DE102006003735A1 - Anordnung zum Befestigen von elektronischen Bauelementen auf einem Träger - Google Patents

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Abstract

Anordnung zur Befestigung einer Vielzahl von Bauelementen (9, 10) insbesondere mit unregelmäßiger Oberflächentopographie auf einem Träger (7) mittels Fügens mit einem Fügewerkzeug, das eine Werkzeugunterkonstruktion (5) und eine Werkzeugoberkonstruktion (6) aufweist, wobei die Werkzeugunterkonstruktion (5) zur Aufnahme des Trägers und der darauf zu befestigenden Bauelemente ausgebildet ist und die Werkzeugoberkonstruktion (6) zusätzlich zu einer Anordnung (11, 12) zum Übertragen von Fügekräften eine Anordnung zum Ausgleichen von Verkippungen zwischen Bauelementen und Träger und/oder eine Anordnung zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopologien aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum verkippungsfreien Befestigen von elektronischen Bauelementen, insbesondere großflächigen Halbleiterkörpern mit unregelmäßiger Oberflächentopographie mittels Fügen auf einem Substrat ohne Abnutzung des beim Fügen verwendeten Fügewerkzeugs.
  • Zum Befestigen von elektronischen Bauelementen, insbesondere großflächigen Halbleiterkörpern, werden nach dem Stand der Technik unterschiedliche Fügeverfahren angewendet. Die diesen Fügeverfahren zugrunde liegenden stoffschlüssigen Fügetechniken umfassen beispielsweise Schweißen, Löten, Sintern und Kleben. Durch die Weiterentwicklung konventioneller Verfahren und die Entwicklung neuer Verfahren konnte die Fügetechnik den zunehmenden Anforderungen moderner Produkte, insbesondere auch der Mikroelektronik angepasst und das Anwendungsspektrum kontinuierlich erweitert werden. Die besondere Bedeutung der Fügetechnik für die zu erzielenden Produkteigenschaften beruht darauf, dass die Verbindungsstellen den Funktionseigenschaften der Fügeteile entsprechende Anforderungen erfüllen müssen. Dies setzt insbesondere auch fügegerechte Konstruktion und optimierte Präzision sowie Haltbarkeit der in den Fügeverfahren eingesetzten Werkzeuge voraus.
  • Bei der Herstellung von Fügeverbindungen werden nach dem Stand der Technik typischerweise druck- und temperaturgesteuerte Verbindungstechniken, wie zum Beispiel Die-Bonden, Niedertemperatur-Verbindungstechnik oder Diffusionslöten angewendet (siehe beispielsweise EP 1030349 , EP 0790647 , US 6727587 , DE 19531158 , EP 275433 , EP 242626 , EP 330895 , US 5379942 ).
  • Dabei wird eine dauerhafte und temperaturstabile, metallische Verbindungsschicht zwischen einem elektronischen Bauelement und einem Substrat durch Fügen unter Anwendung eines hohen Drucks und einer vom angewendeten Verfahren abhängigen Temperatur gebildet. Hierzu wird vor dem Fügevorgang entweder auf der Substrat- oder der Seite des elektronischen Bauelements ein Lot- bzw. Sintermaterial aufgebracht. Mögliche Verfahren zum Aufbringen einer solchen Schicht sind zum Beispiel Dispens-, Sputter-, Aufdampf-, Siebdruck- oder Sprühprozesse. Die so vorbereiteten Bauteile werden anschließend im Fügevorgang passgenau aufeinander gesetzt und über einen statisch aufgebrachten Druck und eine Fügetemperatur miteinander verbunden. Dabei wird die Lot- bzw. Sinterschicht in eine üblicherweise hoch schmelzende Verbindungsschicht zwischen elektronischem Bauelement und Substrat umgesetzt. Diese Schicht stellt über die Bildung von intermetallischen Phasen eine formfeste Verbindung zwischen Substrat und dem elektronischen Bauelement her.
  • Beim Diffusionslöten diffundieren Metallatome des Lotes in das Werkstück und umgekehrt vom Werkstück in das Lot. Dadurch bildet sich eine Legierungszone aus. Voraussetzung für das Diffusionslöten ist die Mischbarkeit der verwendeten Metalle. Die Diffusion ist stark temperaturabhängig, das heißt je höher die Löttemperatur desto höher der Diffusionsgrad und desto breiter die Legierungszone, wobei sich ein hoher Diffusionsgrad entsprechend positiv auf die Festigkeitswerte der Verbindung, wie zum Beispiel die Scherfestigkeit, auswirkt.
  • Neben den elektrischen Funktionen muss eine Fügeverbindung zwischen einem elektronischen Bauelement und dem Substrat beispielsweise auch die Eigenschaft besitzen, die an einem elektronischen Bauelement entstehende Wärme gut abzuleiten und thermomechanische Spannungen aufzunehmen. Bei elektronischen Bauelementen wie beispielsweise Leistungshalbleitern sind die Anforderungen in Bezug auf diese Eigenschaften besonders hoch. So sperrt ein moderner IGBT (Insulated Gate Bi polar Transistor) zum Beispiel bei 1.7 kV und kann einen Laststrom von 75 A bei einer Durchlassspannung von 3.8 V aufweisen. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der Schaltverluste muss im typischen Einsatz eine Wärmeverlustleistung von etwa 500 W abgeführt werden können.
  • Das elektronische Bauelement selbst, welches in diesem Fall eine Wärmequelle darstellt, ist beispielsweise nur etwa 1,3 cm × 1,3 cm groß. Das elektronische Bauelement und die dieses Bauelement umgebenden Materialien müssen einem ständigen Temperaturwechsel von niedrigen Umgebungstemperaturen bis beispielsweise herab zu –55° Celsius und Betriebstemperaturen bis hinauf zu etwa +150° Celsius standhalten können. Diese hohen Anforderungen können nicht von allen nach dem Stand der Technik üblichen Verbindungstechniken erfüllt werden, weswegen in diesen Fällen das Verfahren der so genannten Niedertemperatur-Verbindungstechnik eingesetzt wird. Dieses Verfahren beruht auf dem Drucksintern bestimmter Silberpulver bei im Vergleich zu anderen Verfahren niedriger Temperatur von etwa 250° Celsius und moderatem Druck von etwa 40 MPa bei einer Einwirkzeit von etwa 3 Minuten. Die zu verbindenden Flächen müssen mit Gold oder Silber metallisiert sein, wobei die oben erwähnten Dispens-, Sputter-, Aufdampf-, Siebdruck- oder Sprühverfahren zum Einsatz kommen.
  • Im Zuge dieses Verfahrens entsteht eine sehr stabile, hoch wärme- und elektrisch leitfähige, schwammartige Verbindungsschicht zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Substrat. Die Vorteile dieser Verbindungstechnik gegenüber anderen Verfahren wie Löten und Bonden sind unter anderem das Nichtvorhandensein einer flüssigen Phase während des Vorganges selbst, da es sich um eine Festkörperreaktion handelt, hohe Festigkeit auch oberhalb der Prozesstemperatur (etwa 250° Celsius), eine lunkerfreie Verbindungsschicht, stark reduzierte thermomechanische Spannungen, hohe Lastwechselfestigkeit sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit.
  • Da bei allen nach dem Stand der Technik angewendeten Verfahren die Dicke der zu bildenden Verbindungsschicht zwischen den elektronischen Bauelementen und dem Substrat im Bereich von Mikrometern liegt, ist eine planparallele Ausrichtung der zu verbindenden Oberflächen zueinander ausschlaggebend für den Erfolg und die Güte der erzielten Verbindung. Weiterhin weisen viele der heute nach dem Stand der Technik verwendeten elektronischen Bauelemente eine Oberflächentopographie auf, die eine gleichmäßige Krafteinleitung in die Oberfläche dieser Bauelemente erschwert. Aus diesem Grund werden nach dem Stand der Technik in Verbindung mit Fügewerkzeugen Kunststoffe eingesetzt, und um die Bauelemente während des Fügevorgangs nicht zu beschädigen.
  • Dabei sollen diese Kunststoffe durch ihre Elastizität Verkippungen und unregelmäßige Oberflächentopographien der elektronischen Bauelemente in einem begrenzten Maße ausgleichen können. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung eines Silikonkissens bei der oben erwähnten Niedertemperatur-Verbindungstechnik. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift EP 330895 beschrieben. Dort wird die Drucksinterung von Bauelementen mit strukturierter Oberflächentopographie beschrieben, wobei die elektronischen Bauelemente gemeinsam mit einem Körper aus elastisch verformbarem Material, zum Beispiel Silikonkautschuk, in eine durch einen bewegbaren Stempel abgeschlossene, den Sinterdruck übertragende Aufnahmekammer eingelegt werden. Dabei füllt der deformierbare Körper beim Erreichen des Sinterdrucks den verbleibenden Innenraum der Aufnahmekammer vollständig aus und soll trotz unregelmäßiger Oberflächentopographie der mit dem Substrat zu verbindenden Bauelemente zerstörungsfrei den für den Fügevorgang notwendigen Druck aufbringen.
  • Die Vorteile bei der Verwendung elastischer Fügewerkzeuge, wie beispielsweise die Möglichkeit eine strukturierte Oberflächentopographie auszugleichen, werden allerdings von der Tatsache einer mangelnden Langzeitstabilität dieser Kunststoffmaterialien eingeschränkt. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass besonders der Einfluss der Fügetemperaturen, die je nach eingesetztem Verfahren bis zu 400° Celsius betragen können und der Einfluss mechanischer Abnutzung im Laufe der Lebensdauer eines solchen Fügewerkzeugs einen Rückgang der Elastizität und eine nachhaltigen Verformung der Oberfläche zur Folge haben.
  • Dies bedeutet eine erhöhte Abnutzung des Fügewerkzeugs und damit eine kontinuierliche Veränderung der Fügeparameter im Laufe der Durchführung hoher Stückzahlen von Verbindungen zwischen Bauelementen und Substrat, wodurch im Fertigungsprozess keine konstanten und reproduzierbaren Fertigungs- und Qualitätsparameter eingehalten werden können. Weiterhin lassen sich mit flexiblen Materialien wie beispielsweise Silikonkissen Verkippungen der Oberflächen zwischen dem mit dem Substrat zu verbindenden Bauelement und dem Substrat nur unzureichend ausgleichen.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung bereitzustellen, die bei der Befestigung von insbesondere elektronischen Bauelementen, wie etwa großflächigen Halbleiterkörpern mit unregelmäßiger Oberflächentopographie auf einem Substrat, auch bei großer Stückzahl eine gleichbleibend hohe Fertigungsgüte und Produktqualität bietet und bei denen die oben genannten Probleme nicht auftreten.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Auftrennung der wesentlichen Funktionen des Fügewerkzeugs in separat ausgeführte Teilanordnungen. Im Einzelnen sind dies eine Teilanordnung zur Kraftübertragung sowie eine Teilanordnung zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopographien der mit dem Träger zu verbindenden Bauelemente und/oder eine Teilanordnung zum Ausgleichen von Verkippungen zwischen den mit dem Träger zu verbindenden Bauelementen und dem Träger.
  • Somit umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zur Befestigung einer Vielzahl von Bauelementen insbesondere mit unregelmäßiger Oberflächentopographie auf einem Träger mittels Fügens ein Fügewerkzeug, das eine Werkzeugunterkonstruktion und eine Werkzeugoberkonstruktion aufweist, wobei die Werkzeugunterkonstruktion zur Aufnahme des Trägers und der darauf zu befestigenden Bauelemente ausgebildet ist und die Werkzeugoberkonstruktion zusätzlich zu einer Anordnung zum Übertragen von Fügekräften eine Anordnung zum Ausgleichen von Verkippungen zwischen Bauelementen und Träger und/oder eine Anordnung zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopologien aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der Ausführung der die Fügekraft übertragenden Anordnung insbesondere als formstabile und abnutzungsfreie Teilanordnung des Fügewerkzeugs (beispielsweise aus Metall oder Keramik), der Ausführung der die Oberflächentopographie der elektronischen Bauelemente ausgleichenden Teilanordnung des Fügewerkzeugs als flexible Folie, die eine der Oberflächentopographie der elektronischen Bauelemente angepasste Mikrohärte aufweist und bei jedem einzelnen Fügeprozess erneuert wird sowie aus der Ausführung der Teilanordnung des Fügewerkzeugs zum Ausgleichen der Verkippungen insbesondere als kardanisches Gelenk.
  • Es kann vorgesehen werden, dass eine Vielzahl von Fügewerkzeugen, die unterschiedlichen zu befestigenden elektronischen Bauelementen beispielsweise hinsichtlich Größe, Geometrie und Fügekraft entsprechend angepasst sind, zur gleichzeitigen Befestigung einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen auf dem Träger in einem Arbeitschritt eingesetzt werden, wobei jedes einzelne Fügewerkzeug ein eigenes kardanisches Gelenk zum Ausgleichen von individuell unterschiedlichen Verkippungen zwischen der mit dem Träger zu verbindenden Vielzahl von Bauelementen und dem Träger aufweisen kann.
  • Weiterhin kann vorgesehen werden, dass die zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopographien der mit dem Träger zu verbindenden Vielzahl von Bauelementen verwendete flexible Folie als zusammenhängende Folie gleicher Materialeigenschaft in einem Stück unabhängig von Positionierung und Größe der Bauelemente über alle Bauelemente und damit in einem Arbeitsschritt über die Gesamtfläche des zu bestückenden Trägers hinweg angewendet wird.
  • Weitere Vorteile können sich ebenfalls auch daraus ergeben, dass die Erneuerung der flexiblen Folie zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopographien der mit dem Träger zu verbindenden Bauelemente zu jedem neuen Fertigungsschritt der Bestückung des Substrats durch Zuführung über eine vom restlichen Fügewerkzeug entkoppelte bevorratende Vorrichtung, beispielsweise eine Haspel erfolgt, wodurch keine jeweilige zeitintensive Bestückung des Fügewerkzeugs selbst mit dieser Folie notwendig ist.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher. erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung und
  • 2 eine Teilanordnung des Fügewerkzeugs zur Kraftübertragung mit kardanischem Gelenk.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fügevorrichtung in der Seitenansicht, wobei das angewendete Fügeverfahren beispielsweise Die-Bonden, Niedertemperatur-Verbindungstechnik oder Diffusionslöten sein kann. Dabei umfasst das Ausführungsbeispiel nach 1 eine erste Haspel 1, eine zweite Haspel 2, eine erste federnd gelagerte Spannrolle 3 und eine zweite federnd gelagerte Spannrolle 4. Weiterhin umfasst das Ausführungsbeispiel nach 1 eine Werkzeugunterkonstruktion 5, eine Werkzeugoberkonstruktion 6 und eine flexible Folie 8. Das Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst weiterhin ein erste elektronisches Bauelement 9 und ein zweites elektronisches Bauelement 10, ein Substrat 7 als Träger sowie eine erste Anordnung zur Kraftübertragung 11 und eine zweite Anordnung zur Kraftübertragung 12.
  • Die erste Haspel 1 und die zweite Haspel 2 stellen dabei Vorrichtungen zum Abwickeln beziehungsweise Aufwickeln der flexiblen Folie 8 dar, wobei die erste federnd gelagerte, zwischen Werkzeug und Haspel 1 befindlichen Spannrolle 3 zusammen mit der zweiten federnd gelagerten, zwischen Werkzeug und Haspel 2 befindlichen Spannrolle 4 in der flexiblen Folie 8 eine Zugspannung entlang der Transportbahn der flexiblen Folie 8 bewirken. Dabei stellt Haspel 1 die Vorrichtung zur Bevorratung unverbrauchter flexibler Folie 8 dar, Haspel 2 die Vorrichtung zur Aufnahme verbrauchter flexibler Folie 8. Das Werkzeug setzt sich dabei aus der Werkzeugunterkonstruktion 5 und der Werkzeugoberkonstruktion 6 zusammen. Die durch die Spannrolle 3 und die Spannrolle 4 in der flexiblen Folie 8 erzeugte Zugspannung stellt sicher, dass die von Haspel 1 abgewickelte flexible Folie 8 gemäß 1 so in Pfeilrichtung zwischen Werkzeugunterkonstruktion 5 und Werkzeugoberkonstruktion 6 in das Werkzeug und durch das Werkzeug hindurch geführt wird, dass ein reibungsloser und störungsfreier Transport durch das Werkzeug ermöglicht wird.
  • Insbesondere wird auf diese Weise sichergestellt, dass sich die flexible Folie 8 nicht vor oder im Werkzeug staut und den Fertigungsprozess blockiert oder sich beim Transport unerwünschte Falten in der Folie 8 bilden. Die Positionierung der beiden federnd gelagerten Spannrollen 3 und 4 stellt sicher, dass die flexible Folie 8 bei geöffnetem Werkzeug horizontal durch das Werkzeug geführt wird, ohne dabei Werkzeugunterkonstruktion 5 oder Werkzeugoberkonstruktion 6 zu berühren, wo durch die Gefahr unerwünschter Beschädigung der flexiblen Folie beim Transport minimiert wird. Die in 1 dargestellte Werkzeugunterkonstruktion 5 dient der Aufnahme des mit den elektronischen Bauelementen 9 und 10 zu verbindenden Substrats 7 und gleichzeitig als Gegenlager für den von der Werkzeugoberkonstruktion 6 während des Fügevorgangs ausgeübten Druck. Das fertig gestellte Bauteil besteht im vorliegenden Fall dann aus dem Substrat 7, auf dem beispielhaft die elektronischen Bauelemente 9 und 10 durch den Fügevorgang dauerhaft befestigt sind.
  • Die flexible Folie 8 dient dabei erfindungsgemäß zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopographien der mit dem Substrat 7 zu verbindenden elektronischen Bauelemente 9 und 10, die in der in 1 dargestellten Ausführungsform von jeweils einer separaten Anordnung 11 und 12 zur Kraftübertragung durch das Fügewerkzeug mit Druck beaufschlagt werden, wobei die Kraftübertragung auch durch eine einzelne, großflächig ausgeführte Anordnung zur Kraftübertragung ausgeführt sein könnte. Erfindungsgemäß kann das in 1 dargestellte Fügewerkzeug eine Vielzahl von Anordnung zur Kraftübertragung umfassen, wodurch sich in einem einzelnen Arbeitsschritt eine Vielzahl von elektronischen Bauelementen auf dem Substrat 7 befestigen lassen.
  • Die flexible Folie 8 ist erfindungsgemäß aus einem elastischen, inerten Material wie beispielsweise PTFE, Polyimid oder einem Elastomer ausgeführt, das eine der Oberflächentopographie der Bauelemente 9 und 10 angepasste Mikrohärte aufweist. PTFE (Polytetrafluorethylen) zeichnet sich durch mehrere, für die beschriebene Anwendung vorteilhafte Eigenschaften aus. PTFE ist sehr reaktionsträge und damit äußerst beständig beispielsweise gegen aggressive Säuren, gegen Basen, Alkohole, Benzine, Öle usw. Weiterhin hat PTFE einen sehr geringen Reibungskoeffizienten und ist schwer entzündbar.
  • Polyimide sind im Besonderen sehr temperaturunempfindlich und weisen besondere elektrische und mechanische Eigenschaften auf, weswegen sie auch häufig in der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt werden. Elastomere können sich wie PTFE und Polyimide bei Zug- und Druckbelastung verformen und stellen somit eine geeignetes Material dar, um die unregelmäßige Oberflächentopographien der am Beispiel in 1 gezeigten, mit dem Substrat 7 zu verbindenden elektronischen Bauelemente 9 und 10 ideal auszugleichen und beim Fügevorgang gleichmäßige Krafteinwirkung auf die elektronischen Bauelemente 9 und 10 zu ermöglichen. In Abhängigkeit von der absoluten Größenordnung der Unregelmäßigkeiten der Oberflächentopographien der Bauelemente können unterschiedliche Materialstärken für die verwendete flexible Folie 8 gewählt werden, um das Ausgleichen der Unregelmäßigkeiten jeweils optimal den gegebenen Bedingungen anzupassen.
  • Erfindungsgemäß wird die flexible Folie 8 nach jedem einzelnen erfolgten Fügevorgang, der alle auf dem Substrat zu befestigende Bauelemente umfasst, erneuert, das heißt die in Form einer langen Folienbahn auf die Haspel 1 aufgewickelte flexible Folie 8 wird schrittweise von der Vorratsrolle (Haspel 1) über die federnd gelagerte Spannrolle 3 durch das aus Werkzeugunterkonstruktion 5 und Werkzeugoberkonstruktion 6 bestehende Werkzeug über die federnd gelagerte Spannrolle 4 auf die Leerrolle (Haspel 2) transportiert. Der Transport der flexiblen Folie 8 erfolgt zu einem Zeitpunkt nach Beendigung eines aktuellen Fügevorgangs, wenn das Werkzeug zur Entnahme des fertig gestellten, aus Substrat 7 und elektronischen Bauelementen 9 und 10 gefertigten Bauteils geöffnet wird, wozu die während des Fügevorgangs geschlossenen Werkzeugunterkonstruktion 5 und Werkzeugoberkonstruktion 6 geöffnet werden.
  • Dabei wird die Folie 8 durch einen hier nicht dargestellten Transportmechanismus schrittweise so bewegt, dass für jeden Fügevorgang ein vollständig neuer Folienabschnitt zur Verfügung gestellt wird. Damit kommt bei jedem Fügevorgang ein un benutztes Foliensegment zur Anwendung und es können stets gleich bleibende Folieneigenschaften und damit gleich bleibendes Ausgleichen der Unregelmäßigkeiten der Oberflächentopographien der Bauelemente gewährleistet werden. Vorzugsweise wird die Breite der aus der flexiblen Folie 8 bestehenden Folienbahn so gewählt, dass in einem Arbeitsschritt die gesamte Fläche des aus Substrat 7 und elektronischen Bauelementen 9 und 10 bestehenden, zu bearbeitenden Bauteils (z.B. Modul) abgedeckt wird, wodurch für jedes der Vielzahl der zu befestigenden elektronischen Bauelemente ein eigener Bereich jeweils unbenutzter flexibler Folie 8 zur Verfügung steht. Dabei ist das in 1 dargestellte Verfahren unabhängig davon, ob das Fügewerkzeug eine Vielzahl von Anordnung zur Kraftübertragung auf eine Vielzahl zu befestigender Halbleiterbauelemente umfasst oder eine einzige Anordnung zur Kraftübertragung auf eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen.
  • Somit ergeben sich auch bei in großen Stückzahlen hergestellten Befestigungen von elektronischen Bauelementen auf einem Träger (z.B. Substrat) konstante und reproduzierbare Fertigungs- und Qualitätsparameter. Darüber hinaus stellt es einen weiteren Vorteil dar, dass in einem laufenden Fertigungsprozess keine Änderungen an den Vorrichtungen zum Ausgleichen der Unregelmäßigkeiten der Oberflächentopographien von Bauelementen direkt an dem Fügewerkzeug selbst vorgenommen werden müssen, wodurch Bestückungszeiten und damit Stillstandszeiten in der Fertigung stark reduziert werden können. Ein Austausch eventuell verbrauchter flexibler Folie erfolgt einfach und schnell durch das entsprechende Wechseln von Vorratsrolle und Auffangrolle (Haspel 1 beziehungsweise Haspel 2). Auch ein Wechsel auf eine andere Folienstärke in Verbindung mit einer Fertigungsserie unter Verwendung elektronischer Bauelemente mit anderen Oberflächentopographien kann schnell erfolgen.
  • 2 zeigt in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer der Anordnungen 11 und 12 (z.B. Stempel) zur Kraftübertragung auf das auf dem Substrat zu befestigende elektronische Bauelement. 2 umfasst dabei ein Stempeloberteil 13, ein Stempelunterteil 14, Rückstellfederelemente 15 sowie eine Kugel 16. Das Stempeloberteil 13 und das Stempelunterteil 14 bilden dabei zusammen mit der Kugel 16 ein kardanisches Gelenk. Ein kardanisches Gelenk in der dargestellten Ausführungsform zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es mögliche Verkippungen zwischen dem elektronischen Bauelement (9, 10) und dem Substrat 7 durch entsprechende Winkeländerung im kardanischen Gelenk ausgleicht und gleichzeitig die für den Fügevorgang notwendige Kraft über die großen Kontaktflächen der Kugel 16 mit dem Stempeloberteil 13 und dem Stempelunterteil 14 überträgt.
  • Die Lage des elektronischen Bauelements (9, 10) in Bezug auf das Substrat 7 und auch die Ausrichtung der Substratoberfläche selbst werden dadurch von der anfänglichen Ausrichtung des Stempels nach 2 entkoppelt und im Rahmen der möglichen Größenordnungen der auftretenden Verkippungen unabhängig. Dabei behält das Stempeloberteil 13 seine Ausrichtung im Werkzeug bei der Kraftübertragung bei und das Stempelunterteil 14 passt sich in seiner Ausrichtung der jeweils auftretenden Verkippung zwischen Bauelement (9, 10) und Substrat 7 sowie der Ausrichtung der jeweiligen Oberflächentopographie des elektronischen Bauelements (9, 10) an. Auf diese Art und Weise werden für jeden Fügevorgang dauerhaft gleich bleibende Fügeparameter auch für die Kraftübertragung gewährleistet.
  • Die ebenfalls in 2 dargestellten Rückstellfederelemente 15 stellen sicher, dass der Stempel nach 2 nach erfolgtem Fügevorgang und darauf folgendem Öffnen der Fügevorrichtung nach 1, beispielsweise durch Abheben der Werkzeugoberkonstruktion 6 von der Werkzeugunterkonstruktion 5 wieder in seine ursprüngliche Ausgangsposition, nämlich beispielsweise in die Ausrichtung entlang der Längsachse und damit entlang der Krafteinwirkung des Stempeloberteils 13 zurückkehrt.
  • Die bisher eingesetzten Fügewerkzeuge nach dem Stand der Technik können Verkippungen zwischen miteinander zu verbindenden Bauteilen, wie beispielsweise einem Substrat und darauf zu befestigenden elektronischen Bauelementen sowie die Einflüsse unregelmäßiger Oberflächentopographien nur unzureichend ausgleichen und gewährleisten darüber hinaus nur eine unzureichende Langzeitstabilität bei den üblichen Prozesstemperaturen von bis zu 400° Celsius.
  • Es ist ersichtlich, dass sowohl die Problemstellungen der Verkippung und der Oberflächentopographie, wie auch der Langzeitstabilität erfindungsgemäß insbesondere durch geeignete Kombination der in 1 und 2 dargestellten Anordnungen und mit dafür besonders geeigneten Fügeverfahren gelöst werden können. Dabei lässt sich vor allem die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Anordnung zur Kraftübertragung allgemein in jeder Vorrichtung anwenden, in der über einen Stempel gleichmäßiger Druck auf ein Objekt und seine Oberfläche ausgeübt werden muss. Weist die Oberfläche eines solchen allgemeinen Objekts weiterhin eine unregelmäßige Topographie auf, kann auch die Anwendung des dargestellten Verfahrens zum Ausgleichen dieser Topographie durch eine flexible, inerte Folie entsprechender Stärke entsprechend vorteilhaft sein.
    • 1
    Haspel zur Bevorratung der flexiblen Folie
    2
    Haspel zur Aufnahme benutzter Folie
    3
    federnd gelagerte Spannrolle
    4
    federnd gelagerte Spannrolle
    5
    Werkzeugunterkonstruktion
    6
    Werkzeugoberkonstruktion
    7
    Bauteil
    8
    Flexible Folie
    9
    Elektronisches Bauelement
    10
    Elektronisches Bauelement
    11
    Anordnung zur Kraftübertragung
    12
    Anordnung zur Kraftübertragung
    13
    Stempeloberteil
    14
    Stempelunterteil
    15
    Rückstellfederelemente
    16
    Kugel

Claims (15)

  1. Anordnung zur Befestigung einer Vielzahl von Bauelementen (9, 10) auf einem Träger (7) mittels Fügens mit einem Fügewerkzeug, das eine Werkzeugunterkonstruktion (5) und eine Werkzeugoberkonstruktion (6) aufweist, wobei die Werkzeugunterkonstruktion (5) zur Aufnahme des Trägers und der darauf zu befestigenden Bauelemente ausgebildet ist und die Werkzeugoberkonstruktion (6) zusätzlich zu einer Anordnung (11, 12) zum Übertragen von Fügekräften eine Anordnung zum Ausgleichen von Verkippungen zwischen Bauelementen und Träger und/oder eine Anordnung zum Ausgleichen unregelmäßiger Oberflächentopologien aufweist.
  2. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Anordnung (11, 12) zum Übertragen von Fügekräften einen Stempel aufweist, der mittelbar gegen die Bauelemente drückt.
  3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Bauelemente elektronische Bauelemente (9, 10) sind.
  4. Anordnung nach Anspruch 3, bei der die Bauelemente großflächige Halbleiterkörper sind.
  5. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Träger ein Substrat (7) ist.
  6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Anordnung zum Ausgleichen der unregelmäßigen Oberflächentopographien eine während des Fügevorgangs zwischen den Bauelementen und der Anordnung (11, 12) zum Übertragungen von Fügekräften befindliche flexible Folie (8) ist.
  7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der die flexible Folie (8) Materialeigenschaften aufweist, die hinsichtlich ihrer Mikrohärte und ihrer Temperaturbeständigkeit den Oberflächentopographien der auf dem Träger zu befestigenden Bauelemente und den beim Fügevorgang angewendeten Temperaturen angepasst sind.
  8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die flexible Folie (8) in der Materialstärke variierbar ist zur Anpassung an unterschiedliche Oberflächentopographien.
  9. Anordnung nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei der die flexible Folie (8) als Folienbahn ausgeführt ist und eine Transportanordnung vorgesehen ist, welche die Folienbahn über den die Fügekraft ausübenden Stempel des Fügewerkzeugs vor jedem Fügevorgang weiter transportiert derart, dass bei jedem Fügevorgang unbenutzte Folie (8) zur Verfügung steht.
  10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der die Folienbahn von einer Haspel (1) für die Bevorratung unbenutzter Folie (8) über eine federnd gelagerte Spannrolle (3) schrittweise bei jedem Fügevorgang neu zwischen die Oberfläche der auf dem Träger zu befestigenden Bauelemente und den die Fügekraft ausübenden Stempel des Fügewerkzeugs eingebracht wird und über eine federnd gelagerte Spannrolle (4) von einer Haspel (2) zur Aufnahme verbrauchter Folie (8) aufgenommen wird, so dass für jeden Fügevorgang ein Foliensegment unbenutzter flexibler Folie (8) zur Verfügung steht.
  11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die Folienbahn eine solche Breite hat, dass alle auf dem Träger zu befestigenden Bauelemente bei jedem Fügevorgang gleichermaßen mit unbenutzter flexibler Folie (8) in Kontakt kommen.
  12. Anordnung nach einem der Ansprüche, bei der der Stempel in der Anordnung (11, 12) zur Kraftübertragung ein Stempeloberteil (13), ein Stempelunterteil (14), eine Kugel (16) und Rückstellfederelemente (15) aufweist, wodurch ein kardanisches Gelenk gebildet wird derart, dass Verkippungen zwischen den auf dem Träger zu befestigenden Bauelementen und dem Träger bei der Krafteinwirkung über den Stempel durch entsprechende Winkeländerung im kardanischen Gelenk ausgeglichen und gleichzeitig die für den Fügevorgang erforderliche Kraft über die großen Kontaktflächen der Kugel (16) mit dem Stempeloberteil (13) und dem Stempelunterteil (14) zuverlässig übertragen werden.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, bei denen die Rückstellfederelemente (15) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie nach erfolgtem Fügevorgang und nachfolgendem Öffnen des Fügewerkzeugs durch Abheben der Werkzeugoberkonstruktion (6) von der Werkzeugunterkonstruktion (5) den gesamten Stempel wieder in seine ursprüngliche Ausgangsposition zurückbringt.
  14. Anordnung nach Anspruch 13, bei denen in der ursprünglichen Ausgangsposition die Ausrichtung des Stempeloberteils (13) und des Stempelunterteils (14) entlang der gemeinsamen Längsachse und damit entlang des Vektors der Krafteinwirkung des Stempeloberteils (13) ist.
  15. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, bei der das Fügewerkzeug eine der Zahl der Bauelemente (9, 10) entsprechende Zahl von jeweils der Geometrie des entsprechenden Bauelements (9, 10) angepassten Stempeln (11, 12) aufweist.
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