DE102008043543A1

DE102008043543A1 - Siebdruckvorrichtung

Info

Publication number: DE102008043543A1
Application number: DE200810043543
Authority: DE
Inventors: Harald Guenschel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Siebdruckvorrichtung zum Aufbringen einer Druckpaste auf ein Substrat (101), umfassend einen Rahmen (12) und ein in dem Rahmen (12) unter mechanischer Vorspannung gehaltenes Drucksieb (13), wobei der Rahmen derart ausgebildet ist, dass die mechanische Vorspannung des Drucksiebs variabel einstellbar ist und die Siebdruckvorrichtung (1) ferner mindestens ein Mittel umfasst, durch das die Lage von mindestens einer Substratmarkierung (103a) und mindestens einer weiteren Substratmarkierung (103b) erfasst wird und durch das die einstellbare mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung (103a) und weiteren Substratmarkierung (103b) eingestellt wird.

Description

Stand der Technik
Siebdruckvorrichtungen nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs kommen zum Aufbringen von Schichten, beispielsweise bei der Herstellung von Mikrohybridschaltungen, keramischen Sensoren und Piezoaktoren, zum industriellen Einsatz. Eine Siebdruckvorrichtung ist in der DE 20 2005 004 664 U1 beschrieben.
Es kommen Drucksiebe zum Einsatz, durch die hindurch ein Auftrag der Druckpaste auf die zu bedruckenden Substrate erfolgt. Die Drucksiebe umfassen auf ihnen fixierte Siebdruckschablonen, die Negativbilder der herzustellenden Siebdruckbilder darstellen. Die Siebdruckschablonen verschließen Poren der Drucksiebe und definieren so Bereiche, in denen das Substrat nicht bedruckt wird. Der Auftrag der Siebdruckpaste auf das zu bedruckende Substrat erfolgt durch Aufdrücken und Verschieben eines Rakels auf dem Drucksieb. Eine Voraussetzung für ein gutes Siebdruckergebnis ist, dass das Drucksieb eine mechanische Vorspannung aufweist, die innerhalb eines definierten Toleranzbereichs liegt.
Zu diesem Zweck kommen sogenannte Rahmen zum Einsatz, in denen das Drucksieb, zum Beispiel durch Aufkleben, fixiert wird. Aus der mechanischen Vorspannung des Drucksiebs resultiert eine Siebdehnung, die in weiten Grenzen elastisch und damit reversibel erfolgt. Zu dem Zweck, eine über die Fläche des Drucksiebs gleichmäßige mechanische Vorspannung und eine gleichmäßige Siebdehnung zu realisieren, ist es bekannt, einen Außenbereich des Drucksiebs so zu gestalten, dass er im Vergleich zum Innenbereich des Drucksiebs eine erhöhte Elastizität aufweist. Hierfür kommen beispielsweise elastische Kunststoffmaterialien zum Einsatz.
Im Zusammenhang mit Siebdruckprozessen kann es, beispielsweise durch den Kontakt ungesinterter Substrate mit Lösungsmitteln und durch nachfolgende Trocknungsprozesse, zu Schrumpfungen und/oder Streckungen der Substrate kommen. Insbesondere sind diese Schrumpfungen und/oder Streckungen fertigungstechnischen Schwankungen unterworfen und nur bis zu einem gewissen Grad reproduzierbar. Hieraus folgt, dass bei der Verwendung herkömmlicher Siebdruckvorrichtungen bei dem Aufbringen einer weiteren Druckschicht die Position und die Größe des aufzudruckenden Druckbildes nur ungenau zu dem Druckbild der vorab aufgebrachten Druckschicht passt, sodass es zu Versatzen zwischen den Druckbildern der einzelnen Druckschichten kommt.
Vorteile der Erfindung
Siebdruckvorrichtungen mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs haben demgegenüber den Vorteil, dass das Auftreten von Versatzen zwischen einzelnen Druckschichten vermieden wird.
Hierfür ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Siebdruckvorrichtung mindestens ein Mittel umfasst, durch das die Lage einer Substratmarkierung und mindestens einer weiteren Substratmarkierung erfasst wird und durch das die einstellbare mechanische Vorspannung des Drucksiebs in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung und in Abhängigkeit von der Lage der weiteren Substratmarkierung angesteuert wird.
Es ergibt sich somit die Möglichkeit, in Abhängigkeit von vorab aufgetretenen Schrumpfungen und/oder Streckungen des Substrats die mechanische Vorspannung des Drucksiebs so zu wählen, dass die resultierende elastische Verformung des Drucksiebs an die vorab erfolgten Schrumpfungen und/oder Streckungen des Substrats angepasst ist, diesen insbesondere entspricht.
Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und Ausführungsbeispiele.
Zeichnung
Die 1 der Zeichnung zeigt eine Siebruckvorrichtung gemäß dem ersten Ausführbeispiel der Erfindung in einer vertikal gestreckten Darstellung.
Ausführbeispiele
Die 1 der Zeichnung zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Siebdruckvorrichtung 1. Die Siebdruckvorrichtung 1 umfasst ein rechteckiges, insbesondere quadratisches, Drucksieb 13, einen unterhalb des Drucksiebs 13 angeordneten Drucktisch 14, ein oberhalb des Drucksiebs 13 angeordnetes Kamerasystem 21 und eine Steuereinheit 31.
Das Drucksieb 13 besteht in einem inneren Bereich aus einem Drucksiebgewebe 131 aus Edelstahl oder Polyester, das in regelmäßiger Struktur kleine Poren aufweist. Auf diesem inneren Bereich angeordnet und mit diesem fixiert ist eine Druckschablone 16, die ein Negativbild des herzustellenden Druckbildes darstellt. Durch die Druckschablone 16 werden die Öffnungen des Drucksiebs 13 in den Bereichen verschlossen, in denen das Substrat 101 nicht bedruckt werden soll.
In einem äußeren Bereich besteht das Drucksieb 13 aus einem Lochrandträger 132, der um das Drucksiebgewebe 131 herum angeordnet und mit diesem fest verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt, ist. Der Lochrandträger 132 ist als dünnes Edelstahlblech ausgebildet, in das, beispielsweise durch Laserstrahlung, eine Vielzahl von Schnitten eingebracht ist, sodass insgesamt die Wirkung einer zweidimensionalen planaren Feder entsteht. Die Elastizität des Lochrandträgers 132 ist vorzugsweise höher als die des Drucksiebgewebes 131. Alternativ ist es auch möglich, dass der Lochrandträger 132 aus einem anderen elastischen Material, zum Beispiel aus Polyester, besteht.
Im äußeren Bereich des Lochrandträgers 132 sind auf jeder der vier Seiten des Lochrandträgers 132 mehrere Aufnahmeöffnungen 201 vorgesehen.
Das Drucksieb 13 ist in einen Rahmen 12 einlegbar. Der Rahmen 12 weist ebenso wie das Drucksieb 13 eine rechteckige, insbesondere quadratische, Form auf und ist mechanisch stabil, zum Beispiel aus Stahl oder Aluminium, ausgeführt. Auf jeder seiner vier Seiten weist der Rahmen 12 jeweils ein Rahmensegment 121 auf. Die Rahmensegmente 121 sind gegeneinander um einige Zehntel Millimeter verschiebbar gelagert. Die Rahmensegmente 121 weisen Aufnahmestifte 202 auf, die bezüglich Lage und Größe so ausgebildet sind, dass sie von den Aufnahmeöffnungen 201 des Lochrandträgers 132 aufgenommen werden können.
Der Rahmen 12 weist zwei Druckluftanschlüsse 40 mit je einem Druckregelventil 41 auf. Über jedes der beiden Druckregelventile 41 wird Druckluft so zugeführt, dass zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Rahmensegmenten 121 eine Verschiebung und eine Zugkraft resultiert, die zur mechanischen Vorspannung des Drucksiebs 13, beispielsweise zu einer mechanischen Vorspannung von 30 N/cm, führt. Dabei können die mechanischen Vorspannungen des Drucksiebs 13 zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Rahmensegmenten, also in x- und in y-Richtung, getrennt voneinander eingestellt werden. Es ist durch den Aufbau des Drucksiebs 13, insbesondere durch die Beschaffenheit des Lochrandträgers 132, sichergestellt, dass die mechanische Vorspannung des Drucksiebgewebes 131 in x- und y-Richtung jeweils in besonders homogener Weise erfolgt.
Der unterhalb des Drucksiebs 13 angeordnete Drucktisch 14 ist zur Aufnahme und zur Fixierung des Substrats 101 vorgesehen. Der Drucktisch 14 ist über ein x-y-Achssystem 105 relativ zu den übrigen Komponenten der Siebdruckeinrichtung 1 verschiebbar, wobei das x-y-Achssystem 105 ausgebildet ist, um den Drucktisch mit hoher Präzision, zum Beispiel mit einer Präzision im Bereich eines Mikrometers, zu positionieren.
Das oberhalb des Drucksiebs 13 vorgesehene Kamerasystem 21 umfasst beispielsweise eine CCD-Kamera 211 und eine Abbildungsoptik 212. Die Anordnung und die Auslegung des Kamerasystems 21 gewährleistet, dass zumindest Teile des Drucksiebs 13 und des darunter angeordneten Substrats 101 im Bildbereich der Kamera 21 liegen und mit einer optischen Auflösung im Bereich von wenigen Mikrometern pro Pixel erfasst werden können.
Das Steuergerät 31 empfängt die Bilddaten von dem Kamerasystem 21 und steuert das x-y-Achssystem 105 und die beiden Druckregelventile 41 an.
Die erfindungsgemäße Siebdruckvorrichtung 1 wird dazu benutzt, eine oder mehrere Druckschichten mit hoher Genauigkeit unter Vermeidung von lateralen Versatzen auf das Substrat 101 aufzubringen. Hierfür wird das Substrat 101 auf den Drucktisch 14 gelegt und unter dem Drucksieb 13 positioniert. Um das Substrat 101 relativ zu dem Drucksieb 13 exakt zu positionieren, wird eine Drucksiebmarkierung 104a mit einer Substratmarkierung 103a zur Deckung gebracht, das heißt durch Verschieben des Drucktischs 14 so positioniert, dass sie vertikal übereinander zu liegen kommen. Hierfür werden diese beiden Markierungen über das Kamerasystem 21 in Verbindung mit dem Steuergerät 31 erkannt und die Verschiebungen des Drucktisches 14, die notwendig sind, um die Drucksiebmarkierung 104a mit der Substratmarkierung 103a zur Deckung zu bringen, werden von dem Steuergerät 31 berechnet und über das x-y-Achssystem 105 ausgelöst.
Es ist ferner vorgesehen, dass anschließend die mechanische Vorspannung des Drucksiebs 13 in x- und in y-Richtung und damit eine Streckung des Drucksiebs 13 in diese Richtungen eingestellt wird. Die Einstellung erfolgt beispielsweise hinsichtlich der tatsächlichen Größe einer vorab auf das Substrat aufgebrachten Druckschicht und somit zum Beispiel hinsichtlich einer vorab erfolgten Schrumpfung und/oder Streckung des Substrats 101. Zu diesem Zweck sind auf dem Drucksieb 13 zwei weitere Drucksiebmarkierungen 104b und auf dem Substrat 101 zwei weitere Substratmarkierungen 103b vorgesehen. Je eine der weiteren Substratmarkierungen 103b und eine der weiteren Drucksiebmarkierungen 104b sind einander zugeordnet und kommen bis auf auftretende Abweichungen vertikal übereinander zu liegen, wenn die Drucksiebmarkierung 104a mit der Substratmarkierung 103a zur Deckung gebracht ist. Diese Abweichungen liegen typischerweise in einem Bereich von bis zu 100 μm.
Die weiteren Substratmarkierungen 103b und die weiteren Drucksiebmarkierungen 104b werden mit dem Kamerasystem 21 in Verbindung mit dem Steuergerät 31 erkannt und die Korrekturen der Regeldrücke an den Druckregelventilen 41 in x- und y-Richtung, die gegebenenfalls notwendig sind, um die weiteren Substratmarkierungen 103b mit den weiteren Drucksiebmarkierungen 104b zur Deckung zu bringen, werden von dem Steuergerät 31 berechnet und veranlasst. Falls erforderlich, erfolgt eine abschließende Korrektur der Positionen des Substrats 101 mittels des x-y-Achssystems 105. Die Eingriffe an den Druckregelventilen 41 und an dem x-y-Achssystem 105 erfolgen so, dass im Anschluss die Substratmarkierung 103a und die Drucksiebmarkierung 104a in Deckung sind und auch jede der weiteren Substratmarkierungen 103b jeweils mit einer der weiteren Drucksiebmarkierungen 104b paarweise in Deckung, also vertikal übereinander, liegen. Sollte es nicht möglich sein, mit den zur Verfügung stehenden aktorischen Mitteln 105, 41 alle Markierungen 103a, 103b, 104a, 104b gleichzeitig paarweise zur Deckung zu bringen, ist vorgesehen, die zur Verfügung stehenden aktorischen Mitteln 105, 41 so anzusteuern, dass die verbleibenden Abweichungen insgesamt minimiert werden, wobei eine aus dem Stand der Technik bekannte Ausgleichsmethode, zum Beispiel eine Methode der kleinsten Fehlerquadrate, angewendet werden kann. Eine entsprechende Methode ist zu diesem Zweck im Steuergerät 31 hinterlegt.
Alternativ ist es auch möglich, das Verfahren mit nur einer weiteren Substratmarkierung 103b und nur einer weiteren Drucksiebmarkierung 104b durchzuführen.
In einer weiteren Alternative ist es möglich, nur einen Druckluftanschluss 40 und nur ein Druckregelventil 41 vorzusehen. Über diesen Druckluftanschluss 40 und über dieses Druckregelventil 41 wird in diesem Fall in beiden zueinander senkrechten Richtungen des Drucksiebs 13 eine gleiche mechanische Vorspannung erzeugt. Wiederum wird die Substratmarkierung 103a mit der Drucksiebmarkierung 104a zu Deckung gebracht und eine oder mehrere weitere Substratmarkierungen 103b mit einer oder mehreren weiteren Drucksiebmarkierungen 104a zur Deckung gebracht. Sollte es nicht möglich sein, mit den zur Verfügung stehenden aktorischen Mitteln 105, 41 alle Markierungen 103a, 103b, 104a, 104b gleichzeitig paarweise zur Deckung zu bringen, ist, wie oben beschrieben, vorgesehen, die verbleibenden Abweichungen insgesamt zu minimieren.
Ein zweites Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem vorangehenden dadurch, dass auf dem Drucksieb 13 keine weiteren Drucksiebmarkierungen 104b vorgesehen sind. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Position der weiteren Substratmarkierungen 103b relativ zur Position der Substratmarkierung 103a mit Sollpositionen verglichen, die im Steuergerät 31 hinterlegt sind. Durch das Steuergerät 31 erfolgt wiederum die Berechnung und die Veranlassung der erforderlichen Eingriffe an den Regelventilen 41 und an dem x-y-Achssystem 105.
Die Substratmarkierung 103a und die weiteren Substratmarkierungen 103b können im Rahmen der vorliegenden Erfindung einerseits gedruckte oder gestanzte Markierungen sein, andererseits aber auch im weitesten Sinne geometrische Merkmale des Substrats 101, beispielsweise Ecken oder Kanten. Die Substratmarkierung 103a und die weiteren Substratmarkierungen 103b können auch Teile einer in einem vorangehenden Druckschritt auf das Substrat 101 gedruckten Struktur sein.
Die Drucksiebmarkierung 104a und die weiteren Drucksiebmarkierungen 104b können auch Teile der Druckschablone 16 sein.
Es ist optional möglich, die beschriebenen sensorischen und aktorischen Schritte mehrfach oder, zumindest über einen Zeitraum hinweg, kontinuierlich durchzuführen.
Es ist ferner optional möglich, die während des Verfahrens an das Drucksieb 13 angelegten mechanischen Vorspannungen darauf hin zu bewerten, ob sie in einem Sollbereich der mechanischen Vorspannung des Drucksiebs 13 liegen, dessen untere und obere Grenze beispielsweise durch 90% und 110% des Sollwerts der mechanischen Vorspannung des Drucksiebs 13 gegeben ist. Ferner ist es möglich, ein Drucksieb 13 als überdehnt zu bewerten, wenn die an das Drucksieb 13 angelegten mechanischen Vorspannungen außerhalb dieses Sollbereichs liegen.
Das Kamerasystem 21 und das Steuergerät 31 stellen Mittel dar, durch die die Lage von einer Substratmarkierung 103a und mindestens einer weiteren Substratmarkierung 103b erfasst wird und durch die die einstellbare mechanische Vorspannung des Drucksiebs 13 in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung 103a und der weiteren Substratmarkierung 103b eingestellt wird. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Wahl der Mittel eingeschränkt, sondern umfasst auch Ausführungsbeispiele, in denen andere Mittel gewählt werden: So ist es beispielsweise möglich, anstelle eines Kamerasystems kapazitive Sensoren oder ein dreidimensionales Laserscanning-Verfahren anzuwenden. Anstelle eines Druckregelventils 41 kann die mechanische Vorspannung des Drucksiebs 13 beispielsweise auch durch einen Piezo-Aktuator oder durch einen magnetostriktiven oder durch einen elektromechanischen Aktuator erzeugt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202005004664 U1 [0001]

Claims

Siebdruckvorrichtung zum Aufbringen einer Druckpaste auf ein Substrat (101), umfassend einen Rahmen (12) und ein in dem Rahmen (12) unter mechanischer Vorspannung gehaltenes Drucksieb (13), dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (12) derart ausgebildet ist, dass die mechanische Vorspannung des Drucksiebs variabel einstellbar ist und die Siebdruckvorrichtung (1) ferner mindestens ein Mittel umfasst, durch das die Lage von mindestens einer Substratmarkierung (103a) und mindestens einer weiteren Substratmarkierung (103b) erfasst wird und durch das die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung (103a) und der weiteren Substratmarkierung (103b) eingestellt wird.
Siebdruckvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel mindestens ein Kamerasystem (21) und ein Steuergerät (31) umfasst, wobei durch das Kamerasystem (21) die Lage der Substratmarkierung (103a) und der weiteren Substratmarkierung (103b) erfasst wird und wobei durch das Steuergerät (31) die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung (103a) und der weiteren Substratmarkierung (103b) eingestellt wird.
Siebdruckvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (12) eine viereckige Form aufweist und auf jeder Seite jeweils ein Rahmensegment (121) aufweist, wobei die Rahmensegmente (121) verschiebbar gelagert sind, wobei durch Ansteuerung mindestens eines Druckregelventil (41) die mechanische Vorspannung des Drucksiebs variabel einstellbar ist.
Siebdruckvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksieb (13) mindestens eine Drucksiebmarkierung (104a) und mindestens eine weitere Drucksiebmarkierung (104b) aufweist und dass durch das Mittel auch die Lage der Drucksiebmarkierung (104a) und der weiteren Drucksiebmarkierung (104b) erfasst wird, wobei die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) auch in Abhängigkeit von der Lage Markierung des Drucksieb (104a) und der weiteren Drucksiebmarkierung (104b) angesteuert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Lage der Drucksiebmarkierung (104a) relativ zu der Lage der Substratmarkierung (103a) und der Lage der weiteren Drucksiebmarkierung (104b) relativ zu der Lage der weiteren Substratmarkierung (103b).
Siebdruckvorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Substratmarkierung (103b) mindestens zwei weitere Substratmarkierungen (103b) umfasst und dass die mindestens eine weitere Drucksiebmarkierung (104b) mindestens zwei weitere Drucksiebmarkierungen (104b) umfasst, wobei die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) in Abhängigkeit von der Lage der Drucksiebmarkierung (104a) und der weiteren Drucksiebmarkierungen (104b) und der Substratmarkierung (103a) und der weiteren Substratmarkierungen (103b) angesteuert wird, insbesondere in Abhängigkeit von der Lage der Drucksiebmarkierung (104a) relativ zu der Lage der Substratmarkierung (103a) und der Lage der weiteren Drucksiebmarkierungen (104b) relativ zu der Lage der weiteren Substratmarkierungen (103b).
Siebdruckvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) über den Rahmen (12) erfolgt und mittels mindestens eines Druckregelventils (41) einstellbar ist.
Verfahren zum Aufbringen einer Druckpaste auf ein Substrat (101) mittels einer Siebdruckvorrichtung (1) umfassend einen Rahmen (12) und ein in dem Rahmen (12) unter mechanischer Vorspannung gehaltenes Drucksieb (13) wobei die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) einstellbar ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Erfassung der Lage von einer Substratmarkierung (103a) und mindestens einer weiteren Substratmarkierung (103b) – Einstellung der mechanischen Vorspannung des Drucksiebs (13) in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung (103a) und der weiteren Substratmarkierung (103b).
Verfahren nach dem vorangegangenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der mechanischen Vorspannung des Drucksiebs (13) in Abhängigkeit von der Lage der Substratmarkierung (103a) und der weiteren Substratmarkierung (103b) relativ zur Lage einer Drucksiebmarkierung (104a) und einer weiteren Drucksiebmarkierung (104b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorspannung des Drucksiebs (13) in zwei zueinander senkrechten Richtungen unabhängig eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der mechanischen Vorspannung des Drucksiebs (13) derart erfolgt, dass die Substratmarkierung (103a) mit der Drucksiebmarkierung (104a) in Aufsicht auf die Siebdruckvorrichtung (1) zur Deckung gebracht wird und die weiteren Substratmarkierungen (103b) mit den weiteren Drucksiebmarkierungen (104b) in Aufsicht auf die Siebdruckvorrichtung (1) zur Deckung gebracht werden oder in Aufsicht verbleibende Abweichungen zwischen der Lage der Substratmarkierung (103a) und der Lage der Drucksiebmarkierung (104a) sowie zwischen der Lage der weiteren Substratmarkierungen (103b) und der Lage der weiteren Drucksiebmarkierungen (104b) insgesamt, zum Beispiel mit einer Methode der kleinsten Fehlerquadrate, minimiert werden.