DE102015006981B4 - Thermokompressionsvorrichtung und Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat - Google Patents

Thermokompressionsvorrichtung und Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat Download PDF

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Abstract

Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) zum Verbinden elektrischer Bauteile (22) mit einem Substrat (16), umfassend:ein Unterwerkzeug (12) mit einer ersten Wärmequelle und einer Auflagefläche (14) zum Auflegen des Substrats (16) mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil (22);ein Oberwerkzeug (26) mit einem Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c), wobeidas Unterwerkzeug (12) und das Oberwerkzeug (26) aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, wobeidas Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c) aus zumindest einem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) besteht, das dazu eingerichtet ist, bei einer Relativbewegung zwischen dem Oberwerkzeug (26) und dem Unterwerkzeug (12) elastisch verformt zu werden und dadurch eine Kraft (F) auf ein sich zwischen dem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) und der Auflagefläche (14) befindliches Substrat (16) mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil (22) auszuüben, um das zumindest eine elektrische Bauteil (22) für die Dauer eines Aushärtevorgangs gegen das auf der Auflagefläche (14) anzuordnende Substrat (16) zu pressen, und wobeidie erste Wärmequelle dazu eingerichtet ist, dem zwischen der Auflagefläche (14) und dem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) anzuordnenden Substrat (16) mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) Wärme zuzuführen, um ein zwischen dem Substrat (16) und dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) aufgebrachtes Verbindungsmittel (20) auszuhärten, dadurch gekennzeichnet, dassdie Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) ferner eine Einspanneinheit (34) zum Einspannen des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c) umfasst, wobei das zumindest eine Federelement (32; 32a; 32b; 32c) mittels der Einspanneinheit (34) vorgespannt ist, und wobei die Einspanneinheit dazu eingerichtet ist, die Vorspannung des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c) variabel einzustellen.

Description

  • Hintergrund
  • Es wird eine Thermokompressionsvorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden elektrischer Bauteile mit einem Substrat beschrieben. Insbesondere wird ein Anpresselement beschrieben, das ein elektrisches Bauteil für die Dauer eines Aushärtevorgangs gegen das Substrat presst.
  • Bei der Herstellung von Chipkarten oder RFID(Radio-Frequence-Identification)-Etiketten werden Thermokompressionsverfahren verwendet, um elektrische Bauteile mechanisch und elektrisch leitend mit einem Substrat zu verbinden. Derartige Verfahren werden insbesondere verwendet, um Halbleiterchips im Flip-Chip-Design mit einem Substrat zu verbinden.
  • Stand der Technik
  • Die Thermokompression beschreibt ein Verbindungsverfahren, bei dem Komponenten durch einen vorübergehenden Kraft- und Wärmeeintrag miteinander verbunden werden. Aus dem Stand der Technik sind Thermokompressionsvorrichtungen zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat bekannt.
  • Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise durch Tag Module Assembly (TMA) Lines offenbart, in welchen ein Substrat mit darauf angeordneten elektrischen Bauteilen kontinuierlich zwischen zwei andrückenden Heizschienen bewegt wird. Dabei können Relativbewegung zwischen den zu verbindenden Komponenten und den Heizschienen auftreten, die jedoch Auswirkungen auf die Positionierungsgenauigkeit haben können. Deshalb wird ein derartiger Aufbau zur Herstellung von Erzeugnissen mit größeren Positionstoleranzen verwendet.
  • Ferner offenbart die DE 10 2012 012 879 B3 eine Vorrichtung, bei der die zu verarbeitenden Komponenten auf einer beheizten Auflagefläche aufliegen und mittels eines Druckbands gegen diese gepresst werden. Auf das Druckband wird dabei mittels eines Magneten eine Kraft ausgeübt.
  • Zum Einbringen eines Kraft- und Wärmeeintrags auf die zu verbindenden Komponenten ist weiterhin die Verwendung von Heizstempel-Einheiten bekannt. Beispielsweise sind durch die EP 2 506 295 A2 und die JP H03-225842 A Vorrichtungen offenbart, bei denen ein Substrat und mehrere darauf angeordnete Halbleiterchips auf einer Halteplatte aufliegen und mittels einer Heizstempel-Einheit verbunden werden. Durch die Heizstempel-Einheit wird zum einen eine Kraft auf die zu verbindenden Komponenten ausgeübt, sodass diese gegen die Halteplatte gepresst werden. Zum anderen erfolgt durch eine in dem Heizstempel umfasste Wärmequelle eine Wärmezufuhr, um einen zwischen dem Substrat und den Halbleiterchips aufgetragenen Klebstoff auszuhärten.
  • Zur Herstellung von elektronischen Baugruppen mit einer Duroplastschicht sind durch die US 2009/0291524 A1 und die WO 2010/095311 A1 weiterhin Thermokompressionsvorrichtungen mit Heizstempel-Einheiten offenbart. Die herzustellenden Baugruppen bestehen aus einem Substrat mit darauf angeordneten Halbleiterchips, über welche sich die Duroplastschicht erstreckt. Die Heizstempel-Einheit bewirkt, dass die Komponenten der elektronischen Baugruppe einer Kraft- und Wärmeeinwirkung ausgesetzt sind, sodass das Substrat und die Halbleiterchips durch die darauf angeordnete Duroplastschicht miteinander verbunden werden.
  • Die Bereitstellung von Heizstempel-Einheiten hat jedoch Auswirkungen auf den konstruktiven Aufwand und die Kosten derartiger Thermokompressionsvorrichtungen.
  • Die WO 00/41219 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Verbinden von auf einem Substrat angeordneten Bauteilen mit dem Substrat, wobei die Vorrichtung eine Aufsetzstation zum Platzieren einer Mehrzahl elektronischer Bauteile auf dem Substrat und eine davon separierte Nachpressstation zum Verbinden der Bauteile mit dem Substrat aufweist. Die Nachpressstation umfasst ein Oberwerkzeug mit einer Mehrzahl von in Richtung einer Auflagefläche für das Substrat verschiebbar gelagerten Stößeln, die als Thermoden bereitgestellt sind. Die Stößel sind dazu eingerichtet, eine Anpresskraft auf jeweils ein Bauteil auszuüben. Um unterschiedliche Höhen der zu behandelnden Bauteile auf dem Substrat auszugleichen, umfasst die Vorrichtung ferner eine Flüssigkeitskammer zur hydrostatischen Verteilung einer Beaufschlagungskraft auf die einzelnen Stößel. Die Flüssigkeitskammer erstreckt sich entlang der Stößelrückseiten und ist mittels einer flexiblen Membran gegenüber den Stößeln abgedichtet. Aus Sicherheitsgründen, werden die Stößel unter der Vorspannung von Federn gegen die Membran gepresst, sodass die Stößel in Richtung einer Ausgangslage vorgespannt sind.
  • Die US 6 015 081 A offenbart eine Thermokompressionsvorrichtung zum elektrisch leitenden Verbinden von aufeinander angeordneten elektronischen Bauteilen. Um eine gleichmäßige Anpresskraft zwischen den Bauteilen zu gewährleisten, umfasst die Vorrichtung eine Blattfeder, die mittels eines Anpressmittels eine Anpresskraft auf die auf einer Auflagefläche angeordneten Bauteile ausübt. Die Blattfeder ist dabei an ihren jeweiligen Endabschnitten mit dem Anpressmittel im Kontakt.
  • Die Druckschrift DE 698 26 062 T2 zeigt ein Federelement, das ein Teil eines Anpresselements ist und die weiteren Teile: Kopf, Kopfhalterung und Führung.
  • Zugrundeliegendes Problem
  • Hieraus ergibt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die ein aufwands- und kostenreduziertes Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat sicherstellen. Die bereitzustellende Vorrichtung und das Verfahren sollen weiterhin eine aufwandsreduzierte Konfigurierbarkeit aufweisen, um eine einfache Verarbeitung unterschiedlicher elektrischer Bauteile zu ermöglichen.
  • Vorgeschlagene Lösung
  • Zur Lösung dieser Aufgabe werden eine Thermokompressionsvorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
  • Die Thermokompressionsvorrichtung zum Verbinden elektrischer Bauteile mit einem Substrat umfasst ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug, die aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind. Das Unterwerkzeug ist mit einer ersten Wärmequelle und einer Auflagefläche zum Auflegen des Substrats mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil bereitgestellt. Das Oberwerkzeug umfasst ein Anpresselement mit zumindest einem Federelement. Das zumindest eine Federelement ist dazu eingerichtet, bei einer Relativbewegung zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug elastisch verformt zu werden und dadurch eine Kraft auf ein sich zwischen dem Anpresselement und der Auflagefläche befindliches Substrat mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil auszuüben, um das zumindest eine elektrische Bauteil für die Dauer eines Aushärtevorgangs gegen das auf der Auflagefläche anzuordnende Substrat zu pressen. Weiterhin ist die erste Wärmequelle dazu eingerichtet, dem zwischen der Auflagenfläche und dem Anpresselement anzuordnenden Substrat mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil Wärme zuzuführen, um ein zwischen dem Substrat und dem zumindest einen elektrischen Bauteil aufgebrachtes Verbindungsmittel auszuhärten.
  • Die beschriebene Vorrichtung umfasst einen weniger komplexen Aufbau, der im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen mit wesentlich weniger Komponenten auskommt. Entsprechend kann die vorliegende Vorrichtung wesentlich kostengünstiger hergestellt werden. Dieser weniger komplexe Aufbau ermöglicht weiterhin, dass die vorgeschlagene Vorrichtung an unterschiedliche zu verarbeitende Komponenten einfach angepasst werden kann und dadurch die Verarbeitung unterschiedlicher Bauteile sowie die Herstellung unterschiedlicher Baugruppen einfach realisierbar sind.
  • Ausgestaltung und Eigenschaften
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verbinden elektrischer Bauteile mit einem Substrat. Die elektrischen Bauteile können dabei in Form von Halbleiterchips, RFID-Chips, Hi-Q-LED's, etc. bereitgestellt sein. Ferner können die elektrischen Bauteile flach ausgebildet sein und an einer Seite, welche auf dem Substrat anzuordnen ist, elektrische Kontakte aufweisen. Die elektrischen Kontakte können beispielsweise als Kontaktflächen, insbesondere in Form von „Bumps“ bereitgestellt und dazu eingerichtet sein, mit auf dem Substrat angeordneten Kontakten elektrisch leitfähig verbunden zu werden. Die auf dem Substrat befindlichen Kontakte können als Metallschicht ausgebildet sein.
  • Weiterhin kann das Substrat eines oder mehrere Materialien der Gruppe Papier, Polyvinylchlorid (PVC), Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) oder Glykolmodifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG), Polyethylennaphthalat (PEN), Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS), Polyvinylbutyral (PVB), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyimid (PI), Polyvinylalkohol (PVA), Polystyrol (PS), Polyvinylphenol (PVP), Polypropylen (PP), Polycarbonat (PC) oder deren Derivate enthalten.
  • Zum Verbinden der elektrischen Bauteile mit dem Substrat ist weiterhin vorgesehen, dass zwischen den elektrischen Bauteilen und dem Substrat ein Verbindungsmittel aufgetragen ist. Das Verbindungsmittel ist bevorzugt als thermisch aushärtbarer Klebstoff, insbesondere als flüssiger Klebstoff bereitgestellt. Ferner kann der Klebstoff elektrisch leitend und dazu eingerichtet sein, die elektrischen Bauteile und das Substrat mechanisch und elektrisch leitend miteinander zu verbinden.
  • In einer weiteren Variante kann über dem Substrat mit den darauf angeordneten elektrischen Bauteilen eine Trennschicht angeordnet sein. Dadurch kann verhindert werden, dass das zumindest eine Federelement während des Aushärtevorgangs mit dem Verbindungsmittel in Kontakt tritt.
  • Das Unterwerkzeug der bereitgestellten Vorrichtung umfasst die Auflagefläche und die erste Wärmequelle. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auflagefläche als plane Ebene ausgebildet. Weiterhin kann die Auflagefläche mit einer gekrümmten Oberfläche versehen sein. Die erste Wärmequelle kann dazu eingerichtet sein, die Auflagefläche des Unterwerkzeugs permanent zu beheizen. Hierzu kann die erste Wärmequelle als Heizschiene ausgebildet sein.
  • In der hier vorgeschlagenen Vorrichtung sind das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug aufeinander zu- und voneinander weg bewegbar. In einer Weiterentwicklung der Vorrichtung können das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug weiterhin in einer Längsrichtung der Vorrichtung relativ zueinander bewegbar sein. Dadurch kann das Anordnen und Entfernen der zu verarbeitenden Komponenten auf und von der Auflagefläche vereinfacht werden. Die Vorrichtung kann hierzu eine Antriebseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist das Oberwerkzeug und/oder das Unterwerkzeug in einer vertikalen Richtung relativ zueinander zu bewegen. Ferne kann die Vorrichtung eine weitere Antriebseinheit aufweisen, um das Oberwerkezug und/oder das Unterwerkzeug in einer horizontalen Richtung relativ zueinander zu bewegen.
  • In einer Variante der Vorrichtung kann das Oberwerkzeug eine zweite Wärmequelle umfassen, die dazu eingerichtet ist, dem zwischen der Auflagenfläche und dem Anpresselement anzuordnenden Substrat mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil weiterhin Wärme zuzuführen, um das zwischen dem Substrat und dem zumindest einen elektrischen Bauteil aufgebrachte Verbindungsmittel auszuhärten. Die Verwendung jeweils einer Wärmequelle in dem Unterwerkzeug und dem Oberwerkzeug ermöglicht eine gleichmäßige Wärmezufuhr zu dem zwischen dem Substrat und dem elektrischen Bauteil aufgetragenen Verbindungsmittel. Insbesondere kann dadurch ein nivelliertes Temperaturprofil entlang der zu verarbeitenden Komponenten sichergestellt werden. Dadurch lassen sich qualitativ hochwertigere Ergebnisse erzielen.
  • Die zweite Wärmequelle kann als Wärmestrahler bereitgestellt sein. Der Wärmestrahler kann oberhalb des Anpresselements angeordnet sein und einen definierten Abstand zu diesem aufweisen. Weiterhin kann der Abstand zwischen dem Wärmestrahler und dem Anpresselement im Betrieb der Vorrichtung im Wesentlichen so konstant gehalten werden, dass der durch den Wärmestrahler in das zumindest eine Federelement eingebrachte Wärmestrom konstant ist. Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch die Verwendung eines Wärmestrahlers die Wärmezufuhr insbesondere mittels Wärmestrahlung übertragen wird. Entsprechend kann der Aufbau der Vorrichtung vereinfacht werden. Alternativ kann die zweite Wärmequelle dazu eingerichtet sein, eine Wärmezufuhr zu dem Anpresselement mittels Wärmeleitung, d.h. berührend einzubringen. Hierzu kann die zweite Wärmequelle in Form eines Heizwiderstands, z.B. als Heizdraht, etc., ausgebildet und in oder an dem Anpresselement angeordnet sein.
  • Die bereitgestellte Vorrichtung weist zumindest ein Federelement auf, welches in dem Anpresselement umfasst ist. Das zumindest eine Federelement kann dazu eingerichtet sein, eine Kraft auf ein oder mehrere auf dem Substrat angeordnete elektrische Bauteile auszuüben. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Anpresselement mehrere Federelemente auf, welche jeweils einem auf dem Substrat angeordneten elektrischen Bauteil zugeordnet sind. Die mehreren Federelemente können dazu eingerichtet sein, jeweils eine Kraft auf das dem jeweiligen Federelement zugeordnete elektrische Bauteil auszuüben. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass gleichzeitig mehrere unterschiedliche elektrische Bauteile mit dem Substrat verbunden werden können. Weiterhin lassen sich dadurch unterschiedliche und sehr kleine Bauteilabstände zwischen den auf dem Substrat anzuordnenden elektrischen Bauteilen erzielen.
  • In einer Weiterentwicklung der Vorrichtung kann das Oberwerkzeug eine Einspanneinheit zum Einspannen des zumindest einen Federelements aufweisen. Die Einspanneinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, das Federelement vorzuspannen, wobei die Vorspannung variabel eingestellt werden kann.
  • Das zumindest eine Federelement ist bevorzugt als Blattfeder, insbesondere als streifenförmige Blattfeder ausgebildet. Hierbei kann die Blattfeder flach ausgebildet sein und eine obere und eine untere Seitenfläche aufweisen, wobei die untere Seitenfläche gegenüberliegend zur Auflagefläche des Unterwerkzeugs angeordnet sein kann. Die Verwendung von Blattfedern ermöglicht einen einfachen und robusten Aufbau des Anpresselements.
  • Die Blattfeder kann ein metallisches Material aufweisen. Beispielsweise kann die Blattfeder in Form eines Edelstahlblechs bereitgestellt sein. Weiterhin kann die Dicke der Blattfeder 1 mm und kleiner sein. In einer Weiterentwicklung kann die Blattfeder eine Klebstoffschutzschicht aufweisen, um ein Anhaften der durch die Vorrichtung zu verarbeitenden Komponenten an der Blattfeder zu verhindern. Ferner kann die Blattfeder thermisch leitfähig und dazu eingerichtet sein, eine durch die zweite Wärmequelle eingebrachte Wärmezufuhr auf das zwischen dem Substrat und dem zumindest einen elektrischen Bauteil aufgebrachte Verbindungsmittel zu übertragen.
  • Das Anpresselement kann mehrere Blattfedern aufweisen. Die mehreren Blattfedern können miteinander verbunden sein, wobei die Blattfedern bevorzugt an einem ersten Ende miteinander verbunden sind. Das aus mehreren Blattfedern bereitgestellte Anpresselement ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und in Form eines Federkamms bereitgestellt. Dadurch kann ein einfacher Austausch des Anpresselements sichergestellt werden, wodurch die Vorrichtung zur Verarbeitung unterschiedlicher Baugruppen einfach umgerüstet werden kann.
  • Die mehreren Blattfedern des Anpresselements können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Weiterhin kann/können die Breite der mehreren Blattfedern und/oder die Abstände zwischen denselben gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein. Die Ausgestaltung der mehreren Blattfedern, insbesondere deren Dimensionierung und Abstände zueinander, kann in Abhängigkeit der zu verbindenden Komponenten erfolgen. Ein derartiger Aufbau hat den Vorteil, dass die Vorrichtung einfach konfiguriert werden kann und dadurch unterschiedliche Bauteile mit unterschiedlichen Bauteilabständen aufwandsreduziert verarbeitet werden können.
  • Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch einen derartigen Aufbau der Grad der Verformung des Anpresselements während des Betriebs der Vorrichtung reduziert werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Anpresselement mit sich quer zur Längsrichtung erstreckenden Ausnehmungen versehen sein kann, die die definierten Abstände zwischen den Blattfedern darstellen.
  • Ferner kann die Anzahl der mehreren Blattfedern des Anpresselements größer als die Anzahl der auf dem Substrat angeordneten elektrischen Bauteile sein. Die mehreren Blattfedern und/oder die Abstände zwischen denselben können unterschiedlich dimensioniert sein, um unterschiedliche elektrische Bauteile zu verarbeiten und/oder unterschiedliche Bauteilabstände zwischen den elektrischen Bauteilen zu realisieren. Hierzu kann das Substrat mit den darauf angeordneten elektrischen Bauteilen derart auf der Auflagefläche positioniert sein, dass die elektrischen Bauteile entsprechend ihres Typs und einem gewünschten Bauteilabstand zueinander jeweils einer der mehreren Blattfedern zugeordnet sind. Eine derartige variable Zuordnung der auf dem Substrat angeordneten Bauteile zu jeweils einer der mehreren Blattfedern ermöglicht, dass unterschiedliche Baugruppen mit einem einzigen Anpresselement, d.h. ohne einen Austausch desselben, hergestellt werden können.
  • In einer Weiterentwicklung kann die Einspanneinheit dazu eingerichtet sein, die zumindest eine Blattfeder bogenförmig so vorzuspannen, dass die Blattfeder eine sich in Richtung der Auflagefläche erstreckende Krümmung aufweist. In einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung kann sich die Krümmung der Blattfeder in eine entgegengesetzte Richtung erstrecken.
  • Ferner kann die Einspanneinheit ein erstes und ein zweites Lager umfassen, wobei das erste Lager dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Blattfeder an dem ersten Ende zu fixieren. Weiterhin kann die zumindest eine Blattfeder an einem dem ersten Ende entgegengesetzten zweiten Ende an dem zweiten Lager anliegen. Das erste Lager kann um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert sein und relativ zu dieser in einer Vielzahl von Positionen fixiert werden. Dadurch kann die Vorspannung der zumindest einen Blattfeder variabel eingestellt werden.
  • Weiterhin wird ein Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat der eingangs spezifizierten Art vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Auflegen des Substrats mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil auf eine Auflagefläche eines Unterwerkzeugs, wobei zwischen dem Substrat und dem zumindest einen elektrischen Bauteil ein Verbindungsmittel aufgetragen ist.
  • Weiterhin erfolgt ein aufeinander Zubewegen des Unterwerkzeugs und eines Oberwerkzeugs. Das Oberwerkzeug umfasst ein Anpresselement mit zumindest einem Federelement. Durch die Relativbewegung des Unterwerkzeugs und des Oberwerkzeugs erfolgt ein elastisches Verformen des zumindest einen Federelements, wodurch eine Kraft auf das zwischen der Auflagefläche und dem Anpresselement angeordnete Substrat mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil aufgebracht wird. Diese Kraft bewirkt, dass das zumindest eine elektrische Bauteil gegen das auf der Auflagefläche angeordnete Substrat gepresst wird. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt des Zuführens von Wärme zu dem zwischen der Auflagefläche und dem Anpresselement angeordneten Substrat mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil. Dadurch erfolgt ein Aushärten des zwischen dem Substrat und dem zumindest einen elektrischen Bauteil aufgetragenen Verbindungsmittels.
  • In einer Weiterentwicklung kann das Verfahren ferner folgende Schritte aufweisen:
    • - Einstellen einer Vorspannung des zumindest einen Federelements des Anpresselements mittels einer Einspanneinheit;
    • - Aufbringen des Verbindungsmittels auf das Substrat und/oder das zumindest eine elektrische Bauteil;
    • - Aufbringen des zumindest einen elektrischen Bauteils auf das Substrat, sodass das Verbindungsmittel zwischen dem zumindest einen elektrischen Bauteil und dem Substrat angeordnet ist;
    • - voneinander Wegbewegen des Unterwerkzeugs und des Oberwerkzeugs; und
    • - Fördern des Substrats mit dem zumindest einen darauf angeordneten elektrischen Bauteil von der Auflagefläche.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei dem Verfahren ein Abschnitt des Substrats auf die Auflagefläche aufgelegt wird. Das Verfahren kann dabei einen Schritt des Bewegens des Substrats über die Auflagefläche umfassen, sodass der Abschnitt des Substrats auf der Auflagefläche positioniert wird. Nach Beendigung des Aushärtevorgangs kann ein erneutes Bewegen des Substrats über die Auflagefläche erfolgen, wodurch der Abschnitt des Substrats von der Auflagefläche wegbewegt wird und gleichzeitig ein weiterer Abschnitt des Substrats auf die Auflagefläche aufgelegt und positioniert wird. Das Bewegen des Substrats und das Bewegen des Unter- und/oder Oberwerkzeugs können zyklisch und/oder diskontinuierlich erfolgen.
  • Ferner kann das Verfahren einen Schritt zum Einstellen der auf das zumindest eine elektrische Bauteil auszuübenden Kraft aufweisen. Die Kraft kann in Abhängigkeit der Vorspannung und Dimensionierung des zumindest einen Federelements eingestellt werden. Weiterhin kann die Kraft in Abhängigkeit der Relativbewegung zwischen dem Oberwerkzeug und dem Unterwerkzeug eingestellt werden. Hierzu kann die durch die Relativbewegung induzierte elastische Verformung des zumindest einen Federelements variiert werden.
  • Figurenliste
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen und den zugehörigen Zeichnungen.
    • 1 zeigt eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat.
    • 2 zeigt eine Frontansicht einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung.
    • 3 zeigt eine perspektivische Sicht auf die zweite Ausführungsform der Vorrichtung, welche sich in einem ersten Zustand befindet.
    • 4 zeigt eine perspektivische Sicht auf die zweite Ausführungsform der Vorrichtung, welche sich in einem zweiten Zustand befindet.
    • 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Anpresselements.
    • 6 zeigt eine perspektivische Sicht auf eine weitere Ausführungsform des Anpresselements.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform einer Thermokompressionsvorrichtung 10 zum Verbinden von elektrischen Bauteilen mit einem Substrat. Die Thermokompressionsvorrichtung 10 umfasst ein Unterwerkzeug 12 mit einer ersten Wärmequelle und einer Auflagefläche 14. Die erste Wärmequelle kann in Form einer oder mehrerer Heizschienen vorgesehen sein, die elektrisch betrieben werden. Die Auflagefläche 14 ist als plane Fläche ausgebildet, auf der ein Substrat 16 anliegt. Auf dem Substrat 16 sind elektrisch leitende Kontaktflächen 18 vorgesehen. In einem vorhergehenden Bearbeitungsschritt wurde ein Verbindungsmittel 20 auf das Substrat 16 aufgebracht. Das Verbindungsmittel 20 ist flüssig und härtet thermisch aus. In einem weiteren vorhergehenden Bearbeitungsschritt wurde ein elektrisches Bauteil 22, hier ein Halbleiterchip mit einem Flip-Chip-Design, auf das Substrat 16 und das flüssige Verbindungsmittel 20 aufgebracht. Auf einer unteren Seite weist das elektrische Bauteil 22 elektrisch leitende Kontakte 24 auf, welche in Kontakt mit den elektrisch leitenden Kontaktflächen 18 des Substrats 16 stehen. Die Kontakte 24 können beispielsweise die Form von metallischen Kontaktfüßen oder sogenannten „Bumps“ aufweisen.
  • Die Thermokompressionsvorrichtung 10 umfasst weiterhin ein Oberwerkzeug 26 mit einer zweiten Wärmequelle 28 und einem Anpresselement 30. Die zweite Wärmequelle 28 ist als Wärmestrahler ausgebildet, welcher oberhalb des Anpresselements 30 angeordnet ist.
  • Wie durch einen in 1 gezeigten Pfeil A dargestellt, ist das Oberwerkzeug 26 dazu eingerichtet, in vertikaler Richtung auf und ab bewegt zu werden, sodass das Oberwerkzeug 26 relativ zu dem Unterwerkzeug 12 bewegbar ist. In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Unterwerkzeug 12 relativ zu dem Oberwerkzeug 26 in vertikaler Richtung bewegbar ist. Das Unterwerkzeug 12 kann weiterhin relativ zu dem Oberwerkzeug 26 in horizontaler Richtung bewegbar sein.
  • Das Anpresselement 30 umfasst ein Federelement, welches in Form einer streifenförmigen Blattfeder 32 mit einer Unterseite und einer Oberseite ausgebildet ist. In einer weiteren Variante der Vorrichtung kann das Anpresselement 30 mehrere Blattfedern 32 umfassen, die jeweils einem elektrischen Bauteil 22 zugeordnet sind. Die Blattfeder 32 weist eine bogenförmige Form auf und ist in Richtung des elektrischen Bauteils 22 gekrümmt. Die Unterseite der Blattfeder 32 liegt abschnittsweise an einer Oberseite des elektrischen Bauteils 22 an.
  • Das Oberwerkzeug 26 umfasst weiterhin eine Einspanneinheit 34 mit einem ersten und einem zweiten Lager 36, 38 mittels derer die Blattfeder 32 in dem Oberwerkzeug 26 eingespannt ist. Die Blattfeder 32 ist an einem ersten Ende durch das erste Lager fixiert. Das erste Lager 36 ist schwenkbar um eine Schwenkachse gelagert und relativ zu dieser in einer Vielzahl von Positionen fixierbar, wie durch einen in der 1 dargestellten Pfeil B angedeutet. Durch das Einstellen der Position des ersten Lagers 36 um die Schwenkachse kann die Vorspannung der Blattfeder 32 variabel eingestellt werden. An einem zweiten Ende der Blattfeder 32, welches entgegengesetzt zu dem ersten Ende angeordnet ist, liegt die Unterseite der Blattfeder 32 abschnittsweise an dem zweiten Lager 38 an. In einer Weiterentwicklung der Vorrichtung kann das zweite Lager 38 derart bereitgestellt sein, dass die Oberseite oder die Oberseite und die Unterseite der Blattfeder 32 abschnittsweise an diesem anliegt/anliegen.
  • In 1 ist ein erster Zustand der Vorrichtung 10 gezeigt, in welchem die Blattfeder 32 durch ein in einem vorhergehenden Schritt erfolgtes Absenken des Oberwerkzeugs 26 elastisch verformt ist. Durch diese elastische Verformung der Blattfeder 32 resultiert eine Kraft F, welche auf das elektrische Bauteil 22 wirkt und dieses gegen das auf der Auflagefläche 14 aufgelegte Substrat 16 für die Dauer eines Aushärtevorgangs presst. In dem ersten Zustand erfolgt weiterhin eine Wärmezufuhr durch die erste Wärmequelle und den Wärmestrahler 28, um das zwischen dem elektrischen Bauteil 22 und dem Substrat 16 aufgetragene Verbindungsmittel 20 auszuhärten. Folglich findet in dem ersten Zustand ein gleichzeitiges Aufbringen eines Krafteintrags durch die Blattfeder 32 und eines Wärmeeintrags durch die erste Wärmequelle und den Wärmestrahler 28 statt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass während des Aushärtens des Verbindungsmittels 20 die Kontaktflächen 24 des elektrischen Bauteils 22 mit den Kontaktflächen 18 des Substrats 16 elektrisch leitend in Kontakt stehen, sodass nach Ablauf des Aushärtevorgangs das elektrische Bauteil 22 mit dem Substrat 16 mechanisch und elektrisch leitend verbunden ist.
  • Bei den im Folgenden beschriebenen weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung werden für gleichartige bzw. gleich wirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verwendet. Die Komponenten, die in den weiteren Ausführungsformen nicht erneut beschrieben sind, stimmen in ihren Merkmalen mit den Komponenten der ersten Ausführungsform überein.
  • In 2 bis 4 ist eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung 10a zum gleichzeitigen Verbinden von mehreren elektrischen Bauteilen 22 mit dem Substrat 16 gezeigt. Das Anpresselement 30a umfasst drei streifenförmige Blattfedern 32a, welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die mehreren Blattfedern 32a sind an dem ersten Ende miteinander verbunden, sodass das Anpresselement 30a in Form eines Federkamms ausgebildet ist. Entsprechend der Anzahl der Blattfedern 32a sind auf dem Substrat 16 drei elektrische Bauteile 22 angeordnet, welche jeweils einer Blattfeder 32a zugeordnet und unterhalb dieser angeordnet sind. Die Vorrichtung 10a ermöglicht somit, dass in einem Verfahrensschritt gleichzeitig mehrere elektrische Bauteile 22 mit dem Substrat 16 verbunden werden. In 2 und 3 ist der erste Zustand der Vorrichtung 10a gezeigt, in welchem die elektrischen Bauteile 22 mittels der Blattfedern 32a des Anpresselements 30a gegen das auf der Auflagefläche 14 angeordnete Substrat 16 für die Dauer des Aushärtevorgangs gepresst werden.
  • 4 zeigt die Vorrichtung 10a in einem zweiten Zustand, in dem das Oberwerkzeug 26 relativ zu dem Unterwerkzeug 12 einen in vertikaler Richtung größeren Abstand aufweist. Die Unterseite der Blattfedern 32a liegt nicht auf der Oberseite der den Blattfedern 32a zugeordneten elektrischen Bauteile 22 an. Auf die elektrischen Bauteile 22 wird kein Krafteintrag mittels der Blattfedern 32a ausgeübt. Im Vergleich zu dem ersten Zustand der Vorrichtung 10a weisen die Blattfedern 32a keine durch eine Relativbewegend zwischen dem Oberwerkzeug 26 und dem Unterwerkzeug 12 induzierte elastische Verformung auf. Wie durch gestrichelte Linien 40 in 4 angedeutet, welche die Form der eingespannten Blattfedern 32a in dem ersten Zustand zeigen, weisen die Blattfedern 32a in dem zweiten Zustand eine stärker ausgeprägte Krümmung in Richtung des Unterwerkezugs 12 auf.
  • In 5 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Anpresselements 30b gezeigt. Das Anpresselement 30b ist einstückig ausgebildet und weist eine Vielzahl von Blattfedern 32b auf. Die Breite der Blattfedern 32b und die Abstände zwischen diesen sind gleich ausgebildet. Das Anpresselement 30b kann beispielsweise aus einem Edelstahlblech mit einer Dicke von 1 mm ausgebildet und mittels eines Laserschneideverfahrens hergestellt sein.
  • Eine weitere Ausführungsform des Anpresselements 30c ist in 6 gezeigt. Das Anpresselement 30c umfasst mehrere Blattfedern 32c, welche an einem ersten Ende über einen zu den Blattfedern 32c quer verlaufenden Steg miteinander verbunden sind. Der Steg ist dabei eben ausgebildet. Die Blattfedern 32c weisen eine bogenförmige Form auf.

Claims (11)

  1. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) zum Verbinden elektrischer Bauteile (22) mit einem Substrat (16), umfassend: ein Unterwerkzeug (12) mit einer ersten Wärmequelle und einer Auflagefläche (14) zum Auflegen des Substrats (16) mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil (22); ein Oberwerkzeug (26) mit einem Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c), wobei das Unterwerkzeug (12) und das Oberwerkzeug (26) aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, wobei das Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c) aus zumindest einem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) besteht, das dazu eingerichtet ist, bei einer Relativbewegung zwischen dem Oberwerkzeug (26) und dem Unterwerkzeug (12) elastisch verformt zu werden und dadurch eine Kraft (F) auf ein sich zwischen dem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) und der Auflagefläche (14) befindliches Substrat (16) mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil (22) auszuüben, um das zumindest eine elektrische Bauteil (22) für die Dauer eines Aushärtevorgangs gegen das auf der Auflagefläche (14) anzuordnende Substrat (16) zu pressen, und wobei die erste Wärmequelle dazu eingerichtet ist, dem zwischen der Auflagefläche (14) und dem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) anzuordnenden Substrat (16) mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) Wärme zuzuführen, um ein zwischen dem Substrat (16) und dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) aufgebrachtes Verbindungsmittel (20) auszuhärten, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) ferner eine Einspanneinheit (34) zum Einspannen des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c) umfasst, wobei das zumindest eine Federelement (32; 32a; 32b; 32c) mittels der Einspanneinheit (34) vorgespannt ist, und wobei die Einspanneinheit dazu eingerichtet ist, die Vorspannung des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c) variabel einzustellen.
  2. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach Anspruch 1, bei der das Oberwerkzeug (26) ferner umfasst: eine zweite Wärmequelle (28), die dazu eingerichtet ist, dem zwischen der Auflagefläche (14) und dem Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c) anzuordnenden Substrat (16) mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) Wärme zuzuführen, um das zwischen dem Substrat (16) und dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) aufgebrachte Verbindungsmittel (20) auszuhärten.
  3. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei der das zumindest eine Federelement eine streifenförmige Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) ist.
  4. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach Anspruch 3, wobei die zumindest eine Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) mittels der Einspanneinheit (34) bogenförmig vorgespannt ist.
  5. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Einspanneinheit (34) ein erstes Lager (36) und ein zweites Lager (38) umfasst, wobei das erste Lager (36) dazu eingerichtet ist, die zumindest eine Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) an einem ersten Ende der zumindest einen Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) zu fixieren, und wobei die zumindest eine Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) an einem dem ersten Ende entgegensetzten zweiten Ende an dem zweiten Lager (38) anliegt.
  6. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach Anspruch 5, bei der das erste Lager (36) um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert und relativ zur Schwenkachse so fixierbar ist, dass die Vorspannung der zumindest einen Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) einstellbar ist.
  7. Thermokompressionsvorrichtung (10a) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der das Anpresselement (30a; 30b; 30c) mehrere Blattfedern (32a; 32b; 32c) mit einem definierten Abstand zueinander aufweist, wobei das Anpresselement (30a; 30b; 30c) in Form eines Federkamms ausgebildet ist, und/oder die mehreren Blattfedern (32a; 32b; 32c) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und/oder die Breite der mehreren Blattfedern (32a; 32b; 32c) und/oder die Abstände zwischen denselben gleich oder unterschiedlich ausgebildet ist/sind, und/oder die mehreren Blattfedern (32a; 32b; 32c) an dem ersten Ende miteinander verbunden sind, und/oder das Anpresselement (30a; 30b; 30c) mit den mehreren Blattfedern (32a; 32b; 32c) einstückig ausgebildet ist, und/oder jede der mehreren Blattfedern (32a; 32b; 32c) jeweils einem von einer Vielzahl von auf dem Substrat (16) anzuordnenden elektrischen Bauteilen (22) zugeordnet ist.
  8. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem die zumindest eine Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) thermisch leitfähig und dazu eingereicht ist, einen durch die zweite Wärmequelle (28) eingebrachten Wärmeeintrag auf das zwischen dem Substrat (16) und dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) aufgebrachte Verbindungsmittel (20) zu übertragen.
  9. Thermokompressionsvorrichtung (10; 10a) nach einem der Ansprüche 3 bis Anspruch 8, bei der die zweite Wärmequelle (28) als Wärmestrahler ausgebildet und oberhalb des Anpresselements (30; 30a; 30b; 30c) angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen dem Wärmestrahler und dem Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c) im Wesentlichen so konstant ist, dass der durch den Wärmestrahler in die zumindest eine Blattfeder (32; 32a; 32b; 32c) eingebrachte Wärmestrom konstant ist.
  10. Verfahren zum Verbinden von elektrischen Bauteilen (22) mit einem Substrat (16), mit den Schritten: - Auflegen des Substrats (16) mit zumindest einem darauf angeordneten elektrischen Bauteil (22) auf eine Auflagefläche (14) eines Unterwerkzeugs (12), wobei zwischen dem Substrat (16) und dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) ein Verbindungsmittel (20) aufgetragen ist; - Aufeinander Zubewegen des Unterwerkzeugs (12) und eines Oberwerkzeugs (26), wobei das Oberwerkzeug (26) ein Anpresselement (30; 30a; 30b; 30c) umfasst, das aus zumindest einem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) besteht, und dadurch elastisches Verformen des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c), wodurch eine Kraft (F) auf das zwischen der Auflagefläche (14) und dem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) angeordnete Substrat (16) mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) aufgebracht wird, die bewirkt, dass das zumindest eine elektrische Bauteil (22) gegen das auf der Auflagefläche (14) angeordnete Substrat (16) gepresst wird; - Zuführen von Wärme zu dem zwischen der Auflagefläche (14) und dem Federelement (32; 32a; 32b; 32c) angeordneten Substrat (16) mit dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) und dadurch Aushärten des zwischen dem Substrat (16) und dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) aufgetragenen Verbindungsmittels (20); und - Einstellen einer Vorspannung des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c) des Anpresselements (30; 30a; 30b; 30c) mittels einer Einspanneinheit (34), wobei die Vorspannung des zumindest einen Federelements (32; 32a; 32b; 32c) mit der Einspanneinheit variabel einzustellen ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend die Schritte: - Aufbringen des Verbindungsmittels (20) auf das Substrat (16) und/oder das zumindest eine elektrische Bauteil (22); - Aufbringen des zumindest einen elektrischen Bauteils (22) auf das Substrat (16), sodass das Verbindungsmittel (20) zwischen dem zumindest einen elektrischen Bauteil (22) und dem Substrat (16) angeordnet ist; - Voneinander Wegbewegen des Unterwerkzeugs (12) und des Oberwerkzeugs (26); und - Fördern des Substrats (16) mit dem zumindest einen darauf angeordneten elektrischen Bauteil (22) von der Auflagefläche (14).
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