VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR KONTAKT I ERUNG , PLAZIERUNG UND BEAUFSCHLAGUNG MITTELS LASERENERGIE EINES LOTKUGELVERBANDS

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung eines Lotkugelverbands, bei dem vermittels einer Mehrzahl von in einem Verband angeordneten Kontaktmundstücken aus einem Lotkugelreservoir mit einer Vielzahl von regellos verteilten Lotkugeln ein entsprechend der Relativanordnung der Kontaktmundstücke zusammengesetzter Lotkugelverband aus dem Lotkugelreservoir entnommen wird, der Lotkugelverband vermittels der Kontaktmundstücke zur nachfolgenden Kontaktierung an Kontaktstellen platziert wird und nachfolgend vermittels der Kontaktmundstücke eine Beaufschlagung der Lotkugeln mit Laserenergie zur thermischen Verbindung mit den Kontaktstellen erfolgt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens geeignet ist.

Zur Kontaktierung von miteinander elektrisch leitfähig zu kontaktierenden Bauelementen und insbesondere Gruppen von Bauelementen hat sich in der Praxis eine Lotkugelkontaktierung durchgesetzt, bei der Lotkugeln aus einem Lotkugelreservoir vereinzelt werden, nachfolgend an den Kontaktstellen der Kontaktpartner platziert und schließlich durch Beauf-

schlagung mit thermischer Energie zur Herstellung der gewünschten elektrisch leitfähigen Verbindung aufgeschmolzen werden. Insbesondere bei einem industriellen Einsatz des bekannten Verfahrens kommt es darauf an, die Vielzahl der vorgenannten Verfahrensschritte bei einer möglichst großen Anzahl von zwischen Kontaktpartnern herzustellenden Lotverbindungen in möglichst kurzer Zeit durchführen zu können. Daher ist man in der Vergangenheit bereits auch dazu übergegangen, die Entnahme und Vereinzelung von Lotkugeln aus einem Lotkugelreservoir für eine zur späteren Kontaktierung benötigte Anordnung einer Mehrzahl von Lotkugeln in einem gemeinsamen Verfahrensschritt durchzuführen. Hierzu sind Entnahmeeinrichtungen entwickelt worden, die die Entnahme der gewünschten Anzahl von Lotkugeln bei gleichzeitig vereinzelnder Ausrichtung der Lotkugeln ermöglichen.

Ebenfalls ist es bereits bekannt, eine derartige Entnahmevorrichtung zur Platzierung der Lotkugeln an korrespondierend mit der Anordnung der Lotkugeln in der Entnahmevorrichtung angeordneten Kontaktstellen einer Kontaktanordnung zu verwenden. Zur nachfolgenden Kontaktierung der an den Kontaktstellen platzierten Lotkugeln ist es bislang notwendig, die Lotkugeln durch eine von der Entnahme- bzw. Platzierungsvorrich- tung unabhängige Kontaktiereinrichtung mit thermischer Energie zu beaufschlagen. Hierdurch ist es notwendig, vor dem eigentlichen Verbindungsvorgang, also vor dem Energieeintrag in die Kontaktstellen durch die Kontaktiereinrichtung, die erforderliche Relativausrichtung zwischen der Verbindungseinrichtung und den Lotkugeln bzw. zwischen der Verbindungseinrichtung und der die Lotkugeln haltenden Entnahme-/ Platzierungseinrichtung herbeizuführen. Hiermit ist ein entsprechender Justier- und Handhabungsaufwand verbunden, der darüber hinaus zu seiner Durchführung auch eine entsprechende Zeit benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Kontaktierung eines Lotkugelver-

bands vorzuschlagen, das bzw. die die Kontaktierung eines Lotkugelverbands vereinfacht und beschleunigt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt sowohl die vereinzelnde Aufnahme einer Mehrzahl von in einem Verband angeordneten Lotkugeln aus einem Lotkugelreservoir als auch die Platzierung der im Verband angeordneten Lotkugeln an den Kontaktstellen als auch die nachfolgende Kontaktierung der an den Kontaktstellen angeordneten Lotkugeln vermittels einer Beaufschlagung der Lotkugeln mit Laserenergie über die die Lotkugeln aus dem Lotkugelreservoir aufnehmenden Kontaktmundstücke.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfällt somit die Notwendigkeit des Einsatzes unterschiedlicher Einrichtungen zur Durchführung der verschiedenen Verfahrensschritte. Stattdessen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die vereinzelnde Aufnahme, die Platzierung der Lotkugeln an den Kontaktstellen und die Durchführung der eigentlichen Kontaktierung mittels ein und derselben Kontaktiervorrichtung durchgeführt.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Kontaktmundstücke zur Aufnahme der Lotkugeln aus dem Lotkugelreservoir mit einem Vakuum beaufschlagt werden.

Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn während der Aufnahme der Lotkugeln aus dem Lotkugelreservoir eine Beaufschlagung des Lotkugel- reservoirs mit Ultraschall erfolgt, um zum einen eine statistisch regelmäßige Verteilungsdichte der Lotkugeln im Reservoir zu erzielen und zum anderen durch die Ultraschallvibrationen ein Hochspringen der Lotkugeln zu bewirken, so dass zur vereinfachten Aufnahme der Lotku-

geln im Lotkugelreservoir Abstände zwischen den Lotkugeln erzeugt werden.

Wenn die Kontaktmundstücke nach Platzierung der Lotkugeln an den Kontaktstellen gegenüber den aus den Lotkugeln und den Kontaktstellen gebildeten Kontaktanordnungen verschwenkt werden, ist es möglich, die Richtung der Energiebeaufschlagung der Lotkugeln durch die Kontaktiereinrichtung abweichend von der Zustellrichtung beim Platziervorgang zu wählen, um einen optimierten Energieeintrag in die Kontaktstellen zu ermöglichen.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich dabei, wenn die Kontaktmundstücke unter Aufrechterhaltung des Kontaktdrucks gegenüber den Kontaktanordnungen verschwenkt werden, so dass auch nach Durchführung des Schwenkvorgangs eine Kontaktierung der Lotkugeln möglich ist, ohne zwischenzeitige Ausbildung eines Kontaktspaltes.

Eine weitere vorteilhafte Variante des Verfahrens besteht darin, nach der Aufnahme der Lotkugeln aus dem Lotkugelreservoir und vor dem Platzieren der Lotkugeln an den Kontaktstellen eine Beschichtung der Lotkugeln mit einem Flussmittel vorzunehmen, um die Qualität der durch die Kontaktierung hergestellten Lotverbindungen zwischen den Kontakt- partnern gegebenenfalls noch zu erhöhen.

Wenn die Beschichtung durch ein zumindest teilweises Eintauchen der Lotkugeln in ein Flussmittelreservoir erfolgt, die Lotkugeln des Lotkugelverbands also quasi in einem Dipverfahren mit einem Flussmittelauftrag versehen werden, kann die Beschichtung ohne großen zusätzlichen zeitlichen oder apparativen Aufwand während der überführung der Kontaktmundstücke aus dem Lotkugelreservoir zu den Kontaktstellen erfolgen.

Zur Einrichtung einer besonderen Qualitätssicherung ist es auch möglich, die mit den Kontaktmundstücken zusammenwirkende Lasereinrichtung

vor Durchführung des thermischen Verbindungsvorgangs durch Aufschmelzen der Lotkugeln unmittelbar nach der Platzierung zur Durchführung einer Positionierungsprüfung bzw. einer Prüfung auf Fehlstellen zu verwenden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Mehrzahl von in einem Verband angeordneten Kontaktmundstücken und ein Lotkugelreservoir zur Aufnahme einer Vielzahl von Lotkugeln auf, wobei die Kontaktmundstücke sowohl zur Aufnahme der Lotkugeln aus dem Lotkugelreservoir als auch zur Platzierung der Lotkugeln an den Kontaktstellen als auch zur Beaufschlagung der Lotkugeln mit Laserenergie zur thermischen Verbindung der Lotkugeln mit den Kontaktstellen dienen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind in den Kontaktmundstücken Vakuumkanäle zur Beaufschlagung der Lotkugeln mit Vakuum ausgebildet.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn an dem Lotkugelreservoir eine Einrichtung zur Beaufschlagung des Lotkugelreservoirs mit Ultraschallschwingungen angeordnet ist.

Wenn die Kontaktmundstücke schwenkbar an der Kontaktiervorrichtung angeordnet sind, lässt sich in besonderem Maße eine Anpassung der Ausrichtung der Kontaktmundstücke an die Gegebenheiten bzw. Relativanordnung der Kontaktstellen herstellen.

Die gemeinsame Handhabung der Kontaktmundstücke in einem Verband wird vereinfacht, wenn die Kontaktmundstücke an einer Trägervorrichtung der Kontaktiervorrichtung angeordnet sind.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Anordnung der Kontaktmundstücke eine Reihen- oder Matrixanordnung aufweist, so dass eine den meisten Relativanordnungen von Kontaktstellen entsprechende Standardanordnung der Kontaktmundstücke gegeben bzw. einstellbar ist.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Kontaktmundstücke in ihrer Relativanordnung an der Trägereinrichtung veränderbar sind, um beispielsweise auch einzeln oder gruppenweise von einer Reihen- oder Matrixanordnung abweichende Anordnungen von Kontaktstellen mit den an der Trägervorrichtung angeordneten Kontaktiereinrichtungen beaufschlagen zu können.

Als besonders vorteilhaft hinsichtlich einer platzsparenden und funktionsintegrierten Ausführung der Kontaktmundstücke erweist es sich, wenn die Kontaktmundstücke zur Beaufschlagung der Lotkugeln mit Laserenergie eine im Vakuumkanal geführte Lichtleiteinrichtung aufweisen.

Wenn die Lichtleiteinrichtung als Lichtleitfaser ausgebildet ist, kann die Lichtleitfaser gleichzeitig zur Einleitung der Laserenergie in die Kontaktmundstücke und nicht nur zur Führung der Laserenergie innerhalb der Kontaktmundstücke genutzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Ausbildung der Lichtleiteinrichtung als Lichtleitfaser es auch, die Lichtleiteinrichtung als Stößeleinrichtung zu verwenden, um etwaige an der Austriebsöffnung des Kontaktmundstücks ausgebildete Verunreinigungen entfernen zu können.

Eine besonders einfache und effektive Möglichkeit der Synchronisation der Lichtleiteinrichtungen bietet sich, wenn die Lichtleitfasern mehrerer Kontaktmundstücke an eine Laserquelle angeschlossen sind.

Insbesondere bei unterschiedlich ausgebildeten Kontaktstellen, die in einem gemeinsamen Bestückungs-/ Belotungsvorgang bearbeitet werden sollen, erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Lichtleitfasern der

Kontaktmundstücke zu mehreren Lichtleitfasergruppen zusammengefasst sind, die zumindest teilweise an unterschiedliche Laserquellen angeschlossen sind. Dabei können die Laserquellen Laserlicht unterschiedlicher Leistung emittieren.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Erläuterung des damit durchführbaren Verfahrens anhand der Zeichnungen näher erörtert.

Es zeigen:

Fig. 1 : eine Lotkugelkontaktiervorrichtung bei der Aufnahme von Lotkugeln aus einem Lotkugelreservoir;

Fig. 2: die Lotkugelkontaktiervorrichtung bei der Beschichtung von Lotkugeln mit Flussmittel;

Fig. 3: die Lotkugelkontaktiervorrichtung mit an Kontakt- mundstücken angeordneten und mit Flussmittel beschichteten Lotkugeln;

Fig. 4: die Lotkugelkontaktiervorrichtung bei der Beaufschlagung der Lotkugeln mit Laserenergie;

Fig. 5: ein Kontaktmundstück der Lotkugelkontaktiervorrichtung bei der Platzierung einer Lotkugel gegen eine Kontaktpaarung;

Fig. 6: das in Fig. 5 dargestellte Kontaktmundstück in einer verschwenkten Kontaktierstellung;

Fig. 7: eine an einer Kontaktflächenpaarung platzierte Lotkugel;

Fig. 8: die in Fig. 7 dargestellte Kontaktflächenpaarung bei Beaufschlagung der Lotkugel mit Laserenergie.

Fig. 1 zeigt eine Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 mit einer Mehrzahl von hier als Kanülen ausgebildeten, an einer Trägereinrichtung 21 angeordneten Kontaktmundstücken 22. Die einzelnen Kontaktmundstücke 22 sind jeweils an eine Vakuumeinrichtung 23 angeschlossen, so dass bei

entsprechender Beaufschlagung an Kontaktöffnungen 24 der Kontaktmundstücke 22 ein Vakuum anliegt.

Die Lotkugelkontaktvorrichtung 20 befindet sich über einem in einem Aufnahmebehältnis 25 angeordneten Lotkugelreservoir 26 mit einer Vielzahl von Lotkugeln 27. Das Aufnahmebehältnis 25 ist vermittels einer hier nicht näher dargestellten Ultraschalleinrichtung mit Ultraschall beaufschlagbar, um das Aufnahmebehältnis 25 oder zumindest Teilbereiche des Aufnahmebehältnisses 25, wie beispielsweise einen Behältnisboden 28, mit einer Schwingungsamplitude zu beaufschlagen. Die Schwingungsamplitude wird auf die Lotkugeln 27 des Lotkugelreservoirs 26 übertragen und versetzt diese in eine Auf- und Abbewegung relativ zum Aufnahmebehältnis 25. Durch diese Auf- und Abbewegung werden die Abstände zwischen den Lotkugeln 27 zum einen vergrößert, zum anderen erfolgt eine statistisch regelmäßige Verteilung der Lotku- geln 27 im Aufnahmebehältnis 25, ohne dass sich lokale Häufungen bilden würden.

Um bei Beaufschlagung der Kontaktmundstücke 22 mit Vakuum das Ansaugen der Lotkugeln 27 gegen die Kontaktöffnung 24 zu erleichtern, kann insbesondere der Behältnisboden 28 mit Luftdurchlässen versehen sein.

Wie Fig. 2 zeigt, ist es möglich, die an der Lotkugelkontaktiervorrich- tung 20 vereinzelt in einem Lotkugelverband 29 angeordneten Lotkugeln 27 durch zumindest teilweises Eintauchen in ein Flussmittelreservoir 30 mit einem Flussmittelauftrag 31 , wie in Fig. 3 dargestellt, zu versehen.

Fig. 4 zeigt nun die Platzierung der im Lotkugelverband 29 angeordneten Lotkugeln 27 auf Kontaktflächen 32 eines Substrates 33, das beispielsweise als elektronisches Bauelement ausgebildet sein kann.

In Fig. 4 ist auch beispielhaft am äußeren linken Kontaktmundstück 22 ein Beaufschlagungskanal 34 des Kontaktmundstücks 22 dargestellt, der

zum einen, wie bereits vorstehend ausgeführt, zur Verbindung mit der Vakuumeinrichtung 23 dient und zum anderen einen Endabschnitt der hier als Lichtleitfaser 35 ausgebildeten Lichtleiteinrichtung aufnimmt. Die Lichtleitfaser 35 ist nach oben aus dem Kontaktmundstück bzw. der Trägereinrichtung 21 herausgeführt und mit ihrem Anschlussende an eine hier nicht näher dargestellte Laserquelle bzw. eine mit einer Laserquelle verbundene Lichteinkopplungseinrichtung angeschlossen. Diese Licht- einkopplungseinrichtung kann als Verteilereinrichtung ausgebildet sein, die von einer Laserquelle emittierte Laserenergie an die Mehrzahl von Lichtleitfasern der Mehrzahl von Kontaktmundstücken 22 verteilt.

Die in Fig. 1 dargestellte Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 weist eine Reihenanordnung von Kontaktmundstücken 22 auf. Darüber hinaus kann die Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 aber auch so ausgebildet sein, dass sie eine Matrixanordnung von Kontaktmundstücken 22 aufweist, bzw. eine Anordnung von Kontaktmundstücken 22, die eine der jeweiligen Anordnung der zu kontaktierenden Kontaktflächen der Kontaktsubstrate entsprechende ein- oder zweidimensionale Verteilungsanordnung von Kontaktmundstücken aufweist.

Die Fig. 5 und 6 zeigen einen Platzierungsvorgang mit nachfolgender Kontaktierung, wobei die in Fig. 4 dargestellte Lotkugelkontaktvorrichtung 20 mit einer Reihenanordnung von Kontaktmundstücken 22 zum Einsatz kommt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind demgemäß senkrecht zur Zeichenebene zehn Kontaktmundstücke angeordnet, die einen Verband von insgesamt zehn Lotkugeln 27 tragen und auf einer entsprechenden Anordnung von zehn Kontaktflächen 32 des Kontaktsubstrats 33 platzieren. Die Kontaktflächen 32 bilden jeweils zusammen mit einer Kontaktfläche 36 eines mit dem Substrat 33 zu kontaktierenden elektronischen Bauelements 37 an Kontaktstellen 41 Kontaktpaarungen 38 mit den räumlich zueinander angeordneten Kontaktflächen 32 und 36.

Fig. 5 zeigt, dass in einem ersten Schritt die Lotkugeln 27 vermittels der Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 gegen die hier in einer Horizontalebe-

ne angeordneten Kontaktflächen 32 des Substrats 33 zur Anlage gebracht werden. Anschließend erfolgt, wie in Fig. 6 dargestellt, ein Verschwenken der Lotkugelkontaktvorrichtung 20 bzw. der Trägervorrichtung 21 um eine Schwenkachse 39, derart, dass am Ende des Schwenkvorgangs die Lotkugeln 27 des Lotkugelverbands sowohl an den Kontaktflächen 32 des Substrats 33 als auch den in einer Vertikalebene angeordneten Kontaktflächen 36 des Bauelements 37 anliegen. In dieser in Fig. 6 dargestellten Stellung der Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 bzw. des Verbands der Kontaktmundstücke 22 erfolgt dann die Beaufschlagung der Lotkugeln 27 mit Laserenergie über die Lichtleitfaser 35.

Alternativ ist es möglich, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, nach einer Platzierung der Lotkugeln 27 mit Kontakt zu den Kontaktflächen 32 und 36 der Kontaktflächenpaarung 38 die Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 von der Kontaktstelle 41 zu entfernen, um eine Beaufschlagung der Lotkugeln 27, wie in Fig. 8 dargestellt, mit Laserenergie 40 durchzuführen, ohne dass ein Körperkontakt zwischen der Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 und den Lotkugeln 27 besteht. Wie Fig. 7 zeigt, wird die durch die Lotkugelkontaktiervorrichtung 20 hergestellte Anlage der Lotkugeln 27 gegen die Kontaktflächen 32 und 36 der Kontaktpaare 38 durch die adhäsive Wirkung des Flussmittelauftrags 31 oder ein anderes Adhäsionsmittel erreicht.