DE10129352A1

DE10129352A1 - Aufsetzvorrichtung und Verfahren zum Aufsetzen von Objekten auf Substrate

Info

Publication number: DE10129352A1
Application number: DE10129352A
Authority: DE
Inventors: Rainer Duebel
Original assignee: Siemens Dematic AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2003-01-16
Also published as: KR20040007736A; CN1256862C; JP2004531076A; EP1397948B1; CN1518854A; EP1397948A1; WO2002104091A8; DE50203969D1; US20050035613A1; WO2002104091A1

Abstract

Eine Aufsetzvorrichtung und ein Verfahren zum Aufsetzen von Objekten auf Substrate sind geeignet, sowohl sehr geringe als auch sehr große Aufsetzkräfte des Objekts (100) auf das Substrat zu erreichen. Hierzu wird ein Greifer (210), von welchem das Objekt (100) aufnehmbar ist, relativ zu einem Halter (220) (220) in einer Aufsetzrichtung (A) vorgespannt. Die Vorspannung erfolgt über ein erstes, an dem Halter (220) (220) vorgesehenes Koppelelement (270) sowie ein zweites, an dem Greifer (210) vorgesehenes zweites Koppelelement (260). Zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelelement wird ein elektrisches und/oder magnetisches Feld erzeugt, von welchem eine Kraftwirkung zwischen dem Halter (220) (220) und dem Greifer (210) bewirkt wird. Dadurch ist beim Aufsetzen des Objekts (100) mittels des Greifers (210) eine vorbestimmte Aufsetzkraft erreichbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufsetzvorrichtung und ein Verfahren zum Aufsetzen von Objekten auf Substrate, wobei ein Greifer an einem Halter bewegbar angeordnet ist, welcher zum Aufsetzen der Objekte auf die Substrate auf die Substrate zu bewegbar ist. Zwischen dem Greifer und dem Halter ist eine Spiralfeder derart angeordnet, dass beim Aufsetzen des Greifers dieser relativ zu dem Halter gegen die Federkraft der Feder bewegt wird. Hierdurch ist eine vorbestimmte Kraft als Aufsetzkraft der Objekte auf die Substrate vorgegeben.
Hierbei besteht jedoch der Nachteil, dass eine variable Kraftsteuerung der Aufsetzkraft nur mittels Bestimmen jener Kraft, mit welcher der Halter auf das Substrat zu bewegt wird, möglich ist. Herkömmliche Antriebe für derartige Halter sowie auch die Halter weisen jedoch große Massen und daher hohe Massenträgheit auf. Das Aufsetzen erfolgt daher nicht mit der durch die Feder vorbestimmten Aufsetzkraft sondern mit einer deutlich höheren Kraft, welche auf das Objekt und somit auf das Substrat einwirkt. Neben der Massenträgheit des Halters, des Greifers und des Antriebs des Halters wirkt sich hier auch das Trägheitsmoment des Antriebs des Halters negativ aus.
Insbesondere beim Bestücken von elektrischen Bauelementen auf Substrate ist es angesichts der zunehmenden Miniaturisierung der Bauelemente erforderlich, geringe Aufsetzkräfte der Bauelemente auf die Substrate mit hoher Genauigkeit zur Verfügung zu stellen. Dies ist mit der herkömmlichen Vorrichtung und dem herkömmlichen Verfahren nicht möglich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aufsetzvorrichtung und ein Verfahren zum Aufsetzen von Objekten auf Substrate anzugeben, mittels welchen sehr geringe Aufsetzkräfte mit hoher Genauigkeit erreichbar sind.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Aufsetzvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

Durch die erfindungsgemäße Aufsetzvorrichtung nach Anspruch 1 ist es möglich, mittels eines elektrischen, eines magnetischen und/oder eines elektromagnetischen Feldes eine steuerbare Kraftwirkung zwischen einem Halter und einem an dem Halter bewegbar geführten Greifer zu erreichen. Durch Steuern der Größe des Feldes ist es möglich, die Kraft sehr genau vorzubestimmen. Die vorbestimmte Aufsetzkraft ist dabei auch unabhängig von dem Weg, welcher beim Aufsetzen der Objekte auf die Substrate von dem Greifer relativ zu dem Halter zurückgelegt wird.

Die steuerbare Kraftwirkung ermöglicht, dass die Aufsetzkraft weitgehend unabhängig von Trägheitseffekten der Aufsatzvorrichtung ist. Beim Aufsetzen wirkt sich ausschließlich die Massenträgheit des Greifers auf die Aufsetzkraft aus. Die Massenträgheit des Halters und der restlichen Aufsetzvorrichtung wirkt sich nicht auf die Aufsetzkraft aus.

Durch die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 2 bis 4 sind unterschiedliche Ausgestaltungen der Erfindung aufgezeigt. Es ist hierbei möglich, zur Erzeugung der Kraftwirkung durch ein Feld zwischen dem Greifer und dem Halter einer Aufsetzvorrichtung Elektromagnete und/oder Permanentmagnete als Koppelelemente zu verwenden, welche jeweils miteinander wechselwirken. Mindestens eines der erfindungsgemäß vorgesehenen Koppelelemente ist dabei ein Elektromagnet, beispielsweise eine von einem elektrischen Strom durchflossene Spule. Durch Steuern des die Spule durchfließenden Stroms ist unmittelbar die Aufsetzkraft des Objekts auf das Substrat steuerbar.

Falls an dem Greifer das entsprechende Koppelelement als Elektromagnet ausgebildet ist, ist es ferner möglich, eine noch geringere Masse des Greifers zu erreichen. Hierdurch werden Kraftspitzen der Aufsetzkraft effektiv verhindert.

Ferner ist es hierdurch möglich, den Kraftverlauf nicht lediglich statisch sondern dynamisch entsprechend eines gewünschten und vorgegebenen Kraftverlaufs zu steuern.

Ferner kann zwischen einer Führungsvorrichtung des Greifers, welche den Greifer an dem Halter führt, und Anschlagstücken, welche an dem Halter vorgesehen sind, jeweils ein Dämpfelement angeordnet werden. Vor dem Aufsetzen eines Objekts auf ein Substrat kann hiermit beispielsweise der Greifer mittels der beiden Koppelelemente derart gegen eines der Dämpfelemente vorgespannt werden, dass die Aufsetzkraft bzw. der Verlauf der Aufsetzkraft lediglich durch die Charakteristik des Dämpfelements bestimmt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufsetzen eines Greifers auf Objekte auf einem Substrat ist es möglich, den Verlauf der Aufsetzkraft während des Aufsetzens des Objekts auf das Substrat sowohl entsprechend statischen als auch dynamischen zeitlichen Verläufen der Aufsetzkraft vorher zu bestimmen. Durch Steuern des magnetischen und/oder elektrischen Feldes, mittels welchem eine die Aufsetzkraft bestimmende Kraftwirkung zwischen dem Halter und dem Greifer erreicht wird, sind über einen großen Kraftbereich variable Aufsetzkräfte möglich.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es sowohl möglich, beim Aufsetzen von Objekten auf Substrate vorbestimmte Aufsatzkräfte zu erreichen, als auch beim Abheben von Objekten von Substraten die Beschleunigungsspitzen, welche auf das Objekt wirken, effektiv zu reduzieren. Hierzu wird vor dem Abheben von Objekten von den Substraten der Greifer auf den Halter zu bewegt. In dieser Stellung wird der komplette Halter mitsamt des Greifers auf das Objekt auf dem Substrat abgesenkt und mittels des Greifers das Objekt von dem Substrat abgehoben. Während des Abhebens wird der Greifer relativ zu dem Halter entgegen der Abheberichtung bewegt. Hierdurch wird die Beschleunigung beim Abheben des Objekts von dem Substrat verringert.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Aufsetzvorrichtung mit an einem Anschlagstück angelegtem Greifer in einer ersten Vorspann-Stellung,
Fig. 2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Aufsetzvorrichtung mit in einer Zwischenposition befindlichem Greifer und
Fig. 3 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Aufsetzvorrichtung mit an einem anderen Anschlagstück angelegtem Greifer in einer zweiten Vorspann-Stellung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist eine erfindungsgemäße Aufsetzvorrichtung 200 einen Halter 220 und einen entlang des Halters in einer Aufsetzrichtung A bewegbaren Greifer 241 auf. An dem Greifer 210 ist beispielsweise eine Vakuumpipette 250 zum Halten von Objekten 100 angeordnet. Der Greifer 210 ist derart an dem Halter 220 gelagert, dass der Greifer 210 in der Aufsetzrichtung A von dem Halter 220 vorragt.
An dem Greifer 210 sind zwei Anschlagstücke 230 und 240 angeordnet. Der Greifer 210 ist relativ zu dem Halter 220 in der Aufsetzrichtung A zwischen den beiden Anschlagstücken 230 und 240 linear bewegbar angeordnet. Das proximale Anschlagstück 230 ist dabei an dem Greifer 210 der Vakuumpipette 250 abgewandt angeordnet. Das distale Anschlagstück 240 ist der Vakuumpipette 250 zugewandt an dem Greifer 210 angeordnet.
An dem Halter 220 können elastische Dämpfelemente 290 und 290 jeweils dem proximalen Anschlagstück 230 bzw. dem distalen Anschlagstück 240 zugewandt angeordnet sein.
Die Anschlagstücke 230 bzw. 240 können auch an dem Halter 220 ausgebildet sein, wobei die Dämpfelemente 290 bzw. 280 entsprechend an den Greifer ausgebildet sind.
Der gesamte Bewegungsbereich des Greifers 210 relativ zu dem Halter 220 beträgt in der Aufsetzrichtung A die Länge d.
Der Greifer 210 weist einen in der Aufsetzrichtung A ausgerichteten Permanentmagnet als erstes Koppelelement 260 auf. An dem Halter 220 ist ein Elektromagnet 270 als zweites Koppelelement, beispielsweise in Form einer Ringspule oder eines Linearmotors, vorgesehen, welcher mit dem Permanentmagnet 260 an dem Greifer 210 zusammenwirkt. Der Greifer 210 ist mittels einer Führungsvorrichtung (nicht gezeigt) an dem Halter 220 in der Aufsetzrichtung A geführt angeordnet.
Aus der Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Aufsetzvorrichtung in einer ersten Vorspann-Stellung dargestellt. Hierbei ist der Greifer 210 relativ zu dem Halter 220 in der Aufsetzrichtung zu dem aufzusetzenden Objekt 100 hin vorgespannt, so dass das proximale Anschlagstück 230 an dem Halter 220, bzw. an dem proximalen Dämpfelement 290 anliegt. Durch Vorbestimmen des Stroms, welcher die Ringspule bzw. den Linearmotor 270 durchfließt, ist es möglich, die Kraft vorzubestimmen, mittels welcher der Greifer 210 relativ zu dem Halter 220 in der Aufsetzvorrichtung A vorgespannt ist.
Zum Aufsetzen wird die erfindungsgemäße Aufsetzvorrichtung 200 mittels eines Antriebs, welcher den Halter 220 antreibt (nicht gezeigt) auf das Objekt 100 zu bewegt. Beim Erreichen des Objekts 100 und Aufsetzen des Greifers 210 bzw. der Vakuumpipette 250 auf das Objekt 100 bzw. des Objekts 100 auf das Substrat wird, während der Halter 220 mittels des nicht gezeigten Antriebs auf das Objekt 100 zu bewegt wird, der Greifer 210 relativ zu dem Halter entgegen der Aufsetzrichtung A bewegt, so dass die durch den Strom vorbestimmte Aufsetzkraft auf das Objekt 100 einwirkt. Die hierbei auftretende Massenträgheit ist nur von der Masse des Greifers 210 abhängig. Hierbei verringert sich die aus Fig. 1 ersichtliche Länge des Bewegungsbereichs d am distalen Ende des Halters 220 auf d_{1 <} d, wobei gleichzeitig eine entsprechende Vergrößerung des Abstands d₂ zwischen dem proximalen Anschlagstück 230 und dem Halter 220 auftritt.
Es ist somit erfindungsgemäß durch Vorspannen des Greifers 210 relativ zu dem Halter 220 in der Aufsetzrichtung möglich, sehr geringe Aufsetzkräfte mit sehr hoher Genauigkeit vorzubestimmen.
Ferner können auch gewünschte variable Kraftverläufe beim Aufsetzen erreicht werden, indem der Strom, welcher die Kraftkopplung zwischen dem Greifer 210 und dem Halter 220 bestimmt, entsprechend des gewünschten Kraftverlaufs gesteuert wird.
Bei konstant eingestelltem Strom ist die Kraftwirkung im Wesentlichen über den gesamten Bewegungsbereich d des Greifers 210 relativ zu dem Halter 220 konstant, so dass beispielsweise auch dann mit konstanter Kraft auf das Objekt 100 eingewirkt wird, wenn das Substrat, auf welches das Objekt 100 aufgesetzt wird, in der Aufsetzrichtung A bewegt wird und/oder Schwingungen ausführt. Hierdurch ist eine Erhöhung der Aufsetzgenauigkeit sowie der Zuverlässigkeit beim Aufsetzen leicht möglich.
Aus Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Aufsetzvorrichtung 200 in einer zweiten Vorspann-Stellung ersichtlich, in welcher der Greifer 210 entgegen der Aufsetzrichtung A vollständig eingefedert, d. h., das distale Anschlagstück 240 gegen den distalen Endbereich des Halters 200 bzw. den distalen Dämpfer 280 des Halters 220 angelegt ist. Hierbei wird beim Bewegen des Halters 220 auf das Objekt 100 die auf das Objekt einwirkende Kraft lediglich durch die Antriebskraft bestimmt, mittels welcher der Halter 220 auf das Objekt 100 zu bewegt wird. Durch Vorbestimmen der Eigenschaften des Dämpfelements 280 ist es möglich, den Verlauf der Aufsetzkraft in dieser Betriebsweise zu beeinflussen. Hierdurch können jedoch sehr hohe Aufsetzkräfte erreicht werden, welche mittels dem Vorgenannten anhand der Fig. 1 und 2 erläuterten Verfahren nicht erreichbar sind, da aufgrund der durch die beiden Koppelelemente bestimmten Kraftwirkung zwischen dem Greifer 210 und dem Halter 220 Aufsetzkräfte nur bis zu einer bestimmten Größe möglich sind. Beispielsweise sind durch die anhand der Fig. 1 und 2 erläuterte Betriebsart bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufsetzvorrichtung Aufsetzkräfte zwischen 0,1 und 2 N erreichbar. Für höhere Bestückkräfte ab 2 N können mittels der anhand der Fig. 3 erläuterten Betriebsweise Aufsetzkräfte zwischen 2 N und 50 N erreicht werden.
Es ist beispielsweise auch möglich, den Stromverlauf, welcher die Aufsetzkraft bestimmt, nach dem Aufsetzen des Greifers auf das Objekt oder des Objekts auf das Substrat gezielt zu verändern. Hierbei können beliebige Kraftverläufe beim Absetzen eines Objekts auf ein Substrat ermöglicht werden. Ferner ist es möglich, an dem Halter 220 und/oder an dem Greifer 210 ein Wegmess-System vorzusehen. Hierdurch kann beispielsweise ein Stillstand des Greifers 210 relativ zu dem Halter sehr schnell erfasst werden und ein Signal ausgegeben werden, welches nach dem Stillstand das Beenden des Aufsetzvorgangs signalisieren kann.
Es ist ferner auch möglich, vor dem Aufsetzen der Objekte mittels eines Kraftsensors eine Kraftmessung der Aufsetzkraft des Greifers 210 durchzuführen. Die unter Verwenden bestimmter ermittelter oder vorbestimmter Stromwerte für die elektrische Spule bzw. den Linearmotor 270 ermittelten Kraftwerte werden beispielsweise in Form elektronischer Daten abgespeichert. Durch Variieren des Stroms während der Vergleichsmessung kann die aufgrund eines Stroms vorbestimmte Aufsetzkraft vorab genau ermittelt und abgespeichert werden.

Claims

1. Aufsetzvorrichtung zum Aufsetzen von Objekten auf Substrate, mit einem bewegbaren Halter (220), einem zwischen zwei Enden eines Bewegungsbereiches (d) an dem Halter (220) in einer Aufsetzrichtung (A) linear bewegbar geführten Greifer(210), von welchem die Objekte (100) aufnehmbar sind und welcher durch Bewegen des Halters (220) auf ein Substrat zu bewegbar ist, wobei
an dem Halter (220) ein erstes Koppelelement (270) vorgesehen ist,
an dem Greifer (210) ein zweites Koppelelement (270) vorgesehen ist, und
zwischen dem ersten Koppelelement (270) und dem zweiten Koppelelement (260) eine von einem elektrischen und/oder magnetischen Feld erzeugte elektrische und/oder magnetische Kraft wirkt, so dass der Greifer (210) in der Aufsetzrichtung (A) gegen eines der Enden des Bewegungsbereichs (d) vorgespannt ist.

2. Aufsetzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das erste Koppelelement (270) eine von einem elektrischen Strom durchflossene Spule ist,
das zweite Koppelelement (260) ein Permanentmagnet ist, und
durch Steuern der Stromstärke des Stroms die beim Aufsetzen des Objekts (100) auf das Substrat wirkende Aufsetzkraft steuerbar ist.

3. Aufsetzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das erste Koppelelement (270) ein Permanentmagnet ist,
das zweite Koppelelement (260) eine von einem elektrischen Strom durchflossene Spule ist, und
durch Steuern der Stromstärke des Stroms die beim Aufsetzen des Objekts (100) auf das Substrat wirkende Aufsetzkraft steuerbar ist.

4. Aufsetzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei
das erste Koppelelement (270) eine von einem ersten Strom durchflossene erste Spule ist,
das zweite Koppelelement (260) eine von einem zweiten Strom durchflossene zweite Spule ist, und
durch Steuern der Stromstärke des ersten Stroms und/oder der Stromstärke des zweiten Stroms die beim Aufsetzen des Objekts (100) auf das Substrat wirkende Aufsetzkraft steuerbar ist.

5. Aufsetzvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei von dem ersten Koppelelement (270) und dem zweiten Koppelelement (260) ein Linearmotor gebildet ist.

6. Aufsetzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Halter (220) und der Greifer (210) in der Aufsetzrichtung (A) koaxial zueinander angeordnet sind.

7. Aufsetzvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei an jedem der Enden des Bewegungsbereichs jeweils ein Anschlagstück (230, 240) angebracht ist, so dass der Greifer (210) mittels einer Führungsvorrichtung zwischen den Anschlagstücken (230, 240) an dem Halter (220) bewegbar geführt ist.

8. Aufsetzvorrichtung nach Anspruch 7, wobei an jedem Anschlagstück (230, 240) und/oder an jedem Endbereich der Führungsvorrichtung jeweils ein Dämpfelement (280, 290) zwischen dem Anschlagstück (230, 240) und der Führungsvorrichtung angeordnet ist.

9. Aufsetzvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei jede Spule bzw. jeder Permanentmagnet hohlzylinderartig ausgebildet ist.

10. Verfahren zum Aufsetzen von Objekten auf Substrate mittels eines Greifers (210), wobei ein Halter (220) in einer Aufsetzrichtung (A) bewegt wird, der Greifer (210) mittels einer Führungsvorrichtung zwischen zwei Enden eines Bewegungsbereiches (d) in der Aufsetzrichtung (A) linear an dem Halter (220) derart geführt ist, daß der Greifer (210) in der Aufsetzrichtung (A) von dem Halter (220) vorragt, und wobei der Greifer (210) gegen eines der beiden Enden des Bewegungsbereiches (d) vorspannbar ist, wodurch eine vorbestimmte Aufsetzkraft festgelegt ist, welche der Greifer (210) beim Aufsetzen des Objekts (100) ausübt, wobei
die Vorspannung des Greifers (210) gegenüber dem Halter (220) durch ein steuerbares magnetisches und/oder elektrisches Feld bewirkt wird,
die Größe der Vorspannung durch Steuern des magnetischen und/oder elektrischen Felds entsprechend einem vorbestimmten Wert eingestellt wird,
der Halter (220) zum Aufsetzen des Greifers (210) in der Aufsetzrichtung (A) auf das Objekt (100 bzw. das Substrat zu bewegt wird,
der Greifer (210) beim Aufsetzen auf das Objekt (100) bzw. das Substrat die vorbestimmte Aufsetzkraft auf das Objekt (100) ausübt, während er relativ zu dem Halter (220) entgegen der Aufsetzrichtung (A) bewegt wird, bis der Halter (220) angehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei
das steuerbare magnetische und/oder elektrische Feld mittels jeweils an dem Halter (220) und an dem Greifer (210) angebrachten Koppelelementen (260, 270) erzeugt wird,
als Koppelelemente (260, 270) Permanentmagnete und/oder stromdurchflossene Spulen verwendet werden, und
als mindestens eines der Koppelelemente (260, 270) eine stromdurchflossene Spule verwendet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Aufsetzkraft abhängig von den Eigenschaften des Objekts (100) selektiv vorbestimmt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei
vor dem Aufsetzen auf das Objekt (100) die Führungsvorrichtung des Greifers ((210) an ein an dem proximalen Ende des Bewegungsbereiches (d) ausgebildetes Anschlagstück (230) angelegt wird, und
die Aufsetzkraft des Greifers (210) auf das Objekt (100) vorbestimmt wird, indem das Anlegen mit einer der gewünschten Aufsetzkraft entsprechenden Kraft durchgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei
vor dem Aufsetzen auf das Objekt (100) die Führungsvorrichtung des Greifers (210) an ein an dem distalen Ende des Bewegungsbereiches (d) an dem Halter (220) ausgebildetes Anschlagstück (240) angelegt wird, und
die Aufsetzkraft durch Vorbestimmen der Antriebskraft festgelegt wird, mit welcher der Halter (220) auf das Objekt (10) zu bewegt wird.

15. Verfahren zum Abheben von Objekten (100) von Substraten mittels eines Greifers (210), wobei der Greifer (210) mittels einer Führungseinrichtung zwischen zwei Enden eines Bewegungsbereiches d) in einer Abheberichtung (A) linear derart an dem Halter (220) bewegbar geführt ist, dass der Greifer (210) entgegen der Abheberichtung (A) von dem Halter (220) vorragt, wobei
der Greifer (210) vor dem Abheben relativ zu dem Halter (220) auf das distale Ende des Bewegungsbereichs (d) zu bewegt wird,
zum Abheben des Objektes (100) von dem Substrat der Halter (220) in der Abheberichtung (A) von dem Substrat weg bewegt wird,
während des Abhebens der Greifer (210) relativ zu dem Halter (220) auf das proximale Ende des Bewegungsbereichs (d) zu bewegt wird, wodurch an dem Objekt (100) auftretende Beschleunigungen egalisiert werden.