Bonder Bonder
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bonder gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1.The invention relates to a bonder according to the preamble of claim 1.
Bekannt sind Transfervorrichtungen oder Bonder insbesondere auch als sogenannte Chip- oder Die-Bonder (DE 195 10 230 C2), mit denen erste Bauelemente, beispielsweise Halbleiterchips an einer Aufnahmeposition von einem Pick-Up-Element erfaßt und von diesem Pick-Up-Element an einer Bondposition auf einem dort bereitstehenden Bauteil, beispielsweise auf einem zweiten Bauelement, einem Substrat oder einer Baugruppe oder beispielsweise in einem Lead-Frame durch Bonden fixiert werden. Speziell bei extrem kleinen Bauelementen ist bei diesem Transfer und Bonden eine hohe Genauigkeit erforderlich, und zwar insbesondere hinsichtlich Lage und Orientierung der ersten Bauelemente Ablegen und Bonden. Bei der bekannten Vorrichtung weist die Transfereinrichtung einen Doppelarm auf, der in der Mitte um eine vertikale Achse schwenkbar gelagert ist und beidendig jeweils ein Pick-Up- Element besitzt, so daß bei jedem Schwenken des Armes um 180° ein von einem Pick- Up-Element an der Aufnahmeposition aufgenommenes erstes Bauelement an die Bondposition gelangt. Durch die Anbringung der Pick-Up-Elemente jeweils an einem Teilarm des Doppelarmes ist die Möglichkeit geschaffen, die Bauelemente, beispielsweise einen diese Bauelemente oder Chip aufweisenden Wafer an der Aufnahmeposition an einem X-Y-Tisch vorzusehen und diesen gesteuert so zu verfahren, daß die einzelnen Bauelemente nacheinander abgenommen werden. In gleicher weise ist es dann auch möglich, an der Bondposition ebenfalls einen X-Y- Tisch vorzusehen, um vor dem eigentlichen Bonden ein Ausrichten in Achsrichtungen senkrecht zur Schwenkachse (Z-Achse) des doppelarmigen Trägers zu ermöglichen.Transfer devices or bonders are known in particular as so-called chip or die bonders (DE 195 10 230 C2), with which first components, for example semiconductor chips, are picked up by a pick-up element at a pick-up position and from this pick-up element a bonding position on a component available there, for example on a second component, a substrate or an assembly or, for example, in a lead frame by bonding. Particularly with extremely small components, this transfer and bonding requires a high level of accuracy, in particular with regard to the location and orientation of the first components, depositing and bonding. In the known device, the transfer device has a double arm, which is pivotally mounted in the center about a vertical axis and has a pick-up element at both ends, so that each time the arm is pivoted through 180 °, a pick-up element Element received at the receiving position first component reaches the bonding position. By attaching the pick-up elements each to a partial arm of the double arm, it is possible to provide the components, for example a wafer having these components or a chip, at the receiving position on an XY table and to control them in such a way that the individual Components are removed one after the other. In the same way, it is then also possible to also provide an X-Y table at the bond position in order to allow alignment in the axial directions perpendicular to the swivel axis (Z axis) of the double-arm carrier before the actual bonding.
Obwohl mit diesen bekannten Bonder beim Bonden sehr hohe Genauigkeiten bezüglich Positionierung und Orientierung erreicht werden können, sind relativ lange
Wege für die Pick-Up-Elemente erforderlich, was die Leistung, d.h. die Anzahl der verarbeiteten Bauelemente je Zeiteinheit beeinträchtigt.Although very high positioning and orientation accuracies can be achieved with these known bonders during bonding, they are relatively long Paths for the pick-up elements are required, which impairs the performance, ie the number of components processed per unit of time.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bonder aufzuzeigen, der bei hoher Leistung eine hohe Genauigkeit hinsichtlich der Positionierung und Orientierung von Bauelementen beim Bonden gewährleistet.The object of the invention is to show a bonder that ensures high accuracy with regard to the positioning and orientation of components during bonding at high performance.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Bonder entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.To solve this problem, a bonder is designed according to claim 1.
Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Bonders besteht darin, daß die Pick-Up- Elemente an der Aufnahmeposition und an der Bondposition nur jeweils extrem kleine Bewegungshübe ausführen müssen, also erste Bauelemente in sehr kurzer Zeit an der Aufnahmeposition an die Bauelementeaufnahmen des Transportelementes übergeben und an der Bondposition von den Bauelementeaufnahmen zum Bonden abgenommen werden können, die Leistung des Bonders beeinträchtigende lange Wege für die Pick- Up-Elemente also vermieden sind.The special feature of the bonder according to the invention is that the pick-up elements only have to perform extremely small movement strokes at the receiving position and at the bonding position, that is to say they transfer first components in a very short time at the receiving position to the component receptacles of the transport element and at the bonding position can be removed from the component receptacles for bonding, long distances for the pick-up elements which impair the performance of the bonder are thus avoided.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Pick-Up- Element, beispielsweise das an der Aufnahmeposition vorgesehene Pick-Up-Element lediglich in einer Achsrichtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Transportelementes bewegbar, und zwar derart, daß mit diesem Pick-Up-Element durch die zwischen zwei Bauelementeaufnahmen im Transportelement vorgesehene Ausnehmung oder Öffnung hindurch das jeweilige erstes Bauelement erfaßt und aufgenommen wird und dieses Bauelement dann auf die nächste, der Ausnehmung benachbarte Bauelementeaufnahme abgelegt wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:In a preferred embodiment of the invention, at least one pick-up element, for example the pick-up element provided at the receiving position, can only be moved in one axial direction perpendicular to the direction of movement of the transport element, in such a way that with this pick-up element the recess or opening provided between two component receptacles in the transport element is grasped and received through the respective first component and this component is then placed on the next component receptacle adjacent to the recess. Developments of the invention are the subject of the dependent claims. The invention is explained in more detail below with reference to the figures using exemplary embodiments. Show it:
Fig. 1 in vereinfachter perspektivischer Teildarstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Bonder zum hochgenauen Montieren von kleinsten Bauelementen auf Baugruppen; Fig. 2 die Vorrichtung der Figur 1 in schematischer Darstellung und in Draufsicht; Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die Montage- oder Bondposition zusammen mit einer an dieser Position angeordneten Baugruppe und einem auf die Baugruppe aufgesetzten Bauelement; Fig. 4 in schematischer, perspektivischer Darstellung die Aufnahmeposition der1 shows a simplified perspective partial representation of an embodiment of the device according to the invention as a bonder for the highly precise mounting of the smallest components on assemblies; Figure 2 shows the device of Figure 1 in a schematic representation and in plan view. 3 shows an enlarged illustration of the assembly or bonding position together with an assembly arranged at this position and a component placed on the assembly; Fig. 4 in a schematic, perspective view, the recording position of the
Vorrichtung der Figur 1 ; Fig. 5 in schematischer, perspektivischer Darstellung die Bondposition derDevice of Figure 1; Fig. 5 shows the bonding position of the in a schematic, perspective representation
Vorrichtung der Figur 1 ; Fig. 6 eine Darstellung ähnlich der Figur 2 bei einer weiteren möglichenDevice of Figure 1; Fig. 6 is a representation similar to Figure 2 in another possible
Ausführungsform; Fig. 7 in vereinfachter Darstellung und in Draufsicht ein in eine Baugruppe oder auf ein Substrat aufgesetztes Bauelement; Fig. 8 in einer Darstellung ähnlich Figur 6 eine weitere mögliche Ausführungsform; Fig. 9 - 1 1 in Darstellungen ähnlich Figur 2 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.embodiment; 7 shows a simplified representation and a top view of a component placed in an assembly or on a substrate; 8 shows a further possible embodiment in a representation similar to FIG. 6; 9 - 11 in illustrations similar to FIG. 2 further embodiments of the device according to the invention.
Zur besseren Erläuterung sind in den Figuren jeweils die drei senkrecht zueinander verlaufenden Raumachsen, nämlich die X-Achse, Y-Achse und Z-Achse wiedergegeben.
Die in den Figuren 1 - 5 allgemein mit 1 bezeichnete Vorrichtung dient zum hochgenauen Positionieren und Bonden, d.h. zum hochgenauen Aufsetzen und Verbinden von „ersten" Bauelementen 2 mit extrem kleinen Abmessungen auf bereits teilgefertigten Baugruppen 3. Die Bauelemente 2 sind bei der dargestellten Ausführungsform optische Bauelemente, die mehrere Funktionselemente aufweisen, beispielsweise Prismen zum Umlenken eines Laserstrahles und Linsen für eine Strahlkollimierung bzw. -Fokussierung.For better explanation, the three spatial axes running perpendicular to one another, namely the X axis, Y axis and Z axis, are shown in the figures. The device generally designated 1 in FIGS. 1-5 is used for high-precision positioning and bonding, ie for the high-precision placement and connection of “first” components 2 with extremely small dimensions on already partially manufactured modules 3. The components 2 in the embodiment shown are optical Components that have several functional elements, for example prisms for deflecting a laser beam and lenses for beam collimation or focusing.
Die Baugruppen 3 bestehen bei der dargestellten Ausführungsform aus einem Substrat 4 mit Leiterbahnen, Kontaktflächen usw., auf dem zusätzlich zu optischen Bauelementen, beispielsweise als Spiegel wirkenden prismenartigen Bauelementen usw., auch eine Laserdiode 6 vormontiert ist. Das Aufsetzen der Bauelemente 2 und das Bonden dieser Bauelemente auf der jeweiligen Baugruppe 3 muß hochpräzise erfolgen, um den gewünschten Verlauf für den Laserstrahl 6' zu erreichen.In the embodiment shown, the assemblies 3 consist of a substrate 4 with conductor tracks, contact areas, etc., on which, in addition to optical components, for example prism-like components acting as mirrors, a laser diode 6 is also preassembled. The placement of the components 2 and the bonding of these components on the respective assembly 3 must be carried out with high precision in order to achieve the desired profile for the laser beam 6 '.
Wie die Figur 2 zeigt, besitzt die Vorrichtung 1 einen Drehteller 7, der mittels eines hochgenauen Servomotors 8 (Figur 1) um eine vertikale Vorrichtungsachse angetrieben ist. Am Drehteller 7 sind über den Tellerumfang radial wegstehende stegartige Haltearme 9 vorgesehen, die am Tellerumfang jeweils um den Winkelbetrag, der zwei Drehschritten oder einem ganzzahligen Vielfachen hiervon entspricht, voneinander beabstandet. Auf den Haltern 9 sind Aufnahmen bzw. Nester 10 gebildet, die in ihrer Form den Bauelementen 2 angepaßt sind, und zwar derart, daß in jedem Nest 1 ein Bauelement 2 in einer genau vorgegebenen Orientierung und Lage Platz findet.As FIG. 2 shows, the device 1 has a turntable 7 which is driven by means of a high-precision servo motor 8 (FIG. 1) about a vertical device axis. On the turntable 7, radially projecting web-like holding arms 9 are provided, which are spaced apart from one another on the circumference of the plate by the angular amount, which corresponds to two rotation steps or an integer multiple thereof. On the holders 9 receptacles or nests 10 are formed, the shape of which is adapted to the components 2, in such a way that in each nest 1 there is space for a component 2 in a precisely predetermined orientation and position.
Die Bauelemente 2 werden in gegürteter Form an einer Aufnahmeposition 1 1 zugeführt, d.h. sie befinden sich dort in einer genau definierten Lage und Orientierung in Aufnahmen eines Gurtes 12. Bei der dargestellten Ausführungsform wird der Gurt 12 synchron mit der Bewegung des Drehtellers 7 radial zur vertikalen Achse (Z-Achse)
dieses Drehtellers zugeführt, und zwar derart, daß dort am Beginn jedes Arbeitstaktes ein Bauelement 2 zur Aufnahme durch ein dortiges Aufnahme- oder Pick-Up-Element 13 zur Verfügung steht. Letzteres ist von einem Vakuumhalter bzw. einer Vakuum- Pipette gebildet, die lediglich in vertikaler Richtung, d.h. in der Achsrichtung parallel zur vertikalen Drehachse des Drehtellers 7 (Z-Achse) durch einen Antrieb 14 (Figur 1) zwischen drei Hubstellungen auf- und abbewegbar ist, nämlich zwischenThe components 2 are fed in a belted form at a receiving position 11, ie they are located there in a precisely defined position and orientation in recordings of a belt 12. In the embodiment shown, the belt 12 becomes radial to vertical in synchronism with the movement of the turntable 7 Axis (Z axis) fed this turntable, in such a way that at the beginning of each work cycle there is a component 2 for reception by a reception or pick-up element 13 there. The latter is formed by a vacuum holder or a vacuum pipette which can only be moved up and down between three stroke positions in the vertical direction, ie in the axial direction parallel to the vertical axis of rotation of the turntable 7 (Z axis) by a drive 14 (FIG. 1) is, namely between
- einer oberen Ausgangsstellung, in der sich das untere Ende des Pick-Up-Elementes 13 auf einem Niveau oberhalb der Ebene der Umlaufbahn der Nester 10 befindet,an upper starting position in which the lower end of the pick-up element 13 is at a level above the level of the orbit of the nests 10,
- einer unterste Hubstellung, in der sich das untere Ende des Pick-Up-Elementes 13 zur Aufnahme jeweils eines Bauelementes 2 auf einem Niveau unterhalb der Bewegungsebene der Nester 10 befindet, unda lowermost stroke position, in which the lower end of the pick-up element 13 for receiving one component 2 each is at a level below the plane of movement of the nests 10, and
- einer dazwischen liegenden Hubstellung, in der sich das untere Ende des Pick-Up- Elementes 13 zur Ablage eines Bauelementes 2 in ein Nest 10 etwa in der Bewegungsebene der Nester 10 befindet.- An intermediate stroke position, in which the lower end of the pick-up element 13 for depositing a component 2 in a nest 10 is approximately in the plane of movement of the nests 10.
Die Anordnung ist weiterhin so getroffen, daß sich die Aufnahmeposition 1 1 unterhalb der Bewegungsbahn der Halter 9 befindet. Das Pick-Up-Element ist mit seiner vertikalen Mittelachse auf einem gedachten Kreisbogen um die Drehachse des Drehtellers 7 angeordnet, der durch die Mitte der Nester 10 hindurchgeht.The arrangement is also such that the receiving position 1 1 is below the path of movement of the holder 9. The pick-up element is arranged with its vertical central axis on an imaginary circular arc around the axis of rotation of the turntable 7, which passes through the center of the nests 10.
Das Pick-Up-Element 13 befindet sich an der Aufnahmeposition 1 1 unmittelbar über dem Gurt 12 und wird synchron mit der Drehbewegung des Drehtellers bewegt. In jedem Arbeitstakt beginnend mit einer Stellung des Drehtellers 7, in der sich kein Nest 10 über der Aufnahmeposition 1 1 befindet, wird das Pick-Up-Element 13 zunächst in die unterste Position zur Aufnahme des in dem Gurtes 12 bereitstehenden Bauelementes 2 bewegt und anschließend zurück in die oberste Position, so daß dann nach erfolgtem Drehschritt des Drehtellers 7 durch Absenken des Pick-Up-Elementes 13 das betreffende Bauelement 2 in das bereitstehende Nest 10 eingebracht werden
kann. Im Anschluß daran wird das Pick-Up-Element 13 wieder in die oberste Position bewegt, aus der es in einem neuen Arbeitstakt nach einem weiteren Drehschritt des Drehtellers 7 wieder zwischen zwei am Umfang des Drehtellers 7 aufeinander folgende Halter 9 hindurch bis an ein neues, an der Aufnahmeposition 1 1 bereitstehendes Bauelementes 2 abgesenkt werden kann.The pick-up element 13 is located in the receiving position 11 directly above the belt 12 and is moved synchronously with the rotary movement of the turntable. In each work cycle starting with a position of the turntable 7, in which there is no nest 10 above the receiving position 11, the pick-up element 13 is first moved into the lowest position for receiving the component 2 provided in the belt 12 and then back to the uppermost position, so that after the rotary step of the turntable 7 has been completed, the component 2 in question is introduced into the ready nest 10 by lowering the pick-up element 13 can. Subsequently, the pick-up element 13 is moved again into the uppermost position, from which it is again in a new work cycle after a further turning step of the turntable 7 between two successive holders 9 on the periphery of the turntable 7 until a new, at the receiving position 1 1 available component 2 can be lowered.
Durch die beschriebene Ausbildung und Arbeitsweise sind für das Pick-Up-Element 13 lediglich kurze Hübe in nur einer Achsrichtung, nämlich in der vertikalen Achse notwendig, so daß in kurzer Zeit eine Vielzahl von Bauelementen 2 aus dem Gurt 12 in jeweils ein Nest 10 des Drehtellers 7 übertragen werden können.Due to the described design and method of operation, only short strokes in only one axial direction, namely in the vertical axis, are necessary for the pick-up element 13, so that in a short time a large number of components 2 from the belt 12 into a nest 10 each Turntable 7 can be transferred.
Mit dem Drehteller 7, der durch den Antrieb 8 bei der für die Figur 2 gewählten Darstellung im Uhrzeigersinn (Pfeil A) angetrieben wird, gelangen die Bauelemente 2 an die Bondposition 15, an der jeweils eine Baugruppe 3 in einer genau vorgegebenen Position und Orientierung bereitsteht. Die Baugruppen 3 sind bei der dargestellten Ausführungsform in Aufnahmen 16 eines Transportbandes 1 7 angeordnet, welches getaktet und mit hoher Genauigkeit in Richtung des Pfeiles B bewegt wird, und zwar derart, daß dieses Transportband bzw. dessen horizontale Förderrichtung B an der Bondposition 15 tangential zur kreisförmigen Bewegungsbahn der Halter 9 bzw. Nester 10 verläuft. Ebenso wie die Aufnahmeposition 1 1 befindet sich auch die Bondposition 15 in einer Ebene unterhalb der Ebene der Umlaufbahn der Halter 9 und Nester 10. An der Bondposition 1 5 ist ein Pick-Up-Element 18 vorgesehen, welches bei der dargestellten Ausführungsform als Zange ausgebildet ist und mit dem jedes an der Bondposition 15 in einem Nest 10 bereitstehende Bauelement 2 aus diesem Nest entnommen und hochpräzise auf der an der Bondposition 1 5 bereitstehenden Baugruppe 3 an einer vorgegebenen Position und in einer vorgegebenen Orientierung aufgesetzt und solange gehalten wird, bis das Verbinden (Bonden) des Bauelementes 2
mit der Baugruppe 3 in der jeweils gewählten Weise, beispielsweise durch Verkleben, Verlöten oder Verschweißen unter Verwendung eines Laserstrahls usw. erfolgt ist.With the turntable 7, which is driven by the drive 8 in the clockwise direction (arrow A) selected for FIG. 2, the components 2 reach the bonding position 15, at each of which an assembly 3 is available in a precisely predetermined position and orientation , The assemblies 3 are arranged in the embodiment shown in receptacles 16 of a conveyor belt 17, which is clocked and moved with high accuracy in the direction of arrow B, in such a way that this conveyor belt or its horizontal conveying direction B at the bond position 15 tangential to circular movement path of the holder 9 or nests 10 runs. Just like the pick-up position 11, the bond position 15 is also in a plane below the plane of the orbit of the holders 9 and nests 10. At the bond position 15, a pick-up element 18 is provided, which in the embodiment shown is designed as pliers and with which each component 2 at the bond position 15 in a nest 10 is removed from this nest and placed with high precision on the module 3 at the bond position 15 at a predetermined position and in a predetermined orientation and held until the connection (Bonding) the component 2 with the assembly 3 in the chosen manner, for example by gluing, soldering or welding using a laser beam, etc.
Das Pick-Up-Element 18 ist hierfür an einem Pick-Up-Kopf 19 vorgesehen, der eine gesteuerte Bewegung des Pick-Up-Elementes 18 nicht nur in der vertikalen Z-Achse, sondern auch in der X-Achse und der Y-Achse sowie ggf. auch ein Drehen um die Z- Achse ermöglicht.For this purpose, the pick-up element 18 is provided on a pick-up head 19, which controls a controlled movement of the pick-up element 18 not only in the vertical Z-axis, but also in the X-axis and the Y- Axis and possibly also a rotation around the Z axis.
- In vertikaler Richtung (Z-Achse) ist das Pick-Up-Element 18 wiederum im wesentlichen zwischen drei Stellungen bewegbar, und zwar zwischen- In the vertical direction (Z axis), the pick-up element 18 can in turn be moved essentially between three positions, namely between
- einer oberen Ausgangsstellung, in der sich das Pick-Up-Element 18 oberhalb der Bewegungsbahn der Nester 10 befindet,an upper starting position in which the pick-up element 18 is located above the path of movement of the nests 10,
- einer ersten, abgesenkten Stellung, in der das Pick-Up-Element 18 auf die Nester 10 zum Greifen eines Bauelementes 2 abgesenkt ist, sowiea first, lowered position, in which the pick-up element 18 is lowered onto the nests 10 for gripping a component 2, and
- einer dritten Stellung, in der das Pick-Up-Element zum Aufsetzen des Bauelementes 2 auf eine Baugruppe 3 bis auf die Ebene dieser Baugruppen 3 abgesenkt ist.- A third position in which the pick-up element for placing the component 2 on a module 3 is lowered to the level of these modules 3.
Im Detail erfolgt die Arbeitsweise so, daß dann, wenn sich ein Nest 10 an der Bondposition 15 und unterhalb des in die Ausgangsstellung angehobenen Pick-Up- Elementes 18 befindet, dieses abgesenkt wird, um zwar zum Greifen des Bauelementes 2. Im Anschluß daran wird das Pick-Up-Element 18 wieder angehoben und nach erfolgtem Drehschritt des Drehtellers 7 auf die Baugruppe 3 abgesenkt, so daß dort dann das Bauelement 2 in der erforderlichen Positionierung und Ausrichtung aufgesetzt wird.In detail, the method of operation is such that when a nest 10 is at the bond position 15 and below the pick-up element 18 which has been raised to the starting position, the latter is lowered, namely to grasp the component 2. Subsequently, it becomes the pick-up element 18 is raised again and, after the turntable 7 has been rotated, lowered onto the assembly 3, so that the component 2 is then placed there in the required positioning and orientation.
Das Entnehmen der Bauelemente 2 aus den Nestern 10 und das Absetzen dieser Bauelemente auf die jeweilige Baugruppe 3 erfolgt wiederum im wesentlichen nur durch Hübe des Pick-Up-Elementes 18 in vertikaler Richtung (Z-Achse). Lediglich zum
lagegenauen Ausrichten des jeweiligen Bauelementes 2 vor dem eigentlichen Bonden erfolgt auch evtl. eine Bewegung des Bauelementes 2 in der X- und/oder Y-Achse und/oder ein Drehen um die Z-Achse. Die Steuerung hierbei erfolgt durch ein Vision- System 20, welches im wesentlichen aus wenigstens einer Videokamera und einer mit dieser zusammenarbeitenden Bildverarbeitung besteht. Dieses Vision-System 20 ist, wie in der Figur 3 auch angedeutet, so ausgeführt, daß mit dem System beim Bonden das von dem Pick-Up-Element 18 gehaltene Bauelement 2, aber auch die Baugruppe 3 erfaßt werden, so daß dann durch entsprechende Ansteuerung des Pick-Up-Kopfes 19 und damit des Pick-Up-Elementes 18 ein Ausrichten des Bauelementes 2 zu vorgegebenen Markierungen, Kanten usw. an der Baugruppe 3 erfolgen kann (beispielsweise Kante 21 der Figur 3). Um die hohe Genauigkeit zu erreichen befindet sich das Visionsystem mit seiner optischen Achse (Z-Achse) exakt oberhalb der Bondposition 15 und erfaßt den Arbeitsbereich (Bondposition 15) beim Ablegen und Bonden durch den Zwischenraum zwischen zwei Trägern 9. Wie dargestellt, ist das Pick-Up-Element 18 so ausgebildet, daß es schräg aus dem Blickbereich des Vision- Systems 20 herausgeführt ist und sich auch der Pick-Up-Kopf 19 außerhalb des Bildbereiches dieses Systems befindet.The removal of the components 2 from the nests 10 and the placement of these components on the respective assembly 3 again takes place essentially only by lifting the pick-up element 18 in the vertical direction (Z axis). Only for the precise alignment of the respective component 2 before the actual bonding may also result in a movement of the component 2 in the X and / or Y axis and / or a rotation about the Z axis. The control here is carried out by a vision system 20, which essentially consists of at least one video camera and an image processing system which cooperates with it. As also indicated in FIG. 3, this vision system 20 is designed in such a way that the component 2 held by the pick-up element 18, but also the assembly 3, are detected with the system during bonding, so that then by appropriate Activation of the pick-up head 19 and thus the pick-up element 18 can align the component 2 to predetermined markings, edges, etc. on the assembly 3 (for example edge 21 of FIG. 3). In order to achieve high accuracy, the vision system with its optical axis (Z-axis) is located exactly above the bond position 15 and covers the working area (bond position 15) when it is deposited and bonded through the space between two carriers 9. As shown, the pick is -Up element 18 designed so that it is led out obliquely from the field of vision of the vision system 20 and the pick-up head 19 is outside the image area of this system.
Jeder Arbeitstakt der Vorrichtung 1 , bei dem an der Pick-Up bzw. Aufnahmeposition 1 1 Einbauelement 2 mit dem dortigen Pick-Up-Element 13 aus dem Gurt 12 entnommen und in ein Nest 10 eingesetzt wird und bei dem an der Bondposition 15 ein an dem dortigen Pick-Up-Element 18 gehaltenes Bauelement auf eine Baugruppe 3 aufgesetzt und dann für den nächstfolgenden Arbeitstakt ein weiteres Bauelement aus einem Nest 10 entnommen wird, umfaßt also zwei Phasen und zwei Drehschritte des Drehtellers 7, wobei in der ersten Phase an der Aufnahmeposition 1 1 das Aufnehmen eines Bauelementes 2 aus dem Gurt 12 und gleichzeitig an der Bondposition 15 das Aufbringen eines Bauelementes 2 auf eine Baugruppe 3 erfolgen und in der zweiten Phase das Ablegen eines Bauelementes 2 in ein Nest 10 und an der Bondposition das
Entnehmen eines Bauelementes 2 für den nächstfolgenden Arbeitstakt. In jeder Phase bewegen sich die Pick-Up-Elemente 13 und 18 jeweils aus ihrer oberen Stellung in eine der unteren Stellungen und wieder zurück in die obere Stellung.Each work cycle of the device 1, in which at the pick-up or pick-up position 1 1, the installation element 2 with the pick-up element 13 there is removed from the belt 12 and inserted into a nest 10 and at which at the bond position 15 an the component held there pick-up element 18 placed on an assembly 3 and then another component is removed from a nest 10 for the next working cycle, thus comprises two phases and two rotary steps of the turntable 7, in the first phase at the receiving position 1 1 the picking up of a component 2 from the belt 12 and at the same time at the bonding position 15 the application of a component 2 to an assembly 3 and in the second phase the depositing of a component 2 in a nest 10 and at the bonding position Removing a component 2 for the next working cycle. In each phase, the pick-up elements 13 and 18 each move from their upper position into one of the lower positions and back again into the upper position.
Grundsätzlich besteht natürlich die Möglichkeit, daß die vertikale Bewegung (Z-Achse) auch des Pick-Up-Elementes 18 durch den Antrieb 14 bewirkt wird. Weiterhin besteht die Möglichkeit ein Vision-System 22 beispielsweise für die Überwachung der ordnungsgemäßen Arbeitsweise auch im Bereich der Aufnahmeposition 1 1 vorzusehen sowie ein weiteres Vision-System 23 in Drehrichtung A des Drehtellers 7 nach der Bondposition 15, um beispielsweise die Nester 10 zu überwachen und ein evtl. in einem Nest 10 verbliebenes Bauelement 2 zu erfassen, und zwar zur Erzeugung einer Fehlermeldung. Weiterhin kann das Vision-System 22 auch die Funktion des Vision- Systems 20 übernehmen, wenn im Bereich des Vision-Systems 23 eine Bondposition gebildet ist, und zwar bei einer anderen Anwendung der Vorrichtung 1 .In principle, there is of course the possibility that the vertical movement (Z axis) of the pick-up element 18 is also effected by the drive 14. Furthermore, there is the possibility of providing a vision system 22, for example for monitoring the proper functioning, also in the area of the receiving position 11 and a further vision system 23 in the direction of rotation A of the turntable 7 after the bonding position 15, for example to monitor the nests 10 and to detect a component 2 possibly remaining in a nest 10, specifically to generate an error message. Furthermore, the vision system 22 can also take over the function of the vision system 20 if a bond position is formed in the area of the vision system 23, specifically in another application of the device 1.
Der Vorteil der Vorrichtung 1 besteht im wesentlichen darin, daß mit dieser Vorrichtung 1 mit hoher Leistung die Bauelemente 2 hochpräzise auf den Baugruppen 3 positioniert und gebondet werden. Die hohe Leistung ergibt sich insbesondere dadurch, daß für die Pick-Up-Elemente 13 und 18 im wesentlichen nur kurze Hübe in vertikaler Richtung (Z-Achse) notwendig sind und für das Pick-Up-Element 18 zusätzlich lediglich zur Justage in μm-Bereich auch in Richtung der X-Achse sowie Y- Achse beweglich und ggf. um die Z-Achse drehbar ist, und zwar jeweils um einen geringen Betrag.The advantage of the device 1 consists essentially in the fact that with this device 1 the components 2 are positioned and bonded to the assemblies 3 with high precision. The high output results in particular from the fact that essentially only short strokes in the vertical direction (Z axis) are necessary for the pick-up elements 13 and 18 and for the pick-up element 18 additionally only for adjustment in μm. Range is also movable in the direction of the X-axis and Y-axis and, if necessary, rotatable about the Z-axis, in each case by a small amount.
Die Baugruppen 3, die einem Magazin 24 entnommen werden, werden nach dem Bonden der Bauelemente 2 mit dem Transporteur 17 der weiteren Verarbeitung bzw. Montage zugeführt. An dem Transporteur 17 befinden sich verschiedenste Überwachungs- und Meßelemente oder -postionen.
Die Figur 6 zeigt in vereinfachter Darstellung nochmals die Bondposition 15a bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese, in der Figur 6 allgemein mit 1 a bezeichnete Vorrichtung entspricht in ihrer Ausbildung der Vorrichtung 1, allerdings mit einer etwas anderen Ausbildung der Bondposition 15a. An dieser Position werden mit Hilfe des Pick-Up-Elementes 18 Bauelemente in Form von Laserdioden 6 auf das Substrat 4 in einer genau vorgegebenen Position aufgesetzt, und zwar wiederum überwacht durch das Vision-System 20 und orientiert zu vorgegebenen Referenzpunkten bzw. Kanten 21 auf dem Substrat 4 (Figur 7). Die Besonderheit der Ausführung der Figur 6 besteht darin, daß das Werkzeug bzw. Pick- Up-Element 18 an einem Werkzeugträger 25 vorgesehen ist, der mit einem Drehlager 26 um die Z-Achse drehbar an einem Arm 27 befestigt ist. Der Arm 27, auf dem auch ein Sensor 28 zur Messung der Bond-Kraft vorgesehen ist, ist mit einem X/Y-Antrieb des ansonsten nicht dargestellten Pick-Up- Kopfes für die Bewegung in der X-Achse und Y-Achse verbunden. Der Träger 25 ist mit einem nicht dargestellten Stellantrieb um die Z-Achse drehbar. Der Sensor 28 ist beispielsweise ein solcher mit einem Dehnungs- Meß-Streifen.The assemblies 3, which are removed from a magazine 24, are fed with the transporter 17 for further processing or assembly after the components 2 have been bonded. Various monitoring and measuring elements or positions are located on the conveyor 17. FIG. 6 shows the bond position 15a again in a simplified representation in a further possible embodiment of the device according to the invention. This device, generally designated 1 a in FIG. 6, corresponds in its design to device 1, but with a somewhat different design to bond position 15 a. At this position, with the aid of the pick-up element 18, components in the form of laser diodes 6 are placed on the substrate 4 in a precisely predetermined position, specifically monitored by the vision system 20 and oriented to predetermined reference points or edges 21 the substrate 4 (Figure 7). The special feature of the embodiment in FIG. 6 is that the tool or pick-up element 18 is provided on a tool carrier 25 which is fastened to an arm 27 by means of a rotary bearing 26 so that it can rotate about the Z axis. The arm 27, on which a sensor 28 for measuring the bond force is also provided, is connected to an X / Y drive of the otherwise not shown pick-up head for movement in the X-axis and Y-axis. The carrier 25 can be rotated about the Z axis with an actuator (not shown). The sensor 28 is, for example, one with a strain gauge.
Im Träger 25 ist eine mittige Öffnung 29 vorgesehen, durch die das Vision-System 20 sowohl das Substrat 4 als auch das Bauelement, nämlich die Laserdiode 6 erfaßt, insbesondere auch beim Justieren und Bonden. Das Bonden selbst, d.h. die Bond- Verbindung zwischen der Laserdiode 6 und dem Substrat 4 erfolgt durch eutektisches Bonden oder Löten, und zwar unter Verwendung eines Laserstrahls 30, mit dem das Substrat 4 hierfür partiell erhitzt wird. Selbstverständlich sind auch hier wiederum andere Verbindungen, beispielsweise Klebeverbindungen möglich.A central opening 29 is provided in the carrier 25, through which the vision system 20 detects both the substrate 4 and the component, namely the laser diode 6, in particular also during adjustment and bonding. The bonding itself, i.e. the bond connection between the laser diode 6 and the substrate 4 takes place by eutectic bonding or soldering, using a laser beam 30 with which the substrate 4 is partially heated for this purpose. Other connections, for example adhesive connections, are of course also possible here.
Die Figur 8 zeigt als weitere mögliche Ausführungsform die Bondposition 15b einer ansonsten nicht näher dargestellten Vorrichtung 1 b, mit der Bauelemente in Form
spezieller optischer Elemente 31 auf Baugruppen 3b mit jeweils einer Laserdiode 6 und einem Abstandhalter 32 montiert werden, wobei der Abstandhalter 32 an einer Fläche 33 als optischer Spiegel ausgebildet ist. Zum Ausrichten und Bonden des Bauelementes 31 , welches auch eine Linse 34 aufweist, die exakt im Strahlengang des am Spiegel 33 in Richtung der Z-Achse reflektierten Laserstrahls 6' der Laserdiode 6 zentriert werden muß, weist die Bondposition 15b u.a. auch elektrische Kontakte 35 auf, über die die Laserdiode 6 an eine Spannungsquelle anschließbar ist. Mit Hilfe des Vision-System 20, welches auch den mittels der Linse 34 kollimierten oder fokussierten Laserstrahl 6' der Laserdiode 6 erfaßt wird das Bauelement 31 so positioniert, daß die angestrebte optimale Fokussierung bzw. Kollimierung dieses Laserstrahls erreicht ist. Anstelle des Pick-Up-Elementes 18 ist ein Pick-Up-Element 18b verwendet, welches als Vakuumhalter ausgeführt ist und aus einem lichtdurchlässigen Material, beispielsweise aus Glas besteht, so daß auf jeden Fall der durch die Linse 34 hindurchtretende Laserstrahl 6' von dem Vision-System 20 erfaßt werden kann. Im Strahlengang dieses Laserstrahls 6' ist bei der dargestellten Ausführungsform weiterhin ein halb durchlässiger Spiegel 36 vorgesehen, über den ein äußerer Laserstrahl 36 eines seitlich angeordneten Lasers auf den Abstandhalter 32 gerichtet werden kann, um durch Erhitzen dieses Abstandhalters 32 eine eutektische Bondverbindung herzustellen oder aber einen für diese Bondverbindung verwendeten Kleber auszuhärten usw.FIG. 8 shows, as a further possible embodiment, the bond position 15b of an otherwise not shown device 1b, with the components in shape special optical elements 31 are mounted on assemblies 3b, each with a laser diode 6 and a spacer 32, the spacer 32 being formed on an area 33 as an optical mirror. For aligning and bonding the component 31, which also has a lens 34, which must be centered exactly in the beam path of the laser beam 6 'of the laser diode 6 reflected on the mirror 33 in the direction of the Z axis, the bonding position 15b also has, among other things, electrical contacts 35 , via which the laser diode 6 can be connected to a voltage source. With the help of the vision system 20, which also detects the laser beam 6 ′ of the laser diode 6 that is collimated or focused by means of the lens 34, the component 31 is positioned in such a way that the desired optimal focusing or collimation of this laser beam is achieved. Instead of the pick-up element 18, a pick-up element 18b is used, which is designed as a vacuum holder and consists of a translucent material, for example glass, so that in any case the laser beam 6 'passing through the lens 34 from the Vision system 20 can be captured. In the beam path of this laser beam 6 ', a semitransparent mirror 36 is also provided in the illustrated embodiment, via which an outer laser beam 36 of a laterally arranged laser can be directed onto the spacer 32 in order to produce a eutectic bond connection by heating this spacer 32 or else one cure the adhesive used for this bond, etc.
Die Figuren 9 und 10 zeigen sehr schematisch eine Vorrichtung 1 c, die sich von der Vorrichtung 1 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß die Aufnahmeposition 1 1 c und die Bondposition 15c bezüglich der vertikalen Drehachse des Drehtellers 7 einander diametral gegenüberliegend vorgesehen sind, daß anstelle der in gegürteter Form zugeführten Bauelemente 2 von einem Wafer 38 durch Abtrennen erhaltene Chips 38 verarbeitet bzw. auf den an der Bondposition 15 vorbei bewegten Substraten 4 gebondet werden, und daß anstelle des Vision-Systems 20 das Vision-System 23 an der Bondposition 15c das Absetzen der Chips 38 auf die Substrate 4 und das dortige
Bonden überwacht und das vorgesehene Pick-Up-Element in der erforderlichen Weise steuert. Um die von dem Wafer 37 gebildeten Chips nacheinander abzuarbeiten, ist der Wafer 37 an der Aufnahmeposition 1 1 c auf einem X-Y-Tisch angeordnet, der durch das dortige Vision-System 22 in der erforderlichen Weise derart gesteuert wird, daß exakt immer ein Chip 38 mittig von dem Pick-Up-Element erfaßt wird.Figures 9 and 10 show very schematically a device 1 c, which differs from the device 1 essentially in that the receiving position 1 1 c and the bond position 15c with respect to the vertical axis of rotation of the turntable 7 are provided diametrically opposite each other that instead of the Components 2 supplied in a belted form are processed from a wafer 38 by separating chips 38 or are bonded to the substrates 4 moved past the bonding position 15, and that instead of the vision system 20, the vision system 23 is deposited at the bonding position 15c the chips 38 on the substrates 4 and the like there Bonding monitors and controls the intended pick-up element in the required manner. In order to process the chips formed by the wafer 37 one after the other, the wafer 37 is arranged at the receiving position 11 c on an XY table, which is controlled by the vision system 22 there in the required manner such that exactly one chip 38 is always present in the middle of the pick-up element.
Die Figuren 9 und 10 zeigen die oben erwähnten beiden Phasen eines Arbeitstaktes, d.h. die Figur 9 die Phase zum Aufnehmen eines Chips 38 an der Aufnahmeposition 1 1 c und zum Absetzen eines Chips 38 auf ein Substrat 4 an der Bondposition 15c bzw. die Figur 10 das Ablegen eines Chips 38 an der Aufnahmeposition 1 1 c in ein Nest 10 eines Halters 9 bzw. das Entnehmen eines Chips 38 aus einem Nest 10 an der Bondposition 15c.Figures 9 and 10 show the above two phases of a work cycle, i.e. FIG. 9 shows the phase for picking up a chip 38 at the pick-up position 11 c and placing a chip 38 on a substrate 4 at the bond position 15 c, and FIG. 10 shows the placing of a chip 38 at the pick-up position 11 c in a nest 10 a holder 9 or the removal of a chip 38 from a nest 10 at the bond position 15c.
Während die Figur 9 und 10 also einen Wafer/Substrat-Bonder zeigen, zeigt die Figur 1 1 als weitere mögliche Ausführungsform eine Vorrichtung 1 d, die ähnlich der Vorrichtung 1 c ausgebildet ist, allerdings als Wafer/Wafer-Bonder, bei dem die Chips 38 des Wafers 37 an der Aufnahmeposition 1 1d jeweils auf Chips 38 eines Wafers 40 an der Bondposition 15d lagegenau aufgesetzt und gebondet werden. Bei dieser Ausführung befindet sich der Wafer 40 ebenfalls an einem X-Y-Tisch, der durch das Vision-System 23 exakt gesteuert wird, wobei das an der Bondposition 15d vorhandene Pick-Up-Element vorzugsweise ebenfalls eine justagebewegung in der X- Achse und Y-Achse ausführt, gegebenenfalls auch eine Justage-Drehbewegung um die Z-Achse. Die Justage-Bewegungen sowie auch die Bewegungen des X-Y-Tisches für den Wafer 40 sind durch das Vision-System 22 bzw. 23 gesteuert.While FIGS. 9 and 10 thus show a wafer / substrate bonder, FIG. 1 1 shows, as a further possible embodiment, a device 1 d which is designed similarly to device 1 c, but as a wafer / wafer bonder in which the chips 38 of the wafer 37 at the receiving position 11d are each placed on chips 38 of a wafer 40 at the bonding position 15d and bonded in an exact position. In this embodiment, the wafer 40 is also located on an XY table, which is precisely controlled by the vision system 23, the pick-up element present at the bond position 15d preferably also making an adjustment movement in the X-axis and Y- Axis executes, if necessary also an adjustment rotary movement about the Z axis. The adjustment movements and also the movements of the X-Y table for the wafer 40 are controlled by the vision system 22 or 23.
Die Erfindung wurde voranstehend an verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke verlassen wird.
so sind beispielsweise anstelle der beschriebenen Pick-Up-Elemente auch andere, geeignete Werkzeuge verwendbar, die dann beispielsweise als Greifzangen, Vakuum- Halter usw. ausgeführt sind.The invention has been described above using various exemplary embodiments. It goes without saying that numerous changes and modifications are possible without departing from the concept on which the invention is based. For example, instead of the described pick-up elements, other suitable tools can also be used, which are then designed, for example, as gripping tongs, vacuum holders etc.
Weiterhin können anstelle des in der Figur 8 beschriebenen aktiven Justageverfahrens, bei dem über das Vision-System 20 der Laserstrahl 6' der auf dem Substrat 4 bereits montierten Laserdiode 6 überwacht wird, auch andere Maßnahmen für die aktive Justage des Bauelementes 31 verwendet sein, beispielsweise optisch wirksame Strukturen oder Flächen an dem Bauelement, die bei unterschiedlicher Positionierung des Bauelementes 1 eine unterschiedliche Sicht des von dem Laserdiode 6 gelieferten Laserstrahles usw. bewirken.
Furthermore, instead of the active adjustment method described in FIG. 8, in which the laser beam 6 ′ of the laser diode 6 already mounted on the substrate 4 is monitored via the vision system 20, other measures for the active adjustment of the component 31 can also be used, for example optically effective structures or surfaces on the component which, when the component 1 is positioned differently, bring about a different view of the laser beam supplied by the laser diode 6, etc.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
, 1 a, 1 b, 1 c, 1 d Vorrichtung, 1 a, 1 b, 1 c, 1 d device
Bauelement , 3b BaugruppeComponent, 3b assembly
Substratsubstratum
Abstandhalterspacer
Laserdiode ' LaserstrahlLaser diode 'laser beam
Drehtellerturntable
DrehtellerschrittantriebTurntable stepper drive
Halterholder
Nest 1 , 1 1 c, 11d Pick-Up- oder Aufnahmeposition 2 Gurt 3 Pick-Up-Element 4 Antrieb 5, 15a, 15b, 15c, 15d Bondposition 6 Aufnahme für Baugruppen 7 Transporteur 8, 18a, 18b Pick-Up-Element 9 Pick-Up-Kopf 0 Vision-System 1 Kante oder Bezugspunkt 2, 23 Vision-System 4 Magazin 5 Werkzeugträger 6 Drehlager
27 HaltearmNest 1, 1 1 c, 11d pick-up or pick-up position 2 belt 3 pick-up element 4 drive 5, 15a, 15b, 15c, 15d bond position 6 pick-up for assemblies 7 transporter 8, 18a, 18b pick-up element 9 Pick-up head 0 Vision system 1 Edge or reference point 2, 23 Vision system 4 Magazine 5 Tool holder 6 Rotary bearing 27 holding arm
28 Kraftsensor28 force sensor
29 Öffnung29 opening
30 Laserstrahl30 laser beam
31 Bauelement31 component
32 Abstandhalter32 spacers
33 Spiegelfläche33 mirror surface
34 Linse34 lens
35 Kontakt35 contact
36 Laserstrahl36 laser beam
37 Wafer37 wafers
38 Chip38 chip
39 Chip39 chip
40 Wafer
40 wafers