DE4200492C2 - Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Kontaktelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die elek­ trische Verbindung von zwei Kontaktelementen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der US 48 45 335 ist eine Vorrichtung zum elek­ trischen Verbinden von Kontaktelementen bekannt, bei der sich auf einem sogenannten TAB-Band (tape automa­ ted bonding) befindenden Kontakte mit den Kontakten eines integrierten Schaltkreises verbunden werden. Die Kontakte auf dem Band werden in Überdeckung mit den Kontakten auf dem integrierten Schaltkreis ge­ bracht und mittels Laserstrahlung werden die Kontakte miteinander verbunden. Damit eine gute Reproduzier­ barkeit der Verbindungen erzielt wird, muß der Ab­ stand zwischen den Kontakten minimiert werden. Als allgemeine Regel ist bekannt, daß der Abstand nicht höher als ca. 10% der Kontaktelementdicke liegen darf. Da die Anschlüsse immer kleiner werden und die Kontaktgeometrien kleinere Abmessungen erhalten, wird die Erfüllung dieser Anforderungen problema­ tisch. Bei dem genannten Stand der Technik wird zum Andrücken der Kontaktelemente ein Gasstrom verwen­ det, der durch eine Düse auf die Kontaktelemente ge­ richtet wird, wobei Düse und Laserstrahl koaxial liegen.

Es hat sich aber gezeigt, daß die bekannte Vorrich­ tung zum Verbinden von Kontaktelementen mittels La­ serstrahl nicht optimal ist, da die zur Verfügung stehende Laserenergie nicht optimal in thermische Energie für die Kontaktverbindung umgewandelt werden kann.

Aus der DE 39 41 558 A1 ist eine zum punktschweißen, Hartlöten oder Löten geeignete Laser-Verbindungsvor­ richtung mit Lichtleitfaser bekannt, über die die Laserstrahlung an die Verbindungsstelle geleitet wird. Dabei wird die Lichtleitfaser in einem als Halter dienenden Werkzeug mit Abstand zur Verbin­ dungsstelle gehalten und über das Werkzeug Druck auf die Verbindungsstelle ausgeübt.

Aus der DE 19 58 430 A1 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von Kontaktelementen mittels eines Laser- Schweißvorgangs bekannt, bei der die Laserenergie über einen Quarzdorn auf die Verbindungsstelle über­ tragen wird, wobei der Quarzdorn gleichzeitig zur Druckausübung auf die Verbindungsstelle dient.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für die elektrische Verbindung von zwei Kontaktelementen mittels Laserstrahl zu schaffen, die auch bei kleinsten Kontaktgeometrien eine schnelle und reproduzierbare Verbindung ermöglicht, wobei eine gute Ausnutzung und Umwandlung der Laser­ energie gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbin­ dung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die Laseranordnung einen Faserleiter aufweist, der die Laserstrahlung an die zu verbin­ dende Stelle leitet, kann die Laserstrahlung optimal in thermische Energie zum Verschweißen oder Verlöten umgewandelt werden, so daß keine schlechten Lötstel­ len auf Grund zu geringer Wärme und keine Überhit­ zungen auftreten können, die die Kontakte zerstören könnten. Auf Grund der unmittelbaren Kontaktierung der Verbindungsstelle mit dem Ende des Faserleiters können möglicherweise am Ende des Faserleiters auf­ tretende Ablagerungen, die durch Berührung mit der Kontaktoberfläche entstehen, zu besseren Einkopplung von Laserenergie in thermische Energie führen. Dies ist bei der Aufrechterhaltung eines Abstands zwi­ schen dem Ende eines Faserleiters und der Verbin­ dungsstelle, wie es aus der DE 39 41 558 A1 bekannt ist, nicht möglich.

Durch Andrücken der Kontaktelemente beispielsweise des Leads auf ein Lötpad erhöht sich die thermische Ankopplung und die effektive Kontaktfläche zwischen beiden Kontaktelementen nimmt während der Lötzeit schnell zu. Es ist die Kontaktierung von Gold-Leads auf verzinnten Lötpads möglich, weil das Lead auf das Lot gedrückt wird und der normale Absorptions­ grad des Goldes bei der Wellenlänge λ = 1,06 µm aus­ reicht, um das Gold zu erwärmen und zu löten.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht auf einen Teil der Vorrichtung zum elektrischen Verbinden von Kontaktelementen nach einem Aus­ führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Vorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 1 wird am Beispiel des TAB-Verfahrens (tape automated bonding) dargestellt. Bei diesem Verfahren sind An­ schlußleiterbahnen für integrierte Schaltkreise, so­ genannte Leads, auf einem Band 1 mit Transportlöchern aufgenommen, die Enden der Leiterbahnen, die Inner- Leads 2 werden mit den sogenannten Bumps 3 der Kon­ takte des integrierten Schaltkreises 4 in Überdeckung gebracht und miteinander verlötet.

In Fig. 1 besteht die Laseranordnung zum Erwärmen der Kontaktelemente 2, 3 und des gegebenenfalls an ihnen anhaftenden Lötzinns aus einer Laserquelle 5, die mit einem Glasfaserleiter 6 verbunden ist. Der Glasfaser­ leiter 6 wird in einem Halter 7 gehalten, wobei das Ende 13 des Glasfaserleiters 6 gleichzeitig als An­ drückelement dient und aus dem Halter 7 herausragt. Zum Verbinden der Kontaktelemente 2 und 3, d. h. der Inner-Leads 2 mit den Bumps 3, wird der Halter 7 mit dem Glasfaserleiter 6 entsprechend dem Pfeil 10 abge­ senkt, so daß das Ende 13 die Kontaktelemente 2, 3 leicht zusammendrückt, wodurch ein Spalt zwischen den Kontaktelementen beseitigt und eine bessere Wärmelei­ tung ermöglicht wird. Der Laserstrahl wird einge­ schaltet, die Kontaktelemente 2, 3 werden miteinander verlötet und nach Ausschalten des Laserstrahls kann das Ende 13 noch solange in der abgesenkten Stellung bleiben, bis die Lötstelle abgekühlt ist, wodurch die Abkühlung beschleunigt wird und der gesamte Lötvor­ gang mit höherer Geschwindigkeit durchgeführt werden kann.

Die möglicherweise auftretende Ablagerung an der Fa­ serstirnfläche, die durch Berührung mit der Kontakt­ oberfläche entsteht, verhindert nicht die weitere Kontaktierung, sondern kann sogar zur besseren Ein­ kupplung von Laserenergie in thermische Energie füh­ ren. Mit diesem Aufbau sind auch Kontaktierungen von Goldmetallisierungen auf verzinnten Leiterbahnen mög­ lich.

Der Druck zum Zusammendrücken der Kontaktelemente kann bei empfindlichen Substratmaterialien soweit reduziert werden, daß er nur zur Überwindung der Bie­ gesteifigkeit der Elemente und zur Beseitigung des Spaltes zwischen ihnen dient. Je nach den vorgewähl­ ten Randbedingungen können Kontaktierungen auch ohne Bumps, d. h. direkt auf dem Substrat bzw. dem Halblei­ terelement, mit Lötmetallisierung durchgeführt wer­ den. Die Fasermaterialien bestehen meistens aus Quarz mit einer Schmelztemperatur von 1880° K, so daß eine Störung aufgrund thermischer Belastung nicht auf­ tritt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 könnte es aufgrund des direkten Kontaktes des Endes 13, d. h. der Faserauskuppelseite, mit den Kontaktelementen 2, 3 zu Verschleißerscheinungen kommen. Um diesen Ver­ schleißerscheinungen entgegenzutreten, kann eine Fa­ servorschubeinheit und eine Schleif- oder Schneidvor­ richtung vorgesehen werden, durch die das Ende 13 abgeschliffen bzw. abgeschnitten wird.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darge­ stellt, wobei in diesem Falle ein Feindraht 14 mit einem Lötpad 15 auf einem Träger 16 verlötet werden soll. Der Glasfaserleiter 6 wird von dem Halter 7 gehalten und in einer zusätzlichen Führung 17 ge­ führt. Weiterhin ist eine Lotdrahtvorschubeinheit 18 vorgesehen, die Lotdraht 19 an die Verbindungsstelle zwischen Feindraht 14 und Lötpad 15 bringt.

Für eine Überwachung des Verbindungsvorganges spielt die Temperatur eine hervorragende Rolle. Mit der Än­ derung der Temperatur ändert sich das Absorptionsver­ halten der Kontaktflächen, da die Absorption eine materialspezifische Größe ist, die im allgemeinen von der Wellenlänge λ, der Intensität und der Temperatur T abhängt, wobei mögliche Verluste durch Reflexion und Transmission bestimmt werden können. In der Fig. 2 wird die Temperatur bzw. das Absorptionsverhalten über die an den Kontaktelementen reflektierte Infra­ rotstrahlung erfaßt. Die von der Laserquelle 5 ausge­ hende Laserstrahlung, die durch die durchgezogenen Linien dargestellt wird, gelangt durch einen halb­ durchlässigen Spiegel 21 und durch eine Sammellinse 22 in den Glasfaserleiter 6. Die wieder aus dem Glas­ faserleiter 6 austretende reflektierte Strahlung 23, die durch die gestrichelten Linien angedeutet wird, wird an dem halbdurchlässigen Spiegel 21 reflektiert und gelangt über eine weitere Sammellinse 24 auf ei­ nen IR-Detektor 25, der mit einem Rechner 26 verbun­ den ist. Mit der in der Zeichnung zwischen IR-Detek­ tor 25 und Rechner 26 angedeuteten Kennlinie 27 soll dargestellt werden, daß der Rechner 26 bestimmte Sollkennlinien für den Temperaturverlauf des Lötvor­ ganges gespeichert hat, mit denen der wirkliche Tem­ peraturverlauf verglichen wird. Der Rechner 26 ist mit der Laserquelle 5 verbunden, so daß gegebenen­ falls die Laserparameter gesteuert werden können. Beispielsweise erhöht sich bei einer Verschmutzung an der Faserstirnfläche die Absorption, die nach Erfas­ sung über den IR-Detektor 25 über den Rechner 26 aus geregelt werden kann.

In entsprechender Weise kann der Verschleiß am Ende des Glasfaserleiters 6 festgestellt werden und ent­ sprechend ein Steuersignal für eine vorhandene Faser­ vorschubeinheit mit Schneid- oder Schleifwerkzeug gegeben werden. Wie in Fig. 2 dargestellt wird, wird gleichfalls die Lotdrahtvorschubeinheit gesteuert.

Für die Prozeßkontrolle bzw. -überwachung können wei­ tere Sensoren 28 vorgesehen sein, die mit dem Bezugs­ zeichen 28 angedeutet sind. Beispielsweise kann ein Kraft- und ein Wegaufnehmer und darüber hinaus ein Ultraschalldetektor vorgesehen sein, die Informatio­ nen über das Absenken der Kontaktelemente, die Schichtdicke des Lötzinns und den Schmelzvorgang der Lötstelle an den Rechner 26 liefern. Diese Größen können zur weiteren Steuerung bzw. Regelung des Pro­ zesses verwendet werden.

Es können unterschiedliche Kontaktierungen auf einem Substrat oder Träger durch Speichern von Kontaktie­ rungsparametern, wie Druck, Laserenergie, Pulsbreite oder dergleichen individuell realisiert werden. Eine Variation des Fokusdurchmessers des Laserstrahls kann durch eine geeignete Auswahl des Faserkerndurchmes­ sers durchgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung kann für Kontaktierungen im Bereich des SMD-Technik, für Inner-Lead und Outer- Lead-Bonden für die TAB-Technologie und zum Verbinden von feinen Drähten und Bändchen und dergleichen durchgeführt werden. Das Verfahren kann zusätzlich für konventionelle Drahtbonder verwendet werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur elektrischen Verbindung von zwei Kontaktelementen, bei der die zwei Kontaktele­ mente in Überdeckung gebracht werden und mittels einer Laseranordnung verlötet oder verschweißt werden, wobei die Laseranordnung eine in einem Halter aufgenommenen Lichtleitfaser aufweist, welche die Laserstrahlung an die zu verbindende Stel­ lung leitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (13) der Lichtleitfaser (6) aus dem Halter (7) herausragt und direkt die Kontaktele­ mente aufeinanderdrückt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Halter (7) senkrecht ver­ schiebbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Faservorschubeinheit vorgese­ hen ist, die die Lichtleitfaser (6) in dem Halter (7) verschiebt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Schleif- und/oder eine Schneidvorrichtung vorgesehen ist, die bei Ver­ schleiß das Ende der Lichtleitfaser (6) abschleift und/oder abschneidet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und Regelvorrichtung (26, 27) vorgesehen ist, die abhängig von der Temperatur an der zu verbinden­ den Stelle die Schleif- und/oder Schneidvorrichtung steuert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein IR-Detektor (25) mit der Steu­ er- und Regelvorrichtung verbunden ist, der die von der verbindenden Stelle reflektierte Strah­ lung erfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kraft- und/oder Weg- und/oder Ultraschallaufnehmer vorgesehen sind, die mit der Steuer- und Regelvorrichtung (26) verbunden sind und zur Überwachung des Verbindungsvorgan­ ges dienen.