DE102005058519A1 - Verfahren zur Befestigung von Teilen mit hoher Genauigkeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hochgenauen Positionierung und Positionskorrektur von Teilen, im Besonderen von Teilen im Mikro- oder Submikrobereich, wobei die zu befestigenden Teile mit einem lichtaushärtbaren Kleber befestigt sind und der Aushärtprozess des Klebers mittels einer entsprechenden Lichtquelle aktiviert ist. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine ungezielte Bewegung des im Mikro- oder Submikrobereich zu befestigenden Teiles optisch erfasst und automatisch durch ein Bewegungssystem gezielt korrigiert wird und die Bildung der Polymer-Strukturen während der Positionskorrektur unterbrochen ist und dass ein 6-Achs-Roboter einen Halter für das zu befestigende Teil ansteuert und dass der 6-Achs-Roboter von einer optischen Erfassungseinrichtung angesteuert ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung von Teilen, vorzugsweise von mehrschichtigen Teilen wie zum Beispiel Mikrodisplays mit einer hohen Genauigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Ein Verfahren zur Befestigung und positionsgenauer Ausrichtung eines Teiles im Mikro und/oder Submikrobereich mittels eines Manipulators geht bereits aus der auf den gleichen Anmelder zurückgehende Patentanmeldung DE 101 10 310 A1 hervor.
• Diese vorbenannte Erfindung offenbart ein Verfahren zum Betrieb eines Manipulators, wobei das Verfahren zur optischen Ausrichtung und Befestigung von Anzeigeelementen auf optischen Ablenkelementen zur Herstellung digitaler Belichtungen dient und eine räumliche Justage der Anzeigeelemente in mindestens drei Verschiebeachsen vorgesehen ist und das Anzeigeelement nachfolgend mittels einem Befestigungsmittel, wie zum Beispiel einem UV-aushärtbaren Klebemittel befestigt ist.
• Mit fortschreitender Entwicklung, wie zum Beispiel in der optischen Bildverarbeitung, werden die Anforderungen an die Ausrichtung und Befestigung von optischen Anzeigeelementen, wie zum Beispiel eines LCD (Liquid Crystal Display), ständig umfangreicher gefasst.
• Eine wesentliche Anforderung ist zum Beispiel, dass aufgrund einer höheren Auflösung eines darzustellenden Bildes kleinere Pixelstrukturen beziehungsweise eine größere Pixelanzahl (hoher Füllfaktor) notwendig ist.
• Der Einsatz von zum Beispiel eines LCOS-Displays (Liquid Crystal On Silicon) in der Unterhaltungs- und Kommunikationselektronik, erfüllt diese Kriterien und ist nunmehr zum Stand der Technik zu zählen.
• Darüber hinaus ist eine exakte Positionierung und Befestigung der einzelnen Farb-Schichten (rot-gelb-blau) bei der Herstellung von derartigen Mikrodisplays von großer Bedeutung.
• Wichtig für die Befestigung derartiger Teile und/oder Schichten, wie zum Beispiel eines LCD-Anzeigeelementes beziehungsweise eines Mikrodisplays ist, dass die Pixelstrukturen in den aufeinander zu befestigenden Farbschichten exakt übereinanderliegen, beziehungsweise das zu befestigende Teil exakt auf die darunter liegende Schicht beziehungsweise auf einen Grundkörper ausgerichtet ist, wobei die Position während des Befestigungsvorgangs korrigierbar ist.
• Eine derartige Befestigung einzelner Schichten und/oder Teile im Mikrobeziehungsweise im Submikrobereich wird vorzugsweise mit einem lichtaushärtbaren Klebemittel ausgeführt.
• Während des Aushärtungsprozesses eines lichtaushärtbaren Klebemittels, wie zum Beispiel ein UV-Klebemittel, startet der Initiator in dem Polymer einen chemischen Prozess, welcher die Polymere dazu veranlasst sich miteinander zwecks Aufbaus eines starren Netzwerkes (Kettenbildung) zu verbinden.
• Das unausgehärtete Polymer weist kurze Ketten auf, welche in dem Klebemittel „schwimmen". Durch entsprechende Anordnungsmaßnahmen von UV-Licht startet das Polymer zur Bildung von längeren Ketten. Die längeren Ketten, welche eine stabile Struktur aufweisen, beginnen das UV-Klebemittel auszufüllen.
• Wenn die sich bildenden Polymerketten in dem UV-Klebemittel aufgrund Ihrer Länge den Bereich der Materialwandung des zu befestigenden Teiles erreichen, verschiebt sich das zu befestigende Teil aufgrund auftretender Schrumpfung des UV-Klebemittels während des Aushärtungsvorgangs.
• Für derartige Befestigungen im Mikro- oder Submikrobereich werden in bekannter Weise verschiedenartige UV-Kleber verwendet, je nach Klebetechnik, Art und Form des zu befestigenden Teils, sowie die erforderliche Genauigkeit der Position.
• So ist es durchaus möglich ein UV-Klebemittel zu verwenden, welcher bereits bei verminderter UV-Strahlung relativ schnell aushärtet.
• Derartige UV-Klebemittel lassen jedoch eine Positionskorrektur des zu befestigenden Teils lediglich in einem relativ kurzen Zeitraum zu, da diese relativ schnell aushärten.
• Die Verwendung derartiger UV-Klebemittel führt somit zu Positionsabweichungen von den zu befestigenden Teilen, welche mit den bisherigen Verfahren nur unzureichend korrigiert werden können, was jedoch gerade für Befestigungen im Mikro- oder Submikrobereich von großem Nachteil ist, da der erwünschte Herstellungsprozess von exakt positionierten Teilen durch eine relativ hohe Ausschussrate allgemein zu hohen Herstellkosten führt.
• Darüber hinaus sind Zeiteinsparungen im Herstellungsprozess derartiger Teile erwünscht, welche die Herstellkosten zusätzlich optimieren.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine hochgenaue Positionierung beziehungsweise Positionskorrektur von Teilen im Mikro- beziehungsweise im Submikrobereich während des Aushärtungsprozesses des Klebemittels durchzuführen, welche mit einem UV-aushärtbaren Klebemittel befestigt werden.
• Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das eine ungezielte Bewegung des im Mikro- oder Submikrobereich zu befestigenden Teiles optisch erfasst und automatisch durch eine Bewegungseinrichtung gezielt korrigiert wird und die Bildung der Polymer-Strukturen während der Positionskorrektur unterbrochen ist und dass ein 6-Achs-Robotor einen Halter für das zu befestigende Teil ansteuert und dass der 6-Achs-Robotor von einer optischen Erfassungseinrichtung angesteuert ist.
• Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass ein Verfahren eine Bewegung des im Mikro- oder Submikrobereich zu befestigenden Teiles optisch erfasst und automatisch durch ein Bewegungssystem korrigiert, um die Polymer-Strukturen während des Aushärtungsprozesses eines relativ schnell aushärtbaren UV-Klebemittels aufzubrechen.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass eine Vorrichtung eine Bewegung eines zu befestigenden Teiles oder einer zu befestigenden Schicht ausführt, in Abhängigkeit von der Orts-Abweichung des zu befestigenden Teils oder Schicht während des Aushärtungsvorganges des verwendeten UV-Klebers.
• Das vorbenannte Befestigungsverfahren von derartigen Teilen und/oder Schichten, wie zum Beispiel eines Mikrodisplays soll jedoch nicht ausschließlich auf den vorbenannten Anwendungsfall beschränkt sein.
• Vielmehr sollen Gegenstände beliebiger Konstruktion und Materialien im Mikro und im Submikro-Bereich mit einer zum Stand der Technik bekannten Bewegungseinrichtung positioniert werden, wobei sich der beanspruchte Schutzumfang allgemein auf ein Verfahren zur hochgenauen Positionierung von Teilen und/oder Schichten, wie zum Beispiel ein Mikrodisplay im Mikro- und Submikrobereich erstreckt, welches mit nachfolgender Beschreibung näher erläutert wird.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben.
• Darüber hinaus soll das vorliegende Ausführungsbeispiel und dessen Beschreibung auf keinen Fall einschränkend für die Art und Ausbildung der Teile, sowie für die zur Durchführung einer hochgenauen Positionierung und/oder einer Korrektur der Position von derartigen Teilen mit entsprechenden Bewegungseinrichtungen verstanden werden.
• Dieses Verfahren wird durch die Anwendung wechselnder UV-Intensitäten unterstützt, wobei eine Synchronisierung der UV-Intensität mit dem anhaltenden Aushärtungsprozess eine Optimierung des Aushärtungsprozesses durch mehrere Stellgrößen durchführt.
• Wichtig ist, dass eine hochgenaue Positionierung der Teile während des Aushärtungsvorgangs des UV-Klebemittels durch eine gezielte Prozesssteuerung durchgeführt wird.
• Nach dem Stand der Technik werden derartige Korrekturbewegungen beziehungsweise Manipulationen zur Positionskorrektur für kleine Gegenstände und/oder Teile, wie zum Beispiel eines Mikrodisplays vorzugsweise mit Bewegungssystemen durchgeführt, welche Schlittenantriebe aufweisen, die als ein Drei-Schlittensystem mit einer Sechs-Achsenverstellung und zusätzlicher Drehung der Achsen ausgebildet sind.
• Dieses Prinzip ist auch als Sechs-Achsen-Verstellprinzip nach dem Stand der Technik bekannt, wobei eine Positionskorrektur des zu befestigenden Teiles sowohl in X-, Y- und in Z-Richtung, sowie durch eine drehende Bewegung um die jeweilige Achse durchgeführt wird.
• Während des Befestigungsvorganges des Mikrodisplays startet die Bildung der Polymerketten mit reduzierenden Maßnahmen der UV-Intensität in den Polymeren mit einer niedrigeren Rate.
• Dies veranlasst das UV-Klebemittel bei einer niedrigeren UV-Rate auszuhärten, wodurch die Aushärtungszeit vorerst verlängert wird.
• Dadurch wird gewährleistet, dass die verlangsamte Bildung der Polymerketten in dem UV-Klebemittel ein zu schnelles Aushärten des UV-Klebemittels vermeidet.
• Vorzugsweise werden für das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens UV-Klebemittel verwendet, welche mittels einer relativ geringen UV-Strahlung eine relativ schnelle Bildung von Polymerketten aufweisen.
• Vor dem Beginn des Aushärtungsvorganges können die zu befestigenden Teile durch einen relativ geringen Kraftaufwand bewegt werden. Je länger sich die Polymerketten durch eine UV-Einstrahlung in dem Klebemittel ausbilden, desto stabiler und härter ist die Klebeverbindung und um so mehr Kraft muss für eine Positionskorrektur der Schichten und/oder Teile während des Aushärtungsvorganges des UV-Klebemittels aufgewendet werden.
• Deshalb ist es erwünscht, eine Positionskorrektur der zu befestigenden Teile auszuführen, bevor die Bildung langer Polymerketten in dem UV-Klebemittel abgeschlossen ist.
• Während die sich bildenden Polymerketten das Klebemittel ausfüllen, wird die zu befestigende Schicht und/oder das Teil aus seiner ursprünglich gewählten Position ungezielt wegbewegt, da dieses während des Aushärtungsvorgangs des Klebemittels eine nicht zu verhindernde Volumenschrumpfung aufweist, welche dazu führt, dass das zu befestigende Teil je nach Volumenschrumpfung eine ungezielte Bewegung ausführt und das die relativ starre Struktur des Polymeres das zu befestigende Teil aus seiner vorbestimmten Position wegbewegt.
• Das hierzu erfindungsgemäße Verfahren ist derart bestimmt, dass die Position der zu befestigenden Teile während des Aushärtungsvorganges des UV-Klebemittels möglichst exakt eingehalten wird.
• Die für eine optimale Positionierung notwendigen Prozesskenngrößen sind vorzugsweise:
• • die Variation der Formparameter der zu befestigenden Teile, wie zum Beispiel Abmessungen, Materialien und Oberflächen.
• • die Variation von der UV-Intensität über die Zeit; und
• • die Änderung der Position von den zu befestigenden Teilen.
• In einem ersten Verfahrensschritt ist eine Positionierung der zu befestigenden Teile mit unterschiedlichen Gestaltungsparametern vorgesehen.
• Um eine präzise Befestigung von Teilen mit UV-Klebemitteln zu erreichen, ist ebenfalls die Ausgestaltung (Form) des zu befestigenden Teiles von großer Bedeutung.
• Verschiedene Ausgestaltungen von zu befestigenden Teilen im Mikro- und Submikrobereich werden derzeit verwendet, wie zum Beispiel das Nadelloch-Design oder das Glasnadel-Design.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur präzisen Positionierung von Teilen im Mikro- oder Submikrobereich ist für alle derzeit existierenden Ausgestaltungen von derartigen Teilen und/oder Schichten, wie zum Beispiel ein Mikrodisplay verwendbar, welche im Mikro- oder Submikrobereich befestigt werden.
• In einem weiteren Verfahrensschritt ist eine Änderung der UV-Intensität vorgesehen.
• Hierbei ist wichtig, dass die UV-Intensität direkten Einfluss auf die Aushärtzeit des UV-Klebemittels hat, da lediglich durch die UV-Einwirkung auf ein UV-aushärtbares Klebemittel die Kettenbildung der Polymere im Klebemittel gestartet wird.
• Dies bedeutet, dass sich je nach UV-Intensität auf das Klebemittel die Aushärtungszeit verlängert oder verkürzt.
• Um eine exakte Positionierung der zu befestigenden Teile und/oder Schichten auch während des Aushärtungsvorganges des UV-Klebemittels zu gewährleisten, ist es notwendig eine Verlängerung oder Verkürzung der Aushärtungszeit des Klebemittels zu erreichen, um bei der prozessbedingten Volumenschrumpfung des Klebemittels die Position des Teiles aufgrund einer ungezielten Bewegung gezielt zu korrigieren.
• Eine Verlängerung oder Verkürzung des Aushärtungsprozesses ist erfindungsgemäß realisierbar und stellt einen wichtigen Prozessschritt zur Steuerung des Aushärtungsprozesses und Synchronisierung der Bewegung der Teile in Übereinstimmung zu dem anhaltenden Aushärtungsprozess dar.
• Darüber hinaus kann die UV-Intensität durch das erfindungsgemäße Verfahren über die Zeit stabil gehalten werden, falls dies im durchzuführenden Aushärtungsprozess erforderlich ist.
• Ein weiterer und sehr wichtiger Verfahrensschritt ist die Änderung (Korrektur) der Position der Schichten und/oder Teile, welche Ihre erforderliche Position aufgrund des Aushärtprozesses ungezielt verlassen haben.
• Die eigentliche Durchführung einer Bewegung (Korrektur) der Teile wird durch aus dem Stand der Technik bekannte Bewegungseinrichtungen (Manipulatoren) jeglicher Art ausgeführt, welche zum Beispiel durch Elektrizität, Luft, Hydraulik oder dergleichen angetrieben werden.
• Hierbei ist das Erfassen der erforderlichen Position der zu befestigenden Teile und die Festlegung der Bewegungsparameter für eine durchzuführende Korrektur von sehr großer Bedeutung.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung von Teilen wird durch die Kompensation einer auftretenden Gegenbewegung während des Aushärtungsvorgangs erreicht, wobei eine Verschiebung des Teiles gegen die Haltevorrichtung des zu befestigenden Teiles beziehungsweise der zu befestigenden Schichten von zum Beispiel eines Mikrodisplays durchgeführt wird.
• Eine exakte Erfassung der Position des zu befestigenden Teiles wird durch eine optische Kamera-Projektion durchgeführt.
• Die Durchführung einer derartigen Positionskorrektur einer zu befestigenden Schicht und/oder eines Teiles weist folgende Prozessschritte auf:
• • Vorausrichtung
• • Zentrieren
• • Schärfen
• • Abgleichen
• • wirksames Aushärten
• • Qualitätskontrolle des Abgleichvorgangs und des Schärfens
• Das zu befestigende Teil und/oder die Schicht (Mikrodisplay) wird auf einem mechanischen Grundkörper mittels einem entsprechenden UV-Klebemittel angeordnet, wobei dieser Anordnungsvorgang manuell oder automatisch mittels Vorgabe von Positionsparameter ausgeführt wird.
• Diese vorbenannte Anordnung und Vorausrichtung kann selbstverständlich durch entsprechend externe Arbeitsschritte manuell oder automatisch im laufenden Produktionsprozess ausgeführt werden.
• Anschließend wird der mechanische Grundkörper mittels einem entsprechenden Halter vor einer Rasterlinse mit einer dahinter angeordneten Lichtquelle angeordnet, wobei die Lichtquelle mittels der angeordneten Rasterlinse ein definiertes Raster auf das zu befestigende Teil (Mikrodisplay) projiziert.
• Das Mikrodisplay weist hierbei die Funktion ähnlich eines digitalen Diafilms auf.
• Dieses projizierte Raster wird mittels einer Vergrößerungsoptik im Projektor auf eine relativ große Projektionstafel projiziert, welche sich außerhalb des Projektors befindet.
• Somit wird eine sehr genaue Auflösung des projizierten Rasters auf der Projektionstafel gewährleistet.
• Mit entsprechend angeordneten Kamerasystemen wird das projizierte Bild auf der Projektionstafel optisch erfasst.
• Die erfassten Daten werden zu einem externen Rechner transferiert und mittels einer zugeordneten Software gespeichert.
• Diese vorbenannte Software ist eine zum Stand der Technik bekannte Software zur Steuerung von Bewegungsabläufen, ähnlich einer Software für einen Mehrachsen-Roboter, welcher in der Produktion in der Automobilindustrie verwendet wird.
• Beweget sich nun das Mikrodisplay während des Aushärtungsvorgangs des UV-Klebemittels ungezielt von seiner Ausgangsposition, so bewegt sich das projizierte Bild auf der Projektionstafel ebenfalls.
• Diese Positionsänderung wird durch die angeordneten Kamerasysteme erfasst, wobei mittels der entsprechenden Software die Bewegungseinrichtung im Projektor das zu befestigende Teil bewegt bis das projizierte Raster wieder mit der Ausgangsposition des abgespeicherten Rasterbild übereinstimmt.
• Vorzugsweise wird eine Positionskorrektur des Mikrodisplays derart ausgeführt, das der Mittelpunkt des bereits abgespeicherten Rasters mit dem Mittelpunkt des aktuell erfassten Rasters übereinstimmt.
• Die Positionskorrektur des zu befestigenden Teiles während der Aushärtung des UV-Klebemittels wird durch zuvor beschriebene Bewegungsvorrichtungen ausgeführt, vorzugsweise einem Manipulator, welcher nach dem Sechs-Achsen-Prinzip arbeitet, um eine hochgenaue Positionierung und gezielte Positionskorrektur des zu befestigenden Teils auszuführen.
• Die Position beziehungsweise eine Positionsänderung des zu befestigenden Teils auf dem mechanischen Grundkörper wird vorzugsweise durch insgesamt fünf Kameras erfasst.
• Hierbei ist die Anzahl der Kameras ein Maß für die Schärfe beziehungsweise ein Maß für die Genauigkeit der erfassten Bildposition beziehungsweise der Positionsabweichung.
• Eine Scharfstellung des Rasters weist den Vorteil auf, dass ein scharfes und klares Bild und eine hochpräzise Mittelpunktgleichförmigkeit erzielt wird.
• Eine Scharfstellung der Abbildung ist durch die Projektion von 2 × 2 schachbrettartigen Rasteranordnungen durchführbar, wobei eine gezielte Ausgleichsbewegung aus der Reaktion der insgesamt fünf Kameraeinheiten mittels der entsprechenden Software berechnet wird und das zu befestigende Teil gezielt auf die errechnete Position bewegt wird, um die exakte Position zu erreichen.
• Wie bereits beschrieben, wird die Bildschärfe des Rasters mit steigender Anzahl der Kameras erhöht.
• Nachdem die optimale Bildschärfe erreicht ist, wird der Aushärtungsvorgang des UV-Klebemittels durch Aufbringen einer UV-Lichtquelle gestartet.
• Hier setzt nun ein weiterer wesentlicher Gegenstand der Erfindung ein.
• Die Aushärtung des UV-Klebemittels wird in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten ausgeführt.
• Hierzu wird lediglich eine relativ geringe UV-Intensität der UV-Lichtquelle in einer vorbestimmten Zeitdauer auf den UV-Kleber aufgebracht, um eine gezielte Bildung der Polymerketten und dadurch gezielte Aushärtung des UV-Klebemittels auszuführen.
• Während des gesamten Aushärtungsprozesses wird die Position des zu befestigenden Teiles optisch erfasst.
• Darüber hinaus wird eine eventuelle Bewegung beziehungsweise Positionsänderung des zu befestigenden Teils während des Aushärtungsvorgangs über die Zeit erfasst.
• Sobald das zu befestigende Teil sich aus seiner erforderlichen Position bewegt, wird dieses automatisch mittels der Kameraeinheiten optisch erfasst.
• Die entsprechende Software errechnet digital die Abweichung des Teils zu seiner optimalen Position und führt automatisch mittels der Bewegungseinrichtung eine gezielte Positionskorrektur zur ursprünglichen Position des Teils beziehungsweise der Schichten aus.
• Diese Positionskorrektur wird zu einem Zeitpunkt ausgeführt, wenn die UV-Intensität der vorhandenen UV-Lichtquelle gleich Null ist.
• Aufgrund der gezielten Bewegung des Teils wird die Bildung der Polymerketten in dem UV-Klebemittel unterbrochen, da durch die Positionsänderung des zu befestigenden Teils die bereits gebildeten Polymerketten in dem UV-Klebemittel teilweise wieder aufbrechen.
• Anschließend wird eine weitere UV-Bestrahlung in einer vorbestimmten Zeitdauer ausgeführt und eine weitere Positionskorrektur des zu befestigenden Teils wird ausgeführt, wenn eine Positionsabweichung von der optimalen Position des Teils optisch erfasst wird.
• Diese einzelnen Aushärtungsschritte werden so oft wiederholt, bis keine Positionsverschiebung des zu befestigenden Teils durch die angeordneten Kameraeinheiten mehr optisch erfasst wird.
• Das heißt, dass die Aushärtung des UV-Klebemittels aufgrund der Vielzahl von UV-Bestrahlungsschritten eine Härte erreicht hat, wodurch eine Positionsänderung des zu befestigenden Teils kaum mehr möglich ist.
• Dann wird automatisch die maximal notwendige UV-Strahlung auf das UV-Klebemittel ausgeführt, wobei das UV-Klebemittel in relativ kurzer Zeit seine maximale Aushärtung erreicht.
• Wesentlicher Vorteil dieses Aushärtungsablaufes ist, das ein UV-Klebemittel verwendet werden kann, welcher bei geringer UV-Strahlung aushärtet, aber trotzdem eine Positionskorrektur eines zu befestigenden Teils zulässt, um ein hochgenaue Position von Teilen im Mikro- und Submikrobereich zu gewährleisten.
• Abschließend ist noch darauf hinzuweisen, dass die für die vorbeschriebene Positionskorrektur verwendete Software einen automatisierten Prozessablauf ausführt, wobei die einzelnen Prozessparameter manuell eingestellt werden können, so dass ebenfalls eine manuelle Prozessdurchführung ermöglicht wird.
• Des Weiteren sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, die Projektion des Rasters auf dem Mikrodisplay mittels einer Spiegelreflektion auszuführen, wobei eine entsprechend angeordnete Spiegelfläche im Projektor das Raster auf das Mikrodisplay reflektiert.
• Weiterhin ist ebenfalls die Verwendung eines Klebemittels möglich, welcher mittels einer infraroten (IR) Lichtquelle aushärtet.
• Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren auf alle lichtaushärtenden Klebemittel der gesamten zur Verfügung stehenden Bandbreite der Licht-Wellenlängen anwendbar, welche ein entsprechendes Klebemittel aushärten.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren, lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
• Hierzu zeigt:
• 1: eine Prinzipskizze eines Befestigungsablaufs von einzelnen Teilen und/oder einzelner Schichten (Mikrodisplay) mit einem UV-Klebemittel;
• 2: eine Rasterlinse in der Hauptansicht;
• 3: eine Projektionstafel mit davor angeordneten Kameraeinheiten;
• 4: ein Prozessablaufdiagramm einzelner Verfahrensschritte.
• Die in 1 dargestellte Positionierung eines zu befestigenden Teiles, vorzugsweise eines Mikrodisplays 7 wird im Mikro- beziehungsweise im Submikro-Bereich ausgeführt.
• Das zu befestigende Teil (Mikrodisplay) 7, 7a, 7b wird auf einem Grundkörper 13 manuell oder automatisch angeordnet, wobei diese Anordnung eine Vorausrichtung des zu befestigenden Mikrodisplays 7, 7a, 7b aufweist, welche durch aus dem Stand der Technik bekannte manuelle oder automatische Vorrichtungen ausgeführt ist.
• Der Grundkörper 13 mit dem angeordneten Mikrodisplay 7, 7a, 7b ist in einem Halter 14 lösbar angeordnet.
• Das zu befestigende Teil (Mikrodisplay) 7, 7a, 7b ist direkt mit einer Bewegungseinrichtung 4, 4a zur Ausführung von Positionskorrekturen verbunden, wobei die Bewegungseinrichtung 4, 4a Positionskorrekturen in X-, Y-, und Z-Richtung, sowie um deren Drehachsen herum ausführt.
• In axialer Richtung, senkrecht zum Mittelpunkt des Grundkörpers 13 ist in einem vorwiegend festgelegten Abstand eine Rasterlinse 3 angeordnet, welche mittels einer in axial verlaufender Richtung beabstandeten Lichtquelle 2 ein definiertes Raster mit vorwiegend vertikal und horizontal verlaufenden Rasterlinien des Rasters 15 auf das Mikrodisplay oder den Schichten 7, 7a, 7b projiziert.
• Dieses projizierte Raster 15 wird nachfolgend über das Mikrodisplay 7, 7a, 7b auf eine Projektionstafel 10 projiziert, wobei das projizierte Bild mittels einer Vergrößerungsoptik 8 mit einer relativ großen Vergrößerung auf die Projektionstafel 10 projiziert wird.
• Das projizierte Bild auf der Projektionstafel 10 wird von insgesamt fünf Kameraeinheiten 11, 11a, 11b, 11c, 17 optisch erfasst, wobei vier Kameraeinheiten 11, 11a, 11b, 11c, die horizontal und vertikal verlaufende Linien des projizierten Rasters 15 erfassen und eine fünfte, zentrale Kameraeinheit 17 den Mittelpunkt 16 der sich kreuzenden vertikalen und horizontalen Linie des Rasters 15 erfasst.
• Durch die Positionsänderung des Grundkörpers 13 im Projektor 1 ist der Mittelpunkt 16 des projizierten Rasters 15 auf der Projektionstafel 10 auf die zentrale Kameraeinheit 17 ausrichtbar, wobei das dargestellte Raster 15 auf der Projektionstafel 10 die Position des zu befestigenden Mikrodisplays 7, 7a, 7b darstellt. Es ist auch eine Positionsänderung auf den Mittelpunkt des Rasters 15 durch Verschiebung der Kameraeinheiten 11, 11a, 11b, 11c, 17 durchführbar.
• Die Position des Rasters 15 wird von den Kameraeinheiten 11, 11a, 11b, 11c, 17 erfasst und an eine entsprechende Software auf einen Rechner 12 geleitet und gespeichert, wobei jede Kamera 11, 11a, 11b, 11c, 17 mittels einer Datenleitung mit dem Rechner 12 verbunden ist.
• Nach dem Auftragen des UV-Klebemittels 6 auf dem Grundkörper 13 wird das Mikrodisplay 7, 7a, 7b auf die Schicht des UV-Klebemittels 6 angeordnet, wobei diese Anordnung manuell und/oder automatisch ausgeführt ist.
• Daraufhin wird die vorbenannte Projizierung des Rasters 15 über das Mikrodisplay 7, 7a, 7b auf die Projektionstafel 10 und nachfolgender optischer Erfassung und Speicherung des projizierten Rasters 15 ausgeführt.
• Die in 2 dargestellte Rasterlinse 3 projiziert mittels einer Lichtquelle 2 ein vergrößertes Raster 15 über das zu befestigende Mikrodisplay 7, 7a, 7b und einer nachgeschalteten Vergrößerungsoptik 8 auf die Projektionstafel 10.
• Die Rasterlinse 3 weist vorzugsweise eine Rechteckform auf, welche jedoch durchaus jede beliebige Form aufweisen kann, wie zum Beispiel rund, elliptisch, vieleckig oder ähnliche.
• Die in 3 dargestellte Projektionstafel 10 ist vorzugsweise außerhalb des Projektors 1 angeordnet, wobei die Form und Größe dem jeweils zu projizierenden Raster 15 angepasst ist.
• Das auf diese Projektortafel 10 projizierte Raster 15 ist derart ausgerichtet, dass eine zentral angeordnete Kamera 17 den Mittelpunkt von den zwei sich kreuzenden Rasterlinien des Rastermittelpunktes 16 erfasst. Erfindungsgemäß sind je zwei Kameraeinheiten 11, 11a, 11b, 11c, auf die vertikal und horizontale verlaufende Rasterlinie ausgehend vom Rastermittelpunkt 16 ausgerichtet.
• Diese Anordnung gewährleistet die Erfassung von Positionsänderungen des zu befestigenden Teiles oder Mikrodisplays 7, 7a, 7b in X-, Y- und Z-Richtung durch Positionsänderung des projizierten Raster 15 mit Bezug auf den Rastermittelpunkt 16.
• In 4 ist der Verfahrensschritt zur Aushärtung des UV-Klebemittels 6 dargestellt, welcher mittels der UV-Strahlung der UV-Lichtquelle 5 aktiviert ist, wobei die Anordnung der UV-Lichtquelle 5 vorzugsweise in einer von oben abstrahlenden Richtung auf den UV-Klebemittel 6 angeordnet ist.
• Dargestellt wird das erfindungsgemäße Aushärtungsverfahren des UV-Klebemittels 6, welches in einzelnen Takten ausgeführt ist, wobei die Intensität der UV-Strahlung in gleichen Zeitabständen zueinander von dem Intensitätswert Null auf vorzugsweise 10% der Maximalintensität der UV-Strahlung und wieder zurück auf Null gefahren wird.
• Dieser Taktvorgang wird in einer festgelegten Anzahl wiederholt, abhängig von den Eigenschaften des verwendeten UV-Klebemittels 6 und der fortschreitenden Aushärtung des UV-Klebemittels.
• Durch das Aufbringen einer verminderten UV-Strahlung der UV-Lichtquelle 5 auf das UV-Klebemittel 6 wird die vorbenannte Aushärtung mittels Kettenbildung der Polymere aktiviert, wodurch eine ungezielte Positionsänderung des zu befestigenden Teiles bzw. Mikrodisplays 7, 7a, 7b aufgrund der Kettenbildung der Polymere stattfindet. Bei der Zurücknahme der UV-Strahlung wird die weitere Kettenbildung im UV-Klebemittel 6 unterbrochen.
• Die mittels der Kameraeinheiten 11, 11a, 11b, 11c, 17 erfasste Positionsänderung des Rasters 15 auf der Projektionstafel 10 wird mit der bereits erfassten und abgespeicherten Position des Rasters 15 verglichen, wobei die Abweichung des Rasters 15 von seiner der Ursprungsposition zur Berechnung des tatsächlichen Korrekturmaßes des Mikrodisplays 7, 7a, 7b verwendet wird.
• Die Korrektur des Mikrodisplays 7, 7a, 7b mittels der angeordneten Bewegungseinrichtung 4, 4a wird erfindungsgemäß zum Zeitpunkt einer Null-Intensität der UV-Strahlung der UV-Lichtquelle 5 auf das UV-Klebemittel 6 ausgeführt.
• Die durchgeführte Positionskorrektur des Mikrodisplays bricht den weiteren Aushärtungsvorgang zusätzlich ab, da eine Bewegung des Mikrodisplays 7, 7a, 7b die bereits gebildeten Polymerketten im UV-Klebemittel wieder aufbricht, wodurch der bereits teilweise ausgehärtete UV-Klebemittel wieder an Härte verliert.
• Der taktmäßige Aushärtungsvorgang wird in Folge ausgeführt, bis die Abweichung der optisch erfassten Position des Rasters 15 zu der zuvor abgespeicherten Rasterposition einen voreingestellten Wert erreicht.
• Bei Erreichen des erforderlichen Härte-Wertes des UV-Klebemittels 6 wird der taktweise ausgeführte Aushärtungsvorgang des UV-Klebemittels 6 durch Aufbringen einer maximalen UV-Intensität ersetzt, wobei diese UV-Strahlung zum Erreichen der maximalen Aushärtung des UV-Klebemittels 6 führt und das zu befestigende Teil bzw. Mikrodisplay 7, 7a, 7b die erforderliche Position beibehält.
• Die für den Aushärtungsvorgang des UV-Klebemittels 6 erforderlichen Prozessparameter sind entsprechend der Form, der Größe des zu befestigenden Teils bzw. Mikrodisplays 7, 7a, 7b, sowie von der Art des UV-Klebemittels 6, von der UV-Intensität und von der Zeit frei wählbar und können sowohl manuell oder durch Berechnung mittels einer entsprechenden Software automatisch vorgegeben werden.
• Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
• Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1

Projektor

2

Lichtquelle

3

Rasterlinse

4

Bewegungseinrichtung 4a

5

UV-Lichtquelle

6

UV-Klebemittel

7

zu befestigendes Teil – Schicht (Mikrodisplay) 7a, 7b

8

Vergrößerungsoptik

9

Projektion

10

Projektionstafel

11

Kameraeinheit 11, 11a, 11b, 11c,

12

Rechner

13

Grundkörper

14

Halter

15

Raster

16

Mittelpunkt

17

zentrale Kameraeinheit

18

UV-Intensität

19

Zeitachse

20

Intensitätsachse

21

maximale Intensität

22

Takt

23

Taktintensität der UV-Strahlung

24

Datentransfer

Claims (20)

1. Verfahren zur hochgenauen Positionierung und Positionskorrektur von Teilen, vorzugsweise mehrschichtigen Teilen, wie zum Beispiel Mikrodisplays im Mikro- oder Submikrobereich, wobei die zu befestigenden Teile mit einem lichtaushärtbaren Klebemittel befestigt sind und der Aushärtungsprozess des Klebemittels mittels einer entsprechenden Lichtquelle aktiviert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine ungezielte Bewegung des im Mikro- oder Submikrobereich zu befestigenden Teiles (7, 7a, 7b) optisch erfasst und automatisch durch eine Bewegungseinrichtung (4, 4a) gezielt korrigiert wird und die Bildung der Polymer-Strukturen während der Positionskorrektur unterbrochen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durch folgende Prozessschritte gekennzeichnet ist: • Vorausrichtung • Zentrieren • Schärfen • Abgleichen • Wirksames Aushärten • Qualitätskontrolle des Abgleichvorgangs und des Schärfens.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mittels einem Projektor (1) ausgeführt ist, welcher folgendes aufweist: • eine Lichtquelle (2); • eine Rasterlinse (3); • einen Halter (14), zur lösbaren Befestigung eines Grundkörpers (13); • eine Bewegungseinrichtung (4, 4a) zur lösbaren Befestigung eines zu befestigenden Teils (7, 7a, 7b); • eine UV-Lichtquelle (5), zur Aushärtung eines UV-Klebemittels (6); • eine Vergrößerungsoptik (8), zur Vergrößerung eines Projizierten Bildes, wobei die Lichtquelle (2) mittels der Rasterlinse (2) ein Raster (15) über das zu befestigende Mikrodisplay (7, 7a, 7b) mittels der Vergrößerungsoptik (8) das Raster (15) auf eine außerhalb des Projektors (1) angeordnete Projektionstafel (10) projiziert.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Durchführung des Verfahrens optische Erfassung des projizierten Rasters (15) auf der Projektionstafel (10) mittels Kameraeinheiten (11, 11a, 11b, 11c, 17) ausgeführt ist, wobei jeweils zwei der Kameraeinheiten (11, 11a, 11b, 11c) eine horizontal und eine vertikal projizierte Rasterlinie des Rasters (15) erfassen und eine zentrale Kameraeinheit (17) den Mittelpunkt (16) der sich kreuzenden vertikalen und horizontalen Rasterlinie erfasst.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch erfassten Positionsdaten mittels Datentransfer (24) zu einem Rechner (12) transferiert werden und dort zur weiteren Bearbeitung gespeichert sind, wobei die zur Speicherung und Bearbeitung der transferierten Positionsdaten verwendete Software ebenfalls eine Steuerung der Bewegungseinrichtung (4, 4a) im Projektor (1) ausbildet.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Durchführung des Verfahrens notwendige UV-Lichtquelle (5) zur Aushärtung des UV-Klebemittels (6) unterschiedliche UV-Intensitäten ausführt, welche in vorbestimmten Zeitintervallen mit einer UV-Intensität von 0 bis circa 10% der maximalen UV-Intensität den Aushärtungsvorgang ausführt.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Aushärtungsvorgang des UV-Klebemittels (6) durch die UV-Lichtquelle (5) aktiviert ist, wobei das UV-Klebemittel (6) mittels Aktivierung eines Initiators im Klebemittel Polymerketten ausbildet, welche bei einer entsprechenden Länge eine Schrumpfung des Klebemittels (6) ausbilden, wodurch das zu befestigende Mikrodisplay (7, 7a, 7b) eine ungezielte Positionsänderung ausführt.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Aushärtung des UV-Klebmittels (6) in gleichen, aufeinanderfolgenden Verfahrenschritten ausführt, wobei eine Positionskorrektur des Mikrodisplays (7, 7a, 7b) mittels der angeordneten Bewegungseinrichtung (4, 4a) während ausgeschalteter UV-Lichtquelle (5) ausgeführt ist, wodurch die bereits gebildeten Polymerketten im UV-Klebemittel (6) aufbrechen.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ungezielte Positionsänderung des Mikrodisplays (7, 7a, 7b) mittels der angeordneten Kameraeinheiten (11, 11a, 11b, 11c, 17) erfasst wird, wobei die Software entsprechend der berechneten Positionsabweichung des bereits gespeicherten Rasters (15) mit dem neu erfassten Raster der Positionsabweichung eine Positionskorrektur des Mikrodisplays (7, 7a, 7b) mittels der angeordneten Bewegungseinrichtung (4, 4a) ausführt.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung einer optimale Positionierung das Verfahren folgende notwendigen Prozesskenngrößen aufweist: • die Variation der Formparameter der zu befestigenden Teil, wie zum Beispiel Abmessungen, Materialien und Oberflächen. • die Variation von der UV-Intensität über die Zeit; und • die Änderung der Position von den zu befestigenden Teilen.
11. Vorrichtung zur hochgenauen Positionierung und Positionskorrektur von Teilen, vorzugsweise mehrschichtigen Teilen, wie zum Beispiel Mikrodisplays im Mikro- oder Submikrobereich, wobei die zu befestigenden Teile mit einem lichtaushärtbaren Klebemittel befestigt sind und der Aushärtungsprozess des Klebemittels mittels einer entsprechenden Lichtquelle aktiviert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein 6-Achs-Robotor einen Halter (14) für das zu befestigende Teil (7, 7a, 7b) ansteuert und dass der 6-Achs-Robotor von einer optischen Erfassungseinrichtung angesteuert ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinrichtung ein Abbild des zu befestigenden Teiles (7, 7a, 7b) nach einer Ist- und einer Soll-Stellung auf eine Projektionstafel (10) projiziert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung nachfolgendes umfasst: • einen 6-Achs-Robotor mit Bewegungseinrichtung (4, 4a) • einen Projektor mit: • einer Lichtquelle (2) • einer Rasterlinse (3) • einem Halter (14) • einer UV-Lichtquelle (5) • einer Vergrößerungsoptik (8) • eine Projektionstafel (10) • Kameraeinheiten (11, 11a, 11b, 11c, 17) • einen Rechner (12)
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Projektionstafel (10) ein um ein Vielfaches vergrößertes Bild des erfassten Rasters (15) projiziert wird, wobei die Abmessungen der Projektionstafel auf die Bildgröße angepasst des erfassten Rasters (15) sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kameraeinheiten (11, 11y, 11b, 11c, 17) entsprechend den projizierten Rasterlinien vor und mit Blickrichtung auf die Projektionswand (10) angeordnet sind und das auf die Projektionswand (10) projizierte Raster (15) erfassen.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mit den Kameraeinheiten (11, 11a, 11b, 11c, 17) verbundene Rechner (12) aus den erfassten Positionsdaten des Rasters (15) von der Projektionstafel (10) in Bewegungsdaten für die Bewegungseinrichtung (4, 4a) berechnet.
17. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Durchführung des Aushärtungsvorganges angeordnete UV-Lichtquelle (2) mittels dem Rechner (12) angesteuert ist, wobei dieser den Ein-/und Ausschaltvorgang und die Taktintensität der UV-Lichtquelle in Abhängigkeit der Orts-Abweichung des zu befestigenden Teiles (7, 7a, 7b) ausbildet.
18. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die im Projektor (1) angeordnete Rasterlinse (3) eine zum Beispiel geometrisch ausgebildete Rasterung aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (4, 4a) im Projektor (1) das zu befestigende Teil (7, 7a, 7b) in Abhängigkeit der erfassten Orts-Abweichung ausbildet.
20. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung einer notwendigen Positionskorrektur eines zu befestigenden Teils (7, 7a, 7b) durch das Verfahren gewährleistet ist.