DE68920405T2

DE68920405T2 - Ausrichtungsvorrichtung.

Info

Publication number: DE68920405T2
Application number: DE68920405T
Authority: DE
Inventors: Thomas Mario Cipolla; Raymond Robert Horton; Philip Murphy; Michael Jon Palmer
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-10-31
Filing date: 1989-08-01
Publication date: 1995-07-13
Anticipated expiration: 2009-08-02
Also published as: EP0366880A2; US4875614A; EP0366880A3; DE68920405D1; JPH0650752B2; EP0366880B1; JPH02137241A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ausrichtung einer ersten Oberfläche auf eine zweite Oberfläche durch Drücken der ersten Oberfläche gegen die zweite Oberfläche. Diese Erfindung bezieht sich im einzelnen auf eine Vorrichtung zur im wesentlichen parallelen Ausrichtung eines Bondierkopfs auf Beam-Leads, die auf Kontaktstellen auf einer Substratoberfläche ausgerichtet sind und diese berühren, durch Drücken des Bondierkopfs gegen die Beam-Leads und zur im wesentlichen parallelen Ausrichtung einer ersten und zweiten elektronischen Einheit auf Beam-Leads, die sich dazwischen befinden, durch Drücken der ersten elektronischen Einheit gegen die zweite elektronische Einheit.
Bei der TAB-Technologie (tape automatic bonding - Filmbonden) in der Nikroelektronik wird eine Gruppe von Beam-Leads, die jeweils ein inneres ILB-Ende (inner lead bond end) und ein äußeres OLB-Ende (outer lead bond end) aufweisen, verwendet, um eine elektronische Einheit, wie beispielsweise einen Halbleiter-Chip, mit einem elektronischen Substrat zum Einbetten, wie beispielsweise einer gedruckten Leiterplatte (PCB-Leiterplatte), elektrisch zu verbinden. Die inneren ILB-Enden werden mit Kontaktstellen auf der elektronischen Einheit gebondet. Die äußeren OLB-Enden werden mit Kontakt stellen auf dem Substrat zum Einbetten gebondet. Die Beam-beads befinden sich auf dem TAB-Film. Die inneren ILB-Enden einer Gruppe sind auf die Kontaktstellen der elektronischen Einheit verteilt und auf sie ausgerichtet. Über die inneren ILB-Enden wird ein Bondierkopf gebracht. Der Bondierkopf wird erhitzt und gegen die inneren ILB-Enden gedrückt, damit die inneren ILB-Enden mit den Kontaktstellen der elektronischen Einheit durch Thermokompression gebondet werden. Die äußeren OLB-Enden der Beam-beads können in ähnlicher Weise mit den Kontaktstellen auf dem Substrat zum Einbetten der elektronischen Einheit gebondet werden. Die inneren ILB- und äußeren OLB-Enden können mit den Kontaktstellen auch durch andere Mittel, wie beispielsweise durch Löten, gebondet werden. Während die inneren ILB-Enden mit der elektronischen Einheit bzw. die äußeren OLB-Enden mit dem Substrat zum Einbetten gebondet werden, ist es erforderlich, daß der Bondierkopf im wesentlichen parallel zum Substrat liegt, mit dem die Bondierung erfolgt. Der Grad der Parallelität wird in hohem Maße von der Gleichmäßigkeit der Hitze und des Drucks bestimmt, die bzw. der auf die Beam-beads wirkt. Ungleichmäßige Hitze oder ungleichmäßiger Druck führt zu qualitativ schlechten Bondierungen zwischen den Eeam-beads und den Kontaktstellen und zu einer schlechten Steuerung des Prozesses. Bei den derzeit verfügbaren Bondiermöglichkeiten wird der Bondierkopf durch manuelle Regulierung auf das Substrat, mit dem die Enden der Beambeads gebondet werden, parallel ausgerichtet. Hierzu müssen beim Bondierwerkzeug zunächst die Regulierungsschrauben nachgestellt werden. Die Genauigkeit der Regulierung bestimmt die Qualität der Bondierungen wesentlich. Der Regulierungsprozeß wird wiederholt ausgeführt und das Ergebnis überprüft, denn die einzige Möglichkeit zur Bestimmung, ob die Regulierung korrekt ist, ist das wiederholte Ausüben von Druck auf eine elektronische Einheit oder ein Substrat zum Einbetten mit nachfolgendem Überprüfen des Ergebnisses der Testbondierung. Die erforderliche Planheit wird in einem Prozeß wiederholter Versuche mit nachfolgendem Überprüfen des Ergebnisses erreicht. Die Enden der Beam-beads werden mit den Kontaktstellen auf einem Substrat gebondet. Die Bondierungen werden geprüft und gegebenenfalls manuell reguliert. Dieser Prozeß wird wiederholt, bis die gewünschte Planheit erreicht ist. Das bedeutet, daß der Regulierungsprozeß bei jedem Auswechseln des Bondierkopfs mehrere Stunden in Anspruch nimmt. Außerdem ist hierdurch die Qualität der Bondierungen in hohem Maße von den Fähigkeiten des für die Regulierung der Vorrichtung verantwortlichen Fachmanns abhängig.
In einem Artikel in IBM TDB Bd. 11, Nr. 8, Januar 1969, S. 1026, wird ein Werkzeug zum Löten beschrieben, das dem heutigen Stand der Technik entspricht. Es verfügt über ein Kugelgelenk, über das ein Block mit daran befestigten Bondierkopfelementen weg von der normalen ebenen Ausrichtung relativ zu einem Gehäuse, an dem er durch symmetrisch angeordnete Federn gehalten wird, in verschiedene Richtungen schwenken kann. Die Kugel ermöglicht, daß die Bondierkopfelemente leichte Unregelmäßigkeiten auf der bötoberfläche der Platte selbst ausgleichen. Leitungen auf einem Chip werden auf die Kontaktstellen einer Platte ausgerichtet. Die Bondierkopfspitze wird auf die beitungsenden ausgerichtet und gegen die Leitungen gedrückt. Die Vorrichtung ermöglicht der Fläche, die die Bondierkopfspitzen enthält, eine bogenförmige Schwenkbewegung im Raum, so daß beim Drücken der Bondierkopfspitze gegen die Leitungen, die auf die Kontakte auf der Platte ausgerichtet sind, die Bondierkopfspitze zur Seite bewegt wird, wodurch die Leitung und die Kontakte beschädigt werden können und die Leitungen ihre Ausrichtung auf die Kontaktstellen verlieren können. Die Vorrichtung birgt ein weiteres Problem. Da der Block mit dem Bondierkopf über ein Kugelgelenk schwenkbar ist, kann sich die Fläche des Bondierkopfs um eine zu dieser Fläche vertikalen Achse drehen. Beim Drücken des Kopfs gegen die Leitungen erzeugt diese Drehung eine zusätzliche Verschiebung zwischen der Bondierkopfspitze und den Leitungen.
In der US-Patentschrift US-A-3 574 923 wird ein Bondierwerkzeug mit einem Kugelgelenk beschrieben, über das eine Fläche mit einem daran befestigten Werkteil weg von der normalen Ausrichtung relativ zum Trageelement, an dem das Kugelgelenk befestigt ist, in verschiedene Richtungen schwenken kann. Ein Bondierkopf, der einen Chip mit daran befestigten Leitungen hält, wird gegen das Werkteil gedrückt. Vor dem Drücken werden die Leitungen auf die Kontaktstellen auf dem Werkteil ausgerichtet. Das Kugelgelenk ermöglicht dem Werkteil, sich parallel zu den Leitungen zu bewegen. Da der Block mit dem darauf befindlichen Werkteil über ein Kugelgelenk schwenkbar ist, kann sich, wie es auch bei der Vorrichtung in dem Artikel in IBM TDB der Fall ist, dieses Werkteil um eine Achse drehen, die zur Fläche des Werkteils vertikal ist, wodurch die Leitungen und die Kontaktstellen ihre Ausrichtung verlieren. Gemäß Spalte 4, Zeile 38 bis 44, ist es wünschenswert, eine geeignete Funktion zur Verfügung zu stellen, die die Rotation der Fläche verhindert, die gewünschte Schwenkbewegung der Fläche bzw. die gewünschte seitliche Verschiebung des Flächendrehpunkts jedoch nicht unterbindet. In dem Artikel in IBM TDB ist keine Information darüber enthalten, wie die Rotation verhindert werden kann. Wie bei der Vorrichtung im Artikel in IBM TDB ermöglicht das Kugelgelenk der Fläche des Werkteils eine bogenförmige Schwenkbewegung im Raum, so daß sich beim Drücken der Leitungen gegen die Kontaktstellen des Werkteils eine seitliche Verschiebung der Kontaktstellen ergibt. Die in der US-Patentschrift US-A-3-574 923 beschriebene Lösung dieses Problems ist das Montieren der Kugel in einem elastischen O-Ring, der sich in der Bohrung befindet, in die die Kugel eingesetzt wird. Der O-Ring wird zusammengedrückt wodurch sich die Kugel seitlich bewegen kann und die seitliche Bewegung des Werkteils verhindert wird.
Durch die Erfindung sollen die beschriebenen Nachteile behoben werden. Die Ansprüche der Erfindung lösen das Problem, wie eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden kann, mit der die Ausrichtung einer ersten Oberfläche eines ersten Körpers so reguliert wird, daß sie im wesentlichen mit einer zweiten Oberfläche eines zweiten Körpers bündig ist, nachdem die erste Oberfläche gegen die zweite Oberfläche gedrückt wurde, ohne seitliche Verschiebung und Drehung der ersten Oberfläche.
Bei der Erfindung handelt es sich im weitesten Sinne um eine Vorrichtung zur Regulierung der Ausrichtung einer ersten Oberfläche eines ersten Körpers, so daß sie mit einer zweiten Oberfläche eines zweiten Körpers bündig ist, wenn die erste Oberfläche gegen die zweite Oberfläche gedrückt wird.
Im engeren Sinne beinhaltet die Erfindung folgendes: Die erste Oberfläche rotiert im Raum um einen auf ihr befindlichen Punkt, wodurch eine seitliche Verschiebung der ersten Oberfläche verhindert wird.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist, daß der erste Körper beweglich auf einem Trageelement montiert ist, wodurch eine Rotation der ersten Oberfläche um eine erste und zweite Achse möglich ist: Beim Drücken der ersten Oberfläche gegen die zweite Oberfläche rotiert die erste Oberfläche um die erste und zweite Achse, was dazu führt, daß die erste Oberfläche im wesentlichen mit der zweiten Oberfläche bündig ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, daß der erste Körper über eine Vielzahl von Lagern beweglich auf dem Trageelement montiert ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, daß die beiden Rotationsachsen vertikal zueinander liegen und sich in einem Punkt auf der ersten Oberfläche schneiden. Die erste Oberfläche rotiert um den Schnittpunkt.
Der Vorteil dieser Erfindung ist eine Vorrichtung, mit der Druck im wesentlichen gleichmäßig auf eine Vielzahl von leitenden Beam-bead-Enden ausgeübt wird, die so ausgerichtet sind, daß sie mit den jeweiligen Kontaktstellen auf einer Substratoberfläche engen Kontakt haben.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist eine Vorrichtung, mit der Druck im wesentlichen gleichmäßig auf eine erste elektronische Einheit ausgeübt wird, die gegen eine zweite elektronische Einheit gedrückt wird, wobei die Beam-Leads zwischen der ersten und zweiten elektronischen Einheit nach innen verlaufen. Die Beam-Leads werden mit den Kontaktstellen auf der ersten und zweiten elektronischen Einheit gebondet.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, daß die seitliche Verschiebung der ersten Oberfläche beim Drücken gegen die zweite Oberfläche vermieden wird, ohne daß ein Kugelgelenk mit einem elastischen Glied verwendet wird, um diese seitliche Verschiebung zu absorbieren.
Diese und andere Ziele, Funktionen und Vorteile werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den beigefügten Abbildungen ersichtlich:
FIG. 1 zeigt das Diagramm des Basiskonzepts der Erfindung.
FIG. 2 zeigt Beam-Leads, die auf Kontaktstellen auf einer elektronischen Einheit mit einem Bondierkopf ausgerichtet sind, der nicht parallel zur Oberfläche der Einheit liegt.
FIG. 3 zeigt eine erste und zweite elektronische Einheit mit darauf befindlichen Kontaktstellen, die auf Leitungen ausgerichtet sind, die zwischen den beiden Einheiten herausragen, wobei die erste und zweite Einheit nicht parallel zueinander liegen.
FIG. 4 zeigt das Diagramm einer beitungsorganisation des Typs TAB.
FIG. 5 zeigt das Diagramm des Basiskonzepts der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung drei Hauptteile umfaßt, die im Bezug aufeinander um zwei Rotationsachsen beweglich montiert sind.
FIG. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiel s der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
FIG. 7 zeigt die Struktur von FIG. 6 teilweise auseinandermontiert.
FIG. 8 zeigt eine Seitenansicht eines typischen Lageraufbaus.
FIG. 9 zeigt eine perspektivische Schnittansicht der Struktur von FIG. 8.
FIG. 10 zeigt einen Querschnitt der Struktur von FIG. 6 entlang der Linie A in der Richtung, die in der Draufsicht von FIG. 12 angezeigt ist.
FIG. 11 zeigt einen Querschnitt der Struktur von FIG. 6 entlang der Linie B in der Richtung, die in der Draufsicht von FIG. 12 angezeigt ist.
FIG. 12 zeigt die Draufsicht der Struktur von FIG. 6.
FIG. 1 zeigt das Diagramm des Konzepts der vorliegenden Erfindung. Der Körper 3 ist beweglich auf dem Trageelement 5 montiert. Die diamantförmige Struktur 7 repräsentiert die Verbindung zwischen dem Körper 3 und dem Trageelement 5, wobei die Oberfläche 9 von Körper 3 im Raum rotieren kann. Beim Drücken der Oberfläche 9 gegen die Oberfläche 11 von Körper 13 rotiert die Oberfläche 9 im Raum und ist bündig mit der Oberfläche 11 bzw. eng an sie gedrückt. Im Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen 9 und 11 im wesentlichen eben. Wie in FIG. 1 gezeigt, ist dies jedoch nicht notwendigerweise so, und die Erfindung beschränkt sich nicht auf ebene Oberflächen. Erlaubt das Mittel, durch das die Oberfläche 9 rotieren kann, im Bezug auf die Oberfläche 11 eine Rotation der Oberfläche 9 in einem räumlichen Winkel, berührt die Oberfläche 9 die Oberfläche 11 an mindestens drei Punkten, die eine Schnittebene der Oberflächen 9 und 11 definieren. Erlaubt das Mittel 7 im Bezug auf die Oberfläche 11 lediglich eine Rotation der Oberfläche 9 in einem ebenen Winkel, berührt die Oberfläche 9 die Oberfläche 11 an mindestens zwei Punkten.
FIG. 2 zeigt die inneren Enden der Beam-Leads 2, die auf die Kontaktstellen 4 auf der elektronischen Einheit 6 ausgerichtet sind, die von der Befestigung 8 gehalten wird. Der Bondierkopf 10 wird erhitzt und auf die inneren Enden der Beam-Leads 2 ausgerichtet, um die inneren Enden der Beam-Leads gegen die Kontaktstellen der elektronischen Einheit zu drücken.
Diese Art der Bondieroperation ist gängige Praxis auf dem heutigen Stand der Technik und wird mit Thermokompressionsbonden bezeichnet. Die Bondieroberfläche 12 des Bondierkopfs 10 wird in FIG. 2 als nicht parallel zur Oberfläche 14 der elektronischen Einheit 6 gezeigt. Die Bondieroberfläche 12 berührt das innere Ende 16 des Beam-Lead, bevor sie das innere Ende 18 des Beam-Lead berührt, wenn der Bondierkopfhalter 20 in Richtung elektronische Einheit 6 bewegt wird.
Gängige Bondierwerkzeuge verfügen über Regulierungsschrauben 22, damit die parallele Ausrichtung der Bondieroberfläche 12 auf die Oberfläche 14 der elektronischen Einheit 6 manuell reguliert werden kann.
Wie bereits oben erwähnt, wird die parallele Anordnung der Bondieroberfläche 12 und der Oberfläche 14 der elektronischen Einheit 6 durch wiederholtes Drehen der Regulierungsschrauben, hier durch 22 dargestellt, und Überprüfen des Ergebnisses erreicht.
FIG. 3 zeigt eine elektronische Einheit 24 und eine elektronische Einheit 28, die jeweils von den Vakuumabnehmern 31 und 33 in den Befestigungen 26 und 30 gehalten werden. Auf der elektronischen Einheit 24 befinden sich die Kontaktstellen 29 und auf der elektronischen Einheit 28 die Kontaktstellen 32. Die inneren Enden 34 und 35 der Beam-Leads 36 sind auf die Kontaktstellen 29 und die Kontaktstellen 32 ausgerichtet und befinden sich zwischen ihnen. Die Befestigung 26 wird in Richtung der Befestigung 30 bewegt, damit die inneren Enden 34 und 35 der Beam-Leads zwischen die Kontaktstellen 29 auf der elektronischen Einheit 24 und die Kontaktstellen 32 auf der elektronischen Einheit 28 gepreßt werden. Eine der beiden oder beide Befestigungen 26 und 30 werden erhitzt. Hierdurch wird mittels Thermokompression eine Bondierung zwischen den Kontaktstellen 29 und 32 und den inneren Enden 34 und 35 der Beam-Leads erreicht.
Wie in FIG. 3 dargestellt, liegt die Oberfläche 38 der elektronischen Einheit 24 nicht parallel zur Oberfläche 40 der elektronischen Einheit 28. Daher werden die inneren Enden 34 und 35 der Beam-beads nicht mit gleichem Druck zwischen die Kontaktstellen 29 und 32 gepreßt, wenn die Befestigung 26 in Richtung der Befestigung 30 bewegt wird, um die inneren Enden 34 und 35 der Beam-Leads zwischen die Kontaktstellen 29 und 32 zu pressen. Das innere Ende 35 des Beam-Lead wird zuerst zwischen die Kontaktstellen 29 und 32 gepreßt.
Bei den gängigen Werkzeugen wird die Ausrichtung der Befestigung 26 im Bezug auf den Halter 42, an dem die Befestigung 26 angebracht ist, mittels einer Schraube 44 reguliert. Durch wiederholtes Regulieren der Schraube 44 und Überprüfen des Ergebnisses wird die Oberfläche 38 parallel auf die Oberfläche 40 ausgerichtet.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vermeidet diesen oben beschriebenen wiederholten Prozeß der manuellen Regulierung.
Bei der TAB-Technologie wird eine Reihe von mit Zwischenräumen angeordneten Beam-Lead-Cruppen auf einem gedehnten, flexiblen Film gefertigt. Der flexible Film kann auf Spulen aufgewickelt und wieder abgewickelt werden, damit in einem automatischen Prozeß die elektronischen Einheiten mit den Beam-Lead-Gruppen und die gesamte Organisation der elektronischen Einheit zusammen mit den Beam-Lead-Cruppen mit einem Substrat zum Einbetten gebondet werden.
FIG. 4 zeigt eine Gruppe von Beam-Leads auf einem flexiblen Film 52, die durch die Referenznummer 50 repräsentiert sind. Jedes Beam-Lead verfügt über ein inneres ILB-Ende 54 und ein äußeres OLB-Ende 56. Die ILB-Enden verlaufen nach innen in Richtung auf eine zentrale Position und sind mit Kontaktstellen auf einer elektronischen Einheit 58 gebondet. Bei dem Teil 74 des in FIG. 4 dargestellten Films verlaufen die ILB-Enden nach innen und überspannen die Öffnung 62 im Film 52 über die Kante 60. An den OLB-Enden verlaufen die Beam-Leads über die Öffnungen 64. Die Öffnungen 64 bilden Aussparungen im Film 52 zum Bilden von Bondierungen an den OLB-Enden. Der flexible Film 52 weist eine Reihe von Führungslöchern 66 an den äußeren Rändern des Films auf. Diese Führungslöcher erlauben die Ausrichtung der Beam-beads auf die Kontaktstellen, mit denen die ILB-Enden und die OLB-Enden elektrisch verbunden werden.
Im allgemeinen erlauben die Führungslöcher nur eine grobe Ausrichtung der ILB-Enden und der OLB-Enden auf die Kontaktstellen jeweils auf einem Chip und einem Substrat. Mit gängigen optischen Systemen wird die feine Ausrichtung der ILB- Enden und der OLB-Enden auf die Kontaktstellen jeweils auf einem Chip und einem Substrat vorgenommen.
FIG. 4 zeigt ein Beispiel für nur einen Typ von metallisiertem Träger für eine Reihe von mit Zwischenräumen angeordneten Beambead-Gruppen. Ein weiterer gängiger Beam-Lead-Träger verfügt nur über eine Metallschicht, auf der eine Reihe von Beam-Lead-Mustern gebildet wird. Die Beam-Leads und der Metallfilm bilden eine unitäre Struktur. Die Beam-Leads werden gebildet, indem die Beam-Lead-Muster auf den Film geätzt oder in photolithografischen Prozessen plattiert werden.
Nachdem ein Halbleiter-Chip mit den ILB-Enden der Beam-Leads gebondet worden ist, werden die Beam-beads mit auf dem heutigen Stand der Technik bekannten Verfahren vom metallisierten Film im Bereich der OLB-Enden im Bereich der Öffnung 64 in FIG. 4 abgetrennt.
FIG. 5 zeigt das Basiskonzept des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der Körper 108 umfaßt den Y-Träger 80, der beweglich auf der Basis 82 montiert ist. Der X-Träger 84 ist beweglich auf dem Y-Trager 80 montiert. Die Basis 82 hat eine konkave, zylindrische Oberfläche 86 mit dem Radius der Krümmung 88, die auf die Achse 90 zentriert ist. Der Y-Träger 80 hat eine konvexe, zylindrische Oberfläche 92 mit dem Radius der Krümmung 88, die auf die Achse 90 zentriert ist. Die zylindrische Oberfläche 92 hat Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche 86. Die Oberfläche 92 gleitet an der Oberfläche 86 entlang. Die Oberfläche 94 des Y-Trägers 80 liegt der Oberfläche 92 des Y-Trägers 80 gegenüber. Die Oberfläche 94 ist konkav und zylindrisch mit dem Radius der Krümmung 96, die auf die Achse 98 zentriert ist. Die Achse 98 schneidet die Achse 90 am Punkt 100. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Achse 98 die Achse 90 schneidet. Die Achsen 98 und 90 liegen vertikal zueinander. Es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Achsen 98 und 90 vertikal zueinander liegen. Die Oberfläche 102 von X- Träger 84 hat eine konvexe, zylindrische Oberfläche mit dem Radius der Krümmung 96, die auf die Achse 98 zentriert ist. Die zylindrische Oberfläche 102 hat Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche 94. Die zylindrische Oberfläche 102 kann an der zylindrischen Oberfläche 94 entlanggleiten. Die im wesentlichen ebene Oberfläche 104 des X-Trägers 84 liegt der zylindrischen Oberfläche 102 des X-Trägers 84 gegenüber. Die Oberfläche 104 ist in der Perspektive von FIG. 5 nicht sichtbar. Wird die Basis 82 in eine Richtung bewegt, so daß die Oberfläche 104 gegen die im wesentlichen ebene Oberfläche 106 gedrückt wird, ändert die Oberfläche 104 ihre Ausrichtung, so daß die Oberfläche 104 parallel zur Oberfläche 106 liegt. Liegen die Achsen 98 und 90 in der Ebene der Oberfläche 104, rotiert die Oberfläche 104 um die Achsen 98 und 90, und der Schnittpunkt 100 wird nicht vertikal zur Bewegungsrichtung der Basis 82 verschoben. Das liegt an der Tatsache, daß der X-Träger 84 im Bezug auf den Y-Träger 80 entlang der Schnittstelle der Oberfläche 94 des Y-Trägers 80 und der Oberfläche 102 des X- Trägers 84 gleitet, wodurch die Rotation um die Achse 98 ermöglicht wird, und die Oberfläche 92 des Y-Trägers 80 gleitet entlang der Oberfläche 86 der Basis 82, wodurch die Rotation um die Achse 90 ermöglicht wird.
Da die Vorrichtung in FIG. 5 durch den X-Träger 84 und den Y- Träger 80 zwei Rotationsachsen aufweist, entsteht keine Drehung oder Rotation um eine Achse, die vertikal zur Oberfläche 104 liegt, wenn die Oberfläche 104 gegen die Oberfläche 106 gedrückt wird.
Die Vorrichtung in FIG. 5 vermeidet die Drehung, die mit Bezug auf die Vorrichtung in der US-Patentschrift US-A-3 574 923 und auf den Artikel in IBM TDB beschrieben wurde.
Variationsmöglichkeiten des Konzepts in FIG. 5 sind für Fachleute ersichtlich.
Die Erfindung wird weiter beschrieben, indem das Konzept in FIG. 5 auf eine Bondiervorrichtung angewendet wird, mit der Leitungsstrukturen des in FIG. 4 dargestellten Typs mit elektronischen Einheiten durch die in FIG. 2 und 3 dargestellten Bondieroperationen gebondet werden. Das Konzept in FIG. 5 ist nicht auf diese Anwendungen beschränkt.
Alle in Fig. 6, 7, 10, 11 und 12 gemeinsamen Referenznummern repräsentieren dieselben Objekte.
In FIG. 7 ist die Basis 110 über Kugellager, die in den Kugellagerkäfigen 114 und 116 befestigt sind, beweglich auf dem Y-Träger 112 montiert. FIG. 8 zeigt eine Seitenansicht einer gängigen Kugellagerstruktur. Eine Vielzahl von Kugeln 118 befindet sich durch Zwischenräume getrennt in Öffnungen 119 im Halter bzw. Käfig 120. Die Kugeln rollen auf Rillen in einer äußeren Bahn 117 und einer inneren Bahn 121. FIG. 9 zeigt eine perspektivische Schnittansicht der Struktur in FIG. 8. Die Lagerbahnen und Halter, die in der Struktur von FIG. 7 verwendet werden, werden aus einer Struktur herausgeschnitten, wie in FIG. 8 gezeigt. Bei dieser Anwendung bedeuten Lagerbahn und Lagerspur dasselbe. Die Kugeln der Lagerstruktur 114 rollen in der äußeren Bahn 122 der Basis 110 und in der inneren Bahn 124 des Y-Trägers 112. Die Kugeln der Lagerstruktur 116 rollen in der äußeren Bahn 126 der Basis 110 und in der inneren Bahn 128 des Y-Trägers 112. Die Lagerbahnen 126 und 122 bilden eine zylindrische Oberfläche, wie mit Bezug auf FIG. 5 beschrieben wurde. Die Lagerbahnen 128 und 124 bilden eine zylindrische Oberfläche auf dem Y-Träger 112, wie mit Bezug auf FIG. 5 beschrieben wurde. Die Anordnung der Lagerstrukturen 116 und 114 und die Lagerbahnen der Basis 110 und 112 erlauben dem Y- Träger 112, bogenförmig um eine Rotationsachse 130 entlang der Basis 110 zu gleiten. Die zylindrische Oberfläche 132 des Y- Trägers 112 stützt die Lagerbahnen 128 und 124. Die zylindrische Oberfläche 134 des Y-Trägers 112 trägt die Lagerbahnen 136 und 138. Die zylindrische Oberfläche 140 des X- Trägers 142 stützt die Lagerbahnen 144 und 146. Die Lagerstruktur 148 befindet sich zwischen der Lagerbahn 138 auf dem Y-Träger 112 und der Lagerbahn 144 auf dem X-Träger 142. Die Lagerstruktur 150 befindet sich zwischen der Lagerbahn 136 auf dem Y-Träger 112 und der Lagerbahn 146 auf dem X-Träger 142. Die Anordnung der Lagerstrukturen 148, 150 und der Lagerbahnen 138, 144, 136 und 146 erlaubt dem X-Träger 142, entlang dem Y-Träger 112 zu gleiten. Die Lagerbahnen 138 und 136 bilden eine zylindrische Oberfläche mit der Achse 152. Die Lagerbahnen 144 und 146 bilden eine zylindrische Oberfläche mit der Achse 152. Die Bondierkopfstruktur 160 ist an der Oberfläche 162 des X-Trägers 142 angebracht. Die Oberfläche 162 befindet sich gegenüber der Oberfläche 140 des X-Trägers 142.
Die Oberfläche 164 der Bondierstruktur 160 hat Löcher 166 für Schrauben 168, mit denen die Struktur 160 an der Oberfläche 162 des X-Trägers 142 befestigt wird. Die Lagerbahn 122 wird durch den Lagerhalter 174 gehalten, der von einer Vielzahl von Schrauben 176 gehalten wird, die in die Löcher mit Gewinde 178 der Basis 110 geschraubt werden. Die Lagerbahn 126 wird durch den Lagerhalter 175 und die Schrauben 177 gehalten. Die Lagerbahn 124 wird durch den Lagerhalter 180 gehalten, der von einer Vielzahl von Schrauben 182 gehalten wird, die in die Löcher mit Gewinde 184 des Y-Trägers 112 geschraubt werden. Die Lagerbahn 128 wird von einer Lagerhalterplatte 181 und Schrauben 183 gehalten. Die Lagerbahn 138 wird von einer Lagerhalterplatte 186 gehalten, die von einer Vielzahl von Schrauben 188 gehalten werden, die in Löcher mit Gewinde 190 des Y-Trägers 112 geschraubt werden. Die Lagerbahn 136 wird von einer Lagerhalterplatte 187 und Schrauben 189 gehalten. Die Lagerbahn 144 wird von einer Lagerhalterplatte 192 gehalten, die von Schrauben 194 gehalten werden, die in Löcher mit Gewinde 196 des X-Trägers 142 geschraubt werden. Die Lagerbahn 146 wird von einer Lagerhalterplatte 193 und Schrauben 195 gehalten. Die Verwendung von Halterplatten zum Halten der Lagerbahnen entspricht dem heutigen Stand der Technik. Die Basis 110, der Y-Träger und der X-Träger werden mit den Lagerstrukturen zwischen den entsprechenden Lagerbahnen von zwei Federn zusammengehalten. Eine Feder 200 ist in FIG. 10 dargestellt. Die Feder 200 verläuft durch die Öffnung 202 im XTräger 142 und durch die Öffnung 204 im Y-Träger 112 und durch die Öffnung 206 in der Basis 110. Ein Ende 201 der Feder 200 ist an einem Stift 208 befestigt, der die Öffnung 206 in der Basis 110 überspannt. Das andere Ende 203 der Feder 200 ist am Stift 210 befestigt, der die Öffnung 202 im X-Träger 142 überspannt. Die zweite Feder verläuft durch die Öffnung 212 im X-Träger 142, durch die Öffnung 214 im Y-Träger 112 und durch die Öffnung 216 in der Basis 110. Die zweite Feder ist nur teilweise in den Abbildungen dargestellt. Ein Ende 217 der zweiten Feder ist am Stift 218 befestigt, der die Öffnung 216 überspannt. Das andere Ende der zweiten Feder ist an einem Stift befestigt, der die Öffnung 212 überspannt.
Der relative Grad der Bewegung zwischen der Basis 110, dem Y- Träger 112 und dem X-Träger 142 wird von zwei Ansatzschrauben eingeschränkt, von denen eine als 230 in FIG. 10 dargestellt ist. Ein Ende 232 der Ansatzschrauben 230 wird in das Loch mit Gewinde 234 in der Basis 110 geschraubt. Der Stift 230 zieht sich durch eine Öffnung 236 im Y-Träger 112 und durch eine Öffnung 238 im X-Träger 142. Die Öffnungen 236 und 238 haben eine größere Querschnittsfläche als die Ansatzschrauben 230, die in diese Öffnungen eingesetzt werden. Daher entsteht ein leerer Raum um die Ansatzschraube 230 in der Öffnung 236 und die Ansatzschraube 230 in der Öffnung 238. Dieser Raum erlaubt dem X-Träger und dem Y-Träger sich relativ zur Basis 110 nur soweit nach oben zu bewegen, bis die Ränder der Öffnungen 236 und 238 jeweils gegen die Ansatzschraube 230 stoßen. Das Ende der Ansatzschraube 230 gegenüber dem Ende 232 hat einen Kopf 240. Der Kopf 240 sitzt an einem Ende 242 der Öffnung 238, die eine größere Querschnittsfläche als der Kopf 240 hat. Der Kopf 240 verhindert das Auseinanderziehen der Struktur der Basis 110, des Y-Trägers 112 und des X-Trägers 142. Der zweite Begrenzungsstift wird in das Loch mit Gewinde 246 geschraubt, das in FIG. 12 dargestellt ist. Der zweite Begrenzungsstift wird in keiner anderen Abbildung dargestellt. Bolzen 252 werden durch die Öffnungen 250 in der Basis 110 eingesetzt, um die in FIG. 6 dargestellte Struktur an einer in FIG. 10 dargestellten Bondiermaschine 254 zu befestigen.
Der Bondierkopf 160 hat zwei Hauptteile: die Thermoklammer 260 und das Thermoelement 262. Das Thermoelement 260 ist ein in der Elektronik gängiges Element, das für das Thermokompressionsbonden verwendet wird. Am Ende des Thermoelements 262 befindet sich entweder eine Bondierkopfklinge, die in FIG. 2 mit 10 dargestellt ist, oder eine Chip-Befestigung, die in FIG. 3 mit 26 dargestellt ist. Eine Gruppe von Beam-beads auf dem Film 265 wird zwischen der Bondierkopfspitze 263 und dem Chip 267 gehalten, der in der Chip-Halterung 269 der Befestigung 270 gehalten wird. Die Oberfläche 12 der Thermoklinge in FIG. 2 liegt in der Ebene, die sich durch das Schneiden der Rotationsachsen 130 und 152 ergibt. Wird an das Thermoende eine elektronische Einheit gehalten, liegen die Kontaktstellen 30 der elektronischen Einheit 24, wie in FIG. 3 dargestellt, in der Ebene, die sich durch das Schneiden der Rotationsachsen 130 und 152 ergibt. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls zum Löten der beitungsenden an Kontaktstellen auf einem Substrat verwendet werden. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann zum Bonden der äußeren beitungsenden 3 in FIG. 2 und 37 in FIG. 3 mit Kontaktstellen auf einem Substrat verwendet werden.
Wird eine elektronische Einheit an die Thermospitze 263 gehalten, hält ein Vakuumabnehmer, in FIG. 3 mit 25 dargestellt, den Chip an der Thermospitze 263. Die Vorrichtung in FIG. 6 hat einen zentralen Hohlraum 280, der durch die Basis 110, den Y-Träger 112, den Y-Träger 142 und den Bondierkopf 160 verläuft. In FIG. 11 wird im Hohlraum 280 eine Ausgleichverbindung 281 dargestellt, die vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt und flexibel genug ist, die relativen Bewegungen der Basis 110, des Y-Trägers 112 und des X-Trägers 142 auszugleichen. Eine für diese Anwendung geeignete Röhre ist der Servometer Corp. FCI.
Die Basis 110, der X-Träger 142 und der Y-Träger 112 können aus einem beliebigen starren Material bestehen, beispielsweise aus Blech, Kupfer oder Aluminium, vorzugsweise jedoch aus rostfreiem Stahl. Die Lagerbahnen können aus ähnlichem starren Material bestehen, vorzugsweise jedoch aus gehartetem Stahl. Die Kugellager können aus ähnlichem starren Material bestehen, vorzugsweise jedoch aus gehärtetem Stahl. Die Lagerhalter können aus ähnlichem starren Material bestehen, vorzugsweise jedoch aus rostfreiem Stahl. Die Federn können aus Kohlenstoffstahl oder rostfreiem Stahl bestehen, vorzugsweise jedoch aus rostfreiem Stahl. Der Bondierkopf 160 kann aus ähnlichem starren Material bestehen, vorzugsweise jedoch aus rostfreiem Stahl. Diese Materialien stellen Beispiele und keine Einschränkungen dar.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Radius 88 bei einem Halbleiter-Chip von ca. 1cm² Größe ca. 7 cm und der Radius 98 ca. 6 cm. Es wurde festgestellt, daß die maximale Rotation um die Achsen 130 und 152 bei ca. 0,5 Grad liegt. In FIG. 6, 7, 10 und 12 ist der Bondierkopf 160 am X-Träger 142 befestigt.
Zusammenfassend besteht die Erfindung aus einer Vorrichtung für die automatische Regulierung der Ausrichtung einer ersten im wesentlichen ebenen Oberfläche eines ersten Körpers, so daß diese im wesentlichen parallel zu einer zweiten im wesentlichen ebenen Oberfläche eines zweiten Körpers liegt, nachdem die erste Oberfläche gegen die zweite Oberfläche gedrückt.

Claims

1. Ausrichtungsvorrichtung, die beim Thermokompressions-bonden verwendet wird, um die Ausrichtung einer ersten Oberfläche (9, 104) eines ersten Körpers (3, 108) auf eine zweite Oberfläche (11, 106) eines zweiten Körpers (13) zu regulieren, wenn die erste Oberfläche gegen die zweite Oberfläche gedrückt wird, die über ein Trageelement (5) für den ersten Körper verfügt, ein Mittel zum Drücken der ersten Oberfläche gegen die zweite Oberfläche und ein Mittel (86, 92, 94, 102) zum beweglichen Montieren des ersten Körpers auf dem Trageelement an den gekrümmten Oberflächen, wobei eine Rotation der ersten Oberfläche um eine erste Achse (90) und eine zweite Achse (98) ermöglicht wird, die im wesentlichen vertikal zueinander liegen, so daß sich die erste Oberfläche um die erste und zweite Achse dreht, wenn das Trageelement so bewegt wird, daß die erste Oberfläche gegen die zweite Oberfläche gedrückt wird, woraus sich eine im wesentlichen parallele Ausrichtung der ersten Oberfläche auf die zweite Oberfläche ergibt,

die gekennzeichnet ist durch

eine am Trageelement befestigte Basis (82), wobei die Basis eine zylindrische, konkave Oberfläche (86) mit einem ersten Radius (88) und der ersten Achse aufweist,

einen ersten Träger (80) mit einer zylindrischen, konvexen Oberfläche (92) mit einem Radius und einer Achse, die im wesentlichen mit dem ersten Radius und der ersten Achse identisch sind, wobei die zylindrische, konkave Oberfläche der Basis beweglich auf der zylindrischen, konvexen Oberfläche des ersten Trägers montiert ist und der erste Träger eine zylindrische, konkave Oberfläche (94) mit einem zweiten Radius (96) und der zweiten Achse aufweist, und einen zweiten Träger (84) mit der ersten Oberfläche (104) und einer zylindrischen, konvexen Oberfläche (102) mit einem Radius und einer Achse, die im wesentlichen mit dem zweiten Radius und der zweiten Achse identisch sind, wobei die zylindrische, konkave Oberfläche des ersten Trägers beweglich auf der zylindrischen, konvexen Oberfläche des zweiten Trägers montiert ist.

2. Vorrichtung eines der vorausgehenden Ansprüche, wobei sich die erste Achse und die zweite Achse schneiden.

3. Vorrichtung eines der vorausgehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche die erste und zweite Achse enthält.

4. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die konkave Oberfläche der Basis auf der konvexen Oberfläche des ersten Trägers durch ein Lager (114, 116, 118, 122, 124, 126, 128) beweglich montiert ist und die konkave Oberfläche des ersten Trägers auf der konvexen Oberfläche des zweiten Trägers durch ein Lager (118, 136, 138, 144, 146, 148, 150) beweglich montiert ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Lager mindestens zwei Lagerstrukturen umfaßt, die eine Vielzahl von Kugeln (118) enthalten, die zwischen den Lagerbahnen liegen.

6. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die konkave Oberfläche der Basis auf der konvexen Oberfläche des ersten Trägers beweglich montiert ist und sich zwischen der konvexen Oberfläche und der konkaven Oberfläche ein Schmiermittel befindet.

7. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Basis, der erste Träger und der zweite Träger durch eine Feder zusammengehalten werden.

8. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche an den Körper gehalten wird, indem ein Vakuum durch ein flexibles Glied erzeugt wird, das sich durch eine Öffnung in dem erwähnten Mittel zum beweglichen Montieren des ersten Körpers auf dem Trageelement erstreckt.

9. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das flexible Glied eine Ausgleichverbindung ist.

10. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mindestens die erste Oberfläche im wesentlichen eben ist.

11. Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Bondierwerkzeug zum Bonden der Enden einer Vielzahl von Beam-Leads mit einer Vielzahl von Kontaktstellen auf einem Substrat oder zum Bonden einer Vielzahl von Kontaktstellen auf einem ersten Substrat mit einer Vielzahl von Kontaktstellen auf einem zweiten Substrat ist und die erste Oberfläche ein Bondierkopf ist, mit dem die Enden gegen die Kontakt stellen gedrückt werden, und die zweite Oberfläche die Vielzahl der Kontaktstellen darstellt oder die erste Oberfläche die Vielzahl der Kontaktstellen auf dem ersten Substrat und die zweite Oberfläche die Vielzahl der Kontaktstellen auf dem zweiten Substrat darstellt.