VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR KONTAKTIERUNG EINES KONTAKTELEMENTS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontaktierung eines Kontaktele¬ ments auf einem Substrat, bei dem das Kontaktelement mit einer insbesondere als Bondkopf ausgebildeten Verbindungseinrichtung gehalten und das Kσntaktele- ment oder das Substrat oder beide mit thermischer Energie beaufschlagt werden.
Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur Kon¬ taktierung eines Kontaktelements auf einem Substrat, wie etwa ein Drahtleiter auf einer Anschlußfläche einer Leiterplatte, sind hinlänglich bekannt und weisen einen entsprechend hohen Entwicklungsstandard auf. Trotz dieses hohen Standards gibt es immer noch besondere Anwendungsfälle, bei denen die Anwendung der konventionellen Verfahren und Vorrichtungen nur zu unbefriedigenden Ergebnissen führt. Dies ist ins¬ besondere dann der Fall, wenn es darum geht, nicht nur lediglich eine leitfähige Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Substrat bzw. dessen An- schlußfläche herzustellen, sondern darüber hinaus, daß die Verbindung des Kontaktelements mit dem Sub¬ strat mit einer ganz bestimmten, eindeutigen Aus¬ richtung auf dem Substrat erfolgt. Zwar gibt es auch für diesen Fall Verfahren und Vorrichtungen, die eine genaue Kontrolle der Ausrichtung des Kontakt¬ elements auf dem Substrat ermöglichen, wobei diese jedoch im Wege einer Qualitätskontrolle erst nach erfolgter Verbindung des Kontaktelements mit dem Substrat erfolgt, mit der Folge, daß die erziel-
te Ausrichtung irreversibel ist und bei einer Fehl¬ ausrichtung ein entsprechendes Bauteil als Ausschuß definiert werden muß. Hierdurch ergeben sich bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen relativ hohe Ausschußquoten, was einerseits zu hohen Herstel¬ lungskosten und andererseits zu einer Verschwendung von Rohstoffen führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die die Durchführung der Kontaktierung eines Kontaktelements mit einem Substrat mit einer wesentlich geringeren Ausschußquote ermöglicht und somit dazu beiträgt, die Herstellungskosten zu reduzieren und einen Bei¬ trag zur Einsparung von Rohstoffen liefert.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merk¬ malen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das Kon¬ taktelement während der Energiebeaufschlagung am Substrat an, wobei gleichzeitig eine Relativbewegung zwischen dem Kontaktelement und dem Substrat er- folgt. Während dieser Relativbewegung wird als Refe¬ renzwert für die Qualität der Relativposition des Kontaktelements eine von einer Emissionsfläche aus¬ gehende, auf das Kontaktelement übertragene Referen¬ zenergie gemessen. Bei Messung eines ausreichenden Referenzwertes, der zuvor in Versuchen festgelegt worden sein kann oder der auch als das Maximum einer Anzahl gemessener Referenzwerte definiert sein kann, wird die Relativbewegung und die Energiebeaufschla¬ gung abgebrochen. Die Folge hiervon ist ein "Ein- frieren" der zuletzt gegebenen Relativposition des Kontaktelements gegenüber der Emissionsfläche.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei denen die thermische Verbindung des Kontaktelements mit dem Substrat und die damit verbundene Erweichung von Kontaktbereichen zwischen dem Kontaktelement und dem Substrat erst nach der Definition der Relativposi¬ tion erfolgt, geht man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren den umgekehrten Weg und stellt die ge¬ wünschte Relativposition ein, während die Kontaktbe¬ reiche erweicht sind. Durch Beendigung der Energie- zufuhr und der Relativbewegung wird die erreichte Position eingefroren, ohne daß dabei wesentliche Änderungen der Position erfolgen können.
Um die Energiezufuhr bwz. deren Abbruch besonders exakt steuern zu können, erweist sich eine Energie¬ beaufschlagung mittels einer Laserquelle als beson¬ ders vorteilhaft, da die Laserenergie mittels einer Lichtwellenleiteranordnung an genau definierter Stelle in den Verbindungsbereich eingeleitet werden kann, und die Energieeinbringung über Energiestrah¬ lung ein im wesentlichen verzögerungsfreies Abschal¬ ten ohne Pufferwirkung, wie es etwa bei Wärmeleitung der Fall ist, ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das erfindungs¬ gemäße Verfahren bei der Kopplung eines Lichtwellen¬ leiters mit einem Laserenergie emittierenden Bauele¬ ment, etwa einer Laserdiode, Anwendung findet, wobei als Emissionsfläche die Laserenergieaustrittsfläche des auf dem Substrat angeordneten Bauelements dient, und das Kontaktelement durch den Lichtwellenleiter gegeben ist. Hierbei ermöglicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine im wesentlichen verlustfreie Ankopplung des Lichtwellenleiters an die Laserdiode. Als Referenzenergie dient dabei die aus der Laserenergieaustrittsfläche der Laserdiode emittierte Laserenergie, die in den zur Ankopplung
an die Laserdiode vorgesehenen Lichtwellenleiter eingeleitet wird. Zur Ermittlung der optimalen Rela¬ tivposition kann die aus dem Lichtwellenleiter aus¬ tretende Referenzenergie gemessen werden, wobei die optimale Relativposition erreicht ist, wenn die aus¬ tretende Energie ihr Maximum erreicht. Somit ermög¬ licht die Anwendung des Verfahrens bei der Herstel¬ lung einer Diodenlaseranordnung mit Lichtwellenlei- terankopplung einen bislang kaum erreichbaren Wir- kungsgrad der Diodenlaseranordnung.
Um eine einfache Möglichkeit der VorJustierung des Kontakte1ements, das bei Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer Diodenlaseranordnung dem Lichtwellenleiter entspricht, gegenüber der Emissi¬ onsfläche auf dem Substrat zu schaffen, kann der Kontaktelementquerschnitt zumindest teilweise in einer Positioniereinrichtung aufgenommen werden. Diese Positioniereinrichtung bestimmt die Grenzen, innerhalb derer eine Relativpositionierung des Kon¬ taktelements gegenüber der Emissionsfläche möglich ist und vermeidet somit eine übermäßig große Posi¬ tionsabweichung zwischen dem Kontaktelement und der Emissionsfläche, welche die Dauer der Durchführung des Verfahrens unnötig verlängern würde.
Im Fall einer metallischen Ausbildung der äußeren Peripherie des Kontaktelements, also etwa der Licht- wellenleiterummantelung, kann die Positionierein- richtung mindestens zwei als sogenannte "Bumps" be¬ kannte Kontaktmetallisierungserhöhungen aufweisen. Diese Art der Ausbildung der Positioniereinrichtung weist den Vorteil auf, daß die Positioniereinrich¬ tung selbst zur Bereitstellung des für die ther i- sehe Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Substrat benötigten Verbindungsmaterials dient.
Insbesondere in dem Fall, wenn das Verfahren zur Kontaktierung von einem als Drahtleiter ausgeführten Kontaktelement dient, kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn zur Energiebeaufschlagung des Kon- taktelements eine Überlagerung der thermischen Ener¬ gie mit Ultraschallenergie erfolgt.
Eine zur Durchführung des vorstehenden Verfahrens besonders geeignete Vorrichtung weist die Merkmale des Anspruchs 7 auf.
Bei dieser Vorrichtung ist eine als Bondkopf ausge¬ bildete Verbindungseinrichtung vorgesehen, die über eine Lichtwellenleiteranordnung mit einer Laserquel- le verbunden ist, wobei der Bondkopf mit einer vor¬ zugsweise als Vakuumeinrichtung ausgebildeten Ein¬ richtung zum Halten des Kontaktelements am Bondkopf versehen ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine an das Kontaktelement anschließbare Energiemeß- einrichtung zur Messung einer Referenzenergie auf, die von einer auf dem Substrat angeordneten Energie- Emissionseinrichtung auf das Kontaktelement übertra¬ gen wird. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Sub¬ stratträgereinrichtung zur Aufnahme des Substrats auf.
Die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendige Relativbewegung zwischen dem Kontaktele¬ ment und dem Substrat kann durch eine entsprechende Bewegbarkeit des Bondkopfs ermöglicht werden. Dar¬ über hinaus besteht aber auch die Möglichkeit, eine entsprechend bewegbare, also zumindest in einer Ach¬ senrichtung der Verbindungsebene zwischen dem Kon¬ taktelement und dem Substrat quer zur Richtung der emittierten Referenzenergie bewegbare Substratträ¬ gereinrichtung vorzusehen. Hierdurch wird es mög¬ lich, den Bondkopf selbst relativ einfach zu gestal-
ten und für die bewegbare Substratträgeranordnung auf einen konventionellen Kreuztisch oder derglei¬ chen zurückzugreifen, der extrem präzise Ver¬ stellungen in den Bewegungsachsenrichtungen ermög- licht.
Die Lichtwellenleiteranordnung im Bondkopf kann in¬ nenseitig bis an einen Energieübertragungsteil des Bondkopfs herangeführt sein, dessen Außenfläche zur Beaufschlagung des Kontaktelements mit Druck und Wärme dient. Eine derartige Ausbildung des Bondkopfs ermöglicht es, insbesondere bei Verwendung von Mate¬ rialien für das Übertragungsteil, die eine möglichst geringe Wärmekapazität aufweisen, an der Grenzfläche zwischen dem Übertragungsteil und dem Kontaktelement einen Wärmestau zu erzeugen, der zur Verbindung des Kontaktelements mit dem Substrat nutzbar ist.
Durch eine vom Bondkopf unabhängige Ausbildung des Energieübertragungsteils wird darüber hinaus die Möglichkeit geschaffen, dieses auf die jeweilige Materialbeschaffenheit des Kontaktelements abzustim¬ men und bei Verwendung unterschiedlicher Kontaktele¬ mente am Bondkopf auszutauschen. Die Verwendung von Energieübertragungsteilen weist darüber hinaus den Vorteil auf, daß trotz gleichmäßiger Druckaufbrin¬ gung im Bereich der Verbindungsstelle auf das Kon¬ taktelement ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Lichtwellenleiteranordnung im Bondkopf und dem Kon- taktelement vermieden wird, was einen damit einher¬ gehenden Verschleiß am Endquerschnitt der Lichtwel¬ lenleiteranordnung verhindert.
Insbesondere bei der Zwischenschaltung eines Über- tragungsteils zwischen der Lichtwellenleiteranord¬ nung und dem Kontaktelement kann es sich als vor¬ teilhaft erweisen, wenn der Bondkopf zusätzlich mit
Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, um neben der thermischen Energie Ultraschallenergie in die Verbindungsstelle einzubringen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens sowie vorteilhafte Ausführungen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden anhand der . nachfolgenden Zeichnungen näher er¬ läutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 3 eine mögliche Variation der in Fig. 1 darge¬ stellten Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt in einer ersten Ausführungsform eine Kontaktierungsvorrichtung 10 mit einem Bondkopf 11 und einem unterhalb des Bondkopfs 11 angeordneten in X-, Y-, und Z-Achsenrichtung bewegbaren Substratträ- gertisch 12. In eine Aufnahmebohrung des Bondkopfs 11 ist eine mit einer nicht näher dargestellten Strahlungsabschirmung versehene Glasfaserleitung 13 eingeführt, die an eine Laserquelle 19 angeschlossen ist. An ihrem unteren Ende ist die Aufnahmebohrung 14 zu einer Vakuumkammer 15 erweitert, von der eine Saugleitung 16 abgeht, die an eine hier nicht näher dargestellte Saugeinrichtung angeschlossen ist. Die Vakuumkammer 15 dient zum Ansaugen und Halten eines hier als Lichtwellenleiter 17 ausgebildeten Kontakt- elements gegen eine Unterfläche 18 des Bondkopfs 11.
Auf dem Substratträgertisch 12 ist ein in diesem Fall als Trägerplatte 20 ausgebildetes Substrat an¬ geordnet, auf dem sich fest mit diesem verbunden eine Laserdiode 21 und mit Abstand davon zwei Löt- bumps 22, 23 befinden (Fig. 2), die zusammen eine Positioniereinrichtung 24 bilden. Zum sicheren Halt der Trägerplatte 20 auf dem Substratträgertisch 12 ist diese auf hier nicht näher dargestellte Art und Weise mit einer Ansaugeinrichtung versehen.
An den Lichtwellenleiter 17 ist eine Energiemeßein¬ richtung 25 angeschlossen, die mit dem Bondkopf 11 verbunden sein oder eine separate Einrichtung bilden kann und signaltechnisch zum einen mit der Laser- quelle 19 und zum anderen mit dem Substratträger¬ tisch 12 verbunden ist.
Nachfolgend soll eine mögliche Variante des Verfah¬ rens zur Kontaktierung des Lichtwellenleiters 17 mit der Trägerplatte 20 anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert werden. Ziel der hier beispielhaft erläu¬ terten Verbindung des Lichtwellenleiters 17 mit der Trägerplatte 20 ist es, eine Diodenlaseranordnung 26 herzustellen, bei der eine aus der Laserdiode 21 emittierte Laserstrahlung in den Lichtwellenleiter 17 eingekoppelt und durch diesen an eine beliebige Strahlungsaustrittsstelle weitergeleitet werden soll. Dabei ist es wesentlich, daß ein Strahlungs¬ eintrittsquerschnitt 27 des Lichtwellenleiters 17 genau zu einer Emissionsfläche 28 der Laserdiode 21 ausgerichtet ist, um die Einkopplung der Laserstrah¬ lung in den Strahlungseintrittsquerschnitt 27 mög¬ lichst verlustfrei zu gestalten. Eine unmittelbare Verbindung der Emissionsfläche 28 mit dem Strahl- ungseintrittsquerschnitt 27 ist zu vermeiden, da hierbei möglicherweise auftretende Deformationen zu Strahlungsverlusten führen könnten. Für die Lei-
stungsfähigkeit der Diodenlaseranordnung 26 ist es wesentlich, daß die im Fall der beispielhaft ausge¬ wählten Laserdiode etwa lediglich 2 μm im Durchmes¬ ser betragende Emissionsfläche 28 der Laserdiode 21 so zum Lichtwellenleiter 17 ausgerichtet ist, daß ihre Projektion innerhalb des den Strahlungsein¬ trittquerschnitt 27 bildenden Kernquerschnitts des Lichtwellenleiters 17 liegt, der bei diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel etwa 5 - 6 μm im Durchmesser beträgt.
Zunächst wird der Substratträgertisch 12 mit der darauf angeordneten Trägerplatte 20 in in Z-Achsen- richtung so gegen den durch Vakuum am Bondkopf 11 gehaltenen Lichtwellenleiter 17 gefahren, daß sich die in Fig. 2 dargestellte Konfiguration einstellt. Hierbei ist schon eine Vorjustierung dadurch gege¬ ben, daß der Lichtwellenleiter 17 mit seinem Quer¬ schnitt teilweise zwischen den Lötbumps 22, 23 der Positioniereinrichtung 24 aufgenommen ist. Die Löt- bumps 22, 23 weisen bei dem dargestellten Ausfüh¬ rungsbeispiel einen etwa viereckigen Querschnitt auf; können jedoch auch beliebig anders ausgebildet sein. Zur Ausrichtung des Lichtwellenleiters 17 ge¬ genüber dem Bondkopf 11 ist dessen unteres Ende etwa trichterförmig ausgebildet und nimmt den Lichtwel¬ lenleiter 17 mit seinem Umfang zwischen zwei Kanal¬ rändern 29, 30 eines Lichtwellenleiterkanals 31 auf, der gleichzeitig die Öffnung der Vakuumkammer 15 nach außen bildet. Hierbei befindet sich ein End- querschnitt 38 der Glasfaserleitung 13 in geringem Abstand zum Lichtwellenleiter 17; kann jedoch auch an diesem anliegen.
Ausgehend von der in Fig. 2 dargestellten Konfigura- tion wird die Laserquelle 19 aktiviert, was zu einem
Austritt von Laserstrahlung aus dem Endquerschnitt
38 der Glasfaserleitung 13 und einer entsprechenden
Erwärmung des darunter liegenden, bei diesem Ausfüh¬ rungsbeispiel mit einer Metallummantelung 32 verse¬ henen Lichtwellenleiters 17 führt. Über die Metall¬ ummantelung 32 wird die Wärme in die Lotbumps 22, 23 geleitet, was zu deren Erweichung führt. Die Erwei¬ chung der Lotbumps 22, 23 führt zu einer Auflösung der starren Positionierung, so daß nunmehr Bewegun¬ gen des Substratträgertischε 12 zusammen mit der darauf angeordneten Trägerplatte 20 in X-Achsenrich- tung möglich sind. Während dieser Bewegungen bleibt der Druckkontakt zwischen dem Bondkopf 11 und dem Substratträgertisch 12, der über den Lichtwellenlei¬ ter 17 geführt ist, erhalten, so daß auch die Posi¬ tionierung des Lichtwellenleiters 17 in Z-Achsen- richtung relativ zum Substratträgertisch 12 erhalten bleibt.
Während der Relativbewegung des Lichtwellenleiters 17 gegenüber dem Substratträgertisch 12 ist die La- serdiode 4 aktiviert und emittiert über ihre Emis¬ sionsfläche 28 Laserstrahlung in Richtung auf den Strahlungseintrittsquerschnitt 27 des Lichtwellen¬ leiters 17. Der Teil der emittierten Strahlungsener¬ gie, der in den Lichtwellenleiter 17 eintritt und durch diesen übertragen wird, wird durch die an den Lichtwellenleiter 17 angeschlossene Energiemeßein¬ richtung 25 gemessen. Bei Feststellung des Strah¬ lungsmaximums wird die Relativbewegung zwischen dem Lichtwellenleiter 17 und dem Substratträgertisch 12 abgebrochen und die Laserquelle 19 wird abgeschal¬ tet; beides geschieht über entsprechende Signale, die von der Energiemeßeinrichtung 25 an eine nicht näher dargestellte VerStelleinrichtung des Substrat- trägertischs 12 und die Laserquelle 19 geleitet wer- den.
Durch das Abschalten der Laserquelle 19, die kon¬ stant oder im Pulsverfahren betrieben werden kann, und den Abbruch der Relativbewegung während des er¬ weichten Zustands der Lotbumps 22, 23 erfolgt quasi ein Einfrieren der optimalen, durch das gemessene Strahlungsmaximum definierten Relativposition des Strahlungseintrittsquerschnitt 27 vom Lichtwellen¬ leiter 17 zur Emissionsfläche 28 der Laserdiode 21. Nach der Erstarrung der Verbindung zwischen der Trä- gerplatte 20 und dem Lichtwellenleiter 17 ist somit eine extrem leistungsfähige Laserdiodenanordnung geschaffen. Es versteht sich, daß auf die gleiche Art, mit der eine Optimierung der Relativposition des Lichtwellenleiters 17 gegenüber der Laserdiode 21 in X-Achsenrichtung möglich ist, ebenso eine ent¬ sprechende optimale Positionierung in Y-Achsenrich- tung möglich ist.
Zur Verbindung eines Lichtwellenleiters mit der Trä- gerplatte 20, der nicht mit einer Metallummantelung sondern beispielsweise mit einer Acrylummantelung versehen ist, können die in dem vorstehenden Bei¬ spiel als Lotbumps 22, 23 ausgeführten Positionier¬ hilfen der Positioniereinrichtung 24 aus einem ent- sprechenden Kunststoffmaterial ausgebildet sein, das eine thermische Verbindung mit dem Lichtwellenleiter ermöglicht. Ebenso ist es möglich, das vorstehend in einer Variante beschriebene Verfahren nicht nur zur Herstellung von Diodenlaseranordnungen zu verwenden, sondern ganz allgemein dann, wenn es darum geht, eine möglichst genaue Positionierung eines Kontakt¬ elements auf einem Substrat zu bewirken. Dabei ist es dann möglich, nicht eine Laserdiode sondern eine Energie-Emissionseinrichtung ganz allgemeiner Art, beispielsweise einen stromdurchflossenen Leiter mit einem Kontaktquerschnitt als Emissionsfläche zu ver¬ wenden. Als Referenzwert für die korrekte Relativpo-
sitionierung kann dann beispielsweise auch der im Kontaktelement gemessene elektrische Strom im Ver¬ hältnis zum eingespeisten elektrischen Strom gemes¬ sen werden. Dabei kann dann etwa auch eine Kontak- tierungsvorrichtung 39 zum Einsatz kommen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Hierbei wird in Abwand¬ lung eines an sich bekannten Wedge-Bond-Verfahrens die zur thermischen Verbindung notwendige Energie wie bei dem vorstehend geschilderten Ausführungsbei- spiel über eine Glasfaserleitung 13 in einen gegen¬ über dem vorstehenden Ausführungsbeispiel modifi¬ zierten Bondkopf 33 eingeleitet.
Im Unterschied zu dem vorstehend geschilderten Ver- fahren sowie der dabei verwendeten Vorrichtung ist der Bondkopf 33 mit einem Energieübertragungsteil 34 versehen, das zwischen dem Endquerschnitt 38 der Glasfaserleitung 13 und dem Umfang des hier als Drahtleiter 35 ausgebildeten Kontaktelements ange- ordnet ist. Bei dem hier dargestellten Ausführungs¬ beispiel ist das Substrat durch einen Chip 36 gege¬ ben, der zur Verbindung mit dem Drahtleiter 35 einen Lötbump 37 aufweist. Als Emissionsfläche kann bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine nicht-schmelzende Teilfläche des Lotbumps 34 vorge¬ sehen sein.
Es versteht sich, daß die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung auch unabhängig von der Überwachung der Relativposition des Kontaktelements gegenüber dem Substrat, wie es anhand der Fig. 1 und 2 ausführlich erläutert wurde, ganz allgemein Vorteile für die Verbindung von Kontaktelementen mit einer Substrat¬ fläche, die wiederum auch durch ein Kontaktelement gebildet sein kann, bietet. Durch die Zwischenschal¬ tung des Energieübertragungsteils 34 zwischen den Endquerschnitt 38 der Glasfaserleitung 13 und dem
Umfang des Drahtleiters 35 kommt es bei entsprechen¬ der Materialauswahl für das Übertragungsteil zu ei¬ nem Wärmestau und damit zu einer lokalen Temperatur¬ überhöhung im Kontaktbereich zwischen dem Energie- übertragungsteil 34 und dem Drahtleiter 35, wodurch die Verbindung besonders effektiv ausgeführt werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn der thermi¬ schen Beaufschlagung der Verbindungsstelle noch eine Beaufschlagung mit Ultraschallenergie überlagert wird.