CH714384A2 - Bondkopf für die Montage von Bauelementen und Die Bonder mit einem solchen Bondkopf. - Google Patents

Bondkopf für die Montage von Bauelementen und Die Bonder mit einem solchen Bondkopf. Download PDF

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CH714384A2
CH714384A2 CH00957/18A CH9572018A CH714384A2 CH 714384 A2 CH714384 A2 CH 714384A2 CH 00957/18 A CH00957/18 A CH 00957/18A CH 9572018 A CH9572018 A CH 9572018A CH 714384 A2 CH714384 A2 CH 714384A2
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Abstract

Ein Bondkopf (1) für die Montage von Bauelementen umfasst einen Schaft (2) und ein Gehäuseteil (3), in dem der Schaft (2) gelagert ist. Die Lagerung des Schafts (2) ermöglicht sowohl eine Drehung des Schafts (2) um eine Achse (6), als auch eine Verschiebung des Schafts (2) in der Längsrichtung der Achse (6) um einen vorbestimmten Hub H. Der Bondkopf (1) umfasst weiter einen Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator am Gehäuseteil (3) und der Rotor am Schaft (2) befestigt ist, einen Encoder, um die Drehlage des Schafts (2) zu messen, und einen Kraftgeber, um den Schaft (2) mit einer Kraft zu beaufschlagen. Der Stator umfasst mit Strömen beaufschlagbare Spulen (7), der Rotor umfasst eine Vielzahl von Permanentmagneten (8). Eine in Längsrichtung der Achse (6) gemessene Länge der Permanentmagnete (8) ist um wenigstens den Hub H kürzer oder länger als eine in Längsrichtung der Achse (6) gemessene wirksame Länge der Spulen (7).

Description

Beschreibung
Technisches Gebiet [0001] Die Erfindung betrifft einen Bondkopf für die Montage von Bauelementen, typischerweise elektronischen oder optischen Bauelementen, insbesondere Halbleiterchips und Flipchips, auf einem Substrat. Die Montage wird in der Fachwelt auch als Bondprozess oder Bestückprozess bezeichnet. Die Erfindung betrifft weiter eine Halbleiter-Montagevorrichtung, in der Fachwelt als Die Bonder bekannt, mit einem solchen Bondkopf.
Hintergrund der Erfindung [0002] Montageautomaten mit Bondköpfen dieser Art werden insbesondere in der Halbleiterindustrie verwendet. Ein Beispiel für derartige Montageautomaten sind Die Bonder oder Pick & Place Maschinen, mit denen Bauelemente in der Form von Halbleiterchips, mikromechanischen und mikrooptischen Bauteilen, und dergleichen auf Substraten wie beispielsweise Leadframes, Leiterplatten, Keramiken, etc. abgesetzt und gebondet werden. Die Bauelemente werden dabei an einem Aufnahmeort von einem Bondkopf aufgenommen, insbesondere angesaugt, zu einem Substratplatz gefahren und an einer genau definierten Position auf dem Substrat abgesetzt. Der Bondkopf ist Teil eines Pick und Place Systems, das Bewegungen des Bondkopfs in mindestens drei Raumrichtungen ermöglicht.
[0003] Der Bondkopf enthält einen um eine Achse drehbaren und in Längsrichtung der Achse bewegbaren Schaft, einen Antrieb um den Schaft zu drehen, einen Encoder, um die Drehlage des Schafts zu messen, und einen Kraftgeber, um den Schaft in Längsrichtung der Achse mit einer Kraft zu beaufschlagen. Der Schaft nimmt direkt ein Bauelement auf oder ist ausgebildet, einen Chipgreifer, z.B. ein «die collet», für ein Bauelement aufzunehmen.
[0004] Ein von der Anmelderin verwendeter Bondkopf enthält einen Antrieb, der einen Elektromotor und ein aus zwei Zahnrädern gebildetes Zahnradgetriebe umfasst, von denen das eine Zahnrad an der Welle des Elektromotors und das andere Zahnrad am Schaft des Bondkopfs befestigt ist.
Kurze Beschreibung der Erfindung [0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bondkopf zu entwickeln, bei dem die Drehlage des Schafts mit einer höheren Winkelgenauigkeit positionierbar und bei dem der Schaft möglichst kraftfrei in Längsrichtung der Achse bewegbar ist.
[0006] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind nicht massstäblich gezeichnet.
Beschreibung der Figuren [0008]
Fig. 1 zeig schematisch und im Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bondkopfs,
Fig. 2 zeigt die Magnetanordnung des Rotors eines im Bondkopf eingesetzten Elektromotors,
Fig. 3 und 4 illustrieren Längen Verhältnisse,
Fig. 5 zeigt schematisch und im Querschnitt einen Bondkopf mit einem pneumatischen Kraftgeber,
Fig. 6 zeigt schematisch und im Querschnitt einen Bondkopf mit einem pneumatischen Kraftgeber und einem Luftlager,
Fig. 7 zeigt schematisch und im Querschnitt einen Bondkopf mit einer integrierten Temperierungsvorrichtung, und
Fig. 8 zeigt schematisch einen Antrieb für den Bondkopf.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0009] Die Fig. 1 zeigt schematisch den Querschnitt eines Bondkopfs 1. Der Bondkopf 1 umfasst einen Schaft 2 und ein Gehäuseteil 3, in dem der Schaft 2 gelagert ist. Der Schaft 2 enthält eine Bohrung 4, die zur Spitze 5 des Schafts 2 führt und mit Vakuum beaufschlagbar ist. Die Spitze 5 des Schafts 2 ist ausgebildet, um ein Bauelement oder einen Chipgreifer für ein Bauelement aufzunehmen. Die Lagerung des Schafts 2 ermöglicht sowohl eine Drehung des Schafts 2 um eine Achse 6, als auch eine Verschiebung des Schafts 2 in der Längsrichtung der Achse 6 um einen vorbestimmten Hub H (Fig. 3). Der Durchmesser des Schafts 2 kann über seine Länge verschiedene Abstufungen haben, wie dies in den Fig. 1, 5 und 6 dargestellt ist. Der Bondkopf 1 umfasst weiter einen Antrieb, der konfiguriert ist, den Schaft 2 um die
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Achse 6 zu drehen, einen Encoder, um die Drehlage des Schafts 2 zu messen, und einen Kraftgeber, um den Schaft 2 in Längsrichtung der Achse 6 mit einer Kraft zu beaufschlagen. Die Kraft ist beispielsweise eine vorbestimmte Pickkraft beim Aufnehmen eines Bauelements oder eine vorbestimmte Bondkraft beim Montieren des Bauelements auf einem Substrat.
[0010] Der Antrieb ist ein Elektromotor, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator am Gehäuseteil 3 und der Rotor am Schaft 2 befestigt ist. Der Stator umfasst mit Strömen beaufschlagbare Spulen 7, der Rotor umfasst eine Vielzahl von Permanentmagneten 8.
[0011] Der Elektromotor ist im Prinzip ein handelsüblicher Elektromotor, der für die Belange der Erfindung dahingehend modifiziert wurde, dass die Länge der Permanentmagnete 8 um wenigstens den Hub H verkürzt wurde. Diese Modifizierung bewirkt eine Reduzierung des Drehmoments, ist jedoch technisch einfach und bietet den Vorteil, dass die Masse des Rotors gleichzeitig kleiner wird bzw. auf Kosten des Drehmoments sogar minimiert werden kann. Die Alternative, dass die Länge der Spulen 7 um wenigstens den Hub H verlängert wird, ist auch möglich, jedoch nicht bevorzugt. Die Permanentmagnete 8 sind - wie in der Fig. 2 dargestellt - flache, quaderförmige Magnete, wobei ihre beiden einander gegenüberliegenden grössten Flächen als Nordpol N und als Südpol S magnetisiert sind. Die Permanentmagnete 8 sind auf einem Kreis angeordnet, wobei ihre dem Kreismittelpunkt zugewandte grösste Fläche abwechselnd ein Nordpol N und ein Südpol S ist. Ihre vom Kreismittelpunkt abgewandte grösste Fläche ist dann abwechselnd ein Südpol S und ein Nordpol N.
[0012] Der Elektromotor dient dazu, den Schaft 2 um die Achse 6 zu drehen. Weil der Schaft 2 in Längsrichtung der Achse 6 um den Hub H verschiebbar sein muss, ist die Länge L-ι (Fig. 3) der Permanentmagnete 8 entweder um wenigstens den Hub H kürzer oder länger als die wirksame Länge L2 der Spulen 7, so dass die von den Spulen 7 auf die Permanentmagnete 8 ausgeübten Kräfte unabhängig von der Position sind, die der Schaft 2 entlang der Längsrichtung der Achse 6 einnimmt. Die Spulen 7 haben in Längsrichtung der Achse 6 eine vorgegebene, mechanische Länge L3. Die wirksame Länge L2 bezeichnet diejenige Länge, innerhalb der das Magnetfeld, das von den durch die Gesamtheit der Spulen 7 fliessenden Strömen erzeugt wird und das die Rotation der Permanentmagnete 8 um die Achse 6 bewirkt, den hauptsächlichen Anteil der auf die Permanentmagnete 8 einwirkenden Kräfte liefert. Die wirksame Länge L2 ist deshalb kürzer als die mechanische Länge L3. Die Fig. 3 illustriert den Fall, dass die Länge L-ι der Permanentmagnete 8 um den Hub H kürzer als die wirksame Länge L2 der Spulen 7 ist, und die Fig. 4 illustriert den umgekehrten Fall, dass die Länge L-ι der Permanentmagnete 8 um den Hub H länger als die wirksame Länge L2 der Spulen 7 ist. Es ist deshalb
L-ι < L2 - H oder L-ι > L2 + H [0013] Im ersten Fall bleiben die Permanentmagnete 8 (und damit der Rotor) auch bei der Axialverschiebung entlang der Achse 6 im Magnetfeld der Spulen 7, im zweiten Fall überragen die Permanentmagnete 8 die Spulen 7 während der gesamten Axialverschiebung. Während der Axialverschiebung des Schafts 2 tritt in beiden Fällen höchstens eine sehr geringe, entlang der Achse 6 wirkende Kraft oder Kraftänderung auf.
[0014] Der Encoder ist ausgebildet, die Drehlage des Schafts 2 zu messen. Der Encoder ist bevorzugt gebildet durch eine kreisförmige Scheibe 9, die am Schaft 2 befestigt ist und an deren Rand eine Encoderskala angebracht ist, und einen Encoderlesekopf 10, der am Bondkopf 1, mit Vorteil am Gehäuseteil 3 des Bondkopfs 1 befestigt ist. Die Encoderskala weist in Längsrichtung der Achse 6 verlaufende Striche auf. Die in Längsrichtung der Achse 6 gemessene Länge der Striche und der sich in Längsrichtung der Achse 6 erstreckende Messbereich des Encoderlesekopfs 10 sind so aufeinander abgestimmt, dass die Striche über den gesamten Hub H des Schafts 2 im Messbereich des Encoderlesekopfs 10 liegen.
[0015] Als Encoder kann auch ein Winkelsensor verwendet werden, beispielsweise ein magnetischer Winkelsensor, der die Drehlage anhand des von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds bestimmt, oder ein optischer Winkelsensor, oder ein beliebiger anderer Winkelsensor.
[0016] Der Kraftgeber dient zur Erzeugung der Pickkraft als auch der Bondkraft. Als Kraftgeber kann beispielsweise ein mechanischer Kraftgeber verwendet werden, insbesondere ein Kraftgeber, bei dem eine Feder verwendet wird, die auf den Schaft 2 einwirkt, um eine in Längsrichtung der Achse 6 wirkende Kraft zu erzeugen. Als Kraftgeber kann auch ein pneumatischer Kraftgeber verwendet werden, wie dies bei den Bondköpfen 1 der Fall ist, die in den Fig. 5 und 6 schematisch und im Querschnitt dargestellt sind. Hier bilden das Gehäuseteil 3 und ein auf das Gehäuseteil 3 aufgesetzter Deckel 11 zusammen mit dem Schaft 2 einen abgeschlossenen Hohlraum 12, dessen Volumen sich durch die Längsbewegung des Schafts 2 verändert. Der Deckel 11 enthält eine Bohrung 13, durch die der Hohlraum 12 mit Druckluft beaufschlagbar ist. Der Hohlraum 12 bildet somit eine Druckkammer und der in der Druckkammer herrschende Druck erzeugt eine auf den Schaft 2 einwirkende Kraft. Die Bewegung des Schafts 2 in Längsrichtung der Achse 6, d. h. der Hub H, ist beispielsweise durch einen Anschlag begrenzt. Die vom Kraftgeber erzeugte Kraft bewirkt einerseits, dass der Schaft 2 im unbelasteten Zustand gegen den Anschlag gedrückt wird. Andererseits wirkt die Kraft beim Picken eines Bauelements als Pickkraft und beim Absetzen eines Bauelements als Bondkraft auf das Bauelement ein, weil der Schaft 2 beim Picken und beim Bonden von dem Anschlag weggedrückt wird. Die Bewegung des Schafts 2 während dieser Prozessschritte ist eine passive Bewegung, die sich daraus ergibt, dass der Schaft 2 beim Aufsetzen auf dem Bauelement wie auch beim Aufsetzen des Bauelements mit dem Substrat zum Stillstand kommt, während der von einem Antrieb 17 (Fig. 8) angetriebene Bondkopf noch weiter abgesenkt wird, bis das Aufsetzen detektiert und der Antrieb 17 gestoppt wurde.
[0017] Die Lagerung des Schafts 2 im Gehäuseteil 3 kann beispielsweise ein Gleitlager, ein Kugellager, ein Luftlager oder ein anderes geeignetes Lager sein. Bei dem in der Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Lagerung des Schafts im Gehäuseteil 3 mittels eines Gleitlagers, bei dem in der Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Luftlagers.
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Beim Luftlager weist das Gehäuseteil 3 Lufteinlasse für die Zufuhr von Druckluft auf. Bei einer bevorzugten Ausbildung des Luftlagers weist das Gehäuseteil 3 zudem Luftauslasse für die Abfuhr von Luft aus dem Luftlager auf. Die Lufteinlasse sind beispielsweise erste Bohrungen 14 und die Luftauslasse beispielsweise zweite Bohrungen 15. Falls Lufteinlasse und Luftauslasse vorhanden sind, sind die Lufteinlasse in Längsrichtung der Achse 6 jeweils zwischen einigen der Luftauslasse angeordnet. Die Luftauslasse können mit der Umgebung verbunden sein, so dass an ihnen der Umgebungsdruck anliegt, oder es kann ein Unterdrück (Vakuum) an die Luftauslasse angelegt werden, um die durch die Lufteinlasse in das Luftlager gepresste Luft abzusaugen. Die Strömungsrichtung der Luft in den Lufteinlassen und den Luftauslassen ist in der Fig. 6 durch (seitlich versetzte) Pfeile illustriert. Mit dieser Anordnung, bei der die Lufteinlasse von den Luftauslassen umgeben sind, wird verhindert dass ein Teil der Luft, die durch die Lufteinlasse in den Spalt zwischen dem Schaft 2 und dem Gehäuseteil 3 gepresst wird, in den Hohlraum 12 gelangt und damit die auf den Schaft in Längsrichtung der Achse 6 einwirkende Kraft verändert.
[0018] Die Fig. 7 zeigt schematisch und im Querschnitt einen Bondkopf mit einer Temperierungsvorrichtung. Die Temperierungsvorrichtung dient dazu, die Temperatur von bestimmten Teilen des Bondkopfs 1 auf einem vorbestimmten Wert zu halten. Die Temperierungsvorrichtung umfasst beispielsweise eine Rohrleitung 16, die mit Vorteil wie dargestellt in das Gehäuseteil 3 integriert ist und die Teil eines geschlossenen Wärmekreislaufs ist, durch den ein Fluid strömt, dessen Temperatur in einer externen Heiz-, oder Kühl-, oder Heiz- und Kühlvorrichtung auf den vorbestimmten Wert geregelt wird. Das Fluid kann gasförmig oder flüssig sein. In bestimmten Fällen ist die Temperierungsvorrichtung ein elektrischer Heizwiderstand, der in das Gehäuseteil 3 integriert ist. Die Temperierungsvorrichtung kann bei allen Bondköpfen 1 eingesetzt werden. Bei einem Bondkopf 1 mit einem pneumatischen Kraftgeber kann sie beispielsweise eingesetzt werden, um die in der Druckkammer herrschende Temperatur auf einen vorbestimmten Wert zu regeln, so dass die vom Kraftgeber erzeugte Kraft unabhängig von Schwankungen der Umgebungstemperatur ist.
[0019] Der erfindungsgemässe Bondkopf kommt typischerweise in einer Halbleiter-Montagevorrichtung, in der Fachwelt als Die Bonder bekannt, zum Einsatz. Eine solche Halbleiter-Montagevorrichtung umfassteinen Antrieb 17, der konfiguriert ist, den Bondkopf 1 in Längsrichtung der Achse 6 zu bewegen. Beim Picken eines Bauelements und beim Bonden des Bauelements wird der Bondkopf 1 von diesem Antrieb 17 jeweils abgesenkt, wobei der Schaft 2 passiv mitgeführt wird.
[0020] Der Bondkopf bietet mehrere Vorteile, nämlich:
- Der erfindungsgemässe Antrieb zum Drehen des Schafts, bei dem der Rotor direkt am Schaft befestigt ist, ist ein Direktantrieb und somit ein spielfreier Antrieb, was ein spielfreies und damit hochpräzises Anfahren der Drehlage des Schafts ermöglicht. Dies im Gegensatz zu bekannten Bondköpfen, bei dem ein Zahnradgetriebe zwischen dem Antrieb und dem Schaft zwischengeschaltet ist.
- Die Messung der Drehlage des Schafts ist eine direkte und ebenfalls spielfreie Messung, da die Encoderskala auf die am Schaft befestigte Scheibe aufgebracht ist.
- Der Direktantrieb des Schafts ohne Zahnradgetriebe und ohne Zahnriemen oder dergleichen ist verschleissfrei und erzeugt auch keinen Abrieb. Dies ist insbesondere ein Vorteil in Reinraumumgebungen, wo der Abrieb zur Beschädigung der ICs führen könnte, die einen mit Partikeln verschmutzen Halbleiterchip enthalten.
- Die Axialverschiebung des Schafts, d. h. die Verschiebung des Schafts entlang seiner Längsachse, ist nahezu kraftfrei. D. h., dass die Verschiebung des Schafts entlang der Längsachse beim Aufbau der Pickkraft oder der Bondkraft keine zusätzliche Kraft erzeugt, die die vom Kraftgeber erzeugte Kraft verstärkt oder schwächt. Dies im Gegensatz zu bekannten Bondköpfen, bei dem ein Zahnradgetriebe oder Zahnriemen zwischen dem Antrieb und dem Schaft zwischengeschaltet ist.
- Die Konstruktion ist platzsparend, kompakt und ermöglicht bei kleinem Bauraum und kleinem Gewicht die Erzeugung der bei der Montage von Halbleiter-Bauelementen erforderlichen, relativ grossen Bondkraft.
- Die Masse des Schafts inklusive Rotor ist sehr gering. Die beim Auftreffen des Schafts auf das Bauelement kurzzeitig einwirkende Kraft ist proportional zum Impuls, d. h. zum Produkt aus Masse und Geschwindigkeit des Schafts, und darf einen vorbestimmten Wert nicht überschreiten, da sonst das Bauelement beschädigt werden könnte. Kleinere Masse erlaubt höhere Geschwindigkeit und ergibt damit eine kürzere Zykluszeit.
- Die Ausführung des Bondkopfs mit einem Luftlager ermöglicht eine nahezu reibungsfreie Drehung und Verschiebung des Schafts.
- Die Ausführung des Bondkopfs mit einer Temperierungsvorrichtung ermöglicht es, Einflüsse von Temperaturschwankungen der Umgebung auf den Bondkopf und damit auf den Bondprozess zu minimieren oder eliminieren.
[0021] Während Ausführungsformen dieser Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass mehr Modifikationen als oben erwähnt möglich sind, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen. Die Erfindung ist daher nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt.

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1. Bondkopf (1) für die Montage von Bauelementen auf einem Substrat, umfassend einen Schaft (2), ein Gehäuseteil (3), das eine Lagerung für den Schaft (2) umfasst, die eine Drehung des Schafts (2) um eine Achse (6) und eine Bewegung des Schafts (2) in einer Längsrichtung der Achse (6) um einen vorbestimmten Hub (II) ermöglicht,
    CH 714 384 A2 einen Antrieb, um den Schaft (2) um die Achse (6) zu drehen, einen Encoder, um die Drehlage des Schafts (2) zu messen, und einen Kraftgeber, um den Schaft (2) in Längsrichtung der Achse (6) mit einer Kraft zu beaufschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Elektromotor ist, der einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Stator am Gehäuseteil (3) und der Rotor am Schaft (2) befestigt ist, der Stator mit einem Strom beaufschlagbare Spulen (7) umfasst, der Rotor eine Vielzahl von Permanentmagneten (8) umfasst, der Stator mit Strömen beaufschlagbare Spulen (7) umfasst, wobei das Magnetfeld, das von den durch die Gesamtheit der Spulen (7) fliessenden Strömen erzeugt wird, die Rotation der Permanentmagnete (8) um die Achse (6) bewirkt, und eine in Längsrichtung der Achse (6) gemessene Länge (Li) der Permanentmagnete (8) um wenigstens den Hub (H) kürzer oder länger als eine in Längsrichtung der Achse (6) gemessene wirksame Länge (L2) der Spulen (7) ist.
  2. 2. Bondkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Encoder eine kreisförmige Scheibe (9), die am Schaft (2) befestigt ist und an deren Rand eine Encoderskala angebracht ist, und einen Encoderlesekopf (10) umfasst, wobei die Encoderskala in Längsrichtung der Achse (6) verlaufende Striche aufweist, und eine in Längsrichtung der Achse (6) gemessene Länge der Striche und ein sich in Längsrichtung der Achse erstreckender Messbereich des Encoderlesekopfs (10) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Striche über den gesamten Hub (H) des Schafts (2) im Messbereich des Encoderlesekopfs (10) liegen.
  3. 3. Bondkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftgeber ein pneumatischer Kraftgeber ist, der eine mit Druckluft beaufschlagbare Druckkammer aufweist, wobei der in der Druckkammer herrschende Druck auf ein Ende des Schafts (2) einwirkt.
  4. 4. Bondkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung ein Luftlager ist, wobei das Gehäuseteil (3) Lufteinlasse für die Zufuhr von Druckluft und Luftauslasse für die Abfuhr von Luft aus dem Luftlager aufweist, wobei die Lufteinlasse in Längsrichtung der Achse (6) jeweils zwischen einigen der Luftauslasse angeordnet sind.
  5. 5. Bondkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend eine Temperierungsvorrichtung, die dazu dient, die Temperatur von bestimmten Teilen des Bondkopfs 1 auf einem vorbestimmten Wert zu halten.
  6. 6. Die Bonder mit einem Bondkopf (1) nach einem der Ansprüche I bis 5, mit einem Antrieb (17), der konfiguriert ist, den Bondkopf (1) in der Längsrichtung der Achse (6) zu bewegen.
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