KR102080447B1 - 배치 장치의 배치 헤드를 위한 기구학적 유지 시스템 - Google Patents

배치 장치의 배치 헤드를 위한 기구학적 유지 시스템 Download PDF

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Abstract

배치 장치의 배치 헤드(2)를 위한 기구학적 유지 시스템은 배치 헤드 지지체(1)와 배치 헤드(2) 사이에 조인트(4, 4')로부터 거리를 두고 배치되는 적어도 하나의 가변-길이 유지 부재를 포함하는 배치 헤드 정렬 장치를 포함한다. 이러한 유지 부재는 배치 헤드 지지체(1)에 대한 배치 헤드(2)의 선회 위치를 결정한다. 유지 부재의 길이는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형에 의해 유발되는 배치 헤드(2)의 축 오차(경사)가 보상되도록 기판(3)에 대한 배치 헤드(2)의 가압력에 의해 유발되는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형에 따라 배치 작업 중 변화가능하다.

Description

배치 장치의 배치 헤드를 위한 기구학적 유지 시스템{KINEMATIC HOLDING SYSTEM FOR A PLACEMENT HEAD OF A PLACEMENT APPARATUS}
본 발명은 특히 반도체 산업에서 전자 또는 광학 구성요소를 기판상에 실장하기 위한 배치 장치의 배치 헤드를 위한 기구학적 유지 시스템에 관한 것이다.
반도체 산업에서 배치 장치는 높은 정확도와 높은 처리율로 작동할 필요가 있다. 그러한 배치 장치에 대한 일례는 반도체 칩 형태의 구성요소를 리드 프레임과 같은 기판상에 배치하고 본딩하는 다이-본더 또는 픽 앤드 플레이스(pick-and-place) 기계이다. 구성요소는 취출 스테이션에서 배치 헤드에 의해, 특히 흡인에 의해 수용되고, 배치 장치의 XYZ 취급 시스템을 통해 기판 위의 배치 지점으로 이동되며, 이어서 기판상의 정확하게 규정된 위치에 배치된다. 배치 헤드는 배치 헤드 지지체에 고정되고, 상기 지지체를 통해 XYZ 취급 시스템에 결합된다. Z 방향은 보통 수직 방향에 해당하는 반면, XY 평면은 수평면을 형성한다.
XY 평면 내에서의 구성요소의 고도로 정확한 배치에 더하여, 구성요소가 또한 기판상에 평면-평행 방식으로 배치되는 것이 또한 매우 중요하다. 구성요소의 경사진 배치는 감소된 유지력, 악화되거나 누락된 전기 접점, 구성요소와 기판 사이의 불균일한 열 전달, 또는 구성요소의 손상과 같은 바람직하지 않은 특성을 초래할 수 있다.
배치 공정 중, 구성요소가 기판상으로 가압될 때, 결코 작지 않은 생성된 가압력으로 인해 반력이 생성될 것이고, 이러한 반력이 배치 헤드 가이드 장치, 즉 배치 헤드 지지체 및/또는 XYZ 취급 시스템의 변형을 초래할 수 있는 것이 심각한 문제이다. 배치 헤드 지지체에 견고하게 연결되는 배치 헤드에서, 이러한 변형은 배치 헤드의 경사짐을 초래하며, 따라서 기판의 표면에 대한 구성요소의 각각의 경사진 위치를 생성하는 축 오차["경사(tilt)"]와 또한 XY 평면 내에서의 구성요소의 바람직하지 않은 편위(offset)를 초래한다.
종래 기술에서 발생하는 그러한 변형이 도 2에 개략적으로 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같은 비적재 위치로부터 시작하여, 배치 헤드 지지체(1)와 함께 배치 헤드(2)의 변형-유발 경사짐에 의해 초래되는 축방향 또는 경사 오차가 "경사"로 표기된다. 도시되지 않은 구성요소가 그것 상에 유지되는 배치 헤드(2)의 기저부 단부에서 추가적으로 발생하는 측방향 편위가 "a"로 표기된다. "F"는 배치 헤드(2)에 작용하는 반력을 나타내며, 이러한 반력은 배치 헤드(2)가 기판(3) 상으로 수직하게 가압될 때 가압력에 의해 생성된다.
이러한 바람직하지 않은 축 오차를 회피하기 위해 배치 헤드 지지체를 최대한 강성으로 제조하는 것이 알려져 있다. 경량 구성의 최적화된 기술에도 불구하고, 이는 필연적으로 또한 비교적 큰 질량을 초래한다. 둔중한(massive) 구성으로 인해, 주어진 구동력에서 배치 장치의 처리율이 상당히 감소할 것이다. 또한, 배치 헤드 지지체의 매우 둔중한 배열의 경우에도, 배치 헤드가 이것이 기판상으로 가압될 때 구성요소를 수용하는 그 팁에서 항상 약간 휘어지는 것이 결코 완전히 방지될 수 없다.
배치 헤드 지지체를 대칭 방식으로 배치하는 것이 다른 알려진 접근법이다. 이러한 대칭 배열의 경우에, 배치 헤드는 양측에서 균일하게 지지될 것이다. 이것이 가압력에 의해 초래되는 배치 헤드의 경사짐을 방지하지만, 배치 장치, 특히 배치 헤드 지지체 및 배치 헤드의 배열이 그 설계에 관해 매우 강하게 제한될 것이다. 이는 기계 설계시 감소된 접근 용이성과 복잡한 또는 많은 수의 구성요소 같은 단점을 초래한다.
배치 헤드 유지 시스템이 WO 2008/052594 A1으로부터 알려져 있다. 배치 헤드는 공기 베어링을 포함하는 슬라이딩 조인트에 의해 공구 홀더에 경사가능하게 고정된다. 배치 헤드의 경사진 위치의 보상은 배치 헤드가 해제된 공기 베어링과 함께 구성요소 없이 기판상에 배치되도록 일어나며, 여기에서 배치 헤드는 배치 헤드의 기저부 면이 기판 표면에 평행하도록 배치 헤드 지지체에 대해 자동으로 정렬될 것이다. 이어서, 공기 베어링이 로킹되고, 배치 헤드가 기판으로부터 들어 올려진다. 배치 헤드 지지체에 대한 배치 헤드의 조절된 경사 각도가 이러한 공정에서 유지되고, 후속 배치 공정을 위해 사용된다. 또한, 조절 장치가 단지 상징적인 방식으로 나타내어지며, 이러한 조절 장치에 의해, 특정 경사 위치가 기판에 대한 가압 없이 설정되도록 의도될 때 배치 헤드의 위치 설정이 활성화된 공기 베어링으로 가능하다. 따라서, WO 2008/052594 A1은 단지 실제 배치 공정 전 수행되는 배치 헤드의 사전 설정에 관한 것이다. 배치 공정 중 배치 헤드의 축 오차의 연속적인 보상은 이러한 알려진 유지 시스템으로는 가능하지 않다.
따라서, 본 발명은 배치 헤드 가이드 장치를 특히 강성 방식으로 배치할 필요 없이, 심지어 비대칭 배치 헤드 지지체로도, 구성요소를 기판상에 높은 배치력과 높은 처리율로 매우 정확하게 평면-평행하게 배치할 수 있게 하는 배치 헤드를 위한 유지 시스템을 제공하는데 목적을 두고 있다.
본 발명에 따른 유지 시스템에서, 배치 헤드 정렬 장치는 배치 헤드 지지체와 배치 헤드 사이에 조인트로부터 거리를 두고 배치되는 그리고 배치 헤드 지지체에 대한 배치 헤드의 선회 위치를 결정하는 그리고 그 길이가 배치 헤드 가이드 장치의 변형에 의해 유발되는 배치 헤드의 축 오차가 보상되도록 기판에 대한 배치 헤드의 가압력에 의해 유발되는 배치 헤드 가이드 장치의 변형에 따라 배치 작업 중 변화가능한 적어도 하나의 가변-길이 유지 부재를 포함한다.
따라서, 특허청구범위 제1항에 따른 본 발명에 따른 유지 시스템에 대한 특징은 가변-길이 유지 부재가 제공되는 것이며, 여기에서 유지 부재는 그 길이 변화로 인해, 배치 헤드가 그것을 통해 배치 헤드 지지체 상에 지지되는 조인트를 중심으로 배치 헤드 지지체 대한 배치 헤드의 선회 운동을 생성한다. 가변-길이 유지 부재는 스프링 형태의 수동 요소 또는 이동-제어식(travel-controlled) 또는 힘-제어식(force-controlled) 액추에이터 형태의 능동 요소에 관련될 수 있다.
이는 배치 헤드의 경사, 즉 기울어진 위치를 배치 작업 중 연속적인 방식으로 배치 헤드 가이드 장치, 즉 XYZ 취급 시스템 및/또는 배치 헤드 지지체의 임의의 변형에 맞추는 것을 허용한다. 따라서, 배치 오차의 최소화와 함께 높은 강성의 동시 회피를 가능하게 하는 배치 헤드를 위한 기구학적 유지 장치가 생성된다. 따라서, 본 발명은 질량의 뚜렷한 감소의 달성을 허용하며, 이에 의해 배치 처리율이 동일한 구동력과 함께 상당히 증가될 것이다.
유리한 실시 형태에 따르면, 가변-길이 유지 부재는 배치 헤드의 종축에 평행하게 배치되는 종축을 가지며, 여기에서 유지 부재와 조인트는 특히 배치 헤드의 종축의 대향측들에 배치된다. 그 결과, 기판에 대한 구성요소의 가압 중 생성되는 반력이 배치 헤드로부터 조인트 및 가변-길이 유지 부재 둘 모두를 통해 배치 헤드 지지체 상으로 간단한 방식으로 전달될 수 있다. 이어서 유지 부재의 길이가 배치 헤드 가이드 장치의 임의의 변형 중 배치 헤드의 원하는 축방향 위치가 또한 유지되도록, 특히 스프링에 의해 수동 방식으로 또는 액추에이터에 의해 능동 방식으로 조인트의 변형-유발 변위에 따라 조절될 것이다.
주로 가변-길이 유지 부재의 종축이 배치 헤드의 종축에 대해 0°와 90° 사이의 임의의 각도로, 특히 또한 가로질러, 즉 90°로 배치될 수 있다.
유리한 실시 형태에 따르면, 배치 헤드 정렬 장치는 조인트를 통해 배치 헤드 및 배치 헤드 지지체 둘 모두에 연결되는 그리고 배치 헤드를 배치 헤드 지지체에 대해 사전결정된 가변 위치에서 유지시키는 복수의 조인트 로드를 포함하며, 여기에서 조인트 로드의 상대 위치는 배치 헤드의 변형-유발 축 오차가 보상되도록 가변-길이 유지 부재에 의해 변화가능하다.
유리한 실시 형태에 따르면, 가변 길이 유지 부재는 배치 헤드 지지체와 배치 헤드 사이에서 가압력이 배치 헤드 지지체로부터 한편으로는 조인트에 의해 그리고 다른 한편으로는 스프링을 통해 배치 헤드로 전달되도록 배치되는 스프링 형태의 수동 요소로 구성되며, 여기에서 가압력에 의해 생성되는 반력이 스프링의 길이의 변화를 생성한다. 이러한 길이의 변화는 배치 헤드 가이드 장치의 변형의 경우에도 배치 공정 중 기판에 대한 배치 헤드의 각도 위치가 유지되도록 조인트의 변형-유발 변위에 맞추어진다.
대안적으로, 가변-길이 유지 부재는 또한 이동-제어식 또는 힘-제어식 액추에이터, 특히 전기 직접 구동 장치(electric direct drive), 음성 코일 또는 피에조 구동 장치(piezo drive)로 구성될 수 있다. 스테퍼 모터, DC 모터 또는 서보모터가 특히 전기 직접 구동 장치로서 고려될 수 있다.
불충분한 힘 효과의 경우에, 액추에이터가 배치 헤드의 축방향 위치에 작용하도록 하는 레버 장치 형태의 또는 기어 형태의 변속기가 제공될 수 있다. 스핀들 구동 장치가 특히 기어로서 고려될 수 있다.
배치 헤드 정렬 장치는 바람직하게는 배치 헤드 지지체에 대한 배치 헤드의 상대 운동을 차단하기 위한 운동 차단 장치를 포함한다. 배치 헤드가 급속히 변위, 가속 및 제동될 때 배치 헤드 지지체에 대한 배치 헤드의 제어되지 않은 자유로운 운동이 이러한 방식으로 방지될 수 있다. 그러한 운동의 차단은 액추에이터가 로킹가능한 액추에이터로서 구성되도록 적절히 형성될 것이다. 또한, 대안으로서, 배치 헤드와 배치 헤드 지지체 사이에 액추에이터에 더하여 로킹 장치를 제공하는 것이 가능하며, 이러한 로킹 장치는 액추에이터로부터 분리된다.
바람직하게는, 배치 헤드는 그 상부 또는 기저부 단부 영역에서 배치 헤드 지지체 상에 진자 방식으로 현수되고, 적어도 하나의 회전 자유도를 갖는 조인트에 의해 Z 방향으로 지지된다. 또한, 이러한 경우에 배치 헤드 지지체에 대한 배치 헤드의 경사를 조절하기 위한 적어도 하나의 가변-길이 유지 부재가 조인트 아래에 또는 위에 제공된다. 따라서, 이러한 경우에 배치 헤드는 1차원 또는 다차원 진자, 특히 2차원 진자로서 배치된다. 조인트는 특히 단축(single-axis) 조인트, 볼-소켓 조인트 또는 유니버설 조인트[카르단 조인트(Cardan joint)로도 알려짐]로서 구성될 수 있다.
바람직하게는, 배치 헤드가 공간에서 다차원 방식으로 선회가능하도록, 상이한 방향으로부터 배치 헤드에 작용하도록 배치되는 복수의 가변-길이 유지 부재가 제공된다. 이는 배치 헤드의 변형-유발 축 오차를 보상하기 위해 공간에서 배치 헤드의 경사의 의도적인 조절을 허용한다.
서두에 언급된 목적은 또한 특허청구범위 제15항에 따른 기구학적 유지 시스템에 의해 달성된다. 이 실시 형태에 따르면, 배치 헤드 정렬 장치는 배치 헤드 지지체에 견고하게 연결되는 적어도 하나의 제1 솔리드 조인트 암 및 배치 헤드에 견고하게 연결되는 그리고 솔리드 조인트에 의해 제1 솔리드 조인트 암에 탄성적으로 연결되는 적어도 하나의 제2 솔리드 조인트 암을 갖춘 적어도 하나의 솔리드 조인트 요소를 포함한다. 제2 솔리드 조인트 암은 배치 헤드 지지체의 변형에 의해 유발되는 배치 헤드의 축 오차가 보상되도록 기판에 대한 배치 헤드의 가압력에 의해 유발되는 배치 헤드 지지체의 변형에 따라 제1 솔리드 조인트 암에 대해 변형가능하다.
바람직하게는, 조인트의 회전축은 가압력에 반응하여 배치 헤드 가이드 장치의 변형이 그것을 중심으로 발생하는 변형 회전축에 대해 배치되되, 조인트의 회전축 및 변형 회전축을 통한 직선이 배치 헤드의 비적재 및 적재 상태에서 변형 회전축(25)이 배치되는 수평면에 대해 -45° 내지 +45°의 각도 범위 내에 배치되도록 배치된다. 이는 축 오차의 보상을 허용할 뿐만 아니라, 구성요소가 XY 평면 내에서 배치 헤드 가이드 장치의 변형에 의해 변위되는 측방향 편위를 최소화시키도록 허용한다. 이러한 측방향 편위의 최소화는 유리한 실시 형태에 따라 조인트의 회전축이 배치 헤드의 비적재 상태에서 변형 회전축 아래에 그리고 최대 배치력 하에서 변형 회전축 위에 놓일 때 특히 효과적일 것이다. 배치력의 절반에서 배치 헤드의 회전축이 배치 헤드 가이드 장치의 회전축과 동일한 높이에 위치되면 특히 유리한데, 왜냐하면 이러한 경우에 측방향 편위가 구성요소의 종단 위치에서 특히 작거나, 또는 그것이 완전히 회피될 수 있기 때문이다.
본 발명에 의하면, 배치 헤드 가이드 장치를 특히 강성 방식으로 배치할 필요 없이, 심지어 비대칭 배치 헤드 지지체로도, 구성요소를 기판상에 높은 배치력과 높은 처리율로 매우 정확하게 평면-평행하게 배치할 수 있게 하는 배치 헤드를 위한 유지 시스템이 제공된다.
본 명세서 내에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 하나 이상의 실시 형태를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리 및 구현을 설명하는 역할을 한다. 도면은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다.
도 1은 종래 기술에 따른, 배치 헤드 지지체에 견고하게 연결된 비적재 위치의 배치 헤드의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2는 기판에 대한 배치 헤드의 가압 중 변형-유발 축 오차를 예시하기 위한 도 1에 따른 예시를 도시한다.
도 3은 회전축의 상대 위치의 표시를 포함하는, 비적재 상태의, 그 주요 구성이 대략적으로 도 16 내지 도 19의 주요 구성에 대응하는, 본 발명에 따른 유지 시스템의 개략적인 예시를 도시한다.
도 4는 최소 측방향 편위를 예시하기 위한 비적재 및 적재 상태의 도 3의 유지 시스템을 도시한다.
도 5는 비적재 상태의 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 배치 헤드 정렬 장치를 포함하는 배치 헤드 지지체 및 배치 헤드의 측면도를 도시한다.
도 6은 기판에 대한 가압 중 도 5의 장치의 측면도를 도시한다.
도 7은 도 5의 장치를 공간적인 묘사로 도시한다.
도 8은 도 6의 장치를 공간적인 묘사로 도시한다.
도 9는 비적재 상태의 본 발명의 제2 실시 형태의 측면도를 도시한다.
도 10은 기판에 대해 가압될 때 도 9의 장치의 측면도를 도시한다.
도 11은 도 9의 장치를 공간적인 묘사로 도시한다.
도 12는 비적재 상태의 본 발명의 제3 실시 형태의 측면도를 도시한다.
도 13은 기판에 대해 가압될 때 도 12의 장치를 도시한다.
도 14는 본 발명의 제4 실시 형태의 공간적인 부분 단면도를 도시한다.
도 15는 XYZ 취급 시스템과 함께 도 14의 장치를 도시한다.
도 16은 비적재 상태의 본 발명의 제5 실시 형태의 측면도를 도시한다.
도 17은 기판에 대해 가압될 때 도 16의 장치를 도시한다.
도 18은 도 16의 장치를 공간적인 묘사로 도시한다.
도 19는 도 17의 장치를 공간적인 묘사로 도시한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 기구학적 유지 시스템의 제1 실시 형태를 예시하기 위해 사용된다.
유지 시스템은 배치 장치의 배치 헤드(2)가 그것 상에 조인트(4)에 의해 관절식으로 장착되는 배치 헤드 지지체(1)를 포함한다. 배치 헤드(2)는 특히 음압에 의해 전자 또는 광학 구성요소(7)를 유지하기 위해 기저부 접촉 표면(6)을 갖춘 구성요소 홀더(5)를 기저부 단부에 구비한다. 구성요소(7)는 기저부 접촉 표면(6) 상에 평면-평행 방식으로 놓인다.
그러한 배치 장치는 취출 스테이션(미도시)에서 구성요소(7)를 수용하기 위해, 그것을 XYZ 취급 시스템에 의해 기판(3) 위의 정확히 사전결정된 위치로 이동시키기 위해, 그리고 이어서 구성요소(7)를 기판(3) 상에 배치하기 위해 알려진 방식으로 사용된다. 배치 헤드 지지체(1)는 오직 도 15에 도시된 그리고 아래에서 더욱 상세히 기술될 수개의 캐리지를 포함하고 X, Y 및 Z 방향으로의 배치 헤드(2)의 변위 및 정확한 안내를 보장하는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 일부이다. 본 발명에 따른 기구학적 배치 헤드 유지 시스템은 또한 다른 배치 헤드 가이드 장치 또는 취급 시스템, 특히 배치 헤드의 위치가 회전축으로부터의 거리와 각도 위치에 의해 결정되는 rθ 취급 시스템과 함께 사용될 수 있다.
예시된 실시 형태(도 5 내지 도 8)에서, 기판(3)은 XY 평면 내에, 따라서 수평면 내에 놓인다. 배치 헤드(2)의 종축(8)은 도 5 및 도 7에 도시된 배치 헤드(2)의 비적재 상태에서 수직으로 배치되며, 따라서 Z 방향으로 연장된다.
도 5 내지 도 8에 도시된 배치 헤드 지지체(1)는 비대칭으로 구성되고, 예를 들어 Y-캐리지(31) 상에서 안내되는(도 15에 도시된 바와 같이) 그리고 단지 배치 헤드(2)의 일측에 배치되는 가이드 섹션(9)을 포함한다. 수평 지지 암(10)이 가이드 섹션(9)으로부터 배치 헤드(2)의 대향측으로 연장되며, 이때 조인트(4)가 상기 지지 암(10)의 단부에 배치된다. 따라서, 조인트(4)와 가이드 섹션(9)은 배치 헤드(2)의 대향측들에 배치된다.
콘솔(11)이 배치 헤드(2)에 고정되며, 상기 콘솔(11)은 배치 헤드(2)를 플랜지의 방식으로 둘러싸고, 지지 암(10)으로부터 수직 거리를 두고 배치된다. 콘솔(11)은 배치 헤드(2)의 일측에서 조인트(4)를 통해 지지 암(10)에 관절식 및 따라서 선회가능한 방식으로 연결된다. 배치 헤드(2)의 대향측에서, 콘솔(11)은 스프링(12) 형태의 가변-길이(length-variable) 유지 부재에 의해 지지 암(10) 상에 지지된다. 따라서, 스프링(12)의 길이의 변화가 콘솔(11) 및 따라서 배치 헤드(2)가 배치 헤드 지지체(1)에 대해 취하는 각도를 변화시킨다.
배치 헤드(2)가 하향으로 변위되고, 구성요소(7)가 기판(3)에 가압될 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 가압력에 대응하는 반력(F)이 배치 헤드(2) 및 배치 헤드 지지체(1)에 가해진다. 상기 반력(F)은 배치 헤드(2)로부터 조인트(4) 및 스프링(12) 둘 모두를 통해 배치 헤드 지지체(1)로 전달된다. 이러한 반력이 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형 및 따라서 배치 헤드 지지체(1)의 경사진 위치를 유발하면(도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이), 이러한 변형은 배치 헤드(2)의 본래 정렬(즉, 그 수직 정렬)이 유지되도록 스프링(12)의 길이의 변화에 의해 보상된다. 이를 위해, 스프링(12)의 강성은 스프링(12)의 길이의 변화가 Z 방향으로의 조인트(4)의 변형-유발 변위에 대응하도록 전체 시스템의 강성에 맞추어진다. 결과적으로, 콘솔(11)은 배치 헤드 지지체(1)의 임의의 변형-유발 경사 위치와 관계없이 항상 수평면 내에서 유지될 것이다. 따라서, 기판(3)에 대한 배치 헤드(2)의 각도 위치가 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형의 경우에도 가압 공정 중 유지된다.
본 발명에 따른 유지 시스템의 제2 실시 형태가 아래에서 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명될 것이다.
이 실시 형태에서, 배치 헤드(2)는 그 상부 단부 영역에서 단축(single-axis) 조인트(4)에 의해 배치 헤드 지지체(1)의 지지 암(10) 상에 지지되며, 이러한 지지 암은 일측에서 유지된다. 도 9에서, 지지 암(10)은 이번에도 수평 방향으로 연장되는 반면, 배치 헤드(2)의 종축은 수직 방향으로 연장된다. 배치 헤드(2)는 조인트(4)를 통해 배치 헤드 지지체(1) 상에 진자 방식으로 장착된다. 배치 헤드 지지체(1)에 대한 배치 헤드(2)의 상대 위치는 한편으로는 배치 헤드 지지체(1) 상에 그리고 다른 한편으로는 배치 헤드(2) 상에 놓이는, 이동-제어식(travel-controlled) 또는 힘-제어식(force-controlled) 액추에이터(13) 형태의 가변 길이 유지 부재에 의해 설정된다. 도면은 이 실시 형태에서 액추에이터(13)의 종축(14)이 수평으로, 따라서 배치 헤드(2)의 종축(8)에 수직하게 연장되는 것을 보여준다. 또한, 종축(14)은 조인트(4) 아래에 상당한 거리를 두고 배치되는 교차점(S)에서 종축(8)과 교차한다. 이는 액추에이터(13)의 비교적 작은 액추에이터 힘으로 조인트(4)를 중심으로 비교적 큰 토크를 생성하는 것을 허용한다. 액추에이터(13)의 길이의 각각의 연장 또는 감소의 경우에, 배치 헤드 지지체(1)에 대한 배치 헤드(2)의 각도는 경사 축 오차가 보상되도록 변화된다.
액추에이터(13)는 특히 전기 직접 구동 장치(electric direct drive), 음성 코일 또는 피에조 구동 장치(piezo drive)일 수 있다.
기판(3)에 대한 배치 헤드(2)의 가압 중 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형이 일어나면, 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이, 액추에이터(13)는 예시된 실시 형태에서 배치 헤드(2)의 수직 정렬이 유지되도록 길이가 감소될 것이다. 이는 바꾸어 말하면 배치 헤드 지지체(1)가 반력(F)으로 인해 시작 위치에 대해 경사지는 각도와 동일한 각도로 배치 헤드(2)가 배치 헤드 지지체(1)에 대해 선회됨을 의미한다.
액추에이터(13)의 각각의 구동 제어는 유지 시스템에 작용하는 반력(F) 또는 변형 경로가 적합한 센서에 의해 측정되고 이들 센서의 출력 신호가 적합한 제어 장치에 의해 엑추에이터(13)를 위한 작동 신호로 변환되도록 행해진다.
본 발명의 제3 실시 형태가 도 12 및 도 13을 참조하여 설명될 것이다. 이 실시 형태에서, 배치 헤드(2)는 조인트 로드(15a, 15b) 형태의 특수 로드 기구학적 시스템 및 가변-길이 조인트 로드(16) 형태의 가변-길이 유지 부재를 통해 연결된다. 조인트 로드(15a, 15b, 16)는 한편으로는 배치 헤드 지지체(1)에 그리고 다른 한편으로는 배치 헤드(2)에 관절식으로 연결되고, 조인트 로드(16)의 사전결정된 길이에서 배치 헤드 지지체(1)에 대한 배치 헤드(2)의 특정 각도 위치가 유지되도록 배치된다. 조인트 로드(16)의 길이의 임의의 변화는 조인트 로드(15a, 15b)의 각도의 변화 및 따라서 배치 헤드 지지체(1)에 대한 배치 헤드(2)의 각도의 변화를 생성한다.
2-부분 조인트 로드(16)의 길이의 변화는 스프링(12) 형태의 수동 유지 부재 또는 제2 실시 형태와 관련하여 기술된 바와 동일한 방식으로 제어될 수 있는, 이동-제어식 또는 힘-제어식 액추에이터(13) 형태의 능동 유지 부재를 통해 일어난다.
기판(3)에 대한 배치 헤드(2) 또는 구성요소(7)의 가압 중 반력(F)으로 인해 배치 헤드(2)에 대한 배치 헤드 지지체(1)의 변형 또는 경사짐이 발생하면[이러한 변형은 조인트 로드(15a, 15b)의 각도의 각각의 변화를 생성함], 기판(3)에 대한 배치 헤드(2)의 원하는 정렬(즉, 수직 위치)이 유지되도록 조인트 로드(16)의 길이가 변화된다(이 실시 형태에서는 길이가 감소됨).
본 발명의 제4 실시 형태가 도 14 및 도 15를 참조하여 설명될 것이다. 이 실시 형태는 도 9 내지 도 11을 참조하여 설명된 바와 같은 실시 형태와 유사하게 작동하며, 여기에서 배치 헤드(2)는 일차원 진자로서가 아니라 다차원적으로 선회될 수 있는 진자로서 구성된다. 이를 위해, 배치 헤드(2)는 그 상부 단부에서 구면 베어링을 나타내는 조인트(4')를 포함한다. 그것은 특히 공기 베어링, 정압 베어링, 기계적 구면 헤드 베어링 또는 볼-베어링 구면 헤드 베어링일 수 있다. 또한, 조인트(4')는 또한 유니버설 조인트 또는 다축 솔리드 조인트(multi-axial solid joint)로서 배치될 수 있다.
배치 헤드(2)의 위치, 즉 배치 헤드 지지체(1)에 대한 그 선회 위치는 서로에 대해 각지게 배치되는 그리고 배치 헤드(2)의 기저부 영역에서 상기 배치 헤드에 작용하는 두 액추에이터(13)에 의해 결정된다. 도면에 도시된 바와 같이, 두 액추에이터(13)는 편리하게는 서로에 대해 직각으로 배치되며, 여기에서 하나의 액추에이터(13)는 X 방향으로 작동하고, 다른 하나의 액추에이터(13)는 Y 방향으로 작동한다. 하나 또는 두 액추에이터(13)의 길이를 감소시키거나 연장시킴으로써, 배치 헤드(2)의 선회 운동이 공간에서 수행될 수 있고, 이에 의해 기판(3)에 대한 구성요소(7)의 기저부 표면의 경사 및 따라서 각도가 변화되고 조절될 수 있다.
액추에이터(13)는 이번에도 직접 링크 장치(direct linkage)로 또는 적합한 기구학적 시스템을 통해(즉, 레버 또는 기어를 통해) 한편으로는 배치 헤드(2)에 그리고 다른 한편으로는 배치 헤드 지지체(1)에 연결되는 이동-제어식 또는 힘-제어식 구동 장치일 수 있다.
도 14는 액추에이터(13)가 전기 라인을 통해 제어 유닛(17)에 연결되어, 그것들이 이러한 제어 유닛을 통해 각각의 이동 명령을 수신하는 것을 또한 보여준다.
배치 공정은 배치 헤드(2)의 급속한 변위 중 배치 헤드(2)의 제어되지 않은 진자 운동이 일어나지 않도록, 배치 헤드(2)와 협동하는 액추에이터(13)가 편리하게는 기판(3)과 구성요소(7)의 접촉 때까지 차단되도록 적절히 수행된다. 액추에이터(13)의 차단은 배치 헤드(2) 또는 구성요소(7)가 기판(3) 상에 접촉하기 직전에 해제되어, 조인트(4')를 중심으로 하는 배치 헤드(2)의 자유로운 운동을 허용한다. 기판(3)에 대한 구성요소(7)의 가압 중, 가압력에 대응하는 반력(F)이 조인트(4') 및 배치 헤드 지지체(1)를 통해 XYZ 취급 시스템으로 전해지고 그것의 변형을 유발한다. 두 액추에이터(13)는 배치 헤드(2)의 사전결정된 정렬(본 경우에서는 수직 정렬)이 유지되도록 그것들이 X 및/또는 Y 방향으로 배치 헤드 지지체(1)로부터 배치 헤드(2)의 거리를 변화시키도록 제어 유닛(17)을 통해 제어된다.
도 15에 개략적으로 도시된 배치 헤드 가이드 장치(18)는 본 발명의 모든 실시 형태에 사용될 수 있다. 그것은 횡방향 캐리지(29)가 그것 상에서 X 방향으로 이동가능한 X 가이드(28)를 포함한다. 횡방향 캐리지(29)는 Y 캐리지(31)가 그것 상에서 Y 방향으로 이동가능한 Y 가이드(30)를 포함한다. 배치 헤드 지지체(1)가 그것 상에서 Z 방향으로 이동가능한 Z 가이드(보다 상세히 도시되지 않음)가 Y 캐리지(31) 상에 제공된다. X 가이드(28), 횡방향 캐리지(29), Y 캐리지(31) 및 Y 캐리지(31)와 배치 헤드 지지체(1) 사이의 Z 가이드는 XYZ 취급 시스템의 일부이다.
본 발명에 따른 배치 헤드 보상 장치는 그러한 배치 헤드 가이드 장치(18)에서의 사용으로 제한되지 않는다. 대신에, 임의의 배치 헤드 가이드 장치와의 조합이 가능하다.
액추에이터(13)와 같은 능동 유지 부재가 축 오차 보상을 위해 사용되는, 본 발명에 따른 기구학적 유지 시스템을 작동시키기 위한 대안적인 가능성이 다음과 같이 기술될 수 있다:
1. 배치 공정 중 구성요소(7)가 기판(3)에 접촉하면, 액추에이터(들)(13)가 힘 작용이 없는(force-free) 상태로 스위칭될 것이다. 기판(3)과 구성요소(7) 사이의 마찰이 구성요소(7)를 고정시킨다. 발생하는 변형은 가압력의 인가 중 보상될 것이다.
2. 구성요소(7)가 기판(3)에 접촉하자마자, 액추에이터(들)가 구성요소(7)를 적소에서 유지시키기 위해 특정한 힘 또는 가변적인 힘을 가할 것이다.
3. 구성요소(7)가 기판(3)에 접촉한 후, 액추에이터(들)(13)가 구성요소(7)를 적소에서 유지시키기 위해 특정 경로를 따라 변위될 것이다.
따라서, 배치 헤드 지지체(1)와 기판(3) 사이의 각도가 액추에이터/액추에이터들(13)에 의해 설정될 수 있다. 액추에이터(13)의 변위가 기판(3)에 대한 배치 헤드(2)의 축방향 위치를 변화시킬 수 있고, 결과적으로 배치 헤드(2)와 기판(3) 사이의 각도가 배치 헤드 지지체(1)의 각도의 변화에도 불구하고 요구되는 값으로 일정하게 유지될 수 있다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같은 액추에이터의 2축 실시 형태에 의해, 각도가 또한 공간에서 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 유지 시스템의 제5 실시 형태가 도 16 내지 도 19를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 이 실시 형태는 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같은 제1 실시 형태와 유사하게 구성되지만, 스프링(12)과 조인트(4)가 2개의 별개의 구성요소가 아니라 솔리드 조인트(20)의 형태로 조합되는 차이를 갖는다. 특히 도 18에 도시된 바와 같이, 솔리드 조인트(20)는 2개의 제1 솔리드 조인트 암(22) 및 하나의 개재된 제2 솔리드 조인트 암(23)을 포함하는 솔리드 조인트 요소(21)의 일부이다. 2개의 제1 솔리드 조인트 암(22)은 서로 인접하여 평행하게 거리를 두고 연장되고, 일단부에서 횡방향 암(24)에 의해 서로 연결된다. 두 솔리드 조인트 암(22) 사이에 배치되는 제2 솔리드 조인트 암(23)은 일단부에서 횡방향 암(24)에 탄성적으로 연결되고, 타단부에서 자유로이 이동가능하다. 따라서, 제2 솔리드 조인트 암(23)은 제1 솔리드 조인트 암(22)에 대해 텅(tongue)의 방식으로 선회될 수 있다. 따라서, 횡방향 암(24)과 솔리드 조인트(20)는 배치 헤드(2)에 대해 배치 헤드 지지체(1)의 지지 암(10)의 자유 단부와 동일측에 배치된다.
예시된 실시 형태에서, 제2 솔리드 조인트 암(23)은 플레이트의 방식으로 형상화되며, 여기에서 제2 솔리드 조인트 암은 배치 헤드(2)가 그것을 통해 안내되는 관통구를 포함한다. 또한, 배치 헤드(2)는 제2 솔리드 조인트 암(23)에 견고하게 연결된다. 구성요소(7)가 기판(3) 상에 배치되고 그것에 가압될 때(특히 도 17에 도시된 바와 같이), 배치 헤드(2)가 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형에 의해 유발되는 도 17 및 도 19에 도시된 바와 같은 경사 위치로 가압될 때의 가압 반력으로 인해 제2 솔리드 조인트 암(23)의 자유 단부가 제1 솔리드 조인트 암(22)에 대해 상향으로 선회된다. 솔리드 조인트(20)의 탄성은 배치 헤드(2)의 사전결정된 정렬 및 결과적으로 기판(3)의 표면에 대한 구성요소(7)의 평면-평행 정렬이 유지되도록 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형에 맞추어진다.
이하에서는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형 회전축(25)에 대한 배치 헤드(2)의 회전축(26)의 특정 배열에 의해 어떻게 측방향 편위(a)(도 2 참조)가 최소화될 수 있는지에 대해 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다. 이는 그 주요 구성이 도 16 내지 도 19에 도시된 주요 구성에 실질적으로 대응하는 배치 헤드 정렬 장치를 참조하여 도 3 및 도 4에서 추가로 설명될 것이다. 도 3 및 도 4를 참조하여 설명되는 바와 같이 회전축을 측방향 편위를 방지하기 위해 서로에 대해 특정 상대 위치에 배치하는 원리가 본 발명의 모든 실시 형태에 적용될 수 있다.
도 3은 비적재 상태의, 즉 배치 헤드(2) 또는 배치 헤드(2)에 의해 흡인되는 구성요소가 아직 기판(3) 상에 배치되지 않았을 때의 배치 헤드 가이드 장치(18) 및 배치 헤드(2)를 도시한다. 이러한 비적재 상태는 또한 도 4에 일점쇄선으로 도시된다. 도면은 배치 헤드(2)의 회전축(26)이 비적재 상태에서, 배치 헤드(2)가 기판(3) 상에 가압되고 각각의 반력(F)이 아래로부터 배치 헤드(2) 상에 작용할 때(도 4) 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형-유발 회전 중심을 형성하는 변형 회전축(25)보다 치수 h1만큼 낮은 높이에 위치되는 것을 보여준다.
도 4는 기판(3)에 대한 가압 후 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형-유발 회전과 배치 헤드 가이드 장치(18)에 대한 배치 헤드(2)의 변화된 상대 위치를 파단되지 않은 실선으로 보여준다. 예시된 실시 형태에서, 반력(F)으로 인해, 배치 헤드(2)의 회전축(26)은 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형 회전축(25)을 중심으로 원호 상에서 반시계 방향으로 상향으로 선회된다. 배치 헤드(2)의 회전축(26)이 구성요소를 기판(3)에 가압시키는 사전결정된 가압력에서 회전축(26)이 비적재 상태에서 변형 회전축(25) 아래에 놓일 때의 치수 h1만큼 큰 치수 h2만큼 변형 회전축(25) 위에 놓이도록 배치 헤드 가이드 장치(18)가 작동하면, 변형에 의해 발생되는 측방향 편위(a)가 0이다. 따라서, 회전축(26)이 비적재 상태에서 변형 회전축(25)보다 낮은 높이에 위치될 때 측방향 편위를 최소화시키기 위해, 회전축(26)이 배치력의 절반 하에서는 변형 회전축(25)과 동일 높이에 위치되고 최대 배치력 하에서는 변형 회전축(25) 위에 위치되는 것이 유리하다.
도 4는 배치 헤드 조인트의 회전축(26) 및 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형 회전축(25)을 통한 직선(l)이 비적재 상태에서 변형축(25)의 높이에 위치되는 수평면(h)보다 각도 -α만큼 낮게 위치되는 것을 보여준다. 배치 헤드(2) 또는 구성요소가 기판(3)에 가압될 때, 도 4에 도면 부호 l'로 표기된 상기 직선이 수평면(h)보다 각도 +α만큼 높다. 측방향 편위(a)를 최소화시키는 목적 내에서 상기 직선(l)이 수평면(h)에 대해 +45°와 -45° 사이에 있는 각도 범위 내에서 이동할 때 유리하다. 운동의 범위는 보통 비교적 작고, 전형적으로는 최대 10°, 바람직하게는 최대 5°이다. 이러한 점에서, 도 4에 도시된 실시 형태의 대안으로서, 직선(l)이 단지 "-α" 범위 내에서만 또는 단지 "+α" 범위 내에서만 이동하도록 회전축(26)이 비적재 및 적재 상태 사이에서 이동하는 것이 또한 가능하다.
따라서, 본 발명은 가압에 의해 유발되는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형이 적어도 하나의 축에서 보상되는 기구학적 유지 시스템을 제공한다. 이는 제1 및 제5 실시 형태를 참조하여 전술된 바와 같은 수동 요소에 의해, 또는 제2 내지 제4 실시 형태와 관련하여 설명된 바와 같은 액추에이터(13) 형태의 적어도 하나의 능동 요소에 의해 실현된다. 수동 요소가 사용될 때, 전체 시스템의 변형의 조절과 수동 요소의 기하학적 배치 및 강성이 관련 있다. 수동 경사 보상은 액추에이터(13) 없이 제공되며, 배치 헤드 지지체(1) 및 배치 헤드(2) 둘 모두 내에 통합될 수 있다.
또한, 각각 배치 헤드(2) 또는 고체(solid body) 조인트 요소(21)를 위한 가변-길이 유지 부재를 배치하는 것, 또는 Y 축을 중심으로 하는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형-유발 선회 운동(도면에 도시된 바와 같은) 뿐만 아니라 가압력에 의해 유발되는 다른 축을 중심으로 하는 배치 헤드(2)의 피칭(pitching) 및/또는 롤링(rolling) 운동도 또한 보상되도록 수개의 유지 부재 또는 솔리드 조인트 요소(21)를 조합하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시 형태와 응용이 도시되고 기술되었지만, 본 개시의 이익을 향수하는 당업자에게 본 명세서의 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고서 위에 언급된 것보다 더욱 많은 변경이 가능함이 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 특허청구범위 및 그 등가물에 의한 바를 제외하고는 제한되지 않도록 의도된다.
1: 배치 헤드 지지체 2: 배치 헤드
3: 기판 4, 4': 조인트
7: 전자 또는 광학 구성요소 11: 배치 헤드 콘솔
12: 스프링 13: 액추에이터
15a, 15b: 조인트 로드 18: 배치 헤드 가이드 장치
20: 솔리드 조인트 22: 제1 솔리드 조인트 암
23: 제2 솔리드 조인트 암 24: 횡방향 암
25: 변형 회전축 26: 회전축

Claims (4)

  1. 전자 또는 광학 구성요소(7)를 기판(3) 상에 실장하기 위한 배치 장치의 배치 헤드(2)를 위한 기구학적 유지 시스템으로서,
    배치 헤드(2)를 유지시키기 위한 배치 헤드 지지체(1)를 포함하는 배치 헤드 가이드 장치(18); 및
    배치 헤드 지지체(1)에 대한 배치 헤드(2)의 정렬을 조절하기 위한 배치 헤드 정렬 장치
    를 포함하고,
    배치 헤드 정렬 장치는 솔리드 조인트(20)를 포함하고, 상기 솔리드 조인트(20)를 통해 배치 헤드(2)가 배치 헤드 지지체(1) 상에 경사-조절가능 방식으로 지지되며,
    솔리드 조인트(20)는 배치 헤드 지지체(1)에 견고하게 연결되는 적어도 하나의 제1 솔리드 조인트 암(22) 및 배치 헤드(2)에 견고하게 연결되며 적어도 하나의 제1 솔리드 조인트 암(22)에 탄성적으로 연결되는 적어도 하나의 제2 솔리드 조인트 암(23)을 갖춘 적어도 하나의 솔리드 조인트 요소(21)의 일부이며,
    적어도 하나의 제2 솔리드 조인트 암(23)은, 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형에 의해 유발되는 배치 헤드(2)의 축 오차가 보상되도록, 기판(3)에 대한 배치 헤드(2)의 가압력에 의해 유발되는 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형에 따라 적어도 하나의 제1 솔리드 조인트 암(22)에 대해 탄성적으로 변형가능하며,
    상기 적어도 하나의 솔리드 조인트 요소(21)는 2개의 제1 솔리드 조인트 암(22)과 1개의 제2 솔리드 조인트 암(23)을 포함하며,
    상기 2개의 제1 솔리드 조인트 암(22)은 서로 평행하게 진행하고, 배치 헤드(2)의 대향측들에 배치되고, 상기 배치 헤드(2)로부터 측방향으로 이격되고, 횡방향 암(24)에 의해 단부측에서 서로 연결되며,
    상기 제2 솔리드 조인트 암(23)은 2개의 제1 솔리드 조인트 암(22) 사이에 중심에 배치되고 또한 횡방향 암(24)에 연결되는 것을 특징으로 하는 기구학적 유지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    솔리드 조인트(20)의 회전축(26)은 변형 회전축(25)에 대해 배치되고, 가압력에 반응하여 배치 헤드 가이드 장치(18)의 변형이 상기 변형 회전축(25)을 중심으로 발생해서, 솔리드 조인트(20)의 회전축(26) 및 변형 회전축(25)을 통한 직선(l)이 배치 헤드(2)의 비적재 및 적재 상태에서 변형 회전축(25)이 배치되는 수평면(h)에 대해 -45° 내지 +45°의 각도 범위 내에 있게 되는 것을 특징으로 하는 기구학적 유지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    솔리드 조인트(20)의 회전축(26)은 배치 헤드(2)의 비적재 상태에서 변형 회전축(25) 아래에 배치되고 최대 배치력 하에서 상기 변형 회전축(25) 위에 배치되는 것을 특징으로 하는 기구학적 유지 시스템.
  4. 삭제
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