Greifer, Spannmittel

Auf Luft gebettet

Berührungsloses Handhaben empfindlicher Bauteile
Berührungsloser Waferhandler
Der anhaltende Trend zur Miniaturisierung in Elektronik und Mikrosystemtechnik führt zu immer kleineren und empfindlicheren Bauelementen. Somit werden auch Handhabungssysteme benötigt, die den gestiegenen Anforderungen an die schonende Behandlung der Bauteile Rechnung tragen. Einen innovativen Ansatz hierfür bietet die am iwb der TU München entwickelte und patentierte Technologie zur berührungslosen Handhabung mittels Leistungsultraschall.

Generell können alle flächigen Bauteile mit glatten Oberflächen wie Wafer, ungehäuste Chips, Solarzellen, Glasscheiben, oberflächenveredelte Bleche oder Flatpanels berührunglos gehandhabt werden. Die Größe des Handhabungsguts kann dabei von wenigen Quadratmillimetern bis hin zu einigen Quadratmetern variieren. Selbst schwerere Bauteile wie einige Millimeter dicke Glasscheiben können gehandhabt werden. Aufgrund des breiten Anwendungsspektrums ergibt sich ein hohes Marktpotenzial für die berührungslose Handhabung.

Funktionsprinzip

Bei der berührunglosen Handhabung mittels Leistungsultraschall sind zwei grundsätzliche Anwendungsszenarien denkbar. Zentrales Bauelement ist stets ein Ultraschall-Verbundschwinger, der eine applikationsspezifische Sonotrode (diese ist in der Regel auch der Greifer) zu hochfrequenten Schwingungen anregt. Im Nahfeld vor der schwingenden Sonotrodenspitze entsteht aufgrund eines lokalen Überdrucks (Rayleigh´scher Schallstrahlungsdruck) ein tragendes Luftpolster, das eine abstoßende Kraft auf das Bauteil ausübt. Daher ist es einerseits möglich, Bauteile auf dem Luftpolster über der Sonotrode schweben zu lassen und somit beispielsweise berührungslose Transportbahnen zu realisieren. Um andererseits eine berührungslose Pick&Place-Anwendung zu realisieren, kann die beschriebene Anordnung auch „auf den Kopf gestellt“ und um Unterdruckanschlüsse erweitert werden.

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Im gegriffenen Zustand schwebt das Bauteil durch ein Kräftegleichgewicht aus der Gewichtskraft G, der anziehenden Kraft FU sowie der abstoßenden Kraft FUS in einem Abstand von etwa 30 bis 80 Mikrometer unter der Sonotrodenspitze. Die abstoßende Kraft FUS wird dabei wiederum durch den Rayleigh´schen Schallstrahlungsdruck hervorgerufen. Die anziehende Kraft FU hingegen wird durch den Unterdruck pU erzeugt, der durch Bohrungen in der Sonotrode auf das Bauteil wirkt. Aus strömungsmechanischen Gründen zentriert sich das schwebende Bauteil durch die in den Luftspalt eingesaugte Luft Q dabei selbstständig unter dem Greifer – vorausgesetzt ihre Querschnittsflächen sind deckungsgleich. Die Selbstzentrierkräfte sind groß genug, um eine Bewegung mit hohen Querbeschleunigungen zu ermöglichen, ohne dass mechanische Anschläge nötig sind. Momentan wird auch daran geforscht, den Schallstrahlungsdruck zur berührungslosen Kraftaufbringung beim Absetzen des Bauteils zu nutzen, um Fügeprozesse wie das Kleben zu unterstützen.

Industrielle Anwendung

Als konkrete Anwendungsbeispiele werden im Folgenden die von Zimmermann & Schilp entwickelten, berührungslos arbeitenden Wafergreifer und Linearbahnen vorgestellt. Der Greifer dient dem schonenden Transport von Wafern. Die Siliziumscheibe schwebt dabei auf einem tragfähigen Luftpolster, das sich aufgrund des Schallstrahlungsdrucks über der Sonotrode („Paddle“) aufbaut. Der beschriebene Selbstzentriereffekt tritt hier nicht auf, weil der Waferhandler nur mit Ultraschall – jedoch ohne Vakuum – arbeitet und die Sonotrode aus schwingungstechnischen Gründen nicht kongruent zum Querschnitt des Wafers gestaltet ist. Daher sorgen mechanische Anschläge für die seitliche Fixierung des Wafers während des Transports. Sie werden durch pneumatische oder elektrische Aktoren minimal-taktil an die Kanten der Siliziumscheibe angelegt. Um eine völlige berührungslose Waferhandhabung ohne mechanische Anschläge zu realisieren, werden am iwb regelungstechnische Ansätze zur seitlichen Positionierung des Wafers untersucht.

Die Firma Zimmermann & Schilp Handhabungstechnik bietet den Waferhandler als modulares Baukastensystem für Durchmesser von 100 bis 300 Millimeter an. Dieses Handlingsystem wird sowohl in einer Ausführung zum Greifen von unten (nur Ultraschall) als auch in einer Ausführung zum Greifen von oben (Ultraschall kombiniert mit Vakuumdüsen) angeboten. Durch den liegenden Einbau des Ultraschallschwingers und die spezielle Wahl der Frequenz konnte ein sehr kompaktes Design realisiert werden. Für die Anbindung des Waferhandlers an das übergeordnete Handhabungssystem (zum Beispiel Scara-Roboter) werden kundenspezifisch angepasste „connection kits“ angeboten. Für Roboter von Kuka und Isel Automation gibt es bereits komplett integrierte Systeme.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die berührungslose Linearbahn zur Handhabung großflächiger Bauteile. Das System dient dem Transport von prozessierten Glasplatten bis zur Dimension 800 mal 800 mal vier Millimeter. Die Glasplatten werden an einem auf der linken Seite befindlichen Transportsystem fixiert, das die Vorschubbewegung bewerkstelligt. Weil die Glasplatten reibungsfrei fortbewegt werden, sind nur geringe Saugkräfte zur Fixierung nötig. Die Linearbahn wird zusammen mit einem optischen Inspektionssystem zur Qualitätskontrolle verwendet. Beim taktilen Transport über eine Rollenbahn aufgetretende, unerwünschte Abdrücke auf den Glasplatten gibt es beim Transport auf der berührungslosen Linearbahn nicht mehr.

Fazit

Die Standardtechnologie zur berührungslosen Handhabung bilden konventionelle Luftlager mit Düsenplatten. Sie haben aber den Nachteil, dass große Mengen teuerer Druckluft benötigt werden, wohingegen ein Ultraschallschwinger typischerweise nur eine elektrische Leistungsaufnahme von etwa 80 Watt hat. Somit weist die berührungslose Handhabung mittels Leistungsultraschall gegenüber herkömmlichen, taktilen Verfahren mit Vakuum- oder Randgreifern klare Vorteile auf:

  • Krafteinleitung über der gesamten Bauteilfläche; Daher können Bauteile berührungslos über empfindliche Funktionsflächen gegriffen werden.
  • (beziehungsweise nur sehr geringe) mechanische Krafteinwirkung in den Randbereichen des Handhabungsguts
  • Partikelgenerierung beziehungsweise -verschleppung
  • Energiebedarf; Es müssen keine zusätzlichen Prozessgase aufbereitet werden und der Schallerzeuger nimmt nur eine kleine Leistung auf.

Insbesondere beim Handhaben von fragilen und oberflächensensiblen Bauteilen, bei denen der Einsatz taktiler Greifverfahren oftmals mit hohen Ausschussquoten verbunden ist, kann mit der berührungslosen Handhabung eine deutliche Qualitätssteigerung erzielt werden. Weil speziell an mikrosystemtechnischen Bauteilen keine funktionslosen Greiferlandeflächen mehr benötigt werden, kann kostbarer Bauraum gespart beziehungsweise eine höhere Integrationsdichte erreicht werden.

Matthias Baur, Michael Heinz, Gunther Reinhart, Josef Zimmermann, Adolf Zitzmann

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