-
Stand der
Technik
-
Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zertrennen eines plattenförmigen Ge-
genstands, insbesondere eines keramischen Substrats für eine elektronische
Schaltung in unbestücktem
oder bestücktem
Zustand.
-
Substrate
aus Glaskeramik für
elektronische Schaltungen werden in Großnutzen (zum Beispiel mit je
32 Substratelementen) gefertigt. Das einzelne Substratelement beziehungsweise
die fertige Schaltung wird erst am Ende des Fertigungsdurchlaufs
von den anderen Substratelementen oder Schaltungen des Nutzens getrennt.
Das Trennen der einzelnen Substratelemente eines Nutzens umfaßt zwei
unterschiedliche Verfahrensschritte, einmal das Erzeugen einer Schwachstelle
im Substrat an einer Grenze zwischen einzelnen Elementen, und dann
das Brechen des Substrats entlang der Schwachstelle.
-
Zum
Erzeugen der Schwachstelle sind unterschiedliche Techniken gebräuchlich.
Eine davon ist das Laserkerben: Mit einem gepulsten Strahl werden punk tuell
konische Löchern
in die Substratoberfläche eingebracht.
Das aus diesen Löchern
abgetragene geschmolzene Material wird abgesaugt und/oder es beschlägt die Substratoberfläche.
-
Ein
zweites Verfahren ist das Ritzen. Mit einem Ritzwerkzeug, zum Beispiel
einem Diamantritzrad, wird eine linienförmige Schwachstelle in der Substratoberfläche erzeugt.
Dabei abgetragener Keramikstaub wird abgesaugt.
-
Beim
Stanzen wird eine Kerbe mit einem Stanzwerkzeug vor dem Brennen
der Keramik des Substrats eingebracht. Dieses Verfahren ist nicht
für beliebige
keramische Substrate einsetzbar, insbesondere bei Vielschichtsubstraten
mit inneren Leiterbahnen besteht die Gefahr, daß durch das Stanzen Leiterbahnen
unkontrolliert reißen
oder miteinander in Kontakt kommen und Kurzschlüsse verursachen.
-
Durch
die Technik des Laserkerbens ist es möglich, eine Schwächung in
einer Oberfläche
eines Keramiksubstrats zu erzeugen, die einer bestückten Oberfläche gegenüberliegt,
denn zum Laserkerben muß auf
die Oberfläche
kein mechanischer Druck ausgeübt
werden. Störend
ist dabei, daß es
schwierig ist, die beim Laserkerben entstehenden Glasspritzer vollständig abzusaugen.
Es besteht daher die Gefahr, daß solche
Spritzer an unerwünschten
Stellen an der Substratoberfläche
haften bleiben und die Funktionsfähigkeit der Schaltung beeinträchtigen.
Da außerdem
die Schwächung
des Substrats entlang einer gewünschten
Bruchkante nicht homogen ist, sondern einzelne diskrete Löcher umfaßt, besteht
die Gefahr der Entstehung einer Sägezahnbruchkante mit Mikrorissen
im Substrat, die zu Leiterbahnausfällen führen und damit die Qualität der Schaltung
beeinträchtigen
können.
-
Beim
Ritzen wird hingegen ein erheblicher Druck auf das zu zerteilende
Substrat ausgeübt.
Es ist nicht möglich,
ein bestücktes
Substrat mit der bestückten
Seite nach unten auf eine Unterlage großflächig aufzulegen, um dann die
gegenüberliegende Seite
zu ritzen. Dies ist aber notwendig, um das Substrat anschließend brechen
zu können.
Dieses Problem wird allgemein dadurch umgangen, daß das Ritzen
am unbestückten
Substrat vorgenommen wird, das geritzte Substrat dann in einer Mehrzahl
von Arbeitsgängen
bestückt
und weiterverarbeitet und schließlich nach Abschluß der Bestückung in
seine Elemente zerteilt wird. In jedem der zwischen dem Ritzen und
dem Zerteilen liegenden Arbeitsgänge besteht
die Gefahr, daß es
zu einem ungewollten Substratbruch und somit zu Ausschuß kommen kann.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Durch
die Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, die es erlaubt,
die Schritte des Ritzens und Brechens eines zu zerteilenden plattenförmigen Gegenstands
in unmittelbarer zeitlicher Aufeinanderfolge durchzuführen, und
die sowohl bei unbestückten
als auch bei bestückten
Substraten anwendbar ist.
-
Zu
diesem Zweck wird der Gegenstand in bekannter Weise auf einer Auflagefläche positioniert, geritzt
und schließlich
gebrochen. Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin,
daß ein
Niederhalter vorgesehen ist, der oberhalb eines Schlitzes der Auflagefläche auf
dem Gegenstand aufgesetzt werden kann und das Ritzwerkzeug durch den
Schlitz über
den Gegenstand geführt
wird, um ihn zu ritzen, und daß dann
zwischen der Auflagefläche
und dem Niederhalter ein Biegemoment erzeugbar ist, um den Gegenstand
an der eingeritzten Linie zu brechen. Die geritzte Oberfläche ist
somit gleichzeitig diejenige, mit der der Gegenstand auf der Auflagefläche ruht.
Während
also in herkömmlicher
Weise eine Auflagefläche
sowohl zur Festlegung der Position des plattenförmigen Gegenstands als auch
zu seiner Abstützung
beim Ritzen dient, sind diese Funktionen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf
die Auflagefläche
und den zusätzlich
vorgesehenen Niederhalter verteilt. Letzterer kann deshalb den Gegenstand
auf einer wesentlich kleineren Oberfläche berühren als die Auflagefläche, hier
genügt
ein schmaler Streifen, wie er zum Beispiel am Rand der einzelnen
Substratelemente eines mit elektronischen Bauelementen bestückten Nutzens
bleibt. Eine gegenüberliegende,
nicht bestückte
Oberfläche
des Nutzens kann vollflächig
auf der Auflagefläche
ruhen und kann durch den Schlitz hindurch geritzt werden. Das Brechen
des Gegenstands beziehungsweise Nutzens kann unmittelbar anschließend an
das Ritzen erfolgen, ohne daß zwischendurch
weitere Handhabungsschritte erforderlich wären, die zu einem ungewollten
Brechen des Gegenstands führen könnten, insbesondere
ohne daß der
Gegenstand zwischenzeitlich bewegt werden muß. Während bei Trennverfahren, die
weitere Handhabungsschritte zwischen Ritzen und Brechen erfordern,
darauf geachtet werden muß,
daß das
Substrat durch das Ritzen nicht zu stark geschwächt wird und seine gute Handhabbarkeit
einbüßt, kann
gemäß der Erfindung ohne
Bedenken tiefer geritzt werden. Es ist sogar vorteilhaft, mit erhöhter Kraft
zu ritzen, weil dadurch die zum Brechen erforderliche Kraft verringert
wird und infolgedessen das Substrat beim Brechen weniger stark belastet
wird.
-
Um
die mechanische Belastung des Gegenstands beim Brechen auf die unmittelbare
Umgebung der Bruchzone zu beschränken,
kann nach dem Ritzen die Auflagefläche vergrößert werden, indem beiderseits
der Ritzlinie zusätzliche
Stützflächen in
den Schlitz eingeführt
werden.
-
Das
zum Brechen benötigte
Biegemoment kann zum Beispiel durch Hochklappen eines von zwei gegeneinander
schwenkbaren Teilen der Auflagefläche oder durch Eindrücken des
Niederhalters in den Schlitz erzeugt werden.
-
Insbesondere
in letzterem Fall ist es vorteilhaft, wenn an den Schlitz angrenzende
Bereiche der Auflagefläche
wie insbesondere die zusätzlichen Stützflächen durch
das Brechen des Gegenstands seitwärts auseinandergespreizt werden.
Dabei bleiben die Randzonen des Gegenstands beiderseits der Bruchlinie
jeweils zwischen dem Niederhalter und einem Rand der Auflagefläche eingeklemmt,
so daß auch
während
des unmittelbaren Bruchvorgangs die Bruchkräfte auf die unmittelbare Umgebung
der Bruchlinie begrenzt bleiben und so eine Schädigung der inneren Struktur
des Gegenstands, etwa von darin eingebetteten Leiterbahnen durch
eine Zugbelastung, vermieden wird.
-
Zum
Ritzen wird vorzugsweise ein Rad, insbesondere ein Diamantrad verwendet.
Um Spiel bei der Führung
des Rades auszuschließen,
ist es zweckmäßig, das
Ritzrad beim Ritzen mit einer gegen die Oberfläche des Gegenstands geringfügig verkippten
Achse zu führen.
Ein solcher Kippwinkel kann zum Beispiel 0,5° betragen.
-
Weiterbildungen
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die Figuren.
-
Figuren
-
1 zeigt stark schematisiert
eine Vorrichtung zum Zertrennen eines mit elektronischen Komponenten
bestückten
Glaskeramiksubstrats gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung;
-
2 zeigt eine zweite Ausgestaltung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
während
des Ritzens eines Substrats;
-
3 und 4 zeigen die gleiche Vorrichtung kurz
vor beziehungsweise nach dem Brechen des Substrats; und
-
5 und 6 zeigen den Aufbau eines Niederhalters
für eine
erfindungsgemäße Vorrichtung.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
Zum
Vereinzeln des geschwächten
Substrats sind prinzipiell eine sogenannte Kipptisch-Methode und
eine sogenannte Gummimatten-Methode einsetzbar.
Bei ersterer liegt das Substrat flach auf einem Tisch, mit der Schwachstelle
an der Unterseite, und wird von einem Niederhalter von oben her
festgehalten. Durch Kippen eines Teils der Tischfläche wird
das Substrat einseitig ausgebogen und der Bruch eingeleitet. Bei
der zweiten Methode liegt das Substrat mit der Schwachstelle an
der Unterseite auf einer weichen Gummimatte und wird von oben durch einen
Niederhalter gegen die Matte gedrückt. Die daraus resultierende
Durchbiegung der Keramik führt zur
Einleitung des Bruchs. Beiden Vereinzelungsmethoden ist gemeinsam,
daß sie
eine großflächige Auflage
des Substrats mit der geschwächten
Oberfläche nach
unten auf einer Unterlage, der Tischplatte oder der Gummimatte erfordern.
Diese Oberfläche
darf deshalb nicht mit Bauelementen bestückt sein. Andererseits ist
es unter Handhabungsgesichtspunkten wünschenswert, zunächst die
noch im Nutzen verbundenen Substratelemente bestücken und erst nach der Bestückung vereinzeln
zu können. 1 zeigt nun in einem stark
schematisierten Schnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zertrennen
von plattenförmigen
Gegenständen,
hier einem Substrat 5 aus Glaskeramik, das an einer Oberfläche mit
einer Vielzahl von elektronischen Bauelementen bestückt ist.
Die Bauelemente bilden eine Mehrzahl von von einander getrennten
elektronischen Schaltungen, die vereinzelt werden sollen, um sie
in Geräte
einzubauen.
-
Die
Vorrichtung umfaßt
eine Auflagefläche 1, die
aus zwei durch einen Schlitz 3 getrennten Teilen 1A, 1B besteht.
Die zwei Teile 1A, 1B sind um eine Achse gelenkig
verbunden, die sich entlang des Schlitzes 3 erstreckt.
Die Achse verläuft
senkrecht zur Ebene der Zeichnung und ist nicht gesondert dargestellt.
-
Das
Substrat 5 wird auf der Auflagefläche 1 so positioniert,
daß es
mit einem Rand an einen Anschlag 2 des Teils 1B anstößt. Die
Position des Anschlags 2 ist in Abhängigkeit von den Abmessungen der
einzelnen Schaltungen auf dem Substrat 5 so festgelegt,
daß eine
Grenzlinie zwischen zwei Schaltungen mit der Achse der gelenkigen
Verbindung zwischen den Teilen 1A, 1B zusammenfällt. Der
Anschlag kann verstellbar sein, um das Zerteilen eines Substrats
in Elemente mit unterschiedlichen Kantenlängen zu ermöglichen.
-
Im
Schlitz 3 ist ein Diamant-Ritzrad 4 dargestellt,
das in Längsrichtung
des Schlitzes verschiebbar ist, um die nichtbestückte untere Oberfläche des Substrats
anzuritzen. Das Ritzrad 4 ist federnd gehaltert und seine
Drehachse ist gegen die Oberfläche des
Substrats 5 um ca. 0,5° verkippt,
um ein seitliches Pendeln des Rades aufgrund von Lagerspiel auszuschließen.
-
Ein
Niederhalter 6 ist zwischen einer nicht dargestellten Stellung,
in der er die Positionierung des Substrats auf der Auflagefläche 1 nicht
behindert, und der in der Figur dargestellten Stellung bewegbar,
in der er die bestückte
Oberfläche
des Substrats 5 entlang eines Grenzbereichs zwischen zwei Schaltungen
berührt.
Der Niederhalter erstreckt sich senkrecht zur Ebene der Figur stegförmig zumindest über die
gesamte Breite des Substrats 5. Die dem Teil 1B der
Auflagefläche 1 zugewandte
Seitenfläche des
Niederhalters 6 ist bündig
mit der Gelenkachse der Auflagefläche.
-
Um
das Substrat zu durchtrennen, wird zunächst das Diamantritzrad 4 über die
Länge des Schlitzes 3 verfahren
und eine Ritzlinie über
die Unterseite des Substrats 5 gezogen. Dabei beträgt die Anfahrgeschwindigkeit
des Ritzrades 4 bis kurz nach Eingriff in das Substrat 5 ca.
50 mm/s. Anschließend kann
auf 100 mm/s erhöht
werden. Die vom Ritzrad 4 auf das Substrat 5 ausgeübte Druckkraft
beträgt
ca. 40 N. Da das Ritzrad das Substrat von unten her angreift, fällt beim
Ritzen entstehendes Keramikpulver frei abwärts und kann leicht durch eine
(nicht dargestellte) Absaugeinrichtung beseitigt werden.
-
Die
Abnutzung beziehungsweise Durchmesserschwankung des Ritzrades wird
durch eine automatische Touch-Down-Funktion
ausgeglichen. Dazu fährt
das Ritzrad nach einer bestimmten Anzahl an Fahrzyklen in eine bestimmte
Position, wo das Ritzrad neu kalibriert wird. Das gleiche geschieht
nach jedem Ritzradwechsel. Manuelles Kalibrieren ist ebenfalls möglich.
-
Nachdem
das Ritzrad den Schlitz 3 durchlaufen hat und sich nicht
mehr im Eingriff mit dem Substrat 5 befindet, beginnt der
Vorgang des Vereinzelns. Zu diesem Zweck wird der Teil 1B der
Auflagefläche 1 um
die Achse aufwärtsgeklappt,
wie durch den Pfeil 7 angedeutet. Das Substrat 5 bricht
entlang der vom Ritzrad 4 gezogenen Ritzlinie. Nach Zurückklappen
des Teils 1B in die in 1 gezeigte
Stellung wird das darauf liegende Substratstück entfernt, und das auf dem
Teil 1A befindliche Stück
wird an den Anschlag 2 verschoben, um anschließend den
Prozeß des
Ritzens und Brechens an einer Grenzlinie 8 des Substrats
zu wiederholen.
-
Das
Substrat wird so sukzessive in eine Reihe von Streifen zerlegt,
die in ihrer Längsrichtung
in entsprechender Weise nochmals unterteilt werden können, um
die einzelnen, in einem Rechteckraster auf dem Substrat 5 ausgebildeten
Schaltungen voneinander zu trennen.
-
2 zeigt stark schematisiert
eine zweite Ausgestaltung einer Vorrichtung zum Zertrennen eines
Keramiksubstrats 5. Die Vorrichtung umfaßt wie die
aus 1 eine Auflagefläche 1,
auf der das Substrat 5 positioniert wird, einen Niederhalter 6,
der zwischen einer angehobenen Position, in der er die Positionierung
des Substrats 5 auf der Auflagefläche 1 zuläßt, und
einer auf das Substrat aufgesetzten Position, wie in der Figur dargestellt,
verschiebbar ist, und ein Diamantritzrad 4, das entlang
eines in der Auflagefläche 1 gebildeten
Spalts verschiebbar ist, um eine Ritzlinie entlang der unteren Oberfläche des Substrats 5 zu
ziehen.
-
Um
ein Substrat mit der in 2 gezeigten Vorrichtung
zu ritzen, wird es zunächst
mit Hilfe eines mechanischen Positioniersystems auf der Auflagefläche 1 so
in Stellung gebracht, daß die
gewünschte Bruchlinie
der Bahn des Ritzrades 4 entspricht. Mit bekannten derartigen
Systemen sind Positioniergenauigkeiten von 30 μm und besser erreichbar. Alternativ
ist auch ein Bildverarbeitungssystem einsetzbar. Nach dem exakten
Positionieren des Substrats 5 wird der Niederhalter 6 in
die in 1 gezeigte Stellung
abgesenkt, in der er das Substrat 5 mit geringer Auflagekraft
berührt.
Ein Lageausgleichssystem kann eingesetzt werden, um den Niederhalter 6 zu
nivellieren und die Auflagekraft gleichmäßig über seine Länge zu verteilen.
-
Nachdem
der Niederhalter 6 in dieser Position fixiert worden ist,
wird das Ritzrad, wie oben für die
Vorrichtung der 1 beschrieben,
an der Unterseite des Substrats entlanggeführt. Anders als im Fall der 1 liegt die erzeugte Ritzlinie
nicht in der Flucht einer Seitenfläche des Niederhalters, sondern verläuft im wesentlichen
mittig entlang seiner Unterseite.
-
Nachdem
das Ritzrad 4 die Ritzlinie 10 (siehe 3) gezogen hat, wird es
aus dem Schlitz 3 herausgefahren, und an seiner Stelle
werden zwei Trägerblöcke 11 in
den Spalt 3 eingefahren, so daß sie mit ihren oberen Stützflächen 12 das
Substrat 5 berühren.
Die Stützflächen 12 werden
somit effektiv zu einem Teil der Auflagefläche 1. Die Trägerblöcke 11 sind
so positioniert, daß ihre
Stützflächen 12 an
der Ritzlinie 10 aneinanderstoßen. Sie sind in ihrem unteren
Bereich durch ein Scharnier 13 verbunden, das eine Schwenkbewegung
der Trägerblöcke 11 zuläßt, durch
die sich die zwei Stützflächen 12 auseinanderbewegen.
-
Die
Stützflächen 12 sind
genauso wie die restliche Auflagefläche 1 mit einer flexiblen
Deckschicht, zum Beispiel aus Viton, belegt.
-
Um
das Substrat 5 zu brechen, wird nun Druck von oben mit
Hilfe des Niederhalters 6 auf die Umgebung der Ritzlinie 10 ausgeübt, und
das Substrat 5 wird in der Umgebung der Ritzlinie 10 geringfügig in die
flexible Deckschicht 14 der Trägerblöcke eingedrückt. Dabei ist das Biegemoment
innerhalb des Substrats auf einen schmalen Bereich beiderseits der
Ritzlinie 10 begrenzt, dessen Breite durch geeignete Wahl
der Härte
der Deckschicht 14 festlegbar ist.
-
3 zeigt den Zustand nach
dem Brechen. Das Substrat 5 ist an seiner Unterseite entlang
der Ritzlinie 10 aufgerissen. Durch die Elastizität der Deckschicht 14 werden
die zwei Bruchstücke 5A, 5B aufwärts gedrückt und
schwenken an ihren freien Enden nach oben. Dementsprechend rücken auch
die beiden Trägerblöcke voneinander
fort, indem sie um das Scharnier 13 schwenken, und zwischen
ihnen öffnet
sich ein Spalt 15. Dieser Spalt ist in der Figur aus Gründen der
besseren Erkennbarkeit übertrieben
breit gezeichnet. Auch nach dem Brechen bleiben die zwei Bruchstücke 5A, 5B des
Substrats zwischen dem Niederhalter 6 und den Trägerblöcken 11 eingeklemmt.
Der Klemmdruck, der während
des ganzen Brechvorgangs anhält,
verhindert eine Biegebelastung der an die unmittelbare Bruchzone
angrenzenden Bereiche des Substrats, so daß darauf gebildete oder darin
eingebettete Leiterbahnen nicht Gefahr laufen, beim Brechen beschädigt zu
werden.
-
5 zeigt perspektivisch in
einer Explosionsdarstellung den Aufbau des Niederhalters 6.
Ein Haltekörper 18 weist
an seiner Unterseite eine langgezogene Nut 19 auf, in den
Flanken seitlich der Nut 19 befinden sich eine Bohrung 20 zum
Aufnehmen eines Zylinderstifts 21 und eine Bohrung 22 zum
Aufnehmen eines Stellkörpers 23.
Der Stellkörper 23 hat einen
in der Bohrung 22 drehbaren Abschnitt und einen exzentrisch
daran angeordneten, in die Nut 19 eingreifenden Stift 24.
In der Nut 19 ist ein Trägerkörper 25 dadurch montiert,
daß der
Zylinderstift 21 und der Stift 24 des Stellkörpers 23 durch
entsprechende Bohrungen 26, 27 des Trägerkörpers geführt sind. Außerdem sind
Feststellmittel wie zum Beispiel eine Schraube 28 vorgesehen,
die, in eine (nicht dargestellte) Gewindebohrung des Haltekörpers 18 eingeführt, zum
Fixieren des Trägerkörpers 25 relativ
zum Haltekörper 18 eingesetzt
werden kann.
-
Eine
stegförmige
Klinge 29 steht aus einem Schlitz an der Unterseite des
Trägerkörpers 25 vor.
-
6 zeigt einen Schnitt durch
den unteren Bereich des Trägerkörpers 25 entlang
der Linie VI-VI aus 5.
Die Linie verläuft
durch zwei Bohrungen 30, 31 des Trägerskörpers, von
denen eine 30 eine Schraube 32 und die andere 31 einen
zweiten Zylinderstift 33 aufnimmt. Der Zylinderstift 33 durchquert spielfrei
eine erstes Loch der Klinge 29, die Schraube 32 mit
Spiel ein zweites. Sie ist im Eingriff mit einem Gewinde 34 an
der von ihrem Kopf abgewandten Seite des Trägerkörpers 25. Solange
die Schraube 32 locker ist, ist die Klinge 29 geringfügig um den
Zylinderstift 33 drehbar und kann justiert werden, so daß ihre Unterseite
auf der gesamten Länge
des Substrats 5 exakt auf diesem aufsetzt. Durch Anziehen
der Schraube 32 ist die Klinge 29 in dieser Stellung
fixierbar. In einer Nut an der Unterseite der Klinge 29 ist eine
Rundschnur 35 aus elastischem Material mit geringem Überstand
eingefügt.
Es ist diese Schnur, die beim Aufsetzen des Niederhalters auf ein
Substrat mit letzterem in Kontakt kommt . Aufgabe der Schnur ist
die Vermeidung von lokalen Spitzen des Drucks, wenn der Niederhalter 6 zum
Brechen gegen das Substrat 5 gepreßt wird.
-
Um
nach dem Ritzen das Substrat 5 zu brechen, genügt es, den
Stellkörper 23 in
seiner Bohrung 22 zu drehen, so daß der exzentrische Stift 24 den
Trägerkörper 25 geringfügig schwenkt.
Der dadurch auf das Substrat 5 zum Brechen ausgeübte Druck
ist also über
die Länge
des Niederhalters 6 nicht gleichförmig verteilt, sondern ist
an dem dem Stellkörper 23 benachbarten
Ende am größten und nimmt
zum entgegengesetzten Ende hin ab. Dementsprechend beginnt das Substrat,
von seiner dem Stellkörper 23 benachbarten
Kante aus zu brechen, und der Bruch pflanzt sich entlang der Ritzlinie über die
gesamte Breite des Substrats fort. Es ist daher mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht erforderlich, auf der gesamten Länge der Ritzlinie eine zum
Brechen ausreichende Kraft aufzubringen, was die Gefahr von inneren
Schädigungen
des Substrats beim Brechen zusätzlich
vermindert.