DE68920256T2

DE68920256T2 - Kapazitiv geleitete Teilezusammensetzung.

Info

Publication number: DE68920256T2
Application number: DE68920256T
Authority: DE
Inventors: David Alan Ackermann; Robert Albert Boie
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1989-10-05
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2009-10-06
Also published as: EP0364164B1; EP0364164A3; DK506589D0; EP0364164A2; KR900006074A; HK193795A; CA1335456C; US4982333A; ES2065394T3; SG28331G; DK506589A; JPH02210507A; DE68920256D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die automatische Montage von Objekten aus getrennten Teilen mittels einer Regelung mit geschlossener Schleife der relativen Position der Teile.

Hintergrund der Erfindung

Ein Zusammenbau- bzw. Montageverfahren kann üblicherweise in eine Abfolge von Schritten zerlegt werden, die konstruktionsgemäß Paare von Objekten zusammenbringen und zusammenfügen. Das Verfahren wird auf verschiedene Wege vereinfacht, falls eine Form von Teil-zu-Teil- Zielansteuerung beim Zusammenbringen der Teile verwendet wird. Ein militärisches Beispiel des Zusammenfügens mit Zielansteuerung ist das einer Cruise Missile, die sich selbst an dem Zentrum des bedauerlichen Zielkörper montiert. Die Zielansteuerungsinformation erhält man aus einem Vergleich von Sensor-Borddaten mit gespeicherten Karten Die Ausrichtung eines Fotodetektors mit einer lichtführenden Faser ist ein industrielles Beispiel, bei welchem eine direkte Teil-zu-Teil-Zielansteuerung verwendbar ist. Biologische Beispiele von Sensorzielansteuerung sind im Überfluß vorhanden. Direkte Zielansteuerung impliziert, daß ein Teil Ausrichtungsinformationen von dem anderen abfühlt.
Ohne eine Art der Zielansteuerung verwendet die industrielle Montage häufig eine Art der Steuerung mittels Listen während des Zusammenbringens oder der Näherungsphase des Vorgangs.
Man bedenke beispielsweise die sogenannten "Aufnahme und Anordnungs-, Pick and Place" Montageverfahren. Die getrennten Objekte werden durch das Aufnehmen eines Objektes und das Plazieren an dem anderen zusammengebracht. Bevor die Objekte plaziert werden können, müssen die relativen Orte und Orientierungen, die Konfiguration der passenden Oberflächen oder Berührungsflächen und der Montagemechanismus bestimmt werden. Die Anordnung wird entweder durch Abfühlen bestimmt, beispielsweise unter Verwendung maschinellen Sehens, oder häufiger durch mechanische Einrichtungen, wie beispielsweise von den geometrischen Beschränkungen, die durch Teilezuführungseinrichtungen, Setzvorrichtungen und Haltebefestigungen auferlegt werden. In der Aufnahmephase ist ein Teil im Eingriff mit einem Greif- oder Maltewerkzeug des Mechanismus, der dieses zeitweise am Werkzeug hält. Die Teile werden in einen ausgerichteten Zustand in einer dritten Näherungsphase unter Verwendung einer planmäßigen Bewegung zusammengebracht, die gemäß Schätzungen der Ausgangskonfiguration und der erwünschten Endkonfiguration erfolgt. Die Teile werden in einer vierten Phase zusammengefügt. Das Zusammenfügen kann ein kompliziertes mechanisches Verfahren erforderlich machen, beispielsweise ein Festmachen mittels Schrauben, oder, wie dies in diesem Beispiel der Fall ist, ein einfaches Loslassen des bewegten Teils. Natürlich gibt es viele Möglichkeiten, Objekte zu montieren oder zusammenzufügen. Diese Beschreibung ist nichtsdestotrotz ganz typisch und dient dazu, den Gesichtspunkt der offenen Schleife (Open- Loop-Oesichtspunkt) gegenwärtig angewandter Steuerverfahren zu erläutern. Wir werden keine Transport- und Zusammenfügungsschritte betrachten. Weitere Beispiele und Einzelheiten von automatischen Montageprozessen können in dem Buch von G. Boothroyd, Corrando Poli und Laurence E. Murch "Automatic Assembly", Marcel Dekker, New York (1982), gefunden werden.
Wir kehren nunmehr zur Näherungs- bzw.Annäherungsphase detalllierter zurück. Die planmäßige Bewegung erfolgt in Bezug auf die Endausrichtung der Teile in einem Verfahren mit offener Schleife. Lediglich die Ausgangskonfiguration wird geschätzt, keine unmittelbare oder fortlaufende Messung der Beziehung der Berührungsflächen ist verfügbar. Viele Argurnente, die die Notwendigkeit für Roboter und Montagemaschinen hoher Präzision und absoluter Genauigkeit stützen, führen zu Montageverfahren, die ein begrenztes Wissen über die Konfiguration von Teilen während der Annäherungsphase besitzen. Die Genauigkeit beim Zusammenfügen der Teile ist dann letzten Endes durch eine Kombination von Unsicherheiten in der Schätzung der Ausgangskonfiguration, das Greifen und Bewegen begrenzt. Ein attraktives, alternatives Verfahren besteht darin, eine Zielansteuerung in Richtung des ausgerichteten Zustands durchzuführen. Eine geeignet angeordnete, maschinelle Videokamera kann prinzipiell eine derartige Information indirekt bereitstellen, während sie die Berührungsflächen der beiden Teile beobachtet, wenn sie zusammengebracht werden. Allerdings sind diese Messungen während der letzten Annäherungsphase sehr wichtig, wenn die Teile selbst die Messung ungenau machen können und die Montage muß von diesem Punkt unter Benutzung einer planmäßigen Bewegung fortschreiten.
Wir haben erkannt, daß es ein großes Bedürfnis bezüglich dieser und weiterer Phasen des automatischen Zusammenbaus gibt, um das Vertrauen in die Steuerung mit geschlossener Schleife zu minimieren, indem man eine direkte und fortlaufende Messung der Konfiguration der Berührungsflächen bereitstellt, so daß eine Steuerung mit geschlossener Schleife über alle kritische Abschnitte des Zusammenbaus hinweg benutzt werden kann.
Die Verfahren einer Rückführsteuerung mit geschlossener Schleife sind in der Steuersystemtechnik bekannt. Die Grundlage dieser Technik wird von Benjamin C. Kuo in "Automatic Control System", 3. Auflage, Prentice Hall (1975), Seiten 1-15, beschrieben. Unsere Beschreibung konzentriert sich auf die Integration der Messung mittels solcher Techniken.
Das deutsche Patent 37 04 178 offenbart eine Vorrichtung zum automatischen Halten eines konstanten Abstandes zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück. Eine solche Vorrichtung fühlt Abstandsschwankungen ab, indem Kapazitätsänderungen gemessen werden, um Steuersignale zu erzeugen. Die US-PS 3 447 419 offenbart eine Vorrichtung zum Festlegen des Bezugspunktes einer Werkzeugspitze durch Abfühlen einer Kapazitätsänderung, wenn die Werkzeugspitze in einem kapazitiven Feld bewegt wird. Eine solche Vorrichtung erleichtert die automatische Orientierung der Werkzeugspitze in wenigstens zwei Dimensionen. Die Zusammenfassung der japanische Patentschrift 60-200318 offenbart eine Vorrichtung zum Zusammenfügen von Objekten, bei der eine Lichtabtastung zum Positionieren eines Objektes, das zusammengefügt wird, benutzt wird.
Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, bzw. ein Verfahren verfügbar gemacht, wie es in Anspruch 7 umschrieben ist.
Unsere Erfindung basiert auf unserer Erkenntnis, daß eine Lösung des vorstehenden Problems in dem selektiven Einsatz einer kapazitiven Abfühlung während kritischer Phasen des Montageverfahrens liegt und daß ein derartiges Abfühlen durch den Einsatz von optischen Detektionstechniken unterstützt werden kann.
Gemäß unserer Erfindung basiert die kapazitiv-geführte Montage auf unserer Beobachtung, daß die relative Position und Orientierung oder Konfiguration von zwei gesonderten Teilen oder Objekten häufig eindeutig der gegenseitigen Kapazität der Teile oder Elektroden zugeordnet werden kann, die den Teilen zugeordnet ist, und daß diese Kapazitätsmessung in einem Rückführ-Steuersystem mit geschlossener Schleife benutzt werden kann, um Teile und andere Objekte in einen ausgerichteten Zustand zusammenzubringen. Vorteilhafterweise nimmt die kapazitive Wirkung stark zu und liefert eine empfindlichere Messung für Steuerzwecke, wenn der Abstand in Richtung der Annäherung verringert wird.
Gemäß einem Hauptmerkmal unserer Erfindung sind die Objekte so angeordnet, daß sie sich in dem Bereich zwischen den beiden Elektroden der Kapazität bewegen. Es ist gewöhnlich sinnvoll, zu erreichen, daß wenigstens eines der Objekte fest einer der Elektroden zugeordnet ist. Das andere Teil kann, aber muß nicht, fest der anderen Elektrode zugeordnet sein.
Wir benutzen die Entsprechung zwischen der Geometrie der Objekte, ihrer gegenseitigen Kapazität und der hohen Empfindlichkeit der Kapazitätsmessungen. Die hohe Empfindlichkeit liegt in der Natur der Sache und ergibt sich aus der Tatsache, daß Kondensatoren selbst kein Rauschen erzeugen. Präzise Messungen von Kondensatoren mit hoher Auflösung, wie sie von A. M. Thompson in "The Precise Measurement of Small Capacitances", IRE Transactions on Instrumentation, Band 1-7, Seiten 245-253, beschrieben werden, sind allgemein bekannt. Der Einsatz von kapazitiven Meßwandlern für eine Abstandsmessung hoher Auflösung ist ebenfalls eine etablierte Technik, die von R. V. Jones und J. S. C. Richards in "The Design and Application of Capacitance Micrometers" Journal of Physics E, Science Instruments, Band 6, Serie 2, 1973, Seiten 589-600, beschrieben worden ist. Eine Beschreibung darüber, wie kapazitive Verfahren angewandt werden können, um alle sechs Positions- und Orientierungsgrade von zwei Objekten zu messen, wurde in einem Aufsatz von F. W. Sinden und R. A. Boie in "A Planar Capacitive Force Sensor with Six Degrees of Freedom", Proc., IEEE Intern. Conf. on Robotics and Automation, San Francisco, CA, 1986, Seiten 1806-1814, gefunden. Die endgültige Annäherung der Teile wird durch den Einsatz von optischen Detektionstechniken unterstützt, die synergistisch auch die Kapazität zwischen den Elektroden zu diesem Zeitpunkt ändern können. Diese Wirkung betont weiter die Tatsache, daß eine kapazitiv geführte Montage in dem bevorzugten Betriebszustand zunehmend empfindlicher wird, wenn die Teile dem ausgerichteten Zustand näher kommen.

Kurze Beschreibung der Zeichungen

Weitere Merkmale und Vorteile unserer Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichungen offensichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 ein Verfahren, das angewandt wird, um die Kapazitätstopographie des Kontaktierungsflecks oder der Anschlußfläche 17 eines Photodetektor- Bausteins 16 zu messen,
Fig. 2 die gemessene Kapazitätstopographie des Kontaktierungsflecks, die durch Abtasten in einem gleichmäßigen Feld über dem Fleckort erhalten wird; diese Daten sind in perpektivischer Form dargestellt,
Fig. 3 eine Ausführungsform nach der Erfindung zum Montieren eines Photodetektor- oder Laser-Chips 23 an dem Fleck 17,
Fig. 4 Kapazitätsdaten, die als eine Funktion einer ebenen Position für zwei Abstände oder Spalten zwischen dem Chip und dem Fleck erhalten werden; die Daten in den oberen Ansichten sind in perspektivischer Form dargestellt, während die unteren Ansichten Daten entlang der Linien durch die Mitte darstellen,
Fig. 5 detaillierte Daten für den Fall eines Abstandes von 0,1 mm,
Fig. 6 eine Ausführungsform der Erfindung mit einer auseinandergezogenen Ansicht eines mikromaschinell hergestellten Siliciumkörpers, einer optischen Faser sowie eines Halbleiterdioden- Chips,
Fig. 7 eine kleine Meßfühler-Kapazitätstopographie des Chip-Kontaktierungsbereichs eines Photodetektor- Bausteins auf einem mit Rillen versehenen Substrats wie es in Fig. 6 dargestellt ist; es wurde die in Fig. 1 gezeigte Meßanordnung benutzt,
Fig. 8 perspektivische Ansichten und Querschnitte der Kapazitätstopographie der Konfiguration eines Photodetektorchips 73 nach Fig. 6 in Bezug auf die mit Vertiefungen versehene Struktur,
Fig. 9 Kurven, die die Sperrschichtkapazität der Laserdiode und den Verlust als Funktion der Lichtstrahlposition darstellen,
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung zum Einsetzen eines Stiftes in ein Loch,
Fig. 11-14 Kapazitäts-Meßdaten, die beim Erklären des Betriebs dieser Ausführungsform sinnvoll sind,
Fig. 15 eine grafische Darstellung eines TAB- Technologiebandes, das unter einem Chip liegt, und zwar mit einer Anordnung zum Steuern der relativen Bewegung eines Chips und des Bandes unter Anwendung der Kapazitätsführung,
Fig. 16 eine aktive, ein Chip aufnehmende Hülse,
Fig. 17 Kurven, die im gleichen Abstand angeordnete Kapazitätskonturen darstellen, die man durch Bewegen des Chips in einer Ebene über dem Band und in der Nähe des Ortes erhält,
Fig. 18-20 Kurven, die im gleichen Abstand zueinander angeordnete Kapazitätsumrisse darstellen, die durch Bewegen des Chips in einer Ebene bei zunehmend kleineren Abständen über dem Band und in der Nähe des Ortes erhalten werden,
Fig. 21 die Einzelheiten der Überlappung der TAB- Fingerspitzen, wobei der Chip-Anschlußfleck nach Fig 15 bei einem verrringerten Abstand deutlich wird,
Fig. 22 die Einzelheiten der Überlappung der TAB- Fingerspitzen, wobei der Chip-Anschlußfleck bei einem verringerten Abstand zwischen Chip und Band stark hervortritt,
Fig. 23 eine detailliertere Ansicht, die Kapazitätskontur für Fig. 15, aber bei einem Abstand gemäß der Fig. 22,
Fig. 24 Daten nach Fig. 23, die in einer perspektivischen Ansicht dargestellt sind,
Fig. 25 Kurven für Daten nach Fig. 23, entlang der mittleren Reihe die Kurve (a) und entlang der mittleren Spalte die Kurve (b) sowie Kapazitäts- Gradientenkurven (c) und (d) für die vorangegangenen Daten,
Fig. 26 Kurven, die den Kapazitätskonturen entsprechen, die mit einem festen Abstand bezüglich der Rotationsebene des Chips 143 in Bezug auf das Band 141 nach Fig. 15 aufgenommen worden sind.

Allgemeine Beschreibung

Um die Beschreibung der folgenden Ausführungsformen richtig würdigen zu können, müssen die folgenden Grundsätze beachtet werden.
Ein vereinfachtes Beispiel einer Teil-zu-Teil- Zielansteuerung, die eine gegenseitige Kapazitätsabfühlung benutzt, berücksichtigt die Aufgabe eines Anordnens von planaren Objekten ( z.B. zwei rechteckige Metallplatten) und zwar eine auf der Oberseite der anderen derart, daß sie sich gegenseitig maximal überlappen. Das Problem wird am Anfang weiter vereinfacht, indem man die Platten zwingt, in parallelen Ebenen mit einem veränderlichen und gesteuerten Abstand zu liegen. Die gegenseitige Kapazität ist aufgrund einer Bewegung in der Ebene maximal für jeden Abstand, wenn sich die Objekte zu dem größten Bereich überlappen. Ein Verringern des Abstandes erhöht sowohl den größten Wert als auch die nicht-ausgerichteten, räumlichen Ableitungen der Kapazität. Signale, die größer und steiler werden, wenn sich der Abstand verringert, sind für die Montage ideal. Je mehr sich die Teile annähern, desto sicherer ist die Ausrichtungs-Messung. Derartige (zugegebenermaßen höchst beschränkte) Objekte können durch Maximieren der Kapazität durch lineare Bewegungen und eine Rotation in der Ebene montiert werden, wenn der Abstand verringert wird. Die Anfangsbeschränkung kann auch herabgesetzt werden, da ein ausreichender Zustand für einen Parallelismus für jeden festen Abstand und unter sich überlappenden Bedingungen derart gegeben ist, daß Kapazitätsänderungen, insbesondere die Kapazitätsableitung bezüglich des Winkels in Bezug auf Rotationen aus der Ebene minimiert werden. Grundsätzlich können die Berührungsflächen dieser einfachen Objekte in Bezug auf alle sechs Freiheitsgrade ausgerichtet werden, indem lediglich gegenseitige Kapazitätsmessungen benutzt werden. Eine direkte Methode für eine Teil-zu-Teil- Zielansteuerung wird verwirklicht.
Wenn Objekte die gleichen Abmessungen besitzen, erfolgt ein einheitliches, maximales und ebenes Bewegungsmaximum bei jedem Abstand, obwohl sich ändernde und kompliziert geformte Objekte natürlich viele Maxima aufweisen können. In derartigen Fällen kann der ausgerichtete Zustand einer Verwandschaft der Kapazität bezüglich einer Position und Orientierung, die nicht dem maximalen oder minimalen Wert entsprechen, zugeordnet werden. Wir beschreiben eine Kapazitätsführung oder Kapazitätsleitung unter Verwendung der Beispiele, die realistischen Montageaufgaben entnommen worden sind. Die Montageführung eines Lichtwellendetektors wird benutzt, um ein Beispiel der Montage von ebenen oder grundsätzlich zweidimensionalen Objekten bereitzustellen. Die Anordnung eines Photodetektors oder einer Laserdiode auf dem gesamten Silicium-Lichtwellenblock ist ein Beispiel eines zweidimensionalen Chips, das in fester Verwandschaft zu einer dreidimensionalen Struktur angeordnet wird, während das Beispiel des Stift-in-Loch-Problems zwei einfache dreidimensionale Objekte betrifft. Wir schließen mit den Ergebnissen über die Chip-zu-Band-Montageführung in der Technologie des automatischen Filmbondens (TAB von Tape Automated Bonding) ab.

Detaillierte Beschreibung

Um den ersten Schritt zu verstehen, nehmen wir kurz auf Fig. 3 Bezug. Wir beginnen mit der Annäherungsphase eines Aufnehmens, Anordnens und einer Montagekontaktierung eines Photodetektorchips 23 auf seinem jeweiligen Gehäuse- Kontaktierungsfleck 17. Der Chip 23 ist mit dem Kontaktierungsfleck 17 zu kontaktieren. Der Chip 23 wird mit seiner aktiven Fläche nach unten fixiert, während eine elektrische Verbindung mit einer Seite der Detektordiode zu dem Kontaktierungsfleck hergestellt wird. Der zweite elektrische Kontakt wird in einem späteren Schritt an der Oberseite des Detektorkontaktes über eine Draht-Bond- Verbindung zu einem separaten, leitfähigen Kontaktierungsfeld 8 vorgenommen. Das Licht tritt von unten ein und durchläuft ein Loch 19 auf dem Detektor.
Der Annäherungsschritt ist erfolgreich beendet, wenn der Chip und der Kontaktierungsfleck durch einen sehr kleinen Spalt getrennt sind, während sie sich zu dem größten Bereich überlappen und daher für den Kontaktierungsvorgang an der richtigen Stelle befinden. Um die Erläuterung zu vereinfachen, nehmen wir an, daß die Winkelausrichtung derart vorbestimrnt ist, daß lediglich drei Ereiheitsgrade (das sind x, y und z) berücksichtigt werden müssen. Dieser Teile-Annäherungs-Schritt ist dem für zwei rechteckige Platten, die oben erwähnt worden sind, ähnlich.
Wir entscheiden uns, die Kapazität zwischen dem Chip und dem Kontaktierungsfleck mit einer Methode zu messen, die sowohl berührungslos ist und keine direkte Verbindung mit beiden Objekten verlangt, als auch für Metallobjekte und isolierende Objekte geeignet ist. Ein Verständnis der funktionellen Form der gegenseitigen Kapazität zwischen dem Chip und dem Kontaktierungsfleck wird erleichtert, indem man zunächst die Kapazitätstopographie des Kontaktierungsflecks untersucht. Techniken zum Messen einer Oberflächentopographie durch kapazitive Einrichtungen sind von James R. Matey im US-Patent 4 481 616 "Scanning Capacitance Microscopy" beschrieben worden.
Fig. 1 zeigt unsere bevorzugte Ausführungsform zum Messen der Topographie. Ein kleiner, koaxial geschützter, beweglicher Meßfühler 13 ist im Abstand oberhalb einer großen Metallplatte 20 angeordnet. Die leitende Spitze des Meßfühlers 13 ist (durch nicht dargestellte Einrichtungen) gegenüber seinem geerdeten Körper isoliert. Die Isolierung kann so wie in Fig. 16 dargestellt angeordnet sein, allerdings ohne die zentrale Vakuumkammer. Ein Hochfrequenz-Oszillator 10 und ein integrierender Operations-Vorverstärker 11 bilden die Einrichtungen zum Messen der Kapazität zwischen der Spitze des Meßfühlers 13 und der Platte. Der von der Platte 20 zur Spitze des Meßfühlers 13 fließende Verschiebungsstrom erzeugt am Vorverstärker eine Ausgangsspannung 3, deren In-Phase-Größe proportional (in Phase oder um 180º aus der Phase mit der Hochfreguenz-Quelle 10 aufgrund der Rückführkapazität um den Vorverstärker 11) zur gegenseitigen Kapazität und daher das interessierende Signal ist. Die Kapazität wird dadurch erhöht, daß das Detektorgehäuse 16 in den Bereich zwischen den Meßfühler 13 und die Platte 20 sowie in die Nähe des Meßfühlers 13 bewegt wird. Das Gehäuse, das im Querschnitt dargestellt ist, schwimmt in dem Spalt. Es kann ebenfalls unmittelbar auf der unteren Platte ruhen oder von ihr entweder durch eine leitfähige oder isolierende Schicht getrennt sein.
Bewegungen des Meßfühlers parallel zu der Platte und dem Gehäuse erzeugen Meßkapazitätsänderungen, die der Oberflächentopographie des Gehäuses 16 unmittelbar unter dem Meßfühler 13 entsprechen. Dies funktioniert ausgezeichnet bei isolierendem und leitfähigem Material. Leitfähiges Material erscheint allerdings aufgrund einer heftigen Wirkung so, als ob es sich näher an dem Meßfühler befindet als ein isolierendes Material in der gleichen Höhe.
Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die gemessenen Kapazitätstopographie-Daten des Bereichs des Kontaktierungsflecks 17, der auf einem planaren 30- um-Steigungsgitter abgetastet wird. Der Meßfühler mit einem Durchmesser von 50 um befindet sich etwa 100 um oberhalb des Kontaktierungsflecks für diese Messung, und das Meßgitter entspricht den Gitterzeilen in der Figur. Das Ansprechen kann als die Faltung der Meßfühler-Spitzenform mit der Form des Kontaktierungsflecks zusammen mit einem Unschärfe- und Schwächungsterm infolge des Objekt-zu- Meßfühler-Abstandes beschrieben werden. Wie die Kapazitätsdaten 22 nach Fig. 2 zeigen, ist bei dieser Auflösung das Loch 19 für die optische Faser, die das Licht zu dem Chip bringt, notwendigerweise aufgelöst, wie dies durch das Bild 19' des Lochs in der Kapazitätstopographie 22 dargestellt ist.

Geometrisch ausgerichtete Chipanordnung

Wir nehmen wiederum Bezug auf Fig. 3. Wir betrachten die Topographie des Kontaktierungsflecks, wie er gemessen wird, wenn ein Photodetektorchip 23 als Meßfühlerspitze benutzt wird. Neben dem Chip 23 dient auch ein eine Chip- Haltehülse 14 als Teil des Meßfühlers 13, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die Hülse 14 nimmt den Chip auf, hält ihn und läßt ihn mittels eines kleinen zentralen Lochs los, das mit einer variablen Vakuumversorgung verbunden ist, wie dies detaillierter in Fig. 16 dargestellt ist. Wiederum wird eine Isolation der Meßfühlerspitze gegenüber dem Körper der Hülse 14 vorgesehen, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Die Endabmessungen des Meßfühlers sind hierin vorteilhafterweise an die Abmessungen des Chips 23 angepaßt. Die Fläche der Meßfühlerspitze wird nunmehr verglichen mit der Fläche gemäß Fig. 1 wesentlich vergrößert, und die Sperrschichtkapazität des Photodetektors erscheint in Reihe mit der gemessenen Kapazität. Die zusätzliche Reihenkapazität ist eindeutig keine Funktion der Position in diesem Beispiel und hat demzufolge einen nachteiligen Einfluß auf die Messung. Das Kapazitätssignal wird von dem Vorverstärker 11 über ein Filter 9 zu einer Bewegungssteuerung 21 zurückgeführt. Die Aufgabe des Filters 9 besteht darin, die Kapazität und alle anderen Abtastdaten zu verarbeiten, um eine Schätzung der Konfiguration zu liefern. Man beachte, daß das Verfahren vollständig berührungslos erfolgt; keine Verbindungen müssen zu dem Gehäuse 13 oder dem Chip 23 vorgenommen werden.
Fig. 4 zeigt die Ergebnisse für die Abtastung einer Kapazität auf einem planaren 30-um-Steigungsgitter unter Verwendung von Abständen zwischen dem Chip 23 und dem Kontaktierungsfleck 17 von 0,2 mm und 0,1 mm. Diese Daten 24 und 24' bestätigen die erwartete Antwort, die mittels einer Faltung für zwei ähnliche Flächen zusammen mit einer Unschärfe beschrieben wird. Die unteren Ansichten zeigen Daten entlang der mittleren Zeile und der mittleren Spalte der abgetasteten Daten. Die verbesserten Kurvengänge 26, 27 bei einem Abstand von 0,1 mm, wenn sie mit den Datenkurven 28, 29 für einen Abstand von 0,2 mm verglichen werden, sind deutlich erkennbar.
Fig. 5 zeigt Zeilen- und Spalten-Daten für einen Abstand von 0,1 mm, der (in den Kurven 61, 62) geglättet und (in den Kurven 63, 64) differenziert ist, um zu zeigen, wie gut eine einfache Spitzendetektion von Zeilen- und Spalten-Daten die Überlappung des Chips und des Kontaktierungsflecks nachweist. Die nominell ausgerichtete Position tritt in beiden Abmessungen bei 0,4 mm auf Die Positionsauflösung kann aus dem Verhältnis der Signalsteigung bei den Schnittpunkten 65 und 66 bei Null zur Rauschamplitude geschätzt werden. Das Steigungs-zu- Rausch-Argument läßt uns vermuten, daß die endgültige Ausrichtungsgenauigkeit ein kleiner Bruchteil der Abmessungen der Objekte in Abhängigkeit von dem Abstand ist, der erreicht wird, indem ein einfaches Spitzen- oder Gradienten-Suchverfahren angewandt wird. Ergebnisse des Leitens oder Führens von Laserchips an ihre jeweiligen Gehäuse zeigen, daß Ungenauigkeiten in der Anordnung von weniger als 2 % der linearen Chipabmessungen eine Routine für die Ausrichtung in drei Freiheitsgraden sein sollten.

Chip-zu-mit Vertiefungen versehene Struktur- Ausrichtung

Wie in Fig. 6-9 dargestellt ist, liefert die Aufnahme-, Anordnungs- und Kontaktierungsmontage eines Photodetektorchips auf einem mikromaschinell hergestellten Siliciumblock ein recht kompliziertes Beispiel für eine kapazitätsgeleitete Zielansteuerung.
Fig. 6 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Montage. Der Block 72 mit seiner mit Rillen versehenen Struktur 74, 76 nimmt eine optische Faser 75 auf und richtet sie zu der reflektierenden Rillenendfacette 77 aus. Die hier betrachtete Annäherungsaufgabe besteht darin, den Detektorchip 73 mit der Rillenendfacette 77 bei einem kleinen Abstand über der Oberfläche des Blocks 72 auszurichten.
Fig. 7 zeigt die mit einem kleinen Meßfühler aufgenommene Kapazitätstopographie 80 des Chip- Befestigungsbereichs eines Detektorblocks, der eine mit speziellen Rillen versehene Struktur aufweist, die verwendet wird, um das Licht zum Photodetektor zu leiten. Die Topographie, die eine räumliche Schwankung der Kapazität in einer perspektivischen Darstellung 65 wiedergibt, wurde unter Verwendung der Vorrichtung gemessen, die in Fig. 1 zusammen mit einem 30-um- Abtastgitter beschrieben worden istl das auf die Kapazitätsdaten projiziert worden ist.
In Fig. 6 ist der Detektorchip 73 mit einer festen Beziehung zu der dargestellten Rillenendfläche 77 anzuordnen
Die Rillenendfläche 77 besitzt eine reflektierende Neigungsfläche, die Licht von der optischen Faser 75 zu dem aktiven Bereich des Detektors im Chip 73 reflektieren soll. Der Chip 73 wird mittels einer Vakuumaktion von der Hülse 14 aufgenommen, die den Hauptteil des Meßfühlers 13 bildet. Die Vakuumkammer der Hülse 14, die ähnlich der in Fig. 16 gezeigten ist, ist mit einer Vakuumsteuereinrichtung 70 verbunden.
Neben dem abgetasteten Kapazitätssignal, welches von dem Verstärker 11 zurückgeführt wird, empfängt die Bewegungssteuereinrichtung 2l ein Listensteuerungs-Signal, das den Chip 73 und die Baugruppe 71 relativ zueinander näher bringen soll, insbesondere dann, wenn das kapazitive Signal schwach ist. Die Art des Kombinierens der Steuersignale wird am besten von einem Kalman-Filter verwirklicht, wie er an anderer Stelle hierin beschrieben wird.
Fig. 8 zeigt im oberen Abschnitt zwei perspektivische Ansichten von abgetasteten Kapazitätsdaten, die mit der aktiven Hülse 14 und dem Photodetektorchip 73 erhalten werden. Der untere Teil der Figur zeigt Datenschnitte (Kurven 81-84) quer und entlang (Kurve 85) der Mittellinie der Rille. Hier ist ein Beispiel dargestellt, bei dem die ausgerichtete Position nicht dem einfachen Maximum oder Minimum der Kapazität entspricht. Der Anordnungsort kann der Mittellinie der Rille und in halber Höhe entlang der nach oben gerichteten Steigung am Rillenende zugeordnet werden.

Anordnen des Chips und der photo-kapazitätsgeleiteten Baugruppe

Das kapazitätsgeleitete Verfahren erlaubt es, daß das Chip in einen geometrisch ausgerichteten Zustand bei einem vorgeschriebenen kleinen Abstand über seiner Endposition mittels einer Zielansteuerungs-Prozedur mit einer Steuerung mit geschlossener Schleife gesetzt werden kann.
Der ausgerichtete Zustand für einen Photodetektor oder einen Festkörperlaser verlangt häufig mehr als eine geometrische Ausrichtung. Die interessierende Ausrichtung ist die des ankommenden und abgehenden Lichts mit dem aktiven Bereich des Bauelements. Wir können die Kapazitätsleitung erweitern, um eine optische Endausrichtung mitzuerfassen, indem wir von der Tatsache Gebrauch machen, daß die Sperrschichtkapazität des aktiven Bereichs in Reihe mit der Messung ist und daß die Sperrschichtkapazität eine Funktion des einfallenden Lichtes ist. Licht, das auf den aktiven Bereich eines Leerlauf-Zonenübergangs fällt, bewirkt, daß die Sperrschichtkapazität und die Dissipation verändert werden. Diese Wirkungen sind allgemein bekannt und von G. L. Miller, D. V. Land und L. C. Kimerling in "Capacitance Transient Spectroscopy", Ann. Rev. Material Sci., 7:377-448 (1977), beschrieben. Fig. 9 zeigt die Wirkung auf eine Sperrschichtkapazität und die Dissipation, wenn ein schmaler Lichtstrahl die Oberfläche einer Laserdiode abtastet. Die Kapazitäts- und Dissipations- Spitzenpositionen entsprechen der optisch ausgerichteten Position des Lichtstrahls zu der Laserdiode.
Ein Photodetektor kann optisch mit dem optischen System des Gehäuses 16 nach Fig. 3 oder des Blocks 72 nach Fig. 6 dadurch ausgerichtet werden, daß zuerst die geometrische Anordnungsposition erreicht wird, um eine Grobausrichtung zu erzielen, und daß anschließend Licht von der Lichtquelle 78 in die Faser 75 eingestrahlt wird, während der Photodetektor neu positioniert wird, um die Kapazität oder die Dissipation aufgrund des Lichtes zu maximieren. Man beachte, daß die Ausrichtung ausgeführt wird, bevor der Chip kontaktiert und der Kontakt hergestellt worden ist.
Wie oben erwähnt worden ist, kann die Endposition einer Halbleiter-Laserdiode sogar ein besseres Beispiel für eine leichte Versetzung gegenüber der maximalen passiven Kapazitätsposition sein, die dadurch erreicht werden kann, daß man die hervorgehobenen Wirkungen benutzt, die erreicht werden, wenn der Zonenübergang beleuchtet wird, und die sogar noch vorteilhafter sein kann aufgrund einer komplizierteren Struktur einer Laserdiode und ihrer noch größeren Positionierungserfordernisse.
Wenn der Chip 73 ein Halbleiter-Laserdiodenchip ist, die Lichtquelle 78 eingeschaltet ist und Licht durch die Faser 75 schickt, wenn Photonen gut in der Lasersperrschicht oder in der Nähe des Zonenübergangs absorbiert werden, dann werden die hervorgehobenen, in Fig. 9 gezeigten Wirkungen erreicht.
Die Sperrschichtkapazität des Chips 73 erhöht danach die gemessene Gesamtkapazität, wie dies in den Kurven 91 nach Fig. 9A dargestellt ist. Man beachte die erhebliche Kapazitätserhöhung im Vergleich zu einer vernünftigen Extrapolation in der Nähe der Kapazitätswerte 92 für nicht beleuchtete Flächen.
Die in Kurven 93 in Fig. 9B dargestellten Dissipationserhöhungen sind sogar noch dramatischer im Vergleich zu den kleinen Hintergrundswerten 94 in Abwesenheit einer Beleuchtung. Die Dissipation wird als Teil des Meßstroms detektiert, der gegenüber der Spannung von der Hochfrequenzquelle 10 in der Phase um 90º verschoben ist (wiederum aufgrund der Rückführungskapazität über dem Vorverstärker 11). Die Spitze der Kurven 91 oder 93 kann um einen kleinen, aber signifikanten Wert gegenüber den größten Werten beim Fehlen einer Beleuchtung versetzt sein und ruft fast immer eine bessere Positionierung des Chips 73 für das Einstrahlen von Licht in die Faser 75 hervor.
Man beachte, daß diese verbesserte Positionierung des Chips 73 erzielt wird, ohne daß elektrische Kontakte zu dem Chip 73 hergestellt werden. Ferner ist es nicht erforderlich, Licht auszusenden, sondern lediglich das Licht zu absorbieren.

Aufnehmen des Chips

Die Kapazitätsführung kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, den Chip aufzunehmen. Man betrachte einen Chip, der sich auf oder über irgendeinem Bereich der Platte 20 befindet. Mit den gleichen Verfahren, die angewandt werden, um einen Chip an einer geometrischen Anordnungsposition in Bezug auf eine Baugruppe anzuordnen, plazieren wir das Meßfühlerende an einer entsprechenden Position über dem Chip, welches ausgerichtet und für eine Vakuumaufnahme geeignet ist.

Betrachtungen eines Meßsystems für eine kapazitätsgeleitete Zielansteuerung

Ein Rückführ-Steuersystem auf der Grundlage eines Kalman-Filters (Filter 9 in Fig. 3) sollte für diese Schätzung und für dieses Steuerproblem optimal sein, wonach die Konfiguration 4 aus mehreren Sensordaten mit veränderlichen Sensorfehlern geschätzt werden muß. Daten 5 von den Positionssensoren des Mechanismus liefern eine unverarbeitete, aber feste Fehlermessung der Konfiguration. Insbesondere liefert die geometrische Kapazitätsmessung Konfigurations-Schätzfehler, die sich verbessern, wenn der ausgerichtete Zustand sich einem kleinen festen Wert nähert. Photokapazitätsmessungen liefern, wenn sie benutzt werden, Konfigurations-Schätzfehler, welche sich verbessern, wenn der ausgerichtete Zustand sich einem noch kleineren festen Wert nähert. Ein richtig entworfenes Kalman-Filter kombiniert Sensor- und Sensorfehlerdaten, um eine optimale Schätzung der Konfiguration zu liefern. Eine Beschreibung der Kalman-Filter und ihrer Anwendung auf stochastische Modelle, der Schätzung und Steuerung, wird in einem Buch von Peter S. Maybeck "Stochastic Models, Estimation and Control", Band 1, Academic Press (1979), beschrieben.

Das Stift-in-Loch-Problem

Fig. 10 zeigt eine vorteilhafte Anordnung zum Überwachen der Konfiguration eines Lochs 111 in einer Metallplatte 112 in Bezug auf einen Stift 113, so daß eine Stift-in-Loch-Zielansteuerung erleichtert wird.
Fig. 11 zeigt gleichmäßig beabstandeten Kapazitäts- Konturdaten, die durch eine ebene Bewegung in einem festen Abstand über der Platte des Stifts 113 in Bezug auf das Loch 111 erhalten werden, während die Kapazität abgetastet wird. Der Verlauf, der durch in gleichem Abstand angeordnete Kapazitätskonturen 110 dargestellt ist, besitzt einen signifikanten Datenradius von einem Stiftdurchmesser. Jenseits dieses Bereichs dominiert die Konfigurationsschätzung von den mechanischen Sensoren in einem Kalman-Filter, da keine sinnvolle Kapazitätsänderung und daher ein sehr großer Fehler vorliegt. Innerhalb des Aufnahmeradius verbessern sich die kapazitiven Schätzungen und werden letztendlich bei der Konfigurationsschätzung dominant. Eine Steuereinrichtung mit geschlossener Schleife, die beispielsweise Konfigurationsschätzungen und ihre räumlichen Ableitungen (s. Fig. 14) in Kombination mit einem höchst annehmbaren Algorithmus benutzt, kann Steuersignale an eine Servo-Steuereinrichtung 21 derart liefern, daß der Stift in das Loch eingeführt wird. Wir verwenden ein viel einfacheres und viel weniger effizientes Filter und einen Steueralgorithmus, um die Montageaufgabe zu erläutern.
Die abgetasteten Daten 110 werden benutzt, um die minimale Kapazitätsposition zu schätzen. Diese Schätzung wird als das Zentrum eines verringerten Bereichs benutzt, und eine neue Kapazitätsdaten-Abtastung erzeugt im gleichen Abstand angeordnete Kapazitätskonturen 111, die in Fig. 12 gezeigt sind. Die Minimum-Schätzung wird verwendet, um die Mitte des Lochs vorauszusagen, und der Stift wird an der neugeschätzten, ausgerichteten x-y-Stelle positioniert und in das Loch eingeführt.
Fig. 13 zeigt Kapazitätskonturen 112 in gleichem Abstand, die man erhält, wenn der eingesetzte Stift 113 in dem Loch 111 abgetastet wird. Die Figurenmitte entspricht dem Ort der Schätzung, die beim Eintritt in das Loch verwendet wird. Hier beginnen wir, die Wirkungen einer serpentinenförmigen Abtastung und den Totgang der Positionssteuerung zu erkennen. Das Maß der erzielten Genauigkeit wird in den Kapazitäts-Steuerdaten 112 dargestellt, die, wie in Fig. 13 gezeigt, über das vorausgesagte Zentrum abgetastet werden. Da der Verlauf symmetrisch ist, müssen wir das Zentrum nicht tatsächlich aufsuchen, um dessen Position zu ermitteln.
Fig. 14 zeigt dies unter Darstellung der Ableitung von geglätteten Datenkurven 130 entlang einer abgetasteten Zeile durch das Zentrum und entlang von Zeilen, die in Maßsprüngen von 2 um getrennt sind. Die Mitte des Null- Schnittpunktes 132 zeigte die Schätzwertschwankungen des Zentrums.
Eine nützliche Gütezahl für derartige Servosysteme ist das Verhältnis des Aufnahmebereichs zur Positionierungs- Endgenauigkeit. Das Stift-in-Loch-Beispiel zeigt eine Gütezahl von mehreren 1000 zu 1. Die Gütezahl erhöht sich mit der Nähe der Zusammenfügung. Wenn sich der Abstand verringert, verbessert sich automatisch die Genauigkeit.
Der Stift 113 kann vorteilhafterweise von der Halteeinrichtung 114 gemäß dem Verfahren aufgenommen oder gehalten werden, das für die Chipaufnahme beschrieben worden ist.

TAB-Technologiebeispiel

Elektrische Verbindungen zwischen dem integrierten Schaltungschip und dem Zuleitungs- oder Anschlußrahmen des Gehäuses können mit Hilfe eines Prozesses hergestellt werden, der Automatisches Filmbonden (TAB von Tape Automated Bonding) genannt wird. In diesem Prozeß handelt es sich bei dem elektrischen Verbindungselement zwischen dem Chip 173 und dem Zuleitungsrahmen 143 um einen Satz von Metalleitern 145, die von einem organischen Polymerband 141 getragen werden. Das Band 141 wird über Rollen in gewöhnlichen Industrieformaten zugeführt und enthält viele Wiederholungen der Leitermuster. Der Chip 173 ist mit metallischen Anschlüssen 147, typischerweise Gold, auf den Kontaktierungsflecken versehen. In dem ersten Schritt des TAB-Prozesses wird das mechanische Bonden des Innenteils des Leitermusters 145 mit dem Chip 173 ausgeführt. Dies wird als inneres Leitungsbonden (ILB von Inner Lead Bonding) bezeichnet. Beim ILB wird das Leitermuster 145 auf dem Band 141 über (oder unter) dem Chip positioniert und mit den Kontaktierungs-Anschlußflecken 147 ausgerichtet, und zwar in diesem Fall unter Benutzung unserer kapazitiven Abfühlung und Steuertechnik, wie dies oben erläutert worden ist.
In der graphischen Darstellung nach Fig. 15 treten die Bandfinger 145 und die entsprechenden metallischen Verbindungsanschlüsse 147 des Chips 173 deutlich hervor.
Ein erhitztes Werkzeug (nicht dargestellt) drückt das Band 141 gegen das ausgerichtete Chip 173 und überträgt Wärme und den Druck von unten zu den Kontaktpunkten, um ein Thermokompressions-Bonden zu bewirken. Wenn das Werkzeug zurückgezogen wird, ist der Chip dauerhaft an dem Band befestigt und kann mit einem weiteren Chip an anderen Stellen auf dem Band aufgewickelt werden. Nachfolgende Gehäuse-Montageprozesse können ein Prüfen am Band sowie ein äußeres Leitungsbonden (OLB von Outer Lead Bonding) zum Gehäuse-Zuleitungsrahmen umfassen. Wiederum kann das OLB unsere Abfühlungs- und Steuertechnik anwenden. Eine detailliertere Beschreibung des TAB kann in einem kürzlich veröffentlichten Aufsatz von Paul Hoffman "TAB Implementation and Trends", Solid State Technology, Juni 1988, nachgelesen werden.
Das Band 141 in Fig. 15 besteht aus Kupferleitern auf einem Polymer-Filmsubstrat von 0,0005 Zoll. Die Kupferleiter sind in dem Bondpunkt 0,0014 Zoll dick und etwa 0,004 Zoll breit und mit einer Goldschicht von 30 Microzoll beschichtet. Die Kontaktierungs- Anschlußflecken des Chips sind aus Gold und etwa 100 um und 10 um hoch. Die Kontaktierungsfleck-Höhe ist 200 um (0,008 Zoll).

Kapazitive TAB-Ausrichtung

Fig. 15 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform zur Überwachung der Ausrichtung des Chips 173 zu dem TAB-Band 141 während des ILB unter Benutzung der Kapazitätsführung. Das Band wird elektrisch von einem RF-Oszillator 155 angesteuert. Der zu dem Chip 173 fließende Verschiebungsstrom erzeugt eine Ausgangsspannung 156 in einem Vorverstärker 157, die proportional zur gegenseitigen Kapazität ist und daher das interessierende Signal darstellt. Die kurze Länge des dargestellten dünnen Metallbandes weist Führungslöcher entlang jedes Randes auf und, wenn es bei einer niedrigen Auflösung betrachtet wird, einen rechteckigen Ausschnitt an jedem Chipplatz. Der Vorverstärker ist mit dem Chip vorteilhafterweise über eine aktive Aufnahmehülse 161 verbunden, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist.
Fig. 17 zeigt die Konturen der Kapazität 171, die durch Bewegen des Chips 173 in einem gleichmäßigen x-y-Feld in einer Ebene 9,6 Milli-Zoll über dem tragenden Kunststoffband 141 und in der Nähe des Ortes erhält, während die Kapazität abgetastet wird. Die minimale Kapazität liegt in der Nähe des Mittelpunktes der Figur, und ihr Ort entspricht grob dem ausgerichteten Zustand. Die minimale Kapazität befindet sich in der Nähe des Mittelpunktes der Figur mit einer Größe von 48 ff, wobei der maximale Wert in diesem Abtastbereich 51 ff ist. Die Sichtbarkeit oder Deutlichkeit der rechteckigen Strukturen und die Tatsache, daß das Chip das Loch überlappt, nehmen stärker zu, wenn der Abstand weiter verringert wird, wie dies In Fig. 18 und 19 dargestellt ist. Im gleichen Abstand verlaufende Konturen der Kapazität 181 oder 191 erhält man unter Bewegung des Chips in einem regelmäßigen x-y-Feld in einer Ebene 5,7 Milli-Zoll und 3,7 Milli-Zoll über dem tragenden Kunststoffband und in der Nähe des Ortes. Das Kapazitätsminimum ist 64 ff bzw. 80 ff. Der Kapazitätsgang der ebenen x-y-Bewegung kann als Faltung der Chipform mit der des Ortes zusammen mit einem Unschärfe- und Schwächungsterm aufgrund des Abstandes beschrieben werden. Das Kapazitätsbild des rechteckigen Stifts über einem kleineren, rechteckigen Loch besitzt eine Form ähnlich der Oberfläche eines invertierten Pyramidenstumpfes. Die Fläche der flachen Unterseite entspricht der Fläche der Überlappung zwischen dem Chip und dem Ort, wenn sie ausgerichtet sind.
Wenn der Abstand auf 2,2 Milli-Zoll verringert wird, nimmt die Unschärfe ab, und wir beginnen einige zusätzliche Strukturen in dem Zentralbereich in Fig. 20 zu erkennen. Bei ausreichend kleinen Abständen sollte ein lokales Maximum in dem Bild erscheinen, wenn die Finger und die Kontaktierungsanschlüsse sich ausrichten.
Fig. 21 und 22 zeigen detaillierter, wenn der Abstand auf 1,4 Milli-Zoll und danach auf 0,8 Milli-Zoll verringert und folglich die Unschärfe reduziert wird. Das zentrale Maximum für die Kapazität in Fig. 22 ist 122 ffs.
Fig. 23 und 24 zeigen detaillierte Ergebnisse in der Konturform und in der perspektivischen Form. Die zentrale und große Spitze 233 in Fig. 23 und 24 tritt aufgrund der Überlappung aller Finger mit den Kontaktierungsflecken auf. Die Nebenspitzen 235, 236, 237 und 238 treten an Stellen auf, die in einem Abstand von einem Finger gegenüber der ausgerichteten Konfiguration verschoben sind. Mit anderen Worten entspricht der Ort der zentralen Spitze 233 in beiden Figuren dem ausgerichteten Zustand, während die vier aufgelösten Nebenspitzen jeweils um einen Fingerabstand gegenüber dem ausgerichteten Zustand verschoben sind.
Fig. 25a und 25b zeigen die Zeilen- und Spaltendaten, während die Fig. 25c und 25d diese geglätteten und differenzierten (Gradientendaten) zeigen. Diese letztgenannten Daten zeigen, wie gut ein Gradienten- Suchalgorithmus eine Ausrichtung ausführen kann. Die Positionsauflösung kann aus der Beziehung der Signalsteigung im Null-Schnittpunkt 251, 253 zum Amplitudenrauschen geschätzt werden. Das Steigungs-zu- Rausch-Argument läßt uns vermuten, daß der meßbegrenzte Ausrichtungsfehler ein kleiner Bruchteil von 1 Milli-Zoll für diese Daten ist.
Die inhärente Unschärfe mit dem Abstand kann einen effizienten Näherungsalgorithmus erleichtern. Ein Näherungsalgorithmus, der einzelne x-y-Gradientenminima anfänglich grob aufgrund einer Unschärfe nachführt, während der z-Abstand verringert wird, scheint unmittelbar zu den zentralen Minima der ausgerichteten Konfiguration in diesem Beispiel zu führen.
Die Wirkung der Rotation in der Ebene zwischen dem Chip und dem Kontaktierungsort ist in Fig. 26 gezeigt. Die räumlichen Ableitungen der Kapazität in der Nähe der zentralen Spitze sind hier die Ausrichtungsmessungen, da z fest bei einem Abstand von 0,8 Milli-Zoll gehalten wird. Die zentrale Spitze 271 verläuft äußerst scharf in Bezug auf die Rotation bei einem angezeigten Winkel von etwa 1,5º. Dieser Zustand ist tatsächlich der ausgerichtete Zustand, wenn die ursprüngliche Bezugsposition von 0º ursprünglich "mit bloßem Auge" beliebig ausgewählt worden ist.
Die Kapazitätsführung wird aus den diversen obengenannten Beispielen ersichtlich und besitzt die Fähigkeit, ein einfaches, unmittelbar und gut verstandenes Mittel für eine Teil-zu-Teil-Zielansteuerung bereitzustellen. Eine Montage über eine Zielansteuerung hat aus ökonomischer Sicht wichtige Vorteile. Die Komplexität sowie die Präzisionsanforderungen der Montagemaschinen und der zusammengefügten Teile kann häufig verringert werden. Da die Zielansteuerung zwischen Berührungsflächen erfolgt, müssen sie lediglich gut definiert werden. Der große Aufnahmebereich des Verfahrens reduziert auch Beschränkungen bei der anfänglichen Konfiguration der Teile

Claims

1. Vorrichtung zum Ausrichten eines ersten Objektes (73) in Bezug auf ein zweites Objekt (72) umfassend:

leitfähige Elemente (14, 20) zum Erzeugen eines kapazitiven Feldes um das erste und zweite Objekt,

eine Einrichtung (11, 9) zum Ableiten eines Steuersignals aus der Kapazität, die zwischen den leitfähigen Elementen gemessen ist, und

eine Einrichtung (21) zum Positionieren des ersten Objektes gemäß dem Steuersignal,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Vorrichtung ferner enthält:

eine Einrichtung (75, 78) zum Richten eines Strahls auf eine erwünschte Position des ersten Objektes und die Einrichtung zum Ableiten eines Steuersignals ferner umfaßt eine Einrichtung (in 73) zum Modifizieren des Steuersignals gemäß dem Einfall des Strahls an dem ersten Objekt, um so die Wirkung des Steuersignals zu erhöhen, wenn das Objekt die erwünschte Position erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das erste Objekt (73) eine innere Kapazität eines Typs umfaßt der den Wert gemäß dem Einfall des Strahls so ändert, daß das Steuersignal durch die Wirkung der Änderung des Wertes der inneren Kapazität auf die zwischen den leitfähigen Elementen gemessene Kapazität modifiziert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

ferner dadurch gekennzeichnet,

daß das erste Objekt (73) eine fotoempfindliche Einrichtung mit einem Übergang ist und

der Strahl ein Lichtstrahl ist und

die innere Kapazität die Kapazität über dem Übergang ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Richten eines Strahls eine optische Faser (75) ist, die an dem zweiten Objekt (72) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner dadurch gekennzeichnet, daß das erste Objekt (73) eine Halbleiterlaserdiode ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner eine Einrichtung (21, 14) zum Montieren des ersten Objektes an dem zweiten Objekt umfaßt, wenn das erste Objekt die erwünschte Position erreicht.

7. Verfahren zum Ausrichten eines ersten Objekts (73) in Bezug auf ein zweites Objekt (72) durch Anordnen des ersten Objektes und des zweiten Objektes in einem kapazitiven Feld zwischen leitfähigen Elementen (14, 20), Ableiten eines Steuersignals (11, 9) von der zwischen den leitfähigen Elementen gemessenen Kapazität und Anordnen (21) des ersten Objektes gemäß dem Steuersignal,

gekennzeichnet durch

das Richten eines Strahls (78, 75) auf eine erwünschte Position an dem ersten Objekt und

Modifizieren des Steuersignals (in 73) gemäß dem Einfall des Strahls an dem ersten Objekt, um so die Wirkung des Steuersignals zu erhöhen, wenn das erste Objekt die erwünschte Position erreicht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Modifizierens das Bereitstellen einer inneren Kapazität in dem ersten Objekt umfaßt, wobei die innere Kapazität von einem Typ ist, der den Wert gemäß dem Einfall des Strahls so ändert, daß das Steuersignal durch die Wirkung der Anderung des Wertes der inneren Kapazität auf die zwischen den leitfähigen Elementen gemessene Kapazität modifiziert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, ferner gekennzeichnet durch das Montieren des ersten Objektes an dem zweiten Objekt nach dem Positionierungsschritt.