DE19840387A1

DE19840387A1 - Verfahren zur Feinpositionierung von Mikroteilen

Info

Publication number: DE19840387A1
Application number: DE19840387A
Authority: DE
Inventors: Klaus Pollak; Klaus-Dieter Mueller; Mathias Heckele
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-09-04
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2018-09-05
Also published as: DE19840388B4; DE19840387C2; DE19840388A1

Abstract

Ein Verfahren zur Feinpositionierung von Mikroteilen im Toleranzbereich von einigen um bei der Einzelmontage einer Vielzahl mittels einer Trägerschicht verbundener Mikroteile mit Abmessungen im unteren Millimeterbereich auf Mikrostrukturen, unter Anwendung pneumatischer und adhäsiver Greifer oder Halterungen. Die Mikroteile werden zusammen im verbundenen Zustand, jedoch jedes für sich einzeln mittels Unterdruck auf einer Unterlage angesaugt und dadurch in durch die Abformung vorbestimmter Position gemeinsam festgehalten. Danach werden die Mikroteile unter Aufrechterhaltung des Unterdruckes voneinander getrennt und so fixiert. Anschließend werden ein adhäsiver Greifer über der Oberfläche jeweils eines Mikroteils in den Adhäsionsbereich des zum adhäsiven Greifer notwendigen Flüssigkeitsfilms gebracht und dadurch die Flächen von Greifer und Mikroteil durch den Flüssigkeitsfilm gegenseitig zentriert. Das einzelne am Greifer zentrierte Mikroteil wird anschließend durch adhäsives Greifen abgehoben und zu der vorgegebenen Montageposition über der Mikrostruktur gebracht, dort positionsgenau abgesetzt und vom Greifer wieder getrennt.

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.

Die Erfindung hat daher zur Aufgabe ein durchgehendes Hand habungsverfahren für Mikroteile anzugeben, das es ermög licht, diese vor, während und nach der Vereinzelung, beim Greifen und Absetzen immer in einer Position innerhalb be stimmter Toleranzen zu halten. Das bedeutet, daß die hohe Lagegenauigkeit der Mikroteile im Folienverbund beim Ab setzvorgang auf einer Mikrostruktur wieder vorhanden sein muß, obwohl während der Zwischenschritte im Magazin, beim Transport, bei der Zwischenlagerung usw. eine Verlagerung weit über die Toleranzen für die endgültige Lage auf dem Substrat der zu bestückenden Mikrostruktur hinaus stattfin den 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 ver bundenen 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 um 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 Saugboh rungen 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 Maschinentisch 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 vorpositionierten 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.

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.

Bezugszeichenliste

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

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 Montageposi tion 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.