CN101385401A - 光学成像系统和模板印刷机的方法 - Google Patents

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Abstract

用于将焊膏沉积在电子基板上的模板印刷机包括框架和连接到框架上的模板。分配头连接到框架上，分配头和模板被配置为将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上。成像系统被配置为捕获电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间的图像。模板印刷机进一步包括连接至成像系统的控制器，控制器被配置为控制成像系统的运动以在成像系统在另一个方向运动之前捕获通常沿着第一轴(84)延伸的电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间(86)的图像。进一步公开了用于在基板上分配材料的方法。

Description

光学成像系统和模板印刷机的方法
技术领域
本发明涉及用于分配材料的设备和方法，更特别地，涉及用于最优地扫描在例如印刷电路板的电子基板的金属焊盘上分配的焊膏的设备和方法。
背景技术
在通常的表面贴装电路板制造操作中，使用模板印刷机将焊膏印刷到电路板上。通常，在焊膏可以沉积在其上的具有金属焊盘的图案或具有一些其他导电表面的电路板被自动进给到模板印刷机，并且被称为基准(fiducials)的电路板上的一个或多个小孔或标记被用于在焊膏印刷到电路板上之前恰当地校准电路板和模板或印刷机的丝网。在电路板被校准之后，将该板升至模板(或者在某些配置中，模板降至电路板)，焊膏被分配到模板上，刮片(或刮板)在模板上来回运动以将焊膏通过在模板上形成的缝隙(aperture)压到板上。
在一些现有的模板印刷机中，分配头将焊膏传递到第一和第二刮片之间，其中在印刷冲程中使用刮片之一来在模板上运动或滚动焊膏。第一和第二刮片用于交替将板在模板的缝隙上连续地通过焊膏的滚轴以印刷每个连续的电路板。刮片通常与模板具有预定的角度以对于焊膏向下施加压力来使焊膏通过模板的缝隙。
在焊膏沉积在电路板之后，在特定情况下为了检查焊膏在电路板的焊盘上的沉积的精度，应用成像系统来拍摄电路板和/或模板的区域的图像。成像系统的另一个应用涉及前述在印刷之前模板和电路板的校准，以记录模板与电路板的电子焊盘的开口。在Freeman的US专利号RE34615和5060063中公开了这样的成像系统，这两个专利都由本发明的受让人拥有。图1表示现有技术中的成像系统，通常由10指示，其可以位于印刷套(nest)(未显示)附近，或者连接至台架(gantry)(未显示)以使得成像系统在电路板12的模板14之间的印刷套上运动。不管成像系统的特定结构，成像系统10被设计为拍摄电路板12和/或模板14的预定区域的图像，用来例如检查电路板和/或模板，或者校准模板和电路板。
如图1所示，成像系统10包括具有透镜组18的电子相机16，两个照明装置20、22，两个分束器24、26以及另一个分束器28，其包括额外的镜面来将光线重新导向照相机16的透镜组18。为了捕获电路板12的预定区域的图像，操作照明装置20来生成光束，该光束反射离开分束器24朝向电路板。然后光被反射离开电路板12返回并通过分束器24至分束器28，然后分束器28反射光朝向透镜组18，最终至照相机16。然后照相机16捕获电路板12的图像。相似地，为了成像模板14的预定区域，使用照明装置22来生成光束，该光束反射离开另一个分束器26朝向模板。然后反射离开模板14的光被导回并通过分束器26至中间的分束器28，然后到透镜组18以及到照相机16来捕获图像。
通过典型的成像系统，系统10必须在区域上运动，停止以使得照相机16拍摄不模糊的图像，并且运动至下一个需要成像的区域。图2表示成像系统10的运动，其示意地表示成像系统随时间的速度。如图所示，通常成像系统完全停止(即，速度为0)以拍摄图像。当停止成像系统时，需要更多的时间来确保由成像系统台架的停止行动所引起的任何振动和摆动不会不利地影响照相机16拍摄的图像的质量。因此，例如，电路板的检查可能是相对费时的处理，因为通过成像系统停止和运动多次来将电路板的多个区域成像。然后将捕获的图像与模板的对应区域或由模板印刷机的控制器存储的区域比较来确定印刷的精度。结果，电路板的区域的顺序成像可能花费十分长的时间，因为成像系统必须在需要成像的区域上运动、停止来成像区域，然后运动到下一个需要成像的区域。
例如，图3表示需要成像的典型电路板12。如果恰当曝光有兴趣的区间的图像所需要的时间是大约30毫秒，并且将成像系统10运动到相邻的有兴趣的区间所需要的时间是大约100毫秒，那么采集之间的全部时间是大约130毫秒。成像系统10的图像采集速率率部分地受限于在照相机16的焦平面上正确曝光光感电子器件所需要的时间。曝光时间与照明装置产生的光的量、有兴趣的特征的相对亮度以及透镜组18的透镜孔径比或“f数”直接相关。绝大多数由于空间限制而相对小的照明装置仅能够产生相对低的光，因此需要更长的合成时间来获得正确的曝光。为了增加成像速度，已知在一些成像系统中采用两个照相机，一个照相机来成像模板，另一个照相机来成像电路板，因此缩短了用于校准或检测模板和电路板的图像之间的时间。然而，通过持续的努力来缩短在电路板组装的所有阶段的处理时间，对于需要更快的生产率的生产线来说即使提供两台照相机通常还是太慢。当前具有进一步缩短用于成像用于检测和/或校准的电路板和模板的时间的需要。
检查整个电路板的过长时间的另一个原因是对于检查系统来说由控制器生成的效率低的检查路径。图4表示由控制器选择(或者由操作者预编程至控制器之中)的对于图3的具有在金属焊盘上沉积的焊膏的电路板12的通常的检查路径。如图所示，检查路径涉及将电子器件分成若干群。如图3和4中的13指定了一个这样的群。通过将成像系统顺序地从一个器件运动到另一个器件来捕获有兴趣的每个区间，成像系统捕获每个群中电路板的图像。对于图3所示的电路板12，具有921个有兴趣的区间或位置，每个都需要图像。使用当前的检查技术，需要花费大约260秒来检查整个电路板。
发明内容
本发明的一个方面提供一种模板印刷机，用于在电子基板的多个焊盘上沉积焊膏。在某个实施例中，模板印刷机包括框架和连接到框架的模板。模板具有在其中形成的多个缝隙。分配头连接到框架上，分配头和模板被构造和布置为将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上。成像系统被构造和布置为捕获电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间的图像。模板印刷机进一步包括控制器，连接至成像系统，该控制器被构造和布置为控制成像系统的运动以在成像系统在另一个方向运动之前捕获通常沿着第一轴延伸的电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间的图像。
本发明的实施例可以提供在沿着第一轴捕获所有有兴趣的区间的图像之后，控制器进一步被构造和布置为控制成像系统的运动以捕获通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二轴延伸的有兴趣的区间的图像。成像系统被构造和布置为捕获在区域中的电子基板的焊盘上的焊膏的图像。在一个实施例中，成像系统包括至少一个照相机、至少一个透镜组、至少一个照明装置和至少一个光学路径，光学路径用于反射至少一个照明装置、模板和电子基板中的一个、至少一个透镜组以及至少一个照相机之间的光。。光学路径包括至少一个分束器和反射镜。在另一个实施例中，成像系统包括第一照相机、第一透镜组、第一照明装置以及第一光学路径，第一光学路径用于反射第一照明装置、电子基板、第一透镜组和第一照相机之间的光，以及第二照相机、第二透镜组、第二照明装置以及第二光学路径，第二光学路径用于反射第二照明装置、模板、第二透镜组和第二照相机之间的光。控制器进一步被构造和布置为控制成像系统的运动以同时捕获电子基板和模板的有兴趣的区间的图像。控制器进一步被构造和布置为控制成像系统的运动来捕获有兴趣的区间的图像，同时当从一个有兴趣的区间运动到下一个有兴趣的区间时保持大于零的最小速度。此外，控制器可以包括处理器，处理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。在另一个实施例中，模板印刷机进一步包括支撑组件，连接至框架，该支撑组件被用于将电子基板支撑在印刷位置。在另一个实施例中，模板印刷机进一步包括连接至成像系统和框架的台架系统，该台架系统被构造和布置为在控制器的指导下使成像系统运动。
本发明的另一个方面提供一种将焊膏分配到电子基板的电子焊盘上方法。在一个实施例中，该方法包括：将电子基板传送至模板印刷机；将电子基板定位在印刷位置上；将模板定位在电子基板上；执行印刷操作来将焊膏沉积到电子基板的焊盘上；通常沿着第一轴捕获电子基板和模板的一个的有兴趣的区间的图像；以及通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二轴捕获电子基板和模板的一个的有兴趣的区间的图像。
本方法的实施例提供使成像系统从一个有兴趣的区间向下一个有兴趣的区间运动的方法。本方法进一步包括当使成像系统从一个有兴趣的区间向下一个有兴趣的区间运动时保持大于零的最小速度。本方法还包括，在捕获电子基板和模板的一个的有兴趣的区间的图像之后，使成像系统在通常正交于第一轴的方向上运动。在另一个实施例中，本方法进一步包括组合所捕获的有兴趣的区间的图像。可以进一步执行至少一个区域的结构识别序列来确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
本发明的另一个方法提供一种模板印刷机，用于在电子基板的多个焊盘上沉积焊膏。该模板印刷机包括框架和连接至框架的模板。模板具有其中形成的多个缝隙。模板印刷机进一步包括分配头，连接到框架上，该分配头和模板被构造和布置为将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上。成像系统被构造和布置为捕获电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间的图像。模板印刷机还包括用于控制成像系统的运动来在使成像系统在通常正交于第一轴的方向上运动之前捕获通常沿着第一轴延伸的电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间的图像的装置。
模板印刷机的实施例包括提供包括连接至成像系统的控制器的用于控制成像系统的运动的装置。控制器被构造和布置为控制成像系统的运动以捕获通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二轴延伸的有兴趣的区间的图像。成像系统被构造和布置为捕获在区域中的电子基板的焊盘上的焊膏的图像。在一个实施例中，成像系统包括至少一个照相机、至少一个透镜组、至少一个照明装置和至少一个光学路径，光学路径用于反射至少一个照明装置、模板和电子基板中的一个、至少一个透镜组以及至少一个照相机之间的光。光学路径包括至少一个分束器和反射镜。在另一个实施例中，成像系统包括：第一照相机、第一透镜组、第一照明装置以及第一光学路径，第一光学路径用于反射第一照明装置、电子基板、第一透镜组和第一照相机之间的光，以及第二照相机、第二透镜组、第二照明装置以及第二光学路径，第二光学路径用于反射第二照明装置、模板、第二透镜组和第二照相机之间的光。控制器进一步被构造和布置为控制成像系统的运动以同时捕获电子基板和模板的有兴趣的区间的图像。控制器进一步被构造和布置为控制成像系统的运动来捕获有兴趣的区间的图像，同时当从一个有兴趣的区间运动到下一个有兴趣的区间时保持大于零的最小速度。此外，控制器包括处理器，处理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。在另一个实施例中，模板印刷机进一步包括连接至框架的支撑组件，该支撑组件被用于将电子基板支撑在印刷位置。在另一个实施例中，模板印刷机进一步包括连接至成像系统和框架的台架系统，该台架系统被构造和布置为在控制器的指导下使成像系统运动。
本发明的另一个方面提供一种模板印刷机，用于在电子基板的多个焊盘上沉积焊膏，所述模板印刷机包括框架和连接到框架的模板。模板具有其中形成的多个缝隙。支撑组件连接至框架，该支撑组件被用于将电子基板支撑在印刷位置。分配头连接到框架上，分配头和模板被构造和布置为将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上。成像系统被构造和布置为捕获电子基板和模板的至少一个的有兴趣的区间的图像。台架系统连接至成像系统和框架，该台架系统被构造和布置为使成像系统运动。在一个实施例中，模板印刷机进一步包括连接至成像系统和台架系统的控制器，该控制器被构造和布置为控制成像系统的运动以捕获通常沿第一方向的第一轴延伸的有兴趣的区间的图像，以及顺序地控制成像系统的运动以捕获通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二方向的第二轴延伸的有兴趣的区间的图像。
模板印刷机的实施例包括提供包括处理器的控制器，处理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。此外，控制器进一步被构造和布置为控制成像系统的运动以同时捕获电子基板和模板的有兴趣的区间的图像，还有控制成像系统的运动来捕获有兴趣的区间的图像，同时当从一个有兴趣的区间运动到下一个有兴趣的区间时保持大于零的最小速度。
附图说明
在附图中，相似的附图标记指的是不同视角的相同或相似的部分。附图不是必须缩放，重点放在表示下面讨论的特定原则。
图1是现有技术中成像系统的示意图；
图2是表示现有技术的成像系统的随时间的速度的图形；
图3是印刷电路板的顶视图；
图4是使用现有技术的方法的扫描路径的示意表示；
图5是本发明的实施例的模板印刷机的前视图；
图6是本发明的实施例的成像系统的示意图；
图7是图6所示的成像系统的照相机和透镜组的放大示意图；
图8是表示图6所示的成像系统的随时间的速度的图形表示；
图9是根据本发明的实施例产生的扫描路径的示意表示；
图10是将焊膏分配到本发明的实施例的电子基板的电子焊盘上的方法的流程图；
图11是用于执行本发明的实施例的结构识别方法的成像系统的示意图；
图12是基板的示意表示；以及
图13是具有沉积在基板上的焊膏的基板示意表示。
具体实施方式
为了示意的目的，将参考用于将焊膏印刷到电路板的模板印刷机来描述本发明的实施例。本领域的普通技术人员应该意识到本发明的实施例不用于限制将焊膏印刷到电路板上的模板印刷机，而使可以用于其他将电子器件连接至电路板上而需要各种材料的分配的应用中，这些材料例如的胶、密封剂、底层填料以及其他装配材料。因此，这里的焊膏的任意参考考虑使用这样的其他材料。而且，这里可替换地使用术语“丝网”和“模板”来描述印刷机中用于定义要被印刷到基板上的图案的装置。
图5表示根据本发明的实施例通常由30指示的模板印刷机的前视图。模板印刷机30包括框架32，用于支撑包括位于模板印刷机的机柜35的控制器34的模板印刷机的器件，模块36以及用于分配焊膏的分配头，通常由38指示。分配头38在控制器34的控制下沿着台架系统(未指出)的正交轴可运动以允许将焊膏印刷到电路板12上。
模板印刷机30也包括传送机系统，包括用于将电路板12传送至模板印刷机的印刷位置的轨道42、44。当电路板在分配位置时，模板印刷机30具有位于电路板12下面的支撑组件46(例如，销、凝胶膜等)。支撑组件46用于将电路板12升高远离轨道42、44来当要印刷时，将电路板接触或接近于模板36。
在一个实施例中，分配头38配置用于接收在打印操作中向分配头提供焊膏的至少一个焊膏盒48。在一个实施例中，焊膏盒48以通常和广泛获知的形式连接至气动空气软管的一端。气动空气软管的另一端在控制器34的控制下连接至模板印刷机30的框架32中包含的压缩机。压缩机提供加压的空气至盒48来将焊膏压入分配头38并至模板36上。也可以应用将焊膏分配到模板上的其他配置。例如，在另一个实施例中，除了或替代将焊膏从盒48压入分配头38的气压，还可以使用例如活塞的机械装置。在另一个实施例中，可以使用不加压的分配头。可以使用具有合适的操作系统(例如，微软DOS或视窗)以及专门应用软件来控制模板印刷机30的操作的个人计算机来实现控制器34。
如下操作模板印刷机30。将电路板12装载到模板印刷机30中并使用传送机轨道42、44将其传递至支撑组件46。然后将电路板12和模板36精确校准并且由支撑组件46升至印刷位置。然后在Z方向将分配头38降低直到接触模板36。分配头38在第一印刷冲程完全经过模板36来将焊膏压过模板36的缝隙并且压到电路板12上。一旦分配头38完全经过模板36，电路板12从印刷机30由传送机轨道42、44传送，使得第二、随后的电路板可以被载入到印刷机。为了在第二电路板上印刷，分配头38可以在第二印刷冲程与在第一电路板中使用的方向相反的方向运动经过模板36。
参考图5和6，本发明的实施例的成像系统通常以50指示。如图5所示，成像系统50被布置在模板36和电路板12之间。成像系统50连接至台架系统52，该台架系统52进一步连接至框架32，并且可以是用于运动分配头28的台架的部分或者是在模板印刷机30中独立提供的。用于运动成像系统50的台架系统52的结构在焊膏印刷领域是公知的。在某些实施例中，该布置是成像系统可以位于模板36下面和电路板12上的任意位置来分别捕获电路板或模板的预定区域的图像。在其他实施例中，成像系统可以位于模板和电路板的上面或下面。
如图6所示，成像系统50包括光学组件，包括两个摄像机54、56，通常由58、60指示的两个透镜组件，两个照明装置62、64，两个分束器66、68以及反射镜70。照相机54、56可以在结构上彼此相同。并且，在一个实施例中，每个照相机是那种可以从马萨诸塞州的剑桥市的Opteon公司以型号CHEAMDPCACELA010100购买的数字CCD照相机。下面将参考图7进一步描述照相机54、56。
在一个实施例中，照明装置62、64可以是一个或多个发光二极管(白光二极管)，其能够在各自的分束器66、68上生成强烈的光。照明装置62、64可以是由密歇根州的底特律市的Nichia公司以型号NSPW310BSB1B2/ST销售的类型。分束器66、68和具有0分束的双镜的反射镜70是现有技术中公知的。在其他实施例中，可以使用氙灯和卤素灯来生成需要的光。也可以使用光导纤维来将光从远程源传递到使用点。
分束器66、68被设计为反射由它们各自的照明装置62、64生成的部分光分别至电路板12和模板36，同时进一步允许由电路板和模板反射的部分光通过反射镜70。在照明装置62、64和它们各自的照相机54、56之间通过分束器66、68和反射镜70定义的光学路径对于本领域的普通技术人员来说是公知的。在一个实施例中，由分束器66、68和反射镜70创建的光学路径的构造实质上类似于美国专利第5060063号中公开的路径，除了反射镜70是全镜(fullmirror)(由于提供两个照相机54、56)并且不允许部分光通过。
参考图7，表示照相机54和透镜组58。如上所述，照相机56可以和照相机54在结构上相同。此外，透镜组60的结构可以和透镜组58的结构相同。由此，照相机54和透镜组58的下面的描述通常可以各自应用至照相机56和透镜组60。如图所示，透镜组58包括机壳72，布置在机壳72中的一对透镜74、76，以及布置在透镜74、76之间的光圈(未显示)。透镜74、76一起提供透镜组58的焦阑性能。集合的透镜组可以被称为“透镜”，在此特指焦阑透镜组58或60。布置使得从反射镜70反射的光被导向透镜组58。在透镜组58中，光通过第一透镜74、通过光圈、通过第二透镜76到达照相机54的光感区间上。在一个实施例中，照相机54的CCD读出器可以包括电子快门。部分由于焦阑透镜组58，照相机54被设计为观看全部预定的区域而不展示图像四周或附近的失真。
如图7所示，照相机54由机壳78支撑，其可以被螺纹地连接至透镜组58的机壳72上。透镜组58的机壳72和照相机54的机壳78是彼此轴向校准使得由线80以放射性形式指示的图像被正确导向照相机。
参考图6，布置使得当拍摄电路板12的图像时，照明装置62朝向各个分束器66生成强光。该光由分束器66反射至电路板12，并且然后反射回反射镜70。反射镜70将光导向捕获电路板12的预定区域的图像的照相机54。例如，该图像可以被电子存储或实时使用使得图像可以由控制器34处理和分析以检测故障焊料沉积或校准电路板13和模板36。
类似地，当拍摄模板36的图像时，照明装置64生成被导向至各个分束器68的光束。然后光被导向至模板36并通过分束器68反射回反射镜70。然后光被导向焦阑透镜组60和导向至照相机56上来捕获模板36的预定区域的图像。一旦被捕获，模板36的图像可以由控制器34分析用于检查目的(例如，检测在模板中堵塞的缝隙)，或者与电路板12的区域比较用于校准目的。下面将参考结构识别程序来更详细地描述成像系统50的检查性能。
通过如图6所示的配置，成像系统50能够从预定区域向预定区域运动，同时以大约105毫秒拍摄图像，大约100毫秒用于从一个预定区域将成像系统运动至另一个预定区域，大约5毫秒用于拍摄图像并且保持最小速度。基于实际的距离和采集之间经过的时间，更长更短的时间都是可能的。本发明的成像系统能够拍摄图像而没有显著的失真或模糊，同时维持至少1毫米每秒的最小速度。在一个实施例中，成像系统能够维持至少3毫米每秒的最小速度。在另一个实施例中，成像系统能够维持至少48毫米每秒的最小速度。在这种情况下，使用氙照明器来提供3.8微秒的曝光脉冲。虽然维持最小速度，成像系统50不能穿越模板36和/或电路板12超过等效于在照相机54和/或56的图像平面的1/4像点位移的距离。发现在曝光间隔过程中，成像系统50可以行进最多1/4像素在图像平面上的等效距离而还提供可接受的图像。
参考图8，在一个实施例中，当拍摄模板36或电路板12的图像时，成像系统50减速来捕获图像，但是总是维持最小的正速度。如图所示，当接近图像的预定区域时，成像系统50减速，通过开关等效于快门的电子装置来拍摄图像，并且加速至下一个预定区域。强光和减少的曝光时间的组合使得成像系统在图像捕获过程中维持最小的正速度。而且，由于成像系统50维持最小的速度而不停止，产生更少的波动和摆动，并且不需要增加的时间确保成像系统的波动值小于特定阈值。在一个实施例中，在成像系统在图像平面行进等效于小于的1/4像素的距离的时间过程中捕获图像。由此，本发明的成像系统使得模板印刷机30以比现有技术的成像系统少的多的时间来快速成像模板和/或电路板的预定区域。
现在参考图9，表示了由成像系统50在符合本发明的宗旨的控制器34的操作下执行的最优扫描路径。通过这个特定例子，图3所示的电路板12被扫描用于检查。然而，应该理解到可以扫描其他对象和装置，例如，模板，来替代电路板12，从最优扫描路径系统和本发明的方法受益。如图9所示，成像系统50在起始点82开始，沿着轴84以第一方向从起始点在电路板上行进，第一方向在示例实施例中是图9所示的从左到右。轴84有时称为“第一轴”。起始点82从邻近于电路板的顶部接近左上角开始。然而，电路板和/或模板的最优扫描的初始可以在被扫描的对象的任意点开始。随着成像系统行进，它沿着第一轴84捕获有兴趣的区间的图像。
返回参考图3，电路板由成百上千的电子器件组装。如上所述，这些器件连接至在电路板上提供的电子焊盘，并且焊膏被用于以上述方式沉积在焊盘上以确保器件在焊盘上。控制器34被配置用于识别板上焊盘的外周以定义要被拍摄的图像的边界。一旦定义了边界，控制器沿着第一轴84识别有兴趣的区间(例如，具有焊膏沉积的焊盘或多个焊盘)以捕获沿着第一轴提供的有兴趣的所有区域的图像。如图9所示，具有12个这样的有兴趣的区域，每个由86指示并沿着第一轴84提供。图9表示沿着水平或x轴行进的成像系统50，这通常在现有技术中被称为“主要”或“快速”轴运动。可以配置成像系统和台架系统使得垂直或y轴是“快速轴”运动，并且得到的扫描路径沿着垂直轴而不是水平轴捕获图像。然而，虽然在图9中被显示为直的和水平的，但是可以配置第一轴84使得它是非线性的和/或沿着与第一轴成一定角度的轴布置，还落入本发明的保护范围之内。而且，成像系统50的第一轴运动的长度可以比图9所示的运动的长度更短或更长。
一旦沿着第一轴84捕获了所有有兴趣的区间86，成像系统50通过台架系统52在控制器34的指导下进行沿着垂直或y轴方向88远离第一轴的正交运动。这个成像系统50的运动方向可以被称为“次要”或“慢速”轴运动。控制器34或模板印刷机30的操作者预定运动距离使得在有兴趣的邻近区间的图像之间没有空间，并且在不存在有兴趣的区间的区域以更高的速度转换来考虑(deliberate)空间。如图9所示，沿着第一轴84拍摄的有兴趣的区间86的下边缘可以比邻(在某些实施例中覆盖)有兴趣的相邻区间的上边缘。与使用第一轴84相似，可以配置第二轴运动使得第二轴为非线性和/或沿着与垂直轴成角度的轴布置。此外，根据有兴趣的区间的位置和成像系统50的性能，第二轴运动的长度可以比图9所示的运动长度更短或更长。详细地，如图9所示，一些第二轴运动不是垂直的，而是近似垂直的。在这样的例子中，第二轴运动也可以包括略微的主轴运动。
一旦在y轴方向运动，成像系统50在控制器34的指导下沿着第二轴90以与上述第一方向(例如，图9所示的右到左)相反的第二方向运动。与沿着第一轴84的有兴趣的区间的成像相似，控制器34识别有兴趣的区间，每个由92表示，沿着第二轴90来捕获每个有兴趣的区间的图像。如图所示，沿着第二轴90具有11个这样的有兴趣的区间92。
成像系统50在控制器34的指导下扫描电路板12的剩余表面。详细地，在垂直或y轴方向运动预定的距离之后，成像系统50在另一个第一方向的水平或x轴方向运动，并且沿着运动轴捕获有兴趣的区间的图像。一旦完成了沿着轴的成像，成像系统进行另一个垂直或y轴运动，并且沿着水平或x轴以第二方向运动。如图9清楚显示，继续这种模式的运动直到全部完成电路板的扫描。如图所示，电路板的整个表面并没有被全部扫描，仅仅那些需要检查的区域被扫描，例如检查沉积在电路板的金属焊盘的焊膏。扫描过程的结束点由94指示。对于电路板12，成像系统50在控制器34的指导下进行全部14个扫描通过并且捕获有兴趣的148个区间的图像。
成像系统50一旦将所有有兴趣的区间的图像获得作为由控制器34选择的或识别的图像，例如，图像可以被组装到一起，或者由控制器以逐件形式利用。控制器34可以执行在电路板上执行特定操作的检查分析。在某些实施例中，该分析可以包括检查在电路板的金属焊盘上沉积的焊膏的精度，或者执行下面将详细描述的结构识别分析。如上所述，成像系统50可以被配置以从有兴趣的一个区间运动到有兴趣的下一个区间，并且捕获有兴趣的区间的图像，同时维持最小的速度。最优扫描路径的提供和成像系统配置很大地增强了检查效率。
如上所述，前述最优扫描系统和方法可以被用于模板14或36以及电路板12。此外，可以配置模板印刷机30使得“快速”轴运动是在垂直或y轴方向而不是上述水平或x轴方向。
应用最优扫描路径系统和方法导致的效果是在检查图3所示的电路板12所需要的时间的显著的减少。如上所述，利用公知的模板印刷机的扫描方法导致识别和捕获有兴趣的921个区间的图像。使用这样的扫描方法，检查电路板需要的时间大约是260秒(超过4分钟)。参考图9，通过利用上述最优扫描路径技术，有兴趣的区间可以被减少到148个位置。由此，扫描电路板需要的时间被减少到大约19秒。成像系统获得最小速度同时扫描的能力也有助于减少扫描电路板的时间。
参考图10，通常由100指示将焊膏分配或沉积到例如电路板12的基板的电子焊盘上的方法。在102，例如，通过使用传送机轨道的传输系统将电路板传送至模板印刷机。在104，电路板被放置在模板印刷机内的支撑组件上。在106，通过以上述方式使用分配头来将焊膏沉积在电路板的焊盘上来在电路板上执行印刷操作。
一旦完成印刷，在108，成像系统沿着第一轴以第一方向运动来沿着第一轴捕获有兴趣的区间的图像(例如，由控制器可选地识别)。详细地，成像系统在控制器的指导下以上述方式从有兴趣的区间运动到有兴趣的区间。在沿着第一轴捕获所有有兴趣的区间的图像之后，成像系统远离第一轴正交移动预定距离。在110，然后成像系统沿着第二轴以与第一方向相反的第二方向运动来沿着第一轴捕获由控制器可选地识别的有兴趣的区间的图像。
在112，继续将成像系统在例如电路板或模板的需要成像的对象上来回运动的这个过程直到所有有兴趣的区间都被成像了。由于图像是累积的，控制器可以组合图像或者利用图像来检查成像的对象。在114，完成扫描过程。例如，在一个实施例中，可以检查每个有兴趣的区间以确保沉积的焊膏很好地位于电路板的金属焊盘上。可以通过执行结构识别序列来确定沉积在焊膏的特定焊盘上的焊膏的精度来增强这个特定的过程。在另一个实施例中，有兴趣的区间可以包括模板的缝隙，并且检查过程可以体现确定缝隙是否被焊膏堵塞。
在一个实施例中，成像系统50可以被用于执行结构识别方法，例如，在授予Prince的名为“METHOD AND APPRATUS FOR DETECTING SODERPASTE DEPOSITS ON SUBSTRATES”的美国专利第6738505号中公开的方法，其由本发明的受让人所有并且结合于此作为参考。还有授予Prince的名为“SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING DEFECTS IN PRINTEDSODER PASTE”的美国专利第6891967号延伸了美国专利第6738505的教导，其也由本发明的受让人所有并结合于此作为参考。详细地，这些专利教导了结构识别系统，用于确定焊膏是否被恰当地沉积在位于电路板上的预定区间，例如，铜接触焊盘。
参考图11，在一个实施例中，显示丝网印刷机30，用于检查具有沉积在其上的物质202的基板200。基板200可以体现为印刷电路板(例如，电路板12)、晶片或相似的平面，并且物质202可以体现为焊膏或其他粘性材料，例如胶、密封剂、底层填料以及其他适于将电子器件连接到印刷电路板或晶片的金属焊盘的组装材料。如图12和13所示，基板200具有有兴趣的区间204和接触区间206。例如，基板200进一步包括轨道(trace)208和孔(vias)210，其用于相互连接装配到基板上的器件。图12表示没有物质沉积在任何接触区间206的基板200。图13表示具有分布在接触区间206上的例如焊膏沉积的物质202的基板200，。在基板200上，接触区间206分布在指定的有兴趣的区间204。
图13表示焊膏沉积202和接触区间206的误校准。如图所示，每一个焊膏沉积202部分接触接触区间206之一。为了确保良好的电接触以及防止例如铜接触焊盘的相邻接触区间之间的桥接，焊膏沉积应该在特定的容差内与各个接触区间校准。在美国专利第6738505号和6891967号中公开的类型的结构识别方法检测在接触区间的误校准的焊膏沉积，并且结果通常提高基板的制造产量。
参考图11，在一个实施例中，用于焊膏结构识别的方法包括使用成像系统50来捕获具有沉积在其上的物质202的基板200的图像。成像系统50可以配置为发送实时模拟或数字信号212至恰当的数字通信端口或专用的帧接收器214。数字端口可以包括公知的USB、以太网或Firewire(IEEE 1394)的类型。实时信号212对应于其上沉积了物质的基板200的图像。一旦接收，该端口或帧接收器214创建可以显示在监视器218上的图像数据216。在一个实施例中，图像数据216被划分为预定数目的像素，每个像素具有从0到255灰阶的亮度值。在一个实施例中，信号212表示基板200和沉积在其上物质202的的实时图像信号。然而，在另一个实施例中，如果需要，图像被存储在本地存储器并且根据请求发送至控制器34。
该端口或帧接收器214电连接至包括处理器220的控制器34。处理器220计算物质202的图像216中的结构的统计变化。物质202的图像216中的结构变化的计算独立于基板200上的非物质背景特征的相对亮度，由此使得处理器220能够确定基板上物质的位置，并且比较物质的位置和期望的位置。在一个实施例中，如果期望的位置和物质202的实际位置之间的比较出现超过预定阈值的误校准，处理器220反应为自适应的手段来减小或消除误差，并且可以通过控制器34触发告警或弹出基板。控制器34电连接至模板印刷机30的驱动马达222来帮助模板36和基板200的校准以及涉及印刷过程的其他动作。
控制器34是控制循环224的部分，控制循环224包括模板印刷机30的驱动马达222、成像系统50、帧接收器214以及处理器220。如果物质202与接触区间206误校准，控制器34发送信号来调整模板36的校准。
在操作过程中，当在基板上沉积物质时，沉积的物质的图像被捕获。在一个实施例中，物质是焊膏，基板是印刷电路板。具有物质的基板的图像可以被实时捕获或者从控制器的存储器提取。图像被发送到控制器的处理器，其中检测图像中的结构变化。这些结构变化用于确定基板上物质的位置。处理器被编程来比较物质的特定位置和基板的预定位置。如果变化在预定界限内，处理器可以反应为自适应的手段来细化处理。如果变化在预定界限之外，可以应用恰当的恢复手段，例如弹出基板、终止过程或触发告警。如果检测到故障，控制器被编程以执行这些功能的一个或多个。
因此，应该注意的是本发明的成像系统50特别适于敏锐地捕获执行结构识别方法所需的聚焦的或不模糊的图像，同时提供有效的实时闭环控制，因为成像系统能够快速地成像感兴趣的区间(预定区域)使得数据可以被快速分析。
在一个实施例中，模板和/或电路板可以相对于照相机运动以分别拍摄模板和电路板的图像。例如，模板可以远离印刷套平移(translate)并且在静止的照相机的上面或下面运动。相似地，电路板可以穿梭往复地远离印刷套并且在照相机上面或下面运动。然后照相机可以以上述方式拍摄模板和/或电路板的图像，同时电路板和/或模板保持最小速度。
在另一个实施例中，成像系统可以应用于设计用于在例如印刷电路板的基板上分配例如焊膏、胶、密封剂、底层填料以及其他组装材料的粘性或半粘性材料的分配头。这样的分配头是Speedline技术公司销售的、商标为
Figure A200780005628D00221
的类型。
本发明提供的改进的光学扫描效率、机械稳定性以及并行操作将获得电子基板和模板所需要的时间减小为小于使用现有成像系统和方法所需要的时间的十分之一。例如，起停方法需要延时来允许在捕获有兴趣的区间的图像之前使任何残余振荡消散。而且，效率低的扫描路径进一步增加扫描对象需要的时间。本发明的实施例的系统和方法显著地减少捕获图像需要的时间，同时维持捕获的图像的质量。
虽然参考本发明的特定实施例来显示和描述本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解到可以在形式和细节上进行各种改变而不偏离仅由权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (33)

1.一种模板印刷机，用于在电子基板的多个焊盘上沉积焊膏，所述模板印刷机包括:
框架；
模板，连接到框架，该模板具有在其中形成的多个缝隙；
分配头，连接到框架上，该分配头和模板被构造和布置来将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上；
成像系统，被构造和布置来捕获电子基板和模板中的至少一个的有兴趣的区间的图像；以及
控制器，连接至成像系统，该控制器被构造和布置来控制成像系统的运动以在成像系统在另一个方向上运动之前捕获通常沿着第一轴延伸的电子基板和模板中的至少一个的有兴趣的区间的图像。
2.根据权利要求1所述的模板印刷机，其中，在沿着第一轴捕获所有有兴趣的区间的图像之后，控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二轴延伸的有兴趣的区间的图像。
3.根据权利要求1所述的模板印刷机，其中成像系统被构造和布置来捕获在区域中的电子基板的焊盘上的焊膏的图像。
4.根据权利要求1所述的模板印刷机，其中成像系统包括至少一个照相机、至少一个透镜组、至少一个照明装置和至少一个光学路径，光学路径用于反射在所述至少一个照明装置、所述模板和所述电子基板中的一个、所述至少一个透镜组以及所述至少一个照相机之间的光。
5.根据权利要求4所述的模板印刷机，其中光学路径包括至少一个分束器和镜子。
6.根据权利要求1所述的模板印刷机，其中成像系统包括:
第一照相机、第一透镜组、第一照明装置以及第一光学路径，第一光学路径用于反射在第一照明装置、电子基板、第一透镜组和第一照相机之间的光，以及
第二照相机、第二透镜组、第二照明装置以及第二光学路径，第二光学路径用于反射在第二照明装置、模板、第二透镜组和第二照相机之间的光。
7.根据权利要求6所述的模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以同时捕获电子基板和模板的有兴趣的区间的图像。
8.根据权利要求1所述的模板印刷机，其中控制器包括处理器，处理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
9.根据权利要求1所述的模板印刷机，进一步包括连接至框架的支撑组件，该支撑组件被用于将电子基板支撑在印刷位置。
10.根据权利要求1所述的模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获有兴趣的区间的图像，同时当从一个有兴趣的区间运动到下一个有兴趣的区间时保持大于零的最小速度。
11.根据权利要求1所述的模板印刷机，进一步包括连接至成像系统和框架的台架系统，该台架系统被构造和布置来在控制器的指导下使成像系统运动。
12.一种将焊膏分配到电子基板的电子焊盘上的方法，包括:
将电子基板传送至模板印刷机；
将电子基板定位在印刷位置上；
将模板定位在电子基板上；
执行印刷操作来将焊膏沉积到电子基板的焊盘上；
通常沿着第一轴捕获电子基板和模板中的一个的有兴趣的区间的图像；以及
通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二轴捕获电子基板和模板中的一个的有兴趣的区间的图像。
13.根据权利要求12所述的方法，其中沿着第一和第二轴捕获电子基板和模板中的一个的有兴趣的区间的图像包括使成像系统从一个有兴趣的区间向下一个有兴趣的区间运动。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括当使成像系统从一个有兴趣的区间向下一个有兴趣的区间运动时保持大于零的最小速度。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包括，在捕获电子基板和模板中的一个的有兴趣的区间的图像之后，使成像系统在通常正交于第一轴的方向上运动。
16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括组合所捕获的有兴趣的区间的图像。
17.根据权利要求12所述的方法，进一步包括执行至少一个区域的结构识别序列来确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
18.一种模板印刷机，用于在电子基板的多个焊盘上沉积焊膏，所述模板印刷机包括:
框架；
模板，连接到框架，该模板具有在其中形成的多个缝隙；
分配头，连接到框架上，该分配头和模板被构造和布置来将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上；
成像系统，被构造和布置来捕获电子基板和模板中的至少一个的有兴趣的区间的图像；以及
用于控制成像系统的运动来在使成像系统在通常正交于第一轴的方向上运动之前捕获通常沿着第一轴延伸的电子基板和模板中的至少一个的有兴趣的区间的图像的装置。
19.根据权利要求18所述的模板印刷机，其中用于控制成像系统的运动的装置包括连接至成像系统的控制器。
20.根据权利要求19所述的模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的第二轴延伸的有兴趣的区间的图像。
21.根据权利要求19所述的模板印刷机，其中成像系统被构造和布置来捕获在区域中的电子基板的焊盘上的焊膏的图像。
22.根据权利要求19所述的模板印刷机，其中成像系统包括至少一个照相机、至少一个透镜组、至少一个照明装置和至少一个光学路径，光学路径用于反射在所述至少一个照明装置、所述模板和所述电子基板中的一个、所述至少一个透镜组以及所述至少一个照相机之间的光。
23.根据权利要求22所述的模板印刷机，其中光学路径包括至少一个分束器和反射镜。
24.根据权利要求19所述的模板印刷机，其中成像系统包括:
第一照相机、第一透镜组、第一照明装置以及第一光学路径，第一光学路径用于反射在第一照明装置、电子基板、第一透镜组和第一照相机之间的光，以及
第二照相机、第二透镜组、第二照明装置以及第二光学路径，第二光学路径用于反射在第二照明装置、模板、第二透镜组和第二照相机之间的光。
25.根据权利要求24所述的模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以同时捕获电子基板和模板的有兴趣的区间的图像。
26.根据权利要求19所述的模板印刷机，其中控制器包括处理器，处理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
27.根据权利要求19所述的模板印刷机，进一步包括连接至框架的支撑组件，该支撑组件被用于将电子基板支撑在印刷位置。
28.根据权利要求19所述的模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获有兴趣的区间的图像，同时当从一个有兴趣的区间运动到下一个有兴趣的区间时保持大于零的最小速度。
29.根据权利要求19所述的模板印刷机，进一步包括连接至成像系统和框架的台架系统，该台架系统被构造和布置来在控制器的指导下使成像系统运动。
30.一种模板印刷机，用于在电子基板的多个焊盘上沉积焊膏，所述模板印刷机包括:
框架；
模板，连接到框架，该模板具有在其中形成的多个缝隙；
支撑组件，连接至框架，该支撑组件被用于将电子基板支撑在印刷位置；
分配头，连接到框架上，该分配头和模板被构造和布置来将焊膏沉积在电子基板的多个焊盘上；
成像系统，被构造和布置来捕获电子基板和模板中的至少一个的有兴趣的区间的图像；
台架系统，连接至成像系统和框架，该台架系统被构造和布置来使成像系统运动；以及
控制器，连接至成像系统和台架系统，该控制器被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获通常沿在第一方向上的第一轴延伸的有兴趣的区间的图像，以及顺序地控制成像系统的运动以捕获通常沿着与第一轴平行并距第一轴一定距离的在第二方向上的第二轴延伸的有兴趣的区间的图像。
31.根据权利要求30所述的模板印刷机，其中控制器包括处理器，处理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定在电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
32.根据权利要求30所述模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以同时捕获电子基板和模板的有兴趣的区间的图像。
33.根据权利要求30所述的模板印刷机，其中控制器进一步被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获有兴趣的区间的图像，同时当从一个有兴趣的区间运动到下一个有兴趣的区间时保持大于零的最小速度。
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