WO2003001572A2 - Vorrichtung zum bonden mit elektromagnetischer kraftdosierung - Google Patents

Vorrichtung zum bonden mit elektromagnetischer kraftdosierung Download PDF

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WO2003001572A2
WO2003001572A2 PCT/AT2002/000183 AT0200183W WO03001572A2 WO 2003001572 A2 WO2003001572 A2 WO 2003001572A2 AT 0200183 W AT0200183 W AT 0200183W WO 03001572 A2 WO03001572 A2 WO 03001572A2
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holder
lifting part
electromagnet
force
measuring device
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Inventor
Andreas Mayr
Original Assignee
Datacon Semiconductor Equipment Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/68—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for positioning, orientation or alignment

Definitions

  • the invention relates to a device for positioning and / or for connecting the contact paths of electronic circuits, for example chips, on a carrier, such as a printed circuit board, ceramic substrate or the like, the electronic circuits being detected by a positioning device and positioned on the carrier and the positioning device comprises at least one holder and a lifting part mounted in the holder, the lifting part being coupled to the holder via magnetic forces.
  • Such a device for connecting, in the following the specialist term bonding is used, from semiconductor chips to a substrate is known for example from JP 10 135250 A2.
  • a positioning system with a bond head is provided, which brings the chip from the supply position over the bond point and there brings the chip into contact with the substrate by lowering the holder.
  • the bonding force required for the bonding process is applied by means of three permanent magnets arranged at a certain distance one above the other, the outer permanent magnets being connected to the holder and the middle one being connected to the lifting part.
  • the bonding force is determined by the magnetic repulsive forces of the two magnets with the same polarity, which increases according to their reduction in distance.
  • the bonding force is measured and the vertical position of the holder is adjusted accordingly via a pressure sensor which is arranged above a fixed magnet.
  • a disadvantage of this arrangement is that constant bonding forces can only be achieved by precisely moving the holder as a function of the measured pressure. With this method, however, large masses are moved, which on the one hand reduces the accuracy and on the other hand limits the speed of the bonding process required in the mass production of semiconductors.
  • the bonding forces are realized in that the holder has a suction needle with which the chip is sucked in and this suction needle is movably mounted in the holder. The bonding force is applied by a spring that biases the suction needle relative to the holder.
  • the spring is designed so that the spring characteristic curve is as flat as possible in the compression range used, that is to say the change in force is as small as possible.
  • the spring must be replaced in order to realize other bonding forces, and usually the entire holder on the positioning system must be replaced.
  • Spiral springs are usually used as springs.
  • the use of leaf springs is also known in devices for realizing very low bonding forces.
  • a disadvantage of the use of mechanical springs for realizing the bonding force is that the bonding force is not constant via the spring movement and therefore different forces result, depending on how the lifting part and the holder are relative to one another.
  • the change in the target bond force in the neutral position can only be achieved by replacing the spring.
  • the object of the invention is therefore to provide a device of the type mentioned at the outset which on the one hand avoids the disadvantages indicated above and on the other hand the adjustable ones necessary for process engineering reasons constant force or, if necessary, also force profiles when processing chips.
  • the device according to the invention is characterized in that at least one controllable electromagnet and a movable armature part arranged relative to this electromagnet is provided.
  • a further electromagnet is provided in addition to the electromagnet, the armature part being located between the two electromagnets. Additional advantageous properties can be achieved by mounting the movable armature part between two electromagnets. For example, using a
  • Position sensor for direct measurement of the position of the armature part or via the measurement of indirect quantities such as the magnetic flux, induction or the coil current, a contact-free and thus friction-free mounting of the armature part is possible during its rotation into a certain angular position. By eliminating friction effects, a much more precise angular positioning is possible. Furthermore, through this arrangement smaller bond forces are achieved than that determined by the weight of the anchor part.
  • the electromagnets are supplied with energy via at least one controllable and / or regulated current or voltage source.
  • the current, but also the voltage, in the coils of the electromagnets By changing the current, but also the voltage, in the coils of the electromagnets, the magnetic field and thus the currently acting forces can be varied.
  • a controllable and / or regulated current and / or voltage source is required, which ensures that the required bonding forces are available.
  • the current or voltage source has a controller and the force measured by a, preferably statically determined, force measuring device serves as the input variable for the controller.
  • the advantage of using the force as an input variable for the controller is that the physical quantity of interest can be used directly as a target / actual value comparison. This enables a much more precise force specification to be achieved than if, for example, indirect physical variables such as the
  • Coil current, the magnetic flux or the air gap would be used for force control using a force law.
  • the force measuring device is provided between the holder and the lifting part, in particular between the holder and the electromagnet.
  • the advantage is the use of the force between the bracket and the lifting part, which serves directly as an input variable for the controller.
  • the electromagnets are connected to each other by the connection without contact to the holder.
  • the mechanical connection to the bracket takes place exclusively via the force measuring device.
  • the force measuring device is integrated or arranged in the lifting part, in particular between a bearing and the end of the lifting part facing away from the holder.
  • the advantage is that the sensor only responds to changes in force triggered by pressure on the tip of the lifting part or needle. The effects of force due to poor bearing management or effects in the upper area are avoided.
  • the current or voltage source has a controller and the relative position of the holder and the lifting part, measured with the aid of at least one position measuring device, serves as the input variable for the controller.
  • the use of the relative position between the lifting part and the holder, which is measured with the aid of a displacement sensor, has the advantage that contactless mounting of the armature part between the electromagnets can be achieved.
  • commercially available, highly accurate position sensors can be used, which significantly simplifies implementation in mass production.
  • the position measuring device is provided between the positioning device and the lifting part or between the armature part and holder or armature part and the electromagnets or their connection.
  • Such an arrangement is particularly advantageous with regard to a device for processing chips.
  • This advantage is to be seen when using at least one lifting magnet in that the mass of the lifting part is decoupled from the mass of the holder and thus also from the mass of the positioning device.
  • the position measuring device is integrated in an electromagnet. The advantage here is that extremely precise measurements can be carried out.
  • At least one controller keeps the force between the holder and the lifting part constant and independent of the relative position.
  • An essential quality criterion when bonding chips is that the gap between the chip and the substrate filled with adhesive has a precisely defined joining gap thickness, which maintains the constant value even with varying substrate and chip heights. According to the invention, this is realized in an automated bond system in that the chip is pressed onto the printed circuit board over a constant period of time with the constant bond force that can be achieved by this invention.
  • the setpoint specification for a force and / or the specification of the relative position as a constant or as a function of time is possible. This allows the parameters for the manufacturing process to be entered and, of course, changed in the simplest way.
  • the force, in particular the bonding force can be freely selected via the electronic control unit, this force also maintaining its predetermined constant value regardless of the relative position of the armature relative to the holder.
  • the armature part is connected to the lifting part of the positioning device and the electromagnet is provided in the holder.
  • a bonding head is integrated in the positioning device.
  • the use of at least one electromagnet in a bond head results, in addition to the advantage of the constant force, already shown, preferably a constant one Bond strength, the advantages of maintenance and wear-free.
  • a bondhead constructed in this way is particularly suitable for thievers.
  • the armature part is coupled to a servo motor or to its axis via a bellows, in particular a metal bellows, such as a bronze bellows.
  • a bellows in particular a metal bellows, such as a bronze bellows.
  • the advantage can be seen in the fact that a rotation of the anchor part or a controlled adjustment of the angle of rotation is possible via the bellows.
  • the bronze bellows in particular have advantages because they are elastic both in the z direction and in the x y direction, but still do not allow twisting.
  • the lifting part is a suction needle.
  • this device according to the invention can also be used in a bonding head, among other things.
  • a bonding head usually comprises a suction needle for sucking in the chip and for transporting it. It is a serious simplification of the tool if the lifting part is designed as a suction needle.
  • the positioning device can have at least three freedom of movement, in the x, y and z directions.
  • the chip can thus normally be brought from the supply position, that is to say, for example, from its storage on a film, to the processing point, preferably to the bonding point. But it is quite conceivable that the positioning device four
  • the positioning device has only three freedom of movement, namely in the y, z direction and rotation.
  • the correction movement in the x direction guides the substrate.
  • the lifting part is additionally guided in a radial guide bearing, for example in a mechanical bearing or an air bearing.
  • the radial bearing of the lifting part has a decisive influence on the accuracy that can be achieved.
  • the bearing axis must exactly match the vertical z-axis in order not to cause any lateral misalignment during the relative movement, on the other hand, the bearing axis must be laterally very stiff in order to prevent lateral deflection of the lifting part, especially the suction needle, even with high forces.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the device in a bonder
  • Fig. 2 shows the device with a servo motor
  • Fig. 3 shows the device with a servo motor and only one electromagnet.
  • the positioning device 1 comprises at least one holder 2 and a lifting part 3 mounted in the holder 2.
  • At least one electromagnet 4 is integrated in the holder 2, with which an adjustable force for the lifting part 3 is generated via an armature part 6.
  • An electromagnet 5 and a position measuring device 11 are advantageously also integrated in the holder 2.
  • the electromagnets 4, 5 are supplied with energy via a - not shown - controllable and / or regulated, programmable voltage or current source.
  • the electromagnets 4, 5 are connected by the connection 8 to the holder 2 without contact.
  • the mechanical connection to the holder 2 takes place exclusively via the force measuring device 7.
  • the armature part 6, for example a permanent magnet armature is introduced, which in turn is rigidly coupled to the lifting part 3 designed as a suction needle.
  • a chip 9 is held with the aid of the suction needle, which can be evacuated.
  • the suction needle is guided through a radial guide bearing 10.
  • the radial guide bearing 10 can be designed, for example, as an air bearing, as a result of which advantageously no static friction occurs, which reduces the accuracy of the force application.
  • the chip 9 is brought into contact with the substrate by means of the positioning device 1 via the bonding point and there with a vertical movement.
  • the distance between the electromagnet 4 and the suction needle firmly connected to the armature part 6 increases in the magnetic bearing.
  • the resulting magnetic force which acts on the armature part 6 from the electromagnet 4 or from the electromagnets 4 and 5, together with the weight of the lifting part 3, determines the force measured with the force measuring device 7.
  • the dead weight of the lifting part 3 defines the minimum achievable bonding force of the chip 9 on the substrate. If two electromagnets 4, 5 are used, lower static bonding forces than are specified by the dead weight can also be achieved.
  • the magnetic force and thus the bonding force can be changed by the currents impressed into the coils of the electromagnets 4 and 5.
  • the currents are therefore to be selected as a function of the desired target force and the vertical position of the armature part 6 relative to the electromagnets 4 and 5.
  • Suitable control algorithms can, for example, achieve a constant bonding force independent of the relative movement, the absolute value of the bonding force being freely selectable.
  • Other force profiles depending on the relative movement are also conceivable and can be implemented by means of appropriate control algorithms or setpoint values over time.
  • the properties of the magnetic force field between armature part 6 and electromagnets 4, 5, such as the rigidity and damping, can be changed by changing the controller parameters.
  • the position of the suction needle, as the lifting part 3, can also be specified in a large range by specifying a setpoint.
  • the anchor part 6 is over a bellows 13, in particular one
  • Bronze bellows coupled to a servo motor 12 or to its axis.
  • the armature part 6 can move elastically in the z and in the x y direction, with a rotation of the armature part 6 and thus a defined one
  • the lifting part 3 is connected to the anchor part 6.
  • the armature part 6 is arranged between the electromagnets 4, 5.
  • the electromagnets 4, 5 are fixed in the holder 2 and via the connection 8.
  • the position measuring device 11 is arranged in the electromagnet 5 and outputs exact data which are used as a controlled variable.
  • the force measuring device 7 is integrated in the lifting part 3 and is provided between the radial bearing 10 and the end receiving the chip 9. Exact data that can be used as a controlled variable can also be expected here.
  • the armature part 6 is again coupled to a servo motor 12 or to its axis via a bellows 13, in particular a bronze bellows.
  • the electromagnet 4 is provided, which is mechanically connected to the holder 2.
  • the position measuring device 11 is arranged in this electromagnet 4.
  • the force measuring device 7 is also provided between the radial bearing 10 and the tip of the lifting part 3 receiving the chip 9.
  • the anchor part 6 is practically held in the air by the bellows 13.
  • the tensile force on the armature part 6 is exerted via the electromagnet 4.
  • the restoring force is due to the elasticity of the bronze bellows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Positionieren und/oder zum Verbinden der Kontaktbahnen von elektronischen Schaltungen, beispielsweise Chips (9), auf einem Träger, wie beispielweise einer Leiterplatte, Keramiksubstrat od. dgl. Die elektronischen Schaltungen werden von einer Positioniereinrichtung (1) erfasst und auf dem Träger positioniert. Die Positioniereinrichtung (1) umfasst mindestens eine Halterung (2) und einen in der Halterung (2) gelagerten Hubteil (3). Der Hubteil (3) ist über magnetische Kräfte an die Halterung (2) angekoppelt. Mindestens ein regelbarer Elektromagnet (4) und ein relativ zu diesem Elektromagneten (4) angeorneter, beweglicher Ankerteil (6) ist vorgesehen.

Description

Einrichtung zum Positionieren
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Positionieren und/oder zum Verbinden der Kontaktbahnen von elektronischen Schaltungen, beispielsweise Chips, auf einem Träger, wie beispielsweise einer Leiterplatte, Keramiksubstrat od. dgl., wobei die elektronischen Schaltungen von einer Positioniereinrichtung erfaßt und auf dem Träger positioniert werden und die Positioniereinrichtung mindestens eine Halterung und einen in der Halterung gelagerten Hubteil umfaßt, wobei der Hubteil über magnetische Kräfte an die Halterung angekoppelt ist.
Eine derartige Einrichtung zum Verbinden, im nachstehenden wird der fachspezifische Begriff Bonden verwendet, von Halbleiterchips auf ein Substrat ist beispielsweise aus der JP 10 135250 A2 bekannt. Bei dieser Einrichtung ist ein Positionierungssystem mit einem Bondkopf vorgesehen, das der Chip von der Versorgungsposition über die Bondstelle bringt und dort durch Absenken des Halters das Chip mit dem Substrat in Kontakt bringt. Die für den Bondvorgang notwendige Bondkraft wird mittels drei in gewissem Abstand übereinander angebrachten Permanentmagnete aufgebracht, wobei die äußeren Permanentmagnete mit dem Halter verbunden sind und der mittlere in Verbindung mit dem Hubteil steht. Die Bondkraft wird durch die magnetischen Abstoßungskräfte der zwei gleichsinnig gepolten Magnete bestimmt, die entsprechend ihrer Abstandsverminderung zunimmt. Über einen Drucksensor, der über einem feststehenden Magneten angeordnet ist, wird die Bondkraft gemessen und die Vertikalposition des Halters entsprechend angepaßt. Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass konstante Bondkräfte nur durch präzises Verfahren des Halters in Abhängigkeit des gemessenen Druckes erreicht werden. Bei diesem Verfahren werden allerdings große Massen bewegt, was einerseits die Genauigkeit reduziert und andererseits die in der Massenproduktion von Halbleitern geforderte Geschwindigkeit des Bondvorganges begrenzt. Nach einem weiteren Stand der Technik erfolgt die Realisierung der Bondkräfte dadurch, daß der Halter eine Saugnadel aufweist, mit der der Chip angesaugt wird und diese Saugnadel beweglich im Halter gelagert wird. Die Bondkraft wird durch eine Feder aufgebracht, die die Saugnadel relativ zum Halter vorspannt. Abhängig von der Federkennlinie erhält man eine Kraft, die sich mit dem Einfederweg des Saugtools im Halter ändert. Zur Erreichung konstanter Bondkräfte wird die Feder so ausgelegt, daß die Federkennlinie im verwendeten Einfederbereich möglichst flach verläuft, das heißt, die Änderung der Kraft möglichst gering ausfällt. Zur Realisierung anderer Bondkräfte ist der Tausch der Feder notwendig, wobei meist der gesamte Halter am Positioniersystem getauscht werden muß.
Als Federn kommen üblicherweise Spiralfedern zum Einsatz. In Einrichtungen zur Realisierung sehr geringer Bondkräfte ist auch die Verwendung von Blattfedern bekannt. Nachteilig an der Verwendung von mechanischen Federn zur Realisierung der Bondkraft ist, daß die Bondkraft über die Einfederbewegung nicht konstant ist und sich daher unterschiedliche Kräfte ergeben, je nachdem wie der Hubteil und die Halterung relativ zueinander stehen. Zudem ist die Veränderung der Sollbondkraft in Neutrallage nur durch Austausch der Feder zu realisieren.
Aus der JP11 154692 A2 ist es bekannt, Bondkräfte durch Druckdifferenz zu beiden Seiten eines Kolbens in einem Druckzylinder zu realisieren. Bei den Anwendungen mit einem Druckzylinder kann zwar durch Regelung der Druckdifferenz bei der Einfederbewegung die Bondkraft annähernd konstant gehalten werden, allerdings ist die Geschwindigkeit der Regelung durch die endliche Geschwindigkeit des Gastransportes begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits die oben aufgezeigten Nachteile vermeidet und die anderseits die aus prozeßtechnischen Gründen notwendige einstellbare konstante Kraft oder gegebenenfalls auch Kraftprofile bei der Verarbeitung von Chips ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein regelbarer Elektromagnet und ein relativ zu diesem Elektromagneten angeordneter, beweglicher Ankerteil vorgesehen ist. Mit dieser Erfindung ist es erstmals möglich, im rationellen Fertigungsprozeß, beispielsweise beim Andrücken des Chip auf das Substrat, immer eine konstante Kraft, insbesondere eine Bondkraft, aufzubringen, trotz unterschiedlicher Relativbewegung des Hubteiles in die Halterung aufgrund variierender Chip- oder Substratdicken. Die Größe dieser konstanten Kraft variiert entsprechend der Charakteristik der verwendeten Verbindungstechnik und kann von einigen mN bis einigen N betragen. Mit der Erfindung kann ohne Werkzeugtausch die Kraft, beispielsweise zum Bonden, durch Vorgabe der Spannung oder des Stromes durch den/die Elektromagneten verändert werden. Ferner weist die Erfindung den Vorteil auf, daß die Genauigkeit und Geschwindigkeit der Krafteinstellung den Erfordernissen entspricht.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zusätzlich zum Elektromagnet ein weiterer Elektromagnet vorgesehen, wobei sich der Ankerteil zwischen den beiden Elektromagneten befindet. Durch die Lagerung des beweglichen Ankerteils zwischen zwei Elektromagnete können zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften erzielt werden. Beispielsweise ist unter Verwendung eines
Positionssensors zur direkten Messung der Position des Ankerteils oder über die Messung indirekter Größen wie beispielsweise dem magnetischen Fluss, der Induktion oder des Spulenstromes eine berührungsfreie und damit reibfreie Lagerung des Ankerteils während seiner Verdrehung in eine bestimmte Winkellage möglich. Durch den Wegfall von Reibeffekten ist eine wesentlich exaktere Winkelpositionierung möglich. Weiters können durch diese Anordnung kleinere Bondkräfte erzielt werden, als die durch das Eigengewicht des Ankerteils vorgegeben.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung erfolgt die Energieversorgung der Elektromagneten über mindestens eine regelbare und/oder geregelte Strom- bzw. Spannungsquelle. Durch Veränderung des Stromes, aber auch der Spannung, in den Spulen der Elektromagnete kann das Magnetfeld und damit die aktuell wirkenden Kräfte variiert werden. Um einen Maschinenteil auf eine derartige Art und Weise lagern zu können, ist eine regelbare und/oder geregelte Strom- und/oder auch Spannungsquelle erforderlich, die dafür sorgt, daß die benötigten Bondkräfte zur Verfügung stehen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Strom- bzw. Spannungsquelle einen Regler auf und als Eingangsgröße für den Regler dient die durch eine, vorzugsweise statisch bestimmte, Kraftmesseinrichtung gemessene Kraft. Der Vorteil der Verwendung der Kraft als Eingangsgröße für den Regler ist, daß damit direkt die interessierende physikalische Größe als Soll-Istwert-Vergleich verwendet werden kann. Dadurch ist eine wesentlich genauere Kraftvorgabe erzielbar als wenn beispielsweise indirekte physikalische Größen wie der
Spulenstrom, der magnetische Fluss oder der Luftspalt unter Anwendung eines Kraftgesetzes für die Kraftregelung verwendet würden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftmesseinrichtung zwischen Halterung und Hubteil, insbesondere zwischen der Halterung und dem Elektromagneten, vorgesehen. Der Vorteil ist die Verwendung der Kraft zwischen Halterung und Hubteil, die direkt als Eingangsgröße für den Regler dient. Die Elektromagnete sind durch die Verbindung berührungsfrei zur Halterung miteinander verbunden. Die mechanische Anbindung an die Halterung erfolgt ausschließlich über die Kraftmesseinrichtung. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kraftmesseinrichtung in den Hubteil, insbesondere zwischen einem Lager und dem der Halterung abgewandten Ende des Hubteiles, integriert bzw. angeordnet. Der Vorteil liegt darin, dass der Sensor nur mehr auf Kraftänderungen, ausgelöst durch Druck auf die Hubteilspitze bzw. Nadelspitze anspricht. Krafteinwirkungen durch eine schlechte Lagerführung oder durch Effekte im oberen Bereich werden vermieden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Strom- bzw. Spannungsquelle einen Regler auf und als Eingangsgröße für den Regler dient die mithilfe mindestens einer Positionsmesseinrichtung gemessene Relativposition von Halterung und Hubteil. Die Verwendung der mit Hilfe eines Wegsensors gemessenen Relativposition zwischen Hubteil und Halter hat den Vorteil, daß damit eine berührungsfreie Lagerung des Ankerteils zwischen den Elektromagneten erzielt werden kann. Zudem können kommerziell erhältliche, hochgenaue Positionssensoren verwendet werden, wodurch eine Umsetzung in der Massenproduktion wesentlich vereinfacht wird.
Nach einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Positionsmesseinrichtung zwischen Positioniereinrichtung und dem Hubteil oder zwischen Ankerteil und Halterung oder Ankerteil und den Elektromagneten bzw. deren Verbindung vorgesehen. Insbesondere in Hinblick auf eine Einrichtung zum Verarbeiten von Chips ist eine derartige Anordnung von Vorteil. Dieser Vorteil ist bei der Verwendung von mindestens einem Hubmagneten darin zu sehen, dass dadurch die Masse des Hubteiles von der Masse der Halterung und damit auch von der Masse der Positioniereinrichtung entkoppelt ist. Dadurch ist beim stosshaften Kontakt zwischen Chip und Substrat nur mehr die geringe Masse des Hubteiles wirksam und nicht mehr die gesamte Masse der Positioniereinrichtung. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Positionsmesseinrichtung in einem Elektromagneten integriert. Vorteilhaft dabei ist, dass überaus genaue Messungen durchgeführt werden können.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung haltet mindestens ein Regler die Kraft zwischen Halterung und Hubteil konstant und unabhängig von der Relativposition. Ein wesentliches Qualitätskriterium beim Bonden von Chips ist, daß der mit Kleber ausgefüllte Spalt zwischen Chip und Substrat eine genau definierte Fügespaltdicke aufweist, die auch bei variierenden Substrat- und Chiphöhen den konstanten Wert beibehält. Dies wird gemäß der Erfindung in einer automatisierten Bondanlage dadurch realisiert, daß der Chip mit der durch diese Erfindung erreichbaren konstanten Bondkraft über einen konstanten Zeitraum auf die Leiterplatte gedrückt wird.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Sollwertvorgabe für eine Kraft und/oder die Vorgabe der Relativposition als Konstante oder als Funktion der Zeit möglich. Damit können in einfachster Weise die Parameter für den Fertigungsprozeß eingegeben und natürlich auch verändert werden. Über die elektronische Regeleinheit kann die Kraft, insbesondere die Bondkraft, frei gewählt werden, wobei diese Kraft auch unabhängig von der relativen Lage des Ankers zur Halterung ihren vorgegebenen konstanten Wert beibehält.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Ankerteil mit dem Hubteil der Positioniereinrichtung verbunden und der Elektromagnet in der Halterung vorgesehen. Auch eine derartige Konstruktion ist durchaus denkbar und hat ihre Vorteile.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung ist in die Positioniereinrichtung ein Bondkopf integriert. Auf diese Weise ist eine immense Verbesserung der Qualität im Fertigungsprozeß erreichbar. Durch den Einsatz von mindestens einem Elektromagneten in einem Bondkopf ergeben sich, neben dem bereits aufgezeigten Vorteil der konstanten Kraft, vorzugsweise einer konstanten Bondkraft, noch die Vorteile der Wartungs- und Verschleißfreiheit. Darüber hinaus sind äußerst minimale Lagerverluste und ein minimales Betriebsgeräusch gegeben. Ein derart konstruierter Bondkopf eignet sich vor allem für Diebonder.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal der Erfindung ist der Ankerteil über einen Balg, insbesondere einem Metallbalg, wie beispielsweise einem Bronzebalg, an einen Servomotor bzw. an dessen Achse gekoppelt. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass über den Balg eine Drehung des Ankerteiles bzw. eine kontrollierte Einstellung des Drehwinkels möglich ist. Vor allem der Bronzebalg hat Vorteile, da er sowohl in z-Richtung als auch in x y-Richtung elastisch ist, aber trotzdem keine Verdrehung zulässt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsgedanken der Erfindung ist der Hubteil eine Saugnadel. Wie bereits mehrfach erwähnt, ist diese erfindungsgemäße Einrichtung unter anderem auch in einem Bondkopf einsetzbar. Üblicherweise umfaßt ein derartiger Bondkopf eine Saugnadel zum Ansaugen des Chips und zum Transport desselben. Es ist also eine gravierende Vereinfachung des Werkzeuges, wenn der Hubteil als Saugnadel ausgeführt wird.
Die Positioniereinrichtung kann mindestens drei Bewegungsfreiheiten, in x-, y- und z-Richtung, aufweisen. Damit kann normalerweise der Chip von der Versorgungsposition, also beispielsweise von seiner Lagerung auf einer Folie, zur Verarbeitungsstelle, vorzugsweise zur Bondstelle, gebracht werden. Es ist aber durchaus denkbar, daß die Positioniereinrichtung vier
Bewegungsfreiheiten, nämlich die oben aufgezeigten drei Richtungen und außerdem Drehen, aufweist.
Es ist aber durchaus denkbar, daß die Positioniereinrichtung nur drei Bewegungsfreiheiten, nämlich in y-, z-Richtung und Drehen, aufweist. Die Korrekturbewegung in x-Richtung führt das Substrat. Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Hubteil zusätzlich in einem Radialführungslager, beispielsweise in einem mechanischen Lager oder einem Luftlager, geführt. Der radialen Lagerung des Hubteiles kommt entscheidender Einfluß auf die erreichbare Genauigkeit zu. Einerseits muß die Lagerachse exakt mit der vertikalen z-Achse übereinstimmen um bei der Relativbewegung keinen seitlichen Versatz hervorzurufen, andererseits muß die Lagerachse lateral sehr steif sein, um auch bei hohen Kräften ein seitliches Ausweichen des Hubteiles, insbesondere der Saugnadel, zu verhindern.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einrichtung in einem Bonder, Fig. 2 die Einrichtung mit Servomotor und Fig. 3 die Einrichtung mit Servomotor und nur einem Elektromagneten.
Einführend sei festgehalten, daß gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich, usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Gemäß der Fig. 1 wird mit Hilfe einer Positioniereinrichtung 1 der integrierte Bondkopf in den Arbeitsbereich bewegt. Die Positioniereinrichtung 1 umfaßt mindestens eine Halterung 2 und einen in der Halterung 2 gelagerten Hubteil 3. In der Halterung 2 ist zumindest ein Elektromagnet 4 integriert, mit dem über einen Ankerteil 6 eine regelbare Kraft für den Hubteil 3 erzeugt wird. Vorteilhafterweise ist in der Halterung 2 zusätzlich ein Elektromagnet 5 und eine Positionsmesseinrichtung 11 integriert. Die Energieversorgung der Elektromagnete 4, 5 erfolgt über eine - nicht dargestellte - regelbare und/oder geregelte, programmierbare Spannungs- oder Stromquelle.
Die Elektromagnete 4, 5 sind durch die Verbindung 8 berührungsfrei zur Halterung 2 miteinander verbunden. Die mechanische Anbindung an die Halterung 2 erfolgt ausschließlich über die Kraftmesseinrichtung 7. Oberhalb des Elektromagneten 4 bzw. zwischen den Elektromagneten 4 und 5 ist der Ankerteil 6, beispielsweise ein Permanentmagnetanker eingebracht, der wiederum starr an den als Saugnadel ausgeführten Hubteil 3 angekoppelt ist.
Mit Hilfe der Saugnadel, die evakuierbar ist, wird ein Chip 9 gehalten. Die Saugnadel wird durch ein Radialführungslager 10 geführt. Das Radialführungslager 10 kann beispielsweise als Luftlager ausgebildet sein, wodurch vorteilhafterweise keine Haftreibung auftritt, die die Genauigkeit der Krafteinbringung herabsetzt.
Beim Bondvorgang wird der Chip 9 mittels der Positioniereinrichtung 1 über die Bondstelle und dort mit einer vertikalen Bewegung in Kontakt mit dem Substrat gebracht. Sobald ein Kontakt zwischen Substrat und Kleber auftritt, vergrößert sich der Abstand zwischen dem Elektromagneten 4 und der mit dem Ankerteil 6 fest verbundenen Saugnadel im Magnetlager. Die resultierende Magnetkraft, die vom Elektromagneten 4 bzw. von den Elektromagneten 4 und 5 auf den Ankerteil 6 wirkt, bestimmt zusammen mit dem Eigengewicht des Hubteils 3 die mit der Kraftmesseinrichtung 7 gemessenen Kraft. Bei Verwendung von nur einem Elektromagneten 4 definiert das Eigengewicht des Hubteils 3 die minimal erreichbare Bondkraft des Chips 9 auf das Substrat. Bei Verwendung von zwei Elektromagneten 4, 5 können auch geringere statische Bondkräfte, als durch das Eigengewicht vorgegeben ist, erzielt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, indem der Differenzbetrag zwischen gewünschter Bondkraft und bekanntem Eigengewicht des Hubteils als Kraft-Sollwert vorgegeben wird. Die Magnetkraft und damit die Bondkraft kann durch die in die Spulen der Elektromagnete 4 bzw. 5 eingeprägten Ströme verändert werden. Die Ströme sind daher in Abhängigkeit von der gewünschten Sollkraft und der vertikalen Position des Ankerteiles 6 relativ zu den Elektromagneten 4 bzw. 5 zu wählen. Durch geeignete Regelalgorithmen kann dabei beispielsweise eine konstante Bondkraft unabhängig von der Relativbewegung erreicht werden, wobei der Absolutwert der Bondkraft frei wählbar ist. Auch andere Kraftprofile in Abhängigkeit von der Relativbewegung sind denkbar und durch entsprechende Regelalgorithmen oder zeitliche Sollwertvorgaben zu realisieren.
Die Eigenschaften des magnetischen Kraftfeldes zwischen Ankerteil 6 und Elektromagnete 4, 5 wie beispielsweise die Steifigkeit und Dämpfung, können durch Abändern der Reglerparameter verändert werden. Auch die Position der Saugnadel, als Hubteil 3, kann durch eine Sollwertvorgabe in einen großen Bereich vorgegeben werden.
Gemäß der Fig. 2 wird der Ankerteil 6 über einen Balg 13, insbesondere einen
Bronzebalg, an einen Servomotor 12 bzw. an dessen Achse gekoppelt.
Dadurch kann der Ankerteil 6 sich in z- als auch in x y-Richtung elastisch bewegen, wobei eine Drehung des Ankerteiles 6 und damit eine definierte
Einstellung des Drehwinkels gegeben ist. Der Hubteil 3 ist mit dem Ankerteil 6 verbunden. Der Ankerteil 6 ist zwischen den Elektromagneten 4, 5 angeordnet.
Die Elektromagneten 4, 5 sind in der Halterung 2 und über die Verbindung 8 fixiert.
Die Positionsmesseinrichtung 11 ist im Elektromagneten 5 angeordnet und gibt exakte Daten ab, die als Regelgröße Verwendung finden.
Die Kraftmesseinrichtung 7 ist im Hubteil 3 integriert und zwischen dem Radiallager 10 und dem den Chip 9 aufnehmenden Ende vorgesehen. Auch hier sind exakte Daten, die als Regelgröße Verwendung finden, zu erwarten. Gemäß der Fig. 3 ist der Ankerteil 6 wieder über einen Balg 13, insbesondere einen Bronzebalg, an einen Servomotor 12 bzw. an dessen Achse gekoppelt. In dieser Ausführungsvariante ist nur der Elektromagnet 4 vorgesehen, der mit der Halterung 2 mechanisch verbunden ist. Die Positionsmesseinrichtung 11 ist in diesem Elektromagneten 4 angeordnet. Ebenso ist die Kraftmesseinrichtung 7 zwischen dem Radiallager 10 und der den Chip 9 aufnehmenden Spitze des Hubteiles 3 vorgesehen.
Der Ankerteil 6 wird vom Balg 13 praktisch in der Luft gehalten. Die Zugkraft auf den Ankerteil 6 wird über den Elektromagneten 4 ausgeübt. Die Rückstellkraft erfolgt durch die Elastizität des Bronzebalges.
Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, daß zum besseren Verständnis des Aufbaus die Teile bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zum Positionieren und/oder zum Verbinden der Kontaktbahnen von elektronischen Schaltungen, beispielsweise Chips, auf einem Träger, wie beispielsweise einer Leiterplatte, Keramiksubstrat od. dgl., wobei die elektronischen Schaltungen von einer Positioniereinrichtung erfaßt und auf dem Träger positioniert werden und die Positioniereinrichtung mindestens eine Halterung und einen in der Halterung gelagerten Hubteil umfaßt, wobei der Hubteil über magnetische Kräfte an die Halterung angekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein regelbarer Elektromagnet (4) und ein relativ zu diesem Elektromagneten (4) angeordneter, beweglicher Ankerteil (6) vorgesehen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Elektromagnet (4) ein weiterer Elektromagnet (5) vorgesehen ist, wobei sich der Ankerteil (6) zwischen den beiden Elektromagneten befindet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Elektromagneten (4, 5) über mindestens eine regelbare und/oder geregelte Strom- bzw. Spannungsquelle erfolgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- bzw. Spannungsquelle einen Regler aufweist und dass als Eingangsgröße für den Regler die durch eine, vorzugsweise statisch bestimmte,
Kraftmesseinrichtung (7) gemessene Kraft dient.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (7) zwischen Halterung (2) und Hubteil (3), insbesondere zwischen der Halterung (2) und dem Elektromagneten (4), vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (7) in den Hubteil (3), insbesondere zwischen einem Lager und dem der Halterung (2) abgewandten Ende des Hubteiles (3), integriert bzw. angeordnet ist.
7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- bzw. Spannungsquelle einen Regler aufweist und dass als Eingangsgröße für den Regler die mithilfe mindestens einer Positionsmesseinrichtung (11 ) gemessenen Relativposition von Halterung (2) und/oder Elektromagnet (4, 5) und Hubteil (3) dient.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmesseinrichtung (11) zwischen Positioniereinrichtung (1) und dem Hubteil (3) oder zwischen Ankerteil (6) und Halterung (2) oder Ankerteil (6) und den Elektromagneten (4 oder 5) bzw. deren Verbindung (8) vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmesseinrichtung (11 ) in einem Elektromagneten (4 bzw. 5) integriert ist.
10. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Regler die Kraft zwischen Halterung (2) und Hubteil (3) konstant und unabhängig von der Relativposition haltet.
11. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwertvorgabe für eine Kraft und/oder die Vorgabe der Relativposition als Konstante oder als Funktion der Zeit möglich ist.
12. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerteil (6) mit dem Hubteil (3) der Positioniereinrichtung (1 ) verbunden ist und der Elektromagnet (4) in der Halterung (2) vorgesehen ist.
13. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Positioniereinrichtung (1 ) ein Bondkopf integriert ist.
14. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerteil (6) über einen Balg (13), insbesondere einem Metallbalg, wie beispielsweise einem Bronzebalg, an einen
Servomotor (12) bzw. an dessen Achse gekoppelt ist.
15. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubteil (3) eine Saugnadel ist.
16. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubteil (3) zusätzlich in einem Radialführungslager (10), beispielsweise in einem mechanischen Lager oder einem Luftlager, geführt ist.
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