CN111308624B - 用于多路单模cob模块的透镜耦合方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于多路单模COB模块透镜耦合方法，包括：将透镜依次上料，夹取透镜；将透镜移动至PCB的透镜耦合位置，通过同一路的发光元件和接收元件进行光功率耦合；耦合后将透镜移开，对PCB上的透镜耦合位置点胶；将透镜重新移回PCB的透镜耦合位置，再次进行同一路的光功率耦合；对耦合后的透镜进行固化；准备夹取下一个上料的透镜，重复上述步骤。本发明采用了透镜在PCB面板上两次耦合的方式，在点胶前完成并确定透镜的耦合状态，然后移开透镜并在耦合位置点胶后，再次将透镜复位后重新进行第二次耦合，最终确认透镜的耦合情况，减小了点胶过程对透镜耦合精度产生的影响，因而提高了透镜的耦合精度和封装质量。

Description

用于多路单模COB模块的透镜耦合方法及设备

技术领域

本发明涉及COB技术领域，特别涉及一种用于多路单模COB模块的透镜耦合方法及设备。

背景技术

COB(Chip-on-Board)，又称为芯片直接贴装技术，是指将裸芯片等直接粘贴在印刷电路板PCB上，然后进行引线键合，再用有机胶将芯片和引线封装保护的工艺。相比于传统工艺，COB具有如下优势：消除了对引线键合连接的要求，增加了连接密度，产品性能更加稳定可靠；消除了芯片与应用电路板之间的链接管脚，提高了产品的集成度；可以在PCB双面进行绑定贴装，相应减小了应用模块的体积，扩大了COB模块的应用空间；更强的易用性、更简化的产品工艺流程以及更低的成本。

一种包含透镜的多路单模COB模块，在PCB板上设置数个微型透镜的封装位置，将透镜依次上料后，通过COB模块的功率耦合与均衡确认透镜的位置和耦合精度，之后再进行点胶固化，完成透镜的耦合封装过程。因此，透镜耦合的精度和点胶固化的质量显著地影响COB模块的封装质量。同时，PCB板上透镜的封装位置较多，且透镜为尺寸较小的微型透镜，使得透镜的储料、上料以及耦合过程更加精密复杂化，而采用常规的设备难以满足上述COB模块的封装工艺要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于多路单模COB模块的透镜耦合封装方案，适用于微型化、精密化的透镜耦合封装作业，耦合精度和封装质量相对于现有技术有明显提高。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，包括：

步骤一，将透镜依次上料，夹取所述透镜；

步骤二，将所述透镜移动至PCB的透镜耦合位置，通过同一路的发光元件和接收元件进行光功率耦合；

步骤三，耦合后将所述透镜移开，对所述PCB上的透镜耦合位置点胶；

步骤四，将所述透镜重新移回所述PCB的透镜耦合位置，再次进行同一路的光功率耦合；

步骤五，对耦合后的所述透镜进行固化；

步骤六，准备夹取下一个上料的所述透镜，重复步骤一至步骤五。

其中，所述透镜为微型的透镜，步骤一中将所述透镜并排堆叠放置，依次进行上料，并从上料口夹取。

其中，所述PCB的面板上设置多个所述发光元件、所述接收元件和所述透镜，所述发光元件、所述接收元件和所述透镜分别并排设置，同一路的所述发光元件、所述接收元件和所述透镜均共线，且所述透镜位于所述发光元件与所述接收元件之间，步骤六中准备夹取下一个上料的所述透镜时，所述PCB平移一段距离，使所述PCB面板上的下一个透镜耦合位置移动至前一个透镜的耦合位置。

其中，步骤三中将所述透镜竖直向上抬升后，进行所述PCB的透镜耦合位置点胶。

其中，步骤一中的所述透镜上料和夹取时、以及步骤二至步骤五中所述透镜在PCB上的耦合封装过程均在视觉定位和图像监控下进行。

本发明还提供了一种用于多路单模COB模块的透镜耦合设备，包括透镜上料组件、透镜夹具组件、PCB夹持组件、点胶模块、固化模块和视觉检测模块；所述透镜上料组件内预装有多个透镜，依次将所述透镜上料，所述透镜夹具组件将所述透镜上料组件上料的透镜夹取并移动至PCB上对应的封装位置，与所述PCB上的发光元件和接收元件耦合，所述PCB被所述PCB夹持组件夹持固定，所述点胶模块对耦合后的所述透镜点胶，所述固化模块将点胶后的所述透镜固化，所述视觉检测模块用于视觉检测所述透镜上料和耦合过程。

其中，所述透镜由方形部分和从所述方形部分沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分组成；所述透镜上料组件主要由装料盒和拨料结构组成，所述装料盒的一侧成型有装载透镜的装料槽，所述透镜并排放置于所述装料槽内，并被所述装料盒上设置的限位结构限制在所述装料槽中而防止从所述装料槽的侧面跑出，所述拨料结构包括拨料块和驱动所述拨料块移动的拨料块驱动部，所述拨料块插入所述装料槽中，将所述透镜依次从所述装料盒的顶端拨出，所述装料槽的底部还成型有一内槽，当所述透镜放置在所述装料槽中时，所述镜面部分悬空于所述内槽中。

其中，所述透镜夹具组件包括设置在支架上的多维运动平台和设置在所述多维运动平台上的透镜夹具；所述透镜夹具包括一伺服电机，所述伺服电机的第一端设置有相互平行的两条导轨槽，每条所述导轨槽内均设置有一滑块，所述滑块上固定设置一控制块，每块所述控制块的外侧固定设置一透镜夹爪，所述伺服电机的转轴上套设有一凸轮，所述凸轮的两侧分别与两块所述控制块的内侧相接触，所述凸轮位于每块所述控制块的外侧和内侧之间，旋转时驱动两个所述控制块相向运动，形成两个所述透镜夹爪的夹紧动作；所述透镜夹爪的底端设置为长条形，与所述透镜的方形部分相对应，所述透镜夹爪的下表面成型有内凹的圆弧面，当夹取所述透镜时，所述圆弧面不会触碰所述透镜的镜面部分。

其中，所述PCB夹持组件包括PCB夹具、依次设置在所述PCB夹具底端的绕Y轴手动调整台和绕X轴手动调整台、以及设置在所述绕X轴手动调整台底端的前后自动调整台，使得所述PCB夹具具有绕Y轴、绕X轴的旋转自由度、以及前后调整的平移自由度。

其中，所述视觉检测模块包括沿X轴方向设置的透镜右视相机、沿Y轴方向设置的透镜后视相机、沿Z轴方向设置的PCB俯视相机和沿Y轴方向设置的PCB后视相机，所述透镜右视相机和所述透镜后视相机对准所述透镜上料组件的上料位置，所述PCB俯视相机和所述PCB后视相机对准所述PCB位置。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明采用了透镜在PCB面板上两次耦合的方式，其中第一次为预耦合，在点胶前完成并确定透镜的耦合状态，然后移开透镜并在耦合位置点胶后，再次将透镜复位后重新进行第二次耦合，最终确认透镜的耦合情况，将其固化封装，和只进行一次耦合的方式相比，本方法的透镜点胶前进行预耦合、点胶后再次耦合的方式减小了点胶过程对透镜耦合精度产生的影响，因而提高了透镜的耦合精度和封装质量；

本发明的透镜耦合设备，透镜通过自动上料，被透镜夹取组件依次装夹至PCB板面上，逐个进行自动耦合、点胶和固化，完成PCB的透镜耦合封装工艺，各组件结构设计合理，衔接配合紧凑，有效地提升了透镜耦合的效率、精度和封装质量；

本发明的透镜耦合设备设置有视觉定位模块、能图像化地检测透镜上料、夹取和耦合的过程，防止透镜被夹偏，或者在耦合过程中触碰芯片、器件等导致镜面损坏，提高了耦合封装可靠性。

附图说明

图1为本发明的耦合方法流程图；

图2为本发明的PCB面板元件示意图；

图3为本发明的设备结构示意图；

图4为本发明的透镜上料组件结构示意图；

图5为本发明的装料盒结构细节示意图；

图6为本发明的透镜夹具组件结构示意图；

图7为本发明的透镜夹具前端细节示意图；

图8为本发明的透镜夹爪夹持透镜示意图；

图9为本发明PCB夹持组件结构示意图；

图10为本发明的视觉检测模块设置位置示意图。

【附图标记说明】

1-透镜；1a-方形部分；1b-镜面部分；2-透镜上料组件；21-装料盒；22-装料槽；23-拨料块；24-拨料块驱动部；25-内槽；26-限位结构；3-透镜夹具组件；31-X轴运动平台；32-Y轴运动平台；33-Z轴运动平台；34-绕Z轴旋转平台；35-绕Y轴旋转平台；36-连接臂；37-伺服电机；38-导轨槽；39-滑块；310-控制块；311-透镜夹爪；312-凸轮；313-压力传感器；4-PCB夹持组件；41-PCB夹具；42-绕Y轴手动调整台；43-绕X轴手动调整台；44-前后自动调整台；5-点胶模块；6-固化模块；61-固化导轨；7-视觉检测模块；71-透镜右视相机；72-透镜后视相机；73-PCB俯视相机；74-PCB后视相机；8-PCB；8a-发光元件；8b-接收元件；9-支架。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

本发明的实施例1提供了一种用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，步骤流程请参阅图1，具体为：

步骤一，由上料机构将透镜1依次上料，通过夹具夹取上料的透镜1；

步骤二，将透镜1移动至PCB8面板上的透镜1耦合位置，同一路的发光元件8a和接收元件8b在通电后进行光功率耦合；

步骤三，耦合后将透镜1移开一段距离，让出PCB8上的透镜1耦合位置并对此处点胶；

步骤四，将透镜1重新移回PCB8的透镜1耦合位置，再次进行同一路的光功率耦合；

步骤五，对耦合后的透镜1进行固化；

步骤六，夹具准备夹取下一个上料的透镜1，重复步骤一至步骤五，对PCB8面板上的下一个透镜1耦合位置进行耦合封装。

相对于传统的PCB透镜耦合方法，本发明采用了透镜1在PCB8面板上两次耦合的方式，其中第一次相当于预耦合，在点胶前完成并确定透镜1的耦合状态，然后移开透镜1并在耦合位置点胶后，再次将透镜1复位后重新进行第二次耦合，最终确认透镜1的耦合情况，将其固化封装。和只进行一次耦合的方式相比，本方法的透镜1点胶前进行预耦合、点胶后再次耦合的方式减小了点胶过程对透镜1耦合精度产生的影响，因而提高了透镜1的耦合精度和封装质量。

其中，透镜1为微型的透镜，尺寸小于1mm，步骤一中将透镜1并排堆叠放置，依次向上推送进行上料，夹具从上料口夹取透镜1。

如图2所示，在本实施例中PCB8的面板上设置数量相等的多个发光元件8a、接收元件8b和透镜1，发光元件8a、接收元件8b和透镜1分别并排设置，同一路的发光元件8a、接收元件8b和透镜1均共线，且透镜1位于发光元件8a与接收元件8b之间。其中，发光元件8a是发光芯片，接收元件8b是光纤接收端，光纤接入光功率计，耦合的时候通过调整透镜1位置和倾角使发光芯片发出的激光聚焦进入光纤，光功率计检测的功率满足一定范围要求，表明透镜1的耦合精度达标。在步骤六中准备夹取下一个上料的透镜1时，驱动PCB8平移一小段距离，使PCB8面板上的下一个透镜1耦合位置移动至前一个透镜1耦合位置，因此夹具夹持透镜1搬运与耦合、以及点胶固化的路径均无需发生变化，从而简化了耦合运动控制，提高了耦合效率和精度。

进一步地，步骤三中将透镜1竖直抬升，再进行PCB8的透镜1耦合位置点胶，即夹具夹持透镜1完成预耦合后，进行沿Z轴向上的平移动作，将透镜1移开透镜1耦合位置一段距离，通过单向的平移动作，不仅简化了抬升控制，而且同样便于复位移动的控制，保证透镜1进行第二次耦合时夹具无需进行过多调整。

优选地，步骤一中的透镜1上料和夹取时，以及步骤二至步骤五中透镜1在PCB8上的耦合封装过程、包括预耦合、第二次耦合、点胶固化等过程均在视觉定位和图像监控下进行，可在透镜被夹取后检测角度、防止被夹偏，也可在透镜耦合时防止其触碰PCB上的其它元件。

实施例2：

如图3所示，本发明的实施例2提供了一种用于多路单模COB模块的透镜耦合设备，包括透镜上料组件2、透镜夹具组件3、PCB夹持组件4、点胶模块5、固化模块6和视觉检测模块7；透镜上料组件3内预装有多个透镜1，在耦合封装流程中将透镜1依次上料，透镜夹具组件3将上料的透镜1依次夹取并移动至PCB8上对应的封装位置，并由透镜夹具组件3的耦合动作与PCB8上的发光元件8a和接收元件8b耦合，通过光功率检测确认耦合精度。其中，PCB8被PCB夹持组件4夹持固定，当PCB8上的透镜1耦合到位后，点胶模块5对透镜1进行点胶，然后固化模块6将点胶后的透镜1固化，完成PCB8上的透镜1耦合工序。设备还设置有视觉检测模块7，通过视觉检测确认透镜上料组件2上料后、透镜夹具组件3夹取透镜1的状态、以及透镜夹具组件3夹持透镜1在PCB8处的耦合状态。

如图8所示，在本实施例中透镜1由方形部分1a和从方形部分1a沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分1b组成。同时如图4、图5所示，透镜上料组件2主要由装料盒21和拨料结构组成。具体地，装料盒21的一侧成型有装载透镜1的装料槽22，微型透镜1(直径小于1mm)并排地码垛在装料槽22内，并被装料盒21上设置的限位结构26限制在装料槽22中而防止装料盒21在竖放时从侧面跑出。拨料结构包括拨料块23和驱动拨料块23移动的拨料块驱动部24，拨料块23插入装料槽22的底端，将透镜1向装料槽22的顶端拨动，使透镜1依次从装料盒21的顶端移出，并被透镜夹具组件3逐个夹取、移动至对应的封装位置进行耦合。相适配地，在装料槽22的底部还设置一内槽25，当透镜1放置在装料槽22中时，透镜1的镜面部分1b悬空于内槽24中，而不与内槽24的底端或侧壁接触，使得透镜的镜面部分1b在上料过程中不会发生摩擦损坏。

进一步如图6所示，透镜夹具组件3包括设置在支架9上的多维运动平台和设置在多维运动平台上的透镜夹具。在本实施例中，多维运动平台具有五维的运动自由度，包括设置在支架上的X轴运动平台31、设置在X轴运动平台31上的Y轴运动平台32、设置在Y轴运动平台32上的Z轴运动平台33、设置在Z轴运动平台33上的绕Z轴旋转平台34、以及设置在绕Z轴旋转平台34上的绕Y轴旋转平台35，透镜夹具通过一连接臂36与绕Y轴旋转平台35连接，因此透镜夹具具有沿X轴、沿Y轴和沿Z轴的平移自由度，以及绕Z轴、绕Y轴的旋转自由度，提升了透镜夹具的灵活性以及耦合精度。当透镜1预耦合完成后，通过Z轴运动平台带动透镜夹具竖直上移，再进行PCB8的透镜1耦合位置点胶。另外，在连接臂36上设置有一压力传感器313，由压力传感器313检测透镜1与PCB8的接触情况，防止发生碰撞。

如图7所示，透镜夹具包括一伺服电机37，伺服电机37的外壳第一端设置有相互平行的两条导轨槽38，每条导轨槽38内均设置有一滑块39，滑块39上固定设置一控制块310，每个控制块310的外侧固定设置一透镜夹爪311，两个控制块310相对于伺服电机37的转轴旋转对称。同时，转轴上套设有一凸轮312，其两侧分别与两个控制块310的内侧相接触，凸轮312位于每个控制块310的外侧和内侧之间，控制块310的内侧向下延伸的部分与凸轮312面接触，而控制块310的外侧向外延伸的部分作为透镜夹爪311的安装连接部分。当凸轮312旋转时，较大外径的两端逐渐与控制块310的内侧接触，从而驱动两个控制块310沿导轨槽38相向运动，形成两个透镜夹爪311的夹紧动作。而当凸轮312旋转至较小外径的两端与控制块310靠近时，控制块310和透镜夹爪311为放松状态，将夹持的透镜1放下。因此，本发明的透镜夹具通过凸轮结构实现夹持动作的切换。

如图8所示，透镜夹爪311的底端设置为长条形，与透镜1的方形部分1a相对应，同时透镜夹爪311的下表面成型有内凹的圆弧面，当透镜夹爪311夹取透镜1时，圆弧面会预留出容纳透镜1的镜面部分的空间，使得透镜1被夹取后透镜夹爪311不会触碰镜面部分1b导致损坏。

进一步如图9所示，PCB夹持组件4包括PCB夹具41、依次设置在PCB夹具41底端的绕Y轴手动调整台42和绕X轴手动调整台43、以及设置在绕X轴手动调整台43底端的前后自动调整台44，使得PCB夹具41具有绕Y轴、绕X轴的旋转自由度、以及前后调整的平移自由度。在透镜耦合前，先将PCB8安装固定在PCB夹具上，手操方式控制绕Y轴手动调整台41和绕X轴手动调整台42，调整PCB8的倾斜角度，并通过视觉检测模块7或标尺等确认PCB8的水平度。在透镜耦合的过程中，当前一路的透镜1完成全部封装工序后进行下一路的透镜1封装前，前后自动调整台43驱动PCB夹具的整体产生沿Y轴方向的微量位移，使得PCB8上的下一路透镜1耦合位置移动至前一路的透镜1耦合位置，而不需要改变透镜上料组件2、透镜夹具组件3等的耦合路径和空间位置，减少了耦合控制过程，提升了耦合精度。

进一步如图10所示，视觉检测模块7包括沿X轴方向设置的透镜右视相机71、沿Y轴方向设置的透镜后视相机72、沿Z轴方向设置的PCB俯视相机73和沿Y轴方向设置的PCB后视相机74。其中，透镜右视相机71和透镜后视相机72从右侧和后侧两个角度对准透镜上料组件2的上料位置，即装料槽22的顶端出口处，检测透镜夹具组件3夹持透镜1的姿态、以及夹取后的角度，防止透镜1被夹偏。而PCB俯视相机73和PCB后视相机74从顶端和后侧两个角度对准PCB8位置，通过图像监控防止透镜1在耦合过程中触碰芯片或器件等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，包括：

步骤一，将透镜依次上料，夹取所述透镜；

步骤二，将所述透镜移动至PCB的透镜耦合位置，通过同一路的发光元件和接收元件进行光功率预耦合；

步骤三，预耦合后将所述透镜移开，对所述PCB上的透镜耦合位置点胶；

步骤四，将所述透镜重新移回所述PCB的透镜耦合位置，再次进行同一路的光功率的第二次耦合；

步骤五，对第二次耦合后的所述透镜进行固化；

步骤六，准备夹取下一个上料的所述透镜，重复步骤一至步骤五；

所述透镜为微型的透镜，步骤一中将所述透镜并排堆叠放置，依次进行上料，并从上料口夹取；

所述用于多路单模COB模块的透镜耦合方法对应于用于多路单模COB模块的透镜耦合设备，所述用于多路单模COB模块的透镜耦合设备包括透镜上料组件、透镜夹具组件、PCB夹持组件、点胶模块、固化模块和视觉检测模块；所述透镜上料组件内预装有多个透镜，依次将所述透镜上料，所述透镜夹具组件将所述透镜上料组件上料的透镜夹取并移动至PCB上对应的封装位置，与所述PCB上的发光元件和接收元件耦合，所述PCB被所述PCB夹持组件夹持固定，所述点胶模块对耦合后的所述透镜点胶，所述固化模块将点胶后的所述透镜固化，所述视觉检测模块用于视觉检测所述透镜上料和耦合过程；

所述透镜由方形部分和从所述方形部分沿厚度方向朝两侧外凸的镜面部分组成；所述透镜上料组件主要由装料盒和拨料结构组成，所述装料盒的一侧成型有装载透镜的装料槽，所述透镜并排放置于所述装料槽内，并被所述装料盒上设置的限位结构限制在所述装料槽中而防止从所述装料槽的侧面跑出，所述拨料结构包括拨料块和驱动所述拨料块移动的拨料块驱动部，所述拨料块插入所述装料槽中，将所述透镜依次从所述装料盒的顶端拨出，所述装料槽的底部还成型有一内槽，当所述透镜放置在所述装料槽中时，所述镜面部分悬空于所述内槽中。

2.根据权利要求1所述的用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，所述PCB的面板上设置多个所述发光元件、所述接收元件和所述透镜，所述发光元件、所述接收元件和所述透镜分别并排设置，同一路的所述发光元件、所述接收元件和所述透镜均共线，且所述透镜位于所述发光元件与所述接收元件之间，步骤六中准备夹取下一个上料的所述透镜时，所述PCB平移一段距离，使所述PCB面板上的下一个透镜耦合位置移动至前一个透镜的耦合位置。

3.根据权利要求1所述的用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，步骤三中将所述透镜竖直向上抬升后，进行所述PCB的透镜耦合位置点胶。

4.根据权利要求1所述的用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，步骤一中的所述透镜上料和夹取时、以及步骤二至步骤五中所述透镜在PCB上的耦合封装过程均在视觉定位和图像监控下进行。

5.根据权利要求1所述的用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，所述透镜夹具组件包括设置在支架上的多维运动平台和设置在所述多维运动平台上的透镜夹具；所述透镜夹具包括一伺服电机，所述伺服电机的第一端设置有相互平行的两条导轨槽，每条所述导轨槽内均设置有一滑块，所述滑块上固定设置一控制块，每块所述控制块的外侧固定设置一透镜夹爪，所述伺服电机的转轴上套设有一凸轮，所述凸轮的两侧分别与两块所述控制块的内侧相接触，所述凸轮位于每块所述控制块的外侧和内侧之间，旋转时驱动两个所述控制块相向运动，形成两个所述透镜夹爪的夹紧动作；所述透镜夹爪的底端设置为长条形，与所述透镜的方形部分相对应，所述透镜夹爪的下表面成型有内凹的圆弧面，当夹取所述透镜时，所述圆弧面不会触碰所述透镜的镜面部分。

6.根据权利要求1所述的用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，所述PCB夹持组件包括PCB夹具、依次设置在所述PCB夹具底端的绕Y轴手动调整台和绕X轴手动调整台、以及设置在所述绕X轴手动调整台底端的前后自动调整台，使得所述PCB夹具具有绕Y轴、绕X轴的旋转自由度、以及前后调整的平移自由度。

7.根据权利要求1所述的用于多路单模COB模块的透镜耦合方法，其特征在于，所述视觉检测模块包括沿X轴方向设置的透镜右视相机、沿Y轴方向设置的透镜后视相机、沿Z轴方向设置的PCB俯视相机和沿Y轴方向设置的PCB后视相机，所述透镜右视相机和所述透镜后视相机对准所述透镜上料组件的上料位置，所述PCB俯视相机和所述PCB后视相机对准所述PCB位置。

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