DE102019111580A1 - Verfahren zur Kalibrierung einer Vorrichtung für die Montage von Bauelementen - Google Patents

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Juergen Stuerne
Florian Speer
Harald HANDLOS
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Abstract

Die Erfindung betrifft die Kalibrierung einer Bauelemente-Montagevorrichtung, die eingerichtet ist für die Montage von Bauelementen auf einem Substrat, dessen Montageplätze keine lokalen Markierungen enthalten. Das Substrat enthält entweder an seinem Rand angebrachte globale Substratmarkierungen oder andere globale Merkmale, die für die Montage der Bauelemente herangezogen werden können. Die Kalibrierung erfolgt mittels einer Kalibrierplatte (1), die mehrere, zweidimensional über die Kalibrierplatte (1) verteilte und mit ersten optischen Markierungen (3) versehene Kalibrierpositionen (2) aufweist, einem Testchip (5), der zweite optische Markierungen (6) aufweist, und einer an der Bondstation (17) angebrachten Halterung (9) für die temporäre Aufnahme der Kalibrierplatte (1). Die Anzahl und Anordnung der Kalibrierpositionen (2) der Kalibrierplatte (1) und die Anzahl und Anordnung der Montageplätze des Substrats sind - abgesehen von möglichen Ausnahmefällen - verschieden voneinander.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung einer Bauelemente-Montagevorrichtung, auch bekannt als Vorrichtung für die Montage von Bauelementen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Derartige Bauelemente-Montagevorrichtungen sind in der Halbleiterindustrie als Die Bonder oder als Pick and Place Maschinen bekannt. Ein „die“ ist ein Bauelement. Die Bauelemente sind insbesondere elektronische, optische, mikromechanische, mikrooptische oder elektro-optische Bauelemente und dergleichen, oder auch Halbleiterchips oder Flipchips.
  • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bauelemente-Montagevorrichtung zu entwickeln, mit der eine Vielzahl von Bauelementen lagegenau auf einem grossflächigen Substrat, das nur an seinem Rand Substratmarkierungen oder andere globale Merkmale aufweist, die für die Positionierung herangezogen werden können, platziert werden kann. Solche grossflächige Substrate sind beispielsweise Wafer mit einem Durchmesser von 12 Zoll oder mehr. Weitere Substrate sind Leiterplatten, Keramiksubstrate, Blechcarrier, Panels und dergleichen mehr. Solche Panels haben beispielsweise Abmessungen von 0.6 m × 0.7 m, oder mehr.
  • Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Die Erfindung betrifft demgemäss ein Verfahren zur Kalibrierung einer Bauelemente-Montagevorrichtung. Die Bauelemente-Montageeinrichtung umfasst eine Bondstation und wenigstens einen Bondkopf zum Platzieren von Bauelementen auf den Montageplätzen eines Substrats, eine erste Kamera und eine zweite Kamera. Die erste Kamera dient zum Aufnehmen eines Bildes des von dem Bondkopf aufgenommenen Bauelements oder Testchips und zur Bestimmung der Abweichung der Ist-Lage des Bauelements bzw. Testchips von seiner Soll-Lage. Die zweite Kamera dient einerseits im Montagebetrieb zur Bestimmung von globalen Substratpositionsdaten, die die Lage und Orientierung des Substrats charakterisieren, und andererseits während der Kalibrierung zur Bestimmung der Abweichung der Ist-Lage des auf einer Kalibrierplatte montierten Testchips von seiner Soll-Lage.
  • Die Bauelemente-Montagevorrichtung umfasst weiter eine Transportvorrichtung, die ein Substrat nach dem anderen zur Bondstation transportiert, wo es mit Bauelementen bestückt wird. Die Bondstation umfasst ein Pick und Place System, das den Bondkopf oder die Bondköpfe zu den Montageplätzen des Substrats bewegt. Um eine hohe Platzierungsgenauigkeit zu erreichen, ist die Bauelemente-Montageeinrichtung mit Vorteil so eingerichtet, dass die Transportvorrichtung das Substrat zur Bondstation transportiert und dann das Substrat während des ganzen Bestückungsprozesses am gleichen Ort festgehalten wird. Der Arbeitsbereich des Bondkopfs bzw. der Bondköpfe ist in diesem Fall so gross wie oder grösser als ein Substrat.
  • Da die einzelnen Montageplätze der Substrate keine Markierungen enthalten, die seine Lage definieren, wird die Position des jeweiligen Montageplatzes, den der Bondkopf anzufahren hat, um ein Bauelement zu montieren, anhand von globalen Substratpositionsdaten berechnet, die die Lage und Orientierung des Substrats charakterisieren. Die globalen Substratpositionsdaten werden entweder anhand von am Rand des Substrats angebrachten Substratmarkierungen oder, falls das Substrat keine Substratmarkierungen aufweist, anhand besonderer globaler Merkmale des Substrats wie beispielsweise „flat“ und/oder „notch“ bei einem Wafer, etc. ermittelt, sobald das Substrat zur Bondstation transportiert und dort fixiert wurde.
  • Um zu erreichen, dass die vom Bondkopf angefahrene Position mit der für den Montageplatz berechneten Position übereinstimmt, wird die Bauelemente-Montagevorrichtung kalibriert. Bei der Kalibrierung werden Kalibrierdaten ermittelt. Die Kalibrierung erfolgt mittels einer Halterung, einer Kalibrierplatte, die eine Vielzahl von Kalibrierpositionen aufweist, und einem oder mehreren Testchips. Die Kalibrierpositionen der Kalibrierplatte sind zweidimensional über die Kalibrierplatte verteilt, sie sind beispielsweise in Reihen und Kolonnen angeordnet. Die Kalibrierpositionen der Kalibrierplatte und der/die Testchip(s) enthalten zueinander passende erste bzw. zweite optische Markierungen.
  • Die Halterung für die Aufnahme der Kalibrierplatte ist entweder stationär oder lösbar in der Bondstation der Bauelemente-Montagevorrichtung angebracht. Die Bauelemente-Montagevorrichtung und die Halterung sind derart ausgebildet, dass die Kalibrierdaten den Arbeitsbereich des Bondkopfs bzw. der Bondköpfe vollständig abdecken. Es kann entweder eine einzige Kalibrierplatte verwendet werden, die den ganzen Arbeitsbereich abdeckt, oder die Halterung kann eingerichtet sein, die Kalibrierplatte nacheinander in verschiedenen Positionen aufzunehmen, mit denen der ganze Arbeitsbereich abgedeckt wird. Der Arbeitsbereich und damit die von den Kalibrierdaten abgedeckte Fläche ist mit Vorteil so gross wie oder grösser als ein ganzes Substrat, damit das Substrat während des ganzen Montageprozesses am gleichen Ort fixiert bleiben kann.
  • Bei der Kalibrierung wird ein einzelner Testchip oder mehrere Testchips an einer Anzahl von ausgewählten Kalibrierpositionen abgesetzt und es wird die Abweichung der Ist-Lage eines jeden abgesetzten Testchips von seiner Soll-Lage mithilfe der beiden Kameras und ebenfalls vorhandener Bildverarbeitungshardware und -software ermittelt. Die Ermittlung der Abweichung erfolgt bevorzugt unmittelbar nach dem Absetzen des jeweiligen Testchips. Die Abweichung ist darstellbar durch einen Differenzvektor v mit wenigstens zwei Komponenten, beispielsweise mit zwei Komponenten v = (x, y) oder mit drei Komponenten v = (x, y, θ), wobei die Komponente x eine Verschiebung in einer ersten Richtung und die Komponente y eine Verschiebung in einer zweiten Richtung bezeichnen und die Komponente θ ein Winkel ist, der eine Verdrehung um ein Zentrum bezeichnet. Ein Differenzvektor v mit zwei Komponenten ist vielfach ausreichend, nämlich dann wenn die Winkelabweichung θ so gering ist, dass kein störender Positionsfehler resultiert.
  • Die Anzahl der ausgewählten Kalibrierpositionen kann während des Verfahrens adaptiv erhöht werden, beispielsweise wenn die erfassten Differenzvektoren auf ein nicht-lineares Verhalten der Bewegungsachsen des Bondkopfs bzw. der Bondköpfe hinweisen.
  • Die Halterung ist vorzugsweise eingerichtet, die Kalibrierplatte mittels Vakuum festzuhalten und die Halterung und die Kalibrierplatte sind vorzugsweise eingerichtet, den Testchip mittels Vakuum zu fixieren. Die Halterung und die Kalibrierplatte können auch eingerichtet sein, die Kalibrierplatte magnetisch festzuhalten. Ebenso können die Halterung und/oder die Kalibrierplatte und der Testchip eingerichtet sein, den Testchip magnetisch zu fixieren.
  • Bei einer anderen Ausführung besteht die Halterung nur aus Positionsstiften, die vorzugsweise permanent an der Bondstation angebracht sind. Das Einlegen der Halterung für die Kalibrierung und später wieder entfernen entfällt in diesem Fall. Eine solche Halterung kann die Kalibrierplatte nicht festhalten, sondern nur positionieren.
  • Die Kalibrierplatte ist bevorzugt eine Glasplatte und der Testchip ist bevorzugt ein Glaschip. Die ersten und zweiten optischen Markierungen sind bevorzugt Strukturen aus Chrom, da solche Strukturen mit extrem hoher Genauigkeit hergestellt werden können. Diese Strukturen sind optisch nicht transparent.
  • Die Ermittlung der Kalibrierdaten umfasst beispielsweise die folgenden Schritte:
    1. A) Positionieren der Kalibrierplatte in der Halterung der Bondstation und/oder Fixieren der Kalibrierplatte an der Halterung der Bondstation;
    2. B) Durchführen der folgenden Schritte C bis I für eine Anzahl von auf der Kalibrierplatte vorhandenen Kalibrierpositionen:
    3. C) mit dem Bondkopf Aufnehmen eines Testchips,
    4. D) mit der ersten Kamera Aufnehmen eines Bildes des vom Bondkopf gehaltenen Testchips und Bestimmen der Abweichung der Ist-Lage des Testchips von seiner Soll-Lage,
    5. E) Berechnen der vom Bondkopf für die Platzierung des Testchips an der Kalibrierposition anzufahrenden Position,
    6. F) Fahren des Bondkopfs an die berechnete Position und Absetzen des Testchips auf der Kalibrierplatte,
    7. G) mit der zweiten Kamera Aufnehmen eines Bildes des auf der Kalibrierplatte abgesetzten Testchips,
    8. H) Ermitteln eines Differenzvektors v, der eine Abweichung der Ist-Lage des Testchips von seiner Soll-Lage beschreibt.
  • Der Differenzvektor v ist ein Nullvektor, wenn keine Abweichung ermittelt wurde.Der Testchip oder die Testchips werden jeweils zu einem geeigneten Zeitpunkt nach dem Schritt G wieder entfernt. Es kann natürlich auch immer der gleiche Testchip verwendet werden. Die Kalibrierung kann verfeinert werden, indem alle oder einige ausgewählte der Schritte C bis H einmal oder mehrmals wiederholt werden, um zusätzliche Differenzvektoren v zu erhalten.
  • Nachdem alle oder einzelne der Schritte C bis H einmal oder mehrmals durchgeführt worden sind, sind zu jeder Kalibrierposition ein oder mehrere Differenzvektoren vorhanden. Es folgt deshalb noch der Schritt:
    • I) Zuordnen von Korrekturdaten, die auf wenigstens einem Differenzvektor v beruhen, zu der Kalibrierposition.
  • Das folgende gilt für den Schritt I von jeder benutzten Kalibrierposition: Falls die Schritte C bis H nur einmal durchgeführt worden sind, dann enthalten die Korrekturdaten der Kalibrierposition den einen Differenzvektor v. Falls einige der Schritte C bis H zusätzlich ein- oder mehrmals durchgeführt worden sind, dann sind mehrere Differenzvektoren v vorhanden. Die Korrekturdaten können dann beispielsweise alle oder nur einige nach bestimmten Kriterien ausgewählte Differenzvektoren v enthalten, oder die Korrekturdaten können alternativ einen Korrekturvektor enthalten, der aus allen oder einigen ausgewählten Differenzvektoren v berechnet wurde.
  • Falls die Bauelemente-Montagevorrichtung mehr als einen Bondkopf aufweist, dann wird das obige Verfahren für den Arbeitsbereich von jedem der Bondköpfe durchgeführt.
  • Falls die Abmessungen der Kalibrierplatte zu gering sind, um den ganzen Arbeitsbereich des Bondkopfs bzw. der Bondköpfe abzudecken, dann wird die Kalibrierplatte in verschiedenen Positionen an der Halterung befestigt und das oben beschriebene Kalibrierverfahren für jede Position durchgeführt. Die verschiedenen Positionen sind so ausgelegt, dass sie den ganzen Arbeitsbereich des Bondkopfs bzw. der Bondköpfe abdecken.
  • Nachdem die Kalibrierung durchgeführt wurde, sind Kalibrierdaten vorhanden, die die verwendeten Kalibrierpositionen und die diesen Kalibrierpositionen zugeordneten Korrekturdaten umfassen. Die Kalibrierpositionen sind definiert durch einen Vektor w mit wenigstens zwei Komponenten, beispielsweise mit zwei Komponenten w = (w1, w2) oder mit drei Komponenten w = (w1, w2, φ), wobei die Komponente w1 die Position in einer ersten Richtung und die Komponente w2 die Position in einer zweiten Richtung bezeichnen und die Komponente φ ein Winkel ist, der die Verdrehung um ein Zentrum bezeichnet. Die Kalibrierdaten umfassen somit für jede der verwendeten Kalibrierpositionen einen Vektor w und Korrekturdaten.
  • Die Anzahl und Anordnung der Kalibrierpositionen der Kalibrierplatte 1 und die Anzahl und Anordnung der Montageplätze des Substrats sind - abgesehen von möglichen Ausnahmefällen - verschieden voneinander.
  • Bei einer Bauelemente-Montagevorrichtung, bei der das Substrat von der Transportvorrichtung zur Bondstation transportiert und dort - beispielsweise durch Ansaugen mit Vakuum - fixiert, dann mit den Bauelementen bestückt, und dann aus der Bondstation weg transportiert wird, decken die Kalibrierdaten eine Fläche ab, die so gross wie oder grösser als ein Substrat ist.
  • Nach erfolgter Kalibrierung kann die Montage der Bauelemente auf den Montageplätzen des Substrats mit folgenden Schritten durchgeführt werden:
    • Transportieren des Substrats zur Bondstation und Fixieren des Substrats;
    • Bestimmen von globalen Substratpositionsdaten, die die Lage und Orientierung des Substrats charakterisieren;
    • und Montage von einem Bauelement nach dem andern auf einem Montageplatz des Substrats nach dem andern durch die folgenden Schritte:
      • mit dem wenigstens einen Bondkopf Aufnehmen eines Bauelements von einer Zuführeinheit;
      • mit der ersten Kamera Aufnehmen eines Bildes des vom Bondkopf gehaltenen Bauelements und Bestimmen der Abweichung der Ist-Lage des Bauelements von seiner Soll-Lage,
      • Berechnen der Ist-Lage des Montageplatzes anhand der globalen Substratpositionsdaten;
      • Berechnen eines für den Montageplatz zu verwendenden Korrekturvektors anhand von ausgewählten Kalibrierdaten;
      • Berechnen der mit dem Bondkopf anzufahrenden Position; und
      • Bewegen des Bondkopfs an die berechnete Position und Absetzen des Bauelements auf dem Substrat.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht massstäblich gezeichnet.
    • 1 zeigt eine für Kalibrierung der Bauelemente-Montagevorrichtung geeignete Kalibrierplatte mit einer Vielzahl von Kalibrierpositionen,
    • 2 zeigt in vergrösserter Darstellung eine Kalibrierposition der Kalibrierplatte,
    • 3 zeigt einen Testchip,
    • 4 und 5 zeigen in Aufsicht und im Querschnitt eine Halterung für die Kalibrierplatte,
    • 6 zeigt für das Verständnis der Erfindung erforderliche Teile einer Bauelemente-Montagevorrichtung, und
    • 7 zeigt einen auf der Kalibrierplatte platzierten Testchip.
  • Eine Bondstation einer Bauelemente-Montagevorrichtung ist mit einer stationären Halterung oder für die temporäre Aufnahme einer Halterung ausgebildet, die eine Kalibrierplatte aufnimmt und festhält. Die Kalibrierplatte ist ein hochstabiler Träger mit extrem lagegenau definierten Kalibrierpositionen, die zweidimensional über die ganze Kalibrierplatte verteilt angeordnet sind, insbesondere in Reihen und Kolonnen. Die Kalibrierplatte und die Testchips bestehen vorzugsweise aus Glas, da Glas durchsichtig ist und für diese Anwendung ausgezeichnete mechanische und optische Eigenschaften besitzt.
  • Die Halterung ist mit Vorteil eingerichtet, die Kalibrierplatte und den/die Testchip(s) vorübergehend festzuhalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Kalibrierposition der Kalibrierplatte mit einer Bohrung ausgebildet, die mit Vakuum beaufschlagbar ist, um den/die Testchip(s) mit Vakuum zu fixieren. Das Vakuum wird von einer Vakuumquelle geliefert. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Halterung und/oder die Kalibrierplatte und die Testchips mit Magneten und fakultativ ferromagnetischen Elementen versehen, so dass magnetische Kräfte die Haftung des/der Testchip(s) an der Kalibrierplatte bewirken.
  • Die 1 zeigt in Aufsicht eine für die Kalibrierung der Bauelemente-Montagevorrichtung geeignete Kalibrierplatte 1, hier eine Glasplatte. Die gezeigte Kalibrierplatte 1 enthält eine Vielzahl von in Reihen und Kolonnen angeordneten Kalibrierpositionen 2. Die 2 zeigt eine solche Kalibrierposition 2 der Kalibrierplatte 1 in vergrösserter Darstellung. Jede Kalibrierposition 2 enthält erste optische Markierungen 3. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält zudem jede Kalibrierposition 2 eine durch die Kalibrierplatte 1 hindurchgehende Bohrung 4, um den/die Testchip(s) mit Vakuum festzuhalten. Die Bohrung 4 ist bevorzugt im Zentrum der jeweiligen Kalibrierposition 2 angeordnet.
  • Die 3 zeigt einen Testchip 5. Der Testchip 5 ist optisch transparent und enthält diverse zweite optische Markierungen 6. Der Testchip 5 besteht vorzugsweise aus Glas.
  • Die ersten optischen Markierungen 3 der Kalibrierplatte 1 und die zweiten optischen Markierungen 6 des Testchips 5 sind vorzugsweise Strukturen aus Chrom und damit optisch nicht transparent.
  • Die auf der Kalibrierplatte 1 angebrachten ersten optischen Markierungen 3 und die auf dem Testchip 5 angebrachten zweiten optischen Markierungen 6 enthalten beispielsweise je fünf Ringe 7 bzw. 8, wobei der Durchmesser der Ringe 7 der Kalibrierplatte 1 verschieden von dem Durchmesser der Ringe 8 des Testchips 5 ist. Der gegenseitige Abstand des Zentrums der Ringe ist bei der Kalibrierplatte 1 der gleiche wie beim Testchip 5, so dass bei korrekter Platzierung des Testchips 5 auf der Kalibrierposition 2 die Ringe 7 der Kalibrierplatte 1 konzentrisch zu den Ringen 8 des Testchips 5 verlaufen und zu diesen beabstandet und damit optisch unterscheidbar sind. Die ersten optischen Markierungen 3 und die zweiten optischen Markierungen 6 können zusätzlich - wie dargestellt - Skalen bzw. Noniusse umfassen.
  • Die 4 und 5 zeigen in Aufsicht und im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel einer Halterung 9, die erfindungsgemäss ausgebildet ist, erstens die Kalibrierplatte 1 mit Vakuum festzuhalten und zweitens die Bohrungen 4 der Kalibrierplatte 1 mit Vakuum zu beaufschlagen. Die Halterung 9 weist eine ebene Fläche 10 auf, auf die die Kalibrierplatte 1 auflegbar ist. Die ebene Fläche 10 kann einen hervorstehenden umlaufenden Rand haben. Die Fläche 10 ist mit ersten Bohrungen 12 versehen, die in eine erste, unterhalb der Fläche 10 angeordnete, mit Vakuum beaufschlagbare Kammer 11 münden. Die ersten Bohrungen 12 sind so angeordnet, dass sie mit den Bohrungen 4 der Kalibrierplatte 1 fluchten, so dass die auf der Kalibrierplatte 1 abgesetzten Testchips mit Vakuum festgehalten werden. Die Fläche 10 enthält zudem zweite Bohrungen 13, die in eine zweite mit Vakuum beaufschlagbare Kammer oder Nut der Halterung 9 münden, um die Kalibrierplatte 1 ebenfalls mit Vakuum an der Halterung 9 zu fixieren. Die erste Kammer 11 kann auch in mehrere einzelne Kammern unterteilt sein, die separat mit Vakuum beaufschlagbar sind. Mit einer solchen Unterteilung ist es möglich, den Vakuumverbrauch bei Bedarf zu reduzieren.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel besteht die Halterung nur aus Positionsstiften, die vorzugsweise permanent an der Bondstation angebracht sind. Das Einlegen der Halterung für die Kalibrierung und später wieder entfernen entfällt in diesem Fall. Die Positionsstifte könnten alternativ temporär für die Kalibrierung in die Bondstation eingesteckt und nach der Kalibrierung wieder entfernt werden. Eine solche Halterung kann die Kalibrierplatte nicht festhalten, sondern nur positionieren, und da sie nur aus Positionsstiften besteht, weist sie auch keine ebene Fläche auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden weder die Halterung noch die Testchips mit Vakuum festgehalten.
  • Die 6 zeigt schematisch die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen Teile einer Bauelemente-Montagevorrichtung. Die Bondstation 17 der Bauelemente-Montagevorrichtung umfasst ein Pick und Place System mit wenigstens einem Bondkopf 14, der die Bauelemente auf einem Substrat platziert. Als Substrat kommen verschiedenartige Substrate zur Anwendung. Die Substrate werden von einer Transportvorrichtung zur Bondstation 17 hin und von der Bondstation 17 weg transportiert. Die Halterung 9 ist in der Bondstation 17 angeordnet. Die Halterung 9 ist bevorzugt auswechselbar befestigt, da sie typischerweise nur für die Kalibrierung der Bauelemente-Montagevorrichtung benötigt wird. Die Bauelemente-Montagevorrichtung umfasst eine erste Kamera 15 und eine zweite Kamera 16, sowie Bildverarbeitungshardware und -software. Die erste Kamera 15 dient dazu, im Montagebetrieb die Abweichung der Ist-Lage des vom Bondkopf 14 aufgenommenen Bauelements von seiner Soll-Lage bzw. während der Kalibrierung die Abweichung der Ist-Lage des vom Bondkopf 14 aufgenommenen Testchips 5 von seiner Soll-Lage zu bestimmen. Die zweite Kamera 16 dient einerseits dazu, im Montagebetrieb die globalen Substratpositionsdaten, die die Lage und Orientierung des Substrats charakterisieren, zu bestimmen und andererseits während der Kalibrierung dazu, die Abweichung der Ist-Lage des auf der Kalibrierplatte 1 abgesetzten Testchips 5 von seiner Soll-Lage zu bestimmen. Es gibt Bauelemente-Montagevorrichtungen, bei denen die zweite Kamera 16 an einer festen Stelle oder verschiebbar an der Bondstation 17 befestigt ist, und es gibt Bauelemente-Montagevorrichtungen, bei denen die zweite Kamera 16 am Bondkopf 14 befestigt ist. Die erste Kamera 15 befindet sich unterhalb des Fahrwegs des Bondkopfs 14 und sieht das Bauelement bzw. den Testchip 5 von unten. Die zweite Kamera 16 befindet sich oberhalb der Halterung 9, so dass das Substrat bzw. die Kalibrierplatte 1 in ihrem Blickfeld ist. Die Halterung 9 ist vorzugsweise schwarz, damit sie in den Bildern der zweiten Kamera 16 nur als schwarzer Hintergrund erscheint und damit die Bildverarbeitung nicht beeinflusst.
  • In der 6 sind die Halterung 9, die Kalibrierplatte 1 und ein Testchip 5 dargestellt, die während der Kalibrierung benutzt werden. Im regulären Montagebetrieb befindet sich das Substrat an der Position der Kalibrierplatte 1 und ein Bauelement an der Position des Testchips 5.
  • Das Verfahren für die Kalibrierung der Bauelemente-Montagevorrichtung benutzt die oben erwähnten Mittel - Kalibrierplatte 1, Halterung 9 für die Kalibrierplatte 1, sowie Bondkopf 14, Kameras 15, 16 und die Bildverarbeitungshardware und -software und umfasst folgende Schritte:
    1. A) Positionieren der Kalibrierplatte 1 in der Halterung der Bondstation 17 und/oder Fixieren der Kalibrierplatte 1 an der Halterung 9 der Bondstation 17;
    2. B) Durchführen der folgenden Schritte C bis I für eine Anzahl von auf der Kalibrierplatte 1 vorhandenen Kalibrierpositionen 2:
    3. C) mit dem Bondkopf 14 Aufnehmen eines Testchips 5,
    4. D) mit der ersten Kamera 15 Aufnehmen eines Bildes des vom Bondkopf 14 gehaltenen Testchips 5 und Bestimmen der Abweichung der Ist-Lage des Testchips 5 von seiner Soll-Lage,
    5. E) Berechnen der vom Bondkopf 14 für die Platzierung des Testchips 5 an der Kalibrierposition 2 anzufahrenden Position,
    6. F) Fahren des Bondkopfs 14 an die berechnete Position und Absetzen des Testchips 5 auf der Kalibrierplatte 1,
    7. G) mit der zweiten Kamera 16 Aufnehmen eines Bildes des auf der Kalibrierplatte 1 abgesetzten Testchips 5,
    8. H) Ermitteln eines Differenzvektors v, der eine Abweichung der Ist-Lage des Testchips 5 von seiner Soll-Lage beschreibt.
  • Nachdem alle oder einzelne der Schritte C bis H einmal oder mehrmals durchgeführt worden sind, sind zu jeder Kalibrierposition ein oder mehrere Differenzvektoren vorhanden. Es folgt deshalb noch der Schritt:
    • I) Zuordnen von Korrekturdaten, die auf wenigstens einem Differenzvektor v beruhen, zu der Kalibrierposition.
  • Die Korrekturdaten von jeder Kalibrierposition enthalten beispielsweise alle oder nur einige nach bestimmten Kriterien ausgewählte Differenzvektoren v, oder die Korrekturdaten können alternativ einen Korrekturvektor enthalten, der aus allen oder einigen ausgewählten Differenzvektoren v berechnet wurde.
  • Die im Schritt E vom Bondkopf 14 anzufahrende Position wird berechnet anhand der Ist-Lage der ausgewählten Kalibrierposition und der im Schritt D ermittelten Abweichung der Ist-Lage des Testchips 5 von seiner Soll-Lage. Die Ist-Lage der ausgewählten Kalibrierposition 2 kann entweder anhand von globalen Markierungen, die beispielsweise im Randbereich der Kalibrierplatte 1 angeordnet sind, oder von lokalen Markierungen, die im Bereich der ausgewählten Kalibrierposition 2 angeordnet sind, ermittelt werden. Im zweiten Fall kann zwischen den beiden Schritten D und E der folgende Schritt durchgeführt werden: mit der zweiten Kamera 16 Aufnehmen eines Bildes der ausgewählten Kalibrierposition 2 und Bestimmen der Ist-Lage der ausgewählten Kalibrierposition 2.
  • Die 7 zeigt ein von der Kamera 15 aufgenommenes Bild eines an der ausgewählten Kalibrierposition 2 der Kalibrierplatte 1 platzierten Testchips 5. In dem Bild sind sowohl die ersten optischen Markierungen 3 der Kalibrierplatte 1 als auch die zweiten optischen Markierungen 6 des Testchips 5 sichtbar. Die Bildverarbeitungshardware- und software der Bauelemente-Montagevorrichtung ist eingerichtet, die Ist-Lage der optischen Markierungen 6 des Testchips 5 relativ zur Ist-Lage der optischen Markierungen 3 der Kalibrierplatte 1 zu ermitteln und daraus die Abweichung der Ist-Lage des Testchips 5 von seiner Soll-Lage zu bestimmen.
  • Das Fixieren der Kalibrierplatte 1 an der Bondstation 17 erfolgt dadurch, dass die genannte Halterung 9 an der vorgesehenen Stelle eingesetzt und die Kalibrierplatte 1 auf die Halterung 9 aufgelegt und mit Vakuum oder magnetisch fixiert wird.
  • Das Bestimmen der Ist-Lage des Testchips 5 bzw. der Kalibrierposition 2 bzw. das Ermitteln der Abweichung der Ist-Lage des Testchips 5 von seiner Soll-Lage aus dem jeweiligen Bild erfolgt mittels der Bildverarbeitungshardware und -software der Bauelemente-Montagevorrichtung.
  • Weil der Testchip 5 durchsichtig ist, sind in dem von der zweiten Kamera 16 aufgenommenen Bild sowohl die optischen Markierungen 6 des Testchips 5 als auch die optischen Markierungen 3 der darunterliegenden Kalibrierposition 2 sichtbar.
  • Wenn die Halterung 9 mit einer einzigen ersten Kammer 11 ausgebildet ist, dann werden zu Beginn des Testverfahrens selbstverständlich die Bohrungen 12 aller Kalibrierpositionen 2 mit Vakuum beaufschlagt. Wenn die Halterung 9 mit mehreren Kammern ausgebildet ist, dann wird jeweils eine Kammer nach der andern mit Vakuum beaufschlagt und ein Testchip 5 auf den der mit Vakuum beaufschlagten Kammer zugeordneten Kalibrierposition platziert. Es kann ein einziger Testchip 5 verwendet werden. In diesem Fall platziert der Bondkopf 14 diesen Testchip 5 entsprechend dem oben angegebenen Verfahren nacheinander auf jeder der ausgewählten Kalibrierpositionen 2 der Kalibrierplatte 1. Die verwendete Anzahl der Kalibrierpositionen 2 kann alle Kalibrierpositionen 2 der Kalibrierplatte 1 oder auch nur einige ausgewählte Kalibrierpositionen 2 der Kalibrierplatte 1 umfassen. Der Testchip bzw. die Testchips 5 können auch mehrmals auf den ausgewählten oder allen Kalibrierpositionen 2 platziert werden.
  • Im normalen Arbeitsbetrieb der Bauelemente-Montagevorrichtung können nun Bauelemente mit hoher Lagegenauigkeit auf den Substratplätzen eines Substrats platziert werden, nämlich mit den Schritten
    • A2) Transportieren des Substrats zur Bondstation 17 und Fixieren des Substrats an der Bondstation 17;
    • B2) Bestimmen von globalen Substratpositionsdaten;
    • C2) und Montage von einem Bauelement nach dem andern auf einem Montageplatz des Substrats nach dem andern durch die Schritte D2 bis H2:
    • D2) mit dem Bondkopf 14 oder einem der Bondköpfe Aufnehmen eines Bauelements von einer Zuführeinheit;
    • E2) mit der ersten Kamera 15 Aufnehmen eines Bildes des vom Bondkopf 14 gehaltenen Bauelements und Bestimmen der Abweichung der Ist-Lage des Bauelements von seiner Soll-Lage,
    • F2) Berechnen der Ist-Lage des Montageplatzes anhand der globalen Substratpositionsdaten;
    • G2) Berechnen der mit dem Bondkopf 14 anzufahrenden Position; und
    • H2) Bewegen des Bondkopfs 14 an die berechnete Position und Absetzen des Bauelements auf dem Substrat.
  • Die globalen Substratpositionsdaten charakterisieren die Lage und Orientierung des Substrats und damit auch die Lage und Orientierung der Montageplätze. Die Bestimmung der globalen Substratpositionsdaten im Schritt B2 erfolgt entweder anhand von am Rand des Substrats angebrachten Substratmarkierungen oder, falls das Substrat keine Substratmarkierungen aufweist, anhand besonderer, globaler Merkmale des Substrats. Wenn das Substrat ein Wafer ist, dann werden beispielsweise globale Merkmale wie „flat“ und/oder „notch“ des Wafers dazu verwendet. Für die Bestimmung der globalen Substratpositionsdaten werden mit der zweiten Kamera 16 ein oder mehrere Bilder der Substratmarkierungen bzw. der besonderen Merkmale des Substrats aufgenommen und mit der Bildverarbeitungshardware und -software die Position des Substrats in Bezug auf die Maschinenkoordinaten des Bondkopfs 14 bzw. der Bondköpfe 14 ermittelt.
  • Die Berechnung der Ist-Lage (die auch seine Orientierung einschliesst) des Montageplatzes im Schritt F2 erfolgt basierend auf den globalen Substratpositionsdaten.
  • Die Berechnung der mit dem Bondkopf anzufahrenden Position im Schritt G2 erfolgt anhand der im Schritt E2 ermittelten Abweichung der Ist-Lage des vom Bondkopf aufgenommenen Bauelements von seiner Soll-Lage, der im Schritt F2 berechneten Ist-Lage des Montageplatzes und eines Korrekturvektors, der anhand ausgewählter Kalibrierdaten ermittelt wird. Die Anzahl und Anordnung der Kalibrierpositionen der Kalibrierplatte 1 und die Anzahl und Anordnung der Montageplätze des Substrats sind - abgesehen von möglichen Ausnahmefällen - verschieden voneinander. Die Berechnung des für den Montageplatz zu verwendenden Korrekturvektors erfolgt deshalb mit Vorteil mittels einer Interpolationsmethode, die den zu verwendenden Korrekturvektor anhand ausgewählter Kalibrierdaten berechnet, wobei die ausgewählten Kalibrierdaten eine oder mehrere Kalibrierpositionen, die den aktuellen Montageplatz umgeben, und die Korrekturdaten, die der einen Kalibrierposition bzw. den mehreren Kalibrierpositionen zugeordnet sind, umfassen.
  • Bei einer Bauelemente-Montagevorrichtung, bei der das Substrat von der Transportvorrichtung zur Bondstation 17 transportiert und dort fixiert, dann mit den Bauelementen bestückt und dann aus der Bondstation 17 weg transportiert wird, decken die Kalibrierdaten eine Fläche ab, die so gross wie oder grösser als ein Substrat ist.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch benutzt werden, um die Positionsgenauigkeit bzw. die Gültigkeit der Kalibrierung der Bauelemente-Montagevorrichtung unter Langzeiteffekten wie zum Beispiel Temperaturänderungen, Luftfeuchtigkeitsänderungen, etc. zu testen, da das Absetzen des/der Testchips 5 auf den Kalibrierpositionen 2 während langer Zeiträume, zum Beispiel während einer ganzen Nacht, durchgeführt werden kann, ohne dass manuelle Arbeiten wie zum Beispiel das Reinigen der Kalibrierplatte 1 nötig sind.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren kann für die Bestückung von Substraten jeglicher Grösse angewendet werden, obwohl es für grossflächige Substrate entwickelt worden ist. Das Verfahren kann auch angewendet werden, wenn die Substrate lokale Markierungen enthalten.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Kalibrierung einer Bauelemente-Montagevorrichtung, wobei die Bauelemente-Montagevorrichtung eine Bondstation (17) und wenigstens einen Bondkopf (14) zum Platzieren von Bauelementen auf Montageplätzen eines Substrats, eine erste Kamera (15) und eine zweite Kamera (16) umfasst, wobei die Montage der Bauelemente auf den Montageplätzen des Substrats folgende Schritte umfasst: Transportieren des Substrats zur Bondstation (17) und Fixieren des Substrats; Bestimmen von globalen Substratpositionsdaten, die die Lage und Orientierung des Substrats charakterisieren; und Montage von einem Bauelement nach dem andern auf einem Montageplatz des Substrats nach dem andern durch die folgenden Schritte: mit dem wenigstens einen Bondkopf (14) Aufnehmen eines Bauelements von einer Zuführeinheit; mit der ersten Kamera (15) Aufnehmen eines Bildes des vom Bondkopf (14) gehaltenen Bauelements und Bestimmen der Abweichung der Ist-Lage des Bauelements von seiner Soll-Lage, Berechnen der Ist-Lage des Montageplatzes anhand der globalen Substratpositionsdaten; Berechnen eines für den Montageplatz zu verwendenden Korrekturvektors anhand von ausgewählten Kalibrierdaten; Berechnen der mit dem Bondkopf (14) anzufahrenden Position; und Bewegen des Bondkopfs (14) an die berechnete Position und Absetzen des Bauelements auf dem Substrat; und wobei die Kalibrierung die Ermittlung von Kalibrierdaten mit den folgenden Schritten umfasst: Positionieren einer Kalibrierplatte (1) in einer Halterung (9) der Bondstation (17) und/oder Fixieren einer Kalibrierplatte (1) an einer Halterung (9) der Bondstation (17), wobei die Kalibrierplatte (1) mehrere, zweidimensional über die Kalibrierplatte (1) verteilte und mit ersten optischen Markierungen (3) versehene Kalibrierpositionen (2) aufweist; Durchführen der folgenden Schritte für eine Anzahl von Kalibrierpositionen (2): mit dem Bondkopf (14) Aufnehmen eines Testchips (5), der zweite optische Markierungen (6) aufweist, mit der ersten Kamera (15) Aufnehmen eines Bildes des vom Bondkopf (14) gehaltenen Testchips (5) und Bestimmen der Abweichung der Ist-Lage des Testchips (5) von seiner Soll-Lage, Berechnen der vom Bondkopf (14) für die Platzierung des Testchips (5) an der Kalibrierposition (2) anzufahrenden Position, Fahren des Bondkopfs (14) an die berechnete Position und Absetzen des Testchips (5) auf der Kalibrierplatte (1), mit der zweiten Kamera (16) Aufnehmen eines Bildes des auf der Kalibrierplatte (1) abgesetzten Testchips (5), Ermitteln eines Differenzvektors, der eine Abweichung der Ist-Lage des Testchips (5) von seiner Soll-Lage beschreibt; Zuordnen von Korrekturdaten, die auf wenigstens einem Differenzvektor beruhen, zu der Kalibrierposition, wobei die Kalibrierdaten die verwendeten Kalibrierpositionen und die diesen zugeordneten Korrekturdaten umfassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Montageplätze der Substrate keine Markierungen enthalten.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl und Anordnung der bei der Kalibrierung verwendeten Kalibrierpositionen und die Anzahl und Anordnung der Montageplätze des Substrats verschieden voneinander sind, und dass die Berechnung des für den Montageplatz zu verwendenden Korrekturvektors mittels einer Interpolationsmethode erfolgt, die den zu verwendenden Korrekturvektor anhand ausgewählter Kalibrierdaten berechnet, die eine oder mehrere Kalibrierpositionen, die den aktuellen Montageplatz umgeben, und die Korrekturdaten, die der einen oder den mehreren Kalibrierpositionen zugeordnet sind, umfassen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat während der Montage der Bauelemente fixiert bleibt und dass die Kalibrierdaten eine Fläche abdecken, die so gross wie oder grösser als ein Substrat ist.
DE102019111580.9A 2018-05-28 2019-05-03 Verfahren zur Kalibrierung einer Vorrichtung für die Montage von Bauelementen Withdrawn DE102019111580A1 (de)

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