DE10128111A1

DE10128111A1 - Vorrichtung zur Montage von Bauelementen auf einem Substrat

Info

Publication number: DE10128111A1
Application number: DE10128111A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoehn
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2001-06-11
Publication date: 2003-02-20
Also published as: US20040036041A1; EP1400159A1; JP2004521514A; WO2002102127A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Montage von Bauelementen (10), insbesondere von Halbleiter-Chips (10), auf einem Substrat (4) mit einer ersten Verfahreinheit zum Aufnehmen des Bauelements (10) mit einem Bauelementhalter (3) an einem ersten Ort und Absetzen des Bauelements (10) an einem zweiten Ort auf dem Substrat (4), wobei eine Lagemesseinheit (2, 11) zur optischen Ermittlung einer Ist-Lage des Bauelements (10) in Abhängigkeit einer Ist-Lage des Substrates (4) an einer Optik-Verfahreinheit (2) zum Verfahren der Lagemesseinheit (2, 11) von einer Arbeitsposition im Bereich des Substrates (4) zu einer Ruheposition angeordnet ist, vorgeschlagen, die eine vollautomatische Montage unterschiedlichster Bauelemente (10) auf Substraten (4) ermöglicht und gleichzeitig einen hohen Durchsatz in einer verketteten Fertigung sowie eine sehr hohe Positioniergenauigkeit aufweist. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Substrat (4) auf einer Transportvorrichtung (1, 6, 7) zur weitgehend kontinuierlichen Zu- und Abführung von zahlreichen Substraten (4) zu bzw. von der Vorrichtung angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Montage von Bauelementen, insbesondere von Halbleiter-Chips, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Zunehmende Miniaturisierung und Funktionsintegration bei elektronischen Baugruppen und Mikrosystemen erfordern den Einsatz automatischer Montagesysteme zur schnellen und präzisen Ausrichtung von Halbleiter-Chips in Bezug auf eine Leiterplatte oder ein Substrat. Hierfür werden meist kartesisch aufgebaute Präzisions-Pick-and-Place-Automaten verwendet, die einen Chip an einem ersten Ort von einem Chipträger (gesägter Wafer, Magazin, . . .) mit Hilfe eines Greifers aufnehmen und seitlich versetzt an seinem Montageort auf dem Substrat absetzen.
Insbesondere bei hochintegrierten Aufbautechnologien, wie z. B. der Flip-Chip-Technik, ist dabei eine sehr hohe Montagegenauigkeit von wenigen Mikrometern zu realisieren.
Bei der Flip-Chip-Montage müssen Halbleiter-Chips mit ihrer strukturierten Seite nach unten gerichtet auf das Substrat positioniert und durch Löten oder Kleben stoffschlüssig gefügt werden. Um die engen zulässigen Montagetoleranzen einzuhalten, werden bei bekannten Verfahren die einander zugewandten Strukturen auf der Unterseite des Bauteils und der Landefläche des Substrats mittels Bildverarbeitung erkannt und abgeglichen. Damit können Lageungenauigkeiten kompensiert werden, wie sie durch die nicht exakte Präsentation oder Toleranzen der Werkstücke entstehen.
Montagevorrichtungen der vorstehend angegebenen Art sind als sogenannte Die-Bonder bekannt. Charakteristisch für diese Systeme sind die örtlich getrennten Bildaufnahmen von Chip und Montageposition auf dem Substrat. Hierbei wird der gegriffene Chip zunächst über eine erste, ortsfest im Arbeitsraum angeordnete und nach oben gerichtete Kamera gefahren und ein Bild der Chip-Unterseite aufgenommen. Danach verfährt der Bestückkopf über das Substrat und lokalisiert mittels einer zweiten, seitlich am Bestückkopf mitgeführten Kamera den Montageort auf dem Substrat. Bei bekannter Position der beiden Bildaufnahmeorte wird die im jeweiligen Kamerasichtfeld ermittelte Lage des Chips bzw. des Substrats in das Maschinenkoordinatensystem transformiert und die Lageabweichung zwischen Chip und Substrat in Achskoordinaten berechnet. Dadurch lässt sich ein Korrekturwert ermitteln, der bei der anschließenden Positionierung berücksichtigt wird. Aufgrund der langen Verfahrwege zwischen den örtlich getrennten Bildaufnahmen ist dieses Verfahren jedoch mit Positionierungenauigkeiten verbunden. Diese sind auf unvermeidliche Abweichungen des Achssystems, z. B. auf Winkelfehler der Führungen, auf Teilungsfehler oder Messfehler des Wegmesssystems oder auf Ungenauigkeiten der Spindelsteigung eines Spindelantriebes zurückzuführen. Um derartige Fehlereinflüsse gering zu halten, ist eine aufwendige und kostenintensive Mechanik mit hoher absoluter Positioniergenauigkeit der Achsen notwendig. Die derzeit am Markt verfügbaren Die-Bonder erreichen im allgemeinen Genauigkeiten zwischen 20 µm und 60 µm.
Eine weitere, speziell für die Flip-Chip-Montage ausgelegte vollautomatische Montageeinrichtung, wurde auf dem Seminar "Flip-Chip-Technik" in einem Vortrag mit dem Titel "Equipment for Flip-Chip-Bonding" am 08.12.1992 an der Technischen Universität Dresden, veranstaltet von der VDI/VDE- Technologiezentrum Informationstechnik GmbH, Berlin, vorgestellt und wird heute von der Firma Karl Suss, Garching, vertrieben. Diese Montageeinrichtung nutzt eine sogenannte Splitfield-Optik für die optische Lageerkennung von Chip und Substrat. Die Optik wird hierbei in eine Messposition zwischen das auf einem xy-Tisch liegende Substrat und den in einem bestimmten Abstand darüber befindlichen und vom Bondkopf gehaltenen Chip eingeschoben. In dieser Messposition werden die einander gegenüberliegenden Strukturen des Chips und des Substrats über einen halbdurchlässigen Spiegel und mehrere Umlenkspiegel in einen optischen Strahlengang projiziert, um die Überlagerung ihrer Bilder durch eine Videokamera darzustellen. Mittels Bildverarbeitung lässt sich dann die Abweichung des Chips relativ zum Substrat bestimmen und durch die Achsen des xy-Tisches korrigieren. Nach dem Ausrichten des Chips in Bezug auf die Substratstrukturen kann die Lage von Chip und Substrat mit der Optik erneut gemessen und gegebenenfalls nachjustiert werden, bis die Abweichung der beiden Ist-Lagen einen vorgegebenen, zulässigen Toleranzwert erreicht hat.
Da bei diesem Verfahren nach der optischen Lagemessung deutlich kleinere laterale Positionierbewegungen als bei den vorstehend angegebenen Die-Bondern zum Ausgleich der Ist- Lagen notwendig sind, kann eine höhere Montagegenauigkeit unterhalb von 5 µm erreicht werden. Allerdings gestaltet sich die Feinjustage über die steifen und relativ schweren Achsen des xy-Tisches aufgrund des ungünstigen Verhältnisses von hoher bewegter Masse zu Antriebsleistung relativ zeitaufwendig.
Zum Absetzen des oberhalb der Optik vom Bondkopf gehaltenen Chips wird die Optik aus dem Weg zwischen den beiden Werkstücken in eine Ruhelage seitlich außerhalb des Bereichs des Substrats herausbewegt und der Bondkopf führt die Absetzbewegung in der z-Koordinate durch.
Da der Bondkopf nur in der z-Richtung und die Splitfield- Optik nur zwischen zwei Endlagen (Messposition und Ruheposition) verfahrbar ist, wird eine zusätzliche, aufwendige Handhabungs- bzw. Beladeeinrichtung benötigt, um die zu fügenden Werkstücke (Substrate und Chips) in den Bond- bzw. Sichtbereich der Optik zu bringen. Hierzu entnimmt ein in der xy-Ebene verfahrbarer Karussell- bzw. Revolverkopf jeweils ein Substrat und einen Chip aus einem Substrat- bzw. Chipmagazin und übergibt sie an den xy-Tisch bzw. den Bondkopf. Bei Bedarf müssen die entsprechenden Magazine manuell ausgewechselt bzw. nachgefüllt werden.
Die vorstehend beschriebene Maschinenkonfiguration erlaubt vorwiegend die Handhabung von Einzelsubstraten mit dem Revolverkopf, während die Verarbeitung von Mehrfachnutzen oder -werkstückträgern zur Steigerung der Produktivität nicht möglich erscheint. Aufgrund der diskontinuierlichen, manuellen Beschickung der Maschine ist eine Verkettung mit anderen Fertigungseinrichtungen in einer Linie mit einem gerichteten, kontinuierlichen Materialfluss aus Gründen der Produktivität und der Losverfolgung (Traceability, Known Good Die) nicht möglich. Nachteilig ist damit die vergleichsweise geringe Durchsatzrate der Einrichtung von ca. 200 bis 300 Bauelemente pro Stunde, der hohe konstruktive Aufwand für die Materialhandhabung innerhalb der Maschine und die damit verbundenen relativ hohen Kosten sowie der hohe Spezialisierungsgrad ausschließlich für die Montage von Flip- Chips. Weiterhin ist ein hoher Aufwand für die Bildverarbeitung notwendig, weil sich durch Verwendung der vorstehend angegebenen Optik die Strukturen von Chip und Substrat in einem gemeinsamen Bild überlagern und somit von der Bildauswertesoftware selektiert und unterschieden werden müssen.
Weitere Optikprinzipien, die in der Lage sind, zeitgleich die Ist-Lage des Bauelementes und die Ist-Lage des Substrats abzubilden, werden in den Druckschriften US 4,608,494 oder US 5,752,446 beschrieben. Aus der US 5,457,538 oder DE 195 24 475 C1 sind ferner manuelle und halbautomatische Positioniereinrichtungen, die eine Strahlteileroptik für die Lageerkennung nutzen, bekannt. Hierbei handelt es sich jedoch um spezielle Laboreinrichtungen, die in Bezug auf ihre eingeschränkte Produktivität nicht den Anforderungen einer vollautomatischen Serienfertigung genügen.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Montage von Bauelementen, insbesondere von Halbleiterchips vorzuschlagen, die eine vollautomatische Montage unterschiedlichster Bauelemente auf Substraten ermöglicht und gleichzeitig einen hohen Durchsatz in einer verketteten Fertigung sowie eine sehr hohe Positioniergenauigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass das Substrat auf einer Transportvorrichtung zur weitgehend kontinuierlichen Zu- und Abführung von zahlreichen Substraten zu bzw. von der Vorrichtung angeordnet ist.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung wird vor allem ein vergleichsweise hoher Durchsatz der Substrate bzw. Bauelemente in einer Fertigungslinie bei hoher Genauigkeit realisiert. Beispielsweise ist die Transportvorrichtung gemäß der Erfindung als ein Transferband oder dergleichen ausgebildet und in einer automatischen Fertigungslinie mit anderen, unterschiedlichen Fertigungsanlagen bzw. -systemen für Halbleiterbauelemente integriert bzw. mit diesen verkettet.
In vorteilhafter Weise ist gegebenenfalls vor und/oder hinter der erfindungsgemäßen Transportvorrichtung ein Puffersegment zur Anpassung der Transportgeschwindigkeit der Transportvorrichtung mit der oder den Transportgeschwindigkeiten einer automatischen Fertigungslinie vorgesehen. Insbesondere mit Hilfe dieser Puffersegmente kann die Transportgeschwindigkeit des Substrates in der erfindungsgemäßen Vorrichtung an die Geschwindigkeit der Montage des Bauelementes auf dem Substrat angepasst werden. Vorzugsweise ist die Transportgeschwindigkeit des Substrates wenigstens im Moment des Positionierens bzw. Fügens nahezu Null, wodurch die Genauigkeit der Positionierung bzw. Montage verbessert wird.
Vorzugsweise ist die Transportgeschwindigkeit des Substrates auf der Transportvorrichtung außerhalb des Positionierzeitraumes wenigstens zeitweise deutlich über der Transportgeschwindigkeit der automatischen Fertigungslinie, wodurch ein gegebenenfalls vorgesehener Halt des Substrats bzw. der Transportvorrichtung während dem Positionieren bzw. der Montage ohne Einbußen auf die Durchsatzrate bzw. die kontinuierliche Zu- und Abführung der zahlreichen Substrate zu bzw. von der Vorrichtung gemäß der Erfindung realisierbar ist.
Vorteilhafterweise umfasst die Lagemesseinheit wenigstens eine Optikvorrichtung mit zwei entgegengerichteten Messrichtungen zur Ermittlung der beiden Ist-Lagen. In vorteilhafter Weise wird mit der Transportvorrichtung die Optikvorrichtung kombiniert. Diese Optikvorrichtung umfasst einen diametral abbildenden Optikkopf mit zwei entgegengesetzten Messrichtungen zur simultanen Bildaufnahme der Ist-Lagen des auf der Transportvorrichtung zugeführten Substrats und des darüber von einem Greifer bzw. Bestückkopf gehaltenen Bauteils bzw. Chips. Um getrennte und mittels digitaler Bildverarbeitung relativ einfach auswertbare Bilder zu erhalten, werden z. B. die Strukturen von Chip und Substrat über ein Umlenkprisma auf jeweils eine Kamera im Optikkopf abgebildet. Dabei sind die beiden Kameras horizontal liegend hinter dem Umlenkprisma angeordnet, um einen kurzen Strahlengang zu erreichen. Insbesondere aufgrund des kurzen Strahlengangs kann eine hohe numerische Apertur und somit eine relativ hohe optische Auflösung bei vergleichsweise kompakter und leichter Bauform der Optik realisiert werden. Eine derartige, kompakte Optik kann aufgrund ihrer relativ geringen zu beschleunigenden Masse vergleichsweise schnell in und aus dem Bereich zwischen dem Substrat und dem Bauelement verfahren werden, wodurch sich die Zykluszeit zur Montage von Bauelementen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitgehend minimieren lässt.
Vorzugsweise wird eine Optikeinheit gemäß der Druckschrift JP 32 17 095 bzw. der noch unveröffentlichten Druckschrift DE 100 12 043 A1 verwendet, die sich insbesondere durch die zuvor beschriebenen Merkmale und somit durch ihre relativ kompakte Ausführungsform und geringe zu bewegende Masse auszeichnen.
Vorzugsweise wird ein relatives Positionierprinzip mittels der Lagemesseinheit bzw. Optikeinheit umgesetzt, wodurch beispielsweise eine erste Verfahreinheit bzw. ein Handhabungssystem verwendet werden kann, die bzw. das vom ersten Ort über eine relativ große Strecke zum Bereich des Substrates vergleichsweise schnell und möglicherweise ungenau verfährt. Dementsprechend sind beispielsweise multipositionsfähige Montageeinrichtungen, z. B. Pick-and- Place-Einrichtungen, mit einem stehenden und/oder hängenden Achsportalsystem als erste Verfahreinheit einsetzbar.
Entsprechende Montageeinrichtungen weisen einen vergleichsweise großen nutzbaren Arbeitsraum auf, wobei beispielsweise von einem beliebigen Ort des Arbeitsraums ein Bauelement aufgenommen und zu einem beliebigen Ort über dem Substrat vergleichsweise schnell und gegebenenfalls grob mit der ersten Verfahreinheit positioniert werden kann. Die exakte Bestimmung der Ist-Lage des Bauelementes relativ zur Ist-Lage des Substrates bzw. des Montageortes erfolgt in vorteilhafter Weise mittels der Optikvorrichtung.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst die Transportvorrichtung mindestens eine Substratverfahreinheit mit wenigstens einer zur vom Substrat ausgebildeten Ebene nahezu parallel angeordneten, insbesondere regelbaren Positionierachse zum Verfahren des Substrates in der x/y-Ebene. Mit Hilfe der Substratverfahreinheit kann das Substrat beispielsweise orthogonal zur Transportrichtung verfahren werden. Vorteilhafterweise ist durch das Zusammenwirken von Substratverfahreinheit und Transportvorrichtung möglich, das Substrat frei in der x/y- Ebene zu positionieren.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung weist die Substratverfahreinheit zwei zueinander nahezu senkrecht und zur vom Substrat ausgebildeten Ebene weitgehend parallel angeordnete, insbesondere regelbare Positionierachsen auf. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird ermöglicht, dass die Substratpositionierung gegebenenfalls entlang der beiden Positionierachsen, insbesondere parallel zur Substratebene, realisiert werden kann, ohne zusätzliches Verfahren bzw. Positionieren des Substrats mit der Transportvorrichtung.
Vorteilhafterweise weist die Optikverfahreinheit wenigstens zwei zueinander nahezu senkrecht und zur vom Substrat ausgebildeten Ebene weitgehend parallel angeordnete, insbesondere regelbare Positionierachsen auf. Entlang dieser beiden Positionierachsen kann die Lagemesseinheit entsprechend hin und her verfahren werden, wodurch diese flexibel und wenigstens über dem gesamten Bereich des Substrates verfahren werden kann. Beispielsweise können mit Hilfe der Optikvorrichtung mehrere unterschiedliche Montageorte auf einem Substrat angefahren werden, ohne dass hierzu das Substrat relativ stark verfahren werden muss.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Optikverfahreinheit eine zur vom Substrat gebildeten Ebene nahezu senkrecht angeordnete, insbesondere regelbare Fokussierachse zum Fokussieren des ersten und/oder des zweiten Ortes auf, insbesondere des jeweiligen Montageortes auf dem Substrat. Hierdurch wird ermöglicht, dass beispielsweise Bauelemente auf verschiedenen Ebenen des Substrats bzw. mehrere Bauelemente übereinander angeordnet bzw. montiert werden können.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Feinpositioniereinheit mit zwei zueinander nahezu senkrecht und zur vom Substrat ausgebildeten Ebene weitgehend parallel angeordnete, insbesondere regelbare Positionierachsen zur Feinpositionierung einer oder beider Ist-Lagen bzw. des Substrates und/oder des Bauelementes vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme ist es möglich, dass die erste Verfahreinheit für die Zubringbewegung des Bauelementes und/oder die Substratverfahreinheit das Bauelement bzw. das Substrat relativ grob, d. h. mit vergleichsweise geringer Genauigkeit, im Sichtfeld der Optikvorrichtung vorpositionieren, wodurch diese Verfahreinheiten relativ kostengünstig ausgeführt werden können. Die mit Hilfe der Lagemesseinheit ermittelte Lageabweichung des Bauelementes relativ zum Substrat wird dann durch den wesentlich genaueren Feinpositionierantrieb der Feinpositioniereinheit ausgeglichen.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist ein maximaler Fahrbereich der Feinpositioniereinheit um ein Vielfaches kleiner als ein maximaler Verfahrbereich der ersten Verfahreinheit. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird eine weitere Steigerung der Montagegenauigkeit und -geschwindigkeit erreicht, da insbesondere aufgrund des vergleichsweise kleinen Verfahrbereichs der Feinpositioniereinheit dieser hoch präzise gesteuert bzw. geregelt werden kann. Der wesentlich kleinere Verfahrbereich des Feinpositionierantriebes ist z. B. im Bereich von einigen hundert Mikrometern realisiert. Aufgrund dieses kleinen Verfahrbereiches kann der Feinpositionierantrieb auch bei hoher Genauigkeit sehr kostengünstig ausgeführt werden. Zudem müssen nur sehr geringe Massen des Feinpositionierantriebes beschleunigt werden, wodurch sich insbesondere bei hochpräzisen Montagevorgängen eine Ausrichtung bzw. Justage der zu fügenden Bauteile zueinander über den Feinpositionierantrieb wesentlich schneller als über die Achsen der anderen Verfahreinheiten gestaltet.
Vorzugsweise erfolgt das Verfahren der Feinpositioniereinheit mittels piezoelektrischer, elektromagnetischer und/oder elektrodynamischer Antriebe.
Vorteilhafterweise ist die Substratverfahreinheit als Feinpositioniereinheit ausgebildet. Hierdurch wird vorzugsweise mittels dem Feinpositionierantrieb das Substrat bezüglich seiner Lage zum Bauelement manipuliert, d. h. der Feinpositionierantrieb wird bei dieser Variante in die Transportvorrichtung und nicht in den Bestückkopf integriert. Dadurch kann in vorteilhafter Weise die zu bewegende Masse des Bestückkopfes relativ gering gehalten werden, um hochdynamische Grob-Verfahrbewegungen zur Zubringung des Bauteils an den Montageort über die entsprechenden Bestückachsen zu realisieren.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens die erste Verfahreinheit, Optikverfahreinheit und Substratverfahreinheit jeweils an einer fest stehenden Basiseinheit der Vorrichtung zum zueinander unabhängigen Verfahren der Verfahreinheiten angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann beispielsweise die Lagemesseinrichtung vor allem mittels der Optikverfahreinheit über der Montageposition auf dem Substrat zeitneutral positioniert werden. D. h. die Lagemesseinheit kann beispielsweise bereits über dem Substrat positioniert werden, während der Bauelementhalter bzw. Greifer oder Bestückkopf das Bauelement aus einer Bereitstellungsvorrichtung am ersten Ort aufnimmt und zum zweiten Ort bzw. Montageort des Substrats verfährt.
Die erste Verfahreinheit fährt z. B. das am Bauelementhalter gehalterte Bauelement vorzugsweise über die vorpositionierte Lagemesseinheit bzw. Optikvorrichtung, wobei diese gegebenenfalls die Ist-Lage des Substrates bereits ermittelt und entsprechend ausgewertet hat. Anschließend bzw. teilweise auch gleichzeitig wird die Ist-Lage des Bauelementes ermittelt und entsprechend ausgewertet, so dass die relative Lageabweichung des Bauelementes zur Füge- bzw. Montageposition auf dem Substrat ermittelt wird und über die Positionierachsen der entsprechenden Verfahreinheiten, insbesondere mittels der Positioniereinheit, ausgeregelt bzw. ausgeglichen wird.
Generell sind bei der Lageerkennung sowohl das Bauelement als auch das Substrat im Sichtfeld der Lagemesseinheit angeordnet, so dass die Lagekorrektur in einem geschlossenen Regelkreis zwischen der Bildverarbeitung und den regelbaren Positionierachsen durchgeführt werden kann. Dieser Regelkreis erfasst in vorteilhafter Weise nach jeder Lagekorrektur erneut die Lageabweichung des Bauteils relativ zum Substrat und ermöglicht vor allem bei Überschreitung einer zulässigen Montagetoleranz eine Wiederholung des Justagevorgangs durch die Positionierachsen der Verfahreinheiten, vorzugsweise mittels der Feinpositioniereinheit.
Erst nachdem die erforderliche bzw. vorgegebene Justagegenauigkeit erreicht ist, wird die Lagemesseinheit bzw. die Optikvorrichtung aus der Fügeachse bzw. dem Bereich zwischen dem Bauteil und dem Substrat zurückgezogen und das Bauelement mittels einer zur vom Substrat ausgebildeten Ebene nahezu senkrecht angeordneten Fügeachse bzw. einer sogenannten z-Achse der ersten Verfahreinheit bzw. des Greifers auf das Substrat lagegenau abgesetzt.
In einer besonderen Variante der Erfindung weist die Transportvorrichtung eine nahezu senkrecht zur vom Substrat ausgebildeten Ebene verstellbare Hebeeinheit zum Anheben und Fixieren eines Substratträgers auf. Hierbei umfasst vorzugsweise die Hebeeinheit wenigstens die Substratverfahreinheit, insbesondere die Feinpositioniereinheit. Mittels dieser Hebeeinheit wird im Allgemeinen der Substratträger vom Transportband nach oben um beispielsweise einige Millimeter ausgehoben und kann dann durch die integrierte Feinpositioniereinheit zur Korrektur der Ist-Lage des Substrats in der xy-Ebene verfahren werden.
Generell können beispielsweise zwei Substratverfahreinheiten vorgesehen werden, wobei insbesondere eine der beiden Verfahreinheiten als Feinpositioniereinheit zur Feinpositionierung ausgebildet ist. Dementsprechend kann die erste Substratverfahreinheit beispielsweise das Substrat vergleichsweise grob verfahren und vor allem anschließend die Feinpositioniereinheit das Substrat vergleichsweise genau bzw. fein positionieren.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
In Einzelnen zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Ausschnitt einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und
Fig. 2 einen schematischen Ausschnitt einer weiteren Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Transferband 1, ein Optikmodul 2 sowie ein Bestückkopf 3 einer Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Das Optikmodul 2 besteht im Wesentlichen aus einer Optikpositioniereinheit und einem Optikkopf 11. Mit Hilfe des Transferbandes 1 wird ein Substrat 4, das einzeln oder in einem Mehrfachnutzen auf einem Werkstückträger 5 angeordnet ist, der Vorrichtung gemäß der Erfindung kontinuierlich zu- bzw. abgeführt. Das Transferband 1 umfasst ein Ausgangspuffersegment 6 sowie ein Eingangspuffersegment 7, womit in vorteilhafter Weise eine Linienverkettung der Vorrichtung gemäß der Erfindung in ein mikrotechnisches Fertigungssystem, bestehend aus mehreren Fertigungseinrichtungen, vorteilhaft ermöglicht wird. Erst diese Verkettungsfähigkeit gewährleistet eine wirtschaftlich günstige Serienproduktion entsprechender Halbleiterprodukte mit vergleichsweise hoher Durchsatzrate von ca. 900 Bauelementen pro Stunde.
Zur Feinpositionierung des Substrates 4 umfasst das Transferband 1 einen Mikromanipulator 8, der beispielsweise mittels einem piezoelektrischen, nicht näher dargestellten Antrieb längs zweier Achsen X, Y ein Verfahren des Substrates 4 ermöglicht. Beispielsweise beträgt ein maximaler Verfahrweg des Mikromanipulators 8 ca. 200 Mikrometer in x- und y-Richtung. Aufgrund des relativ kleinen Arbeitsbereich des Mikromanipulators 8 ist eine extrem hohe Genauigkeit zu relativ geringen wirtschaftlichen Kosten realisierbar. Da ein entsprechender Mikromanipulator 8 zudem wesentlich geringere zu beschleunigende Massen als die den Bestückkopf 3 bewegenden Achsen einer Verfahreinheit aufweist, ist eine relativ kurze Justagezeit bei der Feinpositionierung des Chips 10 relativ zum Substrat 4 erreichbar. Somit können vergleichsweise anspruchsvolle Montagevorgänge, wie z. B. die Montage von Flip-Chips, mit einer relativ hohen Genauigkeit, insbesondere besser als 5 µm, und kurzen Zykluszeit, vorzugsweise unterhalb von 4 Sekunden, vergleichsweise wirtschaftlich günstig realisiert werden.
Der Mikromanipulator 8 ist Bestandteil eines sogenannten Indexers 14, der das Substrat 4 bzw. den Werkstückträger 5 in relativ einfacher Weise einige Millimeter in Richtung Z über Transportriemen 9 anhebt und zugleich beispielsweise mittels kegelförmiger Zentrierdornen sicher fixiert. Hierdurch ist eine stabile Lage des Montageortes für ein Bauteil 10realisierbar.
Das Bauteil 10 wird mittels dem Bestückkopf 3 über das Substrat 4 mittels einer nicht näher dargestellten Verfahreinheit positioniert. Die Verfahreinheit ermöglicht zusammen mit dem Bestückkopf 3 ein Aufnehmen des Bauteils 10 an einem beliebigen Ort des relativ großen Arbeitsraumes bzw. Verfahrbereiches der Verfahreinheit und ein relativ grobes und schnelles Positionieren des Bauteils 10 über dem Substrat 4. Eine entsprechende Verfahreinheit kann vergleichsweise wirtschaftlich günstig und sehr flexibel beliebige Bauelemente 10 an beliebigen Orten innerhalb des Arbeitsraumes aufnehmen und auf dem Substrat positionieren.
Generell kann der Optikkopf 11 mittels der Optikverfahreinheit des Optikmoduls 2 das ganze Substrat 4 bzw. einen Mehrfachnutzen überstreichen.
Vor allem während dem Aufnehmen bzw. dem Verfahren des Bauteils 10 hin zu der in Fig. 1 dargestellten Position kann der Optikkopf 11 über entsprechende Achsen des Optikmoduls 2 bereits über das Substrat 4 positioniert und das Substrat 4 durch Anheben des Werkstückträgers 5 sicher fixiert werden. Gegebenenfalls wird noch während dem Verfahren des Bauteils 10 mittels dem Bestückkopf 3 bzw. dessen Verfahreinheit die Ist-Lage des Substrates 4 ermittelt und nach dem Positionieren des Bauteils 10 über dem Substrat 4 bzw. über dem Optikkopf 11 des Optikmoduls 2 die Ist-Lage des Bauteils genau ermittelt.
Anschließend wird mittels einer nicht näher dargestellten Auswerteeinheit, die Ist-Lage des Bauteils 10 mit der Ist- Lage des Substrates 4 bzw. des Fügeortes auf dem Substrat 4 berechnet und bei gegebenenfalls zu großer Abweichung der beiden Ist-Lagen zueinander, diese Abweichung mittels dem Mikromanipulator 8 weitestgehend ausgeglichen. Hierbei sind sowohl das Bauteil 10 als auch der Montageort auf dem Substrat 4 ständig im Sichtfeld des Optikkopfes 11, so dass die Lagekorrektur bzw. Justage in einem geschlossenen Regelkreis zwischen der Bildverarbeitung sowie den Achsen X, Y und/oder einer Drehachse Theta des Mikromanipulators 8 durchgeführt werden kann. Die Drehachse Theta ist parallel zur Z-Achse ausgerichtet.
Dieser Regelkreis erfasst nach jeder Lagekorrektur erneut die Lageabweichung der beiden Ist-Lagen relativ zueinander und leitet bei Überschreitung der zulässigen Montagetoleranzen eine Wiederholung des Justagevorganges mittels der Achsen X, Y, Theta des Mikromanipulators 8 ein. Erst nachdem die erforderliche Justagegenauigkeit erreicht ist, wird der Optikkopf 11 seitlich aus dem Fügebereich zurückgezogen (Y- Achse des Optikmoduls 2) und das Bauteil 10 entlang der Achse Z des Bestückkopfes 3 auf dem Substrat 4 am vorgegebenen Ort abgesetzt bzw. gefügt.
Die Verfahreinheit des Bestückkopfes 3 kann beispielsweise Bestandteil eines Montageautomaten sein. Entsprechende Montageautomaten werden unter anderem als sogenannte Pick- and-Place-Einrichtungen bzw. als sogenannte Die-Bonder bezeichnet.
In Fig. 2 ist eine weitere Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, wobei ähnliche bzw. vergleichbare Elemente mit den entsprechenden Bezugszeichen gemäß Fig. 1 gekennzeichnet sind.
Im Gegensatz zur Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung gemäß Fig. 2 einen Stator 12 auf, auf dem ein Läufer 13 angeordnet ist. In nicht näher dargestellter Weise kann der Läufer 13 zusätzlich einen Mikromanipulator 8 mit vergleichsweise geringem Arbeitsbereich zur Feinpositionierung des Substrates 4 bzw. des Werkstückträgers 5 umfassen.
Zur Montage des Bauelementes 10 auf dem Substrat 4 verfährt der Läufer 13 zum Eingangspuffersegment 7, so dass er einen Werkstückträger 5' mit einem Substrat 4' aufnehmen und zur in Fig. 2 dargestellten Position verfährt. In dieser Position wird die Ist-Lage des Substrates 4 bzw. des Montageortes sowie die Ist-Lage des Bauteils 10 mittels dem Optikkopf 11 relativ zueinander ermittelt und entsprechend den zuvor ausgeführten Mess- bzw. Regelverfahren bis zur Erreichung der geforderten Justagegenauigkeit längs der X- bzw. Y-Achsen verfahren.
Mittels des Stators 12 bzw. Läufers 13 kann die jeweilige Montageposition auf dem Substrat 4, selbst bei mehreren Montageorten auf einem Substrat 4 immer im selben Bereich unterhalb des Optikkopfes 11 erfolgen. Hierdurch kann der Optikkopf 11 lediglich mittels einem relativ einfachen, einachsigen Hubantrieb des Optikmoduls 2, beispielsweise einem Pneumatikzylinder oder dergleichen längs der Achse Y in den Fügebereich des Bauteils 10 bzw. Montageortes und in eine nicht näher dargestellte Ruheposition außerhalb des Bereichs des Substrates 4 verfahren werden. D. h., dass unterschiedliche Montagepositionen auf dem Substrat 4 dadurch erreicht werden können, dass der Läufer 13 relativ in Bezug zum bezüglich seiner Messposition feststehenden Optikkopf 11 verfahren wird.
Sowohl das Anfahren der Montagepositionen als auch die Lagekorrektur nach der Vermessung können vom selben Antrieb, d. h. vom Läufer 13 oder mittels einem separaten Mikromanipulator 8 gemäß Fig. 1 auf dem Läufer 13 vorgenommen werden.
Grundsätzlich ermöglicht erst die Kombination der Merkmale gemäß der Erfindung eine Montagevorrichtung mit hoher Durchsatzrate bei hoher Flexibilität und Genauigkeit, wobei der gerichtete Materialfluss, d. h. der Transport der Substrate 4 auf dem Transferband 1 durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung die Möglichkeit eröffnet, diese in einer automatisierten Fertigungslinie zur seriellen Produktion von Halbleiterprodukten zu verketten. Bezugszeichenliste 1 Transferband
2 Optik-Modul
3 Bestückkopf
4 Substrat
5 Werkstückträger
6 Ausgangspuffersegment
7 Eingangspuffersegment
8 Mikromanipulator
9 Riemen
10 Bauteil
11 Optikkopf
12 Stator
13 Läufer
14 Indexer
X Achse
Y Achse
Z Achse

Claims

1. Vorrichtung zur Montage von Bauelementen (10), insbesondere von Halbleiter-Chips (10), auf einem Substrat (4) mit einer ersten Verfahreinheit zum Aufnehmen des Bauelements (10) mit einem Bauelementhalter (3) an einem ersten Ort und Absetzen des Bauelements (10) an einem zweiten Ort auf dem Substrat (4), wobei eine Lagemesseinheit (2, 11) zur optischen Ermittlung einer Ist-Lage des Bauelements (10) in Abhängigkeit einer Ist-Lage des Substrates (4) an einer Optik-Verfahreinheit (2) zum Verfahren der Lagemesseinheit (2, 11) von einer Arbeitsposition im Bereich des Substrates (4) zu einer Ruheposition angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (4) auf einer Transportvorrichtung (1, 6, 7) zur weitgehend kontinuierlichen Zu- und Abführung von zahlreichen Substraten (4) zu bzw. von der Vorrichtung angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagemesseinheit (2, 11) wenigstens eine Optikvorrichtung (11) mit zwei entgegengerichteten Messrichtungen zu Ermittlung der beiden Ist-Lagen umfasst.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung (1, 6, 7) mindestens eine Substrat-Verfahreinheit (1, 8, 13) mit wenigstens einer zur vom Substrat (4) ausgebildeten Ebene nahezu parallel angeordneten Positionierachse (X, Y) zum Verfahren des Substrates (4) in Richtung der Positionierachse (X, Y) umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Verfahreinheit (1, 8, 13) zwei zueinander nahezu senkrecht und zur vom Substrat (4) ausgebildeten Ebene weitgehend parallel angeordnete Positionierachsen (X, Y) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik-Verfahreinheit (2) wenigstens zwei zueinander nahezu senkrecht und zur vom Substrat (4) ausgebildeten Ebene weitgehend parallel angeordnete Positionierachsen (X, Y) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikverfahreinheit (2) eine zur vom Substrat (4) ausgebildeten Ebene nahezu senkrecht angeordnete Fokussierachse (Z) zum Fokussieren des ersten und/oder des zweiten Ortes aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Feinpositioniereinheit (8) mit zwei zueinander nahezu senkrecht und zur vom Substrat (4) ausgebildeten Ebene weitgehend parallel angeordnete Positionierachsen (X, Y) zur Feinpositionierung einer oder beider Ist-Lagen vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Verfahrbereich der Feinpositioniereinheit (8) um ein Vielfaches kleiner als ein maximaler Verfahrbereich der ersten Verfahreinheit ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Verfahreinheit (1, 8, 13) als Feinpositioniereinheit (8) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verfahreinheit, Optik- Verfahreinheit (2) und Substrat-Verfahreinheit (1, 8, 13) jeweils an einer feststehenden Basiseinheit der Vorrichtung zum zueinander unabhängigen Verfahren der Verfahreinheiten (1, 2, 8, 13) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportvorrichtung (1, 6, 7) eine nahezu senkrecht zur vom Substrat (4) ausgebildeten Ebene verstellbare Hebeeinheit zum Anheben und Fixieren eines Substratträgers (5) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Hebeeinheit die Feinpositioniereinheit (8) umfasst.

13. Verfahren zur Montage von Bauelementen (10), insbesondere von Halbleiter-Chips (10), auf einem Substrat (4) mit einer ersten Verfahreinheit zum Aufnehmen des Bauelements (10) mit einem Bauelementhalter (3) an einem ersten Ort und Absetzen des Bauelements (10) an einem zweiten Ort auf dem Substrat (4), wobei eine optische Lagemesseinheit (2, 11) zur Ermittlung einer Ist-Lage des Bauelements (10) in Abhängigkeit einer Ist-Lage des Substrates (4) an einer Optik-Verfahreinheit (2) zum Verfahren der Lagemesseinheit (2, 11) von einer Ruheposition zu einer Arbeitsposition im Bereich des Substrates (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.