Ausgangssituation

Durch die anhaltende Miniaturisierung von elektronischen und mikrosystemtechnischen Produkten werden deren Schaltkreise und Bauelemente immer kleiner und empfindlicher. Somit werden auch Handhabungssysteme benötigt, die den gestiegenen Anforderungen an eine schonende Behandlung der Komponenten Rechnung tragen. Einen innovativen Ansatz hierfür bietet die am iwb entwickelte Technologie der berührungslosen Handhabung mit Ultraschall-Vakuum-Greifern.

Funktionsweise des berührungslosen Ultraschall-Vakuum-Greifers

Die erforderliche Greifkraft überträgt der Ultraschall-Vakuum-Greifer durch eine Kombination aus Vakuum und Ultraschall, welche das Bauteil mittels eines Kräftegleichgewichts aus Gewichtskraft G, anziehender Kraft F_U und abstoßender Kraft F_US definiert auf Abstand (zwischen 30 und 80 µm) zum Greifer hält. Die abstoßende Kraft F_US wird durch die Ultraschallschwingungen einer bauteilspezifischen Sonotrode (diese ist i.d.R. der eigentliche Greifer) hervorgerufen. In der Greiffläche der Sonotrodenspitze sind Bohrungen angebracht, welche mit einem Unterdruck p_U beaufschlagt werden, was zu einer anziehenden Kraft F_U auf das Bauteil führt. Strömungsmechanisch bedingte Zentrierkräfte F_Z ermöglichen das präzise Ablegen von Bauteilen und das Verfahren mit hohen lateralen Beschleunigungen. Die untenstehende Abbildung zeigt den schematischen Aufbau eines Ultraschall-Vakuum-Greifers.


Abb. 1: Schematischer Aufbau eines Ultraschall-Vakuum-Greifers

Ziel des Projekts

Das Ziel des Projekts ist Erarbeitung der technologischen Grundlagen für einen industriell einsetzbaren Ultraschall-Vakuum-Greifer. Hierzu hat sich das iwb im Rahmen des Verbundprojektes "SonicGrip" mit sechs Industrieunternehmen zusammengeschlossen.

Vorgehensweise

Zur Qualifikation des Greifprozesses und zur Erweiterung der Bauteilflexibilität wird die berührungslose Handhabungstechnologie jeweils durch einen Anlagenhersteller und einen Anlagenbetreiber für zwei konträre Anwendungsszenarien erprobt. Dabei werden einerseits die hochpräzise, semimanuelle Bestückung bei geringen Stückzahlen und andererseits die vollautomatisierte Bestückung mit mittleren Genauigkeitsanforderungen bei hohen Stückzahlen untersucht. Generell können alle kleinen Bauteile mit glatten Oberflächen, wie z.B. ungehäuste Nacktchips, berührungslos gegriffen werden, wodurch sich ein hohes Marktpotential ergibt.

Auf gerätetechnischer Seite ist die Miniaturisierung des bereits existenten Prototypen eines Ultraschall-Vakuum-Greifers ein zentrales Arbeitspaket. Um die flexible Integration der berührungslosen Greiftechnologie in industrielle Handhabungssysteme zu gewährleisten, werden einheitliche Systemschnittstellen und angepasste Zuführmodule entwickelt. Die Synchronisation von Greifer und Zuführmodul stellt insbesondere bei der automatisierten Bestückung eine Herausforderung dar.
Auf prozesstechnischer Seite werden Kennwerte über die erreichbare Positioniergenauigkeit, Verfahrbeschleunigung, Fügekraft sowie über die Zuverlässigkeit beim Aufnehmen und Absetzen der Bauteile ermittelt. Das Ziel ist die Realisierung einer Online-Prozessüberwachung und -regelung.

Das Greifen mittels Leistungsultraschall zeichnet sich durch die berührungslose Krafteinleitung (Bauteile können über empfindliche Funktionsflächen gegriffen werden), die Vermeidung von Partikelgenerierung und den geringen Energiebedarf aus. Somit kann eine deutliche Qualitätssteigerung gegenüber herkömmlichen Greifverfahren erzielt werden.
Abb. 2 veranschaulicht die berührungslose Kraftübertragung durch die Auslenkung eines Halbleiter-Dies an einem Hindernis.


Abb. 2: Berührungslos gegriffener Die