-
Verfahren zum Stumpfschweißen von dünnen Drähten an flächenhaften
Werkstücken Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stumpfschweißen von dünnen
Drähten auf flächenhaften Werkstücken mittels Kondensatorentladung, bei dem in getrennten
Arbeitsgängen erst in einem Lichtbogen in Schutzgasatmosphäre die Schweißperle hergestellt
und dann die eigentliche Schweißung am Werkstück erfolgt. Das Befestigen von dünnen
Drähten auf schweißbare Werkstücke, z. B. das Anbringen von elektrischen Kontakten
und Zuleitungen, ist seit langer Zeit bekannt und erprobt. Schwieriger ist das Anschweißen
von Drähten, sobald der Durchmesser der Drähte unterhalb von etwa 0,5 mm liegt.
Als geeignet für die Drahtschweißung hat sich im gewissen Umfang die Widerstandsschweißung
unter Anwendung einer Kondensatorentladung als Energiequelle gezeigt.
-
Bekanntlich müssen bei der Widerstandsschweißung allgemein verschiedene
schweißtechnische Bedingungen eingehalten werden. So wird der erforderliche Andruck
der zu verbindenden Materialien in der Schweißzone durch die Elektroden und die
zu verschweißenden Werkstücke übertragen. Bekanntlich ist der aufzunehmende Elektrodendruck
durch die Form und die Größe der Schweißzone, die elektrische Leitfähigkeit der
zu befestigenden Materialien und die elektrische und thermische Leitfähigkeit der
Elektroden bestimmt.
-
Da sich die zum Schweißen benötigte Energie mit der Größe der Schweißfläche
erhöht und ein Teil der Energie durch Wärmeleitung verlorengeht, ändert sich die
erforderliche Schweißenergie von Fall zu Fall. Außerdem wird dafür gesorgt, daß
der größte elektrische Widerstand in der Schweißzone entsteht. Für den Fall, daß
Drähte von etwa 1 mm Durchmesser auf flächenhafte Werkstücke, z. B. auf Blech, stumpf
aufgeschweißt werden sollen, werden im allgemeinen der Elektrodendruck und die benötigte
Leistung eingestellt und dann der eigentliche Schweißvorgang ausgelöst. Dabei zeigt
sich, daß die Drähte bei geringem Drahtdurchmesser durch Druck und Strombelastung
leicht verbiegen, so daß keine Schweißverbindung zustande kommt. Dieser Mangel läßt
sich auch nicht durch Kürzen des aus der Schweißelektrode herausragenden Drahtes
beseitigen.
-
Es ist auch ein zweistufiges Drahtschweißverfahren bekannt, das mittels
Kondensatorentladung arbeitet. In einem ersten Arbeitsgang werden dabei die Pole
eines geladenen Kondensators an die beiden sich gegenüberstehenden Elektroden angelegt
und dann die beiden Elektroden gegeneinander bewegt, so daß in einem geringen Abstand
die Kondensatorentladung erfolgt. Dabei tritt an den Enden der drahtförmigen Elektroden
eine Schweißperle auf. Dazu ist aber ein Drahtvorschub mit definierter Bewegung
erforderlich, damit nicht anstatt der Schweißperle eine in diesem Stadium des Schweißprozesses
unerwünschte Schweißverbindung entsteht. Im zweiten Arbeitsgang werden dann die
Drähte mit den gebildeten Schweißperlen miteinander verschweißt. Diesem Verfahren
haften aber gewisse Mängel an, da es nicht zu regelmäßig geformten Schweißperlen
mit definierter Größe führt, was zum Teil auf das Gegeneinanderbewegen der Elektroden
zurückzuführen ist. Der Perlendurchmesser wird bei dieser Arbeitsweise von dem Beginn
der Bogenentladung beeinflußt, so daß sich bei dem geringen Elektrodenabstand schon
die unterschiedliche Ausbildung der Schnittfläche des Drahtes bemerkbar macht. Eine
vorausbestimmbare Ausbildung der Schweißperlengröße ist aber wesentlich für den
zweiten Schritt, wenn es sich darum handelt, nur einen eng begrenzten Bereich von
flächenhaften Werkstücken, wie z. B. in der Halbleitertechnik bei Halbleiterbauelementen,
für die Schweißverbindung einzuhalten. Aus diesem Grund wurden in der Praxis andere
Wege eingeschlagen, um die geforderten Schweißverbindungen zu erhalten. Es ist z.
B. ebenfalls bekannt, den anzuschweißenden Draht rechtwinklig umzubiegen und das
abgebogene Drahtende auf dem Körper anzuschweißen. Diese Art der Befestigung beansprucht
einen relativ großen Platz und ist deshalb in vielen Fällen ebenfalls nicht anwendbar.
Außerdem wird aber der Drahtquerschnitt an der Biegestelle geschwächt, so daß sich
die Festigkeit verringert. In anderen Fällen geht man daher so vor, daß das Ende
des zu befestigenden Drahtes vor dem Schweißprozeß verformt wird. Dieses kann durch
Anstauchen des Drahtendes geschehen. Durch diese Formgebung ist man in der
Lage,
den erforderlichen Elektrodendruck, ohne Verbiegen des Drahtes befürchten zu müssen,
bei gleichzeitig kurzem Strompfad auf die Schweißzone zu übertragen. Das Anstauchen
der Drahtenden ist aber bei Drähten mit geringem Drahtdurchmesser mit beträchtlichem
Aufwand verbunden, so daß es nur im beschränkten Umfang angewandt werden kann.
-
Zweck der Erfindung ist es, ein Schweißverfahren für Halbleiterbauelemente
zu schaffen, mit dessen Hilfe eine Serienfertigung möglich und eine geringe Ausschußquote
gewährleistet ist.
-
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, je nach
Drahtdurchmesser ein ständig gleichbleibendes Volumen der Schweißperlen zu erreichen.
-
Im Gegensatz zu einem bekannten Verfahren, bei dem die Kondensatorentladung
durch ein Aneinanderrücken der beiden Elektroden erfolgt, besteht die Erfindung
darin, daß die Kondensatorentladung zur Erzeugung der Schweißperle zwischen dem
aus einer Elektrode mit kontinuierlichem Drahtvorschub herausragenden Draht und
einer im festen Abstand davon angeordneten Gegenelektrode, an welcher der Pluspol
des Kondensators vorbestimmter Kapazität liegt, durch kurzzeitiges Anlegen einer
Stoßspannung ausgelöst wird.
-
Dabei wird, wie bekannt, ebenfalls in einer ersten Verfahrensstufe
an dem zu befestigenden Draht eine Schweißperle angebracht und in einer zweiten
Verfahrensstufe der Draht mit der Schweißperle an das Werkstück angeschweißt. Die
erste Verfahrensstufe, die zur Bildung der Schweißperle führt, beruht auf der aperiodischen
Entladung eines Kondensators. Die Energie des entsprechenden Lichtbogens, die sich
durch Wahl der Spannung und der Kapazität des Kondensators dem zu verformenden Draht
anpassen läßt, wird durch zwei Elektroden konzentriert. Die eine Elektrode wird
durch den zu befestigenden Draht selbst dargestellt. Der mit der Schweißperle zu
versehende Draht wird an den Minuspol des Kondensators angelegt. Als Gegenelektrode
dient nicht ein anderes Stück eines Drahtes, wie es beim Verschweißen einer Draht-Draht-Verbindung
der Fall ist. Als Gegenelektrode ist vielmehr eine Elektrode vorgesehen, an deren
Spitze bei Kondensatorentladung keine Perlenbildung eintritt. Als geeignetes Material
für die Gegenelektrode haben sich Graphit, Kupfer und Molybdän bewährt. Es kommt
dabei darauf an, ein Material zu verwenden, das unter Schutzgasatmosphäre durch
den Lichtbogen kaum beeinflußt wird. Die Kondensatorentladung wird durch Anlegen
einer kurzzeitigen Stoßspannung von einigen Kilovolt, d. h. von etwa 3 kV, ausgelöst.
Die Höhe der erforderlichen Stoßspannung hängt beim Arbeiten in Schutzgasatmosphäre
im gewissen Grade von dem verwandten Schutzgas ab und läßt sich ohne weiteres darauf
abstimmen. Durch diese Art des Entladevorganges kommt es zu einer regelmäßigen definierten
Perlenbildung am Drahtende. Letzteres ist aber für die zweite Verfahrensstufe von
entscheidender Bedeutung. Je nach der Kapazität des verwendeten Kondensators kann
es erforderlich werden, einen entsprechenden Widerstand in Reihe dazuzuschalten.
Die Größe der Schweißperle läßt sich durch Wahl der Energiemenge leicht festlegen.
Da die erforderliche Energie abhängig ist vom Drahtquerschnitt, läßt sich die Energie
des Kondensators bei dünnen Drähten so weit verringern, bis die Zündenergie der
eigentlichen Energie des Kondensators überwiegt. Bei sehr dünnen Drähten braucht
also nur noch mit einem Zündfunken gearbeitet zu werden. Der gesamte Vorgang läuft
erforderlichenfalls, wie bekannt, in Schutzgasatmosphäre ab, so daß eine Oxydation
des Drahtes vermieden wird. Als Schutzgase eignen sich Argon, Stickstoff od. dgl.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich insbesondere bei Metallkombinationen,
wie Ni-W, Mo-W, Kovar-CrNi anwenden. Zum besseren Verständnis des Verfahrens sei
dieses an Hand eines Ausführungsbeispieles (s. Zeichnung) näher erläutert.
-
Zum Anbringen einer Schweißperle an den zu befestigenden Draht, der
von einer Drahtrolle 8
durch die Schweißelektrode 1 geführt wird, befindet
sich zunächst gegenüber dem Drahtende eine Gegenelektrode 2. Die Gegenelektrode
2 wird erforderlichenfalls von einem Schutzgas umhüllt, das durch eine Leitung 3
zugeführt werden kann. Zweckmäßigerweise lassen sich die Gegenelektrode und die
eigentliche Schweißelektrode 5 auf einem beweglichen Tisch 4 nebeneinander anordnen.
Der mit der Schweißperle zu versehende Draht wird mit einer entsprechenden Vorrichtung
7 geglättet und für den Entladevorgang mit einem Stromanschluß verbunden. Nachdem
durch eine angelegte Stoßspannung, z. B. von 3 kV bei Argon als Schutzgas, eine
Kondensatorentladung über die Gegenelektrode 2 und dem Drahtende erfolgt ist und
sich die Schweißperle gebildet hat, wird die Schweißelektrode 5 mit dem zu kontaktierenden
Werkstück 6 unter die Schweißelektrode 1 gebracht. Letzteres kann vorteilhaft durch
Verschieben oder Drehen des Tisches 4 erfolgen. Die justierte Schweißelektrode
1 mit dem herausragenden Drahtende mit Schweißperle wird sodann auf das zu
kontaktierende Werkstück lokalisiert und anschließend die eigentliche Schweißung
vorgenommen. Nach der Schweißung wird der Draht in der geforderten Länge mittels
einer Schneidevorrichtung 9
abgetrennt, dazu wird vorher die Schweißelektrode
aus der Arbeitsstellung entfernt.
-
Beide Verfahrensschritte, nämlich die Herstellung der Schweißperle
und die eigentliche Schweißung, lassen sich unmittelbar nacheinander ausführen oder
auch getrennt voneinander, indem z. B. der Draht nach Anbringen der Schweißperle
in der geforderten Länge abgeschnitten wird.