Das Widerstands- und Ultraschallschweißen als Verfahren zum Verbinden kleinster Bauelemente in der Elektrotechnik PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 2293 Herausgegeben im Auftrage des Ministerprăsidenten Heinz Kilhn vom Minister filr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. - Ing. F riedrich Eichhorn Dr. - Ing. Giinter Wichelhaus Institut fUr SchweiC3technische Fertigungsverfahren der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Das Widerstands - und Ultraschallschweif3en als Verfahren zum Verbinden kleinster Bauelemente in der Elektrotechnik Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ISBN 978-3-531-02293-2 ISBN 978-3-663-06804-4 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-06804-4 © 1 972 by Springer Fachmedien Wiesbaden Urspriinglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Koln und Opladen 1972 Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag Gliederung O. Begriffe und AbkUrzungen 3 1. Einlei tung 8 2. Problemstellung und Umfong der Untersuchungen . 10 3. Versuchseinrichtungen, Versuchswerkstoffe, Prufverfahren 11 3.1 Versuchsanlagen 11 3.1.1 IJiderstandspunktschweiBen 11 3.1.1.1 SchweiBmaschine 11 3.1.1.7 Elektroden 14 3.1.1.3 Kontakt-Widerstandsmessung 16 3.1.2 UltraschollschweiBen 17 3.1.2.1 SchweiBmaschine 17 3.1.?2 Amplitudenmessung 19 3.1.2.3 Sonotroden 21 3.2 Versuchswerkstoffe 22 3.2.1 Wcrkstoffe fUr dos 1'/iderstandspunktschweiBen 22 3.2.2 I':erkstoffe fUr dos UltraschallschweiBen 22 3.3 PrUfverfahren 25 3.3.1 Stotischer Zugversuch 25 3.3.2 Zugschwellversuch 26 3.3.3 Stotistische Auswertung 28 4. Untersuchungen beim ~iderstandspunktschweiBen 32 4.1 Untersuchung der moschinen- und werkstoffbedingten 32 EinfluBgroBen beim Verbinden von 50 ;um dicken Kupfer- und Nickelbăndern - 2 - 4.1. 1 Kontoktwiderstănde vor dem SchweiBen 32 4.1.2 Untersuchungen mit der direkten Elektroden- 34 anordnung 4. 1.3 Unter such ungen mit der indirekten Elektroden - 39 anordnung 4.2 Schweif3versuche an kupferkaschierten Leiterplatten 42 4.3 Auswertung der Versuchsergebnisse beim I-Jider- 44 standspunktschweif3en 5. Untersuchungen beim Ultraschallschweif3en 46 5. 1 Schweif3versuche on Halblei ter 46 bauelementen 5.1.1 Untersuchung der maschinenbedingten 46 EinfluBgrtsBen 5.1.2 Untersuchung cler werkstoffbedingten 50 Einfluf3grof3en 5.2 Schwei.3versuche mit weichem Aluminiumdraht 55 5.3 Schweif3versuche an goldbeschichteten Gehăuseboden 51 5.3.1 Ermittlung der optimalen Moschinenein 57 stelldaten fUr Soden und AnschluBstift 5.3.2 Einfluf3 des Zerreif3winkels 59 5.4 Auswertung der Versuchsergebnisse beim Ultroscholl- 61 schweif3en 6. Zusommenfassung 64 7. Schri fttum 68 8. Abbildungen - 3 - Begr i ff e und AbkUrzungen o) vJiderstondspunktschweiBen Bezeichnung Dimen sion 2 A (1) Elektroden quer schnitt mm Durchmesser der Elektroden arbe it s flache mm e Elektrodenabstand mm 1,1 (t) Stromstărke A Lange mm N. Leistung, die zwischen den Ab 1 griffen fUr U. verbroucht wird w 1 N Leistung, die im Bereich der SchweiB s stelle verbraucht wird w p AnpreBkraft der Elektroden p Q. Energ ie, d ie zwisc he n den Abgr i f fen 1 fUr U. frei wird Ws 1 Q Energ ie, die im Bereich der SchweiB s stelle frei wird Ws R Elektrodenwiderstand m.Q. el1 , 2 R (t) SchweiBwiderstand, Summe der Wider ges stande im Bereich der SchweiBstelle m.Q Rk (t) Kontoktwiderstand m.Q 1,2,3,4 R\-i1 , 2 (t) Werkstoffwiderstand m.!l Radius mm t Zeit ms t SchweiBzeit ms s - 4 - l3ezeiehnung Dimension om Gerat eingestellte Sponnung ~ Sollwert der Sponnung v U. Istwert der Sponnung zwisehen den 1 AnsehlUssen der SponnungsrUekfuhrung v u SehweiBsponnung zwisehen den s Elektroden v -6:n.. spe z. eIektr. Hiderstond 10 em b) UltrosehollsehweiBen A Amplitude o DUnnfiImdieke b,e Abstande mm e Sehollgesehwindigkeit m/s s O DampfungsmoB f Frequenz Hz f Ergen frequenz Hz res HF Hoehfrequenz w L Seholleis tu ng s I Auskrogiunge des Feindrohtes mm p AnpreBkroft p t SehweiBzei t ms s UeH effektive Sondensponnung mV V Seholl seh neile m/s - 5 - Bezeichnung Dimension Tronsformotion~verhăltnis spez. Dichte g/cm3 w Kreis frequenz lis LV ungedampfte Kreisfrequenz lis o Frequenz des gedompften Schwingungs ~.y~tem s lis c) Prlifung F Scherzugkra ft p 0,2-Dehngrenze p Bru ch kro ft p Mittelkroft p F obere, untere Schwellkroft p O,u Einsponnltinge mm \·Jinke1 o 2 Zugfestigkeit kp/rrm 2 O, 2-Deh ngren ze kp/rrm d) Stotistische Auswertung d durchschnitt1iche Abweichung p D Schwe1lenwert zum Kolmogoroff 1-CI( ; n Smirnow-Test f Freiheitsgrod f = n-1 Schiefe % re!. Summenhaufigkeit der Stichprobe - 6 - 8ezeicnnung Dimension H' korrigierte Summen năufigkei t zum Ein tragen der Punkte von geordneten Sticn proben in das Hanrscheinlicnkeitsnetz % i loufender Index m Anzohl der Sticnproben n Umfang der Sticnproben r Sponnwei te p 5 stotistiscne Sicherhei t % 2 2 s Varianz p s Standardabweichung p Schwellenwerte der t-Verteilung u Merkmolwerte der standardisierten Normalverteilung v Variotionskoeffizient % x Merkmalwert der Stichproben, z.8. 8rucnkroft p - x arithmetischer Mittelwert der Stichprobe p x . untere Merkmolsgrenze p m1n ac: Irrtumswahrscheinlichkeit Mittelwert der Normalverteilung p obere, untere Grenze des Vertrouen s bereichs der Normolverteilung p Standardabweichung der Normal verteilung p - 7 - Bezdchnung Dimen sion 6 obere untere Grenze fUr den Ver o,u I trauensbereich der Stondardabweichung der Norma 1 ve rte il ung p f/J (u) Summenfunktion der standardisierten Normalverteilung 2 Y\ Schwellenwerte der -Verteilung - 8 - 1. Einleitung Seit 1948, dem Jahr der Erfindung des Transistors und seiner bold darauf folgenden teehnischen EinfUhrung in die Elektronik, hot die Mikroelektro nik eine groI3e industrielle Bedeutung erlangt. Die aus vielen Grilnden, z.B. Steigerung der Grenzfrequenz, Verringerung des Volumens, Gewichts ersparnis und Steigerung der Zuverl~ssigkeit, angestrebte Miniaturisierung der elektrisehen Sehaltelemente konnte mit Hil fe zwe ier Teehnologien, der "DUnnfilmteehnik" und der "Holbleitertechnik", entscheidend vorangetrieben werden. In der DUnnfilmteehnik werden auf isolierende Tr~gerwerkstoffe wie Glas und Keramik naeh versehiedenen Verfahren MetalldUnnfilme von wenigen ~ bis zu 10 tm Dieke vor allem aus den VJerkstoffen Cr, Cu, Ni, Ta, Ag und Au aufgebracht. Durch Atzen und Ausblenden mit Hilfe von Masken ent stehen passive Sehaltelemente (Kondensatoren, Hiderstonde), die unter einander dureh gut lei tende Lei terbahnen verbunden werden. Die ~uI3eren AnsehlUsse dieser DUnnfilmschaltkreise werden hergestellt dureh Dr~hte, Flaehdrahte und Bănder, die mit den auBen auf dem Substrat liegenden An sehluI3flăche n versehweiBt werden. Die Herkstoffe d ieser DurchfUhrungen, die naeh dem VersehweiBen meist mit Kunststoff umgossen werden, sind vor zugsweise Gold, Kupfer, Nickel und die Legierung Kovar. FUr die Ver bindungsprobleme an DUnnfilmsehaltungen eignen sieh dos Hiderstandspunkt-, dos Ultrasehall-, dos ThermokompressionsschweiBen und einige Lotverfahren. In der Halbleiterteehnik werden die Bauelemente dureh Diffusion von ver schiedenen Fremdatomen in einem Silizium-Einkristall meist mittels der Planar-Diffusionsteehnik hergestellt. Die elektrischen AnsehlUsse dieser aktiven Sehaltelemente (Transistoren, Dioden) werden von aufgedampften Aluminium-DUnnfilmstrukturen gebildet. Dos Kontaktieren, d.h. dos Her-
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