CN100518484C - 用于使电子元件在印刷电路板上快速对准和精确定位的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于使加工头相对元件平台定位的系统，该系统包括：一个机架；一个与机架相连接的加工头，该加工头可相对机架沿X和Y方向以可调的方式定位；一个与机架相连接的元件平台，该元件平台可相对机架沿X和Y方向以可调的方式定位；一个光学系统，该光学系统可定位在能够同时对加工头和元件平台进行观察的位置上。一种用于使加工头相对元件平台对位的方法，其中，加工头和元件平台均可单独沿X和Y方向以可调的方式进行定位，该方法包括下述步骤：当元件平台保持在一个固定位置上时，使加工头定位；接着，当加工头保持在一个固定位置上时，使元件平台定位，同时利用一个光学系统对加工头和元件平台的位置进行观察。

Description

用于使电子元件在印刷电路板上快速对准和精确定位的系统和方法

技术领域

本发明整体上涉及一种光学定位系统，具体而言，本发明涉及到用于将集成电路芯片安装到印刷电路板上或将集成电路芯片从印刷电路板上拆卸下来的气热焊接/脱焊系统。

背景技术

电子元件的制造一般涉及到将电子元件(例如集成电路)连接到印刷电路板上。这些集成电路首先定位于电路板上的所需位置上，然后通过气热焊接将其焊接到位。这种定位和焊接操作需要精确的控制，其原因至少在于下述这些方面。

集成电路芯片一般包括一组从芯片背后向下延伸的小球或焊柱和/或一组从芯片周边向下延伸的细小引线。这些小球、焊柱或引线必须分别精确定位，以能够安装在印刷电路板的接触区域内。随着高端集成电路技术的不断发展，有越来越多的小球/引线从连续的集成电路上伸出。因此，成矩阵状排列的两个连续的小球/引线之间的间距也越来越小。

如我们所知，随着矩阵组的小型化和复杂化发展，使集成电路芯片在印刷电路板上精确定位变得越来越困难。例如，在现在的集成电路芯片上，小球矩阵组可以小到1毫米²。这种小球矩阵组的“间距”(即，两个相邻焊球之间的距离)可以小到0.3毫米。这样，由于矩阵组中的单个焊球的尺寸非常小，因此将集成电路芯片精确定位在印刷电路板的所需位置上就需要一种能够对微动进行极其精确地控制的系统。

此外，当将集成电路焊接到位时，也需要精密控制。具体而言，最好在整个芯片的焊球矩阵组中保持温度均匀，以能够将所有成矩阵排列的焊球焊接到电路板的各个接触区域内。但是，有一点很重要：对印刷电路板上的所需元件进行的加热不能使该电路板上的相邻电子元件过度受热。具体而言，对相邻元件的过度加热将使相邻元件的焊料重新熔化，这样就可能导致某些小球或引线的脱开。

因此，就需要提供一种能够将面积很大的电路板的温度升高到一个恰好低于焊料熔点的温度下的系统。接着，进行局部加热，以将位于已定位电子元件下方的焊球或引线的温度升高至恰好低于焊料熔点的温度下。这种方法降低了芯片上的温度梯度，同时使相邻元件的温度保持低于焊料的熔点/重新熔化的温度。

现有的定位系统有两种基本类型。在第一种类型中，印刷电路板被保持在一个固定位置上，一个加工头(包括气热焊接头)自动定位在一个位于印刷电路板上方的最佳位置上。接着，将保持在加工头上的集成电路芯片(或其它电子元件)下放到电路板的合适位置上。

这些现有的自动定位系统的一个缺点在于：其顶置的定位系统(即，可移动的加工头组件)可能会很大且很笨重。这是由于加工头组件一般由多个通过小型电机提供动力的传动螺杆来驱动，而这些小型电机就安装在加工头上。由于体积巨大、笨重，因此这种顶置式定位系统就会具有很大的惯性，而且可能过度振动，这样就难以实现对准。

这些缺陷的至少部分原因在于：在这些系统中，电子元件相对印刷电路板的“粗调”定位和“微调”定位是通过使加工头在一个固定的电路板上方进行连续的“粗调”定位和“微调”定位而实现的。这种方法中存在的一个问题就在于：在进行对准之前，需要花费很多时间才能消除在加工头定位机构中产生的所有振动。此外，操作人员甚至还要触摸定位头，这样就会产生足以导致错位或延时问题发生的振动。

在第二种现有的系统中，定位的加工头保持在一个固定的位置上，而印刷电路板则在该加工头下方移动。该系统的一个缺陷在于：难以实现对电路板的均匀加热。这是因为：该系统的预热器设置在一个位于平台下方的固定位置上，而且该平台支承着可移动的印刷电路板。因此，在元件的定位过程中，当电路板平台来回移动时，不同的元件就会受到不同程度的预热，这样就使整个电路板上的温度不均匀。

该第二种系统的另一缺陷在于：体积庞大，而且笨重。这是因为：当使不同的元件定位时，支承着印刷电路板的元件平台需要在加工头下方移动很长的距离。这样，为将元件定位在电路板上就需要使印刷电路板在很大范围内滑动。

发明内容

在最佳的方面，本发明提供了用于使加工头相对元件平台定位的系统，该系统包括：一个机架；一个与该机架相连接的加工头，该加工头相对机架沿X和Y方向可调地定位；一个与机架相连接的元件平台，该元件平台可相对机架沿X和Y方向可调地定位；一个可同时对加工头和元件平台进行观察的光学系统。

可同时对加工头和元件平台进行观察的光学系统能够使加工头精确定位在位于元件平台上方的所需位置上。因此，该加工头可按照下述方式向下移动：使一个电子元件(被加工头所固定)定位在印刷电路板(被元件平台所固定)上的一个所需确切位置上。

根据本发明，上述的“元件平台”是指一种常规的电子“板架”或“滑动部件”。但是，应该理解本发明并非局限于此。电子元件平台还可以理解为包括所有形式的元件定位平台。

在本发明的一些优选结构中，加工头可以是一个气热焊接/脱焊工具，但还可以包括其它形式的元件定位头。在本发明的不同方面，元件平台最好包括一个印刷电路板架。但是，应该理解：本发明并非局限于此。也可以考虑其它可能的自动对准装置。例如，该工具可包括一个焊膏涂敷部件，一个粘接剂/焊膏分配系统，印刷头，或其它用于将固体、液体或凝胶体放置在一个表面上的系统。

在本发明的最佳结构中，加工头和元件平台可沿X和Y方向相对定位。如下所述，本发明的一个重要优点在于：无需使用小型步进式电机定位系统就能够使加工头相对元件平台(例如“板架”)沿X和Y方向的精确定位(即对准)。而且，通过对加工头和元件平台进行简单的人工控制就能够实现快速对准。

在优选结构中，加工头可沿X和Y方向滑动定位。在一种最佳结构中，第一对定位杆是指在机架的相对两侧上。此外，还设置有一对定位臂。这些定位臂可分别沿第一对定位杆之一定位在Y方向上。另外，还设置有第二对定位杆。第二对定位杆跨接在定位臂之间，从而使加工头能够沿该第二对定位杆在X方向上滑动定位。因此，通过使加工头沿第二对定位杆在上述定位臂之间左右移动并通过沿第一对定位杆往复移动定位臂，就能够对加工头沿X和Y方向的位置进行人工调节。应该理解：这种最佳的加工头定位系统仅是示例性的，而且在本发明的保护范围内，还可以考虑其它用于使加工头沿X和Y方向定位的合适系统。

而且，在一种最佳结构中，元件平台可通过手动旋转微调定位螺钉而移动，而且可沿X和Y方向手动定位。在优选结构中，加工头沿Z方向的移动可通过步进电机来实现。

在优选结构中，可通过手动而滑动的直线轴承(即，一个杆和轴承的组件)用于使加工头沿其定位杆移动并使定位臂沿其定位杆移动。但是，在本发明的保护范围内，也可以采用其它合适的定位系统。例如，本发明可以选择包括：利用由小型电机驱动的定位螺杆对加工头和定位臂进行定位。

类似地，尽管用于调整元件平台位置的机构包括：通过人工转动微调定位螺杆的方式实现人工移动元件平台，但是，本发明还可以选择性地包括：利用由小型电机驱动的定位螺杆为元件平台定位。

使加工头和元件平台分别定位的一个重要优点在于：首先可通过移动加工头的方式实现“粗调”对准，接着进行“微调”定位对准，接下来，移动元件平台。

在该最佳系统的操作过程中，“粗调”对准是通过移动加工头(同时元件平台保持静止不动)的方式而得以实现的。此后，通过移动元件平台(同时加工头保持静止不动)完成“微调”对准。通过移动元件平台实现“微调”对位的该系统在减小振动方面的效果尤其明显，具体如下所述。首先，将一个照相机连接到加工头上。这样，加工头的任何振动都将使图象产生振动。因此，通过在完成“粗调”对准后停止移动加工头，并通过避免在加工头上进行“微调”对位，就能够降低加工头振动的可能性。在优选的结构中，加工头沿Z方向的移动仅由小型步进式电机来实现，这样，当元件最终定位在元件平台上时，操作人员就不必通过手动操作为加工头定位。

其次，由于活动式元件平台较大，因此与较小的加工头相比，这种元件平台产生振动的可能性则更小。这样，由于元件平台的移动能够以更加容易的方式实现位置的“微调”，因此可以减小振动。在优选的结构中，元件平台可通过人工定位。能够通过人工操作使元件平台定位的一个优点在于简化了机构，这样就可以减小整个装置的体积和复杂程度。

应该理解：尽管本发明包括一个示例性的加工头自动定位系统和应该元件平台的手动定位系统，但本发明还可包括能够使加工头和元件平台全部自动定位的系统。

有利的是，加工头的宏观位置移动(即“粗调”)可以通过手工操作来完成。具体而言，对加工头位置的手动调节可通过使该加工头沿线性的“杆”轴承在X和Y方向上滑动而得以实现，具体如下所述。在优选方案中，操作人员可推动第一按钮，以释放加工头沿X方向(左右)的移动，接着沿X方向人工拖曳加工头。类似地，操作人员可以推动第二按钮，以释放定位臂的移动使得加工头沿Y方向(往复)移动，接着沿X方向人工拖曳加工头。这样，就使加工头首先沿X方向移动，然后沿Y方向移动，从而到达所需的位置。对加工头沿X和Y方向的手动移动进行分别操作有利于实现快速“粗调”对位。

此后，沿垂直方向定位的独立螺杆可用于沿X和Y方向对元件平台的位置进行“微调”。

根据本发明的一个优选方案，电子元件和元件平台之间的位置“粗调”(宏观调节)可通过首先移动加工头(同时使元件平台保持静止不动)的方式而得以实现。此后，可通过移动元件平台(同时加工头保持静止不动)的方式对电子元件及其元件平台之间的位置进行“微调”。

在顺序移动加工头和元件平台的过程中，最好能够利用一个光学系统对加工头和元件平台的位置同时进行观察。该光学系统可通过示出加工头相对元件平台的精确位置而具体表示出加工头和元件平台的对准情况。

在优选的方案中，该光学系统包括一个可移动的照相机和光束分裂器组件，该组件可按照下述方式滑动伸出：使光束分裂器能够直接定位在加工头和元件平台之间。该照相机可定位在能够通过可移动的光束分裂器同时观察加工头和元件平台的位置上。

本发明还提供一种用于使加工头相对元件平台定位的方法，其中，加工头和元件平台均与一个机架相连接，而且加工头和元件平台均可相对机架沿X和Y方向分别可调的方式定位，该方法包括：在元件平台保持在一个固定位置上时，使加工头定位；接着，在加工头保持在一个固定位置上时，使元件平台定位；利用一个光学系统对加工头和元件平台的位置同时进行观察。

在优选方案中，利用一个光学系统对加工头和元件平台的位置进行同时观察的步骤包括：将一个可移动的光束分裂器定位在加工头和元件平台之间；利用一个照相机透过光束分裂器进行观察。

本发明的一个重要优点在于：能够使集成电路芯片非常精确地定位在印刷电路板上的所需位置上。

集成电路芯片的定位可以非常迅速地完成，因为本发明的系统能够同时对集成电路芯片相对印刷电路板的精确位移进行观察。

本发明可通过同时移动用于固定电子元件的定位头和位于其下方的元件平台，而减少该装置装配电子元件所需的整体占地面积。

而且，本发明还通过使固定着电子元件的定位头和位于其下方的元件平台同时移动，而更加容易地实现元件的精确安装。

此外，本发明还通过对电子元件的移动和元件平台的移动进行同时观察，而有利于使这些元件快速、准确的对准。

附图说明

图1A为在元件安装之前光学系统处于缩回状态下的本发明之透视图；

图1B为在元件安装之前光学系统处于伸出状态下的本发明之透视图；

图1C为在安装元件时光学系统处于缩回状态下的本发明之透视图；

图2A为本发明的一个侧视图，该图与图1A相对应；

图2B为本发明的一个侧视图，该图与图1B相对应；

图2C为本发明的一个侧视图，该图与图1C相对应；

图3A为本发明的一个正视图，该图与图1A和1B相对应；

图3B为本发明的一个正视图，该图与图1C相对应。

对实施例的说明

现参照附图，本发明提供了一种用于将电子元件20定位在印刷电路板30或其它垫片或基片上的一个最佳(即目标)位置31上的对位系统10。元件20被一个由活动式加工头25向下延伸的真空管26保持在合适位置上。类似地，印刷电路板30被一个可移动的元件平台35保持在合适位置上。

对位系统10包括一个机架15，该机架上连接有加工头25和元件平台35。根据本发明，加工头25和元件平台34可分别沿X和Y方向定位。

在优选的方案中，真空管26可围绕其纵向轴线转动，从而能够使元件和电路板沿另一维空间对位(即，元件20在安装前能够转动到一个位于元件平台30上方的最佳位置上)。

电子元件20最好包括一个集成电路芯片，而且在该集成电路芯片的底侧或边缘上设置有一组球形焊料引线21。但是，应该知道：电子元件20并非局限于集成电路，相反，电子元件20可包括所有的电子元件或非电子元件。此外，加工头25最好包括一个气热焊接/脱焊加工头，但并非局限于此。加工头25还可包括所有的元件定位头或物质(例如，凝胶体/粘接剂)涂敷头。

根据本发明，电子元件20利用可缩回的光学系统40定位在印刷电路板30上的一个目标位置30上，具体如下所述。可缩回的光学系统40可在一个“推入”或“缩回”位置(如图1A和2A所示)和一个“拉出”或“伸出”位置(如图1B和2B所示)之间滑动。如图2B所示，可缩回的光学系统40最好包括一个内置照相机42和一个光束分裂器44(以点划线示出)。

在元件安装前，如图1B和2B所示，部件40被“拉出”。此时，照相机42通过光束分裂器42以下述方式看到一个图象：其同时观察到元件20上的引线21和印刷电路板30上的目标区域31。由于光学系统40已经“拉出”，因此，加工头25就可(沿X和Y方向)按照下述方式移动：使元件20大体定位在目标区域31的上方。这种移动包括“粗调”定位。

沿X和Y方向人工移动加工头25的操作可按照下述方式进行。加工头25沿杆27滑动定位。这样，加工头25就可以沿杆27在X方向上左右滑动定位。类似地，定位臂29可按照下述方式沿杆28滑动：使臂29能够沿Y方向滑动定位。加工头25沿X和Y方向的移动包括加工头25和目标区域31的“粗调”对位。如图1A所示，操作人员最好将按钮34推到能够使加工头25(沿杆27)移动的位置上，或者将按钮37推动到能够使定位臂29(沿杆28)移动的位置上。这样，操作人员可通过分别按下按钮34和37而使加工头25可单独沿X和Y方向定位(同时可防止沿其它方向移动)。本发明的这种可选特征还有利于元件的精确定位，因为该加工头能够以手动方式首先沿X方向定位，然后沿Y方向定位(反之亦然)。

在加工头25定位后，元件平台35(沿X和Y方向)按照下述方式移动：使印刷电路板30能够定位在与元件20精确对准的位置上。这种移动包括“微调”对位。在优选方案中，可手动调节的旋钮36和38可用来旋转定位螺杆，而定位螺杆可以移动元件平台35。例如，旋钮36可用于使元件平台35沿X方向移动，而旋钮38可用于使元件平台35沿Y方向移动。这些可通过旋钮36和38而转动的定位螺杆最好包括多个“微米级”调节螺杆。例如，在优选方案中，这些定位螺杆的螺距可在每英寸20至100转的范围内。在由本申请人提出的本发明的一个示例性实施例中，采用了一种螺距为每英寸48转的定位螺杆。这种微米级螺杆能够通过手动操作完成元件20和目标区域31沿X和Y方向的精确对位。在由本申请人提出的本发明的一个示例性实施例中，元件平台35的尺寸被设计成足以处理一个规格为8″×10″的印刷电路板30的结构形式。为实现精确对位，对于元件平台35而言，只需以小距离(具体而言，以正负1/4英寸的大小)移动印刷电路板30。

如上所述，如图2B所示，照相机42通过光束分裂器44拍摄图象，该图象同时示出了元件20和印刷电路板30的位置。在元件20已经与印刷电路板30上的目标区域31精确对准后，光学系统40就会缩回(即，“被推回”到图1A和2A所示的位置上)。此后，如图1C和2C所示，加工头25就会按照下述方式向下移动(即沿Z方向向下移动)：使元件20恰好定位在印刷电路板30的上方。在优选方案中，这种向下的移动可由多个能够沿Z方向精确移动的步进电机来控制。这样，对加工头25的精确下放就能够保证元件20定位在一个使其引线21恰好接触到印刷电路板30的合适高度位置上。

此时，加热器24(包围着真空管26)释放出热气，这种热气将对元件20进行加热，从而将其引线组21钎焊到印刷电路板30上的最佳目标位置31上。此外，热气还向上流过预热器37(设置在元件平台35的下方)，从而直接对印刷电路板30的下表面进行加热。通过利用预热器37对印刷电路板30的底侧进行加热从而实现对印刷电路板30进行加热的一个优点在于：可将该电路板加热到一个恰好低于焊料熔点的温度下。这样，仅需要将少量的热从元件20的上方通过加热器24作用于加工头25上就能够将电子元件20焊接到位。当没有通过设置在元件平台35下方的预热器37向上施加热量的情况下，就需要单独利用加工头25施加更多的热量。但，这样就会提供电路板的热振动，从而导致局部受热，最终使电路板卷曲。

Claims (16)

1、一种用于使加工头相对元件平台手动定位的系统，该系统包括：

一个机架；

一个与机架相连接的加工头，该加工头可相对所述机架沿X和Y方向以可手动粗调的方式定位；所述加工头还具有第一按钮，以释放加工头沿X方向的移动；所述加工头还具有第二按钮，以释放所述加工头沿Y方向的移动；

一个与所述机架相连接的元件平台，该元件平台可相对所述机架沿X和Y方向以可手动微调的方式定位；所述元件平台还具有第一定位螺杆，用于沿X方向移动所述元件平台，所述元件平台还具有第二定位螺杆，用于沿Y方向上移动所述元件平台；以及

一个光学系统，该光学系统可定位在能够同时对所述加工头和所述元件平台进行观察的位置上。

2、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述加工头包括一个焊接加工头。

3、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述加工头包括一个元件定位头。

4、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述加工头包括一个印刷头。

5、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述元件平台包括一个印刷电路板托架。

6、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述加工头包括一个脱焊加工头。

7、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述螺杆的螺距为每英寸20至100圈。

8、根据权利要求1的系统，还包括：

至少一个用于沿X方向移动所述加工头的定位杆；

至少一个用于沿Y方向移动所述加工头的定位杆。

9、根据权利要求1的系统，还包括：

一个与所述机架相连接的第一定位杆；

一个定位臂，该定位臂可沿所述第一定位杆滑动定位；以及

一个与所述定位臂相连接的第二定位杆，其中，所述加工头可沿所述第二定位杆滑动定位。

10、根据权利要求9的系统，其特征在于：所述定位臂可沿所述第一定位杆在Y方向上滑动定位，所述加工头可沿所述第二定位杆沿X方向滑动定位。

11、根据权利要求1的系统，还包括：

第一对定位杆，这对定位杆与机架的相对两侧相连接；

一对定位臂，这对定位臂可分别沿第一对定位杆之一滑动定位；以及

第二对定位杆，这对定位杆跨接在所述一对定位臂之间，其中所述加工头可沿该第二对定位杆滑动定位。

12、根据权利要求1的系统，其特征在于：所述光学系统包括：

一个照相机；以及

一个光束分裂器，该光束分裂器可移动到一个能够通过该光束分裂器使所述照相机同时观察到所述加工头和所述元件平台的位置上。

13、根据权利要求12的系统，其特征在于：所述光束分裂器可按照下述方式缩回：使其能够从一个介于所述加工头和所述元件平台之间的位置向远处移动，从而允许所述加工头移动到一个邻近所述元件平台的位置上。

14、根据权利要求1的系统，还包括：一个定位在所述元件平台上的印刷电路板。

15、一种用于使加工头相对元件平台手动定位的方法，其中，包括：

一个机架；

一个与机架相连接的加工头，该加工头可相对所述机架沿X和Y方向以可手动粗调的方式定位；所述加工头还具有第一按钮，以释放加工头沿X方向的移动；所述加工头还具有第二按钮，以释放所述加工头沿Y方向的移动；

一个与所述机架相连接的元件平台，该元件平台可相对所述机架沿X和Y方向以可手动微调的方式定位；所述元件平台还具有第一定位螺杆，用于沿X方向移动所述元件平台，所述元件平台还具有第二定位螺杆，用于沿Y方向上移动所述元件平台；其中，当所述元件平台保持在一个固定位置上时，使所述加工头定位；以及然后

当所述加工头保持在一个固定位置上时，使所述元件平台定位；

利用一个设置在所述加工头和所述元件平台之间的光学系统对所述加工头和所述元件平台的位置进行同时观察。

16、根据权利要求15的方法，其特征在于：利用一个设置在加工头和元件平台之间的光学系统对加工头和元件平台的位置进行同时观察的步骤包括：

将一个可移动的光束分裂器设置在加工头和元件平台之间；以及

利用一个照相机通过光束分裂器进行观察。

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