EP4028198A1 - Vorrichtung zum erwärmen und bestimmen einer ist-temperatur eines bondwerkzeugs eines ultraschallbonders - Google Patents

Vorrichtung zum erwärmen und bestimmen einer ist-temperatur eines bondwerkzeugs eines ultraschallbonders

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EP4028198A1
EP4028198A1 EP20799973.1A EP20799973A EP4028198A1 EP 4028198 A1 EP4028198 A1 EP 4028198A1 EP 20799973 A EP20799973 A EP 20799973A EP 4028198 A1 EP4028198 A1 EP 4028198A1
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EP
European Patent Office
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bonding tool
waveguide
laser beam
recess
temperature measuring
Prior art date
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Pending
Application number
EP20799973.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Unger
Michael BRÖKELMANN
Matthias Hunstig
Hans-Jürgen HESSE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hesse GmbH
Original Assignee
Hesse GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Hesse GmbH filed Critical Hesse GmbH
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    • H01L2224/78261—Laser
    • H01L2224/78263—Laser in the upper part of the bonding apparatus, e.g. in the capillary or wedge

Definitions

  • the invention relates to a device for heating and determining an actual temperature of a bonding tool of an ultrasonic bonder.
  • thermal energy in addition to the mechanical pressure force and the ultrasonic energy when producing the bond connection.
  • a substrate by means of suitable heating.
  • a connecting component for example an aluminum or copper wire in ultrasonic wire bonding, by means of a laser beam.
  • heat the bonding tool itself.
  • Bonding tools are known from DE 10 2017 127251 A1 and DE 102017 129 546 A1 by the applicant, which can be heated in the area of the tip by means of a laser beam.
  • the bonding tools provide a blind hole-like longitudinal recess extending along the shaft into the region of the tool tip, which is used for guiding the laser beam or for Receipt of a waveguide guiding the laser beam is used.
  • the laser beam is consequently coupled into the bonding tool at the end face and is guided inside the bonding tool along the shaft to the tip of the bonding tool.
  • the object of the present invention is to provide a device with which the bonding tool is heated and with which an actual temperature of the bonding tool can also be measured.
  • the device for heating and determining the actual temperature of the bonding tool of an ultrasonic bonder thus comprises the bonding tool with a first end face, with a second end face, with a jacket surface that connects the first end face and the second end face, and with an absorption area, which preferably has the jacket surface of the bonding tool is provided, a temperature measuring device for determining the actual temperature of the bonding tool at a temperature measuring point which is provided on the jacket side of the bonding tool and preferably at a tip of the bonding tool, and a laser generator, a laser beam being provided by means of the laser generator and wherein the laser beam hits the bonding tool in the absorption area and the bonding tool heats up as a result of the absorption of the laser beam.
  • the particular advantage of the invention is that the temperature measurement can be used to influence and monitor the laser-assisted ultrasonic bonding process in a very targeted manner.
  • impending damage to the bonding tool or the connection partners (connection component, substrate or functional component) as a result of impermissible heating can be detected in good time.
  • a constantly high quality and reproducibility of the bonding results can be achieved with the bonding device according to the invention, particularly in regular operation.
  • the temperature measuring device can, for example, provide a tactile sensor, which is fixed on the bonding tool itself, for temperature measurement with contact.
  • a resistance thermometer in particular a Pt100, or a thermocouple, in particular a type K thermocouple, can be provided as a temperature sensor on the bonding tool.
  • the temperature sensor can, for example, be applied or glued on the jacket side of the bonding tool or glued or encapsulated in a sensor recess of the bonding tool.
  • the temperature measuring point can be in the absorption area that is formed on the bonding tool.
  • the temperature measuring point and the absorption area can be realized locally separately on the bonding tool.
  • the laser beam can, for example, be guided over a blind hole-like longitudinal recess extending lengthways in the bonding tool from the second end face to the tool tip.
  • the laser beam can be directed at the shell side, that is to say from the outside, onto the bonding tool.
  • the bonding tool can be heated by means of the laser beam in the region of the tip of the bonding tool.
  • the connecting component for example the bonding wire, is fixed at the tip of the bonding tool.
  • the fact that the tip of the bonding tool is heated in a targeted manner by means of the laser beam results in a favorable heat transfer from the bonding tool to the connection component and furthermore during the production of the material connection from the connection component to a substrate or a functional component.
  • the substrate or the functional component provides a contact surface to which the connecting component is to be connected in an electrically conductive manner.
  • the bonding tool has a particularly high absorption capacity in the absorption area.
  • the absorption capacity in the absorption area can be greater than outside it.
  • the bonding tool can have a coating in the absorption area which - in relation to a wavelength of the laser beam - is formed from a material that absorbs particularly well, in particular titanium.
  • microstructures can be provided locally on the surface of the bonding tool to improve the absorption capacity.
  • the temperature of the bonding tool can be determined without contact.
  • at least part of the temperature measuring device can advantageously be provided outside the bondhead.
  • the mass moved with the bond head is insofar small and the ultrasonic bonder is characterized by good dynamics.
  • a recess is provided on the jacket side of the bonding tool, which recess defines the absorption area.
  • the device according to the invention provides a waveguide which has a free head end directed towards the temperature measuring point.
  • the head end of the waveguide is assigned to the recess at a distance such that at least part of the thermal radiation emitted by the bonding tool as a result of the heating of the bonding tool by the laser beam hits the head end of the waveguide and is coupled into the waveguide, and the temperature measuring unit with the waveguide in such a way cooperates that at least part of the thermal radiation coupled into the waveguide is conducted to the temperature measuring device.
  • Part of the thermal radiation emitted by the bonding tool can advantageously be coupled into the waveguide and fed to the temperature measuring device.
  • the temperature measuring device can be provided at a comparatively large spatial distance on the bonding tool. A fixed spatial assignment or a defined relative position of the bonding tool and temperature measuring device is not required. In contrast to the conventional pyrometer arrangement, it is also not necessary to provide a free path between the bonding tool and the temperature measuring device.
  • the bonding tool can be fixed to a positionable bonding head of the ultrasonic bonder.
  • the bonding tool is usually clamped in the area of the second end face.
  • the free head end of the waveguide is also positioned on the bond head relative to the bonding tool. In relation to the free head end of the waveguide and the bonding tool, there is a fixed position assignment.
  • the temperature measuring device can be provided in a stationary manner on the ultrasonic bonder. In particular, the Temperature measuring device not installed in the bondhead and carried along when positioning the bondhead, with the result that the dynamics of the bondhead are retained despite the additional measurement infrastructure.
  • the waveguide through which at least part of the coupled-in thermal radiation is guided to the temperature measuring device, is connected to the laser generator in such a way that the laser beam used to heat the bonding tool is guided through the waveguide from the laser generator to the bonding tool.
  • the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool can be made very compact and inexpensive.
  • a beam splitter is assigned to the waveguide, on the one hand to guide the laser beam from the laser generator to the bonding tool and, on the other hand, to guide the heat radiation guided in the opposite direction to the laser beam in the waveguide to the temperature measuring device.
  • a wavelength of the laser beam and the thermal radiation are advantageously chosen to be different.
  • a laser beam with a wavelength in the range from 900 nm to 1200 nm is used to heat the bonding tool, whereas the temperature measuring device is designed for thermal radiation in a wavelength range from, for example, 1500 nm to 2500 nm.
  • the laser beam is oriented relative to the bonding tool in such a way that the laser beam strikes the bonding tool in the recess.
  • the recess can be implemented in the manner of a radiation trap.
  • a surface geometry of the lateral surface of the bonding tool in the region of the recess is such that a portion of the laser radiation that is not absorbed by the bonding tool is completely or is in any case largely reflected again in the direction of the lateral surface of the bonding tool. This advantageously promotes the heating of the tip of the bonding tool. In addition, the risk of laser light being scattered in an undirected manner is reduced.
  • beam-shaping optics and preferably at least one lens are arranged in the beam path of the thermal radiation and / or the laser beam between the head end of the waveguide and the recess formed on the bonding tool.
  • the lens is designed as a collimator lens.
  • the collimator lens ensures that the laser beam, usually diverging from the waveguide, has an approximately parallel beam path after passing through the optics.
  • a partial area of the lateral surface of the bonding tool is advantageously heated relatively evenly, and it can reliably be avoided that the laser beam emerging diverging from the waveguide hits the bonding tool at least partially outside the recess or is guided past the bonding tool and possibly on the Connection component or the substrate meets.
  • the temperature measurement can also be falsified.
  • the beam-shaping optics can be designed as focusing optics for bundling the laser beam coupled out of the waveguide.
  • a focal point of the focusing optics can be provided in the recess of the bonding tool and preferably lie in front of the jacket surface of the bonding tool or behind it, that is to say in the interior of the bonding tool.
  • two or more optical elements can form the beam-shaping optics.
  • the beam-shaping optics can provide a collimator lens and a focusing lens.
  • the laser beam emerging divergently from the optical waveguide first strikes the collimator lens and, after passing through the collimator lens, has an essentially parallel one Beam path on.
  • the laser beam with the essentially parallel beam path then strikes the focusing lens and is focused.
  • the recess on the bonding tool is designed as a through recess.
  • the through recess can be produced in a comparatively simple and inexpensive manner.
  • the recess on the bonding tool is implemented in the form of a pocket.
  • a recess is pocket-shaped in the sense of the invention if it is implemented as a local recess with a closed rear side in such a way that the laser beam cannot pass through the recess or would be reflected on a recess base.
  • the absorption capacity of the bonding tool is advantageously improved.
  • an uncontrolled reflection of the laser beam is counteracted.
  • the bonding tool tapers in a wedge shape in the direction of the first end face and the recess is in any case provided in sections in the area of the tip of the bonding tool defined by the wedge-shaped tapering of the lateral surface.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention for heating and determining an actual temperature of a bonding tool in a partial view
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool in a partial view
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool in a partial view
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the device according to the invention for heating and determining an actual temperature of a bonding tool in a partial view
  • FIG. 5 shows a perspective illustration of a tip of the bonding tool with a laser beam impinging on the bonding tool
  • FIG. 6 shows a side view of the tip of the bonding tool and the laser beam according to FIG. 5;
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a fifth embodiment of the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool in a partial view
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a sixth embodiment of the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool in a partial view
  • FIG. 9 shows the tip of the bonding tool of the device according to the invention with a diverging laser beam directed onto the tip
  • 10 shows a schematic representation of a seventh embodiment of the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool in a partial view
  • FIG. 11 shows a side view of the tip of the bonding tool and a laser beam directed onto the tip of the bonding tool with a parallel beam path
  • FIG. 12 shows a basic illustration of an eighth embodiment of the device according to the invention for heating and determining the actual temperature of the bonding tool in a partial sectional view
  • FIG. 15 shows a side view of the tip of the bonding tool with a pocket-shaped recess
  • FIG. 16 shows the tip of the bonding tool with a recess which is implemented as a through recess.
  • the device according to the invention for heating and determining an actual temperature of a bonding tool of an ultrasonic bonder is used, for example, in laser-assisted ultrasonic thick wire bonding, laser-assisted ultrasonic thin-wire bonding, laser-assisted ultrasonic welding, laser-assisted ribbon bonding or laser-assisted chip bonding.
  • the following description of exemplary embodiments of the invention is limited to the illustration and discussion of tools for ultrasonic wire bonding. Nevertheless, the device according to the invention can also be used with other tools or ultrasonic bonders.
  • Fig. 1 shows in extracts a first embodiment of the device according to the invention, which on a lateral surface 1 of a bonding tool 2 a Absorption area 3 provides.
  • the jacket surface 1 of the bonding tool 2 connects a first end face 4 of the bonding tool 3 to a second end face, not shown in FIG. 1, opposite the first end face 4.
  • a connecting component for example an aluminum or copper wire, is placed on the bonding tool 2.
  • the bonding tool 2 is usually fixed to a receptacle on the bonding head.
  • the bonding tool 2 is pressed against the connection component and a contact surface of the substrate or the functional component in such a way that the connection component between the contact surface and the first end face 4 of the Bonding tool 2 is clamped.
  • the bonding tool 2 is then excited to produce ultrasonic vibrations, in particular to ultrasonic bending vibrations, via an ultrasonic generator (not shown).
  • an ultrasonic generator not shown.
  • the connection component is moved relative to the contact surface and an electrically conductive, material connection is formed between the connection component and the contact surface in the contact.
  • a tip 5 of the bonding tool 2 having the first end face 4 is heated by means of a laser beam 6 during laser-assisted ultrasonic bonding.
  • the laser beam 6 is provided by a laser generator (not shown) of the device according to the invention and is guided to the bonding tool 2 via a waveguide 13.
  • a free head end of the waveguide 13 facing the bonding tool 2 is aligned with the absorption area 3 of the bonding tool 2 in such a way that the laser beam 6 strikes the lateral surface 1 of the bonding tool 2 in the absorption area 3.
  • a lens is provided as a beam-shaping optic 9. The optics 9 focus the laser beam 6 diverging from the waveguide 13.
  • a temperature sensor 16 of a temperature measuring device is provided on the bonding tool 2 opposite the absorption area 3.
  • the temperature sensor 16 is a Thermocouple or a resistance thermometer.
  • the temperature sensor 16 defines a temperature measuring point 18 on the bonding tool 2. In particular, it is glued onto the lateral surface 1 of the bonding tool 2.
  • the temperature sensor 16 can be fixed to the bonding tool 2 in a force-fitting and / or form-fitting manner. The definition can then take place temporarily, for example, for calibration purposes.
  • the temperature sensor 16 is contacted via two connection conductors 17. Energy for operating the sensor 16 and / or data, in particular temperature measurement data, are transmitted via the connecting conductors 17.
  • the connection conductors 17 run along the bonding tool 2 so that a working area of the bonder is not impaired. In particular, it can be provided that the connecting conductors 17 are led to a separate evaluation unit (not shown) of the temperature measuring device or to the bonder electronics.
  • the temperature sensor 16 is provided in a sensor recess 21 formed on the bonding tool tip 5.
  • the sensor 16 is encased and encapsulated in the sensor recess 21 with a potting material 22.
  • the sensor recess 21 is a bore.
  • the temperature measuring point 18 lies at the location of the sensor 16 in the sensor recess 21.
  • connection conductor 17 are routed upwards along the bonding tool 2 and are routed to the evaluation electronics of the temperature measuring device or the bonding electronics.
  • the second exemplary embodiment of the invention corresponds to the first exemplary embodiment.
  • the absorption area 3 is provided at the rear in the area of the tip 5 on the bonding tool 2.
  • the heating of the bonding tool 2 with the aid of the laser beam 6 otherwise takes place as explained above.
  • the laser beam 6 is guided to the bonding tool 2 via the waveguide 13 and the optics 9.
  • the measurement of the actual temperature of the bonding tool 2 according to the third exemplary embodiment in a contactless manner.
  • a radiation thermometer or pyrometer 19 aligned with the tip 5 of the bonding tool is used for contactless temperature measurement.
  • the temperature measuring point 18 is provided, for example, in a measurement recess 23 which is provided on the jacket side of the bonding tool 2.
  • a recess 20 is provided on the jacket surface 1 of the bonding tool 2.
  • the recess 20 defines the absorption area 3 of the bonding tool 2.
  • the temperature measuring point 18 is also located in the absorption area 3 or in the area of the recess 20 on the jacket surface 1 of the bonding tool 2.
  • an electrically conductive, cohesive connection is established between the connecting component on the one hand and the functional component or the substrate on the other hand, while the connecting component with the bonding tool 2 is pressed against the contact surface of the functional component or the substrate and the bonding tool is excited to ultrasonic vibrations and additionally via the Laser beam 6 the bonding tool 2 is heated.
  • the laser beam 6 is guided to the bonding tool 2 through a waveguide 7.
  • the beam-shaping optics 9 are provided between the free head end 8 of the waveguide 7 and the recess 20 of the bonding tool 2.
  • the beam-shaping optics 9 is in the present case designed as a focusing optics or lens for bundling the laser beam 6 emerging from the waveguide 7.
  • the optical properties of the focusing optics 9 and their assignment to the bonding tool 2 are selected so that a focal point 10 of the optics in the area of the Recess 20 and preferably in front of the jacket surface 1 of the bonding tool 2 or behind it.
  • the tip 5 of the bonding tool 2 is heated by the laser beam 6.
  • part of the thermal radiation 11 emitted by the tool as a result of the heating passes through the optics 9, hits the head end 8 of the waveguide 7 and is in the Waveguide 7 coupled.
  • the part of the thermal radiation 11 coupled into the waveguide 7 is fed to a temperature measuring device (not shown in the figure) to determine the actual temperature of the bonding tool 2.
  • the waveguide 7 serves on the one hand to guide the laser beam 6, which is provided by the laser generator, to the bonding tool 2.
  • the waveguide 7 serves to guide the part of the thermal radiation 11 coupled into the waveguide 7 to the temperature measuring device.
  • the head end 8 of the waveguide 7 is provided at a distance from the jacket surface 1 of the bonding tool 2.
  • a distance is selected in such a way that contamination of the waveguide 7 by particles, which in particular can detach from the connecting component during bonding, is counteracted.
  • the spacing of the waveguide 7 from the bonding tool 2 ensures that the ultrasonic vibrations are not transmitted to the waveguide 7.
  • the recess 20 defines the absorption area 3. In the present case, it is formed in the manner of a through recess.
  • the laser beam 6 focused via the optics 9 strikes the jacket surface 1 of the bonding tool in the region of the recess 20 and heats the bonding tool 2.
  • a portion of the laser radiation 6 that is not absorbed by the bonding tool 2 when the laser beam 6 first strikes is due to the surface geometry of the jacket surface 1 of the bonding tool is reflected in the region of the recess 20 in such a way that it also for the most part again strikes the jacket surface 1 of the bonding tool 2 and contributes to the heating of the bonding tool 2.
  • the heating of the bonding tool 2 takes place with the aid of the laser beam 6 and the temperature measurement takes place with the aid of the bonding tool 2 as a result of the heating emitted thermal radiation 11 in a manner similar to the fourth embodiment.
  • the formation of a recess 20 defining the absorption region 3 on the tip 5 of the bonding tool 2 is dispensed with.
  • the absorption area 3 is provided flat on the jacket side on the bonding tool.
  • the temperature measuring point 18 lies in the absorption area 3.
  • beam-shaping optics 9 arranged between the free head end 8 of the waveguide 7 and the recess 20 of the bonding tool 2 defining the absorption area 3 and the temperature measuring point 18 are dispensed with.
  • the divergent laser beam 6 emerging from the waveguide 7 hits the jacket surface 1 of the bonding tool 2 directly in the area of the recess 20 and also heats it in the area of the tip 5.
  • part of the thermal radiation 11 emitted by the latter as a result of the heating of the bonding tool 2 hits directly to the free head end 8 of the waveguide 7 and is coupled into this.
  • the coupled-in part of the thermal radiation 11 then reaches the temperature measuring device of the device according to the invention, as described for the above exemplary embodiment.
  • the beam-shaping optics 9 are implemented as a collimator lens 9.
  • the laser beam 6 diverging from the waveguide 7 strikes the collimator lens 9.
  • the collimator lens 9 ensures that the beam path of the laser beam 7 is essentially parallel.
  • the waveguide 7 of the device according to the invention for heating and determining an actual temperature of the bonding tool 2 is used solely for the part of the thermal radiation emitted in the direction of the free head end 8 of the waveguide 7 11 to lead to the temperature measuring device.
  • the optics 9 can be dispensed with.
  • the thermal radiation 11 can be coupled into the waveguide 7 via a suitable optical element.
  • a longitudinal recess 12 extending from the second end face to the tip 5 is provided on the bonding tool 2.
  • Another waveguide 13 is positioned in the longitudinal recess 12. The waveguide 13 serves to guide the laser beam 6 provided by the laser generator to the tip 5 of the bonding tool 2.
  • FIGS. 13 and 14 two recesses 20 with different geometries are shown by way of example.
  • the recess 20 in the front view shown, has a cross section that tapers in the direction of the first end face 4 of the bonding tool 2.
  • the geometry of the recess 20 corresponds approximately to a wedge shape of the tip 5 of the bonding tool 2.
  • the recess 20 has a constant cross section. In the front view, the recess 20 has an approximately rectangular shape.
  • a wedge-shaped receiving groove 14 is provided on the bonding tool 2 on the first end face 4.
  • the wedge-shaped receiving groove 14 serves to receive or center the bonding wire serving as a connecting component.
  • the bonding tool 2 or the tip 5 of the bonding tool 2 is shown in a side view.
  • the recess 20 is pocket-shaped.
  • the recess 20 does not lead through and is limited by a recess base 15.
  • the recess 20 in the exemplary embodiment according to FIG. 16 is implemented in the manner of a through recess.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs (2) eines Ultraschallbonders umfassend das Bondwerkzeug (2) mit einer ersten Stirnseite (4), mit einer zweiten Stirnseite, mit einer Mantelfläche (1), welche die erste Stirnseite (4) mit der zweiten Stirnseite verbindet, und mit einem Absorptionsbereich (3), umfassend eine Temperaturmesseinrichtung zum Bestimmen einer Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs (2) an einer Temperaturmessstelle (18), welche mantelseitig an dem Bondwerkzeug (2) und bevorzugt an einer Spitze (5) des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist, und umfassend einen Lasergenerator, wobei mittels des Lasergenerators ein Laserstrahl (6) bereitgestellt ist und wobei der Laserstrahl (6) im Absorptionsbereich (3) auf das Bondwerkzeug (2) trifft und das Bondwerkzeug (2) infolge der Absorption des Laserstrahls (6) sich erwärmt.

Description

VORRICHTUNG ZUM ERWÄRMEN UND BESTIMMEN EINER IST-TEMPERATUR EINES BONDWERKZEUGS EINES ULTRASCHALLBONDERS
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist- Temperatur eines Bondwerkzeugs eines Ultraschallbonders.
Um beim Ultraschallbonden die Prozesszeiten weiter zu verkürzen und um schwer zu bondende Werkstoffe verarbeiten zu können, ist es bekannt, beim Herstellen der Bondverbindung zusätzlich zur mechanischen Druckkraft und der Ultraschallenergie thermische Energie zuzuführen. Beispielsweise ist bekannt, ein Substrat durch eine geeignete Heizung zu erwärmen. Ebenfalls ist bekannt, ein Verbindungsbauteil, beispielsweise einen Aluminium- oder Kupferdraht beim Ultraschall-Drahtbonden, mittels eines Laserstrahls zu erwärmen. Ferner ist bekannt, das Bondwerkzeug selbst zu erwärmen.
Aus der DE 10 2017 127251 A1 sowie der DE 102017 129 546 A1 der Anmelderin sind Bondwerkzeuge bekannt, die mittels eines Laserstrahls im Bereich der Spitze erwärmt werden können. Die Bondwerkzeuge sehen hierzu eine sich entlang des Schafts bis in den Bereich der Werkzeugspitze erstreckende, sacklochartig gebildete Längsausnehmung vor, die zum Führen des Laserstrahls beziehungsweise zur Aufnahme eines den Laserstrahl führenden Wellenleiters dient. Der Laserstrahl wird demzufolge stirnseitig in das Bondwerkzeug eingekoppelt und im Inneren des Bondwerkzeugs den Schaft entlang zu der Spitze des Bondwerkzeugs geführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der das Bondwerkzeug erwärmt und mit der des Weiteren eine Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs gemessen werden kann.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Die Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs eines Ultraschallbonders umfasst insofern das Bondwerkzeug mit einer ersten Stirnseite, mit einer zweiten Stirnseite, mit einer Mantelfläche, welche die erste Stirnseite und die zweite Stirnseite verbindet, und mit einem Absorptionsbereich, welcher bevorzugt an der Mantelfläche des Bondwerkzeugs vorgesehen ist, eine Temperaturmesseinrichtung zum Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs an einer Temperaturmessstelle, welche mantelseitig an dem Bondwerkzeug und bevorzugt an einer Spitze des Bondwerkzeugs vorgesehen ist, und einen Lasergenerator, wobei mittels des Lasergenerators ein Laserstrahl bereitgestellt ist und wobei der Laserstrahl im Absorptionsbereich auf das Bondwerkzeug trifft und das Bondwerkzeug infolge der Absorption des Laserstrahls sich erwärmt.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass über die Temperaturmessung der laserunterstützte Ultraschallbondprozess sehr gezielt beeinflusst und überwacht werden kann. Insbesondere kann eine drohende Beschädigung des Bondwerkzeugs oder der Verbindungspartner (Verbindungsbauteil, Substrat beziehungsweise Funktionsbauteil) infolge einer unzulässigen Erwärmung rechtzeitig erkannt werden. Zudem können mit der erfindungsgemäßen Bondvorrichtung insbesondere im Regelbetrieb eine konstant hohe Qualität und Reproduzierbarkeit der Bondergebnisse erreicht werden. Die Temperaturmesseinrichtung kann beispielsweise einen am Bondwerkzeug selbst festgelegten taktilen Sensor zur berührungsbehafteten Temperaturmessung vorsehen. Beispielsweise kann ein Widerstandthermometer, insbesondere ein Pt100, oder ein Thermoelement, insbesondere ein Thermoelement vom Typ K, als Temperatursensor am Bondwerkzeug vorgesehen sein. Der Temperatursensor kann beispielsweise mantelseitig am Bondwerkzeug appliziert beziehungsweise aufgeklebt werden oder in eine Sensorausnehmung des Bondwerkzeugs eingeklebt beziehungsweise vergossen sein.
Beispielsweise kann die Temperaturmessstelle im Absorptionsbereich liegen, der an dem Bondwerkzeug gebildet ist. Alternativ können die Temperaturmessstelle und der Absorptionsbereich örtlich getrennt am Bondwerkzeug realisiert sein.
Der Laserstrahl kann beispielsweise über eine sich längs in dem Bondwerkzeug von der zweiten Stirnseite bis zu der Werkzeugspitze erstreckende, sacklochartige Längsausnehmung geführt werden. Beispielsweise kann der Laserstrahl mantelseitig, das heißt von außen auf das Bondwerkzeug gerichtet sein.
Insbesondere kann das Bondwerkzeug mittels des Laserstrahls im Bereich der Spitze des Bondwerkzeugs erwärmt werden. An der Spitze des Bondwerkzeugs ist das Verbindungsbauteil, beispielsweise der Bonddraht, festgelegt. Indem mittels des Laserstrahls gezielt die Spitze des Bondwerkzeugs erwärmt wird, ergibt sich ein günstiger Wärmeübergang vom Bondwerkzeug auf das Verbindungsbauteil und im Weiteren bei der Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung von dem Verbindungsbauteil auf ein Substrat oder ein Funktionsbauteil. Das Substrat beziehungsweise das Funktionsbauteil sieht eine Kontaktfläche vor, mit der das Verbindungsbauteil elektrisch leitend zu verbinden ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Bondwerkzeug im Absorptionsbereich ein besonders hohes Absorptionsvermögen auf. Insbesondere kann das Absorptionsvermögen im Absorptionsbereich größer sein als außerhalb desselben. Beispielsweise kann das Bondwerkzeug im Absorptionsbereich eine Beschichtung aufweisen, welche - bezogen auf eine Wellenlänge des Laserstrahls - aus einem besonders gut absorbierenden Material, insbesondere Titan, gebildet ist. Beispielsweise können an der Oberfläche des Bondwerkzeugs lokal Mikrostrukturen vorgesehen sein zur Verbesserung des Absorptionsvermögens.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann die Temperatur des Bondwerkzeugs berührungslos bestimmt werden. Vorteilhaft kann bei der berührungslosen Temperaturmessung wenigstens ein Teil der Temperaturmesseinrichtung außerhalb des Bondkopfs vorgesehen sein. Die mit dem Bondkopf bewegte Masse ist insofern gering und der Ultraschallbonder zeichnet sich durch eine gute Dynamik aus.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist an dem Bondwerkzeug mantelseitig eine Ausnehmung vorgesehen, welche den Absorptionsbereich definiert. Zudem sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Wellenleiter vor, welcher ein auf die Temperaturmessstelle gerichtetes freies Kopfende aufweist. Der Ausnehmung ist das Kopfende des Wellenleiters derart beabstandet zugeordnet, dass jedenfalls ein Teil einer infolge der Erwärmung des Bondwerkzeugs durch den Laserstrahl von dem Bondwerkzeug emittierten Wärmestrahlung auf das Kopfende des Wellenleiters trifft und in den Wellenleiter eingekoppelt wird, und wobei die Temperaturmesseinheit mit dem Wellenleiter derart zusammenwirkt, dass jedenfalls ein Teil der in den Wellenleiter eingekoppelten Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet wird. Vorteilhaft kann ein Teil der von dem Bondwerkzeug emittierten Wärmestrahlung in den Wellenleiter eingekoppelt und der Temperaturmesseinrichtung zugeführt werden. Die Temperaturmesseinrichtung kann insofern in einem vergleichsweise großen räumlichen Abstand an dem Bondwerkzeug vorgesehen sein. Eine feste räumliche Zuordnung oder eine definierte Relativposition von Bondwerkzeug und Temperaturmesseinrichtung ist nicht erforderlich. Anders als bei der konventionellen Pyrometeranordnung ist es ebenfalls nicht notwendig, zwischen dem Bondwerkzeug und der Temperaturmesseinrichtung eine freie Wegstrecke vorzusehen.
Beispielsweise kann das Bondwerkzeug an einem positionierbaren Bondkopf des Ultraschallbonders festgelegt sein. Eine Einspannung des Bondwerkzeugs erfolgt üblicherweise im Bereich der zweiten Stirnseite. Relativ zu dem Bondwerkzeug ist das freie Kopfende des Wellenleiters ebenfalls an dem Bondkopf positioniert. In Bezug auf das freie Kopfende des Wellenleiters und das Bondwerkzeug ergibt sich insofern eine feste Lagezuordnung. Die Temperaturmesseinrichtung kann demgegenüber ortsfest an dem Ultraschallbonder vorgesehen sein. Insbesondere muss die Temperaturmesseinrichtung nicht im Bondkopf installiert und beim Positionieren des Bondkopfs mitgeführt werden mit der Folge, dass trotz der zusätzlichen Messinfrastruktur die Dynamik des Bondkopfs erhalten bleibt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird der Wellenleiter, durch den jedenfalls ein Teil der eingekoppelten Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung geführt wird, derart mit dem Lasergenerator verbunden, dass der zur Erwärmung des Bondwerkzeugs dienende Laserstrahl durch den Wellenleiter von dem Lasergenerator zu dem Bondwerkzeug geführt ist. Vorteilhaft erhält der Wellenleiter hierdurch eine Doppelfunktion. Diese dient zum einen der Zuführung des Laserstrahls zu dem Bondwerkzeug und zum anderen zum Zuführen der Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung. Insgesamt kann hierdurch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs sehr kompakt ausgebildet und kostengünstig realisiert werden. Zudem ist es möglich, den Lasergenerator ortsfest außerhalb des Bondkopfs zu installieren und den Laserstrahl über den Wellenleiter zu dem Bondwerkzeug zu führen mit der Folge, dass die bewegten Massen gering sind.
Beispielsweise ist dem Wellenleiter ein Strahlenteiler zugeordnet, um einerseits den Laserstrahl von dem Lasergenerator zu dem Bondwerkzeug und andererseits die gegenläufig zu dem Laserstrahl in dem Wellenleiter geführte Wärmestrahlung zu der Temperaturmesseinrichtung zu führen.
Eine Wellenlänge des Laserstrahls und der Wärmestrahlung sind vorteilhaft unterschiedlich gewählt. Beispielsweise wird ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 900 nm bis 1200 nm genutzt zum Erwärmen des Bondwerkzeugs, wohingegen die Temperaturmesseinrichtung auf Wärmestrahlung in einem Wellenlängenbereich von zum Beispiel 1500 nm bis 2500 nm ausgelegt ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Laserstrahl relativ zu dem Bondwerkzeug so ausgerichtet, dass der Laserstrahl in der Ausnehmung auf das Bondwerkzeug trifft. Insbesondere kann die Ausnehmung hierbei nach Art einer Strahlenfalle realisiert sein. Eine Oberflächengeometrie der Mantelfläche des Bondwerkzeugs im Bereich der Ausnehmung ist dabei so beschaffen, dass ein von dem Bondwerkzeug nicht absorbierter Teil der Laserstrahlung vollständig oder jedenfalls zum überwiegenden Teil erneut in Richtung der Mantelfläche des Bondwerkzeugs reflektiert wird. Vorteilhaft wird hierdurch die Erwärmung der Spitze des Bondwerkzeugs begünstigt. Überdies reduziert sich das Risiko, dass Laserlicht ungerichtet gestreut wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist im Strahlengang der Wärmestrahlung und/oder des Laserstrahls zwischen dem Kopfende des Wellenleiters und der an dem Bondwerkzeug gebildeten Ausnehmung eine strahlenformende Optik und bevorzugt wenigstens eine Linse angeordnet. Beispielsweise ist die Linse als eine Kollimatorlinse ausgebildet. Die Kollimatorlinse sorgt dafür, dass der aus dem Wellenleiter üblicherweise divergierend ausgekoppelte Laserstrahl nach dem Hindurchtreten durch die Optik einen jedenfalls annähernd parallelen Strahlengang aufweist. Vorteilhaft wird durch das Parallelisieren des Strahlengangs eine Teilfläche der Mantelfläche des Bondwerkzeugs relativ gleichmäßig erwärmt, und es kann zuverlässig vermieden werden, dass der divergierend aus dem Wellenleiter austretende Laserstrahl jedenfalls teilweise außerhalb der Ausnehmung auf das Bondwerkzeug trifft oder am Bondwerkzeug vorbeigeführt wird und möglicherweise auf das Verbindungsbauteil oder das Substrat trifft. Ebenso kann die Temperaturmessung verfälscht werden.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die strahlenformende Optik als eine Fokussieroptik ausgebildet sein zum Bündeln des aus dem Wellenleiter ausgekoppelten Laserstrahls. Beispielsweise kann ein Brennpunkt der Fokussieroptik in der Ausnehmung des Bondwerkzeugs vorgesehen sein und bevorzugt vor der Mantelfläche des Bondwerkzeugs oder dahinter, das heißt im Inneren des Bondwerkzeugs liegen. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der Fokussieroptik eine lokal sehr stark eingegrenzte Teilfläche des Bondwerkzeugs stark erwärmt werden. Es ist insofern möglich, im zeitlichen Verlauf große Temperaturgradienten beim Erwärmen des Bondwerkzeugs abzubilden und eine gute Dynamik zu realisieren.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung können zwei oder mehr Optikelemente bevorzugt umfassend eine Kollimatorlinse und eine Fokussierlinse die strahlenformende Optik bilden. Beispielsweise kann die strahlenformende Optik eine Kollimatorlinse und eine Fokussierlinse vorsehen. Der divergent aus dem Lichtwellenleiter austretende Laserstrahl trifft zunächst auf die Kollimatorlinse und weist nach dem Durchtritt durch die Kollimatorlinse einen im Wesentlichen parallelen Strahlengang auf. Der Laserstrahl mit dem im Wesentlichen parallelen Strahlengang trifft dann auf die Fokussierlinse und wird fokussiert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ausnehmung an dem Bondwerkzeug als eine Durchgangsausnehmung ausgebildet. Die Durchgangsausnehmung lässt sich vergleichsweise einfach und kostengünstig hersteilen. Zudem ist es möglich, die Durchgangsausnehmung mit einer hohen geometrischen Genauigkeit zu fertigen.
Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Ausnehmung an dem Bondwerkzeug taschenförmig realisiert. Eine Ausnehmung ist im Sinne der Erfindung taschenförmig, wenn sie als lokale Vertiefung mit einer geschlossenen Rückseite so realisiert ist, dass der Laserstrahl nicht durch die Ausnehmung hindurchtreten kann beziehungsweise an einem Ausnehmungsgrund reflektiert würde. Vorteilhaft wird durch das Vorsehen der taschenförmigen Ausnehmung das Absorptionsvermögen des Bondwerkzeugs verbessert. Darüber hinaus ist einer unkontrollierten Reflektion des Laserstrahls entgegengewirkt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung verjüngt sich das Bondwerkzeug in Richtung der ersten Stirnseite keilförmig und die Ausnehmung ist jedenfalls abschnittsweise im Bereich der durch die keilförmige Verjüngung der Mantelfläche definierten Spitze des Bondwerkzeugs vorgesehen. Vorteilhaft kann durch das Vorsehen der Ausnehmung im Bereich der Spitze des Bondwerkzeugs eine Erwärmung desselben lokal dort erfolgen, wo das Verbindungsbauteil an das Bondwerkzeug angelegt ist. Zudem ergibt sich eine gute thermische Dynamik, da im Bereich der Werkzeugspitze aufgrund der sich verjüngenden Mantelfläche und der Materialaussparung im Bereich der Ausnehmung wenig Material erwärmt werden muss.
Aus den weiteren Unteransprüchen in der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen dabei lediglich beispielhaft der Klarstellung der Erfindung. Sie haben keinen einschränkenden Charakter. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist- Temperatur eines Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist- Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist- Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist- Temperatur eines Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Spitze des Bondwerkzeugs mit einem auf das Bondwerkzeug auftreffenden Laserstrahl,
Fig. 6 eine Seitenansicht der Spitze des Bondwerkzeugs und des Laserstrahls nach Fig. 5,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist- Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist- Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 9 die Spitze des Bondwerkzeugs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem auf die Spitze gerichteten, divergierenden Laserstrahl, Fig. 10 eine Prinzipdarstellung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist- Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilansicht,
Fig. 11 eine Seitenansicht der Spitze des Bondwerkzeugs und einen auf die Spitze des Bondwerkzeugs gerichteten Laserstrahl mit parallelem Strahlengang,
Fig. 12 eine Prinzipdarstellung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen der Ist- Temperatur des Bondwerkzeugs in einer Teilschnittansicht,
Fig. 13 eine Spitze des Bondwerkzeugs mit einer Ausnehmung in einer ersten geometrischen Form,
Fig. 14 die Frontansicht des Bondwerkzeugs mit der Ausnehmung in einer zweiten geometrischen Form,
Fig. 15 eine Seitenansicht der Spitze des Bondwerkzeugs mit einer taschenförmigen Ausnehmung und
Fig. 16 die Spitze des Bondwerkzeugs mit einer Ausnehmung, welche als Durchgangsausnehmung realisiert ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist- Temperatur eines Bondwerkzeugs eines Ultraschallbonders wird beispielsweise beim laserunterstützen Ultraschall-Dickdrahtbonden, beim laserunterstützen Ultraschall- Dünndrahtbonden, beim laserunterstützen Ultraschall-Schweißen, beim laserunterstützen Ribbon-Bonden oder beim laserunterstützen Chipbonden eingesetzt. Die nachfolgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung beschränkt sich auf die Darstellung und Diskussion von Werkzeugen für das Ultraschall- Drahtbonden. Gleichwohl kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei anderen Werkzeugen beziehungsweise Ultraschallbondern eingesetzt werden.
Fig. 1 zeigt auszugsweise eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche an einer Mantelfläche 1 eines Bondwerkzeugs 2 einen Absorptionsbereich 3 vorsieht. Die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 verbindet eine erste Stirnseite 4 des Bondwerkzeugs 3 mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten, der ersten Stirnseite 4 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite. Im Bereich der ersten Stirnseite 4 wird ein Verbindungsbauteil, beispielsweise ein Aluminium beziehungsweise Kupferdraht, an das Bondwerkzeug 2 angelegt. Im Bereich der zweiten Stirnseite ist das Bondwerkzeug 2 üblicherweise an einer Aufnahme am Bondkopf festgelegt.
Das Bondwerkzeug 2 wird zum Herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil und einem Substrat beziehungsweise einem Funktionsbauteil mit der ersten Stirnseite 4 so gegen das Verbindungsbauteil und eine Kontaktfläche des Substrats beziehungsweise des Funktionsbauteils gedrückt, dass das Verbindungsbauteil zwischen der Kontaktfläche und der ersten Stirnseite 4 des Bondwerkzeugs 2 geklemmt ist. Das Bondwerkzeug 2 wird dann über einen nicht dargestellten Ultraschallgenerator zu Ultraschallschwingungen, insbesondere zu Ultraschall-Biegeschwingungen, angeregt. Infolge der Ultraschallschwingungen des Bondwerkzeugs 2 wird das Verbindungsbauteil relativ zur Kontaktfläche bewegt und es bildet sich im Kontakt eine elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil und der Kontaktfläche aus.
Um beim Herstellen der elektrisch leitenden Verbindung zusätzliche Energie zur Verfügung zu haben, wird beim laserunterstützten Ultraschallbonden eine die erste Stirnseite 4 aufweisende Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 mittels eines Laserstrahls 6 erwärmt. Der Laserstrahl 6 wird von einem nicht dargestellten Lasergenerator der erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt und über einen Wellenleiter 13 zu dem Bondwerkzeug 2 geführt. Ein dem Bondwerkzeug 2 zugewandtes freies Kopfende des Wellenleiters 13 ist dabei auf den Absorptionsbereich 3 des Bondwerkzeugs 2 so ausgerichtet, dass der Laserstrahl 6 im Absorptionsbereich 3 auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 trifft. Zwischen dem freien Ende des Wellenleiters 13 und dem Bondwerkzeug 2 ist eine Linse als strahlenformende Optik 9 vorgesehen. Die Optik 9 fokussiert den divergierend aus dem Wellenleiter 13 austretenden Laserstrahl 6.
Dem Absorptionsbereich 3 gegenüberliegend ist an dem Bondwerkzeug 2 ein Temperatursensor 16 einer Temperaturmesseinrichtung vorgesehen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Temperatursensor 16 um ein Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer handelt. Der Temperatursensor 16 definiert eine Temperaturmessstelle 18 an dem Bondwerkzeug 2. Er ist insbesondere auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 aufgeklebt. Alternativ kann der Temperatursensor 16 kraftschlüssig und/oder formschlüssig an dem Bondwerkzeug 2 festgelegt sein. Die Festlegung kann dann beispielsweise temporär erfolgen, etwa zu Kalibrierungszwecken.
Der Temperatursensor 16 ist über zwei Anschlussleiter 17 kontaktiert. Über die Anschlussleiter 17 werden Energie zum Betrieb des Sensors 16 und/oder Daten, insbesondere Temperaturmessdaten übertragen. Die Anschlussleiter 17 sind an dem Bondwerkzeug 2 entlanggeführt, so dass ein Arbeitsbereich des Bonders nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anschlussleiter 17 zu einer nicht dargestellten, separaten Auswerteeinheit der Temperaturmesseinrichtung geführt sind oder zur Bonderelektronik.
Nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2 ist es vorgesehen, den Temperatursensor 16 in einer an der Bondwerkzeugspitze 5 gebildeten Sensorausnehmung 21 vorzusehen. Den Sensor 16 ist in der Sensorausnehmung 21 mit einem Vergussmaterial 22 umhüllt und vergossen. Beispielsweise handelt es sich bei der Sensorausnehmung 21 um eine Bohrung. Die Temperaturmessstelle 18 liegt am Ort des Sensors 16 in der Sensorausnehmung 21.
Der Temperatursensor 16 ist wie gehabt über die Anschlussleiter 17 verbunden. Die Anschlussleiter 17 sind an Bondwerkzeug 2 entlang nach oben geführt und zu der Auswerteelektronik der Temperaturmesseinrichtung oder der Bonderelektronik geführt.
In Bezug auf die Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 mit dem Laserstrahl 6 entspricht das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung dem ersten Ausführungsbeispiel.
Nach einer in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsform der Erfindung ist der Absorptionsbereich 3 rückwärtig im Bereich der Spitze 5 an dem Bondwerkzeug 2 vorgesehen. Die Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 mit Hilfe des Laserstrahls 6 erfolgt dabei ansonsten wie vorstehend erläutert. Insbesondere wird der Laserstrahl 6 über den Wellenleiter 13 und die Optik 9 zu dem Bondwerkzeug 2 geführt. Die Messung der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs 2 nach dem dritten Ausführungsbeispiel berührungslos. Zur berührungslosen Temperaturmessung dient ein auf die Spitze 5 des Bondwerkzeugs ausgerichtetes Strahlungsthermometer beziehungsweise Pyrometer 19. Die Temperaturmessstelle 18 ist exemplarisch in einer Messausnehmung 23 vorgesehen, die mantelseitig an dem Bondwerkzeug 2 vorgesehen ist.
Nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig. 4 ist vorgesehen, dass an der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 eine Ausnehmung 20 vorgesehen ist. Die Ausnehmung 20 definiert den Absorptionsbereich 3 des Bondwerkzeugs 2. Ebenfalls liegt die Temperaturmessstelle 18 im Absorptionsbereich 3 beziehungsweise im Bereich der Ausnehmung 20 auf der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2.
Wie gehabt wird eine elektrisch leitende, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Verbindungsbauteil einerseits und dem Funktionsbauteil beziehungsweise dem Substrat andererseits hergestellt, während das Verbindungsbauteil mit dem Bondwerkzeug 2 gegen die Kontaktfläche des Funktionsbauteils beziehungsweise des Substrats angedrückt wird und das Bondwerkzeug zu Ultraschallschwingungen angeregt wird und zusätzlich über den Laserstrahl 6 das Bondwerkzeug 2 erwärmt wird.
Der Laserstrahl 6 ist durch einen Wellenleiter 7 zu dem Bondwerkzeug 2 geführt. Beim Austritt des Laserstrahls 6 aus dem Wellenleiter 7 weist der Laserstrahls 6 einen divergierenden Strahlengang auf. Zwischen dem freien Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und der Ausnehmung 20 des Bondwerkzeugs 2 ist die strahlenformende Optik 9 vorgesehen. Die strahlenformende Optik 9 ist vorliegend als eine Fokussieroptik beziehungsweise -linse ausgebildet zum Bündeln des aus dem Wellenleiter 7 austretenden Laserstrahls 6. Die optischen Eigenschaften der Fokussieroptik 9 sowie ihre Zuordnung zu dem Bondwerkzeug 2 ist so gewählt, dass ein Brennpunkt 10 der Optik im Bereich der Ausnehmung 20 und bevorzugt vor der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 oder dahinter liegt.
Die Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 wird durch den Laserstrahl 6 erwärmt. Dabei tritt ein Teil der von dem Werkzeug infolge der Erwärmung emittierten Wärmestrahlung 11 durch die Optik 9 hindurch, trifft auf das Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und wird in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Um eine Ist-Temperatur der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 prozessbegleitend zu bestimmen, wird der in den Wellenleiter 7 eingekoppelte Teil der Wärmestrahlung 11 einer in der Figur nicht dargestellten Temperaturmesseinrichtung zugeführt zur Bestimmung der Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs 2.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung dient der Wellenleiter 7 zum einen dazu, den Laserstrahl 6, welcher vom Lasergenerator bereitgestellt ist, zu dem Bondwerkzeug 2 zu führen. Zum anderen dient der Wellenleiter 7 dazu, den in den Wellenleiter 7 eingekoppelten Teil der Wärmestrahlung 11 zu der Temperaturmesseinrichtung zu leiten.
Das Kopfende 8 des Wellenleiters 7 ist beabstandet zu der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 vorgesehen. Ein Abstand ist dabei so gewählt, dass einer Verschmutzung des Wellenleiters 7 durch Partikel, welche sich beim Bonden insbesondere von dem Verbindungsbauteil ablösen können, entgegengewirkt ist. Überdies ist durch die Beabstandung des Wellenleiters 7 von dem Bondwerkzeug 2 sichergestellt, dass die Ultraschallschwingungen nicht auf den Wellenleiter 7 übertragen werden.
Die Fig. 5 und 6 zeigen perspektivisch und in der Seitenansicht die Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 mit der Ausnehmung 20. Die Ausnehmung 20 definiert den Absoprtionsbereich 3. Sie ist vorliegend nach Art einer Durchgangsausnehmung gebildet. Der über die Optik 9 fokussierte Laserstrahl 6 trifft im Bereich der Ausnehmung 20 auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs und erwärmt das Bondwerkzeug 2. Ein von dem Bondwerkzeug 2 nicht beim ersten Auftreffen des Laserstrahls 6 absorbierter Teil der Laserstrahlung 6 wird aufgrund der Oberflächengeometrie der Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs im Bereich der Ausnehmung 20 so reflektiert, dass er ebenfalls zum überwiegenden Teil erneut auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 trifft und zur Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 beiträgt.
Nach einer in Fig. 7 dargestellten fünften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 mit Hilfe des Laserstrahls 6 und die Temperaturmessung mit Hilfe des von dem Bondwerkzeug 2 infolge der Erwärmung emittierten Wärmestrahlung 11 in ähnlicher Weise wie bei dem vierten Ausführungsbeispiels. Jedoch ist auf die Ausbildung einer den Absorptionsbereich 3 definierenden Ausnehmung 20 an der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 verzichtet. Stattdessen ist der Absorptionsbereich 3 mantelseitig flächig an dem Bondwerkzeug vorgesehen. Die Temperaturmessstelle 18 liegt in dem Absorptionsbereich 3.
Nach einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß der Fig. 8 wird auf eine zwischen dem freien Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und der den Absorptionsbereich 3 und die Temperaturmessstelle 18 definierende Ausnehmung 20 des Bondwerkzeugs 2 angeordnete strahlenformende Optik 9 verzichtet. Der divergierend aus dem Wellenleiter 7 austretende Laserstrahl 6 trifft unmittelbar im Bereich der Ausnehmung 20 auf die Mantelfläche 1 des Bondwerkzeugs 2 und erwärmt dieses ebenfalls im Bereich der Spitze 5. Ebenso trifft ein Teil der infolge der Erwärmung des Bondwerkzeugs 2 von eben diesem emittierten Wärmestrahlung 11 unmittelbar auf das freie Kopfende 8 des Wellenleiters 7 und wird in diesen eingekoppelt. Der eingekoppelte Teil der Wärmestrahlung 11 gelangt dann, wie für das vorstehende Ausführungsbeispiel beschrieben, zu der Temperaturmesseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 9 zeigt, wie der divergierende Laserstrahl 6 im Bereich der Ausnehmung 20 auf die Spitze 5 des Bondwerkzeugs trifft.
Nach einer siebten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig. 10 und 11 ist die strahlenformende Optik 9 als Kollimatorlinse 9 realisiert. Der divergierend aus dem Wellenleiter 7 austretende Laserstrahl 6 trifft auf die Kollimatorlinse 9. Die Kollimatorlinse 9 sorgt für einen jedenfalls im Wesentlichen parallelen Strahlengang des Laserstrahls 7.
Nach einer achten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig. 12 ist vorgesehen, dass der Wellenleiter 7 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs 2 allein dazu dient, den in Richtung des freien Kopfendes 8 des Wellenleiters 7 emittierten Teil der Wärmestrahlung 11 zu der Temperaturmesseinrichtung zu führen. Hierbei kann, wie dargestellt, auf die Optik 9 verzichtet werden. Alternativ kann die Wärmestrahlung 11 über ein geeignetes Optikelement in den Wellenleiter 7 eingekoppelt werden. Um das Bondwerkzeug 2 im Bereich der Spitze 5 zu erwärmen, ist an dem Bondwerkzeug 2 eine von der zweiten Stirnseite bis zu der Spitze 5 geführte Längsausnehmung 12 vorgesehen. In der Längsausnehmung 12 ist ein weiterer Wellenleiter 13 positioniert. Der Wellenleiter 13 dient dazu, den von dem Lasergenerator bereitgestellten Laserstrahl 6 zu der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 zu führen.
In den Fig. 13 und 14 sind exemplarisch zwei Ausnehmungen 20 mit unterschiedlicher Geometrie dargestellt. In Fig. 13 weist die Ausnehmung 20 in der dargestellten Frontansicht einen sich in Richtung der ersten Stirnseite 4 des Bondwerkzeugs 2 verjüngenden Querschnitt auf. Die Geometrie der Ausnehmung 20 entspricht dabei annähernd einer Keilform der Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2.
In Fig. 14 weist die Ausnehmung 20 einen konstanten Querschnitt auf. In der Frontansicht hat die Ausnehmung 20 eine annähernd rechteckige Form.
Jeweils ist - wie in den Fig. 13 und 14 zu erkennen - an dem Bondwerkzeug 2 an der ersten Stirnseite 4 eine keilförmige Aufnahmenut 14 vorgesehen. Die keilförmige Aufnahmenut 14 dient der Aufnahme beziehungsweise Zentrierung des als Verbindungsbauteil dienenden Bonddrahts.
In den Fig. 15 und 16 ist das Bondwerkzeug 2 beziehungsweise die Spitze 5 des Bondwerkzeugs 2 in einer Seitenansicht dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 ist die Ausnehmung 20 taschenförmig ausgebildet. Die Ausnehmung 20 ist dabei nicht durchführend und durch einen Ausnehmungsgrund 15 begrenzt. Demgegenüber ist die Ausnehmung 20 in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 nach Art einer Durchgangsausnehmung realisiert.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erwärmen und Bestimmen einer Ist-Temperatur eines Bondwerkzeugs (2) eines Ultraschallbonders umfassend das Bondwerkzeug (2) mit einer ersten Stirnseite (4), mit einer zweiten Stirnseite, mit einer Mantelfläche (1), welche die erste Stirnseite (4) mit der zweiten Stirnseite verbindet, und mit einem Absorptionsbereich (3), welcher bevorzugt an der Mantelfläche des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist; eine Temperaturmesseinrichtung zum Bestimmen einer Ist-Temperatur des Bondwerkzeugs (2) an einer Temperaturmessstelle (18), welche mantelseitig an dem Bondwerkzeug (2) und bevorzugt an einer Spitze (5) des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist; einen Lasergenerator, wobei mittels des Lasergenerators ein Laserstrahl (6) bereitgestellt ist und wobei der Laserstrahl (6) im Absorptionsbereich (3) auf das Bondwerkzeug (2) trifft und das Bondwerkzeug (2) infolge der Absorption des Laserstrahls (6) sich erwärmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessstelle (18) im Absorptionsbereich (3) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondwerkzeug (2) im Absorptionsbereich (3) ein besseres Absorptionsvermögen aufweist als außerhalb des Absorptionsbereich (3).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung eingerichtet ist zur berührungslosen
T emperaturmessung.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsbereich (3) durch eine mantelseitig an dem Bondwerkzeug (2) vorgesehenen Ausnehmung (20) gebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenleiter (7) vorgesehen ist, welcher ein auf die Temperaturmessstelle (18) gerichtetes freies Kopfende (8) aufweist, wobei das Kopfende (8) des Wellenleiters (7) der Temperaturmessstelle (18) derart beabstandet zugeordnet ist, dass jedenfalls ein Teil einer infolge der Erwärmung des Bondwerkzeugs (2) durch den Laserstrahl (6) von dem Bondwerkzeug (2) emittierten Wärmestrahlung (11) auf das Kopfende (8) des Wellenleiters (7) trifft und in den Wellenleiter (7) eingekoppelt wird, und wobei die Temperaturmesseinrichtung mit dem Wellenleiter (7) derart zusammenwirkt, dass jedenfalls ein Teil der in den Wellenleiter (7) eingekoppelten Wärmestrahlung (11) zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (7) dem Lasergenerator derart zugeordnet ist, dass der zur Erwärmung des Bondwerkzeugs (2) dienende Laserstrahl (6) durch den Wellenleiter (7) zu dem Bondwerkzeug (2) geführt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) als eine Strahlenfalle für den Laserstrahl (6) ausgebildet ist, indem eine Oberflächengeometrie der Mantelfläche (1) des Bondwerkzeugs (2) im Bereich der Ausnehmung (20) so beschaffen ist, dass ein von dem Bondwerkzeug (2) nicht absorbierter Teil des auf das Bondwerkzeug (2) erstmalig auftreffenden Laserstrahls (6) zu einem überwiegenden Teil in Richtung der Mantelfläche (1) des Bondwerkzeugs (2) reflektiert wird.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang der Wärmestrahlung (11) und/oder des Laserstrahls (6) zwischen dem Kopfende (8) des Wellenleiters (7) und der an dem Bondwerkzeug (2) gebildeten Ausnehmung (20) eine strahlenformende Optik (9) und bevorzugt eine Linse angeordnet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenformende Optik (9) als eine Kollimatorlinse realisiert ist derart, dass der aus dem Wellenleiter (7) ausgekoppelte Laserstrahl nach dem Durchtritt durch die Kollimatorlinse einen jedenfalls annähernd parallelen Strahlengang aufweist, oder dass die strahlenformende Optik (9) als eine Fokussieroptik ausgebildet ist zum Bündeln des aus dem Wellenleiter (7) ausgekoppelten Laserstrahls (6) und/oder der in den Wellenleiter (7) eingekoppelten Wärmestrahlung (11).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennpunkt (10) der Fokussieroptik in der Ausnehmung (20) des Bondwerkzeugs vorgesehen ist und bevorzugt vor der Mantelfläche (1) des Bondwerkzeugs (2) liegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlenformende Optik (9) als Divergenzoptik ausgebildet ist zum Aufweiten des Strahlengangs des Laserstrahls (6).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) als eine Durchgangsausnehmung ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (20) taschenförmig ausgebildet ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondwerkzeug sich in Richtung der ersten Stirnseite (4) keilförmig verjüngt und/oder dass die Ausnehmung (20) jedenfalls abschnittsweise im Bereich einer durch die keilförmige Verjüngung gebildeten Spitze (5) des Bondwerkzeugs (2) vorgesehen ist.
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