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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
sowie eine Bestückvorrichtung
zum automatischen Bestücken
von elektronischen Bauelementen, insbesondere Ball Grid Arrays,
Chip Scale Packages und/oder Flip Chips, auf einem Bauelementeträger, welche Bauelemente
mit einer vorgehärteten
Klebstoffschicht versehen sind. Derartige mit einer vorgehärteten Klebstoffschicht
versehenen Bauelemente werden üblicherweise
als sog. Wafer Level Underfilled Packages bezeichnet. Die Klebstoffschicht,
welche häufig
auch ein Flussmittel enthält,
wird dementsprechend als Underfill-Schicht bezeichnet.
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Die Miniaturisierung von elektronischen
Baugruppen, d.h. der Aufbau von elektronischen Schaltungen auf möglichst
geringem Raum, beruht unter anderem darauf, dass hochintegrierte
elektronische Bauelemente eine Vielzahl von elektrischen Anschlüsse aufweisen,
welche nicht nur seitlich angeordnet sondern über eine flächige Unterseite des Bauelements
verteilt sind. Dies ermöglicht
auf geringem Raum eine Vielzahl von elektrischen Kontaktierungen
zwischen einem Bauelement und einem Bauelementeträger. Bauelementeträger sind
beispielsweise Leiterplatten oder Substrate.
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Besonders effizient ist die Fertigung
von mit Bauelementen versehenen Bauelementeträgern dann, wenn als Bauelemente
sog. Flip Chips verwendet werden, bei welchen die in einem Halbleitersubstrat
ausgebildete Schaltung ohne Gehäuse
auf einen Bauelementeträger
bestückt
wird. Flip Chips haben jedoch den Nachteil, dass die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials und des Bauelementeträgers i.a.
unterschiedlich sind. Aus diesem Grund müssen Flip Chips mit einem sog. Underfill-Material
flächig
mit dem Bauelementeträger verklebt
werden, so dass bei einer Temperaturänderung die daraus resultierenden
mechanischen Spannungen durch die Verklebung aufgefangen werden können und
somit stets ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen dem Bauelementeträger und
dem Flip Chip gewährleistet
ist. Zu einer sicheren Verklebung eines Flip Chips muss das Underfill-Material
flächig zwischen
dem Flip Chip und dem Bauelementeträger eingebracht werden. Dafür gibt es
grundsätzlich
drei verschiedene Möglichkeiten.
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Die erste Möglichkeit, welche als traditionelles
Underfilling bezeichnet werden kann, besteht darin, dass das einen
Klebstoff und ein Flussmittel enthaltende Underfill-Material nach
dem Lötvorgang
an einer oder an zwei Seiten des Flip Chips mittels einer Dispensiervorrichtung
appliziert wird. Das Underfill-Material penetriert aufgrund von
Kapillarkräften
in den Spalt zwischen dem Flip Chip und dem Bauelementeträger. Abschließend erfolgt
ein Aushärten
des Klebstoffs in einem Ofen, so dass eine mechanisch stabile Klebeverbindung
zwischen Flip Chip und Bauelementeträger entsteht.
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Die zweite Möglichkeit, welche häufig als No-Flow-Underfilling
bezeichnet wird, besteht darin, dass das Underfill-Material vor der
Bestückung
des Flip-Chips auf dem vorgesehenen Bestückplatz auf einem Bauelementeträger appliziert
wird. Das Aushärten
des Klebstoffs erfolgt in diesem Fall gemeinsam mit dem Lötvorgang
in einem sog. Reflow-Ofen.
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Die dritte Möglichkeit des Einbringens von Underfill-Material
besteht darin, den Flip Chip vor der Bestückung an seiner Unterseite
mit dem Underfill-Material zu versehen. Dies erfolgt üblicherweise bereits
bei der Herstellung der Flip Chips. Derartige mit einer Underfill-Schicht
versehene Bauelemente werden als Wafer Level Underfilled Packages
bezeichnet. Es muss darauf geachtet werden, dass für eine sichere
Handhabung des Flip Chips das aufgetragene Underfill-Material nicht
klebrig, sondern etwas vorgehärtet
ist, so dass auch bei ei ner ruckartigen Bewegung des Flip Chips
die Geometrie der Underfill-Schicht möglichst unverändert erhalten
bleibt.
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Eine vorgehärtete Underfill-Schicht hat
jedoch die Eigenschaft, dass ihr Klebevermögen reduziert ist. Damit besteht
die Gefahr, dass die auf dem Bauelementeträger bestückten Bauelemente bei der Handhabung
des Bauelementeträgers
verrutschen und somit die elektrischen Kontaktierungen verloren gehen.
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Aus einem Vortrag bei der internationalen Konferenz
APEX® 2002
(www.GoAPEX.org) und der entsprechenden Veröffentlichung „Assembly
of Flip Chips Utilizing Wafer Applied Underfill" von Jing Qi et al. ist bekannt, dass
das Klebevermögen
des Underfill-Materials vor dem eigentlichen Bestückvorgang dadurch
erhöht
werden kann, dass das Underfill-Material erwärmt wird. Die Art und Weise,
wie das Underfill-Material in der Praxis erwärmt werden soll, ist nicht
bekannt.
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Aus der
US 5,839,645 ist ein Verfahren bekannt,
bei dem Flip Chips vor der Bestückung
dadurch erwärmt
werden, dass eine Haltevorrichtung des Flip Chips durch einen Heizstrom
erwärmt
und der von dem Halteelement gehaltene Flip Chip durch Wärmeleitung
erwärmt
wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass zunächst die Seite des Flip Chips
erwärmt
wird, welche der Unterseite des Flip Chips abgewandt ist, an welcher
die elektrischen Anschlüsse vorgesehen
sind und an welcher sich gegebenenfalls die vorgehärtete Underfill-Schicht
befindet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die Zeitspanne
vom Beginn des Heizvorgangs bis zur Erwärmung der Underfill-Schicht
groß ist
und somit die Bestückleistung entsprechend
reduziert ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die für die Durchführung des
Verfahrens erforderliche Bereitstellung einer in einen Bestückkopf integrierten
Heizvorrichtung technisch sehr aufwendig ist, so dass die Bestückkosten
entsprechend hoch sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren sowie eine Bestückvorrichtung
zum Bestücken
von mit einer vorgehärteten
Klebstoffschicht versehenen elektronischen Bauelementen zu schaffen,
wobei die vorgehärtete
Klebstoffschicht möglichst
schnell erwärmt
werden kann.
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Die verfahrensbezogene Aufgabe wird
gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass die zu erwärmende
Klebstoffschicht durch elektromagnetische Strahlung erwärmt werden
kann, so dass eine Berührung
des elektronischen Bauelements und/oder der vorgehärteten Klebstoffschicht mit
einem Heizelement nicht erforderlich ist. Dabei ist insbesondere
die Verwendung von infraroter Wärmestrahlung
vorteilhaft, welche zu einer effektiven und damit schnellen Erwärmung der
Klebstoffschicht führt.
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Die Übertragung einer definierten
Wärmemenge
nach Anspruch 2 hat den Vorteil, dass sowohl eine zu starke als
auch eine zu schwache Erwärmung
des Bauelements vermieden werden kann. Ferner kann für unterschiedliche
Bauelemente die Wärmemenge
an das jeweilige Bauelement angepasst werden, so dass unabhängig von
der Größe des Bauelements
die vorgehärtete
Klebstoffschicht auf eine geeignete Temperatur erwärmt wird.
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Die gleichmäßige Erwärmung der Klebstoffsicht nach
Anspruch 3 hat den Vorteil, dass insbesondere bei einer glatten
Oberfläche
des zu bestückenden
Bauelementeträgers
bereits bei einem geringen Wärmeeintrag
trotzdem ein relativ großes
Klebevermögen
erreicht wird.
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Das Verfahren nach Anspruch 4 hat
den Vorteil, dass die übertragene
Wärmemenge
gemessen und die noch zu übertragende
Wärmemenge
durch eine Änderung
der Intensität
der elektromagnetischen Strahlen entsprechend nachgeregelt werden kann.
Die dafür
erforderliche Temperaturmessung kann berührungslos mit tels eines Infrarot-Sensors, beispielsweise
mittels eines Pyrometers durchgeführt werden.
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Das Verfahren nach Anspruch 5 ist
insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich das Bauelement während der
Erwärmung
an einem anderen Ort als während
der Temperaturmessung befindet. Unterschiedliche Orte für die Erwärmung des
Bauelements und die Messung der Temperatur können beispielsweise aus Platzgründen erforderlich
sein. Unterschiedliche Orte des Bauelements für die Erwärmung und für die Temperaturmessung haben
den Vorteil, dass bei der Verwendung eines Infrarot-Sensors eine Störung der
Temperaturmessung durch die für
die Erwärmung
der Klebstoffschicht vorgesehenen elektromagnetischen Strahlen auf
einfache Weise minimiert werden kann.
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Das Verfahren nach Anspruch 6 hat
den Vorteil, dass vor dem Aufsetzen des Bauelements die erwärmte Klebstoffschicht
nur innerhalb einer kurzen Zeitspanne abkühlt. Somit muss die Klebstoffschicht nicht
auf eine Temperatur erwärmt
werden, die wesentlich größer als
die Temperatur ist, die für
das vorgegebene Mindestklebevermögen
erforderlich ist. Eine kurze Abkühlzeitspanne
wird insbesondere dann erreicht, wenn der Ort, an dem die Klebstoffschicht
erwärmt
wird, nahe an dem Ort liegt, an dem das Bauelement auf dem Bauelementeträger aufgesetzt
wird.
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Die vorrichtungsbezogene Aufgabe
der Erfindung wird gelöst
durch eine Bestückvorrichtung zum
Bestücken
von mit einer vorgehärteten
Klebstoffschicht versehenen elektronischen Bauelementen mit den
Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 7.
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Der Einsatz eines Heizstrahlers gemäß Anspruch
8 hat den Vorteil, dass damit auf einfache Weise infrarote Wärmestrahlung
erzeugbar ist, welche für
eine direkte und schnelle Erwärmung
der Klebstoffschicht besonders wirksam ist.
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Gemäß Anspruch 9 weist der Heizstrahler ein
Heizelement und einen Reflektor auf. Das Heizelement kann dabei
besonders einfach durch eine Halogenlampe realisiert werden. Der
Einsatz eines Reflektors hat den Vorteil, dass die Wärmestrahlung entlang
einer Vorzugsrichtung emittiert wird, so dass die Effizienz des
Heizstrahlers, welcher bevorzugt die Klebstoffschicht und nicht
Gegenstände
in der Umgebung des Bauelements erwärmen soll, besonders hoch ist.
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Die Verwendung eines Blendensystems
gemäß Anspruch
10 hat ebenso den Vorteil, dass die Wärmebelastung der Umgebung des
Bauelements reduziert wird. Um eine übermäßig starke Erwärmung der
Blenden des Blendensystems zu verhindern, können die Blenden derart ausgestaltet
sein, dass die Wärmestrahlung
an ihrer Oberfläche
reflektiert wird.
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Verstellbare Blenden gemäß Anspruch
11 haben den Vorteil, dass der Querschnitt der von dem Heizstrahl
in Richtung des Bauelements emittierten Strahlung auf die Größe der zu
erwärmenden
Klebstoffschicht angepasst werden kann.
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Als Temperatursensor gemäß Anspruch
12 eignet sich insbesondere ein Pyrometer, welches anhand der von
der erwärmten
Klebstoffschicht emittierten Wärmestrahlung
die Temperatur der Klebstoffschicht kontaktlos messen kann.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 13
ermöglicht
einen symmetrische Anordnung von zumindest zwei Heizvorrichtungen
und einem Temperatursensor. Dies hat den Vorteil, dass die zu erwärmende Klebstoffschicht
durch eine homogene Bestrahlung sehr gleichmäßig erwärmt werden kann.
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Nach Anspruch 14 weist der Bestückkopf eine
Mehrzahl von Haltevorrichtungen auf, welche beispielweise sog. Saugpipetten
sind, die durch ein Anlegen eines Unterdrucks das zu bestükkende Bauelement
an der der Klebstoffschicht abgewandten Seite halten.
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Die Erfindung kann gemäß Anspruch
15 besonders vorteilhaft bei sog. Revolverköpfen eingesetzt werden. Revolverköpfe weisen
sog. Bearbeitungsstationen auf, an denen die sternförmig angeordneten
Haltevorrichtungen bei einer entsprechenden Drehung des Revolverkopfes
vorbeigetaktet werden. So werden beispielsweise die von den Haltevorrichtungen
gehaltenen Bauelemente in einer Bearbeitungsstation optisch vermessen
und in einer anderen Bearbeitungsstation abhängig von der Winkellage des
Bauelements um die Achse der Haltevorrichtung gedreht.
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Gemäß Anspruch 16 kann das Erwärmen der
Klebstoffschicht in einer weiteren Bearbeitungsstation durchgeführt werden,
welche relativ zu der Drehachse des Revolverkopfes in einer festen
räumlichen
Lage angeordnet ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften
Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.
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In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen
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1 eine
Heizvorrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
Heizvorrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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3 die
Anordnung der in 1 dargestellten
Heizvorrichtung relativ zu einem Revolverkopf gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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An dieser Stelle bleibt anzumerken,
dass sich die Bezugszeichen einander entsprechender Komponenten
lediglich in ihrer ersten Ziffer und/oder durch einen angefügten Buchstaben
unterscheiden.
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1 zeigt
ein sog. Wafer Level Underfilled-Bauelement 100, welches
an seiner Unterseite elektrische Anschlusskugeln
101 und
zwischen den Anschlusskugeln eine vorgehärteten Klebstoffschicht 102 aus
einem sog. Underfill-Material aufweist.
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Im folgenden wird kurz die Funktion
der Klebstoffschicht 102 erläutert. Nach dem Bestücken einer Mehrzahl
von Bauelementen 100 auf einen nicht dargestellten Bauelementeträger wird
der gesamte Bauelementeträger
einschließlich
der bestückten
Bauelemente 100 derart erwärmt, dass die Anschlusskugeln 101 mit
auf dem Bauelementeträger
vorgesehenen elektrischen Anschlussflächen verlötet werden. Bei diesem Lötvorgang
wird gleichzeitig die Klebstoffschicht 102 derart erwärmt, dass
das Bauelement 100 durch eine flächige Klebung mit dem Bauelementeträger fest
verbunden wird.
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Um die Haftfähigkeit des bestückten Bauelements 100 auf
dem Bauelementeträger
vor dem eigentlichen Lötvorgang
zu erhöhen,
wird das Bauelement 100, welches von einer Haltevorrichtung 110 gehalten
wird, derart vor einem Heizstrahler 120 angeordnet, dass
die Klebstoffschicht 102 infolge der von dem Heizstrahler 120 emittierten
Wärmestrahlung
erwärmt
und somit das Klebevermögen
der Klebstoffschicht 102 erhöht wird.
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Der Heizstrahler 120 weist
eine Heizlampe 121 und einen Reflektor 122 auf.
Die Heizlampe 121, welche beispielsweise eine Halogenlampe
ist, ist relativ zu dem Reflektor 122 derart angeordnet,
dass die von der Heizlampe 121 erzeugte Wärmestrahlung
in Richtung des Bauelements 100 reflektiert wird.
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Eine homogene Wärmestrahlung wird insbesondere
dann erreicht, wenn der Reflektor 122 einen parabelförmigen Querschnitt
aufweist und sich die Heizlampe 121 im Brennpunkt der Parabel
befindet.
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Wie ferner aus 1 ersichtlich, sind Blenden 125a bzw. 125b vorgesehen,
die entlang den Verschieberichtungen 126a bzw. 126b verschoben werden
können,
so dass der Querschnitt der von dem Heizstrahler 120 emittierten
Wärmestrahlung
an die Größe des Bauelements 100 angepasst
werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass selbstverständlich senkrecht
zu der Bildebene zwei weitere, nicht dargestellte Blenden vorgesehen
sind, so dass der Querschnitt der von dem Heizstrahler 120 emittierten
Wärmestrahlung
auch auf die Ausdehnung des Bauelements 100 senkrecht zu
der Bildebene angepasst werden kann. Durch die Anpassung der Blendenöffnung an
die Größe der zu
erwärmenden Underfill-
bzw. Klebstoffschicht 102 wird eine unnötige Erwärmung der Umgebung des Bauelements 100 vermieden.
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Gemäß dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein von einer Haltevorrichtung 210 gehaltenes
Underfilled-Bauelement 200, welches an seiner Unterseite
Anschlusskugeln 201 und eine vorgehärtete Klebstoffschicht 202 aufweist,
vor einem Heizstrahler 220 positioniert, welcher zwei Heizlampen 221a bzw. 221b und
einen Temperatursensors 230 umfasst. Der Temperatursensor 230 ist
ein sog. Pyrometer, welches die spektrale Verteilung derjenigen
Wärmestrahlung
vermisst, welche von der erwärmten
Klebstoffschicht 202 emittiert wird. Auf diese Weise kann
die aktuelle Temperatur bzw. der Temperaturverlauf der Klebstoffschicht 202 verfolgt
werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
der Heizstrahler 220 anstelle von zwei auch mehrere, beispielsweise
vier Heizlampen aufweisen kann, welche symmetrisch um die Achse
herum angeordnet sind, die durch die Lage des Temperatursensors 230 und die
Lage des Bauelements 200 festgelegt ist.
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Eine homogene Erwärmung der Klebstoffschicht 202 wird
dadurch erreicht, dass die beiden Heizlampen 221a bzw. 221b symmetrisch
zu dem Temperatursensor 230 angeordnet sind. Den beiden Heizlampen 221a bzw. 221b ist
jeweils ein Reflektor 222a bzw. 222b sowie jeweils
eine Linse 223a bzw. 223b zugeordnet. Die Reflektoren 222a, 222b und die
Linsen 223a und 223b sorgen dafür, dass
die von den Heizlampen 221a, 221b emittierte Wärmestrahlung
bevorzugt auf die zu erwärmende
Klebstoffschicht 202 gerichtet wird.
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Im Zusammenhang mit den Linsen 223a und 223b wird
darauf hingewiesen, dass diese Linsen aus einem Material hergestellt
sind, welches für
die für
die Erwärmung
der Klebstoffschicht 202 geeignete Wellenlänge möglichst
transparent ist. Ferner wird darauf hingewiesen, dass die Brennweiten
bzw. die räumliche
Anordnung der beiden Linsen 223a und 223b derart
gewählt
ist, dass die Klebstoffschicht 202 nicht punktförmig, sondern
mit einer homogenen Strahlungsintensität flächig bestrahlt wird.
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3 zeigt
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung die Anordnung eines Heizstrahlers 320 relativ
zu einer Drehachse 312 eines Revolverkopfes 311,
bei dem zwölf
Haltevorrichtungen 310 sternförmig angeordnet und um die
Drehachse 312 entlang der Drehrichtung 313 drehbar sind.
An den Haltevorrichtungen 310 befinden sich verschiedenartige
Bauelemente, welche von einer nicht dargestellten Bauelemente-Zuführvorrichtung abgeholt
und nachfolgend auf einem nicht dargestellten Bauelementeträger an einer
bestimmten Stelle aufgesetzt werden. Wie aus 3 ersichtlich, sind vier sog. Underfilled-Bauelemente 300a, 300b, 300c, 300d von
den entsprechenden Haltevorrichtungen 310 des Revolverkopfes 311 aufgenommen
worden. Die Underfilled-Bauelemente 300a, 300b, 300c, 300d weisen
an ihrer Unterseite jeweils Anschlusskugeln und eine vorgehärtete Klebstoffschicht
auf. Ferner sind von dem Revolverkopf 311 sieben sog. SMD-Bauelemente
(Surface Mount Device-Bauelemente) 305a, 305b, 305c, 305d, 305e, 305f, 305g und
ein sog. BGA-Bauelement (Ball Grid Array-Bauelement) 307 aufgenommen.
Eine Drehung des Revolverkopfes 311 entlang der Drehrichtung 313 führt dazu,
dass nacheinander die verschiedenen Haltevorrichtungen 310 an
zwei Bearbeitungsstationen vorbeigetaktet werden. Eine erste Bearbeitungsstation
weist eine Kamera 340 auf, welche die von den Haltevorrichtungen 310 gehaltenen
Bauelemente optisch vermisst und somit insbesondere die Art des Bauelements,
die genaue Lage des Bauelements und eventuell vorhandene Defekte
an dem Bauelement erkennt. Die zweite in 3 dargestellte Bearbeitungsstation umfasst
einen Heizstrahler 320, welcher dem anhand von 1 beschriebenen Heizstrahler 120 entspricht.
Der Heizstrahler 320 weist eine Heizlampe 321,
einen Reflektor 322 und Blenden 325a, 325b auf.
Die resultierende Blendenöffnung
kann an die Größe des jeweils
vor dem Heizstrahler 320 befindlichen Underfilled-Bauelementes angepasst
werden. Falls sich vor dem Heizstrahler 320 gerade ein
anderes Bauelement befindet, welches kein Underfilled-Bauelement
ist, kann zur Vermeidung einer unerwünschten Erwärmung des Bauelements die Heizlampe 321 ausgeschaltet
und/oder die Blendenöffnung
geschlossen werden. Ebenso kann zu den Zeiten, zu denen sich gerade
kein Bauelement vor dem Heizstrahler 320 befindet, die
in Richtung des Revolverkopfes 311 ausgesandte Wärmestrahlung
durch ein Ausschalten der Heizlampe 321 und/oder ein Schließen der
Blendenöffnung
reduziert werden.
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Wie aus 3 ferner ersichtlich, ist der Heizstrahler 320 derart
angeordnet, dass nach einer Erwärmung
eines Underfilled-Bauelements der Revolverkopf 311 lediglich
um 90° bzw.
drei Takte entlang der Drehrichtung 313 gedreht werden
muss, bis sich das entsprechende Underfilled-Bauelement relativ
zu der Drehachse 312 in der Position befindet, in der es auf
den nicht dargestellten Bauelementeträger aufgesetzt werden kann.
Somit kann das Bauelement nach der Erwärmung innerhalb einer kurzen
Zeitspanne auf den Bauelementeträger
aufgesetzt werden, so dass innerhalb der kurzen Zeitspanne die erwärmte Klebstoffschicht
kaum abkühlt.
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Zusammenfassend schafft die Erfindung
ein Verfahren und eine Bestückvorrichtung
zum Bestücken
von mit einer vorgehärteten
Klebstoffschicht 102, 202 versehenen elektronischen
Bauelementen, wobei die Klebstoffschicht 102, 202 durch
elektromagnetische Strahlung derart erwärmt wird, dass sie ein vorgegebenes
Mindestklebevermögen
aufweist und somit ein Verrut schen des Bauelements 100, 200 nach
der Bestückung
des Bauelements 100, 200 auf einen Bauelementeträger verhindert
wird. Während des
Erwärmens
der Klebstoffschicht 102, 202 wird das Bauelement
von einer Haltevorrichtung 110, 210 an der der
Klebstoffschicht 102, 202 abgewandten Seite des
Bauelements 100, 200 gehalten. Als elektromagnetische
Strahlung eignet sich insbesondere infrarote Wärmestrahlung, welche eine direkte
Erwärmung
der Klebstoffschicht 102, 202 bewirkt. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist zudem ein Temperatursensor 230 vorgesehen,
welcher während
oder nach der Erwärmung
die Temperatur oder den zeitlichen Temperaturverlauf der Klebstoffschicht 102, 202 erfasst.