Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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-
