DE3739333A1 - Verfahren zur herstellung von klebeverbindungen mittels laser - Google Patents

Verfahren zur herstellung von klebeverbindungen mittels laser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum temperaturgesteuerten Chip-Kleben bzw. Die-Bonden gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Durch die Anmelderin ist ein Verfahren zum Mikrolöten bekanntgeworden, bei dem mit Hilfe eines Nd:YAG-Lasers eine Lötstelle und das darauf aufzubrin­ gende Lot erhitzt wird und die Wärmeabstrahlung der erhitzten Lotstelle mit einem Infrarotdetektor gemessen und aus dem Meßsignal die beim Errei­ chen des Lotschmelzpunktes entstehende Unstetigkeit ermittelt und der Er­ hitzungsvorgang für die Lötstelle abgebrochen wird. Hiermit werden elek­ tronische Mirkobauteile, insbesondere in Form oberflächenmontierter Schal­ tungen, Chips und IC-Elemente mittels des Laserstrahls zeit- und tempera­ turgesteuert, unter Ausnützung der Durchlässigkeit der üblichen Mikroelek­ tronik- oder Keramiksubstrate für Laserlicht, durch ein Substrat hindurch, also auch von der Rückseite her verlötet bzw. gebondet. Durch dieses Ver­ fahren werden die bisher beim Chip-Verlöten aufgetretenen Probleme gelöst.
Weiterhin ist es bekannt, die Chips zu kleben oder mittels Epoxy-Die- Bonden aufzubringen. Jedoch muß hier der Kleber in nasser Form aufgetragen und in mehreren Stunden ausgehärtet werden. Dies führt jedoch dazu, daß sich die Chips leicht verschieben oder gar ablösen. Außerdem können sie nicht "on-line" fixiert werden. Die geklebten Chipverbindungen haben eben­ so wie die Lötverbindungen relativ hohe Schichtdicken im Bereich von ca. 50 µm. Außerdem sind sie häufig nicht porenfrei, so daß sie dann einen hohen Wärmewiderstand bzw. hohe Betriebstemperaturen aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem nicht nur die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden, sondern eine schnelle "on-line-Bon­ dung" gewährleistet ist, also die bisher stundenlange Aufheiz- und Bond­ zeit extrem reduziert wird, und weiterhin großflächige Strukturen kom­ plexer Art oder aus Folien berührungslos geklebt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 bzw. Anspruch 2 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Ünteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiter­ bildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist das Verfah­ ren an Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen die Erläuterungen der Beschreibung. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines nach der Erfindung modifizierten Laser-Chipbond-Apparates,
Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm beim Chip-Bonden mit Kleber Araldit AV 8,
Fig. 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm beim Chip-Bonden mit thermoplasti­ scher Polyamidfolie Pi-A, bei 2 W Laserstrahlung,
Fig. 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm beim Chip-Bonden mit leitendem Schmelzkleber.
Das vorgeschlagene Verfahren zum Laser-Chipbonden mit Schmelzklebern sieht vor, daß die sogenannten Wafer rückseitig in einer Lackschleuderanlage mit einer Schmelzkleber-Lösung bzw. mit einem Klebelack beschichtet oder mit einer Folienbügelanlage mittels einer Klebefolie kaschiert werden. An­ schließend werden die Wafer wie üblich zersägt und die vereinzelten Chips getrocknet. Als Klebefolie eignen sich die neuartigen feuchtebeständigen, thermoplastischen Polyimidfolien.
In einem anderen Verfahrens-Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen einen der bekannten hochreinen, sehr schnell härtenden Epoxidharz-Schmelzkleber zu verwenden. Diese Kleber zeichnen sich ungehärtet durch eine starke Thermoplastizität, gehärtet durch hohe Warmfestigkeit und hohe Haftung, durch Konstanz der Eigenschaftswerte, durch eine hohe Dauerwärmebeständig­ keit bis 200°C, Feuchtebeständigkeit und Indifferenz gegenüber den be­ kannten Schaltungskomponenten aus. Ein Ausgasen tritt nicht auf.
Die oben erwähnten vereinzelten Chips werden mit einer Bestückungsanlage, wie sie als Die-Bonder üblich ist, aufgebracht, wobei allerdings anstelle eines Klebestempels ein Laserkopf angeordnet und über ein Glasfaserkabel mit einem Nd:YAG-Laser verbunden ist. Der Nd:YAG-Laser befindet sich an der Stelle der Epoxidharz-Aufbereitungsanlage.
Die Chips werden nun im Takt gleichzeitig vom Wafer abgehoben und paarig mit dem Laser fixiert. Die Fig. 1 der Zeichnung veranschaulicht eine sol­ che Anlage, in der mit dem vorgeschlagenen Verfahren vor allem große Stückzahlen verarbeitet werden können. Die Schaltungen mit den Chips werden "on-line" weiterverarbeitet und die Gehäuse sofort verdeckelt bzw. die Chips hermetisch verschlossen. Durch die nur 5-10 µm dünnen Klebe- bzw. Folienschichten werden gute Wärmeübergangswiderstände erzielt. Die Fig. 2 zeigt den Temperatur-Zeit-Verlauf einer heißhärtenden Chip-Laser­ verklebung mit spez. Epoxidharz.
Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung thermoplastischer Schmelzkleber Taktzeiten von ca. nur 0,5 sec ermöglicht werden und bei Verwendung von duroplastischen Klebern, z. B. spezielle Prepregs aus Epoxidharz-Silber- Glasgewebefolien, Taktzeiten von nur 5 sec . Zweifelsfrei liegt somit ein äußerst schonendes Verfahren vor, bei dem die Verarbeitungszeiten von Stunden extrem stark auf 0,5 bis max. 5 sec. reduziert worden sind.
Sollen nun temperaturgesteuerte Laser-Schnellverklebungen von dünnwandi­ gen, großflächigen, metallischen Leichtstrukturen mit warmhärtenden Spe­ zialklebern hoher Haftung, Dauerfestigkeit, Dauerwärme- und Hitzebestän­ digkeit verarbeitet werden, so wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren eine temperaturgesteuerte und rechnerkontrollierte punkt- oder nahtförmige Heißverklebung durchgeführt. Hierbei wird ein mobiler Nd:YAG-Laser mit einer beweglichen Glasfaser-Strahlführung und ein IR-Temperatursensor sehr kurzer Ansprechzeit eingesetzt, der gewährleistet, daß der Laser in pro­ grammierter Weise abgeschaltet wird, sobald der Schmelz- und Härtungsvor­ gang des Klebers erfolgt und damit die charakteristische Änderung der Auf­ heizrate bzw. der Temperaturgradient auftritt. Gemäß der ausgewählten Materialkombination wird die Strahlungsleistung des Lasers so vorgegeben, daß die erforderliche Prozeßzeit - im allgemeinen zwischen 0, 1 und 5 sec. - erreicht und genau eingehalten wird. Hierzu erfolgt die IR-Detektor- bzw. Temperaturmessung in einem 0,01 sec.-Takt und die Temperaturgradien­ ten werden aufgrund dieser Detektorsignale über einen schnellen Tischrech­ ner ermittelt. Beim Klebevorgang selbst tritt eine Unstetigkeit im T/t-Verlauf auf, die als Abschaltpunkt für den Laser herangezogen wird. Nachstehend sollen einige Anwendungsbeispiele erläutert werden, in denen das hier vorgeschlagene Verfahren sehr vorteilhaft anwendbar ist.
Großflächige Strukturen aus Metallfolien oder dünnen Blechen lassen sich bisher nicht berührungslos und nur mit kostspieligen, nicht hitzebeständi­ gen Cyanoacrylatklebern vor Ort verkleben. Schweißverfahren sind für diese Anwendung nicht einsetzbar. Zudem erfordern großflächige Leichtstruktur- Verklebungen mit Epoxidharz- oder Polyimidklebern große Härtungsöfen und aufwendige Vorrichtungen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht nun, daß mit handelsüblichen Warm-Klebern eine Heißverklebung mit einem Nd:YAG- Laser in 3 bis 5 sec durchzuführen ist, und zwar so, daß mit Hilfe der Differentialthermographie keine restliche Reaktivität bzw. Härtungsenthal­ pie mehr nachweisbar ist.
Bei einem anderen Anwendungsfall sollen großflächige, komplexe Strukturen warmverklebt werden, ohne daß sich die Positionierung bzw. die eng tole­ rierten Strukturdimensionen verändern. Bisher stehen nur Schmelzkleber zur Verfügung, die heiß mit dem Fügematerial verklebt werden. Dies erfordert nicht nur spezielle Kleber, sondern auch spezielle, gesonderte Vorrichtun­ gen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Folien mit einem norma­ len Schmelzkleber bestrichen, miteinander überlappt und punktweise mit dem Laser verklebt, ohne daß eine Zersetzung auftritt. Die Struktur ist sta­ bil, so daß die Warmhärtung oder Raumtemperaturhärtung anschließend lang­ sam erfolgen kann. In den Fällen, in denen der Kleber gegen Feuchtigkeit geschützt werden muß, wird nicht punktförmig, sondern nahtförmig am Fugen­ rand gehärtet.
Ein weiterer Anwendungsfall ist bei dünnwandigen, dimensionsgenauen Leichtstrukturen gegeben. Diese Leichtstrukturen erfordern eine gewisse Steifigkeit und sind bei dünnen Metallblechen deshalb mit Sicken, Verstre­ bungen und ähnlichen Versteifung bietenden Ausführungsformen versehen. Nun fordern jedoch beispielsweise faserverstärkte Verschalungen eine bestimmte Mindeststärke, wenn enge Toleranzen in den Dimensionen verlangt werden. Bei Dünnblechstrukturen ist die Korrosion, insbesondere bei Wärme-, Luft- und Chemikalieneinwirkung problematisch, deshalb sind hier dünne Bleche interessant, die mit thermoplastischen, härtbaren Polyimidfolien kaschiert sind. Hierzu werden die kaschierten Blechstrukturen mit dem Laser so er­ hitzt, daß eine Härtung an den Fugen bzw. den Nahtstellen erfolgt.
Die Laser-Schnellverklebungen sind dimensionsgenau und nur oberflächennah, so daß auch thermisch empfindliche Geräte, Elektroniken etc. ohne Bela­ stung verpackt bzw. verschalt werden können.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Klebeverbindungen mittels Laser, wobei die Chips mittels eines Klebers in einer automatischen Bestüc­ kungsanlage auf das Schaltungssubstrat geklebt und "on-line" fixiert werden und die Wärmeabstrahlung des erhitzten Lotes gemessen und aus dem Meßsignal die beim Erreichen des Schmelzpunktes des Lotes entstehende Unstetigkeit ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer rückseitig in einer Lackschleuderanlage mit einer Schmelzkleber-Lösung oder einem Kleberlack beschichtet, in an sich bekannter Weise zersägt und die vereinzelten Chips dann getrocknet und anschließend diese ver­ einzelten Chips im folgenden Takt "on line" mittels eines temperatur­ gesteuerten Nd:YAG-Lasers gehärtet bzw. gebondet werden.
2. Verfahren zur temperaturgesteuerten Schnellverklebung von dünn­ wandigen, großflächigen Strukturen aus Folien, dünnen Blechen oder kom­ plexen Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien etc. mit einem Warmkleber bestrichen und miteinander überlappt einer temperatur­ gesteuerten und rechnerkontrollierten punkt- oder nahtförmigen Heißver­ klebung mittels eines mobilen Nd:YAGLasers mit beweglicher Glasfaser- Strahlführung unterworfen werden, wobei ein IR-Temperaturdetektor sehr kurzer Ansprechzeit in programmierter Weise den Laser abschaltet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer rückseitig mit einer feuchtebeständigen, thermoplastischen, härtbaren Polyimidfolie kaschiert, anschließend gesägt und die Chips vereinzelt auf einem Die-Bonder positioniert, temperaturgesteuert mit dem Laser aufgeklebt und gehärtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wafer mit einem schnellhärtenden Epoxidharz-Schmelzkleber beschichtet werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 3, oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Taktzeiten für thermoplastische Schmelzkleber mit ca. 0,5 sec. und bei duroplastischen Klebern mit ca. 5 sec. angesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung des Lasers für die jeweilige Materialkombination so vorgegeben wird, daß die Prozeßzeiten zwischen 0,1 und 5 sec. liegen.
7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der IR-Detektor seine Temperaturmeßsignale im Takt von 0,5-50 ms abgibt.
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