Verfahren zum präzisen Verbinden von mindestens zwei Werkstücken

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Werkstücken mit hoher Präzision. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Ver ^¬ fahren zum temporären Verbinden von zu bearbeitenden Werkstücken mit einem Trägerelement. Speziell betrifft die Erfindung das Verbinden von zu verarbeitenden Mag¬ netköpfen mit den entsprechenden Trägerelementen, ins¬ besondere bei Magnetplattenspeichern für den Einsatz in Datenverarbeitungsanlagen.

Stand der Technik

In vielen Gebieten der Technik werden exakte Ver¬ bindungen von mehreren Werkstücken miteinander be¬ nötigt. Insbesondere in der Mikromechanik und Mikro¬ elektronik, wo es auf besondere Genauigkeit hinsicht¬ lich der mechanischen Eigenschaften ankommt, sind solche Verbindungen von großer Bedeutung. Dabei sollen sowohl temporäre als auch dauerhafte Verbindungen mög¬ lich sein. Für die Herstellung werden oftmals soge¬ nannte Schmelzklebstoffe verwendet. Das sind bei Raum¬ temperatur feste Klebstoffe, die auf die zu verkleben¬ den Teile aus der Schmelze aufgetragen werden und nach dem Zusammenfügen und Abkühlen der Teile unter Verfe¬ stigung physikalisch abbinden. Sie werden bspw. zum Kleben und Kaschieren in der Möbel-, Schuh- und Verpak- kungsindustrie und zum Binden von Büchern eingesetzt.

Aber auch in der Elektroindustrie kommen diese Schmelz¬ klebstoffe zur Anwendung.

Bei der Handhabung, Bearbeitung und zum Transport von Materialien werden oftmals Trägerelemente eingesetzt, auf die die zu bearbeitenden Teile aufgebracht werden. Bei diesen, als Zwischenträger verwendeten Elementen ist in den meisten Fällen eine temporäre, wieder lös¬ bare Befestigung gewünscht.

Dabei werden auch sogenannte doppelseitige Klebebänder benutzt, um Substrate auf diesen Zwischenträgern zu be¬ festigen. So offenbart bspw. die DD-A-301 269 ein Ver¬ fahren zur Handhabung von beliebig geformten Verbin- dungs-Halbleiterplättchen für den Transport und die Be¬ arbeitung auf kalibrierten Zwischenträgern. Dabei wer¬ den die Verbindungshalbleiterplättchen mit einer zwei¬ seitig mit Klebstoff beschichteten Folie auf den Zwischenträgern befestigt und diese Verklebung wird in einem Bearbeitungsschritt thermisch zerstört.

Bei der Herstellung von Magnetplatten, das sind Datenspeicher mit einer sehr großen Speicherkapazität (ca. 400 Millionen Zeichen (Bytes) können auf einer rund 95 mm großen Magnetplatte gespeichert werden) , sind neben der hohen Speicherdichte die exakten mechanischen Eigenschaften wichtig. Beim späteren Einsatz bewegen sich die Platten mit ca. 5400 Umdre¬ hungen pro Minute. Das bedeutet, daß der äußere Plat¬ tenrand eine Geschwindigkeit von bis zu 100 km/h er¬ reicht, wobei der Schreib-/Lesekopf nur einige zehn¬ tausendstel Millimeter von der Plattenoberfläche ent¬ fernt ist.

Nur durch allergrößte Präzision bei der Fertigung und durch statistische Prozeßkontrolle können diese Quali¬ tätsanforderungen erfüllt werden.

Um auf den Magnetplatten Informationen zu speichern und lesen zu können, sind Schreib-/Leseköpfe notwendig. Sie werden in einem aufwendigen und komplizierten Verfahren hergestellt. Zunächst werden auf einer Keramikplatte (Wafer) die sogenannten Schreib-/Leseelemente aufge¬ bracht. Dies geschieht normalerweise in Dünnfilmtech¬ nologie. Dabei werden durch Kathodenzerstäubung und Galvanotechnik tausendstel Millimeter dünne Schichten aufgetragen, die anschließend durch Photoätzen ihre Form erhalten.

Der oberflächlich chemisch so vorbehandelte Wafer wird anschließend zersägt, um die Einzelteile mechanisch weiterbearbeiten zu können. Durch Formschleifen und eine spezielle Schleiftechnik, dem Läppen, werden dann die eigentlichen Magnetköpfe, die sogenannten Slider, aus den Teilen geformt, die später in einer definierten Flughöhe mit der Relativgeschwindigkeit von stehendem Kopf zu sich drehender Platte auf einem hydrodyna¬ mischen Luftkissen über die Plattenoberfläche gleitet. Dieser Fertigungsprozeß ist maßgebend dafür, daß später der Lesekopf mit weniger als 0,2 μm Abstand über der Magnetplatte schwebt. Ihm kommt daher eine besondere Bedeutung hinsichtlich der exakten mechanischen Eigen¬ schaften zu.

Die aus dem Wafer geschnittenen, mit den Slidern besetzten Streifen, die sogenannten Rows, müssen nun zur weiteren Bearbeitung in der Fertigungslinie tem¬ porär auf Substratträger (Carrier) aufgebracht werden.

Diese Carrier bestehen normalerweise aus Edelstahl. Für den Fachmann ist jedoch klar, daß auch andere Materia¬ lien wie bspw. Aluminium, Keramik oder Kunststoff ver¬ wendet werden können. Je nach Produktgruppe wird eine bestimmte Anzahl von Rows auf den Carrier aufgebracht. Dies geschieht normalerweise durch Schmelzen und Auf¬ bringen von in organischen Chemikalien löslichen Schmelzklebern mittels sogenannter Dispenser.

Nachteile des Standes der Technik

Nachteilig bei den bisher verwendeten Verfahren ist vor allem, daß gängige Schmelzkleber nur in organischen Chemikalien (bspw. NMP) löslich sind, was zu einer erheblichen Umweltbelastung führt.

Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß bei der Verwendung von doppelseitigen Klebebändern eine exakte Ausrichtung während des Klebevorgangs oft nur sehr schwer möglich ist.

Die meisten bisher benutzten Carrier für die Herstel¬ lung der Flugkörper weisen Stege (Auflagen) auf, auf die die Rows mittels des Schmelzklebers aufgeklebt wurden. Dabei wird der Schmelzkleber als Granulat vor¬ gelegt und anschließend geschmolzen. Aufgrund der Stege ist ein ganzflächiges Aufbringen der Rows auf den Carrier nicht möglich, die Rows haften also nicht auf einer Klebefläche, sondern lediglich an Klebepunkten auf dem Carrier (Kisseneffekt). Dies hat den Nachteil, daß, begünstigt durch die Stege, der verwendete Schmelzkleber die Rows "unterwandern" kann und so die Rows mit Partikeln verschmutzt werden. Daher müssen zusätzliche Arbeitskräfte investiert werden, die sich

ausschließlich mit der manuellen Reinigung der Row- rückseiten beschäftigen. Teilweise können diese Konta¬ minationen nicht mehr entfernt werden, so daß erheb¬ liche Mengen an Schrotteilen entstehen.

Es ist zu bemerken, daß eine Anwendung von bisher verwendeten Schmelzklebern auf ebene Carrier nicht möglich ist, da sich hierbei Probleme mit Verunreini¬ gungen und bspw. unterschiedlichen Kleberhöhen ergeben, da die Schmelzkleber das Bestreben haben, sich auf die Seitenflächen der Rows zu ziehen. Eine exakte Weiter¬ verarbeitung wird somit unmöglich gemacht. Desweiteren verunreinigt der aufgebrachte Schmelzkleber die Vorrichtungen zum Ausrichten der Rows für die exakte Weiterbearbeitung.

Aufgabe

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Werkstücken mit großer Präzision bereitzustellen, das die oben ge¬ schilderten Nachteile vermeidet.

Lösung der Aufgabe

Dieses Ziel wird durch ein gattungsgemäßes Verfahren erreicht, das folgende Schritte umfaßt:

a) gleichmäßiges Aufbringen eines Photolacks mit einer definierten Schichtdicke auf mindestens eines der Teile, b) Erwärmen des so entstandenen Verbundteils auf eine vorgegebene Temperatur, bei der die mindestens zwei Teile noch exakt zueinander ausgerichtet werden können, und

c) Zusammenfügen der mindestens zwei Teile und Abkühlen auf eine Temperatur, bei der eine Verfestigung und damit eine präzise Klebeverbindung eintritt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen darge¬ stellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, auf be¬ sonders einfache Art und Weise Werkstücke paßgenau zu verbinden, wobei die bisher bestehenden Nachteile weitestgehend überwunden werden.

Das Verfahren ist selbstverständlich nicht auf eine Befestigung von Rows auf den entsprechenden Carriern beschränkt. Vielmehr läßt sich es sich, für den Fach¬ mann leicht erkennbar, auf eine Vielzahl möglicher Werkstückverbindungen auf verschiedensten Gebieten anwenden, so in der Automobilindustrie z.B. zum Ver¬ binden von Kunststoffinnenflachen, Kotflügeln etc. Auch ein Verkleben von Glasflächen ist bspw. denkbar. Dabei ist es möglich, sowohl temporäre, wieder lösbare wie auch dauerhafte Verbindungen herzustellen. Die Anwen¬ dung ist lediglich durch die Temperaturbeständigkeit der hergestellten Verbundmaterialien nach oben durch den Schmelzbereich des Photolacks begrenzt. Dieser Nachteil ließe sich aber z.B. durch die Anwendung eines nachvernetzenden Photolacks vermeiden.

Die Temperatur, auf die das im ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Verbundteil erhitzt wird, ist abhängig vom verwendeten Photolack bzw. den zu verbindenden Werkstücken. Es ist für den

Fachmann deutlich, daß hier ein sehr weiter Bereich ab¬ gedeckt werden kann. Die Temperatur, bei der dann die Klebeverbindung eintritt, ist bevorzugt Raumtemperatur, kann aber, abhängig von den verwendeten Materialien, auch davon abweichen, wobei der Fachmann leicht er¬ kennen kann, welche Temperatur zu wählen ist. Die Verwendung von Photolack als Klebemittel ermöglicht das Aufbringen einer exakt definierten Schichtdicke auf die zu verbindenden Teile. Auch bei nicht ebenen Trägerelementen bzw. Werkstücken ist eine hohe Präzision gegeben, da sich der Photolack den gegebenen Topographien exakt anzupassen vermag. Daher ist ein formschlüssiges Aufbringen des Lacks auf die ent¬ sprechenden Werkstücke gewährleistet. Das Aufbringen kann bspw. durch Laminieren, Aufwalzen o.a. geschehen. Im Gegensatz zu üblichen Schmelzklebern ist ein Aufbringen aus der Schmelze nicht erforderlich.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß, bspw. im Gegensatz zu doppelseitigen Klebebändern, eine Nach¬ justierung jederzeit stattfinden kann, solange der Photolack auf der vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Auch eine mehrfache Wiederholung dieser Nach¬ justierung durch erneutes Erwärmen ist generell möglich.

Durch die flache, flächige Verbindung der Rows mit dem Carrier durch den formschlüssig aufgebrachten Photolack mit einer genau definierten Klebedicke kann aufgrund des gleichmäßigen thermischen Kontakts eine erheblich verbesserte Ätztiefenverteilung erreicht werden. Zusätzlich wird die Umweltbelastung bei Verwendung eines wasserlöslichen Photolacks drastisch reduziert, da nach einem thermischen Ablösen der Restklebemasse

keine organischen Chemikalien nötig sind, um etwaige verbleibende Reste zu entfernen. Vorhandene Anlagen können ohne Probleme bei Verwendung von wasserlöslichen Photolacken von organischen Lösungsmitteln auf ein wasserlösliches Verfahren umgestellt werden.

Durch die Verwendung eines Photolacks als Klebemittel können im Gegensatz zum bisherigen Verfahren niedrigere Verarbeitungstemperauren gewählt werden. Zudem ist der Kleber hochvakuumverträglich.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß das erfindungs¬ gemäße Verfahren je nach Einstellung der entsprechenden Parameter sowohl eine temporäre als auch eine dauer¬ hafte Verbindung gewährleisten kann.

Durch die Wahl eines ebenen Carriers und die Verwendung des Photolacks als Klebemittel ist es möglich, ein einziges Carrierdesign für eine verschiedene Anzahl von Rows zu verwenden. Es muß also nicht für jede Anzahl von zu prozessierenden Rows ein eigener Carrierdesign erstellt werden. Damit können auch die Kosten für den Carrier selbst drastisch vermindert werden. Wie bereits erwähnt, ist eine Anwendung der bisher benutzten Schmelzkleber auf ebene Carrier nicht möglich, da hierbei aufgrund der weiter oben geschilderten Probleme z.B. bzgl. Verunreinigungen und unterschiedlicher Kleberhöhe auftreten.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch die Wahl eines Photolacks in Form einer Klebefolie, auch zu¬ sammen mit dem flachen Design des Carriers die einzel¬ nen Rows nicht mehr durch Partikel unterwandert werden können und so eine Kontamination verhindert wird. Auf

diese Weise kann die Menge an Schrotteilen erheblich reduziert werden.

Sehr vorteilhaft ist es, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die Nacharbeit stark reduziert werden kann. Aufgrund der Tatsache, daß es sich bei der Photolack¬ folie um einen festen Kleber handelt, kann dieser nicht aus der Klebefuge fließen und ein Entfernen von über¬ flüssigem Kleber kann somit auf ein Minimum reduziert werden. Auch eine Verunreinigung der Vorrichtungen zum Ausrichten der Rows kann weitestgehend vermieden wer¬ den. Eine Rückseitenreinigung kann ebenfalls nahezu komplett entfallen, da es sich um eine flächige Ver¬ bindung der gesamten Rückseite der Rows handelt.

Zudem kann eine zusätzliche Kontrollmessung auf elektrische Leitfähigkeit zwischen Row und Carrier entfallen, die in bisherigen Prozessen aufgrund der Tatsache nötig war, daß, bedingt durch den Kisseneffekt, offene Flächen zwischen den Carrierstegen und den Rows ent-standen. Dadurch konnte es zu einer elektrisch leiten-den Kontaktierung der Rows und des Carriers kommen und die so verbundenen Slider wurden damit bei den nachfol-genden Prozessen kurzgeschlossen. Wurde ein solcher Kontakt festgestellt, mußte der Carrier nochmals nachgearbeitet werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Photolack nichtleitend ist und ganz-flächig aufliegt, ist eine solche Kontrollmessung nicht notwendig.

Photolackfolien können auf Wunsch in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden, auf Wunsch auch ohne photoaktive Stoffe. Somit kann der Kleber optimal

an den jeweiligen Carrier bzw. an die entsprechend zu verbindenden Werkstücke angepaßt werden.

Im Hinblick auf eine weiter fortschreitende Miniatu¬ risierung bietet ein ebener Carrier den weiteren Vor¬ teil, daß mehr Rows auf einem Carrier gleicher Größe untergebracht werden können und so eine höhere Pak- kungsdichte erreicht werden kann. Auch eine Automa¬ tisierung des Verfahrens läßt sich mit Hilfe der Erfin¬ dung wesentlich besser bewerkstelligen.

Im Anschluß soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels für die Herstellung von Magnetköpfen bei der Magnetplattenherstellung näher erläutert werden.

Zunächst wird eine Photolackfolie, vorzugsweise RISTON 4230 ^R , ein wasserlöslicher Photolack, auf einen ebenen Carrier aufgebracht.

Der Carrier kann z.B. aus einem 37 x 39 cm großen Edel¬ stahlteil bestehen. Auch andere Materialien, wie bspw. Aluminium, Keramik oder Kunststoff sind verwendbar. Die Folie wird dann auf den Carrier aufgebracht, z.B. durch Laminieren oder Aufwalzen, und entsprechend der Größe des Carriers, abgetrennt. Es entsteht dadurch eine formschlüssige Verbindung von Carrier und Folie.

Im nächsten Schritt werden dann die auf einer speziellen Vorrichtung, vorzugsweise einem sogenannten Bonder, vorausgerichteten Rows auf den mit der Photo¬ lack versehenen Carrier aufgebracht. Anschließend wird der Carrier auf ca. 90 bis 150°C, vorzugsweise auf 145°C, erhitzt. Bei dieser Temperatur schmilzt die

Folie und verklebt so die Rows, die bei dieser Tem¬ peratur noch einmal endgültig ausgerichtet werden können, mit dem Carrier. Nach dem Abkühlen auf Raum¬ temperatur ist der Klebevorgang abgeschlossen. Die Rows liegen jetzt mit ihrer gesamten Fläche auf der Photo¬ lackfolie auf, die wiederum flach auf dem Carrier auf¬ liegt. Auf diese Weise wird eine Kontaktfläche gebil¬ det, was dazu führt, daß, im Gegensatz zum früheren Verfahren keine Verunreinigungen unter die Rows ge¬ langen können und somit keine Kontamination der Rows auftritt. Weiterhin wird ein gerader Abschluß der Folie mit dem Carrier erhalten, so daß- auch am Rand des Carriers keine Schmutzpartikel eindringen können.

Anschließend wird in einer Meßarbeitsfolge vermessen, ob die Rows in der richtigen Lage auf dem Carrier liegen. Im vorliegenden Beispiel wird eine Abweichung von nur ± 3μm toleriert.

Im nächsten Schritt wird dann durch Tiefenätzen (RIE) die fertige Struktur des Sliders gebildet. Durch die flache flächige Verbindung mit einer genau definierten Klebedicke kann dabei eine erheblich verbesserte Ätz¬ tiefenverteilung erreicht werden.

Zum Ablösen der nun fertig geätzten Slider wir der Carrier mitsamt den darauf befindlichen Rows auf die Schmelztemperatur des verwendeten Photolacks erhitzt. Die Klebeverbindung wird dabei weich, die Rows lassen sich abschieben.

Aufgrund der möglichen Verwendung eines wasserlöslichen Photolacks lassen sich nun etwaig am Carrier bzw. den Rows selbst zurückgebliebene Klebereste leicht mit

Wasser (pH > 8) beseitigen. Dies bedeutet gegenüber den früher benutzten organischen Lösungsmitteln (bspw. N- Methyl-pyrrolidon, NMP) eine enorme Verbesserung der Umweltfreundlichkeit des Prozesses. Zudem können für den Reinigungsprozeß Arbeitskräfte eingespart werden, da sich die Nachbearbeitung im wesentlichen auf eine visuelle Inspektion der Rows beschränkt.

Nachdem die Rows auseinandergesägt worden sind, können die einzelnen Slider der Weiterverarbeitung zugeführt werden.