WO2009037108A2 - Pick und place system für eine halbleiter-montageeinrichtung - Google Patents

Pick und place system für eine halbleiter-montageeinrichtung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a pick and place system for a semiconductor mounting device in the
  • Various types of automatic assembly machines for the mounting of semiconductor chips on a substrate are known which mount semiconductor chips with high speed and great accuracy on a substrate.
  • Such assembly machines are referred to as die bonders and are known e.g. known from the publications EP 923111, EP 991110, EP 1480507 and DE 102004026534.
  • the semiconductor chips are provided on a wafer table.
  • the substrates to be loaded are supplied in succession in cycles, wherein in each case a substrate is fixed on a substrate table and provided for the assembly with semiconductor chips.
  • the semiconductor chips are mounted by means of a bonding head driven by a pick and place system, to which a chip gripper is attached.
  • the substrates are cyclically advanced by a transport device and processed in columns with several substrates in columns side by side substrate places, column by column.
  • the substrate is always advanced when a column is completely populated with semiconductor chips.
  • the well-known from EP 923111 pick and place system includes a lever mechanism with two pivot levers, which are moved with alternating pivoting direction between two end positions back and forth.
  • the two pivot levers are in the two end positions to each other in an extended position.
  • the chip gripper receives a semiconductor chip from the wafer table when the two pivot levers are in the first end position, and sets the semiconductor chip on the substrate when the two pivot levers are in the second end position.
  • the disadvantage is that the semiconductor chip can be deposited only at a single point on the substrate.
  • the pick and place system known from EP 1480507 comprises a carriage which can be moved along a linear y-axis and on which a swivel arm is fastened. The bondhead is attached to the swivel arm with the chip gripper. The semiconductor chip can be deposited anywhere on the y-axis on the substrate.
  • the disadvantage is that the carriage takes up the entire weight of the pivoting arm and the drive for the pivoting arm, i. a big crowd, must carry.
  • the pick and place systems known from EP 991110 and DE 102004026534 comprise a carriage which can be moved along a linear y-axis.
  • the invention has for its object to develop a pick and place system, the does not have mentioned disadvantages.
  • FIG. 1 and 2 show a side and schematic view of a Die Bonder
  • Fig. 3 shows a pick and place system of Die Bonders in perspective view
  • Fig. 4 shows a drive mechanism of two pivoting levers
  • Fig. 5 shows a mechanism for maintaining the orientation of a shaft supported on a pivoting arm
  • Fig. 6 shows a decoupling mechanism.
  • Figs. 1 and 2 show a side and schematic view of a Die Bonder as far as it is necessary for the understanding of the invention.
  • the bonder includes a (not shown)
  • Dispensing station where adhesive or solder is applied to the substrate
  • a bonding station 1 where the semiconductor chips 2 are placed on the substrate 3.
  • the substrates 3 are transported in cycles to the dispensing station and the bonding station 1 by a transport device (not shown) in a predetermined transport direction.
  • the transport direction is perpendicular to the plane of the drawing of FIG. 1.
  • the semiconductor chips 2 are provided on a wafer table 4, which accommodates a wafer sawn into the individual semiconductor chips 2.
  • the semiconductor chips 2 are arranged side by side in rows and columns and adhere to a carrier foil 5 clamped in a frame.
  • the wafer table 4 is movable in two orthogonal directions, wherein the wafer table 4 in operation provides the next semiconductor chip to be placed at a fixed location A.
  • the one direction of movement of the wafer table 4 is shown by an arrow 6, the other direction of movement of the wafer table 4 is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the wafer table 4 comprises a chip ejector 10, a so-called die ejector, which supports the detachment of the semiconductor chips 2 from the carrier film 5.
  • the pick and place system 7 includes two drive systems 13 and 14 to to remove the semiconductor chip 2 from the wafer table 4 at location A, to transport it in the y-direction and to place it on the substrate 3 at one of the given locations Bi or B 2 or... B n . Both drive systems 13 and 14 act in the y-direction.
  • the first drive system 3 is a rotary drive system which serves to move the second drive system 14 in the y-direction by an arbitrarily adjustable distance within predetermined limits.
  • the second drive system 14 is preferably the lever mechanism known from EP 923111 with two pivoting levers.
  • the second drive system 14 may also be known from EP 877544 lever mechanism with also two pivot levers or a lever mechanism with a single pivot lever.
  • the second drive system 14 moves the chip gripper 9 in y-direction by a fixed predetermined distance.
  • the first drive system 13 comprises a rotatable about a first stationary axis 15 pivot arm 16, a mounted on the pivot arm 16 on a first stationary axis 15 parallel to the second axis 17 mounted first shaft 18, and a first stationarily arranged drive 19, which serves to reciprocate the swing arm 16 within a predetermined swing range ⁇ i and ⁇ 2 .
  • Any suitable drive can be used for this task.
  • the first drive 19 is shown offset in Fig. 1 down.
  • the connecting rod 20 is rotatably mounted at its one end to the first shaft 18 and at its other end rotatably mounted on the nut 21 ,
  • the spindle 22 engages in the nut 21 and is driven by the electric motor 23.
  • the electric motor 23 rotates, then the spindle 22 moves the nut 21 along the longitudinal axis of the spindle 22. It is important that the connecting rod 20 is mounted on the first shaft 18 and the nut 21 without play.
  • the second drive system 14 includes at least a first pivot lever 24 mounted on the first shaft 18 and a second drive 25 for rotating the first pivot lever 24 about the first shaft 18.
  • the second drive system 14 also includes a second pivot lever 26.
  • the chip gripper 9 is mounted either directly on the second pivot lever 26 or, as in the present example, on a member operatively connected to the second pivot lever 26.
  • the pick and place system 7 further comprises a second shaft 27 which is mounted on the first shaft 18, and a mechanism which ensures that the second shaft 27 maintains its orientation unchanged upon rotation of the pivot arm 16. In the following, three examples of such a mechanism will be explained.
  • the mechanism is constituted by the pivot arm 16, a arm 29 rotatable about a third stationary axis 28, and a connecting arm 30.
  • the connecting arm 30 is rotatable about the second axis 17 at the first shaft 18 and at one fourth axis 31 rotatably mounted on the arm 29.
  • the length of the arm 29, measured from the third axis 28 to the fourth axis 31, is equal to the length of the pivot arm 16, measured from the first axis 15 to the second axis 17.
  • the length of the connecting arm 30, measured from the second axis 17th to the fourth axis 31 is the same size as the distance between the first axis 15 and the third axis 28.
  • the first axis 15, the second axis 17, the third axis 28 and the fourth axis 31 parallel to each other and form a variable parallelogram at the connecting arm 30 is always aligned the same.
  • the second shaft 27 is seated on the first shaft 18 of the first drive system 13 and is fixedly connected to the connecting arm 30. Therefore, the second shaft 27 can not rotate, its rotational position is always the same.
  • Swivel arm 16 a first pulley 32 which is mounted on the first stationary axis 15, a second toothed belt pulley 33 which is rotatably mounted at a distance to the first axis 15 at an arbitrary position on the pivot arm 16 about a second axis 17, and a toothed belt 34, which wraps around the two toothed belt pulleys 32 and 33.
  • the diameter of the two pulleys 32 and 33 is the same size.
  • a first line 35 illustrates the invariable rotational position of the first toothed belt pulley 32
  • a second line 36 illustrates the likewise unchangeable rotational position of the second toothed belt pulley 33.
  • Swing arm 16 rotates, then the toothed belt 34 rolls on the second toothed belt pulley 33 from. Because the diameter of the two pulleys 32 and 33 is the same size, the second pulley 33 does not rotate. As shown, a component 37, which always maintains its orientation in space due to this mechanism, can be attached to the second toothed belt pulley 33.
  • the first pivot lever 24 is preferably mounted on the pivot arm 16, for example on the second axis 17, but it may also be mounted on the component 37.
  • the third mechanism is similar to the second mechanism with the difference that the two pulleys 32 and 33 are each replaced by a gear and the timing belt by a mounted in the middle between the two gears on the pivot arm 16 intermediate gear, wherein the intermediate gear meshes with the two gears.
  • the mechanism is similar to the mechanism described later with reference to FIG. 4.
  • the second drive system 14 is based on the lever mechanism described in EP 923111, which comprises the first pivot lever 24 and the second pivot lever 26.
  • the first pivot lever 24 is rotatably mounted on the first shaft 18, that is, the first pivot lever 24 is rotatable about the second axis 17.
  • the second pivot lever 26 is on the from the first shaft 18 facing away from the first pivot lever 24 rotatably mounted on a bolt 38.
  • a fixedly connected to the second pivot lever 26 pulley 39 is mounted on the bolt 38.
  • a toothed belt 40 wraps around the second shaft 27 and the toothed belt pulley 39, the toothed belt 40 being fixed to the second shaft 27.
  • the second shaft 32 preferably includes a tensioning device to tension the timing belt 40.
  • the second wave 27 could also be a
  • Toothed belt pulley although this is not mandatory, namely because the timing belt 40 is fixedly connected to the second shaft 27.
  • the second drive system 14 further comprises a second drive 25, which serves the two pivot levers 24 and 26 between a first end position in which they are in an extended position to each other, and a second end position in which they are mutually in an extended position to move back and forth.
  • Stretch position means that the two pivot levers 24 and 26 lie on a straight line.
  • the second drive 25 consists of a mounted on the first axis 15 toothed belt pulley 41, a toothed belt 42 and a first pivot lever 24 rigidly mounted third shaft 43.
  • the timing belt 42 wraps around the pulley 41 and the third shaft 43.
  • the timing belt 42 can also by a tensioning device to be attached to the third shaft 43.
  • the first pivot lever 24 and the third shaft 43 are formed as part of a housing that accommodates the second shaft 27, the timing belt 40, and the timing pulley 39.
  • a stationary motor 44 preferably an electric motor, drives the toothed belt pulley 41 either directly or via a reduction gear.
  • the toothed belt pulley 39, the toothed belt 40 and the third shaft 43 form a translation stage whose ratio in the example is about 1: 4, but which can also be larger or smaller or even 1: 1.
  • the chip gripper 9 or the bondhead 8 with the chip gripper 9 is mounted on the outer end of the second pivoting lever 26 or, as shown in FIG. 6, on an element operatively connected to the outer end of the second pivoting lever 26.
  • Fig. 1 shows the pick and place system 7 in the pick position in which the pivot arm 16 with the vertical angle ⁇ i includes and the two pivot levers 24 and 26 in the first
  • End position are located in the bonding head 8 is located at location A above the male semiconductor chip 2.
  • the second pivot lever 26 is in this extended position on the right side of the first pivot lever 24th
  • Fig. 2 shows the pick and place system 7 in a bonding position in which the pivot arm 16 with the vertical angle ⁇ B3 includes and the two pivot levers 24 and 26 are in the second end position in which the Bonding head 8 is located at location B 3 above the substrate space to be loaded.
  • the second pivot lever 26 is in this extended position on the left side of the first pivot lever 24th
  • Fig. 3 shows a better view of a perspective view of the according to the invention Pick and Place Systems 7.
  • a hollow shaft 46 is mounted, which extends along the first axis 15.
  • the pivot arm 16 is fixed to the hollow shaft 46.
  • a shaft is supported, which is driven by the electric motor 23 (FIG. 1) and on which the toothed belt pulley 41 is seated.
  • a balancing mass 47 is fixed so that the pivot arm 16 is balanced.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the second shaft 27 is a first gear 48 and in which instead of the toothed belt 40, an intermediate gear 49 and instead of the toothed belt pulley 39, a second gear 50 is present.
  • the first gear 48 is also fixedly connected to the connecting arm 30 (FIG. 1).
  • the intermediate gear 49 is rotatably mounted on the first pivot lever 24 in the middle and meshes with the first gear 48 and the second gear 50.
  • the two pivot levers 24 and 26 are in this representation in an extended position to each other, i. they lie on a straight line 51.
  • the inventive pick and place system 7 allows the mounting of the semiconductor chips with great speed and high accuracy.
  • the numerical values given below relate to the present exemplary embodiment. These numerical values are therefore to be regarded as exemplary data that may well vary.
  • the first drive system 13 moves the second drive system 14 by an adjustable path w, which is programmatically between 0 and 70 mm.
  • the second drive system 14 places between the two end positions, in which the first pivot lever 24 and the second pivot lever 26 in an extended position to each other, a non-variable distance D 0 back. The distance D 0 is maintained due to the utilization of the extended layers with very great accuracy.
  • the first drive system 13 must at most have the angle Vi
  • the first drive system 13 only retraces a path which corresponds to approximately one tenth of the maximum travel of the pick and place system 7 and lies in a technical area in which a high accuracy can also be achieved at a speed sufficient for the application.
  • the second axis 17 is moved on a circular path back and forth.
  • the first shaft 18 rotates about an angle corresponding to the rotation.
  • the first pivot lever 24 and the second pivot lever 26 both in the first end position, in which the bonding head 8 is in the pick position above the wafer table 4, as well as in the second end position, in which the bonding head 8 is in any mounting position above the substrate table 12, in an extended position are to each other, the first pivot lever 24 when changing from one end position to the other end position always, regardless of the current angle of rotation ⁇ of the pivot arm 16, rotate through an angle of 180 ° and the second pivot lever 26 by the double angle of 360 °.
  • the pivotal arm 16 the arm 29 and the connecting arm 30 formed parallelogram: the connecting arm 30 never changes its direction. Therefore, the second shaft 27 does not change its rotational position.
  • the diameter of the second shaft 27 is twice as large as the diameter of the toothed belt pulley 39.
  • the inventive pick and place system 7 has the following advantages:
  • the second drive system 14 may also comprise a lever mechanism other than that described above, based on EP 923111, for example the lever mechanism known from EP 877544, which also has two pivoting levers. It is also possible to use only a single pivot lever, namely the first pivot lever 24 (FIG. 1), and to mount the bondhead 8 with the chip gripper 9 on the single pivoting lever.
  • the two drive systems 13 and 14 of the pick and place system 7 have the task of the bonding head 8 at high speed in the y-direction back and forth to the predetermined positions B 1 to B n (Fig. 1) to move.
  • the pick and place system 7 also has the task of raising and lowering the bondhead 8 and / or the chip gripper 9 in the z-direction, and, optionally, to allow corrective movements in the x-direction, so that the semiconductor chip can be placed accurately positioned on the corresponding substrate location can.
  • the bondhead as shown schematically in Fig. 6, to be attached to a carriage 52 which is slidably mounted on a guide rail 53 extending in the y-direction.
  • the carriage 52 includes a slot 54 extending in the z direction into which a bolt 56 attached to the outermost pivot lever 55 of the second drive system 14 engages. (In the embodiment shown in FIG. 1, the second pivot lever 26 is the outermost pivot lever 55).
  • This solution decouples any movement of the outermost pivot lever 55 in the z-direction from the movement of the carriage 52 in the y-direction and also makes it possible to lower and raise the guide rail 53 in the z-direction without affecting the outermost pivot lever 55.

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Abstract

Eine Halbleiter-Montageeinrichtung enthält ein Pick und Place System (7) mit einem Bondkopf (8), das ein erstes Antriebssystem (13) und ein zweites Antriebssystem (14) aufweist für die Verschiebung des Bondkopfs (8) in einer vorbestimmten Richtung. Das erste Antriebssystem (13) weist einen ersten Schwenkarm (16) und einen ersten, stationär angeordneten Antrieb (19) auf, der dazu dient, den Schwenkarm (16) innerhalb eines vorgegebenen Schwenkbereichs hin und her zu schwenken. Das zweite Antriebssystem (14) ist auf dem Schwenkarm (16) gelagert und umfasst einen ersten Schwenkhebel (24), einen zweiten Schwenkhebel (26) und einen zweiten stationär angeordneten Antrieb (25), mit einem stationär angeordneten Elektromotor (44), der dazu dient, die beiden Schwenkhebel (24, 26) zueinander zwischen zwei gestreckten Endlagen (A, B) zu bewegen. Die Endlagen (A, B) variieren entlang der vorbestimmten Richtung, abhängig vom Schlag des ersten Antriebssystems (13).

Description

Pick und Place System für eine Halbleiter-Montageeinrichtung
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft ein Pick und Place System für eine Halbleiter-Montageeinrichtung der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Hintergrund der Erfindung
[0002] Es sind verschiedene Typen von Montageautomaten für die Montage von Halbleiterchips auf einem Substrat bekannt, die Halbleiterchips mit hoher Geschwindigkeit und grosser Genauigkeit auf einem Substrat montieren. Solche Montageautomaten werden als Die Bonder bezeichnet und sind z.B. bekannt aus den Veröffentlichungen EP 923111, EP 991110, EP 1480507 und DE 102004026534. Die Halbleiterchips werden auf einem Wafertisch bereitgestellt. Die zu bestückenden Substrate werden nacheinander taktweise zugeführt, wobei jeweils ein Substrat auf einem Substrattisch fixiert und für die Bestückung mit Halbleiterchips bereitgestellt wird. Die Montage der Halbleiterchips erfolgt mittels eines von einem Pick und Place System angetriebenen Bondkopfs, an dem ein Chipgreifer angebracht ist.
[0003] Beim Die Bonder werden die Substrate von einer Transporteinrichtung taktweise vorgeschoben und bei Substraten mit mehreren, in Kolonnen nebeneinander liegenden Substratplätzen, kolonnenweise abgearbeitet. Das Substrat wird immer dann vorgeschoben, wenn eine Kolonne vollständig mit Halbleiterchips bestückt ist. Das aus der EP 923111 bekannte Pick und Place System enthält einen Hebelmechanismus mit zwei Schwenkhebeln, die mit wechselnder Schwenkrichtung zwischen zwei Endlagen hin und her bewegt werden. Die beiden Schwenkhebel befinden sich in den beiden Endlagen zueinander in Strecklage. Der Chipgreifer nimmt einen Halbleiterchip vom Wafertisch auf, wenn sich die beiden Schwenkhebel in der ersten Endlage befinden, und setzt den Halbleiterchip auf dem Substrat ab, wenn sich die beiden Schwenkhebel in der zweiten Endlage befinden. Mit diesem Hebelmechanismus wird eine sehr hohe Platzierungsgenauigkeit erreicht. Der Nachteil ist jedoch, dass der Halbleiterchip nur an einer einzigen Stelle auf dem Substrat abgesetzt werden kann. Das aus der EP 1480507 bekannte Pick und Place System umfasst einen entlang einer linearen y-Achse bewegbaren Schlitten, auf dem ein Schwenkarm befestigt ist. Am Schwenkarm ist der Bondkopf mit dem Chipgreifer befestigt. Der Halbleiterchip kann an jeder beliebigen Stelle der y- Achse auf dem Substrat abgesetzt werden. Der Nachteil ist aber, dass der Schlitten das ganze Gewicht des Schwenkarms und des Antriebs für den Schwenkarm, d.h. eine grosse Masse, mitführen muss.
[0004] Die aus der EP 991110 und der DE 102004026534 bekannten Pick und Place Systeme umfassen einen entlang einer linearen y-Achse bewegbaren Schlitten. Bei diesen Lösungen sind grosse Geschwindigkeiten und hohe Genauigkeit schwierig zu erreichen, da der Schlitten eine relativ grosse Distanz zurücklegen muss.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pick und Place System zu entwickeln, das die genannten Nachteile nicht aufweist.
[0006] Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Besondere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert.
Beschreibung der Figuren
Fig. 1 und 2 zeigen in seitlicher und schematischer Ansicht einen Die Bonder, Fig. 3 zeigt ein Pick und Place System des Die Bonders in perspektivischer Ansicht,
Fig. 4 zeigt einen Antriebsmechanismus von zwei Schwenkhebeln, Fig. 5 zeigt einen Mechanismus, um die Orientierung einer auf einem Schwenkarm gelagerten Welle beizubehalten, und Fig. 6 zeigt einen Entkopplungsmechanismus.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
[0008] Die Fig. 1 und 2 zeigen in seitlicher und schematischer Ansicht einen Die Bonder soweit es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Der Die Bonder umfasst eine (nicht dargestellte)
Dispensstation, wo Klebstoff oder Lot auf das Substrat aufgetragen wird, und eine Bondstation 1 , wo die Halbleiterchips 2 auf dem Substrat 3 platziert werden. Die Substrate 3 werden von einer (nicht dargestellten) Transportvorrichtung in einer vorbestimmten Transportrichtung taktweise zur Dispensstation und zur Bondstation 1 transportiert. Die Transportrichtung verläuft senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1. Die Halbleiterchips 2 werden auf einem Wafertisch 4 bereitgestellt, der einen in die einzelnen Halbleiterchips 2 zersägten Wafer aufnimmt. Die Halbleiterchips 2 sind in Reihen und Kolonnen nebeneinander angeordnet und haften auf einer in einen Rahmen eingespannten Trägerfolie 5. Der Wafertisch 4 ist in zwei orthogonalen Richtungen bewegbar, wobei der Wafertisch 4 im Betrieb jeweils den nächsten zu platzierenden Halbleiterchip an einem festen Ort A bereitstellt. Die eine Bewegungsrichtung des Wafertisches 4 ist durch einen Pfeil 6 dargestellt, die andere Bewegungsrichtung des Wafertisches 4 verläuft senkrecht zur Zeichenebene. Ein Pick und Place System 7 mit einem Bondkopf 8 und einem am Bondkopf 8 gelagerten Chipgreifer 9 dient dazu, den vom Wafertisch 4 am Ort A bereitgestellten Halbleiterchip 2 zu entnehmen und an einem vorgegebenen Ort B1 oder B2 oder ... Bn auf dem Substrat 3 zu platzieren, wobei der Index n die Anzahl der Substratplätze bezeichnet, die auf dem Substrat 3 in Transportrichtung der Substrate gesehen nebeneinander angeordnet sind. Im Beispiel ist n=4. Der Wafertisch 4 umfasst einen Chip-Auswerfer 10, einen sogenannten Die Ejector, der die Ablösung der Halbleiterchips 2 von der Trägerfolie 5 unterstützt.
[0009] In der Bondstation 1 liegt das Substrat 3 auf einer horizontal ausgerichteten Auflagefläche 11 eines Substrattisches 12 auf. Das Pick und Place System 7 umfasst zwei Antriebssysteme 13 und 14, um den Halbleiterchip 2 vom Wafertisch 4 am Ort A zu entnehmen, in y-Richtung zu transportieren und an einem der vorgegebenen Orte Bi oder B2 oder ... Bn auf dem Substrat 3 zu platzieren. Beide Antriebssysteme 13 und 14 wirken in die y-Richtung. Das erste Antriebssystemi 3 ist ein rotatives Antriebssystem, das dazu dient, das zweite Antriebssystem 14 um eine innerhalb vorgegebener Grenzen beliebig einstellbare Distanz in y-Richtung zu bewegen. Das zweite Antriebssystem 14 ist vorzugsweise der aus der EP 923111 bekannte Hebelmechanismus mit zwei Schwenkhebeln. Das zweite Antriebssystem 14 kann aber auch der aus der EP 877544 bekannte Hebelmechanismus mit ebenfalls zwei Schwenkhebeln oder ein Hebelmechanismus mit einem einzigen Schwenkhebel sein. Das zweite Antriebssystem 14 bewegt den Chipgreifer 9 in y-Richtung um eine feste vorbestimmte Distanz.
[0010] Das erste Antriebssystem 13 umfasst einen um eine erste stationäre Achse 15 drehbaren Schwenkarm 16, eine auf dem Schwenkarm 16 auf einer zur ersten stationären Achse 15 parallel verlaufenden zweiten Achse 17 gelagerte erste Welle 18, und einen ersten, stationär angeordneten Antrieb 19, der dazu dient, den Schwenkarm 16 innerhalb eines vorgegebenen Schwenkbereichs θi und θ2 hin und her zu bewegen. Für diese Aufgabe kann ein beliebiger geeigneter Antrieb verwendet werden. Aus Gründen der zeichnerischen Klarheit ist der erste Antrieb 19 in der Fig. 1 nach unten versetzt dargestellt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der erste Antrieb 19 aus einer Pleuelstange 20, einer Mutter 21, einer Spindel 22 und einem Elektromotor 23. Die Pleuelstange 20 ist an ihrem einen Ende drehbar an der ersten Welle 18 und an ihrem anderen Ende drehbar an der Mutter 21 gelagert. Die Spindel 22 greift in die Mutter 21 ein und wird vom Elektromotor 23 angetrieben. Wenn der Elektromotor 23 dreht, dann bewegt die Spindel 22 die Mutter 21 entlang der Längsachse der Spindel 22. Wichtig ist, dass die Pleuelstange 20 an der ersten Welle 18 und an der Mutter 21 spielfrei gelagert ist.
[0011] Das zweite Antriebssystem 14 umfasst zumindest einen ersten, auf der ersten Welle 18 gelagerten Schwenkhebel 24 und einen zweiten Antrieb 25 für die Drehung des ersten Schwenkhebels 24 um die erste Welle 18. Beim vorliegenden Beispiel umfasst das zweite Antriebssystem 14 auch einen zweiten Schwenkhebel 26. Der Chipgreifer 9 ist entweder direkt am zweiten Schwenkhebel 26 oder, wie im vorliegenden Beispiel, an einem mit dem zweiten Schwenkhebel 26 wirkverbundenen Element gelagert.
[0012] Das Pick und Place System 7 umfasst weiter eine zweite Welle 27, die auf der ersten Welle 18 gelagert ist, und einen Mechanismus, der dafür sorgt, dass die zweite Welle 27 ihre Orientierung bei einer Drehung des Schwenkarms 16 unverändert beibehält. Im folgenden werden drei Beispiele eines solchen Mechanismus erläutert.
[0013] Beim ersten, in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel ist der Mechanismus gebildet durch den Schwenkarm 16, einen um eine dritte, stationäre Achse 28 drehbaren Arm 29 und einen Verbindungsarm 30. Der Verbindungsarm 30 ist um die zweite Achse 17 drehbar an der ersten Welle 18 und um eine vierte Achse 31 drehbar am Arm 29 gelagert. Die Länge des Arms 29, gemessen von der dritten Achse 28 zur vierten Achse 31, ist gleich gross wie die Länge des Schwenkarms 16, gemessen von der ersten Achse 15 zur zweiten Achse 17. Die Länge des Verbindungsarms 30, gemessen von der zweiten Achse 17 zur vierten Achse 31 ist gleich gross wie der Abstand zwischen der ersten Achse 15 und der dritten Achse 28. Die erste Achse 15, die zweite Achse 17, die dritte Achse 28 und die vierte Achse 31 verlaufen parallel zueinander und bilden ein veränderbares Parallelogramm, bei dem der Verbindungsarm 30 immer gleich ausgerichtet ist. Die zweite Welle 27 sitzt auf der ersten Welle 18 des ersten Antriebssystems 13 und ist fest mit dem Verbindungsarm 30 verbunden. Die zweite Welle 27 kann sich daher nicht drehen, ihre Drehlage ist immer die gleiche.
[0014] Beim zweiten, in der Fig. 5 dargestellten Beispiel ist der Mechanismus gebildet durch den
Schwenkarm 16, eine erste Zahnriemenscheibe 32, die auf der ersten stationären Achse 15 gelagert ist, eine zweite Zahnriemenscheibe 33, die im Abstand zur ersten Achse 15 an einer beliebigen Stelle auf dem Schwenkarm 16 um eine zweite Achse 17 drehbar gelagert ist, und einen Zahnriemen 34, der die beiden Zahnriemenscheiben 32 und 33 umschlingt. Der Durchmesser der beiden Zahnriemenscheiben 32 und 33 ist gleich gross. Die erste Zahnriemenscheibe 32 ist ortsfest angeordnet, d.h. sie kann sich nicht um die erste Achse 15 drehen. Links in der Fig. 5 ist der Zustand dargestellt, wenn der Schwenkarm 16 den Winkel θ = 0° mit der Vertikalen einschliesst, rechts in der Fig. 5 ist der Zustand dargestellt, wenn der Schwenkarm 16 den Winkel θ = θi° mit der Vertikalen einschliesst. Eine erste Linie 35 illustriert die unveränderbare Drehlage der ersten Zahnriemenscheibe 32, eine zweite Linie 36 illustriert die ebenfalls unveränderbare Drehlage der zweiten Zahnriemenscheibe 33. Wenn der erste Antrieb 19 (Fig. 1) den
Schwenkarm 16 dreht, dann rollt der Zahnriemen 34 auf der zweiten Zahnriemenscheibe 33 ab. Weil der Durchmesser der beiden Zahnriemenscheiben 32 und 33 gleich gross ist, dreht sich die zweite Zahnriemenscheibe 33 dabei nicht. An der zweiten Zahnriemenscheibe 33 kann wie dargestellt eine Komponente 37 befestigt sein, die ihre Orientierung im Raum aufgrund dieses Mechanismus immer beibehält. Der erste Schwenkhebel 24 ist bevorzugt am Schwenkarm 16 gelagert, beispielsweise auf der zweiten Achse 17, er kann aber auch an der Komponente 37 gelagert sein.
[0015] Der dritte Mechanismus ist ähnlich dem zweiten Mechanismus mit dem Unterschied, dass die beiden Zahnriemenscheiben 32 und 33 je durch ein Zahnrad und der Zahnriemen durch ein in der Mitte zwischen den beiden Zahnrädern auf dem Schwenkarm 16 gelagertes Zwischenzahnrad ersetzt sind, wobei das Zwischenzahnrad mit den beiden Zahnrädern kämmt. Der Mechanismus ist ähnlich dem später anhand der Fig. 4 beschriebenen Mechanismus.
[0016] Bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel basiert das zweite Antriebssystem 14 auf dem in der EP 923111 beschriebenen Hebelmechanismus, der den ersten Schwenkhebel 24 und den zweiten Schwenkhebel 26 umfasst. Der erste Schwenkhebel 24 ist drehbar auf der ersten Welle 18 gelagert, d.h. der erste Schwenkhebel 24 ist um die zweite Achse 17 drehbar. Der zweite Schwenkhebel 26 ist an dem von der ersten Welle 18 abgewandten Ende des ersten Schwenkhebels 24 drehbar an einem Bolzen 38 gelagert. Eine fest mit dem zweiten Schwenkhebel 26 verbundene Zahnriemenscheibe 39 ist auf dem Bolzen 38 gelagert. Ein Zahnriemen 40 umschlingt die zweite Welle 27 und die Zahnriemenscheibe 39, wobei der Zahnriemen 40 an der zweiten Welle 27 befestigt ist. Die zweite Welle 32 enthält bevorzugt eine Spannvorrichtung, um den Zahnriemen 40 zu spannen. Die zweite Welle 27 könnte auch eine
Zahnriemenscheibe sein, obwohl dies nicht zwingend erforderlich ist, nämlich weil der Zahnriemen 40 fest mit der zweiten Welle 27 verbunden ist.
[0017] Das zweite Antriebssystem 14 umfasst weiter einen zweiten Antrieb 25, der dazu dient, die beiden Schwenkhebel 24 und 26 zwischen einer ersten Endlage, in der sie sich zueinander in Strecklage befinden, und einer zweiten Endlage, in der sie sich zueinander in Strecklage befinden, hin und her zu bewegen. Strecklage bedeutet, dass die beiden Schwenkhebel 24 und 26 auf einer Geraden liegen. Der zweite Antrieb 25 besteht aus einer auf der ersten Achse 15 gelagerten Zahnriemenscheibe 41, einem Zahnriemen 42 und einer am ersten Schwenkhebel 24 starr befestigten dritten Welle 43. Der Zahnriemen 42 umschlingt die Zahnriemenscheibe 41 und die dritte Welle 43. Der Zahnriemen 42 kann auch mittels einer Spannvorrichtung an der dritten Welle 43 befestigt sein. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der erste Schwenkhebel 24 und die dritte Welle 43 als Teil eines Gehäuses ausgeführt, das die zweite Welle 27, den Zahnriemen 40 und die Zahnriemenscheibe 39 aufnimmt. Ein stationär angeordneter Motor 44, vorzugsweise ein Elektromotor, treibt die Zahnriemenscheibe 41 entweder direkt oder über ein Untersetzergetriebe an. Die Zahnriemenscheibe 39, der Zahnriemen 40 und die dritte Welle 43 bilden eine Übersetzungsstufe, deren Verhältnis im Beispiel etwa 1: 4 ist, das aber auch grösser oder kleiner oder auch 1:1 sein kann. Der Chipgreifer 9 bzw. der Bondkopf 8 mit dem Chipgreifer 9 ist am äusseren Ende des zweiten Schwenkhebels 26 oder wie in der Fig. 6 dargestellt an einem mit dem äusseren Ende des zweiten Schwenkhebels 26 wirkverbundenen Element gelagert.
[0018] Die Fig. 1 zeigt das Pick und Place System 7 in der Pick Position, in der der Schwenkarm 16 mit der Vertikalen den Winkel θi einschliesst und sich die beiden Schwenkhebel 24 und 26 in der ersten
Endlage befinden, in der sich der Bondkopf 8 am Ort A oberhalb des aufzunehmenden Halbleiterchips 2 befindet. Der zweite Schwenkhebel 26 befindet sich in dieser Strecklage auf der rechten Seite des ersten Schwenkhebels 24.
[0019] Die Fig. 2 zeigt das Pick und Place System 7 in einer Bond Position, in der der Schwenkarm 16 mit der Vertikalen den Winkel ΘB3 einschliesst und sich die beiden Schwenkhebel 24 und 26 in der zweiten Endlage befinden, in der sich der Bondkopf 8 am Ort B3 oberhalb des zu bestückenden Substratplatzes befindet. Der zweite Schwenkhebel 26 befindet sich in dieser Strecklage auf der linken Seite des ersten Schwenkhebels 24.
[0020] Die Fig. 3 zeigt zur besseren Veranschaulichung eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemässen Pick und Place Systems 7. Sichtbar sind zwei stationäre Lager 45, in denen eine Hohlwelle 46 gelagert ist, die entlang der ersten Achse 15 verläuft. Der Schwenkarm 16 ist an der Hohlwelle 46 befestigt. Im Innern der Hohlwelle 46 ist eine Welle gelagert, die vom Elektromotor 23 (Fig. 1) angetrieben ist und auf der die Zahnriemenscheibe 41 sitzt. Am Schwenkarm 16 ist auch eine Ausgleichsmasse 47 befestigt, so dass der Schwenkarm 16 ausgewuchtet ist.
[0021] Die Fig. 4 zeigt eine Ausführung, bei der die zweite Welle 27 ein erstes Zahnrad 48 ist und bei der anstelle des Zahnriemens 40 ein Zwischenzahnrad 49 und anstelle der Zahnriemenscheibe 39 ein zweites Zahnrad 50 vorhanden ist. Das erste Zahnrad 48 ist ebenfalls fest mit dem Verbindungsarm 30 (Fig. 1) verbunden. Das Zwischenzahnrad 49 ist am ersten Schwenkhebel 24 drehbar in der Mitte gelagert und kämmt mit dem ersten Zahnrad 48 und dem zweiten Zahnrad 50. Die beiden Schwenkhebel 24 und 26 befinden sich in dieser Darstellung in Strecklage zueinander, d.h. sie liegen auf einer Geraden 51.
[0022] Das erfindungsgemässe Pick und Place System 7 ermöglicht die Montage der Halbleiterchips mit grosser Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit. Die im folgenden angegebenen Zahlenwerte betreffen das vorliegende Ausführungsbeispiel. Diese Zahlenwerte sind deshalb nur als beispielhafte Angaben anzusehen, die durchaus variieren können. Das Pick und Place System 7 transportiert die Halbleiterchips 2 in y-Richtung um eine Distanz D, die zwischen Dmn = 260 und Dmax = 330 mm liegt. Das erste Antriebssystem 13 bewegt das zweite Antriebssystem 14 um einen einstellbaren Weg w, der programmgesteuert zwischen 0 und 70 mm liegt. Das zweite Antriebssystem 14 legt zwischen den beiden Endlagen, in denen sich der erste Schwenkhebel 24 und der zweite Schwenkhebel 26 in Strecklage zueinander befinden, eine nicht veränderbare Distanz D0 zurück. Die Distanz D0 wird aufgrund der Ausnützung der Strecklagen mit sehr grosser Genauigkeit eingehalten.
[0023] Die Distanz D0 wird mit Vorteil so gewählt, dass D0 ~ Vi (Dmn + Dmax) ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wäre dann D0 ~ 295 mm. Die y-Lage der ersten Achse 15 ist dann dementsprechend so festgelegt, dass sich der Bondkopf 8 oberhalb der Pick Position A befindet, wenn der Schwenkarm 16 des ersten Antriebssystems 13 den Winkel θ0 = Vi (θ i + θ2) einnimmt. Beim Wechsel von der Pick Position zu einer der genannten Bondpositionen B1 bis B4 muss das erste Antriebssystem 13 daher höchstens den Winkel Vi | θ i - θ2 | zurücklegen, was im vorliegenden Fall dem maximalen Weg von 35 mm entspricht. Das erste Antriebssystem 13 legt nur einen Weg zurück, der etwa einem Zehntel des maximalen Wegs des Pick und Place Systems 7 entspricht und in einem technischen Bereich liegt, in dem ebenfalls eine hohe Genauigkeit bei einer für die Anwendung ausreichenden Geschwindigkeit erreichbar ist.
[0024] Die zweite Achse 17 wird auf einer Kreisbahn hin und her bewegt. Dabei dreht sich die erste Welle 18 um einen der Drehung entsprechenden Winkel. Damit sich der erste Schwenkhebel 24 und der zweite Schwenkhebel 26 sowohl in der ersten Endlage, in der sich der Bondkopf 8 in der Pick Position oberhalb des Wafertisches 4 befindet, als auch in der zweiten Endlage, in der sich der Bondkopf 8 in einer beliebigen Montageposition oberhalb des Substrattisches 12 befindet, in Strecklage zueinander befinden, muss der erste Schwenkhebel 24 beim Wechsel von der einen Endlage in die andere Endlage immer, unabhängig vom aktuellen Drehwinkel θ des Schwenkarms 16, um einen Winkel von 180° und der zweite Schwenkhebel 26 um den doppelten Winkel von 360° drehen. Um dies zu erreichen, ist es einerseits erforderlich, dass die zweite Welle 27 ihre Orientierung immer beibehält. Dafür sorgt das durch den Schwenkarm 16, den Arm 29 und den Verbindungsarm 30 gebildete Parallelogramm: der Verbindungsarm 30 ändert seine Richtung nie. Deshalb ändert auch die zweite Welle 27 ihre Drehlage nicht. Andererseits ist es erforderlich, dass der Durchmesser der zweiten Welle 27 doppelt so gross ist wie der Durchmesser der Zahnriemenscheibe 39.
[0025] Wenn der zweite Antrieb 25 die dritte Welle 43 und den mit ihr fest verbundenen ersten Schwenkhebel 24 um die erste Welle 18 dreht, dann rollt die Zahnriemenscheibe 39 auf dem Zahnriemen 40 ab, so dass also der zweite Schwenkhebel 26 doppelt so schnell wie der erste Schwenkhebel 24 und in entgegengesetzter Drehrichtung dreht.
[0026] Das erfindungsgemässe Pick und Place System 7 weist folgende Vorteile auf:
- Grosser Durchsatz bei hoher Platzierungsgenauigkeit. Die hohe Platzierungsgenauigkeit des Hebelmechanismus mit den beiden Schwenkhebeln 24 und 26 bleibt weitgehend erhalten, obwohl jetzt innerhalb eines vorgegebenen Bereichs beliebige Bondpositionen angefahren werden können. - Die Elektromotoren 23 und 44 der Antriebe 19 und 25 sind stationär angeordnet, d.h. ihre Masse muss nicht bewegt werden. Die insgesamt zu bewegende Masse ist daher viel geringer als bei den Lösungen des Standes der Technik.
- Die Zuführung der elektrischen Energie ist einfach, eine flexible Stromzufuhr ist nicht erforderlich.
[0027] Das zweite Antriebssystem 14 kann auch einen anderen als den vorhin beschriebenen, auf der EP 923111 basierenden Hebelmechanismus umfassen, beispielsweise den aus der EP 877544 bekannten Hebelmechanismus, der ebenfalls zwei Schwenkhebel aufweist. Es ist auch möglich, nur einen einzigen Schwenkhebel, nämlich den ersten Schwenkhebel 24 (Fig. 1), zu verwenden und den Bondkopf 8 mit dem Chipgreifer 9 am einzigen Schwenkhebel zu lagern.
[0028] Die beiden Antriebssysteme 13 und 14 des Pick und Place System 7 haben die Aufgabe, den Bondkopf 8 mit grosser Geschwindigkeit in y-Richtung hin und her zu den vorgegebenen Positionen B1 bis Bn (Fig. 1) zu bewegen. Das Pick und Place System 7 hat zudem die Aufgabe, den Bondkopf 8 und/oder den Chipgreifer 9 in z-Richtung anzuheben und abzusenken, sowie, fakultativ, Korrekturbewegungen in x-Richtung zu ermöglichen, damit der Halbleiterchip lagegenau auf dem entsprechenden Substratplatz platziert werden kann. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, den Bondkopf wie in der Fig. 6 schematisch dargestellt, an einem Schlitten 52 zu befestigen, der auf einer in y-Richtung verlaufenden Führungsschiene 53 verschiebbar gelagert ist. Der Schlitten 52 enthält einen in z-Richtung verlaufenden Schlitz 54, in den ein am äussersten Schwenkhebel 55 des zweiten Antriebssystems 14 angebrachter Bolzen 56 eingreift. (Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der zweite Schwenkhebel 26 der äusserste Schwenkhebel 55). Diese Lösung entkoppelt jede Bewegung des äussersten Schwenkhebels 55 in z-Richtung von der Bewegung des Schlittens 52 in y-Richtung und ermöglicht es zudem, die Führungsschiene 53 in z-Richtung abzusenken und anzuheben ohne Rückwirkung auf den äussersten Schwenkhebel 55.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Pick und Place System für die Entnahme eines an einem ersten Ort bereitgestellten Halbleiterchips (2) und die anschliessende Platzierung auf einem Substrat (3), mit einem Chipgreifer (9), gekennzeichnet durch ein erstes Antriebssystem (13) mit einem um eine erste stationäre Achse (15) drehbaren
Schwenkarm (16), einer auf dem Schwenkarm (16) auf einer zur ersten stationären Achse (15) parallel verlaufenden zweiten Achse (17) gelagerten ersten Welle (18) und einem ersten Antrieb (19) für die Drehung des Schwenkarms (16) um die erste stationäre Achse (15), ein zweites Antriebssystem (14), das einen auf der ersten Welle (18) gelagerten ersten Schwenkhebel (24) und einen zweiten Antrieb (25) für die Drehung des ersten Schwenkhebels (24) umfasst, eine zweite Welle (27), die auf der ersten Welle (18) gelagert ist, und einen Mechanismus, der dafür sorgt, dass die zweite Welle (27) ihre Orientierung bei einer Drehung des Schwenkarms (16) unverändert beibehält, wobei der zweite Antrieb (25) einen stationär angeordneten Motor umfasst, der mit dem ersten
Schwenkhebel (24) über eine Übersetzungsstufe wirkverbunden ist, und wobei der Chipgreifer (9) an einem mit dem ersten Schwenkhebel (24) wirkverbundenen Element gelagert ist.
2. Pick und Place System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Mechanismus gebildet ist durch den Schwenkarm (16), einen weiteren Arm (29) und einen Verbindungsarm (30), wobei der weitere Arm (29) um eine dritte, stationäre Achse (17) drehbar gelagert ist, wobei der Verbindungsarm (30) um die zweite Achse (17) drehbar am Schwenkarm (16) und um eine vierte Achse (31) drehbar am weiteren Arm (29) gelagert ist, wobei die erste Achse (15), die zweite Achse (17), die dritte Achse (28) und die vierte Achse (31) parallel zueinander verlaufen und ein veränderbares Parallelogramm bilden.
3. Pick und Place System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Mechanismus gebildet ist durch eine erste Zahnriemenscheibe (32), die stationär auf der ersten Achse (15) angeordnet ist, und eine zweite Zahnriemenscheibe (33), die im Abstand zur ersten Zahnriemenscheibe (32) auf dem Schwenkarm (16) gelagert ist, wobei die beiden Zahnriemenscheiben (32, 33) den gleichen Durchmesser haben und über einen Zahnriemen (34) miteinander verbunden sind.
4. Pick und Place System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Antriebssystem (14) zusätzlich einen zweiten Schwenkhebel (26), eine Zahnriemenscheibe (39) und einen Zahnriemen ( 40) umfasst, wobei der zweite Schwenkhebel (26) drehbar auf einem Bolzen (38) gelagert ist, der an dem von der ersten Welle (18) abgewandten Ende des ersten Schwenkhebels (24) am ersten Schwenkhebel (24) angebracht ist, wobei die Zahnriemenscheibe (39) auf dem Bolzen (38) gelagert und fest mit dem zweiten Schwenkhebel (26) verbunden ist, wobei der Zahnriemen (40) dafür sorgt, dass bei einer Drehung des ersten Schwenkhebels (24) um 180° der zweite Schwenkhebel (26) um 360° dreht, und wobei die Übersetzungsstufe eine auf der ersten Achse (15) gelagerte weitere Zahnriemenscheibe (41), eine dritte Welle (43) und einen weiteren Zahnriemen (42) umfasst, wobei die dritte Welle (43) auf der ersten Welle (18) gelagert und fest mit dem ersten Schwenkhebel (24) verbunden ist, und wobei der weitere Zahnriemen (42) die weitere Zahnriemenscheibe (41) und die dritte
Welle (43) umschlingt.
5. Halbleiter-Montageeinrichtung mit einem Pick und Place System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Chipgreifer (9) an einem Bondkopf (8) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (16) sich etwa in der Mitte des genannten Schwenkbereichs befindet, wenn der Bondkopf (8) den am ersten Ort bereitgestellten Halbleiterchip (2) entnimmt.
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