WO2003028426A1 - Handhabungsvorrichtung für bestückelemente, bestücksystem sowie verfahren zum bestücken von bestückelementen auf substrate - Google Patents

Handhabungsvorrichtung für bestückelemente, bestücksystem sowie verfahren zum bestücken von bestückelementen auf substrate Download PDF

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WO2003028426A1
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placement
elements
handling device
head
rotation
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Yim Bun Patrick Kwan
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/04—Mounting of components, e.g. of leadless components
    • H05K13/0404—Pick-and-place heads or apparatus, e.g. with jaws
    • H05K13/0408—Incorporating a pick-up tool
    • H05K13/041—Incorporating a pick-up tool having multiple pick-up tools
    • H—ELECTRICITY
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    • H05K13/04—Mounting of components, e.g. of leadless components
    • H05K13/046—Surface mounting

Definitions

  • Handling device for placement elements for placement elements, placement system and method for placing placement elements on substrates
  • the invention relates to a handling device for placement elements, a placement system and a method for placing placement elements on substrates, placement devices being removed from the first level and provided in a second level by the handling device, which includes an angle of intersection with the first level.
  • Flip-chips are mostly housing-less semiconductor substrates, which usually have to be removed directly from the semiconductor wafer with which they were produced.
  • a plurality of flip chips are formed on such a semiconductor wafer in such a way that the connection points of the flip chips come to lie on the surface of the wafer from which the flip chips are removed. It is therefore necessary to subject the flip chips to a so-called turning or flip process, so that the connection points of the flip chips can come into contact with a substrate and can be connected to it in an electrically conductive manner, for example by means of a soldering process.
  • both flip chips, hybrid chips and / or electrical components are referred to as placement elements.
  • placement elements Several methods are known, in a placement process, to first turn placement elements about one of their axes before they are placed on a predetermined placement position on a substrate.
  • the handling device according to the invention for placement elements makes it possible to continuously move placement elements from a first position in a first plane to a second position in a second plane, the first plane and the second plane having an intersection angle.
  • the handling device according to the invention has a stationary axis of rotation about which it can be rotated with a predetermined direction of rotation.
  • Placement elements especially housing-less semiconductor chips, such as. B. flip chips or bar dies, can be picked up from a position of the first level, in particular a semiconductor wafer, by means of a plurality of grippers of the handling device at a receiving position at which the handling device can be fixed. In particular, between 2 and 8 grippers are provided on the handling device.
  • An output position, at which the handling device can also be fixed, is circumferentially spaced from the receiving position.
  • the handling device according to the invention makes it possible to continuously pick and place placement elements from a first position of the first level and to deliver them to a second position of the second level, wherein moving the handling device back and forth is avoided, since the handling device according to the invention and the intended one have a uniform direction of rotation
  • a plurality of grippers of the handling device ensure What is achieved is that the placement elements can be removed quickly and with little space requirement.
  • the plurality of grippers of the handling device are equally distributed around the axis of rotation along the circumference of the handling device. This ensures that by rotating the handling device and a predetermined angle corresponding to the distance between two grippers along the circumference, an empty gripper always comes to rest at the receiving position and a gripper provided with a placement element comes to rest at the dispensing position.
  • the placement system according to the invention has the handling device according to the invention and a placement head from which the placement elements can be removed at the dispensing position of the handling device and from which the placement elements can be moved to a predetermined placement position on a substrate to be equipped.
  • the handling device according to the invention ensures that only a single device for removing and rotating the placement elements is required.
  • the placement elements can be removed from the placement head of the placement system at the delivery position of the handling device and can be moved from there directly or with the interposition of one or more workstations to the predetermined placement position.
  • the placement head has, for example, a plurality of grippers which are arranged circumferentially equally spaced around an axis of rotation of the placement head.
  • the grippers can each be moved essentially parallel to the axis of rotation of the placement head.
  • the axis of rotation of the placement head is preferably arranged essentially perpendicular to the axis of rotation of the handling device.
  • One or more of the workstations can be arranged between the delivery position of the handling device and the placement position along the circumference of the placement head, which the grippers of the placement head move during rotation about its axis of rotation.
  • a measuring station, a turning station and / or an application station can be provided as work stations.
  • the position of the placement element relative to the gripper on which the placement element is held can, for example, be determined by the measuring station.
  • the gripper holding the placement element can be rotated about its longitudinal axis, which makes it possible to largely compensate for a deviation of the placement element relative to the gripper from a predetermined desired position by rotating the gripper.
  • soldering means can be applied from the application station to the same placement elements as placement elements before the placement elements are placed on the substrate to be assembled. This also saves process time and footprint of the placement system according to the invention.
  • the workstations of the placement system according to the invention can, for example, be arranged at the same distance from one another about the axis of rotation of the placement head in accordance with the distance between the grippers of the placement head. This saves additional distances that would otherwise have to be covered between the gripper and the placement head and the work station. This further increases the placement speed.
  • the number of workstations can be optimized depending on the space required between the grippers, the number of process steps, etc.
  • the placement elements are removed, for example, from a first plane parallel to the axis of rotation of the placement head and assembled in a second plane parallel to the axis of rotation of the handling device.
  • the inventive method for equipping placement elements on substrates makes it possible to quickly equip the placement elements on the substrates using the two continuously operating components of the placement system according to the invention.
  • the handling device according to the invention for removing the placement elements from a first level and providing the placement elements at a second second level arranged at an angle to the first level, and the placement head, from which the placement elements provided can be brought to the placement position via one or more workstations , operated continuously.
  • the speed advantage in the method according to the invention results from the fact that while a removed placement element is taken over by the gripper of the placement head at the delivery position by the handling device, at the same time a further placement element can be removed from a position in the first level by means of the handling device.
  • a placement element is moved from the placement head to a placement position
  • another placement element can simultaneously be moved from the output position of the handling device to a work station.
  • further parallelized process steps are also possible, for example, by arranging further work stations along the circumference of the placement head, which Chen describe the grippers of the placement head during rotation about the axis of rotation of the placement head.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a preferred embodiment of the placement system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic partial side view of the preferred embodiment of the placement system according to the invention
  • FIG. 3 shows a flow diagram of the placement method according to the invention using the placement system according to the preferred embodiment
  • FIGS. 4a to 4d a conventional one Placement device according to the prior art in a schematic side view.
  • FIGS. 4a to 4d A placement method according to US Pat. No. 6,171,049 can be seen from FIGS. 4a to 4d.
  • the corresponding known device has a turning station 6, a removal tool 7, a placement tool 8, a swivel arm 24 and a wafer 28.
  • a placement element is removed from the wafer 28 by means of the removal tool 7.
  • the swivel arm 24 is swiveled downward by 45 ° and at the same time the swivel station 6, to which a placement element has already been attached, is swiveled.
  • FIG. 4c a placement element is placed on a substrate (not shown) by means of the placement tool 8.
  • the placement element removed from the wafer 28 is placed on the rotating station 6 by means of the removal tool 7.
  • the swivel arm 24 is swiveled back into its starting position, while at the same time the rotating station 6 is rotated again.
  • FIGS. 1 to 3 A preferred embodiment of the invention can be seen from FIGS. 1 to 3.
  • a placement system according to the invention has a wafer 100 arranged in the X-Z plane.
  • the wafer 100 is movable in the X-Z plane.
  • a conventional drive is used for this.
  • a removal device 120 for removing placement elements from the wafer 100 is arranged on the side facing away from the wafer 100 in the Y direction.
  • the removal device 120 can be moved in the removal direction E in order to move placement elements against the Y direction from the wafer 100 to a gripper 210-3 of a handling device for placement elements 110 according to the invention.
  • the handling device 210 has an axis of rotation 215 arranged, for example, in the X direction.
  • the handling device is mounted rotatably about this axis of rotation 215 in the direction of rotation D shown by the arrow.
  • the handling device 210 has a plurality of grippers 210-1, 210-2, 210-3 and 210-4. Each time after removal of a placement element 110 with the aid of the removal device 120 by the handling device 210, the handling device 210 is rotated in the direction of rotation D by a division, ie by the circumferential distance between two grippers arranged adjacent to the handling device 210, e.g. B. 210-2 and 210-3 rotated further. This is a new removal a placement element 110 of the wafer 100 is possible by means of the empty gripper now facing the wafer.
  • the placement system has a placement head 300 which is provided with a plurality of grippers (not shown in FIG. 1).
  • the placement head 300 is rotatably mounted in a direction of rotation K about an axis of rotation 320.
  • the grippers of the placement head 300 are arranged along the circumference 330 of the placement head, so that when the placement head is rotated in the direction of rotation K, the grippers exceed the handling device 210 according to the invention and the plurality of workstations 220, 230, 240 and 250.
  • the handling device 210 can be seen here from FIG. 1 in the 12 o'clock position.
  • a measuring station 220 is arranged in the 11 o'clock position, from which the position of the removed placement element 110 relative to the gripper of the placement head 300 in the 11 o'clock position can be determined.
  • an order station 230 is in the 10 o'clock position. arranged. From the application station 230, for example, a placement element 110 held by the gripper of the placement head can be provided with solder, flux and / or an electrically conductive adhesive.
  • the application station 230 is subsequently arranged a turning station 240 in the 9 o'clock position, from which the fitting element held by the gripper can be rotated according to a desired rotational position by rotating the gripper.
  • a measuring station 250 can subsequently be provided for the substrate, of which the. Position of the substrate 400-2 to be assembled relative to the grippers of the placement head 300 or the position of the assembly elements placed on the substrate 400-2 elements 110 can be determined relative to this substrate 400-2 to be populated.
  • the placement system according to the invention is provided with a transport device, of which substrates 400-1, 400-2 or 400-3 to be assembled and / or fully or partially equipped can be transported in a transport direction T through the placement system according to the invention.
  • the transport device is e.g. a substrate indexer with clamps 410 which are arranged on the substrate, the substrates being progressively moved in the transport direction T during transport.
  • An adjusting device can additionally be provided in order to position the substrates 400-1 or 400-2 to be assembled in the X and / or in the Y direction relative to the placement head 300 according to FIG. 1 in the Z plane ,
  • the substrates to be loaded are provided with markings (not shown). These can be detected, for example, by the measuring station for the substrates 250 in order to determine the position of the substrates 400-1, 400-2 relative to the placement head 300.
  • the substrates are positioned by the adjusting device in the X, Y and ⁇ z directions so that the placement elements can be placed exactly at the intended placement position.
  • a substrate table is provided on which the substrates for positioning and transporting are arranged.
  • the substrate table has a large range of motion in the Y direction and a small range of motion in the X direction.
  • the small range of movement in the X direction serves to compensate for position deviations which are caused by the placement head 300 and / or the clips 410 of the substrate indexer.
  • FIG. 2 shows a partially schematic side view of the preferred embodiment of the placement system according to the invention.
  • a plurality of grippers 310-1 to 310-12 are arranged in the XY plane on the placement head 300, of which only the grippers 310-6, 310-10, 310-11, 310-12 are shown in FIG. All of the grippers 310-X of the placement head 300 are arranged on the placement head 300 so as to be movable in the Z direction and / or the ⁇ z direction, ie the rotation about the Z axis.
  • the grippers 310-X of the placement head 300 are each moved further by a predetermined angle in the direction of rotation K.
  • the predetermined angle is 360 ° divided by the number of grippers provided on the placement head 300.
  • the workstations 210, 220, 230 and 250 are likewise each spaced apart at an integral multiple of the predetermined angle determined by the number of grippers along the circumference 330 of the placement head 300. Therefore, by rotating the placement head in the direction of rotation K by the predetermined angle, each of the grippers 310-X is moved from one work station to the next work station, and a number of process steps of the placement process corresponding to the number of work stations can be carried out simultaneously before the placement elements 110 start up of the placement position 310-6 of the placement head 300 have been reached and are placed by the gripper 310-6 on the substrate 400-2 to be assembled.
  • the grippers 310-X can also be movable in the radial direction of the placement head 300.
  • FIG. 3 shows the time course of the placement process according to the invention using the placement device according to the invention.
  • an assembly cycle of the assembly system according to the invention essentially shows two time segments. The following steps are carried out simultaneously in the first period.
  • the wafer 100 is indexed and by means of the removal device 120 a placement element 110 of the Wafer rejected.
  • the handling device 210 is rotated further by one position in the direction of rotation D.
  • the placement head is rotated one position in the direction of rotation K.
  • the substrate 400-2 to be equipped is moved on by one step in the transport direction T.
  • a placement element 110 is removed from the wafer 100.
  • a placement element 110 located on the gripper 210-2 of the handling device 210 is transferred to the gripper 310-12 of the placement head 300.
  • a transferred placement element on the gripper 310-11 is measured at the measuring station 220.
  • a 'Be publishedelement on the gripper 310-0 of the placement head is provided with solder 300 at the application station 230th
  • a placement element 110 together with the gripper 310-9 holding the placement element is rotated at the turning station 240 by a correction angle for fine adjustment of the rotation angle of the placement element 110 about the longitudinal axis of the gripper 310-9.
  • the placement element 110 located on the gripper 310-6 is placed in the placement position of the placement head 300 on the substrate 400-2 to be assembled at the predetermined placement position.
  • the substrate 400-2 to be equipped is measured with the measuring system for substrates 250.
  • the placement system according to the invention makes it possible, for example, to carry out up to 7 individual process steps of a placement process simultaneously in parallel. This ensures a high placement speed, since the placement speed only depends on the cycle time of the placement head 300 or the longest process time of one of the individual processes at the work stations.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Handhabungsvorrichtung (210) für Bestückelemente (110), ein Bestücksystem sowie ein Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen (110) auf Substrate (400-2), bei welchem zu drehende Bestückelemente (110) mittels einer Handhabungsvorrichtung (210) in parallelisierten Prozessschritten gleichzeitig entnommen und gedreht an einen Bestückkopf (300) weitergegeben werden. Hierzu weist die Handhabungsvorrichtung (210) eine ortsfeste Drehachse (215) auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse (320) des Bestückkopfs (300) angeordnet ist. Von der Handhabungsvorrichtung (210) sind die Bestückelemente (110) entnehmbar und um eine ihrer Achsen drehbar, so dass sie von dem Bestückkopf (300) bereits gedreht übernommen werden können.

Description

Beschreibung
Handhabungsvorrichtung für Bestückelemente, Bestücksystem sowie Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen auf Substrate
Die Erfindung betrifft eine Handhabungsvorrichtung für Bestückelemente, ein Bestücksystem sowie ein Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen auf Substrate, wobei von der HandhabungsVorrichtung Bestückelemente aus einer ersten Ebene entnommen und in einer zweiten Ebene bereitgestellt werden, welche mit der ersten Ebene einen Schnittwinkel einschließt.
In letzter Zeit sind Bestückprozesse immer wichtiger geworden, bei welchen sogenannte Flip-Chips verarbeitet werden. Bei Flip-Chips handelt es sich um meist gehäuselose Halbleiter-Substrate, welche meist direkt aus dem Halbleiter-Wafer entnommen werden müssen, mit welchen zusammen sie produziert worden sind. Während der Produktion werden an einem derartigen Halbleiter-Wafer eine Mehrzahl von Flip-Chips derart ausgebildet, dass die Anschlussstellen der Flip-Chips an jener Oberfläche des Wafers zu liegen kommen, von welcher aus die Flip-Chips entnommen werden. Daher ist es erforderlich, die Flip-Chips einem sogenannten Dreh- oder Flip-Prozess zu unterziehen, so dass die Anschlussstellen der Flip-Chips mit einem Substrat in Kontakt geraten können und beispielsweise mittels eines Lötverfahrens mit diesem elektrisch leitend verbunden werden können.
Neben den Flip-Chips kann es auch bei sogenannten Hybrid- Chips erforderlich sein, diese während des Bestückprozesses um eine ihrer Achsen zu drehen. Bei den Hybrid-Chips handelt es sich um Mischformen aus teilweise blankliegendem Halbleitersubstrat mit in Gehäusen untergebrachten elektrischen oder elektronischen Bauelementen. Nachfolgend werden sowohl Flip- Chips, Hybrid-Chips und/oder elektrische Bauelemente als Bestückelemente bezeichnet. Es sind mehrere Verfahren bekannt, in einem Bestückprozess Bestückelemente zunächst um eine ihrer Achsen zu drehen, ehe sie an eine vorbesti mte Bestückposition auf einem Substrat aufgesetzt werden.
Beispielsweise ist aus US 6,171,049 bekannt, zwei Bestückköpfe auf einem gemeinsamen Schwenkarm mit einem Winkelabstand von 45° anzuordnen. Der Schwenkarm ist um eine horizontale Achse mit einer Amplitude von ebenfalls 45° drehbar. Zusätzlich ist nach der US 6,171,049 eine Drehstation vorgesehen, welche in der Mitte des Bewegungsbereichs des gemeinsamen Schwenkarms angeordnet ist. Mit einem ersten Bestückkopf kann ein Bestückelement von einem vertikal angeordneten Wafer entnommen werden und an der Drehstation platziert werden, während von dem zweiten Bestückkopf ein Bestückelement von der Drehstation entnommen und auf ein horizontales Substrat aufgesetzt werden kann. Das Drehen des Bestückelements erfolgt an der Drehstation, während der gemeinsame Schwenkarm zwischen seinen beiden Schwenkpositionen hin und her bewegt wird.
Hierbei besteht jedoch ein Nachteil darin, dass der Schwenkarm vor- und zurückbewegt werden muss, wodurch lange Prozesszeiten verursacht werden. Außerdem ist mit der Vorrichtung nach US, 6,171,049 eine weitere Parallelisierung von Prozessschritten eines Bestückprozesses nicht möglich. Bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren müssen somit weitere Prozessschritte, wie beispielsweise Aufbringen von Lotmittel oder Vermessen des Bestückelements an zusätzlich vorzusehenden Vorrichtungen durchgeführt werden. Hierdurch steigt sowohl der Flächenbedarf der Vorrichtung wie auch die Verarbeitungszeit stark an.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine HandhabungsVorrichtung, ein Bestücksystem sowie ein Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen auf Substrate anzugeben, bei welchen der Flächenbedarf reduziert und die Verarbeitungsgeschwindigkeit erhöht sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Handhabungsvorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1, ein Bestücksystem mit den Merkmalen nach Anspruch 5 sowie ein Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen auf Substrate mit den Merkmalen nach Anspruch 13. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht .
Durch die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung für Bestückelemente ist es möglich, Bestückelemente kontinuierlich von einer ersten Position in einer ersten Ebene in eine zweite Position in einer zweiten Ebene zu bewegen, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene einen Schnittwinkel aufweisen. Hierzu weist die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung eine ortsfeste Drehachse auf, um welche sie mit einem vorbestimmten Drehsinn drehbar ist. Bestückelemente, insbesondere gehäuselose Halbleiterplättchen, wie z. B. Flip-Chips oder Ba- re-Dies, können an einer Aufnahmeposition, an welcher die Handhabungsvorrichtung festlegbar ist, mittels einer Mehrzahl von Greifern der HandhabungsVorrichtung aus einer Position der ersten Ebene aufgenommen werden, insbesondere von einem Halbleiter-Wafer. Insbesondere sind zwischen 2 und 8 Greifer an der HandhabungsVorrichtung vorgesehen.
Eine Ausgabeposition, an welcher die HandhabungsVorrichtung ebenfalls festlegbar ist, ist in dem Drehsinn umfänglich von der Aufnahmeposition beabstandet. Durch die erfindungsgemäße HandhabungsVorrichtung ist es möglich, kontinuierlich Bestückelemente aus einer ersten Position der ersten Ebene aufzunehmen und an eine zweite Position der zweiten Ebene abzugeben, wobei ein Vor- und Zurückbewegen der HandhabungsVorrichtung vermieden ist, da durch den einheitlichen Drehsinn der erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung und die vorgesehene Mehrzahl von Greifern der HandhabungsVorrichtung gewähr- leistet ist, dass die Bestückelemente schnell und mit geringem Platzbedarf entnommen werden können.
Die Mehrzahl von Greifern der Handhabungsvorrichtung ist hierbei entlang dem Umfang der Handhabungsvorrichtung um die Drehachse gleich verteilt. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch Drehen der Handhabungsvorrichtung und einem vorbestimmten, dem Abstand zweier Greifer entlang des Umfangs entsprechenden Winkel immer ein leerer Greifer an der Aufnahmeposition und ein mit einem Bestückelement versehener Greifer an der Ausgabeposition zu liegen kommt.
Das erfindungsgemäße Bestücksystem weist die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung sowie einen Bestückkopf auf, von welchem die Bestückelemente an der Ausgabeposition der Handhabungsvorrichtung entnommen werden können und von welchem die Bestückelemente an eine vorbestimmte Bestückposition auf einem zu bestückenden Substrat bewegbar sind. Durch die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung ist hierbei gewährleistet, dass lediglich eine einzige Vorrichtung zum Entnehmen und Drehen der Bestückelemente erforderlich ist. Die Bestückelemente können von dem Bestückkopf des Bestücksystems an der Ausgabeposition der Handhabungsvorrichtung entnommen und von dieser aus direkt oder unter Zwischenschaltung von einer oder mehreren Arbeitsstationen an die vorbestimmte Bestückposition bewegt werden.
Der Bestuckkopf weist beispielsweise eine Mehrzahl von Greifern auf, welche um eine Drehachse des Bestückkopfs umfänglich gleich beabstandet angeordnet sind. Insbesondere sind an dem Bestückkopf zwischen 4 und 20 oder mehr Greifer vorgesehen, von welchen die Bestückelemente ergriffen bzw. abgesetzt werden ' können. Hierzu sind die Greifer jeweils im Wesentlichen parallel zur Drehachse des Bestückkopfs bewegbar. Hierbei ist bevorzugt die Drehachse des Bestuckkopfs zur Drehachse der Handhabungsvorrichtung im Wesentlichen senkrecht angeordnet . Zwischen der Ausgabeposition der Handhabungsvorrichtung und der Bestückposition können entlang des Umfanges des Bestückkopfs, welchem die Greifer des Bestückkopfs während der Drehung um dessen Drehachse beschreiten, eine oder mehrere der Arbeitsstationen angeordnet sein. Hierdurch ist eine weitgehende Parallelisierung von einzelnen Prozessschritten des Bestückprozesses mittels dem erfindungsgemäßen Bestücksystem möglich.
Als Arbeitsstationen können insbesondere eine Messstation, eine Drehstation, und/oder eine Auftragsstation vorgesehen sein. Von der Messstation kann beispielsweise die Lage des Bestückelements relativ zu- dem Greifer ermittelt werden, an welchem das Bestückelement gehalten ist. Von der Drehstation kann der das Bestückelement haltende Greifer um seine Längsachse gedreht werden, wodurch es möglich ist, eine Abweichung des Bestückelements relativ zu dem Greifer von einer vorgegebenen Sollposition durch Drehen des Greifers weitgehend auszugleichen.
Von der Auftragsstation kann beispielsweise bei Flip-Chips oder Hybrid-Chips als Bestückelementen Lotmittel auf dieselben Bestückelemente aufgebracht werden, ehe die Bestückelemente auf das zu bestückende Substrat aufgesetzt werden. Hierdurch wird zusätzlich Prozesszeit sowie Standfläche des erfindungsgemäßen Bestücksystems eingespart.
Die Arbeitsstationen des erfindungsgemäßen Bestücksystems können beispielsweise um die Drehachse des Bestückkopfs entsprechend dem Abstand der Greifer des Bestückkopfs zueinander gleich beabstandet angeordnet sein. Hierdurch werden zusätzliche Wegstrecken eingespart, welche ansonsten jeweils zwischen Greifer und des Bestückkopfs und Arbeitsstation zurückgelegt werden müssten. Somit wird hierdurch die Bestückgeschwindigkeit weiter erhöht. Die Anzahl der Arbeitsstationen ist in Abhängigkeit von dem Raumbedarf zwischen den Greifern, der Anzahl der Prozessschritte, etc. optimierbar.
Die Bestückelemente werden beispielsweise aus einer ersten, zur Drehachse des Bestückkopfs parallelen Ebene entnommen und in eine zweite, zur Drehachse der Handhabungsvorrichtung parallele Ebene bestückt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen auf Substrate ist unter Verwenden der beiden kontinuierlich arbeitenden Komponenten des erfindungsgemäßen Bestücksystems ein schnelles Bestücken der Bestückelemente auf die Substrate möglich. Dabei werden die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung zum Entnehmen der Bestückelemente aus einer ersten Ebene und Bereitstellen der Bestückelemente an einer zweiten winkelig zu der ersten Ebene angeordneten zweiten Ebene, und der Bestückkopf, von welchem die bereitgestellten Bestückelemente über eine oder mehrere Arbeitsstationen hinweg zu der Bestückposition verbracht werden können, jeweils kontinuierlich betrieben.
Insbesondere resultiert der Geschwindigkeitsvorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren daraus, dass während ein entnommenes Bestückelement an der Ausgabeposition von einem Greifer des Bestückkopfs von der Handhabungsvorrichtung übernommen wird, gleichzeitig mittels der Handhabungsvorrichtung ein weiteres Bestückelement aus einer in der ersten Ebene befindlichen Position entnommen werden kann.
Ebenso kann während von dem Bestückkopf ein Bestückelement an eine Bestückposition bewegt wird, gleichzeitig ein weiteres Bestückelement von der Ausgabeposition der HandhabungsVorrichtung zu einer Arbeitsstation bewegt werden. Erfindungsgemäß sind auch weitere parallelisierte Prozessschritte beispielsweise dadurch möglich, dass weitere Arbeitsstationen entlang des Umfangs des Bestückkopfs angeordnet werden, wel- chen die Greifer des Bestückkopfs während der Drehung um die Drehachse des Bestückkopfs beschreiben.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestücksystems, Figur 2 eine schematische teilweise Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestücksystems, Figur 3 ein Verlaufsdiagramm des erfindungsgemäßen Bestückverfahrens unter Verwenden des erfindungsgemäßen Bestücksystems nach der bevorzugten Ausführungsform, und Figur 4a bis 4d eine herkömmliche Bestückvorrichtung nach dem Stand der Technik in schematischer Seitenansicht.
Aus den Figuren 4a bis 4d ist ein Bestückverfahren nach der US 6,171,049 ersichtlich. Die entsprechende bekannte Vorrichtung weist eine Drehstation 6, ein Entnahmewerkzeug 7, ein Bestückwerkzeug 8, einen Schwenkarm 24 sowie einen Wafer 28 auf. In einem ersten Schritt wird, wie aus Figur 4a ersichtlich, mittels des Entnahmewerkzeugs 7 ein Bestückelement von dem Wafer 28 entnommen. Anschließend wird der Schwenkarm 24 um 45° nach unten geschwenkt und gleichzeitig die Drehstation 6, an welcher bereits zuvor ein Bestückelement angebracht wurde, geschwenkt. Anschließend wird, wie aus Figur 4c ersichtlich, mittels des Aufsetzwerkzeugs 8 ein Bestückelement auf einem Substrat (nicht gezeigt) aufgesetzt. Gleichzeitig wird mittels des Entnahmewerkzeugs 7 das von dem Wafer 28 entnommene Bestückelement auf die Drehstation 6 aufgesetzt. In einem vierten Schritt wird, wie aus Figur 4d ersichtlich, der Schwenkarm 24 zurück in seine Ausgangslage geschwenkt, während gleichzeitig die Drehstation 6 erneut gedreht wird.
Bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren zum Bestücken von zu drehenden Bestückelementen besteht jedoch der Nachteil, dass die HandhabungsVorrichtung 7, 8, 24 wäh- rend eines Zyklus jeweils vor- und zurückbewegt werden muss. Außerdem ist es nach der US 6,171,049 nicht möglich, mehrere Arbeitsstationen zwischen den beiden Endbereichen des Bewegungsbereichs der Handhabungsvorrichtung 7, 8, 24 anzuordnen. Um ein einziges Bestückelement auf einem Substrat zu bestücken, sind nach der US 6,171,049 vier Einzelschritte erforderlich. Hierdurch wird sehr viel Prozesszeit verbraucht. Außerdem ist diese Vorgehensweise unflexibel, da lediglich die beiden Prozessschritte Entnehmen und Drehen miteinander kombinierbar sind.
Aus den Figuren 1 bis 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ersichtlich. Wie in der schematisehen Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform aus Figur 1 ersichtlich, weist ein erfindungsgemäßen Bestücksystem einen in der X-Z-Ebene angeordneten Wafer 100 auf. Der Wafer 100 ist in der X-Z-Ebene bewegbar. Hierzu wird ein herkömmlicher Antrieb verwendet. Auf der in Y-Richtung von dem Wafer 100 abgewandten Seite ist eine Entnahme-Einrichtung 120 zum Entnehmen von Bestückelementen von dem Wafer 100 angeordnet. Die Entnahmeeinrichtung 120 kann in der Entnahmerichtung E bewegt werden, um Bestückelemente entgegen der Y-Richtung von dem Wafer 100 auf einen Greifer 210-3 einer erfindungsgemäßen Handhabungsvorrichtung für Bestuckelemente 110 zu zu bewegen.
Die Handhabungsvorrichtung 210 weist eine beispielsweise in der X-Richtung angeordnete Drehachse 215 auf. Um diese Drehachse 215 ist die Handhabungsvorrichtung in der durch den Pfeil gezeigten Drehrichtung D drehbar gelagert. Die Handhabungsvorrichtung 210 weist eine Mehrzahl von Greifern 210-1, 210-2, 210-3 und 210-4 auf. Jeweils nach dem Entnehmen eines Bestückelements 110 unter Zuhilfenahme der Entnahmevorrichtung 120 durch die Handhabungsvorrichtung 210 wird die Handhabungsvorrichtung 210 in der Drehrichtung D um eine Teilung, d. h. um den Umfangsabstand zwischen zwei benachbart an der Handhabungsvorrichtung 210 angeordneten Greifern, z. B. 210-2 und 210-3 weitergedreht. Hierdurch ist ein erneutes Entnehmen eines Bestückelements 110 von dem Wafer 100 mittels des dem nun dem Wafer zugewandten leeren Greifer möglich.
Ferner weist das erfindungsgemäße Bestücksystem einen Bestückkopf 300 auf, welcher mit einer Mehrzahl von Greifern (in der Figur 1 nicht gezeigt) versehen ist. Der Bestückkopf 300 ist um eine Drehachse 320 in einer Drehrichtung K drehbar gelagert. Die Greifer des Bestückkopfs 300 sind entlang dem Umfang 330 des Bestückkopfs an diesem angeordnet, so dass beim Drehen des Bestückkopfs in der Drehrichtung K die Greifer die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung 210 sowie die Mehrzahl von Arbeitsstationen 220, 230, 240 und 250 überschreiten.
Die erfindungsgemäße Handhabungsvorrichtung 210 ist hier aus der Figur 1 in der 12-Uhr-Position angeordnet ersichtlich. In der Drehrichtung K des Bestückkopfs 300 der Handhabungsvorrichtung 210 ist in der 11-Uhr-Position eine Messstation 220 angeordnet, von welcher die Position des entnommenen Bestückelements 110 relativ zu dem Greifer des Bestückkopfs 300 in der 11-Uhr-Position ermittelbar ist. In der Drehrichtung K der Messstation 220 nachfolgend ist eine Auftragstation 230 in der 10-Uhr-Position . angeordnet . Von der Auftragstation 230 kann beispielsweise ein von dem Greifer des Bestückkopfs gehaltenes Bestückelement 110 mit Lotmittel, Flußmittel und/oder einem elektrisch leitfähigen Klebstoff versehen werden. Im Gegenuhrzeigersinn ist der Auftragstation 230 nachfolgend eine Drehstation 240 in der 9-Uhr-Position angeordnet, von welcher durch Drehen des Greifers des von dem Greifer gehaltene Bestückelement entsprechend einer gewünschten Drehstellung drehbar ist.
Zusätzlich kann noch in der Drehrichtung K der Auftragstation nachfolgend eine Messstation 250 für das Substrat vorgesehen sein, von welcher die . Position des zu bestückenden Substrats 400-2 relativ zu- den Greifern des Bestückkopfs 300 bzw. die Position der auf das Substrat 400-2 aufgesetzten Bestückele- mente 110 relativ zu diesem zu bestückenden Substrat 400-2 ermittelbar ist.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Bestücksystem mit einer Transportvorrichtung versehen, von welcher zu bestückende und/oder ganz oder teilweise bestückte Substrate 400-1, 400-2 bzw. 400-3 in einer Transportrichtung T durch das erfindungsgemäße Bestücksystem transportierbar sind. Die Transportvorrichtung ist z.B. ein Substrat-Indexer mit Klammern 410, welche an dem Substrat angeordnet sind, wobei die Substrate beim Transportieren in der Transportrichtung T schrittweise fortbewegt werden.
Eine Justiervorrichtung (nicht gezeigt) kann zusätzlich vorgesehen sein, um die zu bestückenden Substrate 400-1 oder 400-2 in der X und/oder in der Y-Richtung relativ zu dem Bestückkopf 300 nach der Figur 1 in der Z-Ebene zu positionieren. Hierzu sind die zu bestückenden Substrate mit Markierungen versehen (nicht gezeigt) . Diese können beispielsweise von der Messstation für die Substrate 250 erfasst werden, um die Position der Substrate 400-1, 400-2 relativ zu dem Bestückkopf 300 zu ermitteln. Die Substrate werden von der Justiervorrichtung in X-, Y- und Φz-Richtung positioniert, damit die Bestückelemente jeweils exakt an der vorgesehenen Bestückposition aufgesetzt werden können. Beispielsweise ist ein Substrattisch vorgesehen, auf welchem die Substrate zum Positionieren und Transportieren angeordnet sind. Der Substrattisch weist in der Y-Richtung einen großen Bewegungsbereich und in der X-Richtung einen kleinen Bewegungsbereich auf. Der kleine Bewegungsbereich in der X-Richtung dient dazu, Positionsabweichungen auszugleichen, welche von dem Bestückkopf 300 und/oder den Klammern 410 des Substrat-Indexers verursacht werden.
Aus Figur 2 ist eine teilweise schematische Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bestücksystems ersichtlich. Wie aus der Figur 2 ersichtlich, sind zu- sätzlich zu den aus Figur 1 ersichtlichen Elementen des Bestückkopfs 300 in der X-Y-Ebene an dem Bestückkopf 300 eine Mehrzahl von Greifern 310-1 bis 310-12 angeordnet, von welchem lediglich die Greifer 310-6, 310-10, 310-11, 310-12 in der Figur 2 gezeigt sind. Sämtliche Greifer 310-X des Bestückkopfs 300 sind in der Z-Richtung und/oder der Φz- Richtung, d.h. der Drehung um die Z-Achse, bewegbar an dem Bestuckkopf 300 angeordnet. Durch Drehen des Bestückkopfs in der Drehrichtung K um die Drehachse 320 werden die Greifer 310-X des Bestückkopfs 300 jeweils um einen vorbestimmten Winkel in der Drehrichtung K weiter bewegt. Der vorbestimmte Winkel beträgt hierbei 360° geteilt durch die Anzahl der an dem Bestückkopf 300 vorgesehenen Greifer.
Die Arbeitsstationen 210, 220, 230 und 250 sind ebenfalls jeweils in einem einem ganzzahligen Vielfachen des vorbestimmten, durch die Anzahl der Greifer festgelegten Winkel beabstandet entlang des Umfangs 330 des Bestückkopfs 300 angeordnet. Daher wird durch Drehen des Bestückkopfs in der Drehrichtung K um den vorbestimmten Winkel jeder der Greifer 310-X von einer Arbeitsstation zur nächsten Arbeitsstation bewegt und es können gleichzeitig eine der Anzahl von Arbeitsstationen entsprechende Anzahl von Prozessschritten des Bestückprozesses durchgeführt werden, ehe die Bestückelemente 110 an der Bestückposition 310-6 des Bestückkopfs 300 angelangt sind und von dem Greifer 310-6 auf das zu bestückende Substrat 400-2 aufgesetzt werden. Die Greifer 310-X können auch in radialer Richtung des Bestückkopfs 300 bewegbar sein.
Aus Figur 3 ist der Zeitverlauf des erfindungsgemäßen Bestückverf hrens unter Verwenden der erfindungsgemäßen Bestückvorrichtung ersichtlich. Wie aus der Figur 3 ersichtlich, erweist ein Bestückzyklus des erfindungsgemäßen Bestücksystems im Wesentlichen zwei Zeitabschnitte auf. Im ersten Zeitabschnitt werden gleichzeitig folgende Schritte durchgeführt. Der Wafer 100 wird indiziert und mittels der Entnahmevorrichtung 120 wird ein Bestückelement 110 von dem Wafer abgestoßen. Gleichzeitig wird die Handhabungsvorrichtung 210 um eine Position in der Drehrichtung D weitergedreht. Gleichzeitig wird der Bestückkopf in der Drehrichtung K um eine Position weitergedreht. Gleichzeitig hierzu wird das zu bestückende Substrat 400-2 um einen Schritt in der Transportrichtung T weiterbewegt.
In einem zweiten Zeitabschnitt wird erfindungsgemäß gleichzeitig ausgeführt: Mittels der Entnahmeeinrichtung 120 und dem Greifer 210-3 der Handhabungsvorrichtung 210 wird ein Bestückelement 110 von dem Wafer 100 entnommen. Gleichzeitig wird ein an dem Greifer 210-2 der Handhabungsvorrichtung 210 befindliches Bestückelement 110 an den Greifer 310-12 des Bestückkopfs 300 übergeben. Gleichzeitig wird an der Messstation 220 ein übergebenes Bestückelement an dem Greifer 310-11 vermessen. Gleichzeitig wird an der Auftragsstation 230 ein 'Bestückelement an dem Greifer 310-0 des Bestückkopfs 300 mit Lotmittel versehen. Gleichzeitig wird an der Drehstation 240 ein Bestückelement 110 samt dem das Bestückelement haltenden Greifer 310-9 um einen Korrekturwinkel zur Feinjustierung des Drehwinkels des Bestückelements 110 um die Längsachse des Greifers 310-9 gedreht. Gleichzeitig wird das an dem Greifer 310-6 befindliche Bestückelement 110 in der Bestückposition des Bestückkopfs 300 auf das zu bestückende Substrat 400-2 an der vorbestimmten Bestückposition aufgesetzt. Gleichzeitig wird mit dem Messsystem für Substrate 250 das zu bestückende Substrat 400-2 vermessen.
Wie aus der Figur 3 ersichtlich, ist .es mit dem erfindungsgemäßen Bestücksystem möglich, beispielsweise gleichzeitig bis zu 7 Einzel-Prozessschritte eines Bestückverfahrens parallel auszuführen. Hierdurch ist eine hohe Bestückgeschwindigkeit gewährleistet, da die Bestückgeschwindigkeit lediglich von der Taktzeit des Bestückkopfs 300 oder der längsten Prozeßzeit eines der Einzelprozesse an den Arbeitsstationen abhängig ist.

Claims

Patentansprüche
1. Handhabungsvorrichtung für Bestückelemente zum Bewegen von in einer ersten Position in einer ersten Ebene aufliegenden Bestückelementen (110) in eine zweite, in einer zweiten Ebene befindliche Position, wobei die erste Ebene und die zweite Ebene einen Schnittwinkel aufweisen und die Bestückelemente (110) in der ersten Ebene mit einer ersten Seite aufliegen und in der zweiten Ebene mit einer zweiten Seite aufliegen, die HandhabungsVorrichtung (210) mit:
• einer ortsfesten Drehachse (215) , um welche die Handhabungsvorrichtung (210) mit einem vorbestimmten Drehsinn drehbar ist,
• einer Mehrzahl von um die ortsfeste Drehachse von dieser abgewandt angeordneten Greifern (210-1, 210-2, 210-3, 210- 4) zum Greifen von Bestückelementen (110), wobei die Mehrzahl von Greifern (210-1, 210-2, 210-3, 210-4) mit zueinander jeweils gleichen Abständen umfänglich um die Drehachse (215) an der Handhabungsvorrichtung (210) verteilt angeordnet sind,
• wobei die Handhabungsvorrichtung (210) zum Aufnehmen von Bestückelementen (110) in einer Aufnahmeposition festlegbar ist, so dass mittels der Greifer (210-1, 210-2, 210-3, 210-4) jeweils ein Bestückelement (110) aus einer Position der ersten Ebene aufnehmbar ist, und
• wobei die Handhabungsvorrichtung (210) an einer in dem Drehsinn umfänglich von der Aufnahmeposition beabstandeten Ausgabeposition festlegbar ist, um von den Greifern (210- 1, 210-2, 210-3, 210-4) jeweils aufgenommene Bestückelemente (110) an eine Position in der zweiten Ebene abzugeben .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Greifer (210-1, 210-2, 210-3, 210-4) jeweils in einer zur Drehachse (215) radialen Richtung mittels eines Antriebs bewegbar sind.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Drehachse (215) im Wesentlichen horizontal angeordnet ist .
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Greifer (210-1, 210-2, 210-3, 210-4) Vakuumpipetten sind.
5. Bestücksystem mit einer Handhabungsvorrichtung (210) nach einem der vorangegangenen Ansprüche sowie mit einem Bestückkopf (300) , von welchem die Bestückelemente (110) an der Ausgabeposition der Handhabungsvorrichtung (210) entnehmbar und an eine jeweils vorbestimmte Bestückposition auf einem Substrat in einer Bestückebene bewegbar sind.
6. Bestücksystem nach Anspruch 5, wobei der Bestückkopf (300) eine Drehachse (320) aufweist, um welche eine Mehrzahl von Greifern (310-6 ,...310-12 ) umfänglich gleichbeabstandet angeordnet ist .
7. Bestücksystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, zusätzlich mit mindestens einer Arbeitsstation (220, 240), welche entlang eines im Wesentlichen dem Umfang der Greifer (310- 6,...310-12) um den Bestückkopf (300) entsprechenden Umfangs (330) um die Drehachse (320) des Bestückkopfs (300) angeordnet ist, so dass ein von einem der Greifer (310-6 ,...310-12 ) des Bestückkopfs (300) aufgenommenes Bestückelement (110) durch Drehen des Bestückkopfs (300) zu der Arbeitsstation (220, 240) bewegbar und dort von der Arbeitsstation (220, 240) bearbeitbar ist.
8. Bestücksystem nach Anspruch 7, wobei als Arbeitsstation eine Messstation (220) , von welcher die Lage des Bestückelements (110) relativ zu dem Greifer (310-6 ,...310-12 ) ermittelbar ist, und/oder eine Drehstation (240) vorgesehen ist, von welcher der Greifer (310-6 ,...310-12 ) um seine Längsachse relativ zu dem Bestückkopf (300) drehbar ist.
9. Bestücksystem nach Anspruch 8, wobei als zusätzliche Arbeitsstation (230) eine Auftragstation vorgesehen ist, von welcher Lotmittel, Flußmittel und/oder leitfähiger Klebstoff auf die Bestückelemente (110) aufbringbar ist.
10. Bestücksystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Arbeitsstationen (220, 230, 240) umfänglich um die Drehachse (320) des Bestückkopfs (300) mit entsprechend dem Abstand der Greifer (310-6, ...310-12 ) des Bestückkopfs (300) zueinander gleichbeabstandet sind.
11. Bestücksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bestückelemente (110) Bare-Die-Bauelemente sind, welche von der HandhabungsVorrichtung (210) von einem in der ersten Ebene angeordneten Wafer (100) entnehmbar und zum Übergeben an den Bestückkopf (300) in die zweite Ebene schwenkbar sind.
12. Bestücksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Drehachse (320) des Bestückkopfs (300) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist.
13. Verfahren zum Bestücken von Bestückelementen auf Substrate, bei welchem unter Verwenden eines Bestücksystems nach einem der Ansprüche 5 bis 12 :
• ein Bestückelement (110) aus einer in einer ersten Ebene befindlichen Position mittels einer in einer Aufnahmeposition befindlichen Handhabungsvorrichtung (210) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 entnommen wird,
• das entnommene Bestückelement (110) mittels der Handhabungsvorrichtung (210) in einem vorbestimmten Drehsinn aus der Aufnahmeposition in eine Ausgabeposition gedreht wird,
• das gedrehte Bestückelement (110) an der Ausgabeposition von einem Greifer (310-12) eines Bestückkopfs (300) übernommen wird, während gleichzeitig mittels der Handhabungsvorrichtung (210) ein weiteres Bestückelement aus einer in der ersten Ebene befindlichen Position entnommen wird,
• durch Drehen des Bestückkopfs (300) das Bestückelement (110) an eine Arbeitsstation (220, 230, 240) bewegt wird,
• das Bestückelement an der Arbeitsstation (220, 230, 240) bearbeitet wird, während gleichzeitig an der Ausgabeposition der Handhabungsvorrichtung (210) das weitere Bestückelement von einem weiteren Greifer des Bestückkopfs (300) übernommen wird,
• das bearbeitete Bestückelement (110) von dem Bestückkopf (300) an eine Bestückposition bewegt wird, während gleichzeitig das weitere Bestückelement (110) von der Ausgabeposition zu der Arbeitsstation bewegt wird,
• das Bestückelement (110) auf ein Substrat (400-2) abgesetzt wird, während gleichzeitig das weitere Bestückele- ment (110) von der Arbeitsstation (220, 230, 240) bearbeitet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei jedes Bestückelement (110) zwischen der Ausgabeposition und der Bestückposition jeweils von dem Bestückkopf (300) sukzessive an eine Mehrzahl von Arbeitsstationen (220, 230, 240) bewegt und von denselben bearbeitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Verfahren zyklisch und kontinuierlich für eine Vielzahl von Bestückelementen (110) durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei für jedes Bestückelement
• die Lage des Bestückelements (110) zu dem das Bestückelement haltenden Greifer (310-6 ,...310-12 ) des Bestückkopfs ermittelt wird,
• das Bestückelement (110) entsprechend des ermittelten Lage in eine gewünschte Solllage gedreht wird, und/oder
• das Bestückelement zumindest partiell mit Lotmittel, Flußmittel und/oder leitfähigem Klebstoff versehen wird.
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