DE19536005B4

DE19536005B4 - Vorrichtung zum hochgenauen Erfassen und Positionieren von Mikrobauelementen

Info

Publication number: DE19536005B4
Application number: DE19536005A
Authority: DE
Inventors: Matthias Nienhaus; Andrej Wolf; Frank Dr. Michel; Frank Dr. Hainel; Klaus Grohmann; Hubert Vonderhagen
Original assignee: Grohmann Engineering GmbH; Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH; Tesla Automation GmbH
Priority date: 1995-09-28
Filing date: 1995-09-28
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2015-09-29
Also published as: DE19536005A1

Abstract

Vorrichtung zum hochgenauen Erfassen und Positionieren von Elementen mit Abmessungen im Millimeter- und Submillimeterbereich auf einem Substrat, insbesondere von Elementen mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche, wie elektromagnetischen Bauelementen, mit einer Saugeinrichtung, die einen positionierbaren Saugkopf (1) mit Saugdüse (19) aufweist, wobei an der Saugdüse (19) mindestens ein Abstandshalter (2a–c) zum Anlegen an das zu erfassende Element (8) vorgesehen sind und die Anordnung und geometrische Form des Abstandhalters (2a–2c) an die Form und Struktur der Oberfläche des zu erfassenden Elementes (8) angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2a–2c) in der Ebene der Saugdüse (19) verstellbar angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum hochgenauen Erfassen und Positionieren von Elementen mit Abmessungen im Millimeterbereich und Submillimeterbereich auf einem Substrat gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum hochgenauen Handhaben und Anordnen von Plättchen mit Abmessungen im Millimeter- und Submillimeterbereich auf Trägern, insbesondere von Elementen aus Halbleitermaterialien, werden gewöhnlich Manipulatoren mit hoher Positioniergenauigkeit eingesetzt. Zu diesen Manipulatoren gehören Antriebssysteme für die Bewegungsachsen und der Greifer. Die anzuordnenden Plättchen können auf ihrer Oberseite mit einer Oberflächenstrukturierung versehen sein, die sich aus der mikroelektronischen, mikromechanischen oder elektrischen Funktion der Plättchen ergibt. Das Erfassen an der Oberseite ist unzulässig, wenn diese Oberflächenstrukturierung sensibel ist und somit beschädigt werden könnte.
Das aufzubauende bzw. mit den Elementen zu bestückende Gesamtsystem auf dem Träger kann funktionsbedingt neben der hochgenauen auch eine relativ enge Anordnung der einzelnen Plättchen zueinander auf dem Träger erforderlich machen, wobei Abstände zwischen den Plättchen bis zu wenigen Mikrometern einzuhalten sind.
Gewöhnlich wird vor dem Auflegen auf die Rückseite der Plättchen oder auf dem Träger ein Verbindungsmittel aufgebracht. Zu den Verbindungsmitteln zählen z.B. Klebemittel oder Lote, die Aushärtezeiten im Minuten- bis Stundenbereich aufweisen können. Zur Sicherung der Anordnung ist es derzeit üblich, z.B. nach dem Auflegen der Plättchen und vor dem Aushärtevorgang des Verbindungsmittels, zusätzlich lokal begrenzt ein schnell härtendes Verbindungsmittel aufzubringen.
Um die Plättchen neben der lateralen auch in der vertikalen Lage hochgenau zum Träger und/oder zu benachbarten Plättchen anordnen zu können, sind definierte Schichtdicken der Verbindungsmittel zur Fixierung der Plättchen auf dem Träger einzuhalten. Neben dem exakten Auftrag der Verbindungsmittel ist eine Erfassung und Regelung der Ab- oder Aufsetzkräfte der Plättchen erforderlich.

Mit den derzeit üblichen Greifersystemen werden die Plättchen vorwiegend unter Ausnutzung von Vakuumansaugung oder durch mechanisches Greifen von Zuführsystemen entnommen, nachfolgend transportiert, positioniert und auf dem Träger abgelegt. Dabei werden die Plättchen im Vakuum vorwiegend an der Oberseite bzw. an den oberen Kanten und mechanisch vorwiegend an den Außenkanten erfaßt.

Sollen die Plättchen bezüglich der Oberflächenstrukturierung zueinander angeordnet werden, so ist dabei der Einsatz von bildverarbeitenden Systemen bekannt. Diese bildverarbeitenden Systeme gewinnen an Hand von geeignet ausgebildeten Markierungen in der Oberflächenstrukturierung der Plättchen Bewegungsinformationen für das Manipulationssystem. Die Greifer müssen derart ausgelegt sein, daß die Markierungen für das Bildverarbeitungssystem zugänglich sind und daß berührungsempfindliche Bereiche der Oberflächenstrukturierung nicht zerstört werden. Das Manipulationssystem muß derart ausgelegt werden, daß durch das Ablegen die Anordnung vorher angeordneter Plättchen nicht gestört wird.

Verfahren zur mechanisch unterstützten, hochgenauen und dreidimensionalen Anordnung, insbesondere von Plättchen mit zum Teil berührungsempfindlichen Oberflächenstrukturen sind nur in Ansätzen entwickelt.

Aus der DE 37 40 594 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Montieren elektronischer Komponenten aus einem elektronischen Komponentenpack auf einem Träger in Form eines Substrates bekannt. Das Substrat wird dabei auf einen X-Y-Tisch gelegt, während die elektronischen Komponenten in Haltelöchern an ihren Außenkanten durch elastische Elemente positionsgenau gehalten werden. Die Haltelöcher können z.B. Bohrlöcher in einer Halteplatte sein. Eine der elektronischen Komponenten wird über einer Montageposition auf dem Substrat positioniert, und mindestens ein Druckstift wird über dieser elektronischen Komponente positioniert. Dann wird der Druckstift abgesenkt, der dann die eine elektronische Komponente aus ihrem Halteloch herausdrückt, wobei ein unkontrolliertes, die angefahrene genaue Montageposition verfälschendes Bewegen der elektronischen Komponente während des Niederdrückens und der Montage verhindert wird. Der Nachteil dieser Lösung liegt in der Ausrichtung der elektronischen Komponenten über ihre Außenkanten. Der Verlauf der Außenkanten der Plättchen ist durch den Vereinzelungsprozeß der Plättchen starken Schwankungen unterworfen, so daß dieses Verfahren für den Einsatz bei der hochgenauen Handhabung und Anordnung insbesondere von Halbleiterplättchen wenig geeignet ist.

Aus dem gleichen Grund scheiden auch die in DE 38 38 173 A1 und DE 39 11 612 A1 vorgeschlagenen Verfahren zur Bestückung von Leiterplatten aus. Dort wird die genaue Positionierung der elektronischen Bauelemente durch eine mit den Positionen und Formen der Bauelemente entsprechenden Durchbrechungen versehene Lochplatte hindurch angestrebt. Weitere Nachteile der angeführten Verfahren bestehen darin, daß eine zum Montageprozeß zeitgleiche Kontrolle der Anordnung der Plättchen zueinander bezüglich ihrer Oberlächenstrukturierung nicht erfolgt.

Aus der DE 41 21 404 A1 ist eine Vorrichtung zum Erreichen hoher Zuverlässigkeit und Positioniergenauigkeiten beim automatischen Bestücken von SMD Bauteilen bekannt. Dabei handelt es sich im wesentlichen um einen Regelkreis, der die Lage der Bauelemente nach dem Plazieren auf einem Träger automatisch erfaßt und die für eine ordnungsgemäße Positionierung notwendigen Korrekturwerte für nachfolgend zu positionierende Bauelemente bei der Sollposition berücksichtigt. Auch eine nachträgliche Korrektur durch die Verschiebung, Nachbestückung oder den Austausch von falsch plazierten bzw. fehlenden Bauelementen etc. bereits bestückter Träger ist nicht vorgesehen. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß einzelne nicht korrekt positionierte Bauelemente zunächst toleriert werden. Der Regelmechanismus greift erst dann ein, wenn bereits ein Bauteil nicht korrekt positioniert worden ist. Bei sehr engen Sollabständen zwischen den zu positionierenden Bauelementen auf dem Träger bis in Bereiche von wenigen Mikrometern können Kollisionen zwischen zwei Bauelementen bei der Montage nach dieser Methode nicht ausgeschlossen werden. Beschädigungen von Bauelementen, dem Träger und auch des Greifkopfes können hier die Folge solcher Kollisionen sein.

In der Einzelmontage (SMD Technik, Hybridtechnik, Packaging von Einzelhalbleitern wie z.B. Plättchen aus Silizium und Galliumarsenid) ist das Vakuumgreifprinzip Stand der Technik. Dabei werden Vakuumgreifer unterschiedlichster Bauarten eingesetzt. Zum Greifen vorwiegend flächiger ebener Bauteile und Komponenten haben sich Vakuumgreifer mit gummielastischem Saugnapf bewährt, wie sie z.B. in DE 41 27 133 C2 , DE-PS 27 34 012 und EP 0 472 737 A1 beschrieben werden. Unterschiede gibt es hier vor allem in der Ausbildung und Form der Saugnäpfe, dem Anschluß für das Vakuum und eventuell für den Überdruck zum raschen Lösen der Greifverbindung nach dem Absetzen des Greifobjektes. Vakuumgreifer mit in Grenzen an das Greifobjekt anpassbaren ebenen Saugflächen werden in EP 0 295 847 A1 und EP 0 228 033 A1 vorgeschlagen.

Eine andere Gruppe von Vakuumgreifern, wie sie z.B. aus DE 36 42 937 A1 bekannt sind, arbeiten nach dem aus der Strömungsmechanik bekannten Prinzip des hydrodynamischen Paradoxons. Hierdurch wird jede Berührung mit der unter Umständen berührungsempfindlichen Oberfläche des Greifobjektes durch eine Art Luftkissen vermieden. Berührungen zwischen Greifer und Greifobjekt können höchstens an den Seitenflächen der Greifobjekte erfolgen, falls am Greifer entsprechende Anschläge vorgesehen sind. Ein Nachteil dieser Greiferart besteht darin, daß keine präzise Ausrichtung der zu greifenden Objekte in lateraler X-Y-Richtung gewährleistet ist. Eine exakte Positionierung im Bereich von wenigen Mikrometern in Z-Richtung, also senkrecht zum Träger, wobei das jeweilige Greifobjekt kontrolliert in ein Verbindungsmittel abgesetzt werden soll, ist mit diesem Vakuumgreifertyp kaum möglich. Außerdem eignet sich dieses Verfahren nur für flächige, möglichst ebene und nicht zu kleine Objekte, wie Glasplatten, Halbleiter-Wafer, dünne Bleche etc..

Aus der EP 0 360 985 A2 ist eine Vorrichtung zum Handhaben und Ausrichten von elektronischen Komponenten nach dem Vakuumsaugprinzip bekannt, wobei der das Bauelement berührende, ebene, mit einer Saugdüse versehene Saugkopf aus einem für Licht transparenten Material besteht. Die Erkennung der Ist- und Ziel-Position des zu handhabenden Bauteils erfolgt durch den Saugkopf mittels eines Bildverarbeitungssystems und einem angekoppelten Speicher, in dem entsprechende Erkennungsmuster für die unterschiedlichen Bauteile abgelegt sind. Die Ausrichtung der gegriffenen und erkannten elektronischen Bauteile erfolgt sowohl in X- und Y-Richtung, als auch um den Verdrehwinkel θ. Ein Nachteil dieser, wie auch aller anderen zuvor angeführten Vorrichtungen ist das Unvermögen, auch Bauteile bzw. Plättchen mit einer berührungsempfindlichen Oberflächenstrukturierung sicher zu handhaben, ohne eine Beschädigung dieser Plättchen zu vermeiden. Ein Kraftmonitoring zur Feinstausrichtung der elektronischen Komponenten in Z-Richtung ist nicht vorgesehen.

Aus der JP 4-365579 A ist eine Saugvorrichtung zum Erfassung und Positionieren von elektronischen Bauelementen bekannt. Diese Saugvorrichtung weist einen positionierbaren Saugkopf mit einer Saugdüse auf. An der Saugdüse sind Abstandshalter zum Anlegen an das zu erfassende Element vorgesehen, wobei die Anordnung und geometrische Form des Abstandshalters an die Formenstruktur der Oberfläche des zu erfassenden Elementes angepasst sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der unterschiedlich gestaltete Elemente mit einer berührungsempfindlichen Oberflächenstruktur sicher erfasst und positioniert werden können.

Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung dadurch gelöst, dass die Abstandshalter in der Ebene der Saugdüse verstellbar angeordnet sind.

Das zu erfassende Element, das an seiner Oberfläche in der Regel nur in begrenztem Umfang Freiflächen aufweist, wird somit nur an diesen nicht-empfindlichen Oberflächenbereichen erfasst und gehalten. Hierbei sind die Abstandshalter etwas länger ausgebildet als die Höhe der Oberflächenstrukturen des zu erfassenden Elementes, so dass diese nicht mit dem Saugkopf oder dem Düsenkörper der Saugdüse in Berührung kommen.

Um den Saugkopf variabel zu gestalten, sind die Abstandshalter in der Ebene der Saugdüse verstellbar angeordnet. Dies bedeutet, dass die Abstandshalter am Saugkopf so positioniert werden können, dass bei unterschiedlich zu erfassenden Elementen diese immer nur an den unempfindlichen Oberflächenbereichen erfasst werden. Es sind somit keine unterschiedlichen Saugköpfe für verschiedenartige Elemente notwendig, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung universell einsetzbar wird.

Wenn Elemente erfaßt und positioniert werden sollen, deren unempfindliche Bereiche in unterschiedlichen Höhen auf dem zu erfassenden Element angeordnet sind, ist es von Vorteil, wenn die Abstandshalter auch senkrecht zur Ebene der Saugdüse verstellbar angeordnet sind.

Um die Verstellbarkeit in der Ebene zu gewährleisten, sind die Abstandshalter vorzugsweise am freien Ende eines verstellbaren Armes angeordnet. Der Düsenkörper ist zu diesem Zweck vorteilhafterweise geschlitzt, wobei vorzugsweise radiale Schlitze vorgesehen sind, in denen die Arme verschiebbar angeordnet sind. Die Schlitze sind so tief ausgeführt, daß sie die Arme vollständig aufnehmen, so daß lediglich die Abstandshalter gegenüber der Oberfläche des Düsenkörpers vorstehen. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß flexibel auf unterschiedliche Elemente mit unterschiedlichen Strukturen reagiert werden kann, ohne an feststehende Abstandshalter gebunden zu sein. Die radialen Schlitze können sich bis in den Bereich der Saugöffnung und darüber hinaus erstrecken, so daß die Arme und damit die Abstandshalter auch innerhalb des Bereichs der Saugöffnung angeordnet werden können.

Im einfachsten Fall kann der Düsenkörper eine Platte sein, die aus nicht transparentem oder transparentem Material bestehen kann. Der Düsenkörper kann aber auch ein optisches Element, insbesondere eine Linse sein. In diesem Fall kann die Linse wiederum Bestandteil des Objektives der Beobachtungseinrichtung sein, wodurch der gesamte Aufbau von Saugkopf und Beobachtungseinrichtung vereinfacht wird. Die optische Beobachtungseinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform innerhalb des Saugkopfes angeordnet sein oder der Saugkopf ist in der Beobachtungseinrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist im Saugkopf noch eine Beleuchtungseinrichtung angeordnet.

Wenn die Beobachtungseinrichtung außerhalb des Saugkopfes vorgesehen ist, besitzt der Saugkopf vorteilhafterweise gegenüberliegend der Saugdüse eine transparente Deckplatte, so daß der Strahlengang der Beobachtungseinrichtung sowohl durch die Deckplatte als auch durch den Düsenkörper verläuft.

Wenn eine Beobachtung durch den Saugkopf nicht oder nicht vollständig möglich sein sollte, kann die Beobachtungseinrichtung oder eine weitere Beobachtungseinrichtung auch neben dem Saugkopf angeordnet sein, so daß eine seitliche Beobachtung des Elementes und des Saugkopfes und/oder der Abstandshalter möglich ist.

Um das von der Beobachtungseinrichtung erfaßte Bild nicht zu beeinflussen, können die Abstandshalter aus demselben Material wie der Düsenkörper bestehen. Die Abstandshalter können mit Hilfe hochgenauer Fertigungsverfahren hergestellt werden. Dazu können Erodierverfahren, Ätztechniken oder Fräsverfahren zählen. Für bestimmte Ausführungsformen der Abstandshalter erscheint der Einsatz lithografischer Verfahren und eventuell nachfolgender Abformung sinnvoll. Zu den Abformverfahren zählen hierbei Galvanoformung, Kunststoffspritzguß sowie Kunststoffprägung. Durch die Kunststoffabformung lassen sich lithografisch strukturierte Master für die Abstandshalter in großer Stückzahl und Präzision kopieren. Der Düsenkörper kann ebenfalls mit diesen genannten Verfahren hergestellt werden. Derartige Herstellungsverfahren eigenen sich insbesondere auch dann, wenn die Abstandshalter mindestens einen zylindrischen, prismatischen, kegelförmigen, kegelstumpfförmigen, pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfartigen Abschnitt aufweisen, wobei die Abstandshalter an die Gestaltung der unempfindlichen Oberflächenbereiche des zu erfassenden Elementes angepaßt sind.

Die Länge der Abstandshalter ist vorzugsweise an die Saugleistung der Saugeinrichtung angepaßt. Die Haltekraft des Elementes an den Abstandshaltern wird dadurch realisiert, daß an der dem Saugkopf zugewandten Elementseite ein geringerer Luftdruck herrscht als auf der dem Element abgewandten Seite. Dieser Unterdruck wird durch Absaugen der Luft zwischen dem Element und dem Saugkopf durch die Saugöffnung gebildet. Die Saugöffnung wirkt vorteilhaft auf den Elementschwerpunkt und ist in Größe und Form an die Elementgeometrie angepaßt. Die Saugöffnung kann eine runde oder eine n-eckige Gestalt aufweisen, so daß eine Anpassung der durch den Unterdruck bewirkten Haltekraft ermöglicht wird. Um eine Beeinflussung bereits abgesetzter Bauelemente zu vermeiden, sollte die Saugöffnung nicht über die Elementaußenkanten hinausragen.

Zum Aufnehmen der Elemente aus taschenförmigen Magazinen kann es z.B. notwendig sein, die Abstandshalter besonders lang auszuführen. In der Regel sind jedoch die Abstandshalter kleiner als 1 mm.

Aufgrund von kritischen Materialeigenschaften, wie z.B. der Druckfestigkeit der zu handhabenden Elemente, ist es vorteilhaft, die Haltekraft der Elemente an dem Abstandshalter ständig zu überwachen.

Aus der funktionsgebundenen sehr engen Höhentoleranz der Elemente im Bereich weniger Mikrometer und den damit verbundenen Anforderungen an die Konstanz der Verbindungsmitteldicke (Lot, Kleber, etc.) besteht auch die Notwendigkeit der Erfassung der Aufsetzkräfte.

Um diese Forderungen zu erfüllen, weist der Saugkopf vorteilhafterweise eine Saugdruckmeßeinrichtung auf, so daß über diese indirekte Messung die auf das erfaßte Bauelement einwirkende Kraft überwacht werden kann. Eine übermäßige Durchbiegung des erfaßten Elementes oder eine Beschädigung kann dadurch vermieden werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Düsenkörper mindestens einen Dehnungsmeßstreifen als Saugdruckmeßeinrichtung zur Erfassung der Durchbiegung des Düsenkörpers aufweisen.

Bestehen besonders starke Einschränkungen des zur Verfügung stehenden Raumes für das Greiferwerkzeug, kann es notwendig sein, die Abstandshalter unmittelbar am Überwachungsvorgang der Haft- bzw. der Aufsetzkräfte beteiligen zu müssen, d. h. die Übertragung dieser Kräfte auf Drucksensoren vorzunehmen. Dabei können die Abstandshalter sogar in dem Aufbau dieser Drucksensoren integriert sein und somit aktive Funktionen übernehmen.

Eine direkte Messung der Haltekraft und/oder der Aufsetzkraft der Elemente auf dem Substrat kann dadurch erfolgen, dass mindestens ein Abstandshalter zur Messung der Anlagekraft des zu erfassenden Elementes ausgebildet ist. Der Abstandshalter kann unmittelbar und/oder mittelbar als Übertragungselement der Kräfte verwendet werden. Hierzu kann der Abstandshalter oder die als Sensorelemente wirkenden Teile des Abstandshalters aus Halbleitermaterialien, piezoresistivem oder magnetostriktivem Materialien bestehen.

Für die Herstellung der an die Abstandshalter gekoppelten Stensorelemente können die gleichen mikrotechnischen Bearbeitungsverfahren Anwendung finden, wie sie bereits für die Fertigung der Abstandshalter selbst zum Einsatz kommen. Dies macht durch die Möglichkeit des Einhaltens geringster Fertigungstoleranzen im Mikrometer- und Submikrometerbereich eine hervorragende Abstimmung der einzelnen Bauteile aufeinander möglich.

Vorzugsweise ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, in der die Signale der Kraftmessung (Kraftmonitoring), der Beobachtungseinrichtung und der Verstelleinrichtung des Saugkopfes zusammenlaufen. Es wird ein geschlossener Regelkreis gebildet, um den Positioniervorgang des zu handhabenden Elements zu optimieren.

Das Verfahren sieht vor, dass während des Greif-, Transport- und Montagevorgangs die zu erfassenden Elemente beabstandet zu dem Saugkopf gehalten werden, so dass die für das Festhalten des Elementes benötigte Saugluft während des gesamten Vorgangs zwischen Saugkopf und Element vorbeiströmt. Im Gegensatz zu den Verfahren, bei denen nach dem Erfassen des Elementes keine Saugluft in den Saugkopf mehr einströmen kann, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die auf das erfasste Element wirkende Kraft ständig kontrolliert werden kann und dass auch Elemente mit empfindlichen Strukturen gehandhabt werden können. Darüber hinaus bietet das Verfahren den Vorteil, dass Elemente im Abstand von wenigen μm zueinander abgelegt werden können, weil das Element nicht an seinen Kanten gegriffen werden muss.

Zur Gewinnung von Daten für die Bewegung des Saugkopfes während des Greif-, Transport- und Montagevorgangs erfolgt eine Auswertung mit Mitteln der Bildverarbeitung.

Der Auflagedruck des Elementes am Saugkopf wird ständig während des Erfassens, Transportierens und Montierens erfasst, wobei vorteilhafterweise auch während des Absetzvorgangs des Elementes auf dem Substrat die Aufsetzkraft überwacht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
1 einen Saugkopf im vertikalen Schnitt mit einer Beobachtungseinrichtung,
2 eine Draufsicht eines zu erfassenden Elementes und die Unteransicht des in der 1 gezeigten Saugkopfes,
3–5 die Unteransichten von Saugköpfen gemäß dreier Ausführungsformen,
6 und 7 die Unteransicht eines Saugkopfes gemäß einer weiteren Ausführungsform mit verschiebbaren Abstandshaltern in zwei unterschiedlichen Positionen,
8 die Seitenansicht eines Saugkopfes mit kombinierter Beobachtungseinrichtung in Seitenansicht, und
9 eine Bauteildarstellung des Saugkopfes im Schnitt.
In der 1 ist ein Saugkopf 1 im Schnitt dargestellt, der Seitenwände 16, 17, an der Unterseite eine Saugdüse 19 mit Düsenkörper 14 und Saugöffnung 6 sowie an der Oberseite eine Deckplatte 15 aufweist. Der Düsenkörper 14 besteht ebenso aus transparentem Material wie die Deckplatte 15, damit der Strahlengang der über dem Saugkopf 1 angeordneten Beobachtungseinrichtung 7 durch den Saugkopf 1 hindurch erfolgen kann. An der Unterseite des Düsenkörpers 14 sind insgesamt drei Abstandshalter 2a, b, c angeordnet, an der das zu handhabende und zu positionierende Element 8 anliegt. Mittels des Saugkopfes 1, der in alle drei Raumrichtungen verschiebbar und zusätzlich drehbar ist, wobei die hierfür vorgesehenen Antriebseinrichtungen weggelassen wurden, kann das Element 8 auf dem Substrat 9 mit hoher Präzision positioniert werden.
Über den in der Seitenwand 17 befindlichen Vakuumanschluß 4, wird die Unterdruckkammer 3 des Saugkopfes 1 mit einem Unterdruck beaufschlagt, so daß Luft über die Saugöffnung 6 angesaugt wird. Das Druckgefälle zwischen der Unterdruckkammer 3 und dem atmosphärischen Umgebungsdruck bewirkt einen Luftstrom in Richtung der Unterdruckkammer 3 vorbei an den Abstandshaltern 2 und durch die Saugöffnung 6 hindurch. Das sich so einstellende Druckprofil zwischen dem Düsenkörper 14 und dem gegriffenen Element 8 bewirkt die erforderliche Kraft zum Halten des Elementes. Die Haltekraft kann über die Einstellung des Unterdrucks in der Unterdruckkammer 3 geregelt werden. Die so erzeugten Haltekräfte können mit an dem Düsenkörper 14 angeordneten Kraftsensoren 5, die die Durchbiegung des Düsenkörpers 14 messen, erfaßt werden.
Die für die Beobachtung des zu erfassenden Elementes 8 erforderliche Beleuchtung ist in den Saugkopf 1 integriert. In der hier gezeigten Ausführungsform besteht die Beleuchtungseinrichtung 11 aus zwei schräg auf die Saugöffnung gerichtete Leuchten. Die für die Beobachtung erforderliche Beleuchtung kann auch mit dem aus der Mikroskopie bekannten Auflichtverfahren durch das Objektiv des Beobachtungssystems hindurch erfolgen.
Mit der Beobachtungseinrichtung 7 erfolgt entweder manuell oder automatisch mittels elektronischer Bildverarbeitung die Erkennung und die Ausrichtung sowohl der Abstandshalter 2a–c zu den in der 2 dargestellten Freiflächen 10a–c des zu erfassenden Elementes 8 als auch die Ausrichtung des zu plazierenden, erfaßten Elementes auf dem Substrat 9 in Relation zu bereits plazierten Elementen oder den Trägerkanten. Die Abstandshalter 2a–c sind in ihrer geometrischen Form, d.h. in Querschnitt und Länge, diesen Freiflächen 10a–c und der Höhe der ggf. berührungsempfindlichen Strukturen auf der Elementoberfläche angepaßt. Beispiele hierfür sind in den 3 bis 5 dargestellt. Die Saugöffnung 6 kann rund (3), rechteckig (4) oder n-eckig (5) ausgebildet sein. Die Abstandshalter 2a–c können zylindrisch, quaderförmig oder zylindrisch mit aufgesetzten Stiften ausgebildet sein. Diese Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und es können andere Anordnungen und Formgebungen gewählt werden.
In der 6 ist ein Saugkopf 1 in Unteransicht dargestellt, wobei die Abstandshalter 2a–2c jeweils am freien Ende eines Armes 12a–12c angeordnet sind. Diese Arme sind in Schlitzen 13a–13c des Düsenkörpers 14 verschiebbar angeordnet. Die radial ausgerichteten Schlitze 13a–13c erstrecken sich bis in den Bereich der Saugöffnung 6 und darüber hinaus, so daß die Abstandshalter auch in diese Bereiche hineingeschoben werden können, wie dies in der 7 dargestellt ist. Aufgrund der radialen Verschiebbarkeit der Abstandshalter 2a–2c ist eine flexible Anpassung an die Freiflächen 10a–c unterschiedlicher Elemente 8 möglich.
In der 8 sind die Abstandshalter 2a–2c an einem Düsenkörper 14 angeordnet, der als Sammellinse ausgebildet ist und der Bestandteil des Objektivs der Beobachtungseinrichtung 7 ist. In der hier gezeigten Ausführungsform ist somit die Unterdruckkammer 3 Bestandteil der Beobachtungseinrichtung 7, so daß eine äußerst kompakte Vorrichtung erzielt wird.
In der 9 sind zwei Abstandshalter 2a, b eingezeichnet, die über ein Federelement 21 am Düsenkörper 14 in vertikaler Richtung verschiebbar gelagert sind. Auf der Innenseite des Düsenkörpers 14 befindet sich jeweils ein Kraftsensor 5, an dem ein stiftförmiger Abschnitt 20 des Abstandshalters 2a, b angreift, wenn das Element 8 angesaugt und somit auf den Abstandshalter 2a, b drückt. Beim Aufsetzen des Elements 8 auf dem Substrat 9 wird der Abstandshalter 2a, b noch weiter in Richtung Düsenkörper 14 verschoben, so daß auch die Aufsetzkraft gemessen werden kann. Der Kraftsensor ist an eine nicht dargestellte Auswertungseinrichtung angeschlossen.

1: Saugkopf
2a, b, c: Abstandshalter
3: Unterdruckkammer
4: Vakuumanschluß
5: Kraftsensor
6: Saugöffnung
7: Beobachtungseinrichtung
8: Element
9: Substrat
10: Freifläche
11: Beleuchtungseinrichtung
12a, b, c: Arm
13a, b, c: Schlitz
14: Düsenkörper
15: Deckplatte
16: Seitenwand
17: Seitenwand
18: Objektiv
19: Saugdüse
20: stiftförmiger Abschnitt
21: Federelement

Claims

Vorrichtung zum hochgenauen Erfassen und Positionieren von Elementen mit Abmessungen im Millimeter- und Submillimeterbereich auf einem Substrat, insbesondere von Elementen mit einer berührungsempfindlichen Oberfläche, wie elektromagnetischen Bauelementen, mit einer Saugeinrichtung, die einen positionierbaren Saugkopf (1) mit Saugdüse (19) aufweist, wobei an der Saugdüse (19) mindestens ein Abstandshalter (2a–c) zum Anlegen an das zu erfassende Element (8) vorgesehen sind und die Anordnung und geometrische Form des Abstandhalters (2a–2c) an die Form und Struktur der Oberfläche des zu erfassenden Elementes (8) angepasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2a–2c) in der Ebene der Saugdüse (19) verstellbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass drei Abstandshalter (2a–2c) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2a–2c) senkrecht zur Ebene der Saugdüse (19) verstellbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (2a–c) am freien Ende eines verstellbaren Armes (12a–c) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugdüse (19) einen Düsenkörper (14) mit mindestens einer Saugöffnung (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugdüse (19) einen transparenten Düsenkörper (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungseinrichtung (7) derart angeordnet ist, dass der Strahlengang durch die transparente Saugdüse (19) verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (14) radiale Schlitze (13a–c) aufweist, in denen die Arme (12a–c) verschiebbar angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die radialen Schlitze (13a–c) bis in den Bereich der Saugöffnung (6) und darüber hinaus erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugöffnung (6) eine runde oder n-eckige Gestalt besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (14) eine Platte ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (14) ein optisches Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (14) eine Linse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse ein Bestandteil des Objektivs (18) der Beobachtungseinrichtung (7) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Beobachtungseinrichtung (7) innerhalb des Saugkopfes (1) oder der Saugkopf (1) innerhalb der Beobachtungseinrichtung (7) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugkopf (1) eine der Saugdüse (19) gegenüberliegend angeordnete transparente Deckplatte (15) aufweist und dass die optische Beobachtungseinrichtung (7) oberhalb der Deckplatte (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Abstandshalter (2a–c) aus demselben Material wie der Düsenkörper (14) bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Abstandshalter (2a–c) an die Saugleistung der Saugeinrichtung angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abstandshalter (2a–c) mindestens einen zylindrischen, prismatischen, kegelförmigen, kegelstumpfförmigen, pyramidenförmigen oder pyramidenstumpfförmigen Abschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugkopf (1) eine Saugdruckmesseinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (14) als Saugdruckmesseinrichtung mindestens einen Kraftsensor (5) zur Erfassung der Durchbiegung des Düsenkörpers (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abstandshalter (2a–c) zur Messung der Anlagekraft des zu erfassenden Elementes (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abstandshalter (2a–c) oder ein Teil des Abstandshalters ein Halbleitermaterial, piezoresistives oder magnetostriktives Material aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Saugkopf (1) eine Beleuchtungseinrichtung (11) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, in der die Signale der Beobachtungseinrichtung (7), des Kraftmonitoring und der Verstelleinrichtung des Saugkopfes (1) zusammenlaufen.