DE10115301A1 - Linearführung mit einem Luftlager - Google Patents
Linearführung mit einem LuftlagerInfo
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Abstract
Eine Linearführung (1) umfasst ein Trägerelement (2) und einen auf dem Trägerelement (2) gleitenden Schlitten (3). Der Schlitten (3) weist zwei auf dem Trägerelement (2) gleitende, luftgelagerte Hohlzylinder (4) und (5) und einen dazwischen angeordneten Körper (6) auf. Das Trägerelement (2) und die beiden Hohlzylinder (4) und (5) des Schlittens (3) sind durch einen mit Druckluft beaufschlagbaren Spalt (7) getrennt. Als Antriebsvorrichtung für den Schlitten (3) ist ein aus einem u-förmigen Stator (8) und einem Läufer (9) gebildeter Linearmotor vorgesehen. Im Betrieb entsteht im Läufer (9) Verlustwärme, die den Schlitten (3) erwärmt. Um Änderungen der Dicke des Spaltes (7) innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten, werden diejenigen Teile des Schlittens (3), deren Temperatur die Dicke des Spaltes (7) beeinflusst, auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Linearführung mit einem Luftlager der im Oberbegriff des Anspruchs 1
genannten Art.
Bei der Montage von Halbleiterchips kommen als "Die Bonder" bekannte Montageautomaten zum
Einsatz, die dazu dienen, die zahlreichen, gleichartigen Chips eines Wafers, die sich nebeneinander auf
einem Träger befinden, nacheinander auf einem Substrat, z. B. einem metallischen Leadframe, zu
montieren. Koordiniert mit der Pick-and-Place-Bewegung eines Chipgreifers stellt jeweils ein
Wafertisch, auf dem sich der Chipträger befindet, einen nächsten Chip bereit, und ebenso wird das
Substrat verschoben, um an einem zweiten Ort einen neuen Substratplatz bereitzustellen. Zum Abheben
und nachfolgenden Ablegen der Chips ist der Chipgreifer in bekannter Weise heb- und senkbar.
An solche Die Bonder werden extrem hohe Anforderungen gestellt, insbesondere an die Lagerung der
bewegten Teile. Für die Weiterverarbeitung der montierten Chips müssen diese lagegenau auf dem
Substrat positioniert werden, was ein entsprechend genaues Erreichen des zweiten Ortes durch den
Chipgreifer verlangt und auch bereits das genaue Anfahren des ersten Ortes für das Abheben der Chips
voraussetzt. Anderseits werden auch hohe Geschwindigkeiten bzw. kurze Taktzeiten verlangt, wodurch
entsprechend hohe Beschleunigungen und Massenkräfte an den bewegten Teilen auftreten.
Zur Erzeugung der alternierenden Bewegungen des Chipgreifers werden bisher verschiedene Hebel
mechanismen angewendet, die teilweise Kulissenführungen enthalten. Derartige Führungen sind wegen
der an ihnen auftretenden, erheblichen Kräfte für einen präzisen Bewegungsablauf nachteilig und müssen
entsprechend gewartet werden. Bei einem anderen bekannten Mechanismus sitzt der Chipgreifer am
Ende eines hin und her schwenkenden Hebels, d. h. er erfährt entsprechend den Schwenkausschlägen des
Hebels eine bogenförmige Bewegung, die jeweils in den Endlagen gestoppt werden muss, wobei eine
starke Neigung zu Schwingungen besteht. Ein Nachteil solcher Hebelantriebe liegt darin, dass sie nur
einen Transport des Chips um eine feste, vorbestimmte Strecke von einem Ort A zu einem Ort B
erlauben.
Bekannt sind auch Antriebe, bei denen der Chipgreifer mittels eines Zahnriemens angetrieben wird.
Nachteilig ist hier die grosse Ungenauigkeit der Plazierung des Chips auf dem Substrat.
Aus der japanischen Patentanmeldung JP 01 194847 ist ein Luftlager mit einem Kühlaggregat bekannt
geworden, bei dem das Kühlaggregat für die Kühlung des Luftlagers benötigt wird. Ein solches
Kühlsystem hat mehrere Nachteile, in dem es das Luftlager schwer und kompliziert macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für das Pick and Place System eines Die
Bonders zu entwickeln, das den Transport eines Halbleiterchips bei hoher Genauigkeit der Plazierung
über beliebige Strecken erlaubt.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch eine für ein Pick und Place System eines Die
Bonders geeignete Linearführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Linearführung, mit einem Trägerelement und einem Schlitten, und eine
Antriebsvorrichtung für den Schlitten,
Fig. 2, 3 das Trägerelement und den Schlitten im Querschnitt, und
Fig. 4 ein Pick und Place System eines Die Bonders.
Die Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Linearführung 1, die ein Trägerelement 2 und einen auf
dem Trägerelement 2 gleitenden Schlitten 3 umfasst. Das Trägerelement 2 ist ein zylindrischer Stab. Der
Schlitten 3 weist zwei auf dem Trägerelement 2 gleitende, luftgelagerte Hohlzylinder 4 und 5 und einen
dazwischen angeordneten Körper 6 auf. Das Trägerelement 2 und die beiden Hohlzylinder 4 und 5 des
Schlittens 3 sind durch einen mit Druckluft beaufschlagbaren Spalt 7 getrennt. Die Zuführung der
Druckluft erfolgt über an den Innenwänden der beiden Hohlzylinder 4 und 5 angebrachte Düsen. Die
Luftlagerung des Schlittens 3 ermöglicht eine verschleissfreie Bewegung des Schlittens 3 entlang des
Trägerelementes 2. Die beiden Hohlzylinder 4 und 5 sind bevorzugt aus einem einzigen Teil geformt,
wobei der Körper 6 etwa in der Mitte dieses Teils angeordnet ist.
Als Antriebsvorrichtung für den Schlitten 3 ist ein aus einem u-förmigen Stator 8 und einem Läufer 9
gebildeter Linearmotor vorgesehen. Der Läufer 9 ist in dieser Perspektive nicht sichtbar und daher mit
einer gestrichelten Linie angedeutet. Für nähere Details der Antriebsvorrichtung wird auf die europäische
Patentanmeldung Nr. 98810988.0 verwiesen, die hiermit explizit eingeschlossen wird. Der Läufer 9 ist
starr mit dem Körper 6 des Schlittens 3 verbunden. Infolge seines Gewichts übt der Läufer 9 ein Dreh
moment auf den Schlitten 3 auf. Zur Aufnahme des Drehmomentes ist eine Schiene 10 vorgesehen, auf
der ein am Körper 6 des Schlittens 3 angebrachtes Laufrad 11 rollt. Um den permanenten Kontakt des
Laufrades 11 mit der Schiene 10 zu gewährleisten, ist bevorzugt ein zweites, federnd gelagertes (nicht
dargestelltes) Laufrad vorgesehen, das auf der Rückseite der Schiene 10 rollt. Alternativ kann ein mit
Vakuum vorgespanntes Luftlager vorgesehen sein, indem anstelle des Laufrades 11, bzw. der beiden
Laufräder, ein am Körper 6 befestigtes Teil mit einer bezüglich der Schiene 10 mit Vakuum
vorgespannten und mit Luft beaufschlagten Gleitfläche vorhanden ist.
Die beschriebene Linearführung und der Linearmotor können z. B. als Pick and Place System eines Die
Bonders eingesetzt werden. Im Betrieb erzeugt der durch den Läufer 9 fliessende Strom Wärme, die auch
den Schlitten 3 erwärmt und infolge damit verbundener Längenänderungen des Schlittens 3 und des
Trägerelementes 2 zu einer Änderung der Dicke des Spaltes 7 führt. Im Extremfall kann dies dazu
führen, dass entweder der Luftspalt kleiner und kleiner wird und der Schlitten 3 unter Belastung das
Trägerelement 2 berührt, oder dass der Luftspalt grösser und grösser wird, wodurch sich Eigenschaften
wie die Steifigkeit oder die Tragkraft des Luftlagers verschlechtern. Um Änderungen der Dicke des
Spaltes 7, die ein vorbestimmtes Mass übersteigen, auszuschliessen, wird erfindungsgemäss
vorgeschlagen, diejenigen Teile der Linearführung, deren Temperatur Einfluss auf die Dicke des Spaltes
7 hat, auf einer vorbestimmten Temperatur bzw. innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbandes zu
halten. Dazu sind Heizelemente vorgesehen. Bevorzugt wird die Temperatur geregelt. Der Wert, auf den
die Temperatur geregelt wird, ist entsprechend der vom Läufer 9 im Extremfall zugeführten
Wärmemenge so bestimmt, dass der Schlitten 3 das Trägerelement 2 keinesfalls touchiert und dass auch
die Steifigkeit des Luftlagers innerhalb vorgegebener Grenzwerte erhalten bleibt. Beispiele werden nun
näher erläutert:
Elektrische Heizelemente sind innerhalb des Trägerelementes 2 angeordnet. Die Abmessungen des
Trägerelementes 2 und der Hohlzylinder 4 und 5 sind entsprechend den thermischen Ausdehnungs
koeffizienten der für sie verwendeten Materialien so gewählt, dass die Dicke des Spaltes 7 beispielsweise
8 µm beträgt, wenn die Temperatur des Trägerelementes 2 auf einen Wert von 60°C geregelt wird. Für
die Messung der Temperatur ist im Trägerelement 2 ein Temperaturfühler angeordnet.
Hier sind die beiden Hohlzylinder 4 und 5 des Schlittens 3 mit elektrischen Heizelementen 12 versehen,
um ihre Temperatur innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbandes zu halten. Bevorzugt wird die
Temperatur auf einen vorbestimmten Wert geregelt. Dazu ist im Hohlzylinder 4 oder 5 ein Temperatur
fühler angeordnet. Wiederum sind die Abmessungen des Trägerelementes 2 und der Hohlzylinder 4 und
5 entsprechend den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der für sie verwendeten Materialien so
gewählt, dass die Dicke des Spaltes 7 beispielsweise 8 µm beträgt, wenn die Temperatur der Hohl
zylinder 4 und 5 auf einen Wert von 60°C geregelt wird.
Möglich ist auch die Kombination der beiden Beispiele, d. h. der Einsatz von Heizelementen sowohl im
Trägerelement 2 als auch bei den Hohlzylindern 4 und 5. Zudem ist es möglich, das Trägerelement 2 auf
eine andere Temperatur zu regeln als die beiden Hohlzylinder 4 und 5.
Eine wichtige Teilaufgabe, die die Erfindung lösen soll, besteht darin, den Einfluss der im Betrieb vom
Läufer 9 dem Luftlager zugeführten Verlustwärme zu begrenzen, bzw. die Dicke des Spaltes 7 zwischen
dem Trägerelement 2 und dem Hohlzylinder 4 bzw. 5 innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten. Um die
Temperaturen, auf die das Trägerelement 2 bzw. die Hohlzylinder 4 und 5, geregelt werden, möglichst
tief halten zu können, ist der Körper 6 und/oder können die Hohlzylinder 4 und 5 mit Kühlrippen
versehen sein, um einen möglichst grossen Teil der zugeführten Verlustwärme an die Umgebung
abzugeben.
Die Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine Linearführung 1, bei der das Trägerelement 2 einen rechteckigen
Querschnitt aufweist. Die Hohlzylinder 4, 5 des anhand der Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiels sind
ersetzt durch u-förmige Schlittenteile 14. Sichtbar ist auch ein im Trägerelement 2 angebrachtes
Heizelement 12. Die Fig. 3 zeigt eine Linearführung 1, bei der der Schlitten 3 das Trägerelement 2
vollständig umschliesst.
Die erfindungsgemässe Linearführung 1 (Fig. 1) eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Pick
and Place System eines Die Bonders 15, wie in der Fig. 4 gezeigt. In diesem Fall trägt der Schlitten 3
einen Bondkopf 16 mit einem Chipgreifer zum Ergreifen, Transportieren und Plazieren von
Halbleiterchips 17. Vorzugsweise ist das Trägerelement 2 als Teil eines in vertikaler Richtung (durch
Pfeile angedeutet) heb- und senkbaren Rahmens 18 ausgebildet, wobei der Rahmen 18 zusätzlich mittels
eines Mikromanipulators um typisch bis zu etwa 250 µm in horizontaler Richtung quer zur
Längsrichtung des Trägerelementes 2 verschiebbar ist, während der Stator 8 ortsfest auf einer Plattform
des Die Bonders 15 angeordnet ist.
Claims (7)
1. Linearführung (1), mit einem Trägerelement (2) und einem auf dem Trägerelement (2) gleitenden
Schlitten (3), wobei der Schlitten (3) und das Trägerelement (2) durch einen mit Druckluft
beaufschlagbaren Spalt (7) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Heizelement
(12) vorgesehen ist, um die Temperatur des Trägerelementes (2) und/oder derjenigen Teile (4, 5; 14) des
Schlittens (3), deren Temperatur die Dicke des Spalts (7) beeinflusst, innerhalb eines vorgegebenen
Toleranzbandes zu halten.
2. Linearführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine
Heizelement (12) im Trägerelement (2) angeordnet ist.
3. Linearführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine
Heizelement (12) im Schlitten (3) angeordnet ist.
4. Linearführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine
Heizelement (12) im Trägerelement (2) angeordnet ist und dass wenigstens ein weiteres Heizelement
(12) im Schlitten (3) angeordnet ist.
5. Linearführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Temperatur des Trägerelementes (2) und/oder die Temperatur derjenigen Teile (4, 5; 14) des Schlittens
(3), deren Temperatur die Dicke des Spalts (7) beeinflusst, je auf einen vorbestimmten Wert geregelt ist.
6. Linearführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebs
vorrichtung für den Schlitten (3) ein Linearmotor vorgesehen ist, der einen Stator (8) und einen mit
einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Läufer (9) umfasst, und dass der Läufer (9) starr mit dem
Schlitten (3) verbunden ist.
7. Die Bonder mit einem Pick and Place System, das eine Linearführung (1) nach Anspruch 6 umfasst.
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