindung aufgrund einer Oxidation beschichtet, und seine Oberfläche wird mit einer Isolierschicht aus einem Harz, wie z. B. Polytetrafluoräthylen, Polyurethan usw., überzogen.

Ein allgemeines Verfahren zum Verbinden ist dann die Entfernung dieser Isolierschicht unter Verwendung von Ultraschallwellen und nachher die Bewirkung der Verbindung durch Thermokompressionsverbindung. Dieses Verfahren hat jedoch Nachteile insofern, als der überzogene Draht dick wird und eine Erweiterung der Verbindungsfläche verursacht, als ein Zweischrittvorgang der Entfernung der Überzugsschicht und danach der Durchführung der Thermokompressionsverbindung benötigt werden, wodurch eine Verlängerung der Arbeitszeit verursacht wird, als die Entfernung der Überzugsschicht im ganzen schwierig ist, so daß die Verbindung von geringer Verläßlichkeit wird, usw. Diese Probleme sind nicht auf die Drahtverbindung für eine technische Änderung begrenzt, sondern können allgemein auftreten, wenn eine Drahtverbindung an sehr kleinen Flächen vorgenommen wird.

Aus der DE-AS 21 61 023 ist ein Verfahren zum Ultraschallschweißen von Kupferdrähten auf die Metalloberfläche eines Trägers bekannt, wobei die Kupferdrähte eine isolierende Bedeckung aus einer eigenen oder fremden Oxidschicht aufweisen und der Schweißzyklus bei Andrücken des Drahtes auf den Träger einen Vorimpuls zum Entfernen der Oxidschicht und einen Schweißimuls zum Aufschweißen des Drahtes enthält.

Andererseits werden durch die DE-OS 27 48 239 die Ultraschall-Widerstandsschweißverbindung eines unisolierten Silberdrahtes oder versilberten Kupferdrahts mit einem mit Aluminium beschichteten Kaltleiterwiderstand, durch die US-PS 37 91 028 die Ultraschallverbindung eines Kupferdrahtes mit einem Kupfersockel, wobei beide Teile vorzugsweise mit Gold beschichtet sind, durch die US-PS 34 59 355 die Ultraschallverbindung eines unisolierten Drahtes mit einer Transistorbasis und durch die US-PS 31 28 649 die Ultraschallverbindung eines Golddrahtes mit einem Halbleiterkörper offenbart.

Schließlich offenbart die US-PS 37 17 842 die Ultraschallverschweißung eines Anschlußstücks mit einem Aluminiumdraht, der mit einer sich natürlich bildenden Oxidschicht und einer Isolierschicht bedeckt ist, wobei dieser Aluminiumdraht zunächst durch Laschen des Anschlußstücks festgehalten und eingeklemmt wird und dann die Ultraschallverschweißung mit einem Kanalteil des Anschlußstücks vorgenommen wird, so daß es auf die nur durch Verschweißen erzielte Bindefestigkeit zwischen Anschlußstück und Aluminiumdraht nicht ankommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ultraschallschweißverfahren zu entwickeln, das sich zum Verbinden von Aluminiumdrähten mit hoher Verläßlichkeit und Bindefestigkeit in sehr kleinen Flächen eignet, ohne daß Zusatzeinrichtungen zum Festhalten des Aluminiumdrahtes beim Schweißen benötigt werden.

Je geringer die Verbindungsfläche für Drähte ist, um so kleiner muß der Drahtdurchmesser sein. Zu diesem Zweck sollte der Überzug auf dem Draht vorzugsweise von geringer Dicke gemacht werden. Beim Verbindungsverfahren gemäß der Erfindung wächst der Arbeitswirkungsgrad, wenn die Überzugsbeseitigung und die Verbindung gleichzeitig durchgeführt werden können. Weiter ist es vom Standpunkt der Verläßlichkeit vorzuziehen, daß kein Überzugsrückstand auf dem Verbindungsabschnitt verbleibt.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen Grundriß zur Veranschaulichung eines Moduls, bei dem die Erfindung angewendet wird;

Fig. 2 eine Seitenansicht nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung eines Beispiels nach dem Stand der Technik;

Fig. 4 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Erfindung; und

Fig. 5 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Hauptteils einer Verbindungseinrichtung.

Fig. 1 ist ein Grundriß eines Hybridmoduls, bei dem die Erfindung angewandt wird, und Fig. 2 ist eine zugehörige Seitenansicht. Eine Modulplatte 2 besteht aus einer Vielschichtschaltungsplatte, die beispielsweise aus Aluminiumoxid-Keramikmaterial hergestellt ist, und weist zwei darauf montierte Halbleiterplättchen 4 auf, wobei sie außerdem an der Rückseite mit Leitern 5 zum äußeren Anschluß versehen ist. EC-Sockel 3 sind rings um den Umfang der Plättchen 4 angeordnet. Die Sockel 3 sind jeweils auf ihren Oberflächen mit einer Au-Beschichtung in einer Dicke von 1 bis 2 µm versehen. Drähte 1 und 1′ für eine technische Änderung sind mit einigen der Sockel 3 verbunden. Mit einem Sockel 3 sind ein oder zwei Drähte verbunden. Gelegentlich kreuzen sich die Drähte 1, 1′ und können miteinander in Kontakt sein, weshalb es erforderlich ist, daß ihre Oberfläche isoliert ist.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, in der zwei herkömmliche Drähte, die mit einem Isolierüberzug versehen sind, mit dem Sockel 3 verbunden sind. Die Bezugsziffer 7 bezeichnet einen Cu-Kerndraht, der mit der Au-Beschichtung versehen ist, und die Bezugsziffer 6 bezeichnet einen Isolierüberzug aus dem oben erwähnten Kunstharz, wie z. B. Polytetrafluoräthylen, Polyurethan od. dgl. Wenn der Kerndraht 7 so hergestellt ist, daß er einen Außendurchmesser von 50 µm hat, ist der Überzug 6 5 bis 10 µm dick, und als Ergebnis ist der Außendurchmesser des gesamten Drahtes 60 bis 70 µm. Da der Cu-Kerndraht 7 hart ist und daher im Vergleich mit Au oder Al nur wenig verformt werden kann, läßt sich die unter Einwirkung einer Last durchgeführte Ultraschallverbindung auf den Kerndraht 7 nicht anwenden, falls nicht die Ultraschalleistung, die Dauer der Einwirkung der Ultraschallwellen und die einwirkende Last gesteigert werden. Jedoch bricht, wenn diese Leistung, Dauer und Belastung gesteigert werden, das Metall an der Verbindungsschicht, so daß das Problem auftritt, daß die Bindefestigkeit niedrig wird. Aus diesem Grund ist es besser, eine Au-Au-diffundierte Verbindung durch Thermokompressionsverbindung zu verwenden, da eine solche Verbindungsschicht nicht bricht und die erhaltene Bindefestigkeit hoch ist. Nach dem Stand der Technik werden jedoch zunächst Ultraschallwellen zur Entfernung des Überzugs verwendet, wodurch an einem Teil des Drahtes sein Überzug durch seine Reibung an dem Sockel 3 entfernt wird. Dann wird der Draht durch Druck mit dem Sockel unter einer Kraft von 1,962 bis 4,905 N mittels eines auf 400 bis 500°C erhitzten spitzen Organs verbunden. Nach diesem bekannten Verfahren wird der Überzug 6 im Verbindungsbereich zerstört, und der Verbindungsbereich wird auf eine drei- bis viermal so große Abmessung wie die ursprüngliche Abmessung A erweitert, so daß er eine Weite von etwa 280 µm (=70×4) erreicht, wie in Fig. 3 durch das Bezugszeichen L angedeutet ist. Dies erfordert die Verwendung eines großen Sockels 3. Weiter schmilzt der Überzug 6 und bleibt in der Nähe des Verbindungsbereichs, so daß dieser Rest in den Verbindungsbereich gelangt und eine Senkung der Bindefestigkeit sowie eine Verschmutzung der Fläche in der Nähe des Verbindungsbereichs verursacht.

Die Erfinder führten Versuche mit verschiedenen Drähten durch und verglichen die Versuchsergebnisse, um die beim Stand der Technik angetroffenen Probleme zu lösen. Als Ergebnis fanden sie, daß sich ein anodisierter Aluminiumdraht zur Erfüllung der oben erwähnten verschiedenen Anforderungen eignet und gleichzeitig gute Ergebnisse bringt. Wo ein Draht an einem solchen wie dem in Fig. 1 gezeigten Modul angebracht wird, ist es unter Berücksichtigung der Festigkeit und Leitfähigkeit eines Kerndrahtes an sich erwünscht, daß sein Durchmesser 30 bis 60 µm ist. Wenn man den Kerndraht aus Aluminium mit einem Durchmesser von 50 µm macht und die Dicke des Alumits auf 0,1 bis 1 µm Durchmesser einstellt, erhält man ein Isolationsvermögen von 1×10⁸ Ω oder mehr, und der Außendurchmesser des Drahtes braucht nur angenähert 51 µm zu sein. Andererseits ist die Verbindung dieses anodisierten Aluminiumdrahtes allein mit einer Einwirkung von Ultraschallschwingungen unter einer Belastung möglich und erfordert kein kompliziertes Verfahren wie beim bekannten Verbindungsverfahren.

Fig. 4 zeigt einen Zustand, wo zwei Drähte 7′ mit dem Sockel 3 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden sind, während Fig. 5 einen wesentlichen Teil einer Verbindungseinrichtung hierfür zeigt. In Fig. 5 wird der Draht 7′ gegen den Sockel 3 durch Aufbringen einer Andruckkraft unter Verwendung eines Keilstücks 10 gepreßt, und Ultraschallschwingungen werden durch das Keilstück 10 mittels eines Schwingungserzeugers 11 zur Einwirkung gebracht. Beim Verbindungsvorgang wird der Draht zunächst durch das Keilstück 10 ohne Einwirkung irgendeiner Ultraschallschwingung darauf angedrückt, und dann werden Ultraschallschwingungen darauf zur Einwirkung gebracht. Wenn man das Anpressen des Drahtes 7′ anfinge, während Ultraschallschwingungen einwirken, würden der Draht 7′ verschoben oder bewegt, was zu einem Fehler beim Andrücken des Drahtes mit hoher Genauigkeit führen müßte.

Der Verbindungsvorgang wurde unter den folgenden Bedingungen bei Verwendung des anodisierten Aluminiumdrahtes durchgeführt, der einen Durchmesser von 50 µm aufweist, während die Alumitdicke 1 µm beträgt:

Ultraschallfrequenz
60 kHz ± 3%
Dauer der Einwirkung der Ultraschallschwingungen	0,4 s
Ultraschalleistung	0,04 W
Andruckkraft	0,3924 N

Gemäß diesem Versuch ist die Breite L′ des angedrückten Drahtes der 1,5 bis 2fache Durchmesser des nicht gedrückten Aluminiumdrahts, und auch im Fall des zweifachen Wertes, d. h. 102 µm (=51×2), nur die Hälfte oder weniger der Breite der herkömmlichen Verbindungsfläche. Allgemein soll die Bindefestigkeit wenigstens 30% der Zugfestigkeit eines Drahtes an sich sein. Erfindungsgemäß war die Zugfestigkeit des Aluminiumdrahtes mit 50 µm Durchmesser für sich etwa 0,2747 N, und die Bindefestigkeit erreichte einen ebenso hohen oder größeren Wert als diesen Wert.

Alumit ist hart und brüchig. Daher bricht, wenn das Aluminium als Basismaterial durch Einwirkung der Ultraschallenergie und des Drucks beim Verbinden verformt und verbreitert wird, das Alumit und schält sich vom Aluminiumbasismaterial ab, wobei die Verbindung mit dem Sockel an diesem freigelegten Bereich erfolgt. Alumit trennt sich in dieser Weise leicht vom Basismaterial, was im Gegensatz zu dem bekannten Harzüberzug steht. Alumit hat daher weniger unerwünschte Wirkungen auf die Verbindung und verschmutzt außerdem die Nachbarfläche des Verbindungsbereichs nicht. Der Aluminiumdraht hat weiter seine ausreichend hohe Bindeverläßlichkeit bis zu 500°C. Daher ist es möglich, seine Bindeverläßlichkeit ausreichend auch dann aufrechtzuerhalten, wenn nach dem Verbinden darauf Hitze, beispielsweise im Fall eines Lötvorgangs usw., einwirkt.

Im Fall des anodisierten Aluminiumdrahtes mit einem Durchmesser von 30 bis 60 µm kann die Verbindung unter den gleichen wie den oben erwähnten Verbindungsbedingungen mit Ausnahme der Andruckkraft durchgeführt werden. Und zwar ist ein Bereich zwischen 0,35 s und 0,45 s, hauptsächlich 0,4 s, für die Dauer der Einwirkung der Ultraschallschwingungen vorzuziehen, und ein Bereich zwischen 0,035 W und 0,045 W, hauptsächlich 0,04 W ist für die Ultraschalleistung vorzuziehen. Was die Andruckkraft betrifft, kann sie umso kleiner oder niedriger sein, je kleiner der Durchmesser des Kerndrahtes ist. Demgemäß beträgt die Andruckkraft von 0,1766 bis 0,4413 N. Insbesondere kann die Belastung etwa 0,3924 N sein, wo der Drahtdurchmesser 50 bis 60 µm ist, und die Belastung kann etwa 0,1962 N sein, wo der Drahtdurchmesser so klein wie 30 bis 40 µm ist. Wenn die Verbindung unter diesen Verbindungsbedingungen ausgeführt wurde, hatte die Bindefestigkeit einen Wert, der höher als der entsprechend 30% der Zugfestigkeit des anodisierten Aluminiumdrahtes an sich war. Falls die Einwirkungszeitdauer, die Leistung und die Andruckkraft jeweils geringer als die oben erwähnten Werte sind, wird die Verbindung unzureichend. Falls die Einwirkungszeitdauer, die Leistung und die Andruckkraft größere Werte als die oben erwähnten aufweisen, bricht das Metall am Verbindungsbereich, so daß die Bindefestigkeit sinkt.

Wenn, wie oben erwähnt, die Ultraschalldrahtverbindung unter Verwendung des anodisierten Aluminiumdrahtes durchgeführt wird, macht die Verwendung sogar des Drahtes mit einem Durchmesser von 51 µm es möglich, ausreichend zwei solcher Drähte mit dem Sockel zu verbinden, wo dessen Durchmesser bis zu etwa 0,4 mm reicht. Außerdem wird die Wärmebeständigkeitseigenschaft befriedigend aufrechterhalten, und daher kann der Aluminiumdraht ein Löten oder einen anderen Erhitzungsvorgang aushalten. Zusätzlich wird, wenn der im Verbindungsquerschnitt betroffene Teil nach dieser Verteilung der EC-Drähte hermetisch abgedichtet wird, ein Bruch des Drahtes aufgrund von Erosion verhindert, so daß er eine sehr lange Betriebslebensdauer haben kann. In der Vergangenheit wurden Produkte mit damit verbundenen Aluminiumdrähten einer besonders weit getriebenen Reinigung zur Entfernung der Stoffe, wie z. B. Halogenionen (F^-, Cl^-, Br^- od. dgl.) oder anderer Stoffe unterworfen, die zur Erosion des Aluminiumdrahtes neigen, um dadurch die Verbindungsverläßlichkeit mit der Verwendung einer Harzabdichtung allein zu erhalten. Nach diesem Verfahren (Kunstharzabdichtung) ist es natürlich möglich, die Verbindungsverläßlichkeit zu erreichen.

Claims (2)

1. Verfahren zum Verbinden eines Drahtes mit einem Sockel einer elektronischen Schaltung gemäß dem ein mit einer betriebsmäßigen Leiterisolation völlig überzogener Aluminiumdraht an den Sockel gedrückt und ein Drahtbereich unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen bei gleichzeitiger Entfernung der Leiterisolation von dem Drahtbereich mit dem Sockel verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß man
einen anodisch oxidierten Aluminiumdraht (7′) mit einem Durchmesser von 30 bis 60 µm als den zu verbindenden Draht verwendet,
den Aluminiumdraht (7′) mittels eines Keilstücks (10) gegen den Sockel (3) drückt und
danach unter Einwirkung einer Andruckkraft von 0,1766 bis 0,4413 N auf den Aluminiumdraht (7′) das Keilstück (10) den Ultraschallschwingungen während 0,35 bis 0,45 s mit einer Ultraschalleistung von 0,035 bis 0,045 W aussetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallfrequenz angenähert 60 kHz ist.