LASERLÖTSYSTEM

UNTER VERWENDUNG EINER SPEKTROSKOPEINRICHTUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserlöt prozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung eines Laserlötsystems sowie ein Laserlötsystem, umfassend eine Lotkugelzuführvorrichtung zur Ausgabe einer Lotkugel auf eine lötbare Lläche eines Substrats und eine Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel. Aus dem Stand der Technik ist es hinlänglich bekannt, insbesondere Chips, Halbleiter-Bauelemente oder dergleichen auf ein Substrat, wel ches beispielsweise eine Leiterplatte sein kann, mittels eines Laserlöt systems aufzulöten. Dazu werden Kontaktflächen des Chips bzw. des Halbleiter-Bauelements über eine Lotkugel mit einer lötbaren Lläche des Substrats, welche in diesem Zusammenhang auch als „Pad“ bezeichnet wird, verbunden. Die Lotkugel ihrerseits wird mittels einer Lotkugelzu führvorrichtung des Laserlötsystems auf die lötbare Lläche ausgegeben und mittels einer Laservorrichtung des Laserlötsystems zumindest teilweise derart aufgeschmolzen, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Kontaktflächen des Chips bzw. des Halbleiter-Bauelements einerseits und der lötbaren Lläche andererseits ausgebildet werden kann. Während eines Laserlötprozesses können Verbrennungen des Substrats auftreten, wobei hier unter dem Begriff „Verbrennung“ insbesondere eine thermische Aufheizung, welche nicht notwendigerweise unter einer Bildung von Flammen stattfinden muss, verstanden wird, welche mit einer bleibenden Beschädigung des Substrats einhergeht. Grund für eine derartige Verbrennung kann eine direkte Einwirkung eines mittels der Laservorrichtung ausgebildeten Laserstrahls auf das Substrat sein.

Jedoch ist es ebenso denkbar, dass durch die auf die lötbare Fläche auftreffende zumindest teilweise aufgeschmolzene, thermisch aufgeheiz te Lotkugel die lötbare Fläche und damit das mit der lötbaren Fläche thermisch gekoppelte Substrat derart thermisch angeregt bzw. aufgeheizt wird, dass eine Verbrennung des Substrats herbeigeführt wird.

Aus dem Stand der Technik ist es daher bei Laserschweißprozessen, bei welchen Verbrennungen eines Substrats der vorgenannten Art prinzipiell auch auftreten können, bekannt, einen Laserschweißprozess mittels einer Überwachungsvorrichtung eines Laserschweißsystems zu überwachen, insbesondere mit dem Ziel, zu erkennen, ob während des Laserschweiß prozesses eine Verbrennung eines Substrats aufgetreten ist oder nicht. Beispielsweise ist es auf dem technischen Gebiet des Laserschweißens bekannt, einen Laserschweißprozess mittels einer Wärmebildkamera zu überwachen.

Ein Einsatz einer Wärmebildkamera als Überwachungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserlötprozesses der eingangs bezeichneten Art erweist sich jedoch insofern als nachteilhaft, als ein zeitliches und räumliches Auflösungsvermögen einer aus dem Stand der Technik vorbe kannten Wärmebildkamera nicht ausreicht, um einen mit einem „norma len“ Laserlötprozess, insbesondere mit der Aufschmelzung der Lotkugel, verbundenen Anteil eines Lichtsignals von einem weiteren Anteil des Lichtsignals, welcher mit einer Verbrennung des Substrats assoziiert ist, eindeutig zu unterscheiden. Weiter ist eine Verwendung einer Wärme bildkamera mit einem verbesserten zeitlichen und räumlichen Auflö- sungsvermögen ein kostenintensives Unterfangen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung eines Laserlötprozesses mittels einer Über wachungsvorrichtung eines Laserlötsystems sowie ein Laserlötsystem vorzuschlagen, mittels dessen eine verlässliche und kostengünstige Überwachung eines Laserlötprozesses durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 und durch ein Laserlötsystem mit den Merkmalen des An spruchs 9 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines Laserlöt prozesses mittels einer Überwachungsvorrichtung eines Laserlötsystems wird mittels einer Lotkugelzuführvorrichtung des Laserlötsystems eine Lotkugel auf eine lötbare Lläche eines Substrats ausgegeben, wobei die Lotkugel mittels einer Laservorrichtung des Laserlötsystems zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, wobei während des Laserlötprozesses ein Lichtsignal ausgebildet wird, welches mittels einer optischen Erfas sungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung erfasst wird, wobei mittels einer Spektroskopeinrichtung der Überwachungsvorrichtung das Lichtsignal in ein Spektrum des Lichtsignals zerlegt wird, wobei mittels einer Verarbeitungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung das Spekt rum analysiert und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums erkannt wird, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht.

Unter dem Begriff „Verbrennung“ wird hier insbesondere eine thermi sche Aufheizung bzw. Anregung des Substrats verstanden, welche zu einer dem Substrat auf Dauer anhaftenden Beschädigung des Substrats führt bzw. führen kann. Eine Ausbildung von Llammen (Leuer) muss nicht notwendigerweise stattfinden. Zudem kann unter dem Begriff „Verbrennung“ auch ganz allgemein eine Redoxreaktion des Substrats verstanden werden, die unter Abgabe von Energie in Lorm von Wärme bzw. Wärmestrahlung und Licht abläuft.

Der Begriff „Licht“, insbesondere in Verbindung mit dem Begriff „Lichtsignal“, ist hier nicht auf mit dem bloßen Auge sichtbares bzw. wahrnehmbares Licht beschränkt, sondern kann grundsätzlich das gesam- te elektromagnetische Spektrum, insbesondere auch Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung) und Ultraviolettstrahlung, umfassen.

Unter dem Begriff „Lotkugel“ wird hier nicht notwendigerweise ein kugelförmiges Gebilde verstanden. Grundsätzlich kann sich der Begriff „Lotkugel“ auf jedes beliebig geformte Lotmaterial beziehen. Beispiels- weise kann die Lotkugel auch in einer drahtartigen Form vorliegen.

Gleichermaßen kann der Begriff „Lotkugelzuführvorrichtung“ ganz allgemein als eine Vorrichtung verstanden werden, mittels der ein Lotmaterial auf eine lötbare Fläche ausgegeben werden kann.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass ein während des Laserlöt- prozesses ausgebildetes Lichtsignal mittels einer optischen Erfassungs einrichtung der Überwachungsvorrichtung erfasst und anschließend mittels einer Spektroskopeinrichtung der Überwachungsvorrichtung in ein Spektrum bzw. spektrale Bestandteile des Lichtsignals zerlegt wird. Mittels einer Verarbeitungseinrichtung der Überwachungsvorrichtung wird das Spektrum hernach analysiert und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums, insbesondere anhand das Spektrum beschreibender charakteristischer Parameter, erkannt, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Bei den charakteristischen Parametern kann es sich insbesondere um substratab- hängige Intensitätsspitzen in Abhängigkeit von einer Wellenlänge han deln.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, dass es mittels der Spektroskopeinrichtung möglich ist, eindeutig zwi schen einem mit einem „normalen“ Laserlötprozess verbundenen Anteil eines Lichtsignals und einem Anteil des Lichtsignals, welcher auf eine Verbrennung des Substrats zurückzuführen ist, zu unterscheiden bzw. innerhalb des Spektrums zwischen einem einen „normalen“ Laserlötpro zess beschreibenden Anteil und einem eine Verbrennung des Substrats beschreibenden Anteil zu unterscheiden. Insgesamt ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren somit, einen Laserlötprozess verlässlich und kostengünstig zu überwachen.

Das Spektrum kann zumindest einen substratunabhängigen Normalanteil und im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbren nung des Substrats ferner einen substratabhängigen Verbrennungsanteil umfassen, wobei mittels der Verarbeitungseinrichtung zwischen dem substratunabhängigen Normalanteil und dem substratabhängigen Ver brennungsanteil differenziert werden kann. Unter dem Begriff „substrat abhängig“ ist hier zu verstehen, dass eine Beschaffenheit des Verbren nungsanteils von einem Material bzw. einer Materialzusammensetzung des Substrats abhängt, während der Begriff „substratunabhängig“ an zeigt, dass eine Beschaffenheit des Normalanteils von einem Material bzw. einer Materialzusammensetzung des Substrats unabhängig ist, also für jedes beliebige Substrat im Wesentlichen eine gleiche Beschaffenheit aufweist. Der substratunabhängige Normalanteil kann von einem „nor mal“ ablaufenden Laserlötprozess herrühren und somit immer Bestandteil des Spektrums sein. Insbesondere kann der substratunabhängige Nor malanteil durch die Aufschmelzung und eine damit einhergehende ther mische Aufheizung der Lotkugel verursacht sein. Nur im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung des Substrats kann das Spektrum zusätzlich den substratabhängigen Verbrennungsan teil umfassen, welcher bedingt durch die Verbrennung ausgebildet werden kann. So führt beispielsweise eine direkte Einwirkung eines mittels der Laservorrichtung ausgebildeten Laserstrahls auf das Substrat zu einer Anregung von in dem Material bzw. in der Materialzusammen setzung des Substrats enthaltenen Elektronen. Ein mit dieser Anregung verbundenes Emissionsspektrum kann dann einen Beitrag zu dem sub- stratabhängigen Verbrennungsanteil liefern. Mittels der Verarbeitungs einrichtung ist es dann möglich, zwischen dem substratunabhängigen Normalanteil und dem substratabhängigen Verbrennungsanteil zu diffe renzieren bzw. zu unterscheiden sowie ein an der Verbrennung beteilig tes Material bzw. eine an der Verbrennung beteiligte Materialzusammen setzung anhand von spektralen Informationen zu identifizieren.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann mittels der Verarbeitungseinrichtung anhand eines Vorhandenseins des substratab hängigen Verbrennungsanteils in dem Spektrum erkannt werden, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetre ten ist oder nicht. Umfasst das Spektrum also zusätzlich zu dem sub stratunabhängigen Normalanteil noch einen substratabhängigen Verbren nungsanteil, so kann die Verarbeitungseinrichtung anhand dieses Vor handenseins des substratabhängigen Verbrennungsanteils in dem Spekt rum erkennen, ob eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Dabei kann der substratunabhängige Normalanteil der Verarbei tungseinrichtung bekannt sein und in einer Datenbank der Verarbeitungs einrichtung hinterlegt sein. Beispielsweise kann die Verarbeitungsein richtung zur Erkennung dann auf den hinterlegten substratunabhängigen Normalanteil zugreifen und diesen von einem mittels der optischen Erfassungseinrichtung erfassten Spektrum abziehen bzw. herausrechnen und feststellen, ob nach dem Abziehen bzw. Herausrechnen noch ein weiterer Anteil in dem Spektrum vorhanden ist, der dann mit dem Ver brennungsanteil identifiziert werden kann.

Weiter kann mittels der Verarbeitungseinrichtung anhand einer Beschaf fenheit des substratabhängigen Verbrennungsanteils ein Material oder eine Materialzusammensetzung des Substrats bestimmt werden. So führt eine beispielsweise mittels der Laservorrichtung induzierte Anregung von in dem Material bzw. den Materialien des Substrats befindlichen Elektronen zur Ausbildung eines für das Material bzw. die Materialien bzw. die Materialzusammensetzung charakteristischen Emissionsspekt- rums (spektraler Fingerabdruck), anhand dessen das Material bzw. die Materialzusammensetzung des Substrats bestimmt bzw. identifiziert werden kann. Ist das Material bzw. die Materialzusammensetzung des Substrats bekannt, so kann die Bestimmung auch zur Kontrolle dienen, um festzustellen, ob ein in dem Spektrum zusätzlich zu dem substratun abhängigen Normalanteil auftretender Anteil tatsächlich auf eine Ver brennung des Substrats zurückzuführen ist oder nicht.

Vorteilhafterweise kann die Bestimmung mittels eines Vergleichs von charakteristischen Parametern des substratabhängigen Verbrennungsan- teils mit in einer Datenbank der Verarbeitungseinrichtung hinterlegten, eine Vielzahl von verschiedene Materialien oder Materialzusammenset zungen von Substraten spektroskopisch beschreibenden charakteristi schen Parametern durchgeführt werden. Insbesondere kann es sich bei den charakteristischen Parametern um Intensitätsspitzen bzw. Intensi- tätspeaks in Abhängigkeit von einer Wellenlänge handeln.

Zweckmäßigerweise kann mittels der Verarbeitungseinrichtung ausgege ben werden, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Dazu kann die Verarbeitungseinrich tung beispielsweise ein akustisches und/oder optisches Signal ausgeben, das einen Bediener des Laserlötsystems darauf hinweisen kann, dass eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist. Der Bediener kann einen Betrieb des Laserlötsystems dann gegebenenfalls manuell anhalten und das durch die Verbrennung beschädigte Substrat aussortieren.

Weiter kann ein Betrieb des Laserlötsystems im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung des Substrats angehalten werden. Vorteilhafterweise kann der Betrieb des Laserlötsystems in einem solchen Fall automatisch unterbrochen werden. Durch das Anhal ten des Betriebs des Laserlötsystems ist es möglich, weitere Verbren nungen zu verhindern. Das Lichtsignal kann bedingt durch die Aufschmelzung der Lotkugel und im Falle einer während des Laserlötprozesses auftretenden Verbrennung zusätzlich bedingt durch die Verbrennung ausgebildet werden. Dabei kann die Aufschmelzung der Lotkugel einen Beitrag zu dem substratun abhängigen Normalanteil und die Verbrennung einen Beitrag zu dem substratabhängigen Verbrennungsanteil des Spektrums leisten. Dabei kann der durch die Aufschmelzung der Lotkugel bedingte Beitrag insbe sondere auf von der thermisch aufgeheizten Lotkugel abgestrahlte Infra rot- bzw. Wärmestrahlung zurückzuführen sein, während der durch die Verbrennung bedingte Beitrag insbesondere sowohl auf von dem ther misch aufgeheizten Substrat abgestrahlte Infrarot- bzw. Wärmestrahlung als auch auf durch die Verbrennung des Substrats abgestrahltes, mit bloßem Auge sichtbares Licht zurückzuführen sein kann.

Das erfindungsgemäße Laserlötsystem umfasst eine Lotkugelzuführvor- richtung zur Ausgabe einer Lotkugel auf eine lötbare Fläche eines Substrats und eine Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Auf schmelzung der Lotkugel, wobei das Laserlötsystem eine Überwachungs vorrichtung zur Überwachung eines Laserlötprozesses umfasst, wobei die Überwachungsvorrichtung eine optische Erfassungseinrichtung zur Erfassung eines während des Laserlötprozesses ausgebildeten Lichtsig nals und eine Spektroskopeinrichtung zur Zerlegung des Lichtsignals in ein Spektrum des Lichtsignals aufweist, wobei die Überwachungsvor richtung eine Verarbeitungseinrichtung aufweist, mittels der das Spekt rum analysierbar und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums er kennbar ist, ob während des Laserlötprozesses eine Verbrennung des Substrats aufgetreten ist oder nicht. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Laserlötsystems wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.

Vorteilhafterweise kann die optische Erfassungseinrichtung zumindest eine Sammellinse umfassen. Die Sammellinse kann dann mit dem Licht signal assoziiertes Licht sammeln und an die Spektroskopeinrichtung übergeben. Zweckmäßigerweise kann das Laserlötsystem eine Glasfaseranordnung umfassen, mittels der das Lichtsignal von der optischen Erfassungsein richtung zu der Spektroskopeinrichtung übertragbar sein kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Laserlötsystems kann die Verarbeitungseinrichtung eine Datenbank umfassen, in welcher eine

Vielzahl von verschiedene Materialien oder Materialzusammensetzungen von Substraten spektroskopisch beschreibenden charakteristischen Parametern hinterlegbar ist. Die Verarbeitungseinrichtung kann insbe sondere ein Computer sein, dessen Festplatte die Datenbank ausbilden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Laserlötsystems ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems;

Fig. 2 eine diagrammatische Darstellung eines Spektrums für zwei verschiedene Laserlötprozesse. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserlötsystems 10, welches eine Lotkugelzuführvorrichtung 1 1 zur Ausgabe einer Lotkugel 21 auf eine lötbare Fläche 20 eines Substrats 19 und eine hier nicht dargestellte Laservorrichtung zur zumindest teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel 21 umfasst. Dabei ist mittels der Laservorrichtung ein Laserstrahl 12 ausbildbar, welcher einerseits auf die Lotkugel 21 einwir kend zu der teilweisen Aufschmelzung der Lotkugel 21 führt und ande rerseits, wie in der Fig. 1 gezeigt, auch unmittelbar auf das Substrat 19 auftreffend eine Verbrennung 22 des Substrats 19 bewirkt. Bedingt durch die Aufschmelzung der Lotkugel 21 und bedingt durch die Verbrennung 22 wird ein Lichtsignal 23 ausgebildet.

Weiter umfasst das Laserlötsystem 10 eine Überwachungsvorrichtung 13 mit einer optischen Erfassungseinrichtung 14 zur Erfassung des Licht signals 23. Weiter umfasst die optische Erfassungseinrichtung 14 eine Sammellinse 17. Über eine Glasfaseranordnung 18 des Laserlötsystems 10 wird das Lichtsignal 23 dann von der optischen Erfassungseinrichtung 14 zu einer Spektroskopeinrichtung 15 der Überwachungsvorrichtung 13 übertragen, mittels der das Lichtsignal 23 in ein hier nicht gezeigtes Spektrum des Lichtsignals 23 zerlegt wird. Darüber hinaus weist die Überwachungsvorrichtung 13 eine Verarbeitungseinrichtung 16 auf, mittels der das Spektrum analysierbar und anhand einer Beschaffenheit des Spektrums erkennbar ist, ob während eines Laserlötprozesses eine Verbrennung 22 des Substrats 19 aufgetreten ist oder nicht. Ein Betrieb des Laserlötsystems 10 wird im Lalle einer während des Laserlötprozes ses auftretenden Verbrennung 22 des Substrats 19 angehalten, insbeson dere um weitere Verbrennungen 22 zu verhindern.

Die Fig. 2 zeigt ein Spektrum 24 sowie ein Spektrum 25 für zwei ver schiedene Laserlötprozesse. Dabei ist auf einer Abszissenachse 26 eine Wellenlänge in Nanometern und auf einer Ordinatenachse 27 eine Inten sität in einer beliebigen Einheit dargestellt. Das Spektrum 24 bzw. 25 umfasst einen substratunabhängigen Normalanteil 28 bzw. 29, wobei der Normalanteil 28 mit dem Normalanteil 29 im Wesentlichen überein stimmt. Weiter umfasst das Spektrum 24 bzw. 25 einen substratabhängi gen Verbrennungsanteil 30 bzw. 31. Insbesondere ist hier ersichtlich, dass Intensitätsspitzen 32 des Verbrennungsanteils 30, insbesondere bezogen auf eine Lage relativ zu der Abszissenachse 26, deutlich von Intensitätsspitzen 33 des Verbrennungsanteils 31 verschieden sind. Somit rühren die Verbrennungsanteile 30, 31 bzw. die Spektren 24, 25 von verschiedenen Substrattypen bzw. Substraten mit verschiedenen Materia lien oder Materialzusammensetzungen her. Die Lage und eine Höhe der Intensitätsspitzen 32, 33 stellen eine Art spektralen Fingerabdruck dar, anhand dessen ein Material oder eine Materialzusammensetzung eines Substrats bestimmt werden kann.