DE102019124335A1

DE102019124335A1 - Bondvorrichtung

Info

Publication number: DE102019124335A1
Application number: DE102019124335.1A
Authority: DE
Inventors: Andreas Unger; Michael Brökelmann; Matthias Hunstig; Hans-Jürgen Hesse
Original assignee: Hesse GmbH
Current assignee: Hesse GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11
Also published as: WO2021047734A1; EP4028198A1; US20220193812A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs (2) eines Ultraschallbonders umfassend das Bondwerkzeug (2) mit einer ersten Stirnseite (4), mit einer zweiten Stirnseite, mit einer Mantelfläche (1), welche die erste Stirnseite (4) mit der zweiten Stirnseite verbindet, und mit einem Absorptionsbereich (3), umfassend eine Temperaturmesseinrichtung zum Bestimmen einer Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs (2) an einer Temperaturmessstelle (18), welche mantelseitig an dem Bondwerkzeug (2) und bevorzugt an einer Spitze (5) des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist, und umfassend einen Lasergenerator, wobei mittels des Lasergenerators ein Laserstrahl (6) bereitgestellt ist und wobei der Laserstrahl (6) im Absorptionsbereich (3) auf das Bondwerkzeug (2) trifft und das Bondwerkzeug (2) infolge der Absorption des Laserstrahls (6) sich erwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs eines Ultraschallbonders.
Um beim Ultraschallbonden die Prozesszeiten weiter zu verkürzen und um schwer zu bondende Werkstoffe verarbeiten zu können, ist es bekannt, beim Herstellen der Bondverbindung zusätzlich zur mechanischen Druckkraft und der Ultraschallenergie thermische Energie zuzuführen. Beispielsweise ist bekannt, ein Substrat durch eine geeignete Heizung zu erwärmen. Ebenfalls ist bekannt, ein Verbindungsbauteil, beispielsweise einen Aluminium- oder Kupferdraht beim Ultraschall-Drahtbonden, mittels eines Laserstrahls zu erwärmen. Ferner ist bekannt, das Bondwerkzeug selbst zu erwärmen.
Aus der DE 10 2017 127 251 A1 sowie der DE 10 2017 129 546 A1 der Anmelderin sind Bondwerkzeuge bekannt, die mittels eines Laserstrahls im Bereich der Spitze erwärmt werden können. Die Bondwerkzeuge sehen hierzu eine sich entlang des Schafts bis in den Bereich der Werkzeugspitze erstreckende, sacklochartig gebildete Längsausnehmung vor, die zum Führen des Laserstrahls beziehungsweise zur Aufnahme eines den Laserstrahl führenden Wellenleiters dient. Der Laserstrahl wird demzufolge stirnseitig in das Bondwerkzeug eingekoppelt und im Inneren des Bondwerkzeugs den Schaft entlang zu der Spitze des Bondwerkzeugs geführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das Bondwerkzeug erwärmt und mit der des Weiteren eine Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs gemessen werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Die Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs eines Ultraschallbonders umfasst insofern

- das Bondwerkzeug mit einer ersten Stirnseite, mit einer zweiten Stirnseite, mit einer Mantelfläche, welche die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite verbindet, und mit einem Absorptionsbereich, welcher bevorzugt an der Mantelfläche des Bondwerkzeugs vorgesehen ist,
- eine Temperaturmesseinrichtung zum Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs an einer Temperaturmessstelle, welche mantelseitig an dem Bondwerkzeug und bevorzugt an einer Spitze des Bondwerkzeugs vorgesehen ist, und
- einen Lasergenerator, wobei mittels des Lasergenerators ein Laserstrahl bereitgestellt ist und wobei der Laserstrahl im Absorptionsbereich auf das Bondwerkzeug trifft und das Bondwerkzeug infolge der Absorption des Laserstrahls sich erwärmt.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über die Temperaturmessung der laserunterstützte Ultraschallbondprozess sehr gezielt beeinflusst und überwacht werden kann. Insbesondere kann eine drohende Beschädigung des Bondwerkzeugs oder der Verbindungspartner (Verbindungsbauteil, Substrat beziehungsweise Funktionsbauteil) infolge einer unzulässigen Erwärmung rechtzeitig erkannt werden. Zudem können mit der erfindungsgemäßen Bondvorrichtung insbesondere im Regelbetrieb eine konstant hohe Qualität und Reproduzierbarkeit der Bondergebnisse erreicht werden.
Die Temperaturmesseinrichtung kann beispielsweise einen am Bondwerkzeug selbst festgelegten taktilen Sensor zur berührungsbehafteten Temperaturmessung vorsehen. Beispielsweise kann ein Widerstandthermometer, insbesondere ein Pt100, oder ein Thermoelement, insbesondere ein Thermoelement vom Typ K, als Temperatursensor am Bondwerkzeug vorgesehen sein. Der Temperatursensor kann beispielsweise mantelseitig am Bondwerkzeug appliziert beziehungsweise aufgeklebt werden oder in eine Sensorausnehmung des Bondwerkzeugs eingeklebt beziehungsweise vergossen sein.
Beispielsweise kann die Temperaturmessstelle im Absorptionsbereich liegen, der an dem Bondwerkzeug gebildet ist. Alternativ können die Temperaturmessstelle und der Absorptionsbereich örtlich getrennt am Bondwerkzeug realisiert sein.
Der Laserstrahl kann beispielsweise über eine sich längs in dem Bondwerkzeug von der zweiten Stirnseite bis zu der Werkzeugspitze erstreckende, sacklochartige Längsausnehmung geführt werden. Beispielsweise kann der Laserstrahl mantelseitig, das heißt von außen auf das Bondwerkzeug gerichtet sein.
Insbesondere kann das Bondwerkzeug mittels des Laserstrahls im Bereich der Spitze des Bondwerkzeugs erwärmt werden. An der Spitze des Bondwerkzeugs ist das Verbindungsbauteil, beispielsweise der Bonddraht, festgelegt. Indem mittels des Laserstrahls gezielt die Spitze des Bondwerkzeugs erwärmt wird, ergibt sich ein günstiger Wärmeübergang vom Bondwerkzeug auf das Verbindungsbauteil und im Weiteren bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung von dem Verbindungsbauteil auf ein Substrat oder ein Funktionsbauteil. Das Substrat beziehungsweise das Funktionsbauteil sieht eine Kontaktfläche vor, mit der das Verbindungsbauteil elektrisch leitend zu verbinden ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Bondwerkzeug im Absorptionsbereich ein besonders hohes Absorptionsvermögen auf. Insbesondere kann das Absorptionsvermögen im Absorptionsbereich größer sein als außerhalb desselben. Beispielsweise kann das Bondwerkzeug im Absorptionsbereich eine Beschichtung aufweisen, welche - bezogen auf eine Wellenlänge des Laserstrahls - aus einem besonders gut absorbierenden Material, insbesondere Titan, gebildet ist.
Beispielsweise können an der Oberfläche des Bondwerkzeugs lokal Mikrostrukturen vorgesehen sein zur Verbesserung des Absorptionsvermögens.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Temperatur des Bondwerkzeugs berührungslos bestimmt werden. Vorteilhaft kann bei der berührungslosen Temperaturmessung wenigstens ein Teil der Temperaturmesseinrichtung außerhalb des Bondkopfs vorgesehen sein. Die mit dem Bondkopf bewegte Masse ist insofern gering und der Ultraschallbonder zeichnet sich durch eine gute Dynamik aus.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist an dem Bondwerkzeug mantelseitig eine Ausnehmung vorgesehen, welche den Absorptionsbereich definiert. Zudem sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wellenleiter vor, welcher ein auf die Temperaturmessstelle gerichtetes freies Kopfende aufweist. Der Ausnehmung ist das Kopfende des Wellenleiters derart beabstandet zugeordnet, dass jedenfalls ein Teil einer infolge der Erwärmung des Bondwerkzeugs durch den Laserstrahl von dem Bondwerkzeug emittierten Wärmestrahlung auf das Kopfende des Wellenleiters trifft und in den Wellenleiter eingekoppelt wird, und wobei die Temperaturmesseinheit mit dem Wellenleiter derart zusammenwirkt, dass jedenfalls ein Teil der in den Wellenleiter eingekoppelten Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet wird. Vorteilhaft kann ein Teil der von dem Bondwerkzeug emittierten Wärmestrahlung in den Wellenleiter eingekoppelt und der Temperaturmesseinrichtung zugeführt werden. Die Temperaturmesseinrichtung kann insofern in einem vergleichsweise großen räumlichen Abstand an dem Bondwerkzeug vorgesehen sein. Eine feste räumliche Zuordnung oder eine definierte Relativposition von Bondwerkzeug und Temperaturmesseinrichtung ist nicht erforderlich. Anders als bei der konventionellen Pyrometeranordnung ist es ebenfalls nicht notwendig, zwischen dem Bondwerkzeug und der Temperaturmesseinrichtung eine freie Wegstrecke vorzusehen.
Beispielsweise kann das Bondwerkzeug an einem positionierbaren Bondkopf des Ultraschallbonders festgelegt sein. Eine Einspannung des Bondwerkzeugs erfolgt üblicherweise im Bereich der zweiten Stirnseite. Relativ zu dem Bondwerkzeug ist das freie Kopfende des Wellenleiters ebenfalls an dem Bondkopf positioniert. In Bezug auf das freie Kopfende des Wellenleiters und das Bondwerkzeug ergibt sich insofern eine feste Lagezuordnung. Die Temperaturmesseinrichtung kann demgegenüber ortsfest an dem Ultraschallbonder vorgesehen sein. Insbesondere muss die Temperaturmesseinrichtung nicht im Bondkopf installiert und beim Positionieren des Bondkopfs mitgeführt werden mit der Folge, dass trotz der zusätzlichen Messinfrastruktur die Dynamik des Bondkopfs erhalten bleibt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Wellenleiter, durch den jedenfalls ein Teil der eingekoppelten Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung geführt wird, derart mit dem Lasergenerator verbunden, dass der zur Erwärmung des Bondwerkzeugs dienende Laserstrahl durch den Wellenleiter von dem Lasergenerator zu dem Bondwerkzeug geführt ist. Vorteilhaft erhält der Wellenleiter hierdurch eine Doppelfunktion. Diese dient zum einen der Zuführung des Laserstrahls zu dem Bondwerkzeug und zum anderen zum Zuführen der Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung. Insgesamt kann hierdurch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs sehr kompakt ausgebildet und kostengünstig realisiert werden. Zudem ist es möglich, den Lasergenerator ortsfest außerhalb des Bondkopfs zu installieren und den Laserstrahl über den Wellenleiter zu dem Bondwerkzeug zu führen mit der Folge, dass die bewegten Massen gering sind.
Beispielsweise ist dem Wellenleiter ein Strahlenteiler zugeordnet, um einerseits den Laserstrahl von dem Lasergenerator zu dem Bondwerkzeug und andererseits die gegenläufig zu dem Laserstrahl in dem Wellenleiter geführte Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung zu führen.
Eine Wellenlänge des Laserstrahls und der Wärmestrahlung sind vorteilhaft unterschiedlich gewählt. Beispielsweise wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 900 nm bis 1200 nm genutzt zum Erwärmen des Bondwerkzeugs, wohingegen die Temperaturmesseinrichtung auf Wärmestrahlung in einem Wellenlängenbereich von zum Beispiel 1500 nm bis 2500 nm ausgelegt ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Laserstrahl relativ zu dem Bondwerkzeug so ausgerichtet, dass der Laserstrahl in der Ausnehmung auf das Bondwerkzeug trifft. Insbesondere kann die Ausnehmung hierbei nach Art einer Strahlenfalle realisiert sein. Eine Oberflächengeometrie der Mantelfläche des Bondwerkzeugs im Bereich der Ausnehmung ist dabei so beschaffen, dass ein von dem Bondwerkzeug nicht absorbierter Teil der Laserstrahlung vollständig oder jedenfalls zum überwiegenden Teil erneut in Richtung der Mantelfläche des Bondwerkzeugs reflektiert wird. Vorteilhaft wird hierdurch die Erwärmung der Spitze des Bondwerkzeugs begünstigt. Überdies reduziert sich das Risiko, dass Laserlicht ungerichtet gestreut wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist im Strahlengang der Wärmestrahlung und/oder des Laserstrahls zwischen dem Kopfende des Wellenleiters und der an dem Bondwerkzeug gebildeten Ausnehmung eine strahlenformende Optik und bevorzugt wenigstens eine Linse angeordnet. Beispielsweise ist die Linse als eine Kollimatorlinse ausgebildet. Die Kollimatorlinse sorgt dafür, dass der aus dem Wellenleiter üblicherweise divergierend ausgekoppelte Laserstrahl nach dem Hindurchtreten durch die Optik einen jedenfalls annähernd parallelen Strahlengang aufweist. Vorteilhaft wird durch das Parallelisieren des Strahlengangs eine Teilfläche der Mantelfläche des Bondwerkzeugs relativ gleichmäßig erwärmt, und es kann zuverlässig vermieden werden, dass der divergierend aus dem Wellenleiter austretende Laserstrahl jedenfalls teilweise außerhalb der Ausnehmung auf das Bondwerkzeug trifft oder am Bondwerkzeug vorbeigeführt wird und möglicherweise auf das Verbindungsbauteil oder das Substrat trifft. Ebenso kann die Temperaturmessung verfälscht werden.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die strahlenformende Optik als eine Fokussieroptik ausgebildet sein zum Bündeln des aus dem Wellenleiter ausgekoppelten Laserstrahls. Beispielsweise kann ein Brennpunkt der Fokussieroptik in der Ausnehmung des Bondwerkzeugs vorgesehen sein und bevorzugt vor der Mantelfläche des Bondwerkzeugs oder dahinter, das heißt im Inneren des Bondwerkzeugs liegen. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der Fokussieroptik eine lokal sehr stark eingegrenzte Teilfläche des Bondwerkzeugs stark erwärmt werden. Es ist insofern möglich, im zeitlichen Verlauf große Temperaturgradienten beim Erwärmen des Bondwerkzeugs abzubilden und eine gute Dynamik zu realisieren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung können zwei oder mehr Optikelemente bevorzugt umfassend eine Kollimatorlinse und eine Fokussierlinse die strahlenformende Optik bilden. Beispielsweise kann die strahlenformende Optik eine Kollimatorlinse und eine Fokussierlinse vorsehen. Der divergent aus dem Lichtwellenleiter austretende Laserstrahl trifft zunächst auf die Kollimatorlinse und weist nach dem Durchtritt durch die Kollimatorlinse einen im Wesentlichen parallelen Strahlengang auf. Der Laserstrahl mit dem im Wesentlichen parallelen Strahlengang trifft dann auf die Fokussierlinse und wird fokussiert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ausnehmung an dem Bondwerkzeug als eine Durchgangsausnehmung ausgebildet. Die Durchgangsausnehmung lässt sich vergleichsweise einfach und kostengünstig herstellen. Zudem ist es möglich, die Durchgangsausnehmung mit einer hohen geometrischen Genauigkeit zu fertigen.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung an dem Bondwerkzeug taschenförmig realisiert. Eine Ausnehmung ist im Sinne der Erfindung taschenförmig, wenn sie als lokale Vertiefung mit einer geschlossenen Rückseite so realisiert ist, dass der Laserstrahl nicht durch die Ausnehmung hindurchtreten kann beziehungsweise an einem Ausnehmungsgrund reflektiert würde. Vorteilhaft wird durch das Vorsehen der taschenförmigen Ausnehmung das Absorptionsvermögen des Bondwerkzeugs verbessert. Darüber hinaus ist einer unkontrollierten Reflektion des Laserstrahls entgegengewirkt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung verjüngt sich das Bondwerkzeug in Richtung der ersten Stirnseite keilförmig und die Ausnehmung ist jedenfalls abschnittsweise im Bereich der durch die keilförmige Verjüngung der Mantelfläche definierten Spitze des Bondwerkzeugs vorgesehen. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der Ausnehmung im Bereich der Spitze des Bondwerkzeugs eine Erwärmung desselben lokal dort erfolgen, wo das Verbindungsbauteil an das Bondwerkzeug angelegt ist. Zudem ergibt sich eine gute thermische Dynamik, da im Bereich der Werkzeugspitze aufgrund der sich verjüngenden Mantelfläche und der Materialaussparung im Bereich der Ausnehmung wenig Material erwärmt werden muss.
Aus den weiteren Unteransprüchen in 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. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen dabei lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung. Sie haben keinen einschränkenden Charakter.
Es zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
4 eine Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
5 eine perspektivische Darstellung einer Spitze des Bondwerkzeugs mit einem auf das Bondwerkzeug auftreffenden Laserstrahl,
6 eine Seitenansicht der Spitze des Bondwerkzeugs und des Laserstrahls nach 5,
7 eine Prinzipdarstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
8 eine Prinzipdarstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
9 die Spitze des Bondwerkzeugs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem auf die Spitze gerichteten, divergierenden Laserstrahl,
10 eine Prinzipdarstellung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
11 eine Seitenansicht der Spitze des Bondwerkzeugs und einen auf die Spitze des Bondwerkzeugs gerichteten Laserstrahl mit parallelem Strahlengang,
12 eine Prinzipdarstellung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilschnittansicht,
13 eine Spitze des Bondwerkzeugs mit einer Ausnehmung in einer ersten geometrischen Form,
14 die Frontansicht des Bondwerkzeugs mit der Ausnehmung in einer zweiten geometrischen Form,
15 eine Seitenansicht der Spitze des Bondwerkzeugs mit einer taschenförmigen Ausnehmung und
16 die Spitze des Bondwerkzeugs mit einer Ausnehmung, welche als Durchgangsausnehmung realisiert ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs eines Ultraschallbonders wird beispielsweise beim laserunterstützen Ultraschall-Dickdrahtbonden, beim laserunterstützen Ultraschall-Dünndrahtbonden, beim laserunterstützen Ultraschall-Schweißen, beim laserunterstützen Ribbon-Bonden oder beim laserunterstützen Chipbonden eingesetzt. Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung beschränkt sich auf die Darstellung und Diskussion von Werkzeugen für das Ultraschall-Drahtbonden. Gleichwohl kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei anderen Werkzeugen beziehungsweise Ultraschallbondern eingesetzt werden.
1 zeigt auszugsweise eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche an einer Mantelfläche 1 eines Bondwerkzeugs 2 einen Absorptionsbereich 3 vorsieht. Die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 verbindet eine erste Stirnseite 4 des Bondwerkzeugs 3 mit einer in der 1 nicht dargestellten, der ersten Stirnseite 4 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite. Im Bereich der ersten Stirnseite 4 wird ein Verbindungsbauteil, beispielsweise ein Aluminiumbeziehungsweise Kupferdraht, an das Bondwerkzeug 2 angelegt. Im Bereich der zweiten Stirnseite ist das Bondwerkzeug 2 üblicherweise an einer Aufnahme am Bondkopf festgelegt.
Das Bondwerkzeug 2 wird zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil und einem Substrat beziehungsweise einem Funktionsbauteil mit der ersten Stirnseite 4 so gegen das Verbindungsbauteil und eine Kontaktfläche des Substrats beziehungsweise des Funktionsbauteils gedrückt, dass das Verbindungsbauteil zwischen der Kontaktfläche und der ersten Stirnseite 4 des Bondwerkzeugs 2 geklemmt ist. Das Bondwerkzeug 2 wird dann über einen nicht dargestellten Ultraschallgenerator zu Ultraschallschwingungen, insbesondere zu Ultraschall-Biegeschwingungen, angeregt. Infolge der Ultraschallschwingungen des Bondwerkzeugs 2 wird das Verbindungsbauteil relativ zur Kontaktfläche bewegt und es bildet sich im Kontakt eine elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil und der Kontaktfläche aus.
Um beim Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zusätzliche Energie zur Verfügung zu haben, wird beim laserunterstützten Ultraschallbonden eine die erste Stirnseite 4 aufweisende Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 mittels eines Laserstrahls 6 erwärmt. Der Laserstrahl 6 wird von einem nicht dargestellten Lasergenerator der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt und über einen Wellenleiter 13 zu dem Bondwerkzeug 2 geführt. Ein dem Bondwerkzeug 2 zugewandtes freies Kopfende des Wellenleiters 13 ist dabei auf den Absorptionsbereich 3 des Bondwerkzeugs 2 so ausgerichtet, dass der Laserstrahl 6 im Absorptionsbereich 3 auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 trifft. Zwischen dem freien Ende des Wellenleiters 13 und dem Bondwerkzeug 2 ist eine Linse als strahlenformende Optik 9 vorgesehen. Die Optik 9 fokussiert den divergierend aus dem Wellenleiter 13 austretenden Laserstrahl 6.
Dem Absorptionsbereich 3 gegenüberliegend ist an dem Bondwerkzeug 2 ein Temperatursensor 16 einer Temperaturmesseinrichtung vorgesehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Temperatursensor 16 um ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer handelt. Der Temperatursensor 16 definiert eine Temperaturmessstelle 18 an dem Bondwerkzeug 2. Er ist insbesondere auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 aufgeklebt. Alternativ kann der Temperatursensor 16 kraftschlüssig und/oder formschlüssig an dem Bondwerkzeug 2 festgelegt sein. Die Festlegung kann dann beispielsweise temporär erfolgen, etwa zu Kal i bri erungszwecken.
Der Temperatursensor 16 ist über zwei Anschlussleiter 17 kontaktiert. Über die Anschlussleiter 17 werden Energie zum Betrieb des Sensors 16 und/oder Daten, insbesondere Temperaturmessdaten übertragen. Die Anschlussleiter 17 sind an dem Bondwerkzeug 2 entlanggeführt, so dass ein Arbeitsbereich des Bonders nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anschlussleiter 17 zu einer nicht dargestellten, separaten Auswerteeinheit der Temperaturmesseinrichtung geführt sind oder zur Bonderelektronik.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß 2 ist es vorgesehen, den Temperatursensor 16 in einer an der Bondwerkzeugspitze 5 gebildeten Sensorausnehmung 21 vorzusehen. Den Sensor 16 ist in der Sensorausnehmung 21 mit einem Vergussmaterial 22 umhüllt und vergossen. Beispielsweise handelt es sich bei der Sensorausnehmung 21 um eine Bohrung. Die Temperaturmessstelle 18 liegt am Ort des Sensors 16 in der Sensorausnehmung 21.
Der Temperatursensor 16 ist wie gehabt über die Anschlussleiter 17 verbunden. Die Anschlussleiter 17 sind an Bondwerkzeug 2 entlang nach oben geführt und zu der Auswerteelektronik der Temperaturmesseinrichtung oder der Bonderelektronik geführt.
In Bezug auf die Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 mit dem Laserstrahl 6 entspricht das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung dem ersten Ausführungsbeispiel.
Nach einer in 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Absorptionsbereich 3 rückwärtig im Bereich der Spitze 5 an dem Bondwerkzeug 2 vorgesehen. Die Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 mit Hilfe des Laserstrahls 6 erfolgt dabei ansonsten wie vorstehend erläutert. Insbesondere wird der Laserstrahl 6 über den Wellenleiter 13 und die Optik 9 zu dem Bondwerkzeug 2 geführt.
Die Messung der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs 2 nach dem dritten Ausführungsbeispiel berührungslos. Zur berührungslosen Temperaturmessung dient ein auf die Spitze 5 des Bondwerkzeugs ausgerichtetes Strahlungsthermometer beziehungsweise Pyrometer 19. Die Temperaturmessstelle 18 ist exemplarisch in einer Messausnehmung 23 vorgesehen, die mantelseitig an dem Bondwerkzeug 2 vorgesehen ist.
Nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung gemäß der 4 ist vorgesehen, dass an der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 eine Ausnehmung 20 vorgesehen ist. Die Ausnehmung 20 definiert den Absorptionsbereich 3 des Bondwerkzeugs 2. Ebenfalls liegt die Temperaturmessstelle 18 im Absorptionsbereich 3 beziehungsweise im Bereich der Ausnehmung 20 auf der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2.
Wie gehabt wird eine elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil einerseits und dem Funktionsbauteil beziehungsweise dem Substrat andererseits hergestellt, während das Verbindungsbauteil mit dem Bondwerkzeug 2 gegen die Kontaktfläche des Funktionsbauteils beziehungsweise des Substrats angedrückt wird und das Bondwerkzeug zu Ultraschallschwingungen angeregt wird und zusätzlich über den Laserstrahl 6 das Bondwerkzeug 2 erwärmt wird.
Der Laserstrahl 6 ist durch einen Wellenleiter 7 zu dem Bondwerkzeug 2 geführt. Beim Austritt des Laserstrahls 6 aus dem Wellenleiter 7 weist der Laserstrahls 6 einen divergierenden Strahlengang auf. Zwischen dem freien Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und der Ausnehmung 20 des Bondwerkzeugs 2 ist die strahlenformende Optik 9 vorgesehen. Die strahlenformende Optik 9 ist vorliegend als eine Fokussieroptik beziehungsweise -linse ausgebildet zum Bündeln des aus dem Wellenleiter 7 austretenden Laserstrahls 6. Die optischen Eigenschaften der Fokussieroptik 9 sowie ihre Zuordnung zu dem Bondwerkzeug 2 ist so gewählt, dass ein Brennpunkt 10 der Optik im Bereich der Ausnehmung 20 und bevorzugt vor der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 oder dahinter liegt.
Die Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 wird durch den Laserstrahl 6 erwärmt. Dabei tritt ein Teil der von dem Werkzeug infolge der Erwärmung emittierten Wärmestrahlung 11 durch die Optik 9 hindurch, trifft auf das Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und wird in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Um eine Ist-Temperatur der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 prozessbegleitend zu bestimmen, wird der in den Wellenleiter 7 eingekoppelte Teil der Wärmestrahlung 11 einer in der Figur nicht dargestellten Temperaturmesseinrichtung zugeführt zur Bestimmung der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs 2.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung dient der Wellenleiter 7 zum einen dazu, den Laserstrahl 6, welcher vom Lasergenerator bereitgestellt ist, zu dem Bondwerkzeug 2 zu führen. Zum anderen dient der Wellenleiter 7 dazu, den in den Wellenleiter 7 eingekoppelten Teil der Wärmestrahlung 11 zu der Temperaturmesseinrichtung zu leiten.
Das Kopfende 8 des Wellenleiters 7 ist beabstandet zu der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 vorgesehen. Ein Abstand ist dabei so gewählt, dass einer Verschmutzung des Wellenleiters 7 durch Partikel, welche sich beim Bonden insbesondere von dem Verbindungsbauteil ablösen können, entgegengewirkt ist. Überdies ist durch die Beabstandung des Wellenleiters 7 von dem Bondwerkzeug 2 sichergestellt, dass die Ultraschallschwingungen nicht auf den Wellenleiter 7 übertragen werden.
Die 5 und 6 zeigen perspektivisch und in der Seitenansicht die Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 mit der Ausnehmung 20. Die Ausnehmung 20 definiert den Absoprtionsbereich 3. Sie ist vorliegend nach Art einer Durchgangsausnehmung gebildet. Der über die Optik 9 fokussierte Laserstrahl 6 trifft im Bereich der Ausnehmung 20 auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs und erwärmt das Bondwerkzeug 2. Ein von dem Bondwerkzeug 2 nicht beim ersten Auftreffen des Laserstrahls 6 absorbierter Teil der Laserstrahlung 6 wird aufgrund der Oberflächengeometrie der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs im Bereich der Ausnehmung 20 so reflektiert, dass er ebenfalls zum überwiegenden Teil erneut auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 trifft und zur Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 beiträgt.
Nach einer in 7 dargestellten fünften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 mit Hilfe des Laserstrahls 6 und die Temperaturmessung mit Hilfe des von dem Bondwerkzeug 2 infolge der Erwärmung emittierten Wärmestrahlung 11 in ähnlicher Weise wie bei dem vierten Ausführungsbeispiels. Jedoch ist auf die Ausbildung einer den Absorptionsbereich 3 definierenden Ausnehmung 20 an der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 verzichtet. Stattdessen ist der Absorptionsbereich 3 mantelseitig flächig an dem Bondwerkzeug vorgesehen. Die Temperaturmessstelle 18 liegt in dem Absorptionsbereich 3.
Nach einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der 8 wird auf eine zwischen dem freien Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und der den Absorptionsbereich 3 und die Temperaturmessstelle 18 definierende Ausnehmung 20 des Bondwerkzeugs 2 angeordnete strahlenformende Optik 9 verzichtet. Der divergierend aus dem Wellenleiter 7 austretende Laserstrahl 6 trifft unmittelbar im Bereich der Ausnehmung 20 auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 und erwärmt dieses ebenfalls im Bereich der Spitze 5. Ebenso trifft ein Teil der infolge der Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 von eben diesem emittierten Wärmestrahlung 11 unmittelbar auf das freie Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und wird in diesen eingekoppelt. Der eingekoppelte Teil der Wärmestrahlung 11 gelangt dann, wie für das vorstehende Ausführungsbeispiel beschrieben, zu der Temperaturmesseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
9 zeigt, wie der divergierende Laserstrahl 6 im Bereich der Ausnehmung 20 auf die Spitze 5 des Bondwerkzeugs trifft.
Nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung gemäß der 10 und 11 ist die strahlenformende Optik 9 als Kollimatorlinse 9 realisiert. Der divergierend aus dem Wellenleiter 7 austretende Laserstrahl 6 trifft auf die Kollimatorlinse 9. Die Kollimatorlinse 9 sorgt für einen jedenfalls im Wesentlichen parallelen Strahlengang des Laserstrahls 7.
Nach einer achten Ausführungsform der Erfindung gemäß der 12 ist vorgesehen, dass der Wellenleiter 7 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs 2 allein dazu dient, den in Richtung des freien Kopfendes 8 des Wellenleiters 7 emittierten Teil der Wärmestrahlung 11 zu der Temperaturmesseinrichtung zu führen. Hierbei kann, wie dargestellt, auf die Optik 9 verzichtet werden. Alternativ kann die Wärmestrahlung 11 über ein geeignetes Optikelement in den Wellenleiter 7 eingekoppelt werden.
Um das Bondwerkzeug 2 im Bereich der Spitze 5 zu erwärmen, ist an dem Bondwerkzeug 2 eine von der zweiten Stirnseite bis zu der Spitze 5 geführte Längsausnehmung 12 vorgesehen. In der Längsausnehmung 12 ist ein weiterer Wellenleiter 13 positioniert. Der Wellenleiter 13 dient dazu, den von dem Lasergenerator bereitgestellten Laserstrahl 6 zu der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 zu führen.
In den 13 und 14 sind exemplarisch zwei Ausnehmungen 20 mit unterschiedlicher Geometrie dargestellt. In 13 weist die Ausnehmung 20 in der dargestellten Frontansicht einen sich in Richtung der ersten Stirnseite 4 des Bondwerkzeugs 2 verjüngenden Querschnitt auf. Die Geometrie der Ausnehmung 20 entspricht dabei annähernd einer Keilform der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2.
In 14 weist die Ausnehmung 20 einen konstanten Querschnitt auf. In der Frontansicht hat die Ausnehmung 20 eine annähernd rechteckige Form.
Jeweils ist - wie in den 13 und 14 zu erkennen - an dem Bondwerkzeug 2 an der ersten Stirnseite 4 eine keilförmige Aufnahmenut 14 vorgesehen. Die keilförmige Aufnahmenut 14 dient der Aufnahme beziehungsweise Zentrierung des als Verbindungsbauteil dienenden Bonddrahts.
In den 15 und 16 ist das Bondwerkzeug 2 beziehungsweise die Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 in einer Seitenansicht dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel nach 15 ist die Ausnehmung 20 taschenförmig ausgebildet. Die Ausnehmung 20 ist dabei nicht durchführend und durch einen Ausnehmungsgrund 15 begrenzt. Demgegenüber ist die Ausnehmung 20 in dem Ausführungsbeispiel nach 16 nach Art einer Durchgangsausnehmung realisiert.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017127251 A1 [0003]
DE 102017129546 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs (2) eines Ultraschallbonders umfassend - das Bondwerkzeug (2) mit einer ersten Stirnseite (4), mit einer zweiten Stirnseite, mit einer Mantelfläche (1), welche die erste Stirnseite (4) mit der zweiten Stirnseite verbindet, und mit einem Absorptionsbereich (3), welcher bevorzugt an der Mantelfläche des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist; - eine Temperaturmesseinrichtung zum Bestimmen einer Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs (2) an einer Temperaturmessstelle (18), welche mantelseitig an dem Bondwerkzeug (2) und bevorzugt an einer Spitze (5) des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist; - einen Lasergenerator, wobei mittels des Lasergenerators ein Laserstrahl (6) bereitgestellt ist und wobei der Laserstrahl (6) im Absorptionsbereich (3) auf das Bondwerkzeug (2) trifft und das Bondwerkzeug (2) infolge der Absorption des Laserstrahls (6) sich erwärmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessstelle (18) im Absorptionsbereich (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondwerkzeug (2) im Absorptionsbereich (3) ein besseres Absorptionsvermögen aufweist als außerhalb des Absorptionsbereich (3).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung eingerichtet ist zur berührungslosen Temperaturmessung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsbereich (3) durch eine mantelseitig an dem Bondwerkzeug (2) vorgesehenen Ausnehmung (20) gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter (7) vorgesehen ist, welcher ein auf die Temperaturmessstelle (18) gerichtetes freies Kopfende (8) aufweist, wobei das Kopfende (8) des Wellenleiters (7) der Temperaturmessstelle (18) derart beabstandet zugeordnet ist, dass jedenfalls ein Teil einer infolge der Erwärmung des Bondwerkzeugs (2) durch den Laserstrahl (6) von dem Bondwerkzeug (2) emittierten Wärmestrahlung (11) auf das Kopfende (8) des Wellenleiters (7) trifft und in den Wellenleiter (7) eingekoppelt wird, und wobei die Temperaturmesseinrichtung mit dem Wellenleiter (7) derart zusammenwirkt, dass jedenfalls ein Teil der in den Wellenleiter (7) eingekoppelten Wärmestrahlung (11) zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) dem Lasergenerator derart zugeordnet ist, dass der zur Erwärmung des Bondwerkzeugs (2) dienende Laserstrahl (6) durch den Wellenleiter (7) zu dem Bondwerkzeug (2) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) als eine Strahlenfalle für den Laserstrahl (6) ausgebildet ist, indem eine Oberflächengeometrie der Mantelfläche (1) des Bondwerkzeugs (2) im Bereich der Ausnehmung (20) so beschaffen ist, dass ein von dem Bondwerkzeug (2) nicht absorbierter Teil des auf das Bondwerkzeug (2) erstmalig auftreffenden Laserstrahls (6) zu einem überwiegenden Teil in Richtung der Mantelfläche (1) des Bondwerkzeugs (2) reflektiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Wärmestrahlung (11) und/oder des Laserstrahls (6) zwischen dem Kopfende (8) des Wellenleiters (7) und der an dem Bondwerkzeug (2) gebildeten Ausnehmung (20) eine strahlenformende Optik (9) und bevorzugt eine Linse angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenformende Optik (9) als eine Kollimatorlinse realisiert ist derart, dass der aus dem Wellenleiter (7) ausgekoppelte Laserstrahl nach dem Durchtritt durch die Kollimatorlinse einen jedenfalls annähernd parallelen Strahlengang aufweist, oder dass die strahlenformende Optik (9) als eine Fokussieroptik ausgebildet ist zum Bündeln des aus dem Wellenleiter (7) ausgekoppelten Laserstrahls (6) und/oder der in den Wellenleiter (7) eingekoppelten Wärmestrahlung (11).
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennpunkt (10) der Fokussieroptik in der Ausnehmung (20) des Bondwerkzeugs vorgesehen ist und bevorzugt vor der Mantelfläche (1) des Bondwerkzeugs (2) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenformende Optik (9) als Divergenzoptik ausgebildet ist zum Aufweiten des Strahlengangs des Laserstrahls (6).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) als eine Durchgangsausnehmung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) taschenförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondwerkzeug sich in Richtung der ersten Stirnseite (4) keilförmig verjüngt und/oder dass die Ausnehmung (20) jedenfalls abschnittsweise im Bereich einer durch die keilförmige Verjüngung gebildeten Spitze (5) des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist.