DE4228012C2 - Verfahren zum Beabstanden zweier Bauteile - Google Patents

Verfahren zum Beabstanden zweier Bauteile

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mittels dem zwei Bauteile, die beispielsweise aneinander montiert werden sollen, in einem vorbestimmten gegenseitigen geringen Abstand gehalten werden sollen. Dabei wird insbesondere die gegenseitige Beabstandung von einem LED-Chip zu einem Kupferplättchen betrachtet, wobei diese in Anschluß daran gegenseitig verlötet werden.
Das Verlöten von elektronischen Bauelementen auf einem Träger, beispielsweise einem Kupferplättchen oder einer Leiterplatte, erfordert eine hochgenaue Positionierung relativ zum Einbauplatz und entsprechende Mittel zum Ver­ löten. Ein häufig angewandtes Verfahren besteht darin, ein Lot beispielsweise durch Siebdruck auf einem Träger aufzu­ bringen, ein elektronisches Bauteil auf dem Einbauplatz zu positionieren und durch Erwärmung der Lötstellen das auf­ gebrachte Lot aufzuschmelzen und die Lötverbindung herzu­ stellen. Dies kann mit oder ohne Flußmittel geschehen.
Bei der Herstellung eines Zeichengenerators für einen LED- Drucker müssen beispielsweise LED-Chips auf Kupfer­ plättchen aufgelötet werden. Bei diesem speziellen Lötver­ fahren ist vorgesehen, daß der Chip soweit an das mit Lot­ material beschichtete Kupferplättchen herangefahren wird, daß das obenauf befindliche Flußmittel den Chip benetzt. Dies bedeutet, daß beide Bauteile in einem Abstand zu­ einander positioniert werden müssen, der beispielsweise im Bereich von 0,1 mm liegt. In dieser Position wird der Chip durch einen Laserstrahl erwärmt, wobei ein Wärmefluß über das Flußmittel zum Kupferplättchen hin aufgebaut wird.
Nachdem das Lotmaterial, in diesem Fall Zinn, aufgeschmol­ zen ist, wird der Chip soweit in das Zinn hineingedrückt, daß eine vorgegebene Gesamtstärke von Kupferplättchen und Chip erreicht wird. Die Gesamtstärke wird gemessen von der Unterkante des Kupferplättchens zur Oberkante des Chips.
Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist die Bruchgefahr bei der Handhabung der LED-Chips zu berücksichtigen. Zur Gewährleistung der oben beschriebenen Verfahrensweise ist der Kontakt des Chips zum Flußmittel auf jeden Fall her­ zustellen. Somit ist der Einsatz von Drucksensoren auf­ grund der Bruchgefahr des Chips genauso ausgeschlossen wie der Einsatz von Festanschlägen zur Beabstandung, da die Lotschicht und auch die Bauteile Dickentoleranzen auf­ weisen. In diesem Zusammenhang sind die beiden deutschen Offenlegungsschriften DE 40 16 698 A1 und DE 40 16 696 A1 zu nennen.
Weiterhin ist aus der französischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2 390 005 ein Verfahren zur Einstellung eines bestimmten Abstandes bei einer Verbin­ dung zwischen einem elektronischen Bauelement und einem Substrat bekannt. Dabei werden Abstandsmittel eingebracht, die als Film fest auf dem Substrat in einer bestimmten Struktur aufgebracht sind und aus dem gleichen Material bestehen, wie andere Abstandsmittel, die notwendigerweise auf dem Substrat vorhanden sein müssen.
Aus dem "Handbuch der industriellen Meßtechnik", Hg. P. Profos und T. Pfeifer; R. Oldenbourg Verlag, München (1992), Seite 474 bis 483), sind auf Seite 478 Einzelhei­ ten über Transmission, Laufzeit und andere Daten der zer­ störungsfreien Werkstoffprüfung mittels Ultraschallsenso­ ren zu finden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beabstandung zweier Bauteile zur Verfügung zu stellen, die mittels eines Handhabungsgerätes auf einen vorbe­ stimmten Abstand zusammengefahren und in diesem zur weiteren Behandlung gehalten werden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des Anspruches 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das Er­ kennen einer Beabstandung zweier Bauteile in einem äußerst geringen Abstand unter Ausnutzung einer zwischengelagerten Flüssigkeit geschieht, die beim Zusammenfahren der beiden Bauteile eine akustische Kopplung zwischen diesen erzeugt. In diesem Zustand sind die beiden Bauteile geringfügig be­ abstandet und berühren einander mittelbar über die Flüssigkeit. Die akustische Kopplung durch die Flüssig­ keit wird weiterhin durch den Einsatz eines Schallsenders und eines Schallempfängers ausgenutzt. Der Schallsender kann sich am Träger bzw. am Kupferplättchen oder am Hand­ habungsgerät das den Chip hält befinden. Der zugehörige Schallempfänger befindet sich entsprechend am gegenüber­ liegenden Teil. Schallsender und Schallempfänger sind akustisch an den Träger bzw. das Handhabungsgerät ange­ koppelt. Nachdem das Handhabungsgerät den Chip körperlich berührt, ist an dieser Stelle auch eine Weiterleitung von Körperschall möglich.
Der Zweck der Beabstandung zwischen Chip und Träger be­ steht darin, daß der Chip nicht auf dem festen Lot auf­ setzt. Die Wärmeübertragung vom aufgeheizten Chip über die Flüssigkeit an den Träger ist gewährleistet. Somit besteht keinerlei Bruchgefahr für den Chip bei gleichzeitig guten Voraussetzungen für eine Lötung. Die Stärke einer Flüssig­ keitsschicht zur akustischen Ankopplung beträgt in der Re­ gel mehr als 100 µm. Dies ist ausreichend, um ein automa­ tisches Handhabungsgerät für das Zusammenfahren der Bau­ teile derart anzusteuern, daß es rechtzeitig stehen bleibt, bevor der Chip die Lotschicht bzw. das Kupfer­ plättchen berührt.
Die akustische Ankopplung setzt voraus, daß vom Schall­ sender ausgehende Schallsignale weitergeleitet werden. Insofern ist jede Flüssigkeit einsetzbar, die nicht in kurzer Zeit verdampft. Eine besonders vorteilhafte Aus­ gestaltung der Erfindung sieht vor, daß zum akustischen Ankoppeln ein Flußmittel verwendet wird, da dies ohnehin für viele Lötungen notwendig ist. Für flußmittelfreie Lötungen kann in vorteilhafter Weise ein schwerflüchtiger Alkohol eingesetzt werden, der bei einer anschließenden Erwärmung rückstandsfrei verdampft.
Um möglichst geringe Störungen des Schaltsignales zwischen dem Schallsender und dem Schallempfänger zu erhalten, ist der Einsatz von Ultraschall vorteilhaft. Weist das vom Schallsender erzeugte Schallsignal eine Frequenz oberhalb von 100 kHz auf, so sind übliche Maschinengeräusche, deren Frequenzen niedriger liegen als Störsignale, ausgeschal­ tet. Die Anwendung von höheren Frequenzen bis hinauf in den Megaherzbereich sind möglich, es ist jedoch die mit höherer Frequenz zunehmende Dämpfung eines Signales zu beachten.
Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben:
Fig. 1 zeigt einen Chip 3 der über ein Flußmittel 4 an einen Träger 1 mit einer Lotschicht 2 akustisch angekoppelt ist.
Fig. 2 zeigt den Chip 3 der mit dem Träger 1 verlötet ist, wobei eine vorgegebene Stärke 5 der gesamten An­ ordnung vorliegt.
Die Fig. 1 zeigt einen Träger 1 mit einer darauf aufge­ brachten Lotschicht 2. Der Chip 3 insbesondere ein LED- Chip ist mit einem hier nicht dargestellten Greifer eines Handhabungsgerätes bei annähernd paralleler Ausrichtung zum Träger 1 auf einen bestimmten Abstand zu diesem heran­ gefahren worden. Der Träger 1 ist in diesem Fall ein Kup­ ferplättchen. An dessen Unterseite ist ein Schallsender 7 akustisch angekoppelt. Der Schallsender 7 erzeugt Schall­ signale im Ultraschallbereich, d. h. mit einer Frequenz von mehr als ca. 16 kHz. Vorzugsweise werden Frequenzen oberhalb von 100 kHz eingesetzt. Das Handhabungsgerät, das den Chip 3 an den Träger 1 bzw. die darauf befindliche Lotschicht 2 heranfährt wird, in dem Moment in seiner Ge­ schwindigkeit verlangsamt bzw. angehalten, indem das Fluß- Flußmittel 4 den Chip 3 benetzt. Dies geschieht unmittel­ bar nach der akustischen Kopplung zwischen Träger 1 und Chip 3. An dem den Chip 3 haltenden Greifer des Handha­ bungsgerätes ist ein Schallempfänger akustisch angekop­ pelt. (Dies ist in den Figuren nicht berücksichtigt). Dieser kann zu diesem Zeitpunkt ein Schallsignal vom Schallsender 7 empfangen. Dieses Schallsignal löst die Verzögerung in der Bewegung des Handhabungsgerätes aus. Somit bleibt der Chip 3 in einem bestimmten Abstand von der Lotschicht 2 stehen und es besteht keine Bruchgefahr für den Chip 3. In Anschluß daran wird der Chip 3 über einen Laserstrahl 6 erwärmt. Dabei wird ein Wärmestrom über das Flußmittel 4 in Richtung auf die Lotschicht 2 und den Träger 1, das Kupferplättchen, erzeugt.
Sobald die Lotschicht 2 aufgeschmolzen ist, wird der Chip 3 in das flüssige Lot hineingetaucht, bis eine vorgegebene gesamte Stärke 5 der Anordnung erreicht ist. Diese gesamte Stärke 5 wird wie in Fig. 2 dargestellt zwischen der Unter­ seite des Kupferplättchens und der Oberseite des Chips 3 gemessen. Durch diese Verfahrensweise werden Dickentoleran­ zen der Bauteile oder auch der Lotschicht 2 im festen Zu­ stand ausgeglichen.
Die in Fig. 1 dargestellte Beabstandung der beiden Bau­ teile des Chips 3 und des Trägers 1 mit der darauf be­ findlichen Lotschicht 2 hängt von der Größe der Bauele­ mente ab. In der Regel ist die Stärke der Flüssigkeits­ schicht bzw. des Flußmittels 4 größer als 100 µm. So­ bald die akustische Kopplung hergestellt ist wird ein Signal an das Handhabungsgerät gegeben, so daß die Ge­ schwindigkeit mit der der Chip 3 auf den Träger 1 zu­ fährt gedrosselt wird oder der Chip angehalten wird. Für heutige Handhabungsgeräte mit entsprechender Signalüber­ tragung ist ein Abstand von 100 µm zum Zeitpunkt des aku­ stischen Ankoppelns ausreichend, um einen Chip 3 recht­ zeitig und in einem genügenden Abstand zur Lotschicht 2 anzuhalten. Die genaue Verfahrensweise ist abhängig von der zunächst eingestellten Geschwindigkeit des Handha­ bungsgerätes.

Claims (4)

1. Verfahren zum Beabstanden eines Bauteiles relativ zu einem Träger (1), wobei mittels eines Handhabungsgerätes Bauteil und Träger (1) auf einen vorbestimmten Abstand zusammengefahren werden, insbesondere um einen Chip (3) vor dem Verlöten auf einem Träger (1) in vorgegebenem Abstand zu diesem zu halten,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - am Träger (1) ein Schallsender (7) und am Handhabungsgerät für das Bauteil ein Schallempfänger oder umgekehrt angebracht werden,
  • - zwischen dem Träger (1) und dem Bauteil eine Flüssigkeit angeordnet wird, die während des Zusammenfahrens eine akustische Ankopplung zwischen dem Träger (1) und dem Bauteil erzeugt und
  • - aufgrund eines nach der Herstellung der akustischen Ankopplung am Schallempfänger detektierbaren Schallsignales, das vom Schallsender erzeugt wird, die Bewegung des Bauteiles relativ zu dem Träger (1) über das Handhabungsgerät verlangsamt oder gestoppt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit zum akustischen Ankoppeln ein Fluß­ mittel ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkeit zum akustischen Ankoppeln ein schwer­ flüchtiger Alkohol ist, der bei Erwärmung rückstandsfrei verdampft.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallsender (7) Ultraschall im Bereich oberhalb von mehr als 100 kHz erzeugt.
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