DE102006039623B3

DE102006039623B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von wenigstens zwei Elementen

Info

Publication number: DE102006039623B3
Application number: DE102006039623A
Authority: DE
Inventors: Stefan Hummelt
Original assignee: NANOSYSTEC GmbH
Current assignee: NANOSYSTEC GmbH
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2006-08-24
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-08-25
Also published as: KR20080019191A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von wenigstens zwei Elementen. Bei dem Verfahren wird ein Lichtstrahl von einer Abbildungsoptik in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen geteilt und abgebildet. Dabei wird eine Mehrzahl von diskreten Lichtflecken ausgebildet, die zwischen den zu verbindenden Elementen eine Mehrzahl von diskreten, stoffschlüssigen Verbindungsstellen ausbildet. Die Lichtstrahlteilung erfolgt dabei mit Hilfe eines diffraktiven optischen Elements (DOE), was gleichzeitig eine nahezu beliebige Strahlformung und -bearbeitung ermöglicht. Erfindungsgemäß können gleichzeitig mehrere stoffschlüssige Verbindungsstellen gesetzt werden, was eine hohe Prozessgeschwindigkeit ermöglicht. Das Verfahren eignet sich zum Laserlöten von Bauelementen, die keiner hohen thermischen Belastung ausgesetzt werden dürfen, beispielsweise zum elektrischen Kontaktieren von LEDs durch Laserlöten.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verbindung von Elementen, insbesondere durch stoffschlüssige Verbindung, ganz besonders bevorzugt durch Weichlöten, und betrifft insbesondere das Kontaktieren von elektronischen oder mikroelektronischen Bauelementen durch Weichlöten. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft allgemein die Bearbeitung eines Substrats mit Laserstrahlen.
Hintergrund der Erfindung
In der Elektronikfertigung müssen heutzutage 40.000 Bauelemente oder mehr pro Stunde gelötet werden. Deshalb findet in der Massenfertigung von elektronischen Geräten, insbesondere bei der Massenherstellung von bestückten Leiterplatinen, überwiegend das so genannte Reflow-Löten bzw. Wiederaufschmelzlöten Anwendung. Dabei handelt es sich um ein Weichlötverfahren zum Löten von SMD-Bauteilen. In einem ersten Schritt wird beim Reflow-Löten das Weichlot vor der Bestückung auf die Platine aufgetragen. In einem nächsten Schritt werden dann die Bauteile bestückt. Da die verwendete Lötpaste klebrig ist, werden die Bauteile bei der Bestückung direkt durch die Lötpaste gehalten. Sie müssen also nicht eigens aufgeklebt werden. Beim anschließenden Aufschmelzen des Lotes zentrieren sich die bestückten Bauelemente durch die Oberflächenspannung auf den Landepads und setzen sich ab.
Zwar lässt sich durch Reflow-Löten eine hohe Stückzahl realisieren, doch bedingt das Reflow-Löten eine hohe thermische Belastung der zu lötenden Bauelemente. Mit zunehmender Integrationsdichte und Funktionalität steigt jedoch die Temperaturempfindlichkeit von mikroelektronischen Bauelementen. Dies gilt auch für mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Erschwerend kommt hinzu, dass zum 1. Juli 2006 die Europäische Elektroschrottverordnung (WEEE) in Kraft tritt, was die Umstellung auf bleifreie Elektronikprodukte erforderlich macht. Das bleifreie Löten, wie zukünftig von der WEEE vorgeschrieben, bedingt jedoch im Normalfall höhere Löttemperaturen, die leicht um etwa 20° Celsius höher liegen können, was die thermische Belastung beim Löten weiter erhöht. Es besteht deshalb ein Bedarf an Lötverfahren in der Elektronikfertigung, die eine geringe thermische Belastung ermöglichen.
Für eine erhöhte Zugfestigkeit von Lötstellen werden Lote mit einem hohen Antimongehalt bevorzugt. Dies bedingt aufgrund der höheren Schmelztemperatur von Antimon (Sb) höhere Löttemperaturen, was die thermische Belastung von Bauelementen ebenfalls erhöht.
Andere Lötverfahren, beispielsweise das so genannte Wellenlöten, schaffen hier ebenfalls keine Abhilfe.
Aus anderen technischen Gebieten ist das Laserstrahllöten bekannt. Dabei werden die Lötstellen mit einem Laserstrahl erhitzt, der punktgenau fokussiert werden kann und so viel Energie in die Lötstelle eintragen kann. Die Lötstelle wird somit räumlich sehr eng begrenzt erwärmt, was kurze Lötzeiten von beispielsweise weniger als 1 Sek. ermöglicht. Dadurch tritt an den Bauteilen nahezu keine thermische Belastung auf.
DE 20 2004 013 136 U1 offenbart eine modulare Lichtwellenoptik zur Verwendung bei Schweißrobotern zum Schweißen in der Automobilherstellung. Das optische Modul wird dabei von der Hand eines Industrieroboters gehalten, der durch Verfahren und Verschwenken den Lichtstrahl in geeigneter Geometrie entlang dem Fügespalt verfährt, um eine Schweißnaht auszubilden.
US 2005/0082265 A1 offenbart ein Laserschweißverfahren zur Herstellung einer Steuerung für eine hydraulische Fahrzeug-Bremseinrichtung. Dabei werden Elemente aus Metall mit Elementen aus Kunststoff stoffschlüssig verbunden. Zur Ausbildung der erforderlichen geschlossenen Schweißlinie muss dabei ebenfalls der jeweilige Lasterstrahl verfahren werden.
Die Verwendung von Robotern zur Strahlablenkung bedingt lange Schweiß- bzw. Lötzeiten, was einen Einsatz in der Elektronikfertigung unzweckmäßig macht.
Alternativ können zur Strahlablenkung auch Galvanometerscanner eingesetzt werden, die aufgrund der nahezu trägheitslosen Strahlablenkung gegenüber den vorgenannten motorischen Strahlablenkungen einen deutlichen Geschwindigkeitsvorteil bieten. Dies ermöglicht grundsätzlich den Einsatz in der Elektronikfertigung.
US 2004/0190294 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserlöten von Leistungs-LEDs. Dabei wird eine Vielzahl von Lötstellen entlang eines Linienverlaufs, nämlich eines kreisförmigen Linienverlaufs, gesetzt. Die Strahlablenkung wird dabei mithilfe eines Scanners mit zwei beweglichen Spiegeln bewerkstelligt. Die insgesamt erzielte Fertigungsgeschwindigkeit ist jedoch dennoch nicht ausreichend für die Elektronikfertigung mit hohen Stückzahlen, denn ein solcher Lötvorgang erfolgt weiterhin sequenziell und dauert mindestens etwa 0,5 Sek. bis etwa 2 Sek. (Transportprozesse noch nicht eingerechnet). Würde man die Anzahl von Scannern nach diesem Verfahren erhöhen, so würde dies einen sehr hohen Steuerungsaufwand erfordern, was höhere Fertigungskosten bedingen würde.
Vergleichbare Probleme treten auch bei der Substratbearbeitung auf, beispielsweise beim gezielten Setzen einer Vielzahl von Durchgangslöchern, Sacklöchern und/oder Schwächungsbereichen in einer vorbestimmten geometrischen Anordnung.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von wenigstens zwei Elementen mit Lichtstrahlen bereitzustellen, womit sich in einfacher Weise eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig geringer thermischer Belastung der zu verbindenden Elemente realisieren lässt. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung soll dabei das Laserlöten von elektronischen, optoelektronischen oder mikroelektromechanischen (MEMS) Elementen betreffen.
Die vorgenannten sowie weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Bei einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung teilt eine Abbildungsoptik den Lichtstrahl, bevorzugt Laserlichtstrahl, gleichzeitig in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen, die auf die zu verbindenden Elemente abgebildet werden, wo diese eine Mehrzahl von diskreten Lichtflecken ausbilden. Diese bewirken durch den Energieeintrag erfindungsgemäß die Ausbildung einer Mehrzahl von diskreten, stoffschlüssigen Verbindungsstellen zwischen den zu verbindenden Elementen. Bevorzugt werden die Elemente an den Verbindungsstellen durch Schmelzen eines Weichlots miteinander verbunden. Die vorliegende Erfindung eignet sich jedoch grundsätzlich auch zum Hartlöten, Schweißen oder auch zum durch die Lichtflecken initiierten Fotohärten eines Klebstoffs.
Somit können erfindungsgemäß gleichzeitig mehrere stoffschlüssige Verbindungsstellen, insbesondere Lötstellen, ausgebildet werden. Eine zeit- und kostenaufwendige Strahlablenkung ist erfindungsgemäß nicht erforderlich. Bekanntermaßen können Lichtstrahlen in einfacher Weise in eine Vielzahl von Teillichtstrahlen geteilt werden. Da zur stoffschlüssigen Verbindung von Elementen, insbesondere zum Löten, je Verbindungsstelle ein gewisse Mindestleistung erforderlich ist, unterliegt das erfindungsgemäße Verfahren praktisch nur der Beschränkung, dass die jeweiligen Teillichtstrahlen noch eine ausreichende Intensität bzw. Leistung aufweisen müssen. Dies lässt sich durch geeignete Ausgestaltung des Strahlteilers sowie durch geeignete Wahl der Lichtleistung des Eingangslichtstrahls in nahezu beliebiger Weise realisieren.
Erfindungsgemäß werden die Teillichtstrahlen unmittelbar von der Abbildungsoptik geeignet abgebildet und abgelenkt, um gleichzeitig eine Mehrzahl von Verbindungsstellen auszubilden. Als besonders zweckmäßig zur geeigneten Strahlteilung hat sich die Verwendung eines der Abbildungsoptik zugeordneten diffraktiven optischen Elements (DOE) erwiesen, da hierdurch auch hohe Lichtintensitäten nahezu verlustfrei und mit geeignetem Strahlprofil der Teillichtstrahlen geteilt werden können. Insbesondere lässt sich mit diffraktiven optischen Elementen auch eine weitere Strahlformung einfach realisieren, insbesondere in Bezug auf den Strahlquerschnitt, die Intensität, Form bzw. Strahlprofil und/oder Divergenz der jeweiligen Teillichtstrahlen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Verbindungsstellen in einer vorbestimmten Anordnung vorgegeben. Dies kann beispielsweise durch die Ausgestaltung der zu verbindenden Elemente und/oder durch deren geometrische Anordnung, beispielsweise auf einer Halteinrichtung zur Positionierung der zu verbindenden Elemente während des Prozesses, bedingt sein. Erfindungsgemäß ist das diffraktive optische Element so ausgebildet und ausgelegt, dass die Teillichtstrahlen in Entsprechung zu dieser vorbestimmten Anordnung von Verbindungsstellen erzeugt und in entsprechende Richtungen gerichtet und abgebildet werden. Vorteilhaft ist, dass eine weitere aufwendige Ablenkung der Teillichtstrahlen nicht erforderlich ist. Zur Umstellung des Verfahrens auf eine andere geometrische Anordnung der Verbindungsstellen kann das diffraktive optische Element dabei austauschbar sein, beispielsweise in einer Revolvereinheit oder einer anderen Dreh- bzw. Wechseleinrichtung gehalten werden.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Abbildungsoptik mehrere diffraktive optische Elemente zugeordnet sind, beispielsweise unmittelbar in dieser gehalten sind, um den Eingangs-Lichtstrahl geeignet in eine Vielzahl von Teillichtstrahlen zu teilen. Bevorzugt wird jedoch gemäß einer weiteren Ausführungsform ein einzelnes diffraktives optischen Element verwendet, das insgesamt von dem Eingangs-Teillichtstrahl durchsetzt wird und eine Mehrzahl von diffraktiven optischen Zonen bzw. aktiven Zonen aufweist, deren Anordnung und Auslegung abgestimmt sind auf die vorgenannte vorbestimmte Anordnung von Verbindungsstellen. Somit weist das diffraktive optische Element eine oder mehrere diffraktive optische Zonen bzw. aktiven Zonen auf, die beispielsweise in Gestalt von alternierenden erhabenen und vertieften linien-, kreis- oder ellipsenförmigen Zonen oder von alternierenden Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex oder in anderer Weise, als geeignet Licht beugende Strukturen ausgebildet sind. Diese aktiven Zonen sind bevorzugt auf einem einzelnen, für den Eingangs-Lichtstrahl transparenten Substrat vorgesehen, das zu diesem Zweck auch wechselbar im Strahlengang des Eingangs-Lichtstrahls gehalten sein kann.
Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist jede der diffraktiven optischen Zonen des diffraktiven optischen Elements ausgelegt, um dem zugeordneten Teillichtstrahl eine geeignete Intensität, einen geeigneten Strahlquerschnitt, eine geeignete Strahlform und/oder Strahldivergenz aufzuprägen. Somit können die einzelnen diffraktiven optischen Zonen in beliebiger Weise unterschiedlich ausgelegt sein.
Insbesondere lassen sich so auch Teillichtstrahlen mit unterschiedlichen Intensitäten in einfacher Weise realisieren, so dass stoffschlüssige Verbindungsstellen, wie beispielsweise Lötstellen, gleichzeitig mit unterschiedlichem Energieeintrag aus einem einzigen Eingangs-Lichtstrahl erzeugt werden können.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung umfasst die Abbildungsoptik zumindest eine Eingangslinse und eine dazu in Strahlrichtung beabstandete Ausgangslinse, so dass damit durch Variieren des Abstands ein größerer oder kleinerer Durchmesser des Laserstrahls eingestellt werden kann. Bei Verwendung eines Lichtwellenleiters, insbesondere einer Glasfaser, zur Einkopplung des Eingangslichtstrahls in die Abbildungsoptik kann ferner der Abstand der Eingangslinse zur Ausgangsseite des Lichtwellenleiters variiert werden, was weitere Freiheitsgrade eröffnet.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist das diffraktive optische Element zwischen der vorgenannten Eingangslinse und Ausgangslinse angeordnet, was eine Justierung erleichtert und Justagetoleranzen mindert. Gleichzeitig kann das diffraktive optische Element gemeinsam mit der Eingangs- und Ausgangslinse in einer modularen Optikeinheit abgedichtet eingehäust sein. Das Gehäuse der Abbildungsoptik kann dabei ausgelegt sein, um einen Wechsel des diffraktiven optischen Elements zur Ausbildung einer anderen Anordnung von Verbindungsstellen zu ermöglichen, beispielsweise mittels einer Revolvereinheit oder einer anderen Dreh- bzw. Wechseleinheit, worin mehrere unterschiedlich ausgebildete diffraktive optische Elemente gehalten sind.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens betrifft das Weichlöten von elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen, von mikroelektromechanischen Elementen oder Verbindungssteckern auf einen Träger, beispielsweise eine Leiterplatine. Bei diesen Anwendungen können erfindungsgemäß gleichzeitig mehrere Lötstellen gesetzt werden, und zwar durch geeignete Aufteilung eines Lichtstrahls, bevorzugt Laserstrahls, in mehrere Teillichtstrahlen unter gleichzeitiger geeigneter Ablenkung und Abbildung derselben auf die Lötstellen, die durch die Ausgestaltung der Elemente und/oder durch deren geometrische Anordnung bedingt sind. Ein aufwendiges sequentielles Ablenken eines Laserstrahls mittels einer Scanneroptik ist erfindungsgemäß nicht erforderlich. Somit lassen sich hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erzielen. Gleichzeitig ist die thermische Belastung der zu lötenden Elemente vernachlässigbar. Das zu verwendende diffraktive optische Element kann dabei so ausgelegt sein, dass gleichzeitig eine Vielzahl von Elementen gelötet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit auch für die Elektronikfertigung in hoher Stückzahl. Die Teillichtstrahlen können dabei insbesondere mit unterschiedlichen Intensitäten bzw. Leistungen erzeugt werden, so dass gleichzeitig Lötstellen mit unterschiedlicher Auslegung gesetzt werden können, beispielsweise zur elektrischen Kontaktierung der Elemente selbst, zur Kontaktierung von Verbindungssteckern oder auch von Zugentlastungen für Elemente oder Verbindungsstecker.
Figurenübersicht
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung eine Anlage zum Laserlöten von elektronischen Bauelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 in einer vergrößerten Schnittansicht eine Abbildungsoptik der Anlage gemäß der 1;
3 in einem schematischen Teilschnitt ein Verfahren zum Laserlöten einer LED gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a in einer schematischen Draufsicht die Verteilung von Lötstellen zur elektrischen Kontaktierung eines Verbindungssteckers auf einem Träger, beispielsweise einer Leiterplatine; und
4b in einer schematischen Draufsicht und in einem Ausschnitt ein Substrat, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
Gemäß der 1 wird der Laserstrahl eines Diodenlasers 8 in eine Glasfaser 9 eingekoppelt und zur Anlage weitergeleitet, wo ein Bearbeitungskopf eine Abbildungsoptik 1 mit einem zugeordneten diffraktiven optischen Element (DOE) 5 trägt. Durch die Abbildungsoptik 1 wird der Eingangs-Lichtstrahl 10 in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen 12a–12c geteilt. Gleichzeitig werden diese geeignet fokussiert. Der Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und der Leiterplatine 13 wird deshalb in Entsprechung zur erzielten Brennweite der Abbildungsoptik 1 und zum gewünschten Durchmesser der Strahlflecken auf der Leiterplatine 13 gewählt. Beispielhaft wurde ein Abstand zwischen dem Bearbeitungskopf und dem zu bearbeitenden Werkstück von der Großenordnung von etwa 10cm bis etwa 50cm realisiert. Gemäß der 1 sind auf der Leiterplatine 13 mehrere Bauelemente (nicht dargestellt) in einer regelmäßigen Anordnung positioniert, von denen nur jeweils drei Kontaktpins 14a, 14b, 14c zur elektrischen Kontaktierung dargestellt sind. Die Kontaktpins werden beispielsweise auf Lötpads, Lötaugen oder dergleichen der Leiterplatine 13 in geeigneter geometrischer Anordnung, wie beispielsweise durch ein Schaltungslayout vorgegeben, positioniert. In der Ebene der Leiterplatine 13 kann die geometrische Anordnung der Kontaktpins bzw. Lötstellen dabei nahezu beliebig sein. Zur geeigneten Abbildung und Ablenkung der Teillichtstrahlen 12a–12c braucht nur die Abbildungsoptik 1 und das diffraktive optische Element 5 geeignet ausgelegt werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Zur Verstellung der Abbildungsoptik 1 ist eine Versteileinrichtung 4 vorgesehen, die insbesondere, wie in der 2 gezeigt, den Abstand z1 der Eingangslinse 2 der Abbildungsoptik 1 zur Ausgangsseite der Glasfaser 9 und/oder den Abstand z2 zwischen der Eingangslinse 2 und der zugeordneten Ausgangslinse 3 der Abbildungsoptik 1 geeignet variieren kann, um so den Durchmesser des Eingangs-Lichtstrahls 10 und der Teillichtstrahlen 12a–12c sowie der Lichtflecken geeignet vorzugeben.
Gemäß der 1 kann das DOE 5 in einer manuell oder motorisch antreibbaren Wechseleinrichtung 7 gelagert sein, beispielsweise einer Revolvereinheit oder einer vergleichbaren Dreheinrichtung. Durch Betätigen der Wechseleinrichtung 7 kann das DOE gewechselt werden, um eine andere geeignete geometrische Anordnung von Lötstellen zu setzen.
Gemäß der 1 ist die Leiterplatine 13 auf einer Translationseinrichtung 15, beispielsweise einem Transportband oder einem x-/y-Verschiebetisch, gelagert, die von einem Antrieb 16 angetrieben ist.
Bei dem Verfahren sind die auf die Leiterplatine 13 aufzulötenden Bauteile bevorzugt in einer regelmäßigen, wiederkehrenden Anordnung positioniert. Während eines ersten Prozessschrittes werden in einem ersten Bereich der Leiterplatine 13 gleichzeitig mehrere Lötstellen gesetzt, beispielsweise an den dargestellten Kontaktpins 14a–14c. Diese Lötstellen können sich an einem Bauelement befinden, können jedoch auch an unterschiedlichen Bauelementen gesetzt werden, die in dem ersten Prozessschritt aufgrund der Strahlteilung in die mehreren Teil-Lichtstrahlen 12a–12c gleichzeitig ausgebildet werden können. Anschließend wird die Verstelleinrichtung 15 betrieben und wird ein benachbarter Satz von Elementen in derselben geometrischen Anordnung in den Arbeitsbereich der Abbildungsoptik 1 und des DOE 5 gefahren, und zwar dergestalt, dass die Teillichtstrahlen 12a–12c in derselben Weise, wie bei dem ersten Prozessschritt, auf die entsprechenden Lötstellen abgebildet werden, beispielsweise auf die mit dem Apostroph gekennzeichneten Kontaktpins 14a', 14b' und 14c'. Dies bildet den zweiten Prozessschritt, der in entsprechender Weise beliebig oft wiederholt werden kann. Zwischen den Prozessschritten wird das Substrat dabei um einen stets gleichen Verfahrweg verfahren, der durch den Abstand zwischen den einzelnen regelmäßigen Anordnung der Bauelemente auf dem Substrat vorgegeben ist.
Zur Steuerung der Laserlötanlage gemäß der 1 ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, beispielsweise eine CPU (nicht dargestellt), welche insbesondere die Verstelleinrichtung 4, die Wechseleinrichtung 7, die Translationseinrichtung 15 mit dem zugeordneten Antrieb 16 sowie die Laserdiode 8 in geeigneter Weise steuert.
Weitere Einzelheiten der Abbildungsoptik 1 sind der 2 entnehmbar. Zwischen den entlang der optischen Achse 11 beabstandet zueinander angeordneten Linsen 2, 3 ist ein DOE 5 angeordnet, das den Eingangslichtstrahl 10 durch Lichtbeugung in die dargestellten Teillichtstrahlen 12a–12c teilt. Durch die Abbildungseigenschaften der Linsen 2, 3 und/oder des DOE 5 werden die Teillichtstrahlen 12a–12c geeignet fokussiert bzw. abgebildet. Durch unterschiedliche Beugung in Teilbereichen 6a–6c des DOE 5 werden die Teillichtstrahlen 12a–12c in geeignete Richtungen abgelenkt. Gemäß der 2 können auf den DOE 5 mehrere unterschiedlich ausgelegte diffraktive optische Zonen 6a–6c vorgesehen sein, welche den Teillichtstrahlen 12a–12c unterschiedliche Intensitäten, Strahlquerschnitte, Strahlprofile bzw. Strahlformen und/oder Divergenzen aufprägen. Dem Fachmann auf diesem Gebiet wird eine geeignete Ausgestaltung des DOE 5 sowie der diffraktiven optischen Zonen 6a–6c ohne weiteres möglich sein. Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, können durch geeignete Aufweitung des Eingangslichtstrahls 10 und geeignete Bereitstellung von diffraktiven optischen Zonen 6a–6c sehr viele Teillichtstrahlen 12–12c gleichzeitig geeignet ausgebildet werden.
Die 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserlöten einer LED 20. Diese umfasst einen Sockel 21, auf dem ein Lichtemitter 23 positioniert ist, der über einen Bonddraht 24 kontaktiert ist. Auf dem Sockel 21 befindet sich ferner ein optisches Linsenelement 22 zur Strahlformung des emittierten Lichtstrahls. Der Lichtemitter 23 sitzt auf einer Wärmesenkung 25 von hoher Wärmeleitfähigkeit, um die thermische Belastung des Lichtemitters 23 zu minimieren. Gemäß der 3 sind durch den Sockel 21 Kontaktpins 14a, 14b geführt, die der elektrischen Kontaktierung der p- und n-Seite des Lichtemitters 23 dienen. Die LED 20 ist auf einer Leiterplatine 13 positioniert. Wie in der 3 dargestellt, wird mittels einer Abbildungsoptik, wie vorstehend anhand der 1 und 2 beschrieben, ein Laserstrahl in zwei Teillichtstrahlen L1, L2 geteilt und auf die Kontaktpins 14a, 14b so abgebildet, dass in diesen Bereichen ein Weichlot geschmolzen und so die dargestellten Lötstellen 17a, 17b in Entsprechung zur Geometrie der Kontaktpins 14a und 14b ausgebildet werden. Selbstverständlich können auf diese Weise in einem Prozessschritt gleichzeitig auch mehrere LEDs gelötet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zur Kontaktierung von Verbindungssteckern, mikroelektromechanischen Bauelementen oder dergleichen, wie beispielhaft anhand der 4a beschrieben. Gemäß der 4a weist der Verbindungsstecker 30 in Draufsicht insgesamt drei Kontaktpins 14a–14c sowie zwei einer Zugentlastung dienende Zungen 18a, 18b auf, die mittels der dargestellten Lötstellen 17a–17e kontaktiert bzw. verbunden sind. Zur Verbindung der Zugentlastungszungen 18a, 18b kann eine höhere Laserleistung erforderlich sein. Dies wird durch geeignete Strahlteilung mittels des DOE der Abbildungsoptik bewerkstelligt. Beim Teilen des Eingangslichtstrahls lassen sich grundsätzlich beliebige Strahlteilungsverhältnisse realisieren. Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 kann zur Kontaktierung bzw. Fixierung der Wärmesenkung 25 eine höhere Laserleistung bzw. Laserintensität erforderlich sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich grundsätzlich auch zur Substratbearbeitung durch gleichzeitige Bearbeitung eines Substrats an einer Vielzahl von Stellen. Zu diesem Zweck wird in der vorstehend beschriebenen Weise ein Eingangslichtstrahl in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen unterteilt, die gemäß der 4b auf dem Werkstück 40 eine Mehrzahl von diskreten Bearbeitungsstellen 41 ausbilden, beispielsweise von Durchgangslöchern, Sacklöchern und/oder Schwächungsbereichen. Das Verfahren eignet sich zur Bearbeitung beliebiger Substrate, beispielsweise von Papier- oder Pappbögen, Kunststoffmaterialien oder Metallblechen. Die Mehrzahl von Bearbeitungsstellen 41 kann gemäß der 4b entlang eines beliebigen Linienverlaufs 42 angeordnet sein.
Zusammenfassend wird somit gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zur Substratbearbeitung bereitgestellt, bei welchem Verfahren ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laser-Lichtstrahl, bereitgestellt wird und eine Abbildungsoptik den Lichtstrahl derart abbildet und in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen teilt, dass diese eine Mehrzahl von diskreten Lichtflecken ausbilden, die eine Bearbeitung des jeweiligen Substrats bewirken.
Dabei können die Lichtflecken Durchgangslöcher, Sacklöcher und/oder Schwächungsbereiche in einer durch die Ausgestaltung des diffraktiven optischen Elements vorgegebenen geometrischen Anordnung ausbilden.
Wie dem Fachmann beim Studium der vorliegenden Anmeldung ohne weiteres ersichtlich sein wird, können die diskreten Verbindungs- bzw. Bearbeitungsstellen durchaus auch teilweise überlappen. Die Teillichtstrahlen können dabei in beliebiger Weise von einer Vorderseite und/oder einer Rückseite eines Trägers auf die Verbindungs- bzw. Bearbeitungsstellen gerichtet werden. Zu diesem Zweck können auch in dem Träger Durchgangslöcher vorgesehen sein oder kann dieser zumindest abschnittsweise transparent ausgestaltet sein, um einen optischen Zugang zu den Verbindungs- bzw. Bearbeitungsstellen zu ermöglichen. Zu weiteren Einzelheiten betreffend das Laserlöten von optoelektronischen Bauelementen, wie beispielsweise Leistungs-LEDs oder Leistungs-Diodenlasern, sei Bezug genommen auf die US 2004/0190294 A1, deren Inhalt hiermit ausdrücklich im Wege der Bezugnahme mit aufgenommen sei, insbesondere was die Ausgestaltung der Leiterplatine zur elektrischen Kontaktierung anbelangt.

1: Abbildungsoptik
2: Eingangslinse/-optik
3: Ausgangslinse/-optik
4: Verstelleinrichtung
5: diffraktives optisches Element
6a. 6c: diffraktives optisches Element/diffraktive optische Zonen
7: Wechseleinrichtung
8: Lichtquelle (Laserdiode, LED)
9: Lichtquellenleiter
10: Eingangs-Lichtstrahl
11: optische Achse
12a–12c: Keil-Lichtstrahlen
13: Leiterplatine
14a–14c: Kontaktpins
15: Translationseinrichtung
16: Antrieb
17a–17e: Lötstellen
18a–18d: Zugentlastungszungen
20: LED
21: Sockel
22: Linse
23: Haltleiterbauelement/Lichtemitter
24: Bonddraht
25: Wärmesenke
30: Verbindungsstecker
31: Sockel
40: Werkstück
41: Perforation/Schwächungsbereich
42: Linie

Claims

Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Elementen (13, 20), bei welchem Verfahren ein Lichtstrahl (10), insbesondere ein Laser-Lichtstrahl, bereitgestellt wird und eine Abbildungsoptik (1, 5) den Lichtstrahl derart abbildet und in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen (12a–12c) teilt, dass diese eine Mehrzahl von diskreten Lichtflecken zur Erzeugung einer Mehrzahl von diskreten, stoffschlüssigen Verbindungsstellen (17a–17e) zwischen den wenigstens zwei Elementen (13, 20) ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abbildungsoptik ein diffraktives optisches Element (5) umfasst, das den Lichtstrahl (10) durch Lichtbeugung in die Mehrzahl von Teillichtstrahlen teilt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Verbindungsstellen (17a–17e) in einer vorbestimmten Anordnung ausgebildet werden, die durch die Ausgestaltung der zu verbindenden Elemente (13, 20) und/oder durch deren geometrische Anordnung vorgegeben wird, und bei dem das diffraktive optische Element (5) in Entsprechung zu der vorbestimmten Anordnung von Verbindungsstellen in die Teillichtstrahlen (12a–12c) teilt und in unterschiedliche Richtungen richtet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das diffraktive optische Element (5) eine Mehrzahl von diffraktiven optischen Zonen (6a–6c) in Entsprechung zu der vorbestimmten Anordnung von Verbindungsstellen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die diffraktiven optischen Zonen (6a–6c) eine(n) unterschiedliche(n) Intensität, Strahlquerschnitt, Form und/oder Divergenz der Teillichtstrahlen (12a–12c) bewirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Lichtstrahl (10) von einem Lichtwellenleiter (9) abgestrahlt wird und die Abbildungsoptik eine Eingangslinse (2) und eine Ausgangslinse (3) umfasst, wobei durch Variieren des Abstands (Z1) der Eingangslinse zum Lichtwellenleiter und/oder des Abstands (Z2) der Linsen zueinander ein Strahldurchmesser des Lichtstrahls (10) oder der Teillichtstrahlen (12a–12c) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das diffraktive optische Element (5) zwischen der Eingangslinse (2) und der Ausgangslinse (3) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die stoffschlüssigen Verbindungsstellen durch Löten, Schweißen oder durch Fotohärten eines Klebstoffs ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbindungsstellen an Kontaktpins (14a–14c) von zumindest einem elektronischen oder optoelektronischen Bauelement (20) oder von zumindest einem Verbindungsstecker (30) durch Schmelzen eines Lots ausgebildet werden, um diese mit einem Träger, insbesondere einer Leiterplatine (13), zu verbinden.
Vorrichtung zum Verbinden von wenigstens zwei Elementen (13, 20), umfassend: eine Halteeinrichtung (15) zum Positionieren der Elemente oder des Substrats; eine Lichtquelle (8), die einen Lichtstrahl (10), insbesondere einen Laser-Lichtstrahl bereitstellt; und eine Abbildungsoptik (1, 5), die den Lichtstrahl derart abbildet und in eine Mehrzahl von Teillichtstrahlen (12a–12c) teilt, dass diese eine Mehrzahl von diskreten Lichtflecken ausbilden, die eine Verbindung der wenigstens zwei Elemente (13, 20) an einer Mehrzahl von diskreten, stoffschlüssigen Verbindungsstellen (17a–17e) bewirken.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Abbildungsoptik ein diffraktives optisches Element (5) umfasst, das den Lichtstrahl (10) durch Lichtbeugung in die Mehrzahl von Teillichtstrahlen teilt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Halteeinrichtung (15) die Elemente (13, 20) in einer vorbestimmten Anordnung positioniert und das diffraktive optische Element (5) die Teillichtstrahlen (17a–17c) in Entsprechung zu der vorbestimmten Anordnung erzeugt und in unterschiedliche Richtungen richtet.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das diffraktive optische Element (5) eine Mehrzahl von diffraktiven optischen Zonen (6a–6c) in Entsprechung zu der vorbestimmten Anordnung von Verbindungsstellen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die diffraktiven optischen Zonen (6a–6c) eine(n) unterschiedliche(n) Intensität, Strahlquerschnitt, Form und/oder Divergenz der Teillichtstrahlen (12a–12c) bewirken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiterhin umfassend einen Lichtwellenleiter (9), wobei die Abbildungsoptik eine Eingangslinse (2) und eine Ausgangslinse (3) umfasst, so dass durch Variieren des Abstands (Z1) der Eingangslinse zum Lichtwellenleiter und/oder des Abstands (Z2) der Linsen (2, 3) zueinander ein Strahldurchmesser des Lichtstrahls (10) oder der Teillichtstrahlen (12a–12c) angepasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der das diffraktive optische Element (5) zwischen der Eingangslinse (2) und der Ausgangslinse (3) angeordnet ist.