DE69738553T2 - Verfahren zur Montage von Bauelementen auf einem Substrat - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet und Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft die "Flip-chip"-Hybridiertechnik.
  • Es gibt zwei hauptsächliche Techniktypen, um ein Bauteil, zum Beispiel einen Chip, auf ein Substrat zu hybridieren:
    • – der erste Techniktyp betrifft eine Schmelztechnik, bei der die Kugeln aus einem schmelzbaren Material (zum Beispiel aus einer Zinn-Blei-Legierung oder aus Indium) auf eine Temperatur gebracht werden, die gleich ist oder höher als ihre Schmelztemperatur,
    • – der zweite Techniktyp betrifft eine Presstechnik, bei der die Kugeln aus einem schmelzbaren Material (zum Beispiel aus einer Zinn-Blei-Legierung oder aus Indium) auf die zu verbindende Oberfläche gepresst werden und die Verbindung durch Thermokompression erfolgt, bei einer Temperatur, die unter der Schmelztemperatur bzw. den Schmelztemperaturen der zu verbindenden Materialien liegt.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft den ersten Techniktyp, das heißt die Schmelztechnik.
  • Zwei Parameter sind bei der Anwendung einer solchen Technik sehr wichtig, nämlich:
    • – die Schmelzzeit: die Hybridierung charakterisiert sich durch einen Zyklus von Temperaturen über einer Temperatur Tmin während einer bestimmten Zeit,
    • – die Temperatur-Gleichmäßigkeit: wenigstens ein Chip oder wenigstens ein Bauteil wird auf wenigstens ein Substrat hybridiert und die Temperatur-Gleichmäßigkeit des Substrats über den gesamten Temperaturzyklus muss in bestimmten Grenzen liegen, wobei die typisch zulässigen Grenzen ±2% um eine mittlere Temperatur des Substrats oder der Substrate herum betragen.
  • Der Temperaturzyklus muss von begrenzter Dauer sein. Ein zu langer Zyklus hätte zur Folge:
    • – eine exzessive Diffusion der Lötmaterialien in die zu lötenden Materialien, das heißt in die benetzbaren Oberflächen,
    • – eine Verhärtung der nichtflüchtigen Reste des Lots, was ihre Beseitigung verunmöglicht,
    • – eine Zerstörung der hybridierten Bauteile, die keine langen Hochtemperaturzyklen aushalten.
  • Es ist daher wichtig, die Zeit, während der die Temperatur die Temperatur Tmin übersteigt, auf ein Minimum zu reduzieren.
  • Noch genauer kann die Anstiegszeit tm bis zum Erreichen der Maximaltemperatur Tmax des Zyklus ausgedrückt werden durch: Tm = C/ηw(Tmax – Tmin)wo w die die Heizvorrichtung speisende elektrische Energie ist (generell eine Infrarotquelle), und wo η eine Konstante ist, welche den Wirkungsgrad des Energietransfers zwischen der in die Heizquelle eingespeisten Energie und der durch die Heizsohle gewonnenen Energie ausdrückt. C ist die Wärmekapazität des durch die Heizsohle, das Substrat und die zu hybridierenden Chips gebildeten Ganzen.
  • Wenn eine kurze Anstiegszeit gefordert wird, ist es also notwendig, eine kleine Wärmekapazität C, eine große Energie w und eine hohe Konstante n zu haben.
  • Außerdem ist die Abstiegszeit proportional zu der in der Heizsohle gespeicherten Energie, und umgekehrt proportional zu der Abkühlleistung der Kühleinrichtungen der Heizsohle (zum Beispiel Zwangsbelüftung).
  • Zu jedem Zeitpunkt t – wenn Tm(t) und TM(t) jeweils die minimale Raumtemperatur und die maximale Raumtemperatur der Heizsohle sind, wird die Temperaturgleichmäßigkeit gemessen durch:
    Figure 00020001
  • Die Heizquelle ist generell eine Infrarotquelle, gebildet durch Lampenstäbe, die jeweils punktförmig und ungleichmäßig abstrahlen. Die Gleichmäßigkeit der Heizsohle kann nur durch eine Verteilung der absorbierten Energie durch Wärmeleitung in der Ebene der Heizsohle hergestellt werden. Die seitliche Ableitung in der Heizsohle ist proportional zu der Dicke der Sohle. Da die Gleichmäßigkeit U umgekehrt proportional zu der Dicke der Sohle sowie zu der seitlichen Ableitung ist, erfordert eine gute Gleichmäßigkeit eine starke Dicke und eine große Wärmekapazität C der Sohle. So wie oben erläutert, bringt eine große Wärmekapazität eine lange Anstiegszeit und folglich einen langen Temperaturzyklus mit sich.
  • Wenn zum Beispiel eine sehr gute Gleichmäßigkeit von ungefähr 2% gefordert wird, drückt sich dies aus durch: U < 2% ⇒ C > C0,und wenn eine maximale Anstiegszeit t0 vorgeschrieben wird, dann:
    Figure 00030001
  • Folglich, um zugleich eine gute Gleichmäßigkeit und eine minimale Anstiegszeit zu erzielen, ist es notwendig, die Heizleistung zu erhöhen. Eine hohe Heizleistung hat ihrerseits hohe thermische Verluste zur Folge, wobei die ganze Verlustenergie dazu beträgt, den Rest der Maschine, die eine Präzisionsausrichtungsmaschine ist, zu erwärmen. Man muss also Abkühleinrichtungen vorsehen, um sowohl die in der Heizsohle gespeicherte Energie als auch die in der restlichen Maschine verteilte Energie abzuführen, was diese kompliziert macht und in der Herstellung verteuert. Zudem sind die Methoden zur Kühlung der Heizsohle mittels Konvektion unzureichend, und diese muss durch ein Fluid gekühlt werden, was die Maschine zusätzlich verteuert.
  • Schließlich, wenn man eine große Heizleistung anwendet, setzt sich der Temperaturanstieg der Heizsohle nach dem Abschalten der Heizvorrichtung oder -lampen aus Trägheitsgründen fort, woraus resultiert, dass die Spitzentemperaturen kaum reproduzierbar sind (konstatiert wurde eine typische Reproduzierbarkeit von ±2%).
  • Nach einem Realisierungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert man die Multihybridierung von Chips auf einem Siliciumsubstrat mit 150 mm Durchmesser und 600 μm Dicke:
    • – mit einem Zyklus mit einer Dauer tm unter 40 Sekunden, wobei Tmin und Tmax jeweils gleich 150°C und 320°C betragen,
    • – eine Temperaturgleichmäßigkeit von 5% im Laufe des Zyklus.
  • Diese Spezifikationen bringen eine Dimensionierung der Heizsohle mit sich, die zu einer Lampenleistung von 4500 Watt führt.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schmelztechnik zu verbessern, um die Realisierungszeit der Lötung, also die Dauer des Temperaturzyklus, dem das Bauteil und das zu hybridierende Substrat unterzogen werden, zu reduzieren und die Gleichmäßigkeit der Temperatur bei der Lötung zu verbessern, und dies speziell in den Fallen der sogenannten Multihybridierung. Schließlich ist es notwendig, Herstellungskosten und Komplexität der Hybridierungsmaschinen zu reduzieren und dabei die technischen Spezifikationen der Lötungstemperaturzyklen beizubehalten oder zu verbessern.
  • Noch genauer hat die Erfindung ein Verfahren zur Hybridierung von Bauteilen mittels Lotkugeln auf einem Substrat zum Gegenstand, das auf eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur gebracht wird durch die Herstellung eines thermischen Kontakts des Substrats mit einem Heizelement eines unter dem Substrat angeordneten Ofens, wobei es durch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:
    • – den Temperaturanstieg des Heizelements des Ofens ohne Kontakt, weder mit dem Substrat noch mit dem zu hybridierenden Bauteil, bis auf eine der Schmelztemperatur der Lotkugeln entsprechende Temperatur,
    • – die Präparierung eines aus dem Substrat, den Lotkugeln und dem zu hybridierenden Bauteil bestehenden Ganzen,
    • – die Herstellung des Kontakts des so präparierten Substrats mit dem Heizelement während einer Zeit Δt, so dass die im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur, auf die das Substrat gebracht wird, das Schmelzen der Lotkugeln ermöglicht.
    die Entkopplung des Substrats und des Heizelements am Ende des Zeitintervalls Δt.
  • Dieses Verfahren ermöglicht, zu vermeiden, dass das Substrat während des Temperaturanstiegs fest mit dem Heizelement des Ofens verbunden ist. Die Kontaktzeit ist genau definiert und es ist möglich, eine Hybridierung in einer kurzen Kontaktzeit zu realisieren, typisch kürzer als 10 Sekunden. Dieses Verfahren ist folglich besonders vorteilhaft für Bauteile, die sehr empfindlich sind gegenüber Temperaturabweichungen.
  • Außerdem ist es vor der Kontaktherstellung zwischen dem Substrat und dem Heizelement möglich, eine gute Gleichmäßigkeit dieses letzteren zu erreichen.
  • Der Kontakt zwischen dem Substrat und dem Heizelement kann zu einem Zeitpunkt stattfinden, wo die Temperatur dieses letzteren nicht mehr ansteigt, was eine bessere Reproduzierbarkeit der Spitzen ermöglicht.
  • Schließlich ist das Kühlsystem des Heizelements und des Ofens nicht mehr kritisch.
  • Die für das Heizelement benötigten Heizeinrichtungen müssen nicht mehr so leistungsstark wie bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sein, da das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, die Zwänge einerseits der Temperaturzyklusdauer und andererseits der Temperaturgleichmäßigkeit in Einklang zu bringen.
  • Die Herstellung des thermischen Kontakts des Substrats kann stattfinden, indem man dieses auf das Heizelement absenkt. Diese Art von Bewegung begrenzt die Ursachen für eine Falschausrichtung des Bauteils in Bezug auf das Substrat.
  • Zudem können das Substrat und das zu hybridierende Bauteil sich auf einem beweglichen Träger befinden, wobei die Herstellung des Kontakts dieses Trägers mit dem Heizelement die Herstellung eines thermischen Kontakts zwischen dem Substrat und dem Heizelement gewährleistet.
  • Derart kann man die Temperaturanstiegsrampen des Substrats kontrollieren (da die Wärmekapazität des beweglichen Trägers bekannt ist).
  • Die Verwendung eines beweglichen Trägers ermöglicht, auf ihm Substrate verschiedener Größen abzustellen.
  • Dieses Verfahren kann außerdem die folgenden Vorausschritten umfassen:
    • – Positionierung des Substrats auf dem Heizelement oder auf einem auf dem Heizelement ruhenden beweglichen Träger, wobei dieses auf einer Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Lotkugeln,
    • – Ausrichtung des zu hybridierenden Bauteils auf dem Substrat,
    • – Entkopplung von einerseits dem durch das zu hybridierende Bauteil, das Substrat und eventuell dem beweglichen Träger gebildeten Ganzen und andererseits dem Heizelement vor dessen Temperaturanstieg.
  • In diesem Fall finden die Positionierung und die Ausrichtung des Substrats und des Bauteils auf dem Heizelement selbst statt.
  • Die Entkopplung des Ganzen, gebildet durch das Bauteil, das Substrat und eventuell den beweglichen Träger, kann darin bestehen, das Substrat, das Bauteils und eventuell den beweglichen Träger von dem Heizelement hochzuheben.
  • Es ist möglich, den Vorausschritt zur Ausrichtung des auf das Substrat zu hybridierenden Bauteils in einer ersten Station zu realisieren, Ausrichtstation genannt, den Vorausschritt zur Entkopplung in einer zweiten Station zu realisieren, Entkopplungsstation genannt, wobei das Heizelement zwischen den beiden Vorausschritten, jeweils der Ausrichtung und der Entkopplung, von der ersten Station zur zweiten Station verschoben wird.
  • Auf diese Weise wird die Einheit, bestehend aus dem Substrat und dem Bauteil, nach der Ausrichtung nur einer Vertikalbewegung in Bezug auf das Heizelement unterzogen, und es ist dieses letztere, das zwischen den beiden Stationen verschoben wird. Die Bewegungen des Substrats sind als begrenzt und man vermeidet die Probleme von Stößen, Vibrationen oder Falschausrichtungen zwischen Bauteil und Substrat, die auftreten würden, wenn dieses letztere in Bezug auf das Heizelement verschoben würde.
  • Nach einer anderen Realisierungsart findet die Positionierung des Substrats auf einem Träger statt, der selbst keinen Kontakt mit dem Heizelement hat; dann wird das zu hybridierende Bauteil auf dem Substrat ausgerichtet. Das Verfahren erfordert dann keine Kühlvorrichtung des Heizelements, da es einen thermischen Kontakt zwischen diesem Element und der Substrat-Bauteil-Einheit erst nach der Ausrichtung des Bauteils auf dem Substrat gibt.
  • Ein Schritt des Hochhebens des Substrats, des zu hybridierenden Bauteils und eventuell des beweglichen Trägers kann außerdem vorgesehen werden.
  • Dieser Schritt kann nach dem Transport des Ganzen zu einer Hochheb- und Absenkstation stattfinden.
  • Im Rahmen dieser zweiten Realisierungsart kann der thermische Kontakt des Substrats mit dem Heizelement durch die Verschiebung des Heizelements zu der Hochheb- und Absenkstation und die Absenkung des durch das Bauteil, das Substrat und eventuell den beweglichen Träger gebildete Ganze nach dem Temperaturanstieg des Heizelements stattfinden.
  • Auch hier gibt es also wieder nur Vertikalbewegungen des Substrats und des Bauteils, durch Verschieben oder Hochheben, was die Ausrichtprobleme bei einer Bewegung des Substrats in Bezug auf das Heizelement begrenzt.
  • Unabhängig von der Realisierungsart kann das Hochheben und/oder Absenken mit Hilfe einer Glocke stattfinden, in deren Innern eine kontrollierte Atmosphäre herrscht. Zudem, nach dem Schmelzen des die Hybridierungskugeln bildenden Materials und dann Entkoppeln des Substrats und des Heizelements, kann ein Schritt zur Abkühlung des Substrats durchgeführt werden, zum Beispiel durch Kontakt des Substrats oder des beweglichen Trägers mit einer Kühlungsfläche.
  • Eine dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung zur Hybridierung von Bauteilen mittels Lotkugeln auf ein Substrat, das durch die Herstellung eines thermischen Kontakts des Substrats mit einem Heizelement eines unter dem Substrat angeordneten Ofens auf eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur gebracht wird, wird in der Folge beschrieben:
    • – Heizeinrichtungen, ausgerüstet mit Wärmesensoren, zur Erwärmung des Heizelements des Ofens – ohne Kontakt, weder mit dem zu hybridierenden Bauteil noch mit dem Substrat – auf eine im Wesentlichen gleichmäßige, das Schmelzen der Lotkugeln bewirkende Temperatur, wobei die Wärmesensoren ermöglichen, die Temperatur und die thermische Gleichmäßigkeit des Heizelements zu kontrollieren,
    • – Einrichtungen, um das mit den Lotkugeln und dem hybridierenden Bauteil versehene Substrat in thermischen Kontakt mit dem Heizelement zu bringen, um durch die im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur, auf die das Substrat gebracht worden ist, das Schmelzen der Lotkugeln zu bewirken.
    • – Einrichtungen, um das Substrat nach seiner Erwärmung von dem Heizelement zu entkoppeln.
  • Diese Vorrichtung ermöglicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Vorteilen, die mit letzterem Verbunden sind.
  • Die Einrichtungen zur Kontaktherstellung zwischen dem Substrat und dem Bauteil (und/oder die Einrichtungen zur Entkopplung des Substrats von dem Heizelement) können von dem Typ sein, der eine Vertikalbewegung ermöglicht, zum Beispiel eine Glocke und Einrichtungen, um unter dieser Glocke eine kontrollierte Atmosphäre herzustellen.
  • Außerdem können Einrichtungen vorgesehen werden, um das Heizelement in einer Ebene zu verschieben, zum Beispiel einen mobilen Schlitten, auf den dieses Heizelement montiert ist. Auf diese Weise ist es das Heizelement, das seitlich verschoben wird, was die Verschiebungen des Substrats in Bezug auf das Heizelement reduziert und folglich die Risiken von Falschausrichtungen während des Verfahrensverlaufs begrenzen.
  • Die Vorrichtung kann außerdem einen Träger umfassen, auf dem ein Substrat positioniert werden kann, ohne Kontakt mit dem Heizelement.
  • In allen Fällen können außerdem Kühleinrichtungen des Substrats vorgesehen werden, zum Beispiel Einrichtungen, die eine Kühlplatte umfassen.
  • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen noch besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde nichteinschränkende Realisierungsbeispiele und bezieht sich auf folgende beigefügte Figuren:
  • die 1 zeigt eine erste Realisierungsart eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • die 2A und 2C zeigen Vorausschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • die 3 zeigt eine Variante, die die Verschiebung eines Substrats in Bezug auf das Heizelement im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt,
  • die 4 zeigt eine Variante der Erfindung,
  • die 5A bis 5E zeigen Ausführungsschritte einer anderen Realisierungsart,
  • die 6A bis 6D zeigen Ausführungsschritte einer weiteren Realisierungsart.
  • Detaillierte Beschreibung von Realisierungsarten der Erfindung
  • Eine erste Realisierungsart wird nun in Verbindung mit der 1 beschrieben. In dieser Figur bezeichnet die Referenz 2 die Sohle eines Ofens, dessen andere Teile, insbesondere die Heizeinrichtungen, nicht dargestellt sind. Diese Einrichtungen können vom Typ Heizwiderstand oder Wärmerohr sein, und sind weniger leistungsstark als die Einrichtungen (des Typs IR-Lampen) nach dem Stand der Technik. Ein Bauteil 4 muss auf ein Substrat 6 hybridiert werden, mit Hilfe von Mikrokugeln 8, zum Beispiel Zinn-Blei-Kugeln oder Indiumkugeln. Die minimal zu erreichende Schmelztemperatur hängt von der Art der Mikrokugeln 8 ab.
  • Das Bauteil 4 und das Substrat 6, versehen mit Kugeln, werden vorher aufeinander ausgerichtet und dann miteinander in Kontakt gebracht.
  • Vor der Herstellung des Kontakts des Substrats 6 mit der Heizsohle bzw. dem Heizelement 2 wird dieses auf die Schmelztemperatur der Kugeln 8 erwärmt. Die Temperatur und thermische Gleichmäßigkeit des Heizelements 2 können mit Hilfe der auf dem Heizelement angeordneten Wärmesensoren kontrolliert werden (zum Beispiel Platinsonden oder Thermoelemente). Nach dem Temperaturanstieg des Heizelements 2 werden das Substrat 6 und das Bauteil 4 mit dem Heizelement 2 in Kontakt gebracht: diese Kontaktherstellung wird in der 1 durch den Pfeil 1 symbolisiert. Der Kontakt wird während einer bestimmten Zeit Δt aufrecht erhalten. Diese Zeit wird zum Beispiel experimentell als die kürzeste Zeit ermittelt, die zum Anlöten aller Verbindungskugeln auf den gegenüberstehenden benetzbaren Oberflächen des Bauteils 4 nötig ist.
  • Nach dem Ablauf der Zeit Δt wird die Einheit, gebildet durch das Substrat 6 und das Bauteil 4 von dem Heizelement 2 entkoppelt: diese Entkopplung ist in der 1 durch den Pfeil II symbolisiert.
  • Vorausgehend kann die Einheit aus Substrat 6 und Bauteil 4 auf dem Heizelement 2 vorbereitet werden, wobei dieses auf Umgebungstemperatur gehalten wird oder wenigstens eine niedrigere Temperatur als die minimale Schmelztemperatur der Kugeln 8. In einem ersten Vorausschritt (2A) wird also das mit Kugeln 8 versehene Substrat 6 auf das Heizelement 2 gelegt; das Bauteil 4 wird ausgerichtet, wobei das Heizelement 2 immer auf der vorhergehenden Temperatur gehalten wird (2B). Schließlich wird in einem dritten Vorausschritt die durch das Substrat 6 und das Bauteil 4 gebildete Einheit entfernt, oder entkoppelt, von dem Heizelement 2, vor dem Temperaturanstieg dieser letzteren (2C). Der Temperaturanstieg findet anschließend statt. Dann werden die oben in Verbindung mit der 1 beschriebenen Schritte realisiert.
  • Die Herstellung des thermischen Kontakts des Substrats mit dem Heizelement und die Entkopplung des Substrats von dem Heizelement finden vorzugsweise durch Hochheben oder Absenken der Substrat-Bauteil-Einheit in Bezug auf das Heizelement 2 statt. Nach einer anderen Realisierungsart, dargestellt in der 3, wird das Substrat 6 in Bezug auf das Heizelement 2 seitlich verschoben. Das Substrat wird also nach dem Ausrichten auf einen thermisch von dem Heizelement 2 entkoppelten Träger 10 verbracht. Anschließend Erwärmung dieses Letzteren, dann Verschiebung der durch das Substrat 6 und das Bauteil 4 gebildeten Einheit von dem Träger 10 auf das Heizelement 2 (strichpunktierter Pfeil in der
  • 3). Diese Art von Verschiebung ist möglich, aber sie kann mehr Probleme mit Stößen, Vibrationen oder Falschausrichtung der Bauteil-Substrat-Einheit aufweisen als im Falle einer Verschiebung gemäß einer vertikalen Achse, bei der die Amplitude höchstens einige Millimeter beträgt. Eine solche Verschiebung gemäß einer vertikalen Achse kann mit Hilfe eine Glocke realisiert werden, die Kontakt mit dem Substrat 6 hat und in deren Innern eine kontrollierte Atmosphäre hergestellt werden kann. So bezeichnet in der 2C die Referenz 12 den unteren Teil der Wand einer Glocke mit kontrollierter Atmosphäre, wobei die Einrichtungen zur Herstellung einer kontrollierten Atmosphäre in dieser Figur nicht dargestellt sind. Die Abdichtung zwischen dem Substrat 6 und dem Ende der Wand 12 erfolgt durch Unterdruck, vorgesehen an mehreren Punkten an der Peripherie 14 des Substrats. Während sich das Substrat 6 in Kontaktstellung mit dem Heizelement 2 befindet, das über die Schmelztemperatur der Lötung hinaus vorgeheizt worden ist, wird die kontrollierte Atmosphäre im Innern der Glocke aufrecht erhalten, um ein Anlöten der Kugeln des Substrats 6 auf den benetzbaren Oberflächen des Bauteils 4 zu ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, das Substrat und das Heizelement des Ofens erst dann zu koppeln, wenn dieses letztere eine ausreichende Temperatur und Temperaturgleichmäßigkeit erreicht hat.
  • Es können Einrichtungen zur Abkühlung des Heizelements vorgesehen werden, zum Beispiel des Typs Gebläse oder Kühlfluid-Zirkulation. Aber diese Einrichtungen, falls vorhanden, sind klein im Verhältnis zu denen der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. In bestimmten Fällen können sie sogar weggelassen werden, insbesondere wenn, wie oben beschrieben, die Substrat-Bauteil-Ausrichtung nicht auf dem Heizelement 2 stattfindet. Die wärmedehnungs-empfindlichen Teile (optische Vorrichtungen, zum Beispiel für die Ausrichtung) benötigen kein Temperaturregelungssystem mehr. Das Substrat wird nämlich erst nach dem Temperaturanstieg mit dem Heizelement in Kontakt gebracht. Jeder Schritt zur Ausrichtung und/oder optischen Kontrolle findet also statt, bevor das Substrat und das Bauteil mit einem Element von hoher Temperatur in Kontakt gebracht werden.
  • Nach einer in der 4 dargestellten Variante werden das Substrat 6 und das Bauteil 4 zunächst auf einem Träger 16 angeordnet, zum Beispiel einer Sohle bzw. Heizsohle, auf der die Ausrichtung stattfindet. Es ist diese Heizsohle, die bewegt wird, entweder gemäß einer vertikalen Achse, wie dargestellt in der 4, zum Beispiel mit Hilfe einer Vakuumglocke, oder in der Ebene der Heizsohle 2, wie oben in Verbindung mit der 3 beschrieben. Man transportiert also diese Sohle, anstatt das Substrat 6 zu transportieren. Die Dicke der Heizsohle 16 bestimmt ihre Wärmekapazität und ermöglicht, den Temperaturanstieg des Substrats 6 und des Bauteils 4 zu kontrollieren, wenn es mit der vorher erhitzen Sohle 2 in Kontakt gebracht wird. Außerdem ermöglicht die Benutzung eines beweglichen Trägers oder einer beweglichen Heizsohle 16, Substrate 6 von unterschiedlicher Größe zu transportieren und/oder zu bewegen.
  • Nun wird in Verbindung mit den 5A bis 5B eine andere Realisierungsart beschrieben. In diesen Figuren bezeichnet die Referenz 2 wieder ein Heizelement oder eine Heizsohle. Dieses Heizelement ruht auf Einrichtungen 18, etwa einem mobilen Schlitten, der verschiebbar ist in Bezug auf ein ortsfestes Gestell 20. Das Heizelement 2 kann also zwischen einer Ausrichtstation 22 und einer Entkopplungsstation 24 verschoben werden. In der Station 24 befinden sich Einrichtungen 28, wie etwa eine Glocke mit kontrollierter Atmosphäre, die ermöglicht, eine Verschiebung eines Substrats und eines Bauteils gemäß einer vertikalen Achse zu realisieren, nach oben oder nach unten.
  • Das Substrat 4 wird im Voraus auf dem Heizelement 2 positioniert, das in Ausrichtstation 24 gebracht wird. Dort wird mit dem Fachmann bekannten Einrichtungen ein Bauteil 6 auf das mit Kugeln versehene Substrat 4 ausgerichtet. Dann wird das Bauteil 6 auf das Substrat 4 gelegt bzw. abgesenkt.
  • Anschließend wird das Heizelement 2 in Richtung der Entkopplungsstation 24 verschoben (5B), wo die Glocke mit kontrollierter Atmosphäre 28 die Einheit aus Substrat und Bauteil anhebt, ehe das Heizelement 2 erhitzt wird. Dann (5C), nach Temperaturanstieg und -stabilisierung, wird die Substrat-Bauteil-Einheit abgesenkt und mit dem Heizelement 2 in Kontakt gebracht, um die Mikrokugeln zu schmelzen. Die kontrollierte Atmosphäre im Innern der Vorrichtung 28 wird weder unterbrochen noch modifiziert.
  • Nach dem Schmelzen und Anlöten der Kugeln wird die Bauteil-Substrat-Einheit durch die Vorrichtung 28 in die obere Stellung zurückgebracht (5D). Die Bauteil-Substrat-Einheit kann also bis zur Abkühlung des Hybridierungsmetalls gehalten werden oder auch in Richtung einer Abkühlungszone transportiert werden. Während dieser Zeit kann die Sohle 2 durch den mobilen Schlitten 18 zurückgebracht werden in die Positionierungs- und Ausrichtungszone 22, wo sie ein anderes Bauteil 6 aufnimmt. Nach einer Variante ist auf dem Schlitten 18 neben der Sohle 2 eine Kühlungsplatte 26 angeordnet, und nach der Entkopplung des Substrats 4 und der Sohle 2 (5D) wird die Einheit aus Sohle und Kühlungsplatte durch den Schlitten 18 zur Station 24 verschoben. Dort kann das Substrat 4 in Kontakt mit der Kühlungsplatte 26 gebracht werden (5E).
  • Alle oben in Verbindung mit den 5A bis 5E beschriebenen Schritte können auch mit einem Substrat 4 realisiert werden, das auf einer beweglichen Sohle 16 angeordnet ist, wie dargestellt in der 4. Es ist dann die bewegliche Sohle, die transportiert wird, um das Substrat und das Bauteil zu verschieben.
  • Die Verwendung eines mobilen Schlittens 18 zur Verschiebung der Heizsohle 2 und eventuell der Kühlungsplatte 26 ermöglicht, mit dem Substrat und dem Bauteil nur Bewegungen von begrenzter Amplitude auszuführen, nämlich Vertikalverschiebungsbewegungen von einigen Millimetern oder einigen Mikrometern, und alle Lateralbewegungen werden durch den mobilen Schlitten realisiert.
  • Eine weitere Realisierungsart wird nun in Verbindung mit den 6A bis 6D beschrieben. In diesen Figuren ist die Sohle 2 auf einen in Bezug auf ein ortsfestes Substrat 20 verschiebbaren Schlitten 18 montiert. Neben der Sohle 2 ist, ebenfalls auf dem mobilen Schlitten, ein Lade- und Ausrichtträger 30 positioniert.
  • Ein Substrat 6 (oder eine bewegliche Sohle 16) werden im Voraus auf dem Träger 30 angeordnet. Der Schlitten wird anschließend so verschoben, dass dieser Träger sich in eine Positionierungszone 22 befindet, und dort wird ein Bauteil 4 in Bezug auf das Substrat 6 positioniert (6A). Anschließend wird der Schlitten mit dem Bauteil 4, dem Substrat 6 und eventuell der Zwischensohle 16 unter die Vakuumglocke 28 geschoben. Diese wird abgesenkt auf die Einheit aus Bauteil, Substrat und Sohle und hebt sie dann in eine obere Position 6B). Simultan wird die Temperatur der Sohle 2 angehoben und, nach gleichmäßiger Verteilung dieser Temperatur, wird die Sohle 2 unter die Glocke 28 geschoben, damit diese die Einheit aus Bauteil, Substrat und Zwischensohle auf ihr abstellen kann (6C). Diese Einheit wird dann dem Schmelzzyklus unterzogen. Nach diesem Zyklus bringt die Glocke die genannte Einheit in die obere Position zurück und die Heizsohle 2 wird mit Hilfe des mobilen Schlittens 18 entfernt. Die Glocke 28 kann in eine Tiefstellung über dem Träger 30 gebracht werden, um dort die Einheit aus Bauteil, Substrat und Zwischensohle abzustellen. Der Träger 28 kann ein Träger oder eine Kühlungsplatte sein.
  • Auch hier sind die Bewegungen des Substrats und des Bauteils auf Vertikalverschiebung von einigen Millimetern oder einigen Mikrometern beschränkt und alle Lateralverschiebungsbewegungen werden durch den mobilen Schlitten 18 realisiert.
  • Bei allen oben beschriebenen Realisierungsarten kann die Glocke 28 mit einem nachgiebigen oder regulierbaren Gelenk versehen sein, das ermöglicht, die Parallelitätsfehler zwischen der Unterseite der Glocke und dem Substrat 6 oder der Zwischensohle 16, mit der diese Unterseite in Kontakt gebracht wird, zu kompensieren.
  • Alle Operationen der diversen oben beschriebenen Realisierungsarten können durch einen Mikrocomputer gesteuert werden, der die Temperatur-, Positionierungs- und Ausrichtungsdaten sammelt und der den Vorschub der Verschiebungseinrichtungen, etwa des mobilen Schlittens 18, die Hub- und Senkbewegung der Glocke 18 sowie die Herstellung der kontrollierten Atmosphäre im Innern der Glocke bestimmt. Der Fachmann beherrscht die Programmierung der verschiedenen Schritte in einem klassischen Mikrocomputer, wobei die entsprechenden Programminstruktionen auf Magnetplatten oder in RAM- oder ROM-Speichern des konventionellen Typs abgespeichert werden.
  • Unabhängig von der gewählten Realisierungsart ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, die Kontaktdauern zwischen dem Substrat und der Heizsohle zu reduzieren, und es ermöglicht, sehr gute Gleichmäßigkeiten über sehr große Flächen zu erzielen, selbst bei Substraten über 200 mm.
  • Außerdem verringern sich die Herstellungskosten der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens erheblich, da es möglich ist, die Stromversorgungs- und Ofenkühlungsleistungen zu reduzieren und die Temperaturregelungssysteme der wärmedehnungs-empfindlichen Teile wegzulassen (etwa die optischen Teile oder die Ausrichtungsvorrichtungen), und möglich ist, die Heizvorrichtung des Ofens zu modifizieren, um billigere, gleichmäßigere bzw. gleichförmigere, einfachere aber trägere Systeme zu adaptieren. Die Möglichkeit, die Operation des Ausrichtens mit dem auf dem Kühltisch befindlichen Substrat zu realisieren, ermöglicht, einen einfachen und leicht einzustellenden Ausrichttisch zu erhalten und den Ofen eventuell permanent auf einer konstanten Temperatur zu halten, was die Produktivität der Maschine erhöht.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Hybridierung von Bauteilen (4) mittels Lotkugeln (8) auf einem Substrat (6), das auf eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur gebracht wird durch die Herstellung eines thermischen Kontakts des Substrats (6) mit einem Heizelement (2) eines unter dem Substrat angeordneten Ofens, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: – den Temperaturanstieg des Heizelements (2) des Ofens ohne Kontakt, weder mit dem Substrat noch mit dem zu hybridierenden Bauteil, bis auf eine der Schmelztemperatur der Lotkugeln (8) entsprechende Temperatur, – die Präparierung eines aus dem Substrat (6), den Lotkugeln (8) und dem zu hybridierenden Bauteil bestehenden Ganzen, – die Herstellung des Kontakts des so präparierten Substrats (6) mit dem Heizelement (2) während einer Zeit Δt, so dass die im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur, auf die das Substrat gebracht wird, das Schmelzen der Lotkugeln ermöglicht. die Entkopplung des Substrats (6) und des Heizelements (2) am Ende des Zeitintervalls Δt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Herstellung des Kontakts des Substrats (6) stattfindet, indem man dieses auf das Heizelement (2) absenkt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Substrat und das zu hybridierende Bauteil sich auf einem beweglichen Träger (16) befinden und die Herstellung des Kontakts dieses Trägers mit dem Heizelement die Herstellung eines thermischen Kontakts zwischen dem Substrat und dem Heizelement gewährleistet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit den folgenden Vorausschritten: – Positionierung des Substrats (6) auf dem Heizelement (2) oder auf einem auf dem Heizelement ruhenden beweglichen Träger (16), wobei dieses auf einer Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Lotkugeln (8), – Ausrichtung des zu hybridierenden Bauteils (4) auf dem Substrat (6), – Entkopplung von einerseits dem durch das zu hybridierende Bauteil (4), das Substrat (6) und eventuell dem beweglichen Träger gebildeten Ganzen und andererseits dem Heizelement vor dessen Temperaturanstieg.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Vorausschritt zur Entkopplung des durch das zu hybridierende Bauteil (4), das Substrat (6) und eventuell den beweglichen Träger gebildeten Ganzen darin besteht, das Substrat (6), das Bauteils (4) und eventuell den beweglichen Träger (16) von dem Heizelement (2) abzuheben bzw. hochzuheben.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Vorausschritt zur Ausrichtung des auf das Substrat (6) zu hybridierenden Bauteils (4) in einer ersten Station (22) stattfindet, Ausrichtstation genannt, der Vorausschritt zur Entkopplung in einer zweiten Station (24) stattfindet, Entkopplungsstation genannt, und das Heizelement (2) zwischen den beiden Vorausschritten, jeweils der Ausrichtung und der Entkopplung, von der ersten Station (22) zur zweiten Station (24) verschoben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit den folgenden Vorausschritten: – die Positionierung des Substrats (6) auf einem Träger (16, 30), selbst ohne Kontakt mit dem Heizelement (2), – die Ausrichtung des zu hybridierenden Bauteils auf dem Substrat.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, mit außerdem einem Schritt des Hochhebens des Substrats (6), des zu hybridierenden Bauteils (4) und eventuell des beweglichen Trägers (16).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Hochhebens des Substrats, des zu hybridierenden Bauteils und eventuell des beweglichen Trägers nach dem Transport des durch das Substrat, das zu hybridierende Bauteil und eventuell den beweglichen Träger gebildeten Ganzen zu einer Hochheb- und Absenkstation (24) stattfindet.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Herstellung des thermischen Kontakts des Substrats (6) mit dem Heizelement (2) durch die Verschiebung des Heizelements (2) zu der Hochheb- und Absenkstation und die Absenkung des durch das Bauteil, das Substrat und eventuell den beweglichen Träger (16) gebildete Ganze nach dem Temperaturanstieg des Heizelements (2) stattfindet.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 5, 8, 9 oder 10, wobei das Hochheben und/oder Absenken mit Hilfe einer Glocke (28) stattfindet, in deren Innern eine kontrollierte Atmosphäre herrscht.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit – nach der Entkopplung des Substrats (6) und des Heizelements (2) – einem Schritt der Abkühlung des Substrats.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Abkühlung durch Kontakt des Substrats (6) oder des beweglichen Trägers (16) mit einer Abkühlungsfläche (30) realisiert wird.
  14. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 13, wobei der Träger, auf dem das Substrat positioniert wird, durch die Abkühlungsfläche gebildet wird.
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