DE10249569B4 - Werkzeugkopf zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf der Kontaktfläche eines Substrates und Verfahren zum Durchführen der Befestigung - Google Patents
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Abstract
Werkzeugkopf
zum Befestigen eines elektrischen Leiters (20) auf der Kontaktfläche (23)
eines Substrates (24), mit einem Schwingungserreger (14) zum Erzeugen
von linearen Ultraschallschwingungen, einem Bondwerkzeug (18), welches
die Kontaktierung der Kontaktfläche
(23) mit dem elektrischen Leiter (20) ermöglicht, wobei über das
Bondwerkzeug (18) eine Anpresskraft auf den Leiter (20) in Richtung
auf die Kontaktfläche
(23) aufbringbar ist und mittels der so auf die Kontaktfläche (23) und
den elektrischen Leiter (20) übertragbaren
Ultraschallschwingungen ein Aufschweissen des elektrischen Leiters (20)
auf die Kontaktfläche
(23) durchführbar
ist, und einem Schwingungsleiter (13), welcher die linearen Ultraschallschwingungen
des Schwingungserregers (14) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Schwingungsleiter (13) und dem Bondwerkzeug (18) ein
Umsetzer (12) zur Umsetzung der linearen Schwingungen in radiale Schwingungen
angeordnet ist, derart, dass das Bondwerkzeug (18) zu radialen Schwingungen
bzw. Drehschwingungen anregbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Werkzeugkopf zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf der Kontaktfläche eines Substrates nach dem Oberbegriff es Anspruchs 1.
- Ein derartiger Werkzeugkopf ist aus der
DE 93 21 269 U1 bekannt. Mit dem bekannten Werkzeugkopf lassen sich auf Substraten wie Leiterplatten, Mikrocontrollern und Mikroprozessoren an entsprechenden Kontaktstellen elektrische Leiter zum Herstellen von elektrischen Verbindungen mit einer anderen Kontaktstelle anbringen. Das Befestigen eines elektrischen Leiters erfolgt dabei bei dem bekannten Werkzeugkopf durch sogenanntes Bonden, wobei hierunter verstanden wird, dass durch Ultraschallreibversschweißung eine materialschlüssige Verbindung zwischen der Kontaktstelle und dem elektrischen Leiter hergestellt wird. Danach wird unter gezielter Führung durch einen Werkzeugkopf der elektrische Leiter längs einer vorgegebenen Bahnkurve zur zweiten Kontaktstelle geführt, dort in gleicher Weise befestigt, und dann von der Zufuhr des elektrischen Leiters abgetrennt. Somit wird eine elektrische Verbindung zweier Kontaktstellen einer Baugruppe, wie beispielsweise einer bestückten Leiterplatte eines Steuergeräts, erzeugt. - Es sind grundsätzlich zwei Arten von Bond-Verbindungen bekannt. Beim sogenannten Ball-Bonden wird vor dem Aufbringen des elektrischen Leiters auf die erste der beiden Kontaktstellen Material des elektrischen Leiters durch Wärmezufuhr an der Spitze eines Bondwerkzeugs angeschmolzen und so eine Materialkugel erzeugt, die mit dem restlichen elektrischen Leiter zusammenhängt. Diese Kugel kann dann durch Bonden bzw. Ultraschallreibschweißen mit der ersten Kontaktstelle verbunden werden. Dagegen unterbleibt beim sogenannten Wedge-Bonden (bzw. Keil-Bonden) das Erzeugen einer Materialkugel. Der elektrische Leiter wird direkt auf die Kontaktstelle aufgesetzt, vom Bondwerkzeug mit definierter Anlagekraft aufgepresst und dann die Ultraschallenergie zur Durchführung der Reibschweißung eingeleitet. Zum Verbinden zweier Kontaktstellen mit einem elektrischen Leiter, der kontinuierlich zugeführt wird, ist zweckmäßigerweise zumindest eine Verbindung als Wedge-Bond ausgeführt, wodurch prinzipiell Wedge-Wedge-Bonds und Ball-Wedge-Bonds denkbar sind. Insbesondere beim Ball-Wedge-Bonden wird die Ultraschallenergie durch lineare Schwingungen, parallel zur Substratebene eingebracht. Die Wedge-Seite der Verbindung ist dann schwieriger herzustellen als die Ball-Seite. Die Qualität der Verbindung ist abhängig von Material und Oberfläche der Kontaktstelle, der Topographie und der Richtung der Einbringung der Ultraschallenergie. Nach dem Ball-Bonden an der ersten Kontaktstelle ist ein Verfahren des Werkzeugkopfes in sämtliche Richtungen bezüglich der Substratoberfläche möglich. Eine Richtungsänderung des Werkzeuges, insbesondere des Bondkopfes ist nicht erforderlich. Eine bestimmte Ausrichtung zwischen der Schwingungsrichtung der linearen Ultraschallschwingungen und der jeweiligen, insbesondere der abschließenden Verfahrrichtung und Ausrichtung des elektrischen Leiters vor dem Erreichen der zweiten Kontaktstelle ist nicht festgelegt.
- Beim Erzeugen eines Wedge-Bonds muss beim Einbringen der Ultraschallenergie darauf geachtet werden, dass sich die Schwingungsrichtung des Bond-Werkzeuges bezüglich des Verlaufes des elektrischen Leiters im Bereich der Kontaktstelle unterschiedlich auf die Verbindungsqualität auswirkt. Ja nach Richtung der Energieeinbringung (Winkel zwischen Draht und Schwingungsrichtung), müssen Korrekturfaktoren für die eventuell auftretende Verlustleistung berücksichtigt werden. Das Ausrichten des Bondwerkzeuges bezüglich des Verlaufes des Leiters im Bereich der Kontaktstelle erfordert zusätzliche Verfahrbewegungen des Werkzeugkopfes, erhöht also die Verfahrzeit des Werkzeugkopfes. Dies erhöht Herstellungsdauer und Herstellungskosten. Andererseits ist das Abschätzen und Berücksichtigen der Verlustleistung nicht ausreichend sicher, um unter allen Umständen sichere und dauerhafte Verbindungen zu erzeugen.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher die Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Erzeugen qualitativ hochwertiger Bond-Verbindungen. Insbesondere wird angestrebt, beim sogenannten Ball-Wedge-Bonden eine möglichst geringe Taktzeit zu realisieren.
- Vorteile der Erfindung
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Werkzeugkopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
- Ein Werkzeugkopf zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf einer Kontaktstelle eines Substrats durch Ultraschallreibschweißen bzw. Bonden weist einen Schwingungserreger zum Erzeugen von linearen Ultraschallschwingungen und einen Schwingungsleiter (Transducer) zum Weiterleiten der linearen Ultraschallschwingungen an das mit der Befestigungsstelle kontaktierbare Bondwerkzeug auf. Der zu befestigende elektrische Leiter wird durch das Bondwerkzeug mit definierter Anpresskraft auf die Kontaktfläche aufgepresst. Gemäß der Erfindung ist zwischen Schwingungsleiter und Bondwerkzeug ein Umsetzer angeordnet. Durch den Umsetzer werden die linearen Schwingungen in Drehschwingungen (Torsion) umgesetzt.
- Ein erfindungsgemäßer Werkzeugkopf führt mit seinem Bondwerkzeug Drehschwingungen, also Torsionsbewegungen aus. Die Energie dieser Schwingungen kann ungeachtet der Ausrichtung des elektrischen Leiters zum Bondwerkzeug immer in der gleichen Weise und mit der gleichen Übertragungsrate übertragen werden. Hierdurch ist es möglich, Ultraschallreibschweißungen in gleichmäßiger und kontrollierter Weise zu erzeugen. Eine gute Verbindungsqualität kann gleichmäßig erzeugt werden. Auch ein Ausrichten des Bondwerkzeugs bezüglich der Leitungsführung des elektrischen Leiters und somit taktzeitverlängernde Ausrichtbewegungen des Werkzeugkopfes sind erfindungsgemäß nicht erforderlich. Somit wird die Qualität beispielsweise einer Wedge-Verbindung bei gleichzeitiger Verringerung der erforderlichen Bearbeitungszeit verbessert. Gleichzeitig wird auch beim Herstellen einer Ball-Verbindung eine gute Verbindungsherstellung gewährleistet, da die Übertragung der durch die Drehschwingungen des Bondwerkzeugs erzeugten Rotationsbewegungen des Balls in der Befestigungsstelle genau im Aufstandspunkt der Materialkugel (Ball) erfolgen. Eine lokal begrenzte Wärmeerzeugung und eine gute Anbindung der Materialkugel auf der Kontaktfläche wird hierdurch gewährleistet.
- Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Umsetzer ein bezüglich einer Mittelachse rotationssymmetrisches Bauteil. Der Schwingungsleiter ist hierbei lateral außen am Umsetzer befestigt und senkrecht zur Mittelachse ausgerichtet. Lineare Bewegungen des Schwingungsleiters in seiner Erstreckungsrichtung bewirken eine Rotationsbewegung des Umsetzers um seine Mittelachse. Die Befestigung des Schwingungsleiters am Umsetzer kann insbesondere durch Schweißen oder Hartlöten erfolgen. Soweit aufgrund der übertragenen Energie im Bereich der Verbindungsstelle eine Erwärmung auftritt, kann die Verbindungsstelle auch gekühlt werden, wobei hierzu insbesondere eine Luftströmung in diesem Bereich erzeugt werden kann.
- Der Umsetzer kann insbesondere einen zylindrischen Grundkörper mit einem dem Substrat zugewandten kreiskegelstumpfförmigen Werkzeugschaft aufweisen. Das Bondwerkzeug kann dann gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung im Bereich des Werkzeugschafts abragend und fluchtend zur Mittelachse des Umsetzers ausgerichtet am Umsetzer befestigt sein. Hiermit wird es in vorteilhafter Weise auch ermöglicht, das Bondwerkzeug zentrisch zur Kontaktfläche zu positionieren. Es übt dann keine linearen Schwingungshübe gegenüber der Kontaktfläche aus und ist so in einfacher und sicherer Weise ausrichtbar.
- Gemäß vorteilhafter Ausgestaltung ist der Umsetzer in einem Bereich seines Körpers spielfrei in einem Werkzeugträger gehalten, in dem sich bei der Frequenz der Schwingungsanregung durch den Schwingungserreger amplitudenfreie Schwingungsknoten ausbilden. Durch diese Auswahl der Befestigungsstelle wird zum einen erreicht, dass die Drehschwingungen exakt um die Mittelachse des Umsetzers herum erfolgen. Zum anderen ist die Befestigungsstelle frei von Schwingungsanregungen und daher nur geringen Belastungen ausgesetzt. Die Wärmebildung im Befestigungsbereich ist gering gehalten. Die Befestigung des Umsetzers im Werkzeugträger kann insbesondere durch Aufschrumpfen erfolgen, wobei der Werkzeugträger den Umsetzer ringförmig umgreift.
- Hierbei ist es gemäß vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass der Schwingungsleiter am Umsetzer befestigt ist und frei von ihm abragt, wobei der Schwingungserreger insbesondere am Schwingungsleiter gehalten ist. Es ist hierbei keine weitere Befestigung des Schwingungserregers oder des Schwingungsleiters am Werkzeugträger notwendig. Diese Art der Befestigung verhindert ein Eintragen von Schwingungsanregungen in den Werkzeugträger, die störend wären und Verlustleistung zur Folge hätten.
- Die Zufuhr des zu kontaktierenden elektrischen Leiters erfolgt vorzugsweise durch einen im Umsetzer, vorzugsweise längs der Mittelachse, ausgebildeten Zufuhrkanal zum Bondwerkzeug. In üblicher Weise kann der Leiter darin durch Luftströmung geführt und gefördert werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung eines elektrischen Leiters auf der Kontaktfläche eines Substrats sieht vor, dass ein Schwingungserreger lineare Ultraschallschwingungen erzeugt, die über einen Schwingungsleiter einem Bondwerkzeug zugeführt werden. Das Bondwerkzeug presst den elektrischen Leiter auf der Kontaktfläche des Substrates mit definierter Anlagekraft auf. Es werden Ultraschallschwingungen erzeugt, die die für die Reibschweißverbindung (Bond-Verbindung) erforderliche Energie zuführen. Erfindungsgemäß erfolgt in einem Umsetzer ein Umsetzen der linearen Schwingungen in Drehschwingungen, derart, dass das Bondwerkzeug Drehschwingungen ausführt.
- Zeichnung
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt bzw. zeigen:
-
1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes, -
2 eine Draufsicht auf den Werkzeugkopf gemäß1 , -
3 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Erzeugung eines Wedge-Bonds auf einem Substrat, und -
4a ,4b skizzenhafte Darstellungen zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Unabhängigkeit der Bond-Bildung von der Ausrichtung des elektrischen Leiters. - Die
1 und2 zeigen in seitlicher Ansicht bzw. Draufsicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugkopfes, welcher hier insgesamt mit10 bezeichnet ist. Der Werkzeugkopf10 weist einen Umsetzer12 auf, welcher an einem Werkzeugträger11 gehaltert ist. Hierbei umfasst der Werkzeugträger11 den Umsetzer12 ringförmig. Die Befestigung des Umsetzers12 am Werkzeugträger11 kann beispielsweise mittels Aufschrumpfens erfolgen. Im oberen Bereich des Umsetzers12 ist ein Schwingungsleiter13 vorgesehen, welcher beispielsweise über eine Hartlöt- oder Schweißverbindung15 mit dem Umsetzer12 verbunden ist. Der Schwingungsleiter13 ist stab- oder rohrförmig ausgebildet und lateral außen bzw. tangential am Umsetzer12 befestigt. Im Bereich des freien Endes des Schwingungsleiters13 ist ein Schwingungserreger14 angeordnet. Der Schwingungserreger14 , welcher beispielsweise als Piezokristallkörper ausgebildet ist, ist beispielsweise durch eine elektrische Wechselspannung vorgegebener Frequenz zu linearen Schwingungen festgelegter bzw. gewünschter Frequenz im Ultraschallbereich anregbar. Hierbei sind die erzeugten Schwingungen über den Schwingungsleiter13 an den Umsetzer12 weiterleitbar. - Im unteren Bereich des Umsetzers
12 ist ein Bondwerkzeug18 gehaltert. - Aufgrund der lateral außenseitigen Befestigung des Schwingungsleiters
13 am Umsetzer12 und dessen spielfreier Befestigung am Werkzeugträger11 werden die linearen Schwingungen, welche im Schwingungsleiter13 vorliegen, im Umsetzer12 zu Rotationsschwingungen bezüglich dessen Mittelachse16 umgewandelt. Die Frequenz der Rotationsschwingungen entspricht hierbei der Frequenz der vom Schwingungserreger14 erzeugten linearen Schwingung. - Hierbei umfasst der Werkzeugträger
11 den Umsetzer12 in einem Bereich12a , in dem sich bei der Anregungsfrequenz der Schwingungsanregung ein Schwingungsknoten ausbildet. Dieser Schwingungsknoten ist in1 der Anschaulichkeit halber dargestellt und mit19 bezeichnet. Die Amplitude der von dem Umsetzer12 ausgeführten Schwingungen ist ebenfalls schematisch durch die punktiert gezeichnete Amplitudenkurve17 angedeutet, welche den Schwingungsknoten19 umfasst. Es sei darauf hingewiesen, dass mit der Darstellung der Amplitudenkurve17 lediglich eine Verdeutlichung der Amplitudenverhältnisse zu Darstellungszwecken beabsichtigt ist. In der Realität wird ein differenzierteres Schwingungsverhalten, und insbesondere eine größere Anzahl von Knoten auftreten. - Wie aus den
1 und2 deutlich wird, ist der Umsetzer12 rotationssymmetrisch bezüglich seiner Mittelachse16 ausgebildet, wobei sich an einen oberen zylindrischen Abschnitt12' ein insbesondere kegelstumpfförmig sich verjüngender Abschnitt12'' anschließt. Der Übergangsbereich zwischen den Bereichen12' und12'' entspricht dem bereits erwähnten Bereich12a , an welchem die Halterung des Umsetzers12 am Werkzeugträger11 realisiert ist. - Durch die so erzeugten Rotationsschwingungen des Umsetzers
12 wird auch das Bondwerkzeug18 zu Rotationsschwingungen angeregt. Das Bondwerkzeug18 ist fluchtend zur Mittelachse16 des Umsetzers12 ausgerichtet und ragt von der Unterkante des Bereiches12'' des Umsetzers12 ab. - Der Werkzeugkopf
12 ist mit (nicht dargestellten) Führungsmitteln zum Ausführen von Verfahrvorgängen zur Einstellung einer gewünschten Positionierung bezüglich eines Substrates ausgebildet. Auch entsprechende Versorgungsleitungen für Energie, Material und gegebenenfalls Kühlung können über die (nicht dargestellte) Führungsvorrichtung, oder aber über den Werkzeugträger11 , zum Werkzeugkopf10 geführt werden. - Die
3 dient zur Veranschaulichung der Erzeugung eines Wedge-Bonds unter Verwendung des in den1 und2 dargestellten Werkzeugkopfes. Es sei davon ausgegangen, dass im Bereich einer Befestigungsstelle23 eines Substrates24 ein Wedge-Bond erzeugt werden soll. Hierzu wird ein elektrischer Leiter20 mittels des Bondwerkzeuges18 zu der Befestigungsstelle23 geführt. Anschließend wird der elektrische Leiter20 von dem Bondwerkzeug18 mit definierter Anlagekraft auf die Kontaktstelle23 gedrückt. Es werden für ein bestimmtes Zeitintervall durch den Schwingungserreger14 (lineare) Schwingungen erzeugt. Aufgrund der wie oben beschrieben übertragenen, und zu Drehschwingungen umgesetzten Schwingungen kommt es zu einer Reibschweißung zwischen der Kontaktfläche23 und dem Leiter20 . Die Befestigung des Leiters, der sogenannte Bond, hier mit22 bezeichnet, ist hiermit fertiggestellt. Ist die Befestigungsstelle beispielsweise die zweite Befestigungsstelle des Leiters an dem Substrat, wird der elektrische Leiter unmittelbar hinter der Bond-Stelle abgetrennt, wobei während des Bondvorganges (Reibschweißens) bereits eine Sollbruchstelle zwischen dem weiterführenden Leiter und der Anschweißstelle erzeugt wurde. Beim dargestellten Bond handelt es sich somit um einen Wedge-Bond22 . - In den
4a und4b sind unterschiedliche Positionierungen eines Leiters20 auf einer (nicht dargestellten) Kontaktstelle gezeigt. Das jeweils erste Ende der Leiter20 ist hier als Ball-Bond21 ausgebildet, das jeweils zweite Ende ist in der Darstellung der4a ,4b durch den Umsetzer12 verdeckt. Es sei davon ausgegangen, dass die nicht sichtbare, unterhalb des Umsetzers12 ausgebildete Verbindung als Wedge-Bond ausgeführt ist. Da die Drehschwingungen des Umsetzers12 bzw. des mit diesem verbundenen, hier nicht dargestellten Bondwerkzeuges18 rotationssymmetrisch um die Drehachse16 erfolgen, erfolgt bei den beiden dargestellten Positionierungen des Leiters20 eine im wesentlichen gleiche Energieeinkopplung in den Leiter20 , wodurch eine gleichmäßige Qualität der Wedge-Verbindungen, unabhängig von der Ausrichtung des Leiters20 , gewährleistet werden kann. - Die Berücksichtigung von Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von der Erstreckungsrichtung des Leiters bzw. Drahtes
20 , wie diese oben unter Bezugnahme auf den Stand der Technik erwähnt wurden, ist hierbei nicht mehr notwendig. Da die erfindungsgemäß erzielbare Qualität der Wedge-Bondverbindungen gleichmäßig gut ist, kann auf zusätzliche, als Ball-Bonds ausgebildete Sicherheitsbonds, welche gemäß dem Stand der Technik auf einen Wedge-Bond gebondet wurden, verzichtet werden. Hierdurch ist ein insgesamt niedrigerer Draht- bzw. Leiterverbrauch bei gleichzeitig höheren Taktzeiten realisierbar.
Claims (8)
- Werkzeugkopf zum Befestigen eines elektrischen Leiters (
20 ) auf der Kontaktfläche (23 ) eines Substrates (24 ), mit einem Schwingungserreger (14 ) zum Erzeugen von linearen Ultraschallschwingungen, einem Bondwerkzeug (18 ), welches die Kontaktierung der Kontaktfläche (23 ) mit dem elektrischen Leiter (20 ) ermöglicht, wobei über das Bondwerkzeug (18 ) eine Anpresskraft auf den Leiter (20 ) in Richtung auf die Kontaktfläche (23 ) aufbringbar ist und mittels der so auf die Kontaktfläche (23 ) und den elektrischen Leiter (20 ) übertragbaren Ultraschallschwingungen ein Aufschweissen des elektrischen Leiters (20 ) auf die Kontaktfläche (23 ) durchführbar ist, und einem Schwingungsleiter (13 ), welcher die linearen Ultraschallschwingungen des Schwingungserregers (14 ) aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schwingungsleiter (13 ) und dem Bondwerkzeug (18 ) ein Umsetzer (12 ) zur Umsetzung der linearen Schwingungen in radiale Schwingungen angeordnet ist, derart, dass das Bondwerkzeug (18 ) zu radialen Schwingungen bzw. Drehschwingungen anregbar ist. - Werkzeugkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzer (
12 ) ein bezüglich seiner Mittelachse (16 ) rotationssymmetrisches Bauteil ist, wobei der Schwingungsleiter (13 ) lateral senkrecht zur Mittelachse (16 ) am Umsetzer (12 ) befestigt ist. - Werkzeugkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bondwerkzeug (
18 ) an einem Ende in der Mittelachse (16 ) des Umsetzers (12 ) angebracht ist. - Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzer (
12 ) über seinen Körper hinweg bezüglich der eingeleiteten Drehschwingungen Bereiche von Schwingungsknoten (19 ) aufweist, in denen die Schwingungsamplitude der Drehschwingungen Null ist, und im Bereich wenigstens eines Schwingungsknotens (19 ) spielfrei in einem Werkzeugträger (11 ) gehalten ist. - Werkzeugkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsleiter (
13 ) und der Schwingungserzeuger (14 ) frei vom Umsetzer (12 ) abragen. - Werkzeugkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Leiter (
20 ) durch den Umsetzer (12 ) hindurch, insbesondere durch einen Zufuhrkanal, dem Bondwerkzeug (18 ) zuführbar ist. - Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Leiters auf einer Kontaktfläche eines Substrats, mit folgenden Schritten: – Erzeugung von linearen Ultraschallschwingungen – Umwandlung der linearen Ultraschallschwingungen in Drehschwingungen, und Einleitung der Drehschwingungen in die Kontaktfläche und/oder den Leiter zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Kontaktfläche und Leiter.
- Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu seiner Durchführung ein Werkzeugkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird.
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