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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Positionieren und/oder zum Verbinden der Kontakt- bahnen von elektronischen Schaltungen, beispielsweise Chips, auf einem Träger, wie beispiels- weise einer Leiterplatte, Keramiksubstrat od. dgl., wobei die elektronischen Schaltungen von einer Positioniereinrichtung erfasst und auf dem Träger positioniert werden und die Positioniereinrich- tung mindestens eine Halterung und einen in der Halterung gelagerten Hubteil umfasst, wobei der Hubteil in der Halterung über ein Magnetlager beweglich gelagert 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 Bond- kopf vorgesehen, das den Chip von der Versorgungsposition über die Bondstelle bringt und dort durch Absenken des Halters der Chip mit dem Substrat in Kontakt bringt. Die für den Bondvorgang notwendige Bondkraft wird mittels drei in gewissem Abstand übereinander angebrachten Perma- nentmagneten 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 Ab- standsverminderung 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 Bond- vorganges begrenzt.
Weiters ist aus der JP 58 098 937 A2 eine Einrichtung zum Bonden von Halbleiter- Bauelementen bekannt, die einen U-förmigen Permanentmagneten mit einer beweglichen Spule aufweist. Nachteilig dabei ist, dass auf Grund der Magnetfeldtheorie nur eine Kraftregelung möglich ist.
Ferner ist aus der JP 2 222 155 A2 eine weitere Einrichtung zum Bonden von Halbleiter- Bauelementen bekannt, bei der eine Spiralfeder das untere Bondkraftlimit vorgibt. Nachteilig dabei ist, dass nur Bondkräfte mit dem Elektromagneten eingestellt werden können, die die über der Federkraft liegen. Für kleine Bondkräfte im Grammbereich ist diese Einrichtung nicht geeignet.
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 beweg- lich 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 ver- läuft, das heisst, die Änderung der Kraft möglichst gering ausfällt. Zur Realisierung anderer Bond- kräfte ist der Tausch der Feder notwendig, wobei meist der gesamte Haltearm 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 nach- dem 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 JP11154692 A2 ist es bekannt, Bondkräfte durch Druckdifferenz zu beiden Seiten ei- nes 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 prozesstechni- schen Gründen notwendige einstellbare konstante Kraft oder gegebenenfalls auch Kraftprofile bei der Verarbeitung von Chips ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
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Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, mindestens ein regelbarer Elektromagnet und ein relativ zu diesem Elektromagneten angeordneter, beweglicher Ankerteil vorgesehen ist, wobei die Energieversorgung des Elektromagneten über mindestens eine regelba- re und/oder geregelte Strom- bzw. Spannungsquelle, die einen Regler aufweist, erfolgt und dass als Eingangsgrösse für den Regler die durch die Kraftmesseinrichtung gemessene Kraft zwischen Halterung und Hubteil und/oder die mithilfe einer Positionsmesseinrichtung gemessenen Relativ- position von Halterung und Hubteil dient.
Mit dieser Erfindung ist es erstmals möglich, im rationel- len Fertigungsprozess, beispielsweise beim Andrücken des Chip auf das Substrat, immer eine konstante Kraft, insbesondere eine Bondkraft, aufzubringen, trotz unterschiedlicher Relativbewe- gung des Hubteiles in die Halterung aufgrund variierender Chip- oder Substratdicken. Die Grösse dieser konstanten Kraft variiert entsprechend der Charakteristik der verwendeten Verbindungs- technik und kann von einigen mN bis einigen N betragen. Mit der Erfindung kann ohne Werkzeug- tausch 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.
Die Strom- bzw. Spannungsquelle weist erfindungsgemäss einen Regler auf und als Eingangs- grösse für den Regler dient die durch die Kraftmesseinrichtung gemessene Kraft zwischen Halte- rung und Hubteil. Der Vorteil der Verwendung der Kraft zwischen Hubteil und Halterung als Ein- gangsgrösse 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 magne- tische Fluss oder der Luftspalt unter Anwendung eines Kraftgesetzes für die Kraftregelung verwendet würden.
Zusätzlich oder auch alternativ zu obiger Ausführung weist die Strom- bzw. Spannungsquelle einen Regler auf und als Eingangsgrösse für den Regler dient die mithilfe einer Positionsmessein- richtung 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, wo- durch eine Umsetzung in der Massenproduktion wesentlich vereinfacht wird.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zusätzlich zum Elektromagnet ein weiterer Elektromagnet vorgesehen, wobei sich der Ankerteil zwischen den beiden Elektromagneten befin- det. Durch die Lagerung des beweglichen Ankerteils zwischen zwei Elektromagnete können zu- sätzliche vorteilhafte Eigenschaften erzielt werden. Beispielsweise ist unter Verwendung eines Positionssensors zur direkten Messung der Position des Ankerteils oder über die Messung indirek- ter 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 exak- tere 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 des weiteren Elektromagneten ebenfalls über mindestens eine regelbare und/oder geregelte Strom- bzw. Span- nungsquelle, die einen Regler aufweist. Durch Veränderung des Stromes, aber auch der Span- nung, in der Spule des weiteren Elektromagneten 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 erforder- lich, die dafür sorgt, dass die benötigten Bondkräfte zur Verfügung stehen.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung haltet mindestens ein Regler die Kraft zwi- schen 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 automati- sierten 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
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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 einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Ankerteil und Halterung oder Ankerteil und den Elektromagneten bzw. deren Verbindung mindestens eine Positionsmess- einrichtung 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.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Halterung und dem Elektromagneten eine statisch bestimmte Kraftmesseinrichtung vorgesehen. Die Elektromagnete sind durch die Verbindung berührungsfrei zur Halterung miteinander verbunden. Die mechanische Anbindung an die Halterung erfolgt ausschliesslich über die Kraftmesseinrichtung.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Ankerteil mit dem Hubteil der Positio- niereinrichtung verbunden und der Elektromagnet in der Halterung vorgesehen. Auch eine derarti- ge 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 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, ge- bracht werden. Es ist aber durchaus denkbar, dass die Positioniereinrichtung vier Bewegungsfrei- heiten, 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 Radialfüh- rungslager, beispielsweise in einem mechanischen Lager oder einem Luftlager, geführt. Der radia- len 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 Rela- tivbewegung 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 eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispieles näher erläutert.
Die Fig. zeigt eine schematische Darstellung der Einrichtung in einem Bonder.
Einführend sei festgehalten, dass gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bau- teilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offen- barungen sinngemäss auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeich- nungen 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
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bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäss auf die neue Lage zu übertragen.
Gemäss der Fig. wird mit Hilfe einer Positioniereinrichtung 1 der integrierte Bondkopf in den Ar- beitsbereich 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 integ- riert, mit dem über einen Ankerteil 6 eine regelbare Kraft für den Hubteil 3 erzeugt wird. Vorteilhaft- erweise ist in der Halterung 2 zusätzlich ein Elektromagnet 5 und eine Positionsmesseinrichtung 11 integriert. Die Energieversorgung der Elektromagnete und 5 erfolgt über eine - nicht dargestellte - regelbare und/oder geregelte, programmierbare Spannungs- oder Stromquelle.
Die Elektromagnete 4 und 5 sind durch die Verbindung 8 berührungsfrei zur Halterung 2 mit- einander verbunden. Die mechanische Anbindung an die Halterung 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 die mit der Kraftmesseinrichtung gemessenen Kraft. Bei Verwendung von nur einem Elektromagneten 4 definiert das Eigengewicht des Hubteils die minimal erreichbare Bondkraft des Chips 9 auf das Substrat. Bei Verwendung von zwei Elektromagneten 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 Bond- kraft frei wählbar ist. Auch andere Kraftprofile in Abhängigkeit von der Relativbewegung sind denk- bar 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 Sollwertvorga- be in einen grossen Bereich vorgegeben werden.
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.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.