DE102017129546A1

DE102017129546A1 - Bondwerkzeug und Bondvorrichtung

Info

Publication number: DE102017129546A1
Application number: DE102017129546.1A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Hesse; Michael Brökelmann; Matthias Hunstig
Original assignee: Hesse GmbH
Current assignee: Hesse GmbH
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2019-06-13
Also published as: WO2019114867A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bondwerkzeug umfassend einen langgestreckt ausgebildeten Werkzeugschaft (1) und eine sich an den Werkzeugschaft (1) anschließende Werkzeugspitze (2) mit einer Kontaktoberfläche (8), wobei im Bereich des Werkzeugschafts (1) und der Werkzeugspitze (2) eine sich in eine Längsrichtung (16) des Bondwerkzeugs erstreckende, zum Führen einer elektromagnetischen Welle ausgebildete Längsausnehmung (3) vorgesehen ist, wobei eine Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) in einem dem Werkzeugschaft (1) zugeordneten ersten Abschnitt (5) reflektierend ausgebildet ist mit einem Reflexionsgrad für elektromagnetische Wellen einer Wellenlänge von 100 nm bis 100 µm von wenigstens 85 % und bevorzugt 95 % oder mehr.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bondwerkzeug umfassend einen langgestreckt ausgebildeten Werkzeugschaft und eine sich an den Werkzeugschaft anschließende Werkzeugspitze mit einer Kontaktoberfläche, wobei im Bereich des Werkzeugschafts und der Werkzeugspitze eine sich in eine Längsrichtung des Bondwerkzeugs erstreckende, zum Führen einer elektromagnetischen Welle ausgebildete Längsausnehmung vorgesehen ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Laser-Bondvorrichtung.
Laser-Bondvorrichtungen sind in der Literatur umfangreich beschrieben. Sie sehen vor, dass ein Bondprozess durch das Zuführen thermischer Energie, welche mittels eines Laserstrahls bereitgestellt wird, begünstigt wird. Es ist insofern möglich, den Bondprozess zu beschleunigen beziehungsweise elektrisch leitende Kontaktpartner zu verbinden, welche mit konventionellen Bondverfahren, insbesondere mittels Ultraschall-Bonden, Thermosonic-Bonden beziehungsweise Thermokompressions-Bonden, nicht oder nur unzureichend kontaktiert werden können.
Beispielsweise ist eine Laserbondvorrichtung mit einem geeignet ausgebildeten Bondwerkzeug in der EP 0 367 705 A2 beschrieben. Es ist hier so, dass ein Wellenleiter einer Laserquelle Laserstrahlen in eine Längsausnehmung eines Bondwerkzeugs einkoppelt. Die Längsausnehmung an dem Bondwerkzeug ist dabei sacklochartig geschlossen ausgebildet und bis zu einer Werkzeugspitze des Bondwerkzeugs geführt. Im Bereich der Werkzeugspitze ist eine Innenmantelfläche der Längsausnehmung durch eine Absorptionsschicht gebildet. Trifft der Laserstrahl auf die Absorptionsschicht, wird die Werkzeugspitze des Bondwerkzeugs erwärmt mit der Folge, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den elektrisch leitenden Kontaktpartnern begünstigt wird.
Ein ähnlicher Aufbau ist aus der US 4 534 811 A bekannt. Hier wird der Laserstrahl koaxial in eine Längsausnehmung eines Bondwerkzeugs eingekoppelt. Der Laserstrahl trifft allein im Bereich einer sich keilförmig verjüngenden Werkzeugspitze auf die Innenmantelfläche der Längsausnehmung und erwärmt die Werkzeugspitze infolge der wiederholten Reflexion und der damit einhergehenden Absorption.
In der Praxis haben sich die in der Literatur beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren bis heute nicht durchsetzen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Laserbondvorrichtung und ein Bondwerkzeug hierfür anzugeben, welche einfach zu handhaben sind.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenmantelfläche der Längsausnehmung in einem dem Werkzeugschaft zugeordneten ersten Abschnitt reflektierend ausgebildet ist mit einem Reflexionsgrad für werkzeugspezifische elektromagnetische Wellen einer Wellenlänge von 100 nm bis 100 µm von wenigstens 85 % und bevorzugt 95 % oder mehr.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, durch das Vorsehen der reflektierenden Innenmantelfläche in der Längsausnehmung des Bondwerkzeugs ein Laserstrahl verlustarm bis in den Bereich der Werkzeugspitze geführt werden kann. Da der Laserstrahl verlustarm bis in den Bereich der Werkzeugspitze geführt werden kann, ergibt sich nur eine geringe Erwärmung des Bondwerkzeugs im Bereich des Werkzeugschafts. Die wesentliche Energie des Laserstrahls wird insofern aufgewendet zum Erwärmen der Werkzeugspitze. Darüber hinaus ergeben sich durch das Vorsehen der reflektierenden Innenmantelfläche vorrichtungsseitig signifikante Vorteile. Es ist nämlich so, dass der Laserstrahl nicht koaxial zu einer Längsmittelachse in die Längsausnehmung des Bondwerkzeugs eingekoppelt und im Wesentlichen reflexionsfrei bis zur Werkzeugspitze geführt werden muss. Vielmehr kann der Laserstrahl unter einem Winkel zur Längsmittelachse in die Längsausnehmung eingekoppelt werden und dann aufgrund der guten Reflexionseigenschaften verlustarm bis zur Werkzeugspitze geführt werden. Der konstruktive Aufwand für das Einkoppeln des Laserstrahls in die Längsausnehmung reduziert sich hierdurch erheblich. Außerdem kann darauf verzichtet werden, den Wellenleiter in die Längsausnehmung des Bondwerkzeugs einzuführen, um den Laserstrahl in dem Wellenleiter verlustarm bis zur Werkzeugspitze zu führen. Es entfällt somit die Notwendigkeit, den Wellenleiter beim Wechsel des Werkzeugs in die Längsausnehmung einzufädeln. Letztlich können hierdurch der Werkzeugwechsel beschleunigt und die Produktivität der Bondvorrichtung erhöht werden.
Kern der Erfindung ist es insofern, anders als im Stand der Technik beschrieben die Längsausnehmung im Bereich eines dem Werkzeugschaft des Bondwerkzeugs zugeordneten ersten Abschnitts reflektierend auszubilden und es dann zuzulassen, dass der Laserstrahl in dem ersten Abschnitt einmalig oder mehrfach an der Innenmantelfläche der Längsausnehmung reflektiert wird, bevor er auf die Werkzeugspitze trifft und diese erwärmt. Die im ersten Abschnitt reflektierend gebildete Innenmantelfläche weist hierzu einen hohen Reflexionsgrad auf mit der Folge, dass trotz der einmaligen oder wiederholten Reflexion des Laserstrahls ein ausreichender Anteil des Laserstrahls zum Erwärmen der Werkzeugspitze zur Verfügung steht.
Im Sinne der Erfindung versteht sich der Reflexionsgrad als hemisphärischer spektraler Reflexionsgrad. Der Reflexionsgrad ist insofern frequenzabhängig und über einen gesamten Halbraum bestimmt. Es ist insofern im Sinne der Erfindung vorzusehen, dass ein Reflexionsgrad von 85 % oder mehr für eine in der konkreten Anwendung verwendete Wellenlänge realisiert ist. Beispielsweise kann ein Reflexionsgrad von 85 % oder mehr für sichtbare Strahlung mit einer Wellenlänge von 532 nm, wie sie von einem Neodym-Laser verwendet wird, bereitgestellt sein, während dieser Reflexionsgrad für das gleiche Bondwerkzeug bei elektromagnetischer Strahlung im Nah-Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 970 nm, wie sie von einem GaAlAs-Diodenlaser erzeugt wird, nicht erreicht wird. Für den GaAlAs-Diodenlaser wäre ein anderes Bondwerkzeug mit einer für die Wellenlänge von 970 nm optimierten Innenmantelfläche vorzusehen. Das Bondwerkzeug weist insofern eine auf den speziellen Laserstrahl ausgelegte Innenmantelfläche auf.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Innenmantelfläche der Längsausnehmung in einem der Werkzeugspitze zugeordneten zweiten Abschnitt absorbierend ausgebildet mit einem Absorptionsgrad für werkzeugspezifische elektromagnetische Wellen der einen Wellenlänge von wenigstens 30 %. Vorteilhaft kann durch das Realisieren eines entsprechend hohen Absorptionsgrads die Absorption der elektromagnetischen Wellen im Bereich der Werkzeugspitze begünstigt werden und damit die Werkzeugspitze schnell und effektiv erwärmt werden. Optional kann vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt der Innenmantelfläche der Längsausnehmung ein Übergangsabschnitt gebildet ist, in dem ein Reflexionsgrad der Innenmantelfläche geringer ist als der Reflexionsgrad der Innenmantelfläche in dem ersten Abschnitt und/oder ein Absorptionsgrad der Innenmantelfläche geringer ist als der Absorptionsgrad der Innenmantelfläche in dem zweiten Abschnitt.
Analog zum Begriff des Reflexionsgrads wird unter dem Absorptionsgrad im Rahmen der Erfindung der bei einer bestimmten Frequenz im gesamten Halbraum ermittelte hemisphärische spektrale Absorptionsgrad verstanden. Unter der Annahme, dass an dem Bondwerkzeug eine Transmission des Laserstrahls nicht stattfindet, wird bei jedem Auftreffen des Laserstrahls auf die Innenmantelfläche der Längsausnehmung ein Teil des Laserstrahls absorbiert und der andere Teil des Laserstrahls reflektiert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Innenmantelfläche der Längsausnehmung durch ein spanendes Fertigungsverfahren, durch eine chemische Oberflächenbehandlung und/oder durch Laserpolieren hergestellt. Vorteilhaft kann durch die entsprechenden Bearbeitungsverfahren für verschiedene Wellenlängenbereiche ein sehr hoher Reflexionsgrad für die Innenmantelfläche der Längsausnehmung bereitgestellt werden. Zudem können die Herstellverfahren automatisiert beziehungsweise teilautomatisiert durchgeführt werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann im Bereich des zweiten Abschnitts eine Absorptionsschicht vorgesehen sein zur Bildung der Innenmantelfläche beziehungsweise es wird im Bereich des zweiten Abschnitts eine Absorptionsgeometrie beziehungsweise ein Querschnittsübergang bereitgestellt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Innenmantelfläche in dem zweiten Abschnitt nach Art eines schwarzen Strahlers ausgebildet ist, der die elektromagnetische Strahlung weitgehend absorbiert und so das Aufheizen der Werkzeugspitze begünstigt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein maximaler Querschnitt der Längsausnehmung in dem zweiten Abschnitt größer als ein maximaler Querschnitt der Längsausnehmung in dem ersten Abschnitt beziehungsweise ein minimaler Querschnitt der Längsausnehmung in dem zweiten Abschnitt ist größer als ein minimaler Querschnitt der Längsausnehmung in dem ersten Abschnitt. Vorteilhaft bildet die Längsausnehmung im Bereich des zweiten Abschnitts in der Folge der geometrischen Gestaltung eine Strahlenfalle für den Laserstrahl. Die geometrische Gestaltung der Längsausnehmung sorgt insofern dafür, dass der Laserstrahl im Bereich des zweiten Abschnitts besonders häufig auf die Innenmantelfläche trifft und/oder möglichst nicht in Richtung des ersten Abschnitts zurückreflektiert wird mit der Folge, dass die Werkzeugspitze besonders effektiv erwärmt wird und die Laserquelle vor reflektierter Strahlung geschützt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist an dem Bondwerkzeug an einem der Werkzeugspitze abgewandten Ende des Werkzeugschafts eine Einkoppelgeometrie für die elektromagnetischen Wellen vorgesehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Querschnitt der Längsausnehmung im Bereich der Einkoppelgeometrie trichterförmig gestaltet ist und/oder eine Innenmantelfläche der Längsausnehmung im Bereich der Einkoppelgeometrie reflektierend ausgebildet ist. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der Einkoppelgeometrie der Laserstrahl besonders effektiv in die Längsausnehmung des Bondwerkzeugs eingekoppelt werden. Zusätzlich kann durch das Vorsehen einer speziellen Einkoppelgeometrie einer ungerichteten Reflexion des Laserstrahls beim Einkoppeln desselben in die Längsausnehmung entgegenwirkt werden mit der Folge, dass keine schädliche Streuung des Laserlichts auftritt. Insbesondere ist einer unkontrollierten Ausbreitung beziehungsweise Streuung des Laserstrahls außerhalb des Bondwerkzeugs und damit letztlich dem Risiko, dass es zu einer Gefährdung von Personen kommt, entgegengewirkt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Längsausnehmung nach Art eines Sacklochs ausgebildet sein, wobei ein Sacklochgrund der Längsausnehmung im Bereich der Werkzeugspitze vorgesehen ist. Vorteilhaft wird durch das Vorsehen der sacklochartigen Längsausnehmung ein Durchtritt des Laserstrahls durch das Bondwerkzeug und ein Auftreffen des Laserstrahls auf die elektrisch leitenden Kontaktpartner vermieden. Einer Beschädigung der Kontaktpartner, einer Verunreinigung im Bereich der Kontaktstelle durch das Aufschmelzen wenigstens eines Kontaktpartners und einer direkten und mithin schädlichen Erwärmung eines Kontaktpartners wird insofern zuverlässig vermieden. Zugleich begünstigt die Sacklochgeometrie der Längsausnehmung das Einfangen des Laserstrahls im Bereich des zweiten Abschnitts und somit die Erwärmung der Werkzeugspitze.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Längsausnehmung nach Art eines Durchgangslochs ausgebildet sein, wobei eine erste Öffnung des Durchgangslochs im Bereich der Kontaktoberfläche vorgesehen ist. Beispielsweise ist eine zweite Öffnung des Durchgangslochs an einer der Werkzeugspitze abgewandten Stirnseite des Werkzeugschafts vorgesehen. Vorteilhaft kann ein Durchgangsloch fertigungstechnisch sehr einfach realisiert werden mit der Folge, dass die Kosten zur Herstellung des Bondwerkzeugs gering sind. Dabei kann durch das Vorsehen eines entsprechend hohen Absorptionsgrads in dem zweiten Abschnitt und/oder die Aufweitung des Querschnitts der Längsausnehmung in dem zweiten Abschnitt gewährleistet werden, dass kein oder nur ein geringer Bruchteil des Laserlichts durch die erste Öffnung der Längsausnehmung hindurchtritt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann das Bondwerkzeug einstückig hergestellt sein. Alternativ kann das Bondwerkzeug aus zwei Werkzeughalbschalen hergestellt werden, welche nach dem Herstellen der reflektierenden Oberfläche in dem ersten Abschnitt beziehungsweise der absorbierenden Innenmantelfläche in dem zweiten Abschnitt gefügt werden. Beispielsweise kann das Bondwerkzeug eine separate Werkzeugspitze aufweisen, welche zur Bildung des Bondwerkzeugs formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig an den Werkzeugschaft angesetzt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Bondwerkzeug mehrteilig ausgebildet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Innenmantelfläche der Längsausnehmung jedenfalls im Bereich des ersten Abschnitts durch die Innenmantelfläche eines Röhrchens gebildet ist. Das Röhrchen wird formschlüssig oder spielbehaftet in eine Aussparung eingesetzt, welche in eine Längsrichtung erstreckt an einem den Werkzeugschaft und die Werkzeugspitze bildenden Grundkörper des Bondwerkzeugs ausgebildet ist. Das Röhrchen kann insofern mit dem Grundkörper des Bondwerkzeugs formschlüssig beziehungsweise stoffschlüssig verbunden sein oder als separates Bauteil des Bondwerkzeugs realisiert werden.
Zur Lösung der Aufgabe weist eine erfindungsgemäße Bondvorrichtung die Merkmale des Patentanspruchs 13 auf. Insofern umfasst die Bondvorrichtung ein erfindungsgemäßes Bondwerkzeug und eine Laserquelle mit einem Generator, welcher eine elektromagnetische Welle in Form eines Laserstrahls bereitstellt. Die Laserquelle ist dem Bondwerkzeug dabei derart zugeordnet, dass der Laserstrahl in die Längsausnehmung des Bondwerkzeugs eingekoppelt wird.
Beispielsweise kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass die Bondvorrichtung einen verfahrbaren Bondkopf vorsieht, an dem das Bondwerkzeug gehalten ist. Die Laserquelle kann ebenfalls an dem verfahrbaren Bondkopf positioniert sein. Es ist insofern dauerhaft und insbesondere auch während des Betriebs eine feste Zuordnung der Laserquelle beziehungsweise des den Laserstrahl bereitstellenden Generators der Laserquelle zu dem Bondwerkzeug realisiert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist als Teil der Laserquelle ein Wellenleiter vorgesehen, welcher von dem Generator bis zu dem Bondwerkzeug geführt ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Generator der Laserquelle ortsfest vorgesehen ist und das an dem Bondkopf gehaltene Bondwerkzeug verfahren wird. Zwischen dem ortsfesten Generator der Laserquelle und dem Bondwerkzeug ist insofern der Lichtleiter vorgesehen, welcher flexibel ausgeführt ist. Vorteilhaft reduziert sich hierdurch die Masse, welche beim Verfahren des Bondkopfs bewegt werden muss, mit der Folge, dass die Dynamik begünstigt und die Bondzeit reduziert werden kann.
Das Bondwerkzeug kann optional einteilig ausgebildet sein oder den Grundkörper und das hierin geführte Röhrchen aufweisen. Das Röhrchen und der Grundkörper können insofern gemeinsam oder einzeln an dem Bondkopf gehalten sein. Sofern das Röhrchen separat an dem Bondkopf festgelegt ist, kann ein Austausch des Röhrchens bei einem Wechsel des Grundkörpers des Bondwerkzeugs unterbleiben mit der Folge, dass eine Neupositionierung beziehungsweise Justage des Röhrchens insbesondere in Bezug zu dem Generator beziehungsweise dem Wellenleiter nicht erforderlich ist.
Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details des Bondwerkzeugs gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bondvorrichtung und umgekehrt. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter.
Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt,
2 eine Detailvergrößerung einer Einkoppeloptik des Bondwerkzeugs nach 1,
3 eine Zuordnung eines Wellenleiters einer Laserquelle zu der Einkoppeloptik des Bondwerkzeugs nach 1,
4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt,
5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt,
6 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt,
7 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt,
8 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt und
9 eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs in einem Längsschnitt.

Die Figuren zeigen voneinander verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs. Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es werden lediglich die Unterscheidungsmerkmale der auf das erste Ausführungsbeispiel folgenden Ausführungsbeispiele zu dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert. Im Übrigen stimmen die Ausführungsbeispiele überein.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs nach 1 umfasst einen in eine Längsrichtung 16 langerstreckten Werkzeugschaft 1 und eine Werkzeugspitze 2, an der stirnseitig eine Kontaktoberfläche 8 zum Bonden eines elektrisch leitenden ersten Kontaktpartners mit einem zweiten Kontaktpartner vorgesehen ist. Das Bondwerkzeug umfasst ferner eine in die Längsrichtung 16 erstreckte Längsausnehmung 3. Die Längsausnehmung 3 ist vorliegend nach Art einer Durchgangsausnehmung ausgebildet, wobei eine Öffnung der Durchgangsausnehmung 3 im Bereich der Kontaktoberfläche 8 vorgesehen ist und eine zweite Öffnung einer gegenüberliegenden Stirnseite des Bondwerkzeugs zugeordnet ist.
In einem ersten Abschnitt 5 der Längsausnehmung 3, welcher dem Werkzeugschaft 1 zugeordnet ist, ist eine Innenmantelfläche 4 der Längsausnehmung 3 reflektierend ausgebildet mit einem Reflexionsgrad für elektromagnetische Strahlung einer werkzeugspezifischen Wellenlänge von 85 % oder mehr. Ferner ist in einem zweiten Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3, welcher bis in den Bereich der Werkzeugspitze 2 des Bondwerkzeugs geführt ist, die Innenmantelfläche 4 absorbierend ausgebildet mit einem Absorptionsgrad für die elektromagnetische Strahlung von 30 % oder mehr.
Zwischen dem ersten Abschnitt 5 und dem zweiten Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3 ist zudem ein Übergangsabschnitt 15 gebildet, in dem eine Querschnittsänderung realisiert ist. Zusätzlich ist ein Reflexionsgrad der Innenmantelfläche 4 in dem Übergangsabschnitt 15 in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung geringer als ein Reflexionsgrad der Innenmantelfläche 4 in dem ersten Abschnitt 5 und ein Absorptionsgrad der Innenmantelfläche 4 in dem Übergangsabschnitt 15 geringer als ein Absorptionsgrad der Innenmantelfläche 4 in dem zweiten Abschnitt 6.
Im Bereich einer der Werkzeugspitze 2 mit der Kontaktoberfläche 8 gegenüberliegenden Stirnseite des Bondwerkzeugs ist benachbart zu dem ersten Abschnitt 5 eine Einkoppelgeometrie 7 realisiert. Die Längsausnehmung 3 weitet sich im Bereich der Einkoppelgeometrie 7 trichterförmig. Eine Innenmantelfläche 4 der Längsausnehmung 3 ist im Bereich der Einkoppelgeometrie 7 reflektierend ausgebildet, wobei exemplarisch ein Reflexionsgrad der Innenmantelfläche 4 im Bereich der Einkoppelgeometrie 7 dem Reflexionsgrad der Innenmantelfläche 4 in dem ersten Abschnitt 5 entspricht.
Die Längsausnehmung 3 ist bezogen auf eine Längsmittelachse 10 des Bondwerkzeugs koaxial zu ebendieser vorgesehen. Ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 ist hier exemplarisch stets kreisförmig.
2 zeigt eine Detailansicht der trichterförmigen Einkoppelgeometrie 7. Ein Öffnungswinkel 12 der Einkoppelgeometrie 7 ist dabei so gewählt, dass ein größerer Durchmesser der Einkoppelgeometrie 7 im Bereich der Stirnseite knapp doppelt so groß ist wie ein Durchmesser der Längsausnehmung 3 in dem ersten Abschnitt 5. Ein Maß für eine in die Längsrichtung 16 bestimmte Höhe der Einkoppelgeometrie 7 liegt zwischen dem Maß des Durchmessers der Längsausnehmung 3 in dem ersten Abschnitt 5 und dem Maß für den größten Durchmesser der Einkoppelgeometrie 7.
3 zeigt einen Wellenleiter 11, welcher stirnseitig beabstandet der Einkoppelgeometrie 7 zugeordnet ist. Exemplarisch sind zwei Laserstrahlen dargestellt, welche aus dem Wellenleiter 11 austreten und unter einem ersten Strahlwinkel 13 beziehungsweise einem zweiten Strahlwinkel 14 im Bereich der Einkoppelgeometrie 7 auf die Innenmantelfläche 4 der Längsausnehmung 3 treffen und von dort in Richtung des ersten Abschnitts 5 der Längsausnehmung 3 reflektiert werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Wellenleiter 11 an einem Bondkopf einer Bondvorrichtung festgelegt ist und das Bondwerkzeug relativ zu dem Wellenleiter 11 an dem Bondkopf austauschbar gehalten ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Wellenleiter 11 bis in den Bereich der Einkoppelgeometrie 7 geführt ist. Beispielsweise ist der Wellenleiter 11 beabstandet zu der Innenmantelfläche 4 der Längsausnehmung 3 vorgesehen.
Ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 ist in dem zweiten Abschnitt 6 größer als in dem ersten Abschnitt 5. Dies führt dazu, dass einer Reflexion eines in dem zweiten Abschnitt 6 auf die Innenmantelfläche 4 treffenden Laserstrahls in Richtung des ersten Abschnitts 5 entgegengewirkt ist. Der zweite Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3 hat insofern den Charakter einer Strahlenfalle.
Beispielsweise kann der Wellenleiter 11 in die an dem Bondwerkzeug gebildete Längsausnehmung 3 eingesetzt werden. Der Wellenleiter 11 ist dabei so positioniert, dass der Wellenleiter 11 in dem ersten Abschnitt 5 endet. Der Laserstrahl trifft dann nach dem Austritt aus dem Wellenleiter 11 in dem ersten Abschnitt 5 auf die reflektierende Innenmantelfläche 4 der Längsausnehmung 3.
Nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 4 ist ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 im ersten Abschnitt 5 und im zweiten Abschnitt 6 gleich. Auf einen Übergangsabschnitt 15 zwischen dem ersten Abschnitt 5 und dem zweiten Abschnitt 6 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verzichtet. Die Kontaktoberfläche 8 des Bondwerkzeugs ist im Bereich einer kerbenförmigen Kontaktgeometrie 9 vorgesehen, welche dazu dient, einen Bonddraht im Bereich der Werkzeugspitze 2 zu führen beziehungsweise festzulegen. Das Bondwerkzeug ist insofern exemplarisch als ein Ultraschall-Drahtbondwerkzeug ausgebildet.
Beispielsweise kann nach einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung das an dem Bondwerkzeug vorgesehene Durchgangsloch im Bereich der Werkzeugspitze 2 durch einen nicht dargestellten Verschlusskörper, beispielsweise einen Bolzen oder einen Gewindestift, verschlossen werden. Aus dem Durchgangsloch 3 wird insofern ein Sackloch. Der Abschlusskörper kann insbesondere in der Durchgangsausnehmung 3 selbst eingesetzt werden.
Eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bondwerkzeugs nach 5 sieht vor, dass der erste Abschnitt 5 der Längsausnehmung 3 bis in den Bereich der Werkzeugspitze 2 geführt ist und der zweite Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3 vollständig der Werkzeugspitze 2 zugeordnet ist.
6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Längsausnehmung 3 ist nach dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung sacklochartig ausgeführt. Es ist insofern ein Sacklochgrund der sacklochartigen Längsausnehmung 3 im Bereich der Werkzeugspitze 2 vorgesehen und als Teil des zweiten Abschnitts 6 der Längsausnehmung 3 realisiert. Ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 ist im Bereich des zweiten Abschnitts 6 größer als im Bereich des ersten Abschnitts 5. Dabei ist zwischen dem ersten Abschnitt 5 und dem zweiten Abschnitt 6 ein Übergangsabschnitt 15 gebildet, in dem der Querschnittsübergang realisiert ist.
Nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 7 ist die Längsausnehmung 3 erneut sacklochartig ausgebildet. Es ist hier so, dass der Sacklochgrund wie gehabt im Bereich der Werkzeugspitze 2 vorgesehen ist und dass der zweite Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3 bis in den Bereich der Werkzeugspitze 2 geführt ist. Ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 ist jedoch im ersten Abschnitt 5 und im zweiten Abschnitt 6 gleich.
Nach einer sechsten Ausführungsform der Erfindung gemäß 8 umfasst das erfindungsgemäße Bondwerkzeug einen den Werkzeugschaft 1 sowie die Werkzeugspitze 2 definierenden Grundkörper mit einer in die Längsrichtung 16 orientierten Aussparung. In der Aussparung ist ein Röhrchen 17 eingesetzt, welches die reflektierende Innenmantelfläche 4 im Bereich des ersten Abschnitts 5 bereitstellt. Der zweite Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3 ist unmittelbar in dem Grundkörper realisiert. Ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 ist in dem zweiten Abschnitt 6 größer als in dem ersten Abschnitt 5. Die Längsausnehmung 3 ist sacklochartig ausgebildet, wobei ein Sacklochgrund im Bereich der Werkzeugspitze 2 vorgesehen ist.
Das Röhrchen 17 ist formschlüssig in die an dem Grundkörper gebildete Aussparung eingesetzt. Beispielsweise ist das Röhrchen 17 mit dem Grundkörper stoffschlüssig verbunden.
9 zeigt eine der sechsten Ausführungsform der Erfindung ähnliche siebte Ausführungsform. Hier ist an dem Grundkörper des Bondwerkzeugs wie gehabt eine in die Längsrichtung 16 orientierte Aussparung gebildet und in die Aussparung das Röhrchen 17 eingesetzt. Das Röhrchen 17 ist dabei beabstandet zu dem Grundkörper gehalten. Insofern ist zwischen dem Grundkörper des Bondwerkzeugs und dem Röhrchen 17 ein hier exemplarisch ring- beziehungsweise rohrförmiger Freiraum 18 gebildet. Der Laserstrahl wird in dem ersten Abschnitt 5 im Bereich des Röhrchens 17 geführt und an der reflektierenden Innenmantelfläche 4 desselben überwiegend reflektiert. Der zweite Abschnitt 6 der Längsausnehmung 3 ist bis in den Bereich der Werkzeugspitze 2 geführt. In dem zweiten Abschnitt 6 ist ein Querschnitt der Längsausnehmung 3 größer als in dem ersten Abschnitt 5.
Optional kann bei den Ausführungsformen nach den 8 und 9 der Wellenleiter 11 in das Röhrchen 17 eingeführt sein. Der Wellenleiter 11 kann beispielsweise in dem Röhrchen 11 festgelegt sein und insbesondere in dem Röhrchen 11 verklebt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0367705 A2 [0003]
US 4534811 A [0004]

Claims

Bondwerkzeug umfassend einen langgestreckt ausgebildeten Werkzeugschaft (1) und eine sich an den Werkzeugschaft (1) anschließende Werkzeugspitze (2) mit einer Kontaktoberfläche (8), wobei im Bereich des Werkzeugschafts (1) und der Werkzeugspitze (2) eine sich in eine Längsrichtung (16) des Bondwerkzeugs erstreckende, zum Führen einer elektromagnetischen Welle ausgebildete Längsausnehmung (3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) in einem dem Werkzeugschaft (1) zugeordneten ersten Abschnitt (5) reflektierend ausgebildet ist mit einem Reflexionsgrad für elektromagnetische Wellen einer Wellenlänge zwischen 100 nm und 100 µm und bevorzugt zwischen 200 nm und 50 µm von wenigstens 85 % und bevorzugt 95 % oder mehr.
Bondwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der reflektierenden Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) in dem ersten Abschnitt (5) eine reflektierende Oberflächenschicht ausgebildet ist.
Bondwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) in dem ersten Abschnitt - durch ein spanendes Fertigungsverfahren und bevorzugt durch Honen und/oder Läppen und/oder - durch eine chemische Oberflächenbehandlung der Innenmantelfläche und bevorzugt durch Elektropolieren und/oder Plasmapolieren und/oder - durch Laserpolieren hergestellt ist.
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) in einem der Werkzeugspitze (2) zugeordneten zweiten Abschnitt (6) absorbierend ausgebildet ist mit einem Absorptionsgrad für die elektromagnetischen Wellen von wenigstens 30 %.
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des zweiten Abschnitts (6) eine Absorptionsschicht vorgesehen ist zur Bildung der Innenmantelfläche (4) und/oder dass im Bereich des zweiten Abschnitts (6) eine Absorptionsgeometrie vorgesehen ist und/oder ein Q uerschn ittsü bergang.
Bondwerkzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Querschnitt der Längsausnehmung (3) in dem zweiten Abschnitt (6) größer ist als ein maximaler Querschnitt der Längsausnehmung (3) in dem ersten Abschnitt (5) und/oder dass ein minimaler Querschnitt der Längsausnehmung (3) in dem zweiten Abschnitt (6) größer ist als ein minimaler Querschnitt der Längsausnehmung (3) in dem ersten Abschnitt (5).
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Werkzeugspitze (2) abgewandten Ende des Werkzeugschafts (1) eine Einkoppelgeometrie (7) für die elektromagnetischen Wellen als Teil der Längsausnehmung (3) vorgesehen ist und/oder dass ein Querschnitt der Längsausnehmung (3) im Bereich der Einkoppelgeometrie (7) trichterförmig aufgeweitet ist und/oder dass eine Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) im Bereich der Einkoppelgeometrie (7) reflektierend ausgebildet ist.
Bondwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelgeometrie (7) sich an einem dem zweiten Abschnitt (6) gegenüberliegenden Ende des ersten Abschnitts (5) unmittelbar an den ersten Abschnitt (5) der Innenmantelfläche (4) der Längsausnehmung (3) anschließt und/oder dass ein Reflexionsgrad der Innenmantelfläche (4) im Bereich der Einkoppelgeometrie (7) dem Reflexionsgrad der Innenmantelfläche (4) in dem ersten Abschnitt (5) entspricht.
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsausnehmung (3) nach Art eines Sacklochs ausgebildet ist, wobei ein Sacklochgrund im Bereich der Werkzeugspitze (2) vorgesehen ist.
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsausnehmung (3) nach Art eines Durchgangslochs ausgebildet ist, wobei eine erste Öffnung des Durchgangslochs im Bereich der Kontaktoberfläche (8) vorgesehen ist und wobei eine zweite Öffnung des Durchgangslochs an einer der Werkzeugspitze (2) abgewandten Stirnseite des Werkzeugschafts (1) vorgesehen ist und/oder der Einkoppelgeometrie (7) zugeordnet ist.
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondwerkzeug aus zwei Werkzeughalbschalen hergestellt ist, welche nach dem Herstellen der reflektierenden Innenmantelfläche (4) in dem ersten Abschnitt (5) und/oder der absorbierenden Innenmantelfläche (4) in dem zweiten Abschnitt (6) gefügt sind, und/oder dass die Längsausnehmung (3) symmetrisch ausgebildet ist in Bezug auf eine Längsmittelachse (10) des Bondwerkzeugs.
Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Abschnitt (5) der Innenmantelfläche (4) und dem zweiten Abschnitt (6) der Innenmantelfläche (4) ein Übergangsabschnitt (15) vorgesehen ist, wobei ein Reflexionsgrad der Innenmantelfläche (4) in dem Übergangsbereich (15) bezogen auf die eine Wellenlänge geringer ist als der Reflexionsgrad der Innenmantelfläche (4) in dem ersten Abschnitt (5) und ein Absorptionsgrad der Innenmantelfläche (4) in dem Übergangsbereich (15) bezogen auf die eine Wellenlänge geringer ist als der Absorptionsgrad der Innenmantelfläche (4) in dem zweiten Abschnitt (6), und/oder dass die Längsausnehmung (3) in dem ersten Abschnitt (5) und/oder in dem zweiten Abschnitt (6) und/oder in dem Übergangsabschnitt (15) und/oder im Bereich der Einkoppelgeometrie (7) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Bondvorrichtung umfassend ein Bondwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und eine Laserquelle mit einem Generator, welcher eine elektromagnetische Welle in Form eines Laserstrahls bereitstellt, wobei die Laserquelle dem Bondwerkzeug derart zugeordnet ist, dass der Laserstrahl in die Längsausnehmung (3) eingekoppelt wird.
Bondvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Teil der Laserquelle ein zum Führen des Laserstrahls ausgebildeter Wellenleiter (11) vorgesehen ist, wobei der Wellenleiter (11) von dem Generator zu dem Bondwerkzeug geführt ist, und/oder dass die Bondvorrichtung ausgebildet ist zum Anregen von Ultraschallschwingungen in dem Bondwerkzeug.
Bondvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator der Laserquelle ortsfest vorgesehen ist und dass das Bondwerkzeug an einem verfahrbaren Bondkopf der Bondvorrichtung gehalten ist.