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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Zuführen von Feindraht mit durchgehender Zuführbohrung, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Hauptstück aus Keramik und einem eine Spitze bildenden Stück aus Rubin, welches Spitzenstück in einem freien Ende des Hauptstücks fest gehalten ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Hauptstück gegen das genannte freie Ende verjüngt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spitzenstück mit Spannsitz im freien Ende des Hauptstücks sitzt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführbohrung am freien Ende des Spitzenstücks einen Durchmesser von 20 bis 50 jim hat.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptstück im wesentlichen aus Aluminiumoxid besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptstück zu 95 bis 99,9% aus Aluminiumoxid besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des Hauptstücks durchscheinend oder durchsichtig ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik des Hauptstücks Chromoxid enthält.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Chromoxidgehalt der Keramik 0,1 bis 5% beträgt.
10. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Zuführen von Feindraht mit durchgehender Zuführbohrung, einem zylindrischen Hauptstück aus Keramik und einem im Hauptstück befestigten Spitzenstück aus Rubin, gekennzeichnet durch Mischen und Kneten von Keramikpulver und einem Binder, Formen der erhaltenen Mischung zu einem Formling, der dazu bestimmt ist nach einem Brennvorgang das Hauptstück zu bilden, Einpassen des Spitzenstücks in ein freies Ende des Formlings und Brennen des Formlings zusammen mit dem Spitzenstück, so dass dieses im freien Ende des gebrannten Hauptstücks durch Brennschrumpfung fest gehalten wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenntemperatur 1500 bis 2000 0C beträgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenntemperatur 1700 bis 1800 0C beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenndauer 2 bis 3 Stunden beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptstück einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3 x 10-6 bis 8 x 10-6 FC hat.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Brennschrumpfung 10 bis 30 % beträgt.
16. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Zuführen von Feindraht aus Gold zu den mit dem Feindraht zu kontaktierenden Anschlüssen einer integrierten Schaltung oder ihrer Halterung und zum Drücken des Feindrahts auf die Anschlüsse, so dass der Feindraht durch Thermokompression mit den Anschlüssen verschweisst.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer durchgehenden Zuführbohrung zum Zuführen von Feindraht, insbesondere von feinem Kontaktierungsdraht aus Gold zu einer zu kontaktierenden Kontaktstelle, und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Vorrichtung.
Integrierte Schaltungen sind gewöhnlich mit Kontakten einer Halterung verbunden, so dass periphäre Vorrichtungen ohne Schwierigkeiten an die integrierte Schaltung angeschlossen werden können. Die elektrischen Verbindungen zwischen integrierter Schaltung und Halterung, die gewöhnlich als Leiterplättchen ausgebildet ist, bestehen aus feinen Golddrähten, die mit den Kontaktstellen der integrierten Schaltung und der Halterung verbunden sind. Zur Herstellung einer solchen Verbindung wird feiner Golddraht mit Hilfe einer Zuführvorrichtung mit kapillarer Zuführbohrung zur zu kontaktierenden Stelle der integrierten Schaltung oder der Halterung geführt und durch die Vorrichtung auf diese Stelle gedrückt, so dass der Draht durch Thermokompression mit der Kontaktierungstelle verschweisst wird.
Bekannte Zuführvorrichtungen dieser Art bestehen aus Keramik und haben dadurch den Vorteil, dass sie hitzebeständig sind und sich vor dem Brennen leicht bearbeiten lassen. Sie haben jedoch den Nachteil, dass ihre Zuführspitzen durch die sich wiederholenden Kontaktierungsvorgänge stark abgenützt werden, so dass sie in kurzer Zeit unbrauchbar sind. Zudem ist die Keramik dieser Vorrichtungen porös, wodurch die Innenwand der Zuführbohrung nach relativ kurzer Betriebszeit rauh wird, so dass die Bohrung durch hängenbleibende Goldteilchen und/oder pulverförmigen Drahtabrieb verstopft wird. Zuführvorrichtungen aus Rubin sind ebenfalls bekannt. Bei diesen Vorrichtungen ist zwar die Innenwand der Zuführbohrung glatt, jedoch ist das Bohren der relativ langen Zuführbohrung im harten Rubin schwierig und benötigt viel Zeit, so dass diese Vorrichtungen unverhältnismässig teuer sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Zuführvorrichtung der eingangs genannten Art, welche die oben genannten Nachteile der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik nicht aufweist und die Schaffung eines Verfahrens, das ein einfaches und billiges Herstellen dieser Vorrichtung ermöglicht.
Die erste Aufgabe wird durch eine Zuführvorrichtung zum Zuführen von Feindraht mit durchgehender Zuführbohrung gelöst, die gekennzeichnet ist durch ein zylindrisches Hauptstück aus Keramik und einem eine Spitze bildenden Stück aus Rubin, welches Spitzenstück in einem freien Ende des Hauptstücks fest gehalten ist.
Die zweite Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das gekennzeichnet ist durch Mischen und Kneten von Keramikpulver und einem Bindemittel, Formen der erhaltenen Mischung zu einem Formling, der dazu bestimmt ist nach einem Brennvorgang das Hauptstück zu bilden, Einpassen des Spitzenstücks in ein freies Ende des Formlings und Brennen des Formlings zusammen mit dem Spitzenstück, so dass dieses im freien Ende des gebrannten Hauptstücks durch Brennschrumpfung fest gehalten wird.
Durch Verwendung eines Spitzenstücks aus Rubin wird eine kapillare Zuführbohrung mit sehr glatter Innenwand erhalten wodurch verhindert wird, dass sich geschmolzene Drahtstückchen und/oder pulverförmiger Drahtabrieb auf der Innenwand absetzen und die Bohrung verstopfen. Zudem wird dadurch auch ein Abrieb oder Abschleifen des Feindrahts verhindert, so dass dieser immer einen genau definierten Querschnitt hat. Die Zuführbohrung im keramischen Hauptstück der Vorrichtung kann einen wesentlich grösseren Durchmesser haben als der Feindraht, so dass dieser mit der Innenwand der Bohrung nicht in Berührung kommt und nicht abgeschliffen wird.
Das Spitzenstück aus Rubin wird auch bei langer Betriebszeit nicht abgenützt und seine Zuführbohrung ist we
gen ihrer geringen Länge leicht und in kurzer Zeit herstellbar. Da die Drahtzuführung im Hauptstück einen wesentlich grösseren Durchmesser haben kann als die Drahtzuführung im Spitzenstück braucht erstere nicht durch Bohren hergestellt werden, sondern kann im noch weichen Formling, beispielsweise mit Hilfe eines Dorns gebildet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch das Hauptstück und das Spitzenstück eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie II - II in Fig. 1 und
Fig. 3 bis 6 geschnittene Teilansichten der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 in verschiedenen Herstellungsstufen, wobei Fig. 3 einen Längsschnitt durch das Hauptstück vor dem Brennen,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch das noch zylindrische Spitzenstück,
Fig. 5 einen Längsschnitt durch das proximale Ende des Hauptstücks mit eingepasstem Spitzenstück vor dem Brennen, und
Fig. 6 einen Längsschnitt durch das proximale Ende des Hauptstücks und des Spitzenstücks nach dem Brennen darstellt.
In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein Ausführungsbeispiel der Drahtzuführvorrichtung nach der Erfindung bezeichnet. Die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 hat ein zylindrisches Hauptstück 2 aus Keramik und ein konisches Spitzenstück 4 aus Rubin, das ein spitzes freies Ende hat und im Hauptstück 2 durch Brennschrumpfung fest gehalten ist. Das keramische Hauptstück 2 besteht im wesentlichen aus Aluminiumoxid, dessen Anteil 95 bis 99,9 % betragen kann. Das Hauptstück 2 hat ein konisches freies Ende 5 und enthält eine Drahtzuführbohrung 6 mit einem Durchmesser von 0,5 bis 1 mm. Die Innenwand der Bohrung 6 hat benachbart dem freien Ende 5 eine Stufe 7, vorzugsweise in Form einer Ringschulter. Die Keramik des Hauptstücks kann undurchsichtig, durchsichtig oder durchscheinend sein.
Undurchsichtige Keramik hat ein spezifisches Gewicht (volumenbezogene Masse) von 3,7 bis 3,8 während eine durchsichtige oder durchscheinende Keramik ein spezifisches Gewicht von 3,9 bis 4 hat. Durchsichtige oder durchscheinende Keramik wird bevorzugt verwendet, da der in die Bohrung 6 eingeführte Golddraht von aussen gesehen und die Innenwand der Bohrung 6 glatter gemacht werden kann als bei undurchsichtiger Keramik, so dass die Gefahr einer Abnützung des Drahts infolge Kontakt mit der Innenwand der Bohrung weiter verringert ist. Eine solche Keramik kann durch geeignete Wahl der Teilchengrösse des Ausgangsmaterials und der Sintertemperatur erhalten werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient solcher durchsichtiger oder durchscheinender Keramiken beträgt 3 x 10 -6 bis 8 x 10-6 / C. Die Keramik kann zusätzlich noch eine kleine Menge Chromoxid enthalten.
Durch die Zugabe von Chromoxid erhält die Keramik des Hauptstücks die gleiche Farbe wie das aus Rubin bestehende Spitzenstück 4. Das Spitzenstück 4 ist derart in den Endteil 3 der Innenwand der Bohrung 6 eingepasst, dass es auf der Stufe 7 des Hauptstücks 2 aufliegt. Das freie Ende des Spitzenteils 4 erstreckt sich vom freien Endteil 5 des Hauptstücks 2 nach aussen, so dass es frei liegt. Das Spitzenstück 4 hat ebenfalls eine Drahtzuführbohrung 9, die an ihrem der Stufe 7 benachbarten Ende den gleichen Durchmesser hat wie die Bohrung 6 des Hauptstücks 2. Der Durchmesser der Bohrung 9 nimmt jedoch in Richtung zum freien Ende des Spitzenstücks 4 stetig ab, so dass die Drahtaus trittsöffnung 11 der Bohrung 9 einen Durchmesser von 20 bis 50 ,um, d. h. eine kapillare Dimension hat.
An geeigneten Stellen entlang der Innenwand 12 der Bohrung 6 sind Klemmteile (nicht dargestellt) zum Halten eines Drahts 13 vorgesehen.
Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Stufen der Herstellung der oben beschriebenen Zuführvorrichtung. Obgleich in den Fig. 3 bis 5 das noch nicht gebrannte Hauptstück dargestellt ist, sind seine wesentlichen Teile gleich bezeichnet wie die entsprechenden Teile des gebrannten Hauptstücks 2 in den Fig. 1 und 2. Zuerst wird durch Mischen und Kneten von Keramikpulver und einem Bindemittel eine formbare Mischung erzeugt und aus dieser ein Formling des Hauptstücks hergestellt, der in Fig. 4 dargestellt und in dieser mit 2 bezeichnet ist. Der Formling 2 enthält eine Drahtzuführbohrung 6 und eine Ausnehmung 14 an einem freien Ende. Die Bohrung 6 mündet in die Ausnehmung 14, deren Innendurchmesser grösser ist als derjenige der Bohrung 6. Der Innendurchmesser der Ausnehmung 14 ist etwas grösser als der Aussendurchmesser des in Fig. 3 dargestellten, noch zylindrischen Spitzenstücks 4.
Das Spitzenstück 4 ist aus Rubin und enthält eine Drahtzuführbohrung 9, deren Durchmesser gegen das freie Ende des Spitzenstücks 4 stetig abnimmt. Die Bohrung 9 wird mit einer Bohrmaschine hergestellt. Dann wird, wie in Fig. 5 dargestellt, das Spitzenstück 4 in die Ausnehmung 14 des Formlings 2 eingebracht und anschliessend der Formling 2 mit dem eingepassten Spitzenstück 4 während 2 bis 3 Stunden bei 1500 bis 2000 C, vorzugsweise bei
1700 bis 1800 0C gebrannt. Während des Brennens wird das Bindemittel zersetzt, wodurch der Formling schrumpft. Diese Brennschrumpfung beträgt 15 bis 30%. Durch das Schrumpfen wird das Spitzenstück 4 im freien Ende des gebrannten Hauptstücks 2 fest eingeklemmt und dadurch sicher gehalten. Nach dem Brennen wird das Hauptstück 2 mit dem in diesem eingespannten Spitzenstück 4 abgekühlt.
Wenn die Zusammensetzung der Keramik zu stark von der des Spitzenstücks 4 abweicht, können infolge der stark verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Stücke Risse im Spitzenstück 4 auftreten. Deshalb werden die oben beschriebenen Zusammensetzungen bevorzugt verwendet. Der so erhaltene Verbundkörper 8 wird an seinem Umfang geschliffen und poliert, so dass er die in Fig. 6 gestrichelt gezeichnete Form annimmt. Auf diese Weise wird die gewünschte Drahtzuführungsvorrichtung mit sich verjüngender Zuführspitze erhalten. Als Bindemittel kann eine Zellulose wie Nitrozellulose oder Methylzellulose, Polyäthylenglykol oder ähnliches verwendet werden. Das Bindemittel kann dem Keramikpulver in einer Menge von 2 bis 10 Gewichtsteilen pro 100 Gewichtsteile Keramikpulver beigemischt werden.
Zum elektrischen Verbinden der Elektroden von Schaltkreisen auf dem Substrat einer integrierten Schaltung mit den entsprechenden Anschlüssen einer oder mehrerer periphären Schaltungen auf dem gleichen Substrat, wird ein Draht, beispielsweise ein Golddraht 13 in die Bohrungen 6 und 9 der Zuführvorrichtung 1 eingeführt, so dass er sich etwas vom Spitzenteil 4 nach aussen erstreckt. Das sich nach aussen erstreckende Drahtstück wird erwärmt und geschmolzen, vorzugsweise durch Thermokompression, und unter Druck mit einer Elektrode verschweisst. Dann wird die Zuführvorrichtung 1 zum entsprechenden Anschluss gebracht und hier der Golddraht wieder erwärmt und geschmolzen und unter Druck mit dem Anschluss verbunden, so dass eine aus einem Stück Golddraht 13 bestehende elektrische Verbindung zwischen der Elektrode und dem Anschluss hergestellt ist.
Obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das keramische Hauptstück Aluminiumoxid als Hauptbestandteil enthält (95 bis 99,9%) ist die Erfindung nicht auf solche Keramiken beschränkt: Es können auch andere Keramiken verwendet werden, sofern diese einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben wie Rubin.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung beschrieben.
Etwa 93 Gewichtsteile Keramikpulver, das 99% Aluminiumoxidpulver und 1% Chromoxidpulver enthält, und 7 Gewichtsteile Methylzellulose werden gut gemischt und die erhaltene Mischung zu einem zylindrischen Formling für das Herstellen des Hauptstücks geformt, der eine Länge von 8,9 mm, einen Aussendurchmesser von 1,7 mm, einen Innendurchmesser von 0,7 mm und an einem freien Ende eine Einpassausnehmung mit einem Durchmesser von 1 mm hat.
Gleichzeitig wird ein Rubinstück mit einer Länge von 1,5 mm und einem Aussendurchmesser von 0,8 mm hergestellt und in dieses ein konisches Loch gebohrt, dessen grösster Innendurchmesser 0,6 mm und dessen kleinster Innendurchmesser (d.h. derjenige am freien Ende des Rubinstücks) 50 #m beträgt. Nach Einpassen des Rubinstücks in die Ausnehmung des Formlings werden beide Teile während 2 Stunden in einem Ofen bei 1780 0C gebrannt und dann abkühlen gelassen. Der so erhaltene Verbundkörper wird am freien Ende mit dem Rubinstück konisch geschliffen, so dass die gewünschte Drahtzuführvorrichtung mit einer konischen Rubinspitze erhalten wird, die fest im keramischen Hauptstück der Vorrichtung sitzt. Die Rubinspitze enthält die für die sichere Zuführung von Feindraht erforderliche kapillare Bohrung.