DE19840387C2 - Verfahren zur Feinpositionierung von Mikroteilen - Google Patents
Verfahren zur Feinpositionierung von MikroteilenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fein
positionierung von Mikroteilen im Toleranzbereich von eini
gen µm bei der Einzelmontage einer Vielzahl mittels einer
Trägerschicht verbundener Mikroteile mit Abmessungen im un
teren Millimeterbereich auf Mikrostrukturen, unter Anwen
dung pneumatischer und adhäsiver Greifer oder Halterungen,
z. B. bei der Montage von Mikroabformteilen mit Kantenlän
gen im Bereich von 2-3 mm oder darunter.
Die Erfindung befasst sich dabei speziell mit der Einzel
montage von zunächst als Abformfolie vorliegenden, zusam
menhängenden Mikroteilen mit einer sie verbindenden Träger
schicht auf dem Substrat einer Mikrostruktur. Die Abformfo
lien werden unter anderem durch Heißprägen hergestellt. Die
zusammenhängenden Mikroteile müssen voneinander getrennt,
das heisst vereinzelt werden, bevor sie durch einen ent
sprechenden Greifer erfasst, durch diesen zum Montageort
gebracht und dort abgesetzt werden. Ein Problem besteht nun
darin, daß die zwar zunächst mit der hohen Genauigkeit von
wenigen µm auf der Abformfolie positionierten Mikroteile
beim Trennen bezogen auf diese ihre Lage verändern. Erfor
derlich ist es jedoch, die Mikroteile in einer Position zu
haben, die ein genaues Umsetzen der einzelnen Mikroteile in
die spätere Montageposition in der ursprünglichen Genauig
keit der Abformfolie ermöglicht.
Aus der US-PS 4 476 756 ist ein Verfahren bekannt, bei wel
chem ausgeschnittene Teile mittels Unterdruck auf einer Un
terlage bis zu ihrer Abförderung angesaugt werden. Weiter
ist aus der DE 35 23 415 A1 bekannt, bei einem Greifer zum
Transportieren von Gegenständen Klebeband als Haltemittel
vorzusehen.
Davon ausgehend hat die vorliegende Erfindung zur Aufgabe,
ein durchgehendes Handhabungsverfahren für Mikroteile an
zugeben, das es ermöglicht, diese vor, während und nach der
Vereinzelung, beim Greifen und Absetzen immer in einer
Position innerhalb bestimmter Toleranzen zu halten. Das
bedeutet, daß die hohe Lagegenauigkeit der Mikroteile im
Folienverbund beim Absetzvorgang auf einer Mikrostruktur
wieder vorhanden sein muß, obwohl während der Zwischen
schritte im Magazin, beim Transport, bei der Zwischenlage
rung usw. eine Verlagerung weit über die Toleranzen für die
endgültige Lage auf dem Substrat der zu bestückenden Mi
krostruktur hinaus stattfinden kann.
Zur Lösung der Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren
mit den Merkmalen vor, die im kennzeichnenden Teil des Pa
tentanspruches 1 angeführt sind. Weitere, vorteilhafte Aus
gestaltungen des Verfahrens sind in den Merkmalen der Un
teransprüche angegeben.
Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden
und anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:
die Fig. 1a-d die Verfahrensschritte bis zum Abheben, wo
bei in der Fig. 3d das abgehobene Teil ohne Greifer darge
stellt ist und
die Fig. 2a-c das Verfahrensschema vom Abheben bis zum
Absetzen,
die Fig. 3a-d die Situation am Greifer beim Abheben
die Fig. 4a-d die Situation am Greifer beim Absetzen.
Der in den einzelnen Stufen a bis d gemäß der Fig. 1 sche
matisch dargestellte erste Teil des Verfahrens besteht aus
der Magazinierung, der Positionierung sowie der Vereinze
lung einer Vielzahl von, mittels einer Trägerschicht 3 verbundenen
Abformteilen 2, wobei diese in der Höhe struktu
rierte, sogenannte Mikrobauteile mit Abmessungen im mm-Be
reich sind. Die Mikroteile sind auf der Abformfolie posi
tioniert und sollen nach ihrer gegenseitigen Trennung durch
einen zum Montageort genau positionierten Mikrogreifer ab
gehoben und mit diesem unter Aufrechterhaltung geringster
Toleranzen im Bereich von wenigen µm an ihrem Montageort
wieder abgesetzt werden. Dazu müssen die Mikrobauteile, die
zunächst mit einer Lageabweichung von +/-2 µm positioniert
und zusammenhängend als in Reihen angeordnete Abformteile 2
in Form einer Abformfolie 1 vorliegen, nach ihrer Trennung
voneinander möglichst genau in ihrer Ausgangslage verblei
ben. Dazu können zusätzlich zwischen ihnen Zwischenstege 7
mit ebenfalls glatten Flächenanteilen vorhanden sein, die
ebenfalls Bestandteile der Abformfolie 1 sind. Die Verein
zelung erfolgt nun dadurch, daß die Abformteile 2 zusammen
im verbundenen Zustand, jedoch jedes für sich einzeln mit
tels Unterdruck auf einer Magazinplatte 4 angesaugt, da
durch in vorbestimmter Position gemeinsam festgehalten, da
nach unter Aufrechterhaltung des Unterdruckes voneinander
getrennt und ebenfalls unter Aufrechterhaltung des Unter
druckes jeweils für sich auf später beschriebene Weise von
der Magazinplatte 4 wieder abgehoben werden. Bei der Ab
formfolie 1 wird die Seite der Trägerschicht 3 als Unter
seite 5, die strukturierte Seite mit den Abformteilen 2 als
Oberseite 6 bezeichnet, wobei diese Oberseite 6 glatte, an
saugfähige Flächenanteile aufweist. Bei einer speziellen
Ausführungsform der Abformfolie 1 sind die Abformteile 2 in
einer Matrix angeordnet, wobei zwischen ihnen Zwischenstege
7 mit ebenfalls glatten Flächenanteilen an der Oberseite 6
vorhanden sind. In dieser Konfiguration können die verein
zelten Mikrokomponenten auch ohne Unterdruck hochgenau aus
dem Magazin entnommen werden. Solche Abformfolien der Mi
krotechnik weisen eine typische Dicke im Bereich von eini
gen 100 µm, die einzelnen Abformteile Abmessungen im Bereich
von mehreren 100 µm auf.
Wie in der Fig. 1a dargestellt, wird die Abformfolie 1 nach
einem Prägevorgang in die Ausnehmung 8 auf der Oberfläche
der Magazinplatte 4 mit ihrer Oberseite 6 nach unten mit
einer Toleranz ihrer Position von etwa +/-0,2 mm so einge
legt, daß sie mit den glatten Oberflächenanteilen über die
Saugbohrungen 9 und 10 zu liegen kommt, die durch die Maga
zinplatte 4 hindurchgehen und von deren Unterseite her mit
Unterdruck beaufschlagt werden. Nach Aufbringen dieses Un
terdruckes wird die Abformfolie 1 in der Ausnehmung 8 auf
der Magazinplatte 4 als Ganzes festgesaugt und somit genau
positioniert. Zum Ansaugen wird die Magazinplatte 4 auf den
Saugtisch 11 z. B. einer Wafersäge aufgesetzt, dessen Sau
göffnungen 12 mit dem Hohlraum 13 der Magazinplatte 4 unter
deren Saugbohrungen 9 und 10 in Verbindung stehen. Danach
wird die Trägerschicht 3 von deren Unterseite 5 her, z. B.
mit dem Sägeblatt 14 der Wafersäge zwischen den Abformtei
len 2 durchgesägt, siehe die Fig. 1b. Dabei entspricht die
Sägetiefe der Dicke der Trägerschicht 3 zuzüglich eines
Aufmaßes, das im Bereich von wenigen µm liegt. Danach sind
die Abformteile 2 voneinander getrennt, werden jedoch durch
den unter ihnen mittels der Saugbohrungen 9 an ihren glat
ten Flächen angreifenden Unterdruck weiterhin in der durch
ihre ehemalige Lage auf der Abformfolie 1 vorgegebenen Po
sition mit der erwähnten Positionstoleranz von +/-0,2 mm
durch das Einlegen der Abformfolie in die Ausnehmung 8 ge
halten, siehe die Fig. 1c.
Bei der in den Fig. 1a bis 1d dargestellten Form der Ab
formfolie 1 sind die Abformteile 2 in einer Matrix angeord
net, wobei zwischen ihnen die bereits erwähnten Zwischen
stege 7 mit ebenfalls glatten ansaugfähigen Flächenanteilen
wie bei den Abformteilen 2 vorhanden sind. Diese Zwischen
stege 7 sind mit den Abformteilen 2 durch die aufzutren
nende Trägerschicht 3 verbunden. Der im vorstehenden be
schriebene Trennvorgang ist hier ähnlich, der Schnitt des
Sägeblattes 14 erfolgt zwischen jedem Abformteil 2 und den
Zwischenstegen 7. Danach werden auch sie über den Saugbohrungen
10 durch den Unterdruck im Hohlraum 13 in ihrer ur
sprünglichen Lage festgehalten, wodurch die Positionierung
der Abformteile 2 nach dem Sägeschnitt noch verbessert und
der Ordnungsgrad der vereinzelten Abformteile 2 durch das
Gitter der auf der Abformfolie 1 mitgeprägten Zwischenstege
7 erhalten bleibt. Nach dem Trennvorgang und einem eventu
ellen Weitertransport der Magazinplatte 4 erfolgt die Ent
nahme der Abformteile 2 von der Magazinplatte 4 mit oder
ohne Aufrechterhaltung des Unterdruckes, siehe die Fig. 1d.
Dies kann an einer getrennten Stelle z. B. an der Bereit
stellungsposition des des Adhäsionsgreifers 15 eines in der
Fig. 1 nicht dargestellten Handhabungsgerätes erfolgen,
wodurch dieser so die magazinierten Abformteile 2 an einer
festen Position übernehmen kann.
Der Vorgang ist in den Fig. 2a-c dargestellt.
Über einem Maschienentisch 21 ist ein Handhabungsgerät 22
mit einem Arbeitsarm 23 angeordnet, der mit einem Adhäsi
onsgreifer 15 ausgestattet ist, dessen genauere Funktion in
den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Auf dem Maschinentisch
21 ist an einer Seite die Magazinplatte 4 mit den ordnungs
gradbestimmenden Merkmalen gemäß den Fig. 1a-d fixiert,
an einer anderen Stelle die Mikrostruktur bzw. das Substrat
19, auf welchem die im Magazin 4 gehaltenen Mikroteile 2 in
genauer Position abgesetzt werden sollen. Das Substrat 19
ist dabei genau zu dem Handhabungsgerät 22 bzw. zu dem
Greifer 15 ausgerichtet, so daß bei dem Aufnehmen des Mi
kroteiles 2 gemäß der Fig. 2a eine Zentrierung am Greifer
15 nötig ist, um die spätere genaue Absetzposition auf dem
Substrat 19 zu erreichen. Diese geschieht durch den in den
Fig. 3 und 4 dargestellten Prozeß. Die Fig. 2b zeigt
das Bewegen des Arbeitsarmes 23 mit dem daran hängenden und
zum Greifer 15 zentrierten Mikroteiles 2 zum Substrat 19
hin und die Fig. 2c sein Absetzen auf diesem mit der er
wünschten hohen Genauigkeit.
In den Fig. 3a-d und 4a-d ist der Greifzyklus als
zweiter Teil des Verfahrens genauer gezeigt. Wie bereits
erwähnt, kann die Lageabweichung der Mikroteile nach dem
eingangs beschriebenen Trennprozeß um mehrere Zehnerpoten
zen größer sein, als die Toleranz von etwa 2 µm ihrer Posi
tion auf der Trägerschicht 3. Diese Abweichung muß nun wie
der korrigiert werden, um das Mikroteil 2 mit einem ent
sprechend genau vorposionierten Greifer mit der ursprüngli
chen Genauigkeit von etwa 2 µm in einer Position auf dem
Substrat einer Mikrostruktur absetzen zu können. Dies er
fordert eine Zentrierung des Mikroteiles 2 zu der Greifflä
che 16 des Greifers 15. Dazu wird ein adhäsiver Greifer 15
mit seiner Greiffläche 16 über der Oberfläche 17 jeweils
eines einzelnen Mikroteils 2 in den Adhäsionsbereich des
zum adhäsiven Greifen zwischen den beiden Flächen 16 und 17
notwendigen Flüssigkeitsfilms des Adhäsives 18 gebracht und
dadurch die Flächen 16 und 17 von Greifer 15 und Mikroteil
2 durch diesen Flüssigkeitsfilm in der Adhäsionsebene bezo
gen auf ihre Umrisse gegenseitig zentriert. Danach wird das
einzelne am Greifer 15 zentrierte und damit zu ihm genau
positionierte Mikroteil 2 durch adhäsives Greifen von der
Unterlage 4 abgehoben und durch den Greifer 15 zu der vor
gegebenen Montageposition über der zu bestückenden Mi
krostruktur gebracht sowie dort positionsgenau abgesetzt
und vom Greifer wieder getrennt.
Im einzelnen geschieht dies am Beispiel eines Greifzyklus
in den Fig. 3a-d und 4a-d wie folgt:
Nach der Fig. 3a wird das Adhäsiv 18 mittels einer nicht
dargestellten Dosiereinheit im Greifer 15 dosiert. Der
Greifer 15 fährt das zu handhabende Mikroteil 2 in der Tei
lebereitstellung ohne große Genauigkeit an. Wie in der
Fig. 3b dargestellt, bildet sich bei der ersten Berührung
zwischen Adhäsiv 18 und Oberfläche 17 des Mikroteiles 2
aufgrund der Benetzungseigenschaften eine Flüssigkeits
brücke. Der Greifer verbleibt kurz in dieser Position, um
die nächste Phase nicht zu gefährden. Würde er zu früh wie
der abgehoben, wäre die Haltekraft noch nicht groß genug,
was einen Bruch der Flüssigkeitsbrücke mit Rückfallen des
Mikroteiles 2 zur Folge hätte. Gemäß der Fig. 3c findet eine
weitere Benetzung statt, was zum Anwachsen der Haltekraft
mit gleichzeitigem Anheben des Mikroteiles führt. Bei voll
ständiger Benetzung wird dann das Mikroteil 2 mit seiner
Oberfläche 17 zu der Greiferfläche 16 zentriert. Danach
wird der Greifer 15 mit dem gegriffenen Mikroteil 2 gemäß
der Fig. 3d in die Montageposition weggefahren. Die Schritte
3a-d können auch unter Aufrechterhaltung des Unterdruckes
über die Saugbohrungen 9 erfolgen, sofern die durch ihn un
ten am Mikroteil 2 erzeugte Haltekraft unter der Greifkraft
des Adhäsionsgreifers 15 liegt.
Das Absetzen über einem Substrat 19 ist in den Fig. 4a-
d dargestellt. In 4a fährt das nicht dargestellte Handha
bungsgerät mit dem Greifer 15 eine programmierte Position
über dem Substrat 19 einer zu bestückenden Mikrostruktur
an. Über dem Substrat 19 wird dabei ein Abstand 20 einge
halten, um den Absetzvorgang einzuleiten. In 4b wird Wärme
Q zur Beschleunigung des Verdunstungsprozesses des Adhäsi
ves zugeführt, mit dem die Trennung zum Beispiel herbeige
führt werden kann. Es bilden sich bei der Verdunstung wie
der die bei der Fig. 3 beschriebenen Flüssigkeitsbrücken,
die die weitere Haltekraft erzeugen. Dabei verändert das
Mikroteil 2 seine Lage in der Ebene zur Greiferfläche 16
nicht. Danach verfährt der Greifer 15, siehe die Fig. 4c,
bis zum Kontakt mit dem Substrat 19. Diese Bewegung wird
bei einer bestimmten, einstellbaren Kraft abgebrochen. Da
nach erfolgt das Fixieren oder Verbinden des Mikroteiles 2
mit dem Substrat 19 gemäß Fig. 4d mit dem Anpreßdruck F,
z. B. mit der Kapillarklebetechnik. Danach wird der Greifer
15 langsam von dem nunmehr auf dem Substrat 19 abgesetzten
Mikroteil 2 wieder abgehoben, um dessen Lage nicht mehr zu
verändern.
Die Toleranzkette bei dem Verfahren stellt sich damit wie
folgt:
Auf der Abformfolie 1 sind die Mikroteile 2 mit einer Ge nauigkeit von +/-2 µm positioniert. Beim Einlegen in die Magazinplatte 4 kann sich eine Lageabweichung der Abformfo lie von +/-0,2 mm, d. h 200 µm oder noch mehr ergeben. Bei der Vereinzelung auf der Magazinplatte 4 ergeben sich durch den Sägeschnitt weitere +/-40 µm Abweichung. Durch das An saugen wird somit eine maximale Abweichung von etwa bis zu +/-250 µm bezogen auf die Ausgangslage fixiert. Der adhä sive Greifer 15 ist zusammen mit seinem Handhabungsgerät zu der Montageposition über dem zu bestückenden Substrat 19 im unteren µm-Bereich justiert und erreicht die Abhebeposition mit einer ähnlichen Genauigkeit. Die im vorstehenden be schriebene Zentrierung erfolgt dann aus der um den oben an gegebenen Betrag abweichenden Position der Magazinierung und Trennung mit einer Genauigkeit von +/-2 µm in die neue Position am Greifer. Damit ist das Mikroteil 1 auch mit entsprechender Genauigkeit zu seiner späteren Montageposi tion auf dem Substrat 19 positioniert.
Auf der Abformfolie 1 sind die Mikroteile 2 mit einer Ge nauigkeit von +/-2 µm positioniert. Beim Einlegen in die Magazinplatte 4 kann sich eine Lageabweichung der Abformfo lie von +/-0,2 mm, d. h 200 µm oder noch mehr ergeben. Bei der Vereinzelung auf der Magazinplatte 4 ergeben sich durch den Sägeschnitt weitere +/-40 µm Abweichung. Durch das An saugen wird somit eine maximale Abweichung von etwa bis zu +/-250 µm bezogen auf die Ausgangslage fixiert. Der adhä sive Greifer 15 ist zusammen mit seinem Handhabungsgerät zu der Montageposition über dem zu bestückenden Substrat 19 im unteren µm-Bereich justiert und erreicht die Abhebeposition mit einer ähnlichen Genauigkeit. Die im vorstehenden be schriebene Zentrierung erfolgt dann aus der um den oben an gegebenen Betrag abweichenden Position der Magazinierung und Trennung mit einer Genauigkeit von +/-2 µm in die neue Position am Greifer. Damit ist das Mikroteil 1 auch mit entsprechender Genauigkeit zu seiner späteren Montageposi tion auf dem Substrat 19 positioniert.
In der folgenden Tabelle sind die Zentrierergebnisse bei
Wasser als Adhäsiv für vier gewählte Kombinationen der Ver
hältnisse von Greiferfläche 16 zur Oberfläche 17 des Mikro
teiles bei bestimmten Mengenbereichen des Adhäsives 18 und
Bereichen der Greifabstände angegeben, wobei Δ die Diffe
renz der Position der jeweiligen Außenkanten voneinander
ist. Die Seitenlängen des Mikroteiles betrugen bei dem Bei
spiel x = 3000 µm sowie y = 2000 µm.
Die Ergebnisse zeigen, daß die Zentrierwirkung von den Ab
messungen der Greifer zur Greifobjektfläche und von der
verwendeten Adhäsivmenge abhängig ist. Für eine ausrei
chende Benetzung der Greiferfläche 16 ist eine Mindestadhä
sivmenge von 20 nl/mm2 bis in den Grammbereich der Ge
wichtskräfte erforderlich, die in Abhängigkeit der Greifer-
zur Greifobjektfläche 16 und 17 (Flächendifferenz) zur Zen
trierung von diesen zueinander führt. Der Zentriereffekt
tritt dabei nur in einem bestimmten Mengenbereich des Adhä
sivs 18 auf. Liegt eine Flächendifferenz < +50 µm oder < -50 µm
bei gleichen Werten in der x- und der y-Achse vor, so
wird eine Positionierungsgenauigkeit von +/-2 µm, die in
nerhalb der Meßgenauigkeit liegt, erreicht. Die Orientie
rungsgenauigkeit beträgt dabei +/-0,1 Grad. Die Benetzung
der Oberflächen mit mehr als 60 nl/mm2, der maximalen Adhä
sionsmenge, ruft eine Verkippung des Greifobjektes hervor.
Dadurch kommt es zu keinem Zentriereffekt mehr. Der Adhä
sivmengenbereich, bei welchem eine Zentrierung von +/-2 µm
auftritt, verringert sich, wenn die Flächendifferenz in
beiden lateralen Abmessungen der Flächen 16 und 17 nicht
unterschiedlich ist.
1
Abformfolie
2
Abformteile, Mikroteile
3
Trägerschicht
4
Magazinplatte, Unterlage
5
Unterseite Abformfolie
6
Oberseite Abformfolie
7
Zwischenstege
8
Ausnehmung für
1
9
Saugbohrungen
10
Saugbohrungen
11
Saugtisch
12
Saugöffnungen
13
Hohlraum unten
14
Sägeblatt
15
Adhäsionsgreifer
16
Greiffläche
17
Oberfläche Mikroteil
18
Adhäsiv
19
Substrat, Mikrostruktur
20
Abstand
21
Maschinentisch
22
Handhabungsgerät
23
Arbeitsarm
Claims (4)
1. Verfahren zur Feinpositionierung von Mikroteilen im To
leranzbereich von einigen µm bei der Einzelmontage ei
ner Vielzahl mittels einer Trägerschicht verbundener
Mikroteile mit Abmessungen im unteren Millimeterbereich
auf Mikrostrukturen, unter Anwendung pneumatischer und
adhäsiver Greifer oder Halterungen, z. B. bei der Mon
tage von Mikroabformteilen mit Kantenlängen im Bereich
von 2-3 mm oder darunter, gekennzeichnet durch die
folgenden Verfahrensschritte:
- a) die Mikroteile werden zusammen im verbundenen Zu stand, jedoch jedes für sich einzeln mittels Unter druck auf einer Unterlage angesaugt und dadurch in durch die Abformung vorbestimmter Position, Toleranz und Ordnungsgrad gemeinsam festgehalten,
- b) danach werden die Mikroteile unter Aufrechterhaltung des Unterdruckes voneinander getrennt und dabei so wie nach der Trennung durch den Unterdruck weitge hend in ihrer ehemaligen Lage fixiert,
- c) anschließend werden ein adhäsiver Greifer mit seiner Greiffläche über der Oberfläche jeweils eines ein zelnen Mikroteils in den Adhäsionsbereich des zum adhäsiven Greifen zwischen den beiden Flächen not wendigen Flüssigkeitsfilms gebracht und dadurch die Flächen von Greifer und Mikroteil durch diesen Flüs sigkeitsfilm in der Adhäsionsebene bezogen auf ihre Umrisse gegenseitig zentriert,
- d) danach wird das einzelne am Greifer zentrierte und damit zu ihm genau positionierte Mikroteil durch ad häsives Greifen von der Unterlage abgehoben und durch den Greifer zu der vorgegebenen Montageposition über der Mikrostruktur gebracht sowie dort po sitionsgenau abgesetzt und vom Greifer wieder ge trennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Abheben der Abformteile bei den Schritten c) und d)
ebenfalls unter Aufrechterhaltung des Unterdruckes
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Flüssigkeitsfilm aus einer niederviskosen
Flüssigkeit, wie aus Wasser oder einer Wasser/Alkohol-
Mischung gebildet ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Adhäsivmenge für eine Flüssigkeit mit etwa
der Viskosität von Wasser 20 nl/mm2 bis 60 nl/mm2 be
netzte Fläche für einen Gewichtsbereich des zu greifen
den Mikroteiles bis in den Grammbereich beträgt.
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