DE4200492A1 - Vorrichtung zum elektrischen verbinden von kontaktelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die elek­ trische Verbindung von zwei Kontaktelementen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der US 48 45 335 ist eine Vorrichtung zum elek­ trischen Verbinden von Kontaktelementen bekannt, bei der sich auf einem sogenannten TAB-Band (tape automa­ ted bonding) befindenden Kontakte mit den Kontakten eines integrierten Schaltkreises verbunden werden. Die Kontakte auf dem Band werden in Überdeckung mit den Kontakten auf dem integrierten Schaltkreis ge­ bracht und mittels Laserstrahlung werden die Kontakte miteinander verbunden. Damit eine gute Reproduzier­ barkeit der Verbindungen erzielt wird, muß der Ab­ stand zwischen den Kontakten minimiert werden. Als allgemeine Regel ist bekannt, daß der Abstand nicht höher als ca. 10% der Kontaktelementdicke liegen darf. Da die Anschlüsse immer kleiner werden und die Kontaktgeometrien kleinere Abmessungen erhalten, wird die Erfüllung dieser Anforderungen problematisch. Bei dem genannten Stand der Technik wird zum Andrücken der Kontaktelemente ein Gasstrom verwendet, der durch eine Düse auf die Kontaktelemente gerichtet wird, wobei Düse und Laserstrahl koaxial liegen.

Es hat sich aber gezeigt, daß die bekannte Vorrich­ tung zum Verbinden von Kontaktelementen mittels La­ serstrahl nicht optimal ist, da die zur Verfügung stehende Laserenergie nicht optimal in thermische Energie für die Kontaktverbindung umgewandelt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die elektrische Verbindung von zwei Kontaktelementen mittels Laserstrahl zu schaffen, die auch bei kleinsten Kontaktgeometrien eine schnelle und reproduzierbare Verbindung ermöglicht, wobei eine gute Ausnutzung und Umwandlung der Laserenergie gege­ ben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die Laseranordnung einen Faserleiter aufweist, der die Laserstrahlung an die zu verbinden­ de Stelle leitet, kann die Laserstrahlung optimal in thermische Energie zum Verschweißen oder Verlöten umgewandelt werden, so daß keine schlechten Lötstel­ len aufgrund zu geringer Wärme und keine Überhitzun­ gen auftreten können, die die Kontakte zerstören könnten.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich. Durch Andrücken der Kontaktelemente beispielsweise des Leads auf ein Lötpad erhöht sich die thermische Ankupplung und die effektive Kontakt­ fläche zwischen beiden Kontaktelementen nimmt während der Lötzeit schnell zu. Es ist die Kontaktierung von Gold-Leads auf verzinnten Lötpads möglich, weil das Lead auf das Lot gedrückt wird und der normale Ab­ sorptionsgrad des Goldes bei der Wellenlänge λ = 1,06 µm ausreicht, um das Gold zu erwärmen und zu löten.

Durch Erfassung der reflektierten IR-Strahlung, der aufgebrachten Kraft, und durch Vorsehen eines Wegauf­ nehmers und eines Ultraschalldetektors kann der Pro­ zeß optimal überwacht werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht auf einen Teil der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Kontaktelementen nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine schematische Ansicht auf einen Teil der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Kontaktelementen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine schematische Ansicht auf einen Teil der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Kontaktelementen nach einem dritten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 4 die schematische Ansicht der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung gemäß Fig. 1 bis 3 werden am Beispiel des TAB-Verfahrens (tape automated bonding) dargestellt. Bei diesem Verfahren sind Anschlußleiterbahnen für integrierte Schaltkrei­ se, sogenannte Leads, auf einem Band 1 mit Transport­ löchern aufgenommen, die Enden der Leiterbahnen, die Inner-Leads 2 werden mit den sogenannten Bumps 3 der Kontakte des integrierten Schaltkreises 4 in Über­ deckung gebracht und miteinander verlötet.

In Fig. 1 besteht die Laseranordnung zum Erwärmen der Kontaktelemente 2, 3 und des gegebenenfalls an ihnen anhaftenden Lötzinns aus einer Laserquelle 5, die mit einem Glasfaserleiter 6 verbunden ist. Der Glasfaser­ leiter 6 wird in einem Halter 7 gehalten, wobei der Halter an seinem Ende als Andrückelement 8, das bei­ spielsweise ringförmig sein kann, ausgebildet ist. Das Ende 9 des Glasfaserleiters 6 weist zu dem Ende des Andrückelementes 8, d. h. zur Andrückebene, einen Abstand auf, so daß es nicht in Berührung mit dem Kontaktelement 2 kommt. Zum Verbinden der Kontaktele­ mente 2 und 3, d. h. der Inner-Leads 2 mit den Bumps 3, wird der Halter 7 mit dem Glasfaserleiter 6 ent­ sprechend dem Pfeil 10 abgesenkt, so daß das Andrück­ element 8 die Kontaktelemente 2, 3 leicht zusammen­ drückt, so daß ein Spalt zwischen den Kontaktelemen­ ten beseitigt und eine bessere Wärmeleitung ermög­ licht wird. Der Laserstrahl wird eingeschaltet, die Kontaktelemente 2, 3 werden miteinander verlötet und nach Ausschalten des Laserstrahls bleibt das Andrück­ element 8 noch solange in der abgesenkten Stellung, bis die Lötstelle abgekühlt ist, wodurch die Abküh­ lung beschleunigt wird und der gesamte Lötvorgang mit höherer Geschwindigkeit durchgeführt werden kann.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 werden für gleiche und gleich wirkende Teile gleiche Bezugszei­ chen verwendet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Halter 7 für den Glasfaserleiter 6 gleichzeitig als Düse oder Kapillare ausgebildet, die mit einer Druck­ gasquelle 11 verbunden ist. Der Halter 7 ist dabei so ausgebildet, daß zwischen dem Glasfaserleiter 6 und den Innenwänden des Halters 7 ein ringförmiger Strö­ mungskanal 12 vorgesehen wird, dessen Länge so bemes­ sen ist, daß eine laminare Strömung entsteht. Bei einer geeigneten Wahl der Laserparameter kann auf diese Weise ein störender Linseneffekt über der Kon­ taktfläche vermieden werden. Die Funktionsweise ent­ spricht derjenigen nach Fig. 1 mit der Ausnahme, daß die Kontaktelemente 2, 3 durch das durch den Strö­ mungskanal 12 strömende Druckgas zusammengedrückt werden und der Halter nicht mit den Kontaktelementen in Berührung kommt.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich zudem nach Fig. 1 dadurch, daß das Ende 13 des Glasfaserleiters 6 gleichzeitig als Andrückelement dient. Dabei ragt das Ende 13 aus dem Halter 7 heraus und steht beim Lötvorgang unter leichtem Druck mit den Kontaktelementen 2, 3 in Verbindung. Die mögli­ cherweise auftretende Ablagerung an der Faserstirn­ fläche, die durch Berührung mit der Kontaktoberfläche entsteht, verhindert nicht die weitere Kontaktierung, sondern kann sogar zur besseren Einkupplung von La­ serenergie in thermische Energie führen. Mit diesem Aufbau sind auch Kontaktierungen von Goldmetallisie­ rungen auf verzinnten Leiterbahnen möglich.

Der Druck zum Zusammendrücken der Kontaktelemente kann bei empfindlichen Substratmaterialien soweit reduziert werden, daß er nur zur Überwindung der Bie­ gesteifigkeit der Elemente und zur Beseitigung des Spaltes zwischen ihnen dient. Je nach den vorgewähl­ ten Randbedingungen können Kontaktierungen auch ohne Bumps, d. h. direkt auf dem Substrat bzw. dem Halblei­ terelement, mit Lötmetallisierung durchgeführt wer­ den. Die Fasermaterialien bestehen meistens aus Quarz mit einer Schmelztemperatur von 1880 K, so daß eine Störung aufgrund thermischer Belastung nicht auf­ tritt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 könnte es aufgrund des direkten Kontaktes des Endes 13, d. h. der Faserauskuppelseite, mit den Kontaktelementen 2, 3 zu Verschleißerscheinungen kommen. Um diesen Ver­ schleißerscheinungen entgegenzutreten, kann eine Fa­ servorschubeinheit und eine Schleif- oder Schneidvor­ richtung vorgesehen werden, durch die das Ende 13 abgeschliffen bzw. abgeschnitten wird.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge­ stellt, wobei in diesem Falle ein Feindraht 14 mit einem Lötpad 15 auf einem Träger 16 verlötet werden soll. Der Glasfaserleiter 6 wird von dem Halter 7 gehalten und in einer zusätzlichen Führung 17 ge­ führt. Weiterhin ist eine Lotdrahtvorschubeinheit 18 vorgesehen, die Lotdraht 19 an die Verbindungsstelle zwischen Feindraht 14 und Lötpad 15 bringt.

Für eine Überwachung des Verbindungsvorganges spielt die Temperatur eine hervorragende Rolle. Mit der Än­ derung der Temperatur ändert sich das Absorptionsver­ halten der Kontaktflächen, da die Absorption eine materialspezifische Größe ist, die im allgemeinen von der Wellenlänge λ, der Intensität und der Temperatur T abhängt, wobei mögliche Verluste durch Reflexion und Transmission bestimmt werden können. In der Fig. 4 wird die Temperatur bzw. das Absorptionsverhalten über die an den Kontaktelementen reflektierte Infra­ rotstrahlung erfaßt. Die von der Laserquelle 5 ausge­ hende Laserstrahlung, die durch die durchgezogenen Linien dargestellt wird, gelangt durch einen halb­ durchlässigen Spiegel 21 und durch eine Sammellinse 22 in den Glasfaserleiter 6. Die wieder aus dem Glas­ faserleiter 6 austretende reflektierte Strahlung 23, die durch die gestrichelten Linien angedeutet wird, wird an dem halbdurchlässigen Spiegel 21 reflektiert und gelangt über eine weitere Sammellinse 24 auf ei­ nen IR-Detektor 25, der mit einem Rechner 26 verbun­ den ist. Mit der in der Zeichnung zwischen IR-Detek­ tor 25 und Rechner 26 angedeuteten Kennlinie 27 soll dargestellt werden, daß der Rechner 26 bestimmte Sollkennlinien für den Temperaturverlauf des Lötvor­ ganges gespeichert hat, mit denen der wirkliche Tem­ peraturverlauf verglichen wird. Der Rechner 26 ist mit der Laserquelle 5 verbunden, so daß gegebenen­ falls die Laserparameter gesteuert werden können. Beispielsweise erhöht sich bei einer Verschmutzung an der Faserstirnfläche die Absorption, die nach Erfas­ sung über den IR-Detektor 25 über den Rechner 26 aus geregelt werden kann.

In entsprechender Weise kann der Verschleiß am Ende des Glasfaserleiters 6 festgestellt werden und ent­ sprechend ein Steuersignal für eine vorhandene Faser­ vorschubeinheit mit Schneid- oder Schleifwerkzeug gegeben werden. Wie in Fig. 4 dargestellt wird, wird gleichfalls die Lotdrahtvorschubeinheit gesteuert.

Für die Prozeßkontrolle bzw. -überwachung können wei­ tere Sensoren 28 vorgesehen sein, die mit dem Bezugs­ zeichen 28 angedeutet sind. Beispielsweise kann ein Kraft- und ein Wegaufnehmer und darüber hinaus ein Ultraschalldetektor vorgesehen sein, die Informatio­ nen über das Absenken der Kontaktelemente, die Schichtdicke des Lötzinns und den Schmelzvorgang der Lötstelle an den Rechner 26 liefern. Diese Größen können zur weiteren Steuerung bzw. Regelung des Pro­ zesses verwendet werden.

Es können unterschiedliche Kontaktierungen auf einem Substrat oder Träger durch Speichern von Kontaktie­ rungsparametern, wie Druck, Laserenergie, Pulsbreite oder dergleichen individuell realisiert werden. Eine Variation des Fokusdurchmessers des Laserstrahls kann durch eine geeignete Auswahl des Faserkerndurchmes­ sers durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung kann für Kontaktierungen im Bereich der SMD-Technik, für Inner-Lead und Outer- Lead-Bonden für die TAB-Technologie und zum Verbinden von feinen Drähten und Bändchen und dergleichen durchgeführt werden. Das Verfahren kann zusätzlich für konventionelle Drahtbonder verwendet werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur elektrischen Verbindung von zwei Kontaktelementen, bei der die zwei Kontaktele­ mente in Überdeckung gebracht werden und mittels einer Laseranordnung verlötet oder verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (5) einen Faserleiter (6) aufweist, der die Laserstrahlung an die zu ver­ bindende Stellung leitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Faserleiter (6) in einem Hal­ ter (7) aufgenommen ist, dessen der zu verbin­ denden Stelle zugewandtes Ende als ringförmiges Andrückelement (8) ausgebildet ist und das eine Kontaktelement auf das andere drückt, wobei das Ende (9) des Faserleiters (6) einen Abstand zum Ende des Halters (7) aufweist, derart, daß beim Andrücken ein Abstand zwischen Kontaktelement und Ende (9) des Faserleiters (6) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Faserleiter (6) in einem Hal­ ter (7) aufgenommen ist, der als Kapillare mit einem Anschluß (11) für Gas ausgebildet ist, und daß zwischen dem Faserleiter (6) und den Innen­ wänden des Halters (7) ein Strömungskanal (12) zur Erzeugung einer laminaren Strömung vorgese­ hen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Faserleiter (6) in einem Hal­ ter (7) aufgenommen ist und daß das Ende (13) des Faserleiters (6) aus dem Halter (7) heraus­ ragt und direkt die Kontaktelemente aufeinander­ drückt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (7) senk­ recht verschiebbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faservorschub­ einheit vorgesehen ist, die den Faserleiter (6) in dem Halter (7) verschiebt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Schleif- und/oder eine Schneidvorrichtung vorgesehen ist, die bei Ver­ schleiß das Ende des Faserleiters (6) abschleift und/oder abschneidet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Regelvorrichtung (26, 27) vorgesehen ist, die abhängig von der Temperatur an der zu verbinden­ den Stelle den Verbindungsvorgang der Kontakt­ elemente überwacht und/oder steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein IR-Detektor (25) mit der Steu­ er- und Regelvorrichtung verbunden ist, der die von der verbindenden Stelle reflektierte Strah­ lung erfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kraft- und/oder Weg- und/oder Ultraschallaufnehmer vorgesehen sind, die mit der Steuer- und Regelvorrichtung (26) verbunden sind und zur Überwachung des Verbindungsvorgan­ ges dienen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelemente als Kontaktflecken, Drähte, Leads oder derglei­ chen ausgebildet sind.