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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff
auf ein Substrat der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Bei
der Montage von Halbleiterchips werden häufig Klebstoffe auf Epoxy Basis
eingesetzt, die Silberflocken enthalten. Der Klebstoff befindet
sich in einer Spritze, die von einer pneumatischen Vorrichtung mit Druckpulsen
beaufschlagt wird, um den Klebstoff portionenweise auszustossen.
Das Auftragen des Klebstoffs erfolgt entweder mittels einer Dispensdüse, die
mehrere Öffnungen
aufweist, durch die der Klebstoff ausgeschieden und auf dem Substrat
deponiert wird, oder mittels einer Schreibdüse, die eine einzige Öffnung aufweist,
durch die der Klebstoff ausgeschieden wird. Die Schreibdüse wird
mittels eines in zwei horizontalen Richtungen bewegbaren Antriebssystems
entlang einer vorbestimmten Bahn geführt, so dass der deponierte Klebstoff
auf dem Substrat ein vorbestimmtes Klebstoffmuster bildet. Eine
Halbleiter-Montage Einrichtung mit einer in zwei horizontalen Richtungen
bewegbaren Schreibdüse
ist beispielsweise aus der
EP
1 432 013 A1 bekannt. Die Spritze ist ortsfest angeordnet
und deren Austrittsöffnung über einen
Schlauch mit der beweglichen Schreibdüse verbunden. Die Abgabe des
Klebstoffes erfolgt, indem die pneumatische Vorrichtung einen Druckpuls
erzeugt, der gleich lang dauert wie die Schreibbewegung der Schreibdüse. Ein
Nachteil ist, dass die abgegebene Flüssigkeitsmenge vom Grad der
Entleerung der Spritze abhängt.
Aus den Patentschriften
US
5 199 607 A und
US
5 277 333 A sind pneumatische Vorrichtungen bekannt, die
einen Drucktank enthalten, dessen Druckniveau von einem Druckregler
geregelt wird. Um die abgegebene Flüssigkeitsmenge dennoch konstant
zu halten, wird der in der Leitung vom Drucktank zur Spritze herrschende
Druck während
der Flüssigkeitsabgabe
gemessen und integriert und die Länge des Druckpulses variiert,
bis das Integral einen vorbestimmten Sollwert erreicht. Diese Lösung erschwert
die Koordination mit der Schreibbewegung der Schreibdüse. Aus
der Patentanmeldung JP 04-200671 A ist es bekannt, entweder das
Druckniveau oder die Länge
des Druckpulses nachzuführen
aufgrund der Anzahl der abgegebenen Druckpulse oder der Gesamtdauer
der bisher abgegebenen Druckpulse. Diese Lösung ist relativ ungenau.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Auftragen
von Klebstoff auf ein Substrat zu entwickeln, bei der die Menge
des abgegebenen Klebstoffes möglichst
unabhängig
vom Entleerungsgrad der Spritze ist. Zudem soll die Lösung geeignet
sein, bereits bestehende Einrichtungen nachzurüsten.
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Die
genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs
1.
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Eine
Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff auf ein Substrat aus einem
den Klebstoff enthaltenden Flüssigkeitsbehälter enthält zumindest
einen Drucktank, der mittels eines Umschaltventils temporär mit dem Drucktank
verbindbar ist, um den Flüssigkeitsbehälter mit
einem Druckpuls zu beaufschlagen, und eine Steuereinheit für die Steuerung
des Umschaltventils und die Regelung des im Drucktank herrschenden
Drucks. Die Einrichtung ist erfindungsgemäß mit einem Sensor ausgestattet,
dessen Ausgangssignal den Füllstand
des Flüssigkeitsbehälters angibt.
Der Sensor besteht aus einem Schallgeber, einem Schallwandler und
einer elektronischen Schaltung für
den Betrieb des Schallgebers und die Auswertung des vom Schallwandler
gelieferten Signals. Der Sensor ist lösbar an dem der Austrittsöffnung des
Flüssigkeitsbehälters entgegengesetzten
Ende befestigt. Der Sensor misst die Frequenz des an den Schallgeber
angelegten Wechselspannungssignals, bei der im Flüssigkeitsbehälter eine
stehende Schallwelle auftritt. Die Steuereinheit führt entweder
den im Drucktank herrschenden Druck oder die Länge des Druckpulses in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal des Sensors nach, d. h. unter Berücksichtigung
des Füllstandsniveaus
bzw. des Totvolumens des Flüssigkeitsbehäl ters, das der
aus dem Flüssigkeitsbehälter bereits
abgegebenen Klebstoffmenge entspricht.
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Die
Einrichtung eignet sich wegen des geringen Gewichts des Sensors
und seines geringen Platzbedarfs besonders für die Verwendung mit einem
in drei Raumrichtungen bewegbaren Schreibkopf mit einer Schreibdüse, wobei
der Flüssigkeitsbehälter lösbar am
Schreibkopf befestigt ist und seine Austrittsöffnung in die Schreibdüse mündet. In
diesem Fall regelt die Steuereinheit bevorzugt das im Drucktank
herrschenden Druckniveau in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal des Sensors, während die Dauer des Druckpulses
nicht verändert
wird, damit die Dauer der Schreibbewegung nicht verändert werden
muss.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand
der Zeichnung näher erläutert. Die
Figuren sind nicht massstäblich
gezeichnet.
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Es
zeigen
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1 einen
Flüssigkeitsbehälter in
der Form einer Spritze mit einem Anschluss zur Zuführung von Druckluft
und einem Sensor zur Messung des Füllstandes der Spritze,
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2 eine
elektronische Schaltung für
den Betrieb des Sensors,
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3 eine
Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff, bei der die Spritze stationär angeordnet
ist,
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4 eine
Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff, bei der die Spritze auf
einem beweglichen Schreibkopf angeordnet ist, und
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5 eine
pneumatische Vorrichtung zum Betrieb der Spritze.
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Die 1 zeigt
einen Flüssigkeitsbehälter in
der Form einer Spritze 1, die z. B. bei als Die Bonder
bekannten Halbleiter-Montageeinrichtungen
zum Auftragen von Klebstoff 2 auf ein Substrat verwendet
wird. Ein Deckel 3 ist auf dem Ende der Spritze 1 aufgesetzt
ist und schliesst die Spritze 1 luftdicht ab. Im Deckel 3 ist ein
Sensor 4 zur Detektion des Füllstandes der Spritze 1 eingebaut.
Der Klebstoff 2 wird vorzugsweise mittels Druckluft durch
die Spitze 5 der Spritze 1 portionenweise herausgepresst.
Die Druckluft wird über
einen Schlauch 6 zugeführt,
der auf einem im Deckel 3 integrierten Druckanschluss 7 aufgesteckt
ist. Als Klebstoffe 2 kommen Epoxy aller Art, insbesondere
Silberpulver oder Silberflocken enthaltende Epoxidharze, zur Anwendung.
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Der
Sensor 4 besteht aus einem Schallgeber 8, einem
Schallwandler 9 und einer elektronischen Schaltung 10 für den Betrieb
des Schallgebers 8 und für die Auswertung des vom Schallwandler 9 gelieferten elektrischen
Signals. Der Schallgeber 8 ist vorzugsweise ein piezoelektrischer
Kristall, der mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt
wird, um eine Schallwelle abzugeben. Der Schallwandler 9 ist
beispielsweise ein Mikrofon, das das akustische Signal in ein elektrisches
Signal umwandelt. Der Schallgeber 8 und der Schallwandler 9 sind
vorzugsweise nebeneinander auf dem gleichen Niveau angebracht. Die
elektronische Schaltung 10 ist entweder in den Deckel 3 integriert
oder irgendwo auf der Halbleiter-Montageeinrichtung
angebracht.
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Der
Füllstand
der Spritze 1 ist durch eine Länge L charakterisiert, wobei
die Länge
L gleichzeitig dem Abstand zwischen dem Niveau des Klebstoffes 2 und
dem Niveau von Schallgeber 8 und Schallwandler 9 entspricht.
Mit zunehmender Entleerung der Spritze 1 nimmt die Länge L zu.
Im Beispiel beträgt
die Länge
L = Le = 6 cm, wenn die Spritze 1 entleert
ist und ausgewechselt werden muss.
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Die
elektronische Schaltung
10 liefert eine bevorzugt sinusförmige Wechselspannung
U
1 mit einer vorbestimmten Frequenz f, die
an den Schallgeber
8 angelegt wird. Der Schallgeber
8 gibt
eine Schallwelle ab, die sich in der Spritze
1 ausbreitet,
am Klebstoff
2 reflektiert wird und auf den Schallwandler
9 trifft.
Unter gewissen Voraussetzungen bildet sich in der Spritze
1 eine
stehende Schallwelle aus, die einen Knoten am Ort des Schallwandlers
9 hat.
Das Grundprinzip der Messung be steht darin, das Auftreten der stehenden
Schallwelle zu detektieren. Eine stehende Schallwelle entsteht dann,
wenn die Frequenz f und die Länge
L die Gleichung
erfüllen, wobei die Konstante c
die Schallgeschwindigkeit der Luft bezeichnet. Die Konstante c beträgt 355 m/s. Wenn
also die Frequenz f der an den Schallgeber
8 angelegten
Wechselspannung zu f
e = 1479 Hz gewählt wird,
dann tritt gemäss
Gleichung (1) eine stehende Schallwelle auf, wenn der Klebstoff
2 das
der Länge
L
e = 6 cm zugeordnete Füllstandsniveau erreicht. Das
Ausgangssignal U
2(t) des Schallwandlers
9 in
Funktion der Zeit t kann als Fourierreihe dargestellt werden:
wobei die Koeffizienten A
n die Amplitude und φ
n die
Phase der entsprechenden Schwingung bezeichnen. Die Schwingung mit
der Frequenz f wird als Grundwelle oder Grundschwingung bezeichnet,
die Schwingungen mit den Frequenzen n·f für n>1 werden als Oberwellen bezeichnet.
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Das
Auftreten der stehenden Schallwelle manifestiert sich im Ausgangssignal
U2 des Schallwandlers 9, indem
die Amplitude A1 der Grundwelle ein Minimum
erreicht und indem die Amplitude A2 der
ersten Oberwelle mit der Frequenz 2f ein Maximum erreicht.
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Für die Ermittlung
des aktuellen Füllstandsniveaus
muss also diejenige Frequenz f bestimmt werden, bei der eine stehende
Schallwelle auftritt. Die 2 zeigt
eine einfache elektronische Schaltung 10, deren Ausgangssignal
proportional zum Füllstandsniveau,
d.h. zur Länge
L ist. Die elektronische Schaltung besteht aus einer Verstärkungsstufe
mit zwei in Reihe geschalteten Verstärkern 11 und 12,
deren Verstärkungsfaktor
sehr gross ist. Das Ausgangssignal des Schallwandlers 9 wird
von den beiden Verstärkern 11 und 12 verstärkt und damit
der Schallgeber 8 beaufschlagt. Der akustische Feedback
bewirkt automatisch, dass sich die Frequenz f dieses geschlossenen
Regelkreises so einstellt, dass sich in der Spritze 1 eine
stehende Schallwelle ausbildet. Das Signal am Ausgang des ersten
Verstärkers 11 wird
einem Schmitt-Trigger Baustein 13 zugeführt, der das Signal in eine
Folge von rechteckförmigen
Pulsen umwandelt, die von einer übergeordneten
Steuereinrichtung, z. B. von der Steuereinrichtung der Einrichtung
zum Auftragen von Klebstoff gezählt
werden können. Die
Pulse haben auch die Frequenz f.
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Die 3 zeigt
eine Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff auf ein Substrat 14,
bei der der Flüssigkeitsbehälter stationär angeordnet
ist. Der Flüssigkeitsbehälter ist
eine Spritze 1 mit einer Austrittsöffnung, an der eine Düse 15 mit
einer oder mehreren Öffnungen
lösbar
befestigt ist.
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Die 4 zeigt
eine Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff auf ein Substrat 14,
bei der der Flüssigkeitsbehälter auf
einem in drei kartesischen Richtungen x, y und z bewegbaren Schreibkopf 16 angeordnet
ist, wobei die Austrittsöffnung
des Flüssigkeitsbehälters in
eine lösbar
befestigte Schreibdüse 17 mündet. Die Schreibdüse 17 enthält in der
Regel nur eine einzige Austrittsöffnung.
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Die
beiden Einrichtungen sind Teil einer Dispensstation einer als Die
Bonder bekannten Halbleiter-Montageeinrichtung.
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Die
Substrate 14 werden bei beiden Einrichtungen von einer
Transportvorrichtung 18 zu einem Auflagetisch 19 transportiert,
wo der Klebstoff aufgebracht wird, und anschliessend vom Auflagetisch 19 zu
einer Bondstation der Halbleiter-Montageeinrichtung weitertransportiert,
wo ein Halbleiterchip auf dem Klebstoff platziert wird. Die Spritze 1 wird
während
sogenannten Haltephasen mit Vakuum beaufschlagt, um zu vermeiden,
dass Klebstoff heraustropft, und während sogenannten Auftragsphasen
mit einem Druckpuls beaufschlagt, um eine Kleb stoffportion auf dem
auf dem Auflagetisch 19 bereitgestellten Substrat 14 zu
deponieren.
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Die 5 zeigt
ein Beispiel einer pneumatischen Vorrichtung, die für die Abgabe
des Klebstoffs bei den Einrichtungen gemäss 3 und 4 verwendet
werden kann. Die pneumatische Vorrichtung enthält einen Eingang 20 für die Zuführung von
Druckluft, die von einer externen Druckluftquelle erzeugt wird,
und einen Ausgang 21, der über eine erste Druckleitung 22,
beispielsweise einen Schlauch, mit dem Druckanschluss 7 (3)
der Spritze 1 verbindbar ist. Die pneumatische Vorrichtung
umfasst einen Drucktank 23, dessen Druckniveau von einem
ersten Drucksensor 24 gemessen und mittels eines Einlassventils 25 eingestellt
wird, über
das der Drucktank 23 mit dem Eingang 20 verbindbar
ist. Die pneumatische Vorrichtung umfasst weiter einen Vakuumtank 26,
der von einer Vakuumquelle 27 mit Vakuum versorgt wird
und dessen Druckniveau von einem zweiten Drucksensor 28 gemessen
und mittels eines Auslassventils 29 eingestellt wird, über das
der Vakuumtank 26 mit der Vakuumquelle 27 verbindbar
ist. Die Vakuumquelle 27 ist beispielsweise eine mit Druckluft
betriebene Venturidüse.
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Die
pneumatische Vorrichtung enthält
weiter ein Umschaltventil 30, eine zweite Druckleitung 31,
die das Umschaltventil 30 mit dem Drucktank 23 verbindet,
eine dritte Druckleitung 32, die das Umschaltventil 30 mit
dem Vakuumtank 26 verbindet. Das Umschaltventil 30 weist
zwei Positionen auf, in denen es die erste Druckleitung 22 entweder
mit der zweiten Druckleitung 31 oder der dritten Druckleitung 32 verbindet.
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Damit
der in der Spritze 1 herrschende Druck am Ende des Druckpulses
schneller abgebaut werden kann und damit der Vakuumtank 26 dabei
weniger belastet wird, ist mit Vorteil ein zweites Umschaltventil 34 in
der dritten Druckleitung 32 zwischen dem Umschaltventil 30 und
dem Vakuumtank 26 angeordnet, das die Spritze 1 jeweils
temporär
mit der Umgebungsluft verbindet, bis der Druck auf das Niveau des
Atmosphärendrucks
abgebaut ist.
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Das
Ausgangssignal des Sensors 4, sowie die Ausgangssignale
der Drucksensoren 24 und 28 werden einer Steuereinheit 33 zugeführt. Die
Steuereinheit 33 steuert alle Ventile 25, 29, 30 und
gegebenenfalls 34. Gemäss
einer bevorzugten Betriebsweise wird der Drucktank 23 am
Beginn der Haltephase druckmäßig mit dem
Eingang 20 verbunden, bis der Druck im Drucktank 23 den
von der Steuereinheit 33 in Abhängigkeit vom Füllstandsniveau
der Spritze 1 errechneten Wert erreicht hat. Während der
Auftragsphase bleibt der Drucktank 23 vorzugsweise vom
Eingang 20 getrennt. Ebenso wird am Beginn der Auftragsphase
der Vakuumtank 26 druckmässig mit der Vakuumquelle 27 verbunden,
bis das Vakuum im Vakuumtank 26 den vorgegebenen Sollwert
erreicht hat.
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Im
Betrieb wird das Umschaltventil 30 zwischen seinen beiden
Positionen hin und her geschaltet, so dass die Spritze 1 während der
Haltephasen mit dem Vakuumtank 26 und während der Auftragsphasen mit dem
Drucktank 23 verbunden ist. Während der Haltephasen misst
der Sensor 4 das Füllstandsniveau
L der Spritze 1. Das Totvolumen vT,
das dem vom Klebstoff entleerten Volumen in der Spritze 1 entspricht,
ergibt sich für
eine zylinderförmige
Spritze mit einem Innenradius r zu VT = π·r2·L (3)
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Bei
der Einrichtung gemäss 3 wird
das Druckniveau des im Drucktank 23 herrschenden Drucks und/oder
die Dauer der Auftragsphase in Abhängigkeit vom gemessenen Füllstandsniveau
L bzw. Totvolumens VT der Spritze 1 erhöht, um die
abgegebene Klebstoffmenge trotz Entleerung der Spritze 1 konstant
zu halten.
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Bei
der Einrichtung gemäss 4 wird
mit Vorteil nur das Druckniveau des im Drucktank 23 herrschenden
Drucks in Abhängigkeit
vom gemessenen Füllstandsniveau
L bzw. Totvolumens vT der Spritze 1 erhöht, um die
abgegebene Klebstoffmenge trotz Entleerung der Spritze 1 konstant
zu halten, während
die Dauer der Auftragsphase unverändert bleibt. Die Dauer der
Schreibbewegung der Schreibdüse 17 muss
dann nicht verändert
werden.
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Das
Maß, um
das das Druckniveau des im Drucktank 23 herrschenden Drucks
bzw. gegebenenfalls die Dauer der Auftragsphase erhöht werden
muss, hängt
von den konkreten Eigenschaften des ganzen Systems ab und muss experimentell
ermittelt werden.
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Die
Einrichtung zum Auftragen von Klebstoff ist bevorzugt eingerichtet,
einen Alarm auszulösen und/oder
die Halbleiter-Montageeinrichtung anzuhalten, sobald die Spritze 1 leer
ist, d. h. sobald das Füllstandsniveau
den Wert Le erreicht hat.
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- 1
- Spritze
- 2
- Klebstoff
- 3
- Deckel
- 4
- Sensor
- 5
- Spitze
- 6
- Schlauch
- 7
- Druckanschluss
- 8
- Schallgeber
- 9
- Schallwandler
- 10
- elektronische
Schaltung
- 11
- Verstärker
- 12
- Verstärker
- 13
- Schmitt-Trigger
Baustein
- 14
- Substrat
- 15
- Düse
- 16
- Schreibkopf
- 17
- Schreibdüse
- 18
- Transportvorrichtung
- 19
- Auflagetisch
- 20
- Eingang
- 21
- Ausgang
- 22
- Druckleitung
- 23
- Drucktank
- 24
- Drucksensor
- 25
- Einlassventil
- 26
- Vakuumtank
- 27
- Vakuumquelle
- 28
- Drucksensor
- 29
- Auslassventil
- 30
- Umschaltventil
- 31
- Druckleitung
- 32
- Druckleitung
- 33
- Steuereinheit
- 34
- Umschaltventil
