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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweissen der
zwei Endabschnitte einer Spule auf die zwei elektrischen Kontaktklötzchen oder
-bereiche einer integrierten Schaltung oder einer elektronischen
Einheit mit kleinen Abmessungen. Der Stromanschluss der zwei Endabschnitte
der Spule an die elektrischen Kontaktklötzchen oder -bereiche wird
im allgemeinen mittels einer zu diesem Zweck vorgesehenen Thermode
ausgeführt.
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Insbesondere
aus dem Dokument
US 5,572,410 ist
ein Verfahren zum Fügen
einer Spule mit einer elektronischen Schaltung bekannt. Gemäss diesem
Verfahren ist vorgesehen, eine elektronische Schaltung, insbesondere
einen integrierten Halbleiterschaltkreis, und einen nahebei plazierten
Spulenkern zu liefern. Dann wird in automatischer Weise ein isolierter
elektrischer Draht um den Kern gewickelt, wobei die zwei Endabschnitte
der Spule derart angeordnet werden, dass sie den elektrischen Kontaktklötzchen der
elektronischen Schaltung überlagert sind
(siehe
1 und
3). Dann werden die zwei Endabschnitte
der Spule, die sich direkt oberhalb der Metallklötzchen befinden, mittels einer
automatischen Schweissvorrichtung an diese Klötzchen geschweisst, welche
Vorrichtung die Isolation des Drahts der Spule, d.h. die den elektrischen
Draht schützende
isolierende Hülle
simultan zum Schweissen entfernt (Kolonne 3, Linien 26 bis 30).
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Es
resultiert aus dem weiter oben beschriebenen Fügungsverfahren ein Hauptnachteil.
Man hat nämlich
festgestellt, dass die Ausführung
des zuvor beschriebenen Verfahrens mit integrierten Schaltungen
in einem relativ beträchtlichen
Ausmass Schäden
an der integrierten Schaltung selbst und insbesondere an den oberen
Schichten, insbesondere an der Passivierungsschicht, verursacht.
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Die
Schweissung durch Thermopressung der Endteile des isolierten Drahts
der Spule auf die Metallbereiche oder -klötzchen der integrierten Schaltung
benötigt
nämlich
einen gewissen Druck und eine hohe Temperatur, die beispielsweise
in der Grössenordnung
von 500°C
ist.
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Im
Fall der vorliegenden Erfindung hat man festgestellt, dass die hohe
Temperatur, die für
die Beseitigung der isolierenden Hülle und für die gleichzeitige Schweissung
des elektrischen Drahts auf die Metallklötzchen oder -bereiche der integrierten Schaltung
nötig ist,
erhebliche mechanische und thermische Beanspruchungen bewirkt, die
insbesondere auf eine Wärmedehnung
der Metallklötzchen oder
-bereiche der integrierten Schaltung zurückzuführen sind. Der Druck und die
Wärme,
die für
das zuvor beschriebene Verfahren nötig sind, erzeugen somit in
der integrierten Schaltung Mikrorisse, die sie beschädigen und
unbrauchbar machen können.
Somit ist mit diesem Verfahren der industrielle Ertrag relativ wenig
gross.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die zuvor erwähnten Nachteile
zu beheben, indem ein wirksames Schweissverfahren geliefert wird,
das die Schaltung oder die elektronische Einheit vor diese Schaltung
oder diese elektronische Einheit schädigenden mechanischen oder
thermischen Beanspruchungen schützt.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung ein Verfahren zum Schweissen von zwei Endabschnitten einer
Spule auf zwei elektrische Kontaktklötzchen oder -bereiche einer
integrierten Schaltung oder einer elektronischen Einheit mit kleinen
Abmessungen gemäss
Patentanspruch 1 vor.
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Dank
dem Schweissverfahren gemäss
der Erfindung ist es möglich,
die zwei Endabschnitte des die Spule bildenden elektrischen Drahts
bei einer relativ geringen Temperatur, die insbesondere unterhalb
von 200°C
liegt, auf die integrierte Schaltung oder an die elektronische Einheit
zu schweissen. Die Beseitigung der isolierenden Hülle kann
nämlich
bei einer hohen Temperatur in der Grössenordnung von 500°C ausgeführt werden,
während
die Temperatur, die für
das Schweissen des elektrischen Drahts selbst auf die Metallbereiche
oder -klötzchen
der Schaltung oder der elektronischen Einheit nötig ist, viel geringer sein
kann. Ferner ist unter diesen Bedingungen ein relativ geringer Schweissdruck
nötig.
In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, die Endabschnitte des elektrischen Drahts
der Spule mit Hilfe eines Ultraschallkopfs aufzuschweissen, der
die Metallklötzchen
oder -bereiche auf einer Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur
lässt.
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Die
Erfindung wird weiter unten ausführlicher mit
Hilfe der nachfolgenden Beschreibung beschrieben, welche unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
gemacht ist, die als keineswegs einschränkende schematische Beispiele
gegeben sind, in denen:
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– 1 eine
Draufsicht einer Spule und einer integrierten Schaltung in einer
Anordnung ist, die ermöglicht,
die Endabschnitte des Spulendrahts auf die Metallklötzchen der
integrierten Schaltung zu schweissen;
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– die 2a, 2b und 2c schematisch
eine erste Ausführungsform
des Verfahrens gemäss
der Erfindung darstellen;
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– 3 eine
vergrösserte
Ansicht eines Teils der 2c ist;
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– 4 eine
perfektionierte Ausführungsform
der auf der 2 dargestellten Einheit
für die Beseitigung
der isolierenden Hülle
darstellt;
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– 5 schematisch
eine Ausführungsform einer
Schweisseinheit darstellt, die ermöglicht, abwechselnd die Beseitigung
der isolierenden Hülle und
die Schweissung der Endteile des elektrischen Drahts auf die Metallklötzchen auszuführen;
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– die 6a, 6b und 6c schematisch
eine zweite Ausführungsform
des Verfahrens gemäss
der Erfindung beschreiben.
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Auf
1 ist
eine integrierte Schaltung
2 und eine Spule
4 dargestellt,
die zwei Endabschnitte
6 und
8 aufweist, die ähnlich wie
im Stand der Technik
US 5,572,410 angeordnet
sind, in welchem der Fachmann weitere detaillierte Informationen über das
Fügungsverfahren
gemäss
der vorliegenden Erfindung insbesondere hinsichtlich der Wicklung
des Spulendrahts
10 um den diese Spule tragenden Kern
12 finden
kann. Die elektronische Schaltung wird in einem ersten Träger
14 gehalten,
der ein elastisches Element
16 umfasst, das zur starren
Halterung der Schaltung
2 dient. Ebenso wird die Spule
durch einen zweiten Träger
18,
der einen Endteil des Kerns
12 festklemmende Greifmittel
umfasst, in der Verlängerung
der Schaltung
2 gehalten. Die Endabschnitte
6 und
8 des
die Spule bildenden Drahts
10 weisen zwei entsprechende
Bereiche
20 und
22 auf, die den beiden elektrischen
Kontaktbereichen
24 bzw.
26 der Schaltung
2 überlagert
sind. Die elektrischen Kontaktbereiche
24 und
26 sind
insbesondere aus Metallklötzchen
(gemäss
englischer Terminologie "bumps" genannt) gebildet.
Die Abmessungen dieser Metallklötzchen
können
veränderlich
sein und werden an das Schweissverfahren gemäss der Erfindung angepasst.
Im allgemeinen sind diese Klötzchen
mit einer relativ grossen Länge
vorgesehen, die ein Schweissen des Drahts
10 über eine
gewisse Länge
ermöglicht,
um eine gute Befestigung der Endabschnitte
6 und
8 an
den Klötzchen
24 und
26 sicherzustellen.
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Die 2a bis 2c umfassen
einen teilweisen Schnitt der 1. Die bereits
weiter oben beschriebenen Elemente werden in der Folge nicht erneut
im Detail beschrieben.
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Wenn
die integrierte Schaltung 2 und die Spule 4 in
ihrem Träger 14 bzw. 18 positioniert
sind, werden die Endabschnitte 6 und 8 des Drahts 10 in einem
gewissen Abstand von den Klötzchen 24 und 26 gehalten,
um einen die Schweissung vorbereitenden Schritt gemäss der Erfindung
auszuführen.
Wie dies auf den 2a und 2b dargestellt
ist, wird eine erste Heizeinheit 30, die ein erstes Heizelement 32 mit
einer Breite L, die merklich gleich oder grösser als die Länge der
Klötzchen 24 und 26 ist,
aufweist, oberhalb der Endabschnitte 6 und 8 angeordnet
und in Richtung zu diesen Abschnitten abgesenkt, um den Draht 10 lokal
zu erhitzen und die den elektrischen Draht umgebende isolierende
Hülle wenigstens
teilweise zu schmelzen oder zu sublimieren. Es ist festzuhalten,
dass das Heizelement 32 vorzugsweise eine Neigung aufweist,
die merklich der Neigung der Endabschnitte 6 und 8 derart
entspricht, dass die auf die Endabschnitte 6 und 8 ausgeübten Beanspruchungen,
insbesondere die Zugbeanspruchungen, limitiert werden. Dieses Merkmal
ist umso wichtiger, wenn die beiden Abschnitte 6 und 8 anfänglich nicht
in einer gleichen Ebene liegen. In diesem letzten Fall ist es ebenfalls
möglich
vorzusehen, dass das Heizelement 32 zwei verschiedene Niveaus gemäss einer
zu der Ebene der 2a senkrechten Richtung aufweist,
um nicht die beiden Abschnitte 6 und 8 in eine
gleiche Ebene bringen zu müssen,
wie dies auf 2b der Fall ist.
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Wie
dies bereits erwähnt
worden ist, beträgt die
Temperatur, die gebräuchlich
ist, um die isolierende Hülle
eines für
eine Wicklung mit kleinen Abmessungen verwendeten elektrischen Drahts
zu schmelzen oder zu sublimieren, etwa 500°C. Die Einheit 30 ist
also derart beschaffen, dass sie im Bereich des Heizelements 32 eine
solche Temperatur liefert. Man bemerkt, dass auf den 2a und 2b der
die Schweissung vorbereitende Schritt oberhalb der Klötzchen 24 und 26 der
integrierten Schaltung 2 ausgeführt wird, wobei die Endabschnitte 6 und 8 des Spulendrahts
bereits derart positioniert sind, dass sie Bereiche 20 bzw. 22 aufweisen,
die den Klötzchen 24 und 26 überlagert
sind. In einer Variante dieser Ausführungsform kann der die Schweissung
vorbereitende Schritt jedoch vor der Abstimmung der Spule und der
für sie
bestimmten integrierten Schaltung ausgeführt werden, die nach diesem
vorbereitenden Schritt angeordnet wird, um insbesondere zu vermeiden, dass
sich das die Hülle
bildende Material auf die Klötzchen 24 und 26 ergiesst.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
des Verfahrens gemäss
der Erfindung ist vorgesehen, den die Schweissung vorbereitenden
Schritt an einer Station auszuführen,
die aufwärts
zur eigentlichen Schweisseinrichtung liegt. In diesem Fall unterliegt die
Spule 4 einer Verlagerung gemäss einer Richtung, die senkrecht
zur Ebene der 2a ist. An einer ersten Station
führt die
erste Heizeinheit 30 die Beseitigung der isolierenden Hülle an den
Stellen der Abschnitte 6 und 8 aus, die für die Schweissung
an die Klötzchen 24 und 26 vorgesehen
sind. Dann werden die Spule 4 mit ihrem Kern 12 und
der Träger 18 in
Richtung zu einer zweiten Arbeitsstation verlagert, um den Schweissvorgang
auszuführen,
wobei dann die relative Position der Spule 4 und der Schaltung 2 in
einer Draufsicht der 1 entspricht.
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Wenn
der die Schweissung vorbereitende Schritt einmal ausgeführt ist,
wird die erste Heizeinheit 30 zurückgezogen oder in einer Variante,
die zwei verschiedene Arbeitsstationen für den vorbereitenden Schritt
und den Schweissschritt vorsieht, wird die Spule 4 zur
Schweisseinrichtung hin verlagert. Die Endabschnitte 6 und 8 werden
in die Nähe
der Klötzchen 24 und 26 gebracht,
und zwar insbesondere durch eine senkrechte Verlagerung der Schaltung 2.
Dann wird die Schweissung mittels einer zweiten Heizeinheit 34 ausgeführt, die
ein Heizelement 36 umfasst. Diese zweite Heizeinheit definiert
eine herkömmliche
Thermode. Wie dies bereits erwähnt
worden ist, benötigt
das Schweissen der abgemantelten Endbereiche an die Klötzchen 24 und 26 eine
Temperatur, die klar geringer ist als die für die Beseitigung der isolierenden Hülle nötige Temperatur.
Beispielshalber liegt die Temperatur des Heizelements 36 zwischen
100 und 150°C,
um die Schweissung auszuführen.
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3 ist
eine vergrösserte
Teilansicht der 2c, in der man die zwei Bereiche 20 und 22,
die abgemantelt, d.h. ohne isolierende Hülle, sind, und das Heizelement 36 erkennt,
das ein Profil aufweist, das günstig
für die
Schweissung und den Abriss der Endabschnitte ist, die auf der der
Spule 4 gegenüberliegenden
Seite verbleiben.
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Gemäss einer
Variante ist vorgesehen, stellvertretend für die Thermode einen Ultraschallkopf
zu verwenden, um eine Schweissung auszuführen, bei der die Temperatur
der Klötzchen
auf einem Wert in der Nähe
der Umgebungstemperatur gehalten wird. Dies ermöglicht, alle an die Erhitzung
dieser Klötzchen
und somit an deren Wärmedehnung
gebundenen Gefahren auszuschalten.
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Auf 4 ist
eine perfektionierte Variante der ersten Heizeinheit dargestellt,
die zu dem die Schweissung vorbereitenden Schritt dient. Um eine wirksame
Erhitzung der isolierenden Hülle
für deren lokales
Schmelzen oder Sublimieren sicherzustellen, umfasst die Heizeinheit 30A ein
Heizelement 32A, das zwei Wellentäler oder Nuten 40 und 41 umfasst, in
die sich die Endabschnitte 6 bzw. 8 des Drahts 10 der
Spule einfügen.
Das Profil des Heizelements 32A ermöglicht somit, die zwei Abschnitte 6 und 8 richtig zu
positionieren, um eine wirksame Erhitzung der Hülle 42 auf dem ganzen
Umfang des metallischen Drahts 44, der den elektrischen
Spulendraht 10 bildet, sicherzustellen. Das Profil der
Nuten 40 und 41 kann gemäss verschiedenen Varianten
ausgeführt werden.
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Auf 5 ist
eine Heizeinheit 48 dargestellt, die ein erstes Heizelement 32B für den vorbereitenden
Schritt und ein Heizelement 36, das demjenigen, welches
auf 2c beschrieben ist, gleicht, für den Schweissschritt selbst
umfasst. Das Element 32B für Erhitzen bei hoher Temperatur
ist Antriebsmitteln 50 zugeordnet, die ermöglichen,
dieses Element 32B um eine Achse 52 drehen zu
lassen. Das Heizelement 32B ist mit zwei seitlichen Armen
verbunden, wovon einer 55 auf 5 sichtbar
ist. Diese seitlichen Arme und das Heizelement 32B bilden
ein U, dessen zwei Endteile mit den Antriebsmitteln 50 verbunden
sind. Durch eine Drehbewegung wird das Heizelement 32B in
eine senkrechte Position, die gestrichelt dargestellt ist, gebracht,
um den die Schweissung vorbereitenden Schritt auszuführen, bei
dem die isolierende Hülle
des Spulendrahts lokal geschmolzen oder sublimiert wird, wie dies
zuvor beschrieben worden ist. Wenn dieser vorbereitende Schritt
einmal fertig ist, wird das Heizelement 32B in eine Position
gebracht, in der das Heizelement 36 für die Schweissung freigelegt
ist, insbesondere in eine horizontale Position, wie dies auf 5 dargestellt ist.
Wie dies bereits zuvor beschrieben worden ist, arbeitet das Heizelement 36 vorzugsweise
bei einer Temperatur, die in Bezug auf die Arbeitstemperatur des
Heizelements 32B verhältnismässig wenig
hoch ist.
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Auf
den 6a bis 6c ist
eine zweite Ausführungsform
des Verfahrens gemäss
der Erfindung dargestellt. Wenn die elektronische Schaltung 2 einmal
auf ihrem Träger 14 plaziert
ist und die Spule ausgebildet und für die Schweissung mit ihren
zwei Endabschnitten 6 und 8, die zwei den Klötzchen 24 bzw. 26 der
Schaltung 2 überlagerte
Bereiche aufweisen, angeordnet ist, wird in dem die Schweissung vorbereitenden
Schritt vorgesehen, die Abschnitte 6 und 8 in
einem gewissen Abstand von der integrierten Schaltung 2 zu
halten und mittels einer Heizpresse 58 die isolierende
Hülle lokal
zu entfernen. Diese Heizpresse 58 ist beweglich auf einem
Sockel 60 angeordnet und umfasst zwei Arme oder Platten 62 und 64,
die beweglich zueinander angeordnet sind, um den Abstand zwischen
ihnen variieren zu können.
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Um
den die Schweissung vorbereitenden Schritt auszuführen, werden
die Thermode 34 und die integrierte Schaltung 2 in
einem gewissen Abstand von den Endabschnitten 6 und 8 des
Drahts 10 angeordnet, der die Spule bildet (auf den 6a bis 6c nicht
dargestellt). Die Heizpresse 58 unterliegt dann einer horizontalen
Verlagerung mit den Armen oder Platten 62 und 64 in
gespreizter Position bis wenigstens die Bereiche 20 und 22 des
Drahts 10 (siehe 1) zwischen den Armen oder Platten 62 und 64 liegen.
Dann werden diese Arme 62 und 64 durch eine senkrechte
Bewegung des Arms 64 zusammengerückt, bis der Draht 10 mit
den beiden Armen 62 und 64 in Kontakt ist. Wenigstens
einer dieser beiden Arme wird erhitzt, vorzugsweise jedoch beide,
um die den Metalldraht des Spulendrahts 10 isolierende
Hülle zu
schmelzen oder zu sublimieren. Dann werden die Arme 62 und 64 erneut
gespreizt, und die Heizpresse 58 wird zurückgezogen.
Dann werden die Endabschnitte 6 und 8, die beide
einen abgemantelten Bereich aufweisen, an die Metallklötzchen 24 und 26 herangerückt, um
darauf geschweisst zu werden. Um dies auszuführen, ist es möglich, die
Endabschnitte 6 und 8 relativ zur integrierten
Schaltung 2 zu verlagern, insbesondere indem die Neigung
dieser Endabschnitte verändert wird
oder indem die relative Position der Spule in Bezug auf die integrierte
Schaltung 2 verändert
wird. In einer auf 6c dargestellten bevorzugten
Variante ist jedoch vorgesehen, die integrierte Schaltung 2 in Richtung
zu den Endabschnitten 6 und 8 zu verlagern. Um
dies auszuführen,
kann der Träger 14 gemäss einer
Richtung verlagert werden, die senkrecht in Bezug auf den Sockel 68 ist,
auf welchem er montiert ist. Schliesslich wird die Thermode 34 in
Richtung zu den Endabschnitten 6 und 8 abgesenkt,
um die Schweissung dieser Abschnitte auf die elektrischen Kontaktklötzchen 24 und 26 der
integrierten Schaltung 2 auszuführen.