Herkömmliche Handhabungssysteme weisen häufig Probleme auf, wie die Kontamination durch Partikel bei Luftlagern, die durch die Luftverwirbelungen von Druckluft entstehen (z. B. bei Bernoulli-Greifern). Andere Systeme ohne Luftzufuhr, wie z. B. Vakuum-Greifer können bei der Handhabung Spuren wie Abdrücke oder Kratzer auf dem Substrat hinterlassen. Mit Hilfe des patentierten Ultraschall-Lagers von ZS-Handling können Substrate gleichmäßig auf einem durch Schwingungen generierten Luftfilm schweben und dadurch während des Handlings berührungslos gehalten werden. Durch eine Kombination aus Unterdruck und Ultraschall wirken gleichzeitig anziehende und abstoßende Kräfte auf das Werkstück und halten es somit auch beim Greifen von oben auf Abstand.
Wie funktioniert das Ultraschall-Lager?
Die Ultraschallbewegung der sogenannten Sonotrode erzeugt einen tragenden Gasfilm (Luft oder Prozessgas) zwischen der Sonotrodenoberfläche und dem Substrat. Das Substrat schwebt auf dem entstandenen Gasfilm in Abständen von 10 – 150 μm. Unter Ausnutzung von Auftriebskräften durch Vakuum wird eine Handhabung von oben ermöglicht. Auf diese Weise wird jeder mechanische Oberflächenkontakt vermieden.
Die Physik des Ultraschalllagers ergibt sich aus der Strömungsdynamik und nicht aus akustischen Prinzipien. Der Gasdruck im Spalt zwischen dem Werkstück und der schwingenden Oberfläche steigt durch die zyklische Kompression und Dekompression des dünnen Gasfilms. Daher ist es notwendig, ein gleichmäßiges Schwingungsmuster zu realisieren, um gleichbleibende Schwebekräfte über die gesamte Sonotrode zu erzeugen. Die Schwingungen werden nicht in die Substrate übertragen und führen zu keinen Beeinträchtigungen des Substratmaterials.
Vorteile
Mit den abstoßenden Kräften der Ultraschalllagers kann das Substrat ohne jegliche Reibung auch mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegt werden. Zusätzlich können flexible Materialien durch diese Technik berührungslos „glattgezogen“, also in einer gleichmäßigen zentrierten Position gehalten werden. Bei sehr kleinen Bauteilen (bis ca. 12 x 12 mm) wirkt bei genauer Anpassung der Greiferspitze der Selbstzentrierungseffekt, wodurch selbst für sehr genaues Positionieren keine Randanschläge erforderlich sind.
Das Kraftprofil der Handhabungssysteme des Unternehmens ist ähnlich dem eines konventionellen Luftlagers, es ist jedoch keine Druckluftversorgung erforderlich. Das bedeutet, dass beispielsweise in einer Reinraumumgebung die laminare Luftströmung – anders als bei Bernoulli Greifern – durch keine hohen Strömungsgeschwindigkeiten gestört wird und keine Partikel durch Fremdluft bzw. über Leitungen eindringen können. Außerdem können in neuen Produktionslinien die Kosten für die Druckluftversorgung eingespart werden.
Durch die Vermeidung von Oberflächenkontakt und ohne dynamische Turbulenzen im Umgebungsgas können keine Beschädigungen, Mikrokratzer, Mikrorisse oder Verunreinigungen das Substrat schädigen. Das Handling an bearbeiteten oder beschichteten Oberflächen ist berührungslos möglich, wodurch mehr Freiheitsgrade in der Prozess- und Maschinengestaltung möglich sind. Während des Handlings wird außerdem eine hohe Ebenheit des Substrats erreicht.
Die Systeme können in allen atmosphärischen Prozessen und in bis zu 20 % Teilvakuumprozessen eingesetzt werden. Dabei werden weniger Ressourcen, wie z. B. Energie oder Druckluft benötigt als bei einem Standard-Luftlager. Dies wirkt sich in der Energie- und Kostenbilanz positiv für die Handhabungssysteme des Unternehmens aus.
Beispielhafte Anforderungen eines Anwendungsfalls
In einer Reinraumumgebung von ISO 6 sollen Dies unterschiedlicher Größe (10 x 10 mm, 5 x 5 mm und 5 x 12 mm) von einem geschnittenen, auf Sägefolie gehefteten Wafer (ø 300 mm) mit einem berührungslosen Greifer vereinzelt werden. Anschließend sollen die Dies für den nachfolgenden Bonding-Prozess wieder abgelegt werden.
Die Lösung des Unternehmens beinhaltet den MicroLevi Greifer mit unterschiedlichen, über eine Spannzange leicht austauschbaren Greiferspitzen für die verschiedenen Größen. Mit Ultraschall und gleichzeitigem Vakuum kann der Die von oben gegriffen und berührungslos gehalten und geschwenkt werden. Durch die Selbst-Zentrierwirkung an der Greiferspitze kann der Die selbst bei schnellen Beschleunigungen von über 2 g präzise gegriffen und abgelegt werden. Um eine optimale Zentrierwirkung zu erhalten, muss die Greiferspitze genau an das Format des Dies angepasst werden, daher sind für diese Anwendung drei unterschiedliche, Greiferspitzen notwendig. Der Greifer kann durch einen adaptierbaren Flansch an jeden beliebigen Roboter bzw. jedes Achsen-System angeschlossen werden. Greifer und Gehäuse bestehen aus eloxiertem Aluminium, die Greiferspitze aus Titan.
In der hier beschriebenen Anwendung werden die zu vereinzelnden Dies durch Pins unter dem Wafer nach oben gedrückt, um so die Haftkraft an der Klebefolie zu verringern und eine berührungslose Vereinzelung zu erleichtern. Der so angehobene Die wird von der Greiferspitze ohne Kontakt aufgenommen und mit hoher Geschwindigkeit zum nächsten Prozessschritt gebracht, wo er durch Ausschalten des Unterdrucks einfach und präzise abgelegt werden kann.
Schlussfolgerung
Der komplette Prozessablauf bei der Handhabung von Dies findet vollautomatisiert statt. Mit Hilfe der Ultraschall-Schwingungen wird der Die auf dem gleichmäßig erzeugten Luftfilm in einer zentrierten Position gehalten, so dass Kratzer oder jegliche sonstige Berührungen vermieden werden. Zudem wird der im Reinraum vorhandene laminare Luftstrom nicht durch Turbulenzen beeinträchtigt, wodurch Verunreinigungen durch Partikel verhindert werden können.
ZS-Handling GmbH
Das selbstständige und international tätige Unternehmen mit Sitz in Regensburg entwickelt Systeme und Anlagen für die industrielle Handhabungstechnik auf Basis der Ultraschall-Luftlagertechnik. Entwicklung und Herstellung der Produkte zum Greifen, Fördern, Be- und Entladen, Inspizieren, Sortieren und Vereinzeln von Werkstücken erfolgen am Standort in Regensburg. Zu den Anwendungsbereichen zählen Batterie-/Brennstoffzellen, Folien, Glas, Linsen, Medizintechnik, Verpackung, sowie Wafer & Chips. Die Bedürfnisse und Anforderungen des Kunden stehen im Mittelpunkt.
- 2006 Gründung durch Dr.-Ing. Michael Schilp und Dr.-Ing. Josef Zimmermann mit der patentierten Technologie des Ultraschalllagers
- 2008 Zertifizierung nach ISO 9001:2008
- 2011 Markteintritt in China und Taiwan
- 2013 Markteintritt in Korea
- 2014 Produktion erster Seriensysteme
- 2019 Eintritt in die Medizintechnik.
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