CN115191158A - 用于组件上的焊膏印刷的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了其中材料(例如，粘性材料(诸如焊膏))的点状部分被印刷或以其它的方式转移到第一印刷单元处的电子组件上并且随后将所述电子组件放置到衬底上的系统和方法，其中粘性材料的所述部分在所述电子组件与所述衬底之间。任选地，将材料点印刷到所述电子组件上的印刷单元包括涂覆系统，所述涂覆系统在供体衬底上形成所述材料的均匀层，并且所述材料通过所述印刷单元在个别点状部分中从所述供体衬底转移到所述电子组件上。所述系统还可包括成像单元以协助整个过程。

Description

用于组件上的焊膏印刷的系统和方法
相关申请
本申请要求于2020年2月26日提交的美国临时专利号62/981,900的优先权。
技术领域
本发明涉及用于将焊膏从涂覆的膜印刷在电子组件上并将电子组件放置在衬底上使得其间具有焊膏的系统和方法。
背景技术
表面贴焊技术(SMT)是用于将电子组件安装到印刷电路板(PCB)的表面的电子组合件而非与在常规的组装中通过PCB中的孔插入组件的领域。开发SMT是为了降低制造成本并允许PCB空间的有效的使用。由于表面贴焊技术的引入和自动化水平的不断提高，将高度复杂的电子电路组装成具有良好的重复性的越来越小的组合件目前是可能的。
表面贴焊焊接过程涉及将电子组件或衬底的电触点、少量焊膏以及焊料可润湿的焊盘彼此相邻地放置在印刷电路板上。随后将材料加热直到焊料回流，从而在焊料可润湿的焊盘与电子组件的电触点之间形成电连接。一旦焊料回流，它在电子组件与印刷电路板之间形成电连接和机械连接两者。与其它的互连方法相比，该过程具有许多优点，因为组件可以同时互连，并且该过程是可重复的、低成本，以及易于适应大规模生产。
表面贴焊组装过程中的最重要部分中的一个是将焊膏施加到印刷电路板上。该过程的目的是将正确量的焊料准确地沉积到待焊接焊盘中的每一个上。通常，这是凭借通过模版或箔片对焊膏进行丝网印刷来实现的，但是也可以通过喷射印刷来实现。普遍认为，该过程的这个部分(如果未正确地控制)可解决大部分的组装缺陷。
焊膏本身是助焊剂成分和粉末状焊料金属合金的混合物，其在电子工业中被广泛地使用。在室温下，焊膏具有足够的柔顺性，使得可以使其符合几乎任何的形状。同时，它具有足够的“粘性(tacky)”使得其易于粘附到被放置成与其接触的任何的表面上。这些性质使得焊膏可用于表面贴焊焊接，也可用于在诸如球栅阵列封装的电子组件上或在印刷电路板上形成焊块。
焊膏印刷是当前的表面贴焊组装过程中的非常关键的阶段。当使用模版或膜进行印刷时，有几个可能的项目可能对该程序产生负面影响，从而导致最终产品中有缺陷。例如，模版本身应当非常准确：太厚的模版将导致焊桥短路，而太薄的模版将导致施加的焊料不足。类似地，当模版孔口尺寸太大时，可能会发生焊桥短路，但是当模版孔口尺寸太小时，将会施加不足的焊膏。通常认为最好使用尺寸略小于PCB焊盘尺寸的圆形模版孔口，从而防止在回流期间出现桥接缺陷。然而，在模版生产中可能会出现缺陷。
用于丝网印刷的刮刀也应当被优化：刮刀角度会影响施加在焊膏上的竖直力。如果角度太小，则焊膏将不会被挤入模版孔口中。如果刮刀压力太小，则其将会阻止焊膏干净地施加在模版上，而如果刮刀压力太高，则其将会导致焊膏泄漏更多。
另一个关键点是：印刷速度越高，通过模版孔口表面施加焊膏的所花费的时间将会越少，并且因此较高的印刷速度可能会导致施加的焊料的量不足。在目前的过程中，印刷速度应被控制在大约20mm/s至40mm/s，并且因此最大速度目前受到印刷过程的限制。
由于焊膏是高粘度的触变材料并且因此喷射由于大部分的喷射头是针对低粘度材料设计的并且极易堵塞而相当复杂，因此针对该过程的喷射印刷的使用受到了限制。然而，从该领域中的广泛工作中可以看出，喷射和分配是非常有发展潜力的方法。例如，参见以下文献：WO 2007/084888 A2、US PGPUB2011/0017841Al、美国专利号9,808,822B2和美国专利号8,740,040B2。尽管很有发展潜力，但是粘性材料的喷射会在一定程度上产生不需要的碎屑，以及在最终组合件中形成缺陷。当与基于激光器的过程相比时，它也是取决于分配器的机械原理的缓慢过程。
发明内容
本发明人已经认识到希望喷射印刷焊膏材料，但是以不引起在最终组合件中的缺陷的方式进行。为此，发明人已经开发了涉及在将组件安装在PCB板上的“拾取和放置”阶段期间或之前将焊膏直接地喷射到电子组件上由此解决喷射失败的问题同时避免丝网印刷过程所引起的问题的系统和方法。
在本发明的一个实施例中，焊膏印刷系统被配置成用于将焊料直接地印刷在由“拾取和放置(pick and place)”机器跨非常明确限定的间隙保持的电子组件上。该系统可包括用于监视和控制各种过程的一个或多个成像装置。
在本发明的一些实施例中，印刷系统包括涂覆系统，该涂覆系统在衬底上形成印刷的材料的均匀层。在存在的情况下，涂覆系统可包括印刷材料的注射器和空气或机械泵，该空气或机械泵将材料驱动到供体或载体衬底上。随后将供体衬底移动朝向并通过滚筒或刀之间的明确限定的间隙，以形成具有由间隙限定的厚度的印刷的材料的均匀层。替代地，涂覆系统可包括丝网印刷模块，其中将材料涂覆在具有明确限定的孔的丝网或膜的模版上，并使用刮刀或刮板以软接合或硬接合的方式将材料转移到衬底上。在本发明的更进一步实施例中，涂覆系统可包括将材料印刷到衬底上的分配器或喷墨头、凹版印刷系统或微凹版印刷系统、狭缝模头系统，或在衬底上涂覆待印刷材料的高度均匀层的滚筒涂覆系统。涂覆系统可被容纳在具有受控环境(冷或热)的密闭室内，以防止溶剂从印刷的材料中蒸发或防止材料氧化，由此延长材料的使用期限。此外，涂覆系统可包括多于一种的材料，由此产生以受控顺序将多种材料印刷到中间衬底上的可能性，并使得在最终衬底上印刷多于一种的材料成为可能。在涂覆系统内，供体衬底可以利用受控方式以双向或其它方式平移，例如，在打开涂覆器滚筒之间的间隙的同时，产生利用印刷的材料重新涂覆供体衬底的相同区域而不会污染滚筒，并减少或消除在初始的印刷过程期间消耗的衬底的量的可能性，由此避免浪费。
在本发明的各种实施例中，印刷的材料可以是用于印刷电子器件的焊膏或其它金属膏、金属膏或陶瓷膏、粘合剂、聚合物材料，或聚合物和单体材料的混合物。
印刷过程可使用基于激光器的系统，该基于激光器的系统包含高频激光器以使得材料能够从一个衬底喷射到另一个衬底。任何一种都可以使用激光器辅助沉积系统/激光器分配系统，该激光器辅助沉积系统/激光器分配系统从其所处的重力场的主轴旋转0度至90度或90度至180度，从而使得能够在不降低印刷质量的情况下简化机械结构。
在本发明的一些实施例中，印刷单元包括间隙控制单元，该间隙控制单元被配置成维持在供体衬底与电子组件之间的非常明确限定的间隙。例如，可以通过在控制单元的拐角处的三个致动器的平面(其允许平移和旋转两者)来维持涂覆的衬底与电子组件之间的非常明确限定的间隙，如同在US PGPUB2005/109734Al、美国专利号6,122,036A、WO2016/198291和EP 3,219,412 Al中提及的。此类致动器可以用在控制单元的拐角处以用于涂覆的衬底和电子组件两者以允许在两个平面中平移和旋转，其中这两个平面是独立的或彼此搭接的。
在本发明的另一个实施例中，通过在供体衬底与电子组件之间之间提供固定的间隙来实现在这两者之间的非常明确限定的间隙。
在本发明的一些实施例中，中间衬底可以是连续的透明膜衬底、被金属层或被金属层和介电层涂覆的透明膜衬底，或透明固体衬底。
在本发明的一些实施例中，“拾取和放置”机器将会将电子组件保持在印刷系统下方，并将会将其转移到PCB板上。另外，可以通过成像系统来处理印刷的图像。此类成像系统可以是显微镜或电荷耦合装置(CCD)，其对在电子组件上的印刷的材料点进行拍照并在两个维度中测量点，随后对测量数据进行处理以在最终衬底上进行准确沉积。替代地，成像系统可以是三维(3D)显微镜，其对在中间衬底上的印刷的材料点进行拍照并在三个维度中测量点，随后将测量数据转移到“拾取和放置”单元以在最终衬底上进行准确沉积。在本发明的更进一步的实施例中，成像系统是两个显微镜或CCD，其被布置成使得其中一个可以对电子组件上的印刷的材料点进行成像并在两个维度(例如，长度和宽度)中测量点，而另一个在第三维度(例如，高度)中测量点，随后将所有的测量数据转移到“拾取和放置”单元以在最终衬底上进行准确沉积。在任何情况下，成像系统可以在印刷单元期间和/或之后被包括在内，并且可以从电子组件获取图像。在本发明的一个实施例中，在印刷单元处的成像系统可以采用镜子以从电子组件的表面和/或印刷单元的主激光器通道获得图像，以同时对点的尺寸和最终衬底的目标区域两者进行成像。
附图说明
在附图的图式中，以实例方式而非限制的方式来绘示本发明，其中：
图1以概念性方式绘示根据本发明的实施例配置的系统，该系统采用窄间隙的基于激光器的印刷系统以提供焊膏的高分辨率和高速印刷，以及采用“拾取和放置”放置系统以实现非常高的良率，且将电子组件准确且稳固地放置在PCB板上。
图2a和2b示意性地绘示了根据图1所呈现的概念性的概述来配置的系统的各方面。
图3绘示了根据图2所示的示意图来配置的系统布置的实例，该系统布置在放置电子组件之前使用涂覆的衬底、基于激光器的印刷系统、保持电子组件的“拾取和放置”机器以及任选的成像系统。
图4a和4b绘示了根据本发明的一些实施例的通过由注射器将材料放置在膜衬底上(图4a)并使得材料通过明确限定的间隙以形成均匀层(图4b)来形成均匀膜。
图5绘示了根据本发明的一些实施例的使用主激光器通道或镜子以对固体或膜衬底上的点成像的各方面。
具体实施方式
本发明涉及能够以非常高的速率在电子组件的顶部上以高分辨率印刷焊膏的系统和方法，例如，从涂覆的膜将焊膏直接地印刷在电子组件的顶部上，随后将电子组件直接地放置到衬底(例如，PCB板或其它的衬底)上。可以使用激光器辅助沉积/激光器分配系统来执行印刷过程以在高速的情况下实现高分辨率。电子组件可以是用于SMT过程的任何的电子组件，例如，电容器、电阻器、二极管、芯片、完整的集成电路，或任何的其它的组件。可以使用“拾取和放置”机器来执行电子组件在衬底上的放置，该拾取和放置机器维持组件并暴露组件的背侧以在其上印刷焊膏，并将组件放置在PCB板上，其中印刷的焊膏在组件与衬底之间。
在一些情况下，可以将多种材料印刷到电子组件上。例如，在以上述方式印刷第一材料之后，可以将电子组件维持在印刷单元下方，直到在一个或多个位置处从涂覆的膜将第二(或附加的)材料分配到电子组件上。可以在将第一材料印刷到电子组件上之前或之后，将第二(或附加的)材料施加到涂覆的膜上。使用此类方法，可以大约同时将多种材料印刷到电子组件上。甚至有可能同时在单个印刷区域内具有多个涂覆的膜，使得可以通过在涂覆的膜上扫描激光器或其它的印刷头同时将电子组件维持在单个印刷区域中，大致上同时印刷涂覆多个膜的各种不同的材料。将多种材料与电子组件一起使用的一个实例是粘合剂印刷。在此类情况中，两种材料的混合物可引发材料之间的反应(如同环氧胺或硅烷醇-铂催化剂的情况)。为此，材料不会在涂覆的衬底处混合，而仅在印刷到电子组件上之后才混合。通过这样做，避免了印刷头的堵塞和其它的不希望的负面效果。
在详细地描述本发明之前，参考图1是有帮助的，该图提供了根据本发明的实施例的系统10的概念性概述，该系统采用狭窄或接触型间隙印刷系统12以将焊膏(或其它的材料)直接地印刷在电子组件上、进行预印刷处理和/或检查14，以及将具有印刷在其上的焊膏的组件的定位拾取并放置在PCB或其它的衬底16上。如同在下文进一步描述，狭窄或接触型间隙印刷系统可包括将焊膏初始地涂覆到供体衬底上。作为预印刷处理和/或检查14的部分，可以通过用于监视和控制初始和后续过程的一个或多个成像装置来观察印刷在组件上的焊膏。然后，当将组件放置在PCB或其它衬底(其中先前印刷的焊膏布置在组件与PCB之间)上，也可以通过一个或多个成像装置来观察定位程序。
在该程序的一个实施方案中，在第一印刷过程12期间，将焊膏以点的形式(例如，小而通常为圆形的斑点或小滴)分布在组件上，并且在将组件放置在PCB上(其中焊点位于组件与PCB之间)之前，通过成像系统来观察在组件上的焊点。可以通过激光器辅助沉积/激光器分配系统印刷单元将焊点印刷到组件上，其中使用快速频率激光器将焊点从在涂覆的衬底上的焊膏的均匀层喷射到组件上。材料的喷射以明确限定且稳固的方式进行，以维持低的点尺寸分布。在此类布置中，涂覆的衬底在系统的稳固性中具有重要的作用。因此，可以在第印刷单元之前添加附加的涂覆系统。此类涂覆系统可以是基于微凹版或狭缝模头涂覆器的传统涂覆系统，或滚筒涂覆系统。它也可以是基于丝网印刷的涂覆系统、分配器，或喷墨系统。
图2a和2b示意性地绘示了根据图1所呈现的概念性的概述来配置的系统20a、20b的各方面。此类系统中的每一个将焊料喷射过程与组件放置过程分开。
在图2b中，印刷系统20b包括涂覆系统22，该涂覆系统在供体衬底28上形成待印刷材料(例如，焊膏)的均匀层26。在本发明的一个实施例中，涂覆系统22包括注射器和将材料驱动到供体衬底28上的待印刷材料的空气或机械泵。随后，使用马达、滚筒等将供体衬底28移动朝向在滚筒或刀之间的明确限定的间隙，以形成具有由间隙限定的厚度的待印刷材料的均匀层26。在本发明的一些实施例中，供体衬底28可以在打开涂覆机滚筒之间的间隙的同时利用受控方式双向地平移，产生利用待印刷材料重新涂覆供体衬底的相同区域而不会污染滚筒，并减少或消除在初始的印刷过程期间消耗的衬底的量的可能性，由此避免浪费。
在进一步的实施例中，涂覆系统22可包括丝网印刷模块，其中使用具有明确限定的孔的丝网或模版来涂覆供体衬底28，使用刮刀或刮板将粘性材料施加到其上，随后将粘性材料以软接合或硬接合的方式转移到供体衬底28。替代地，涂覆系统22可包括分配器或喷墨头，以将粘性材料印刷到供体衬底28上。或者，涂覆系统22可以是凹版印刷系统或微凹版印刷系统，其在供体衬底28上涂覆待印刷材料的高度均匀层26。在本发明的一个实施例中，涂覆系统22是狭缝模头系统，其在供体衬底28上涂覆待印刷材料的高度均匀层26。在本发明的另一个实施例中，涂覆系统22是滚筒涂覆系统，其在供体衬底28上涂覆待印刷材料的高度均匀层26。尽管未详细示出，但是图2a的印刷系统20a还可包括涂覆系统(诸如涂覆系统22)以作为基于激光器的印刷系统30的部分。
如图2a中所示，在本发明的一个实施例中，基于激光器的印刷系统30(其可包括基于激光器的印刷单元32，以及任选地涂覆系统22)可被容纳在具有受控环境(冷或热)的密闭室34内，以防止溶剂从待印刷材料中蒸发或防止材料氧化，由此延长材料的使用期限。在本发明的一些实施例中，涂覆系统22包含多于一种的材料，由此产生以受控顺序将多种材料印刷到电组件上的可能性，并使得在最终衬底38上印刷多于一种的材料成为可能。
返回到图2b，基于激光器的印刷单元32从涂覆的衬底28直接地在电组件34的电触点上印刷焊膏的点24。在狭窄的间隙/接触型印刷过程30中使用的基于激光器的印刷单元32可包括基于激光器的系统，该基于激光器的系统包括高频激光器，该高频激光器被配置成通过激光器辅助沉积/激光器分配系统将涂覆的材料26的层的部分从供体衬底28喷射到电组件34。激光器辅助沉积系统/激光器分配系统可从其所处的重力场的主轴旋转0度至90度或90度至180度，从而使得能够在不降低印刷质量的情况下简化机械结构。
替代地，在不使用涂覆系统的情况下，狭窄的间隙/接触型印刷过程30可采用喷墨头系统，该喷墨头系统能够将焊膏直接喷射到电组件34上。或者，狭窄的间隙/接触型印刷过程30可以使用分配器头系统，该分配器头系统能够将材料直接印刷到电组件34上。更进一步地，狭窄的间隙/接触型印刷过程30可以使用胶印机模块、凹版印刷模块，或任何的常规的印刷技术来将材料直接地印刷到电组件34上。例如，狭窄的间隙/接触型印刷过程30可以使用丝网印刷模块，其中将待印刷材料涂覆在具有明确限定的孔的丝网或膜的模版上，并且采用刮刀或刮板而以软接合或硬接合的方式将材料转移到电组件34上，从而在电组件34上形成待印刷材料的点的阵列。
在本发明的一些实施例中，在狭窄的间隙印刷过程30中采用的第一印刷单元32包括在供体衬底28与电组件34之间的非常明确限定的间隙控制单元。在一种情况下，使用在控制单元(其允许平移和旋转两者)的拐角处的一组的三个致动器来维持供体衬底28与电组件34之间的非常明确限定的间隙，如通过引用并入本文的US PGPUB 2005/109734 Al、美国专利号6,122,036A、WO2016/198291和EP 3,219,412 Al中所述。多组三个致动器单元可以用在控制单元的拐角处以用于供体衬底和电组件34两者以允许在二个平面中平移和旋转，其中这两个平面是独立的或彼此搭接的。替代地，可以通过在供体衬底和/或电组件34下方提供固定的支撑来维持供体衬底28与电组件34之间的非常明确限定的间隙。
在本发明的一些实施例中，在印刷到第一印刷单元32中的电组件34之后，印刷的电组件34可以返回到第一印刷单元32以进行粘性材料的第二次印刷。在任何情况下，在利用粘性材料(利用点24的形式或其它的布置)来进行印刷之后，从第一印刷单元32朝向衬底38(例如，PCB)移动电组件34，其中它们与印刷的焊膏和/或其它的粘性材料一起被放置在相应的电组件34与衬底38之间。
在本发明的一些实施例中，在将电组件34从第一印刷单元32移动到在其上放置组件的衬底38期间，印刷在电组件34上的材料(例如，焊膏)可通过成像系统50来处理(参见例如图2a)。此类成像系统50可以是一个或多个显微镜、电荷耦合装置(CCD)，和/或其它成像组件，其对在电组件34上的材料24的印刷的点拍摄一张照片(或多张照片)并在两个维度或三个维度中测量点。例如，成像系统50可包括：两个显微镜或CCD，其被布置成使得其中一个可以对中间衬底上的印刷的点进行成像，并在两个维度(例如，长度和宽度)中测量点，而其中另一个在第三维度(例如，高度)中测量点。该测量数据可随后被转移到拾取和放置机器44，以便确保将电组件34准确地沉积在衬底38上。例如并且如图2a所示，光学或其它成像检查可以揭示：尽管点24中的许多点适合用于将电组件34转移到衬底38上(例如，在图中利用检查符号来绘示)，但是点24中的一些点畸形或另外不适合转移到最终衬底38上(例如，在图中用“X”来绘示)。随后，访问该数据的控制器(未绘示)可以操作拾取和放置机器44，以便省略将不适合的电组件34中的不适合电组件转移到衬底38。在放置电组件34之后也可以包括成像系统以确保适当地放置那些组件。在本发明的一个实施例中，成像系统位于印刷单元32处，并且用于从电组件34的表面和/或印刷单元的激光器通道52获得图像的镜子或其它光学组件可用于对点的尺寸和电组件两者进行成像。
图3绘示了根据本发明配置的系统60的一个实例。系统60将在前文中描述的系统20a和20b的各方面实例化。具体地，系统60包括涂覆系统22，该涂覆系统使用空气或机械泵(未示出)将焊膏62从贮存器(例如，注射器64)驱动到供体衬底28上而在供体衬底28上形成焊膏(和/或其它的材料)62的均匀层26。然后使用滚筒或齿轮66将供体衬底28移动朝向滚筒或刀72之间的明确限定的间隙70，以在供体衬底28上形成焊膏的均匀层26，该均匀层具有由间隙70限定的厚度。
系统60还包括基于激光器的印刷单元32，其被配置成在电组件34上产生焊膏62的点24。在该实例中，供体衬底28可为透明膜，并且基于激光器的印刷单元32包括激光器模块74，该激光器器模块包含高频激光器，该高频激光器被布置成通过将激光器束76聚焦到材料26的层之间的接口上，从供体衬底28喷射涂覆的材料26的层的部分，以在电组件34上形成点24。入射的激光器束引起局部的加热，之后发生相变和高的局部压力，其驱动焊膏62喷射到电组件34上。在印刷到电组件34上之后，如果有需要或期望，可以使得印刷的电组件返回以进行焊膏62的第二(或附加的)层印刷。
替代地，供体衬底28可以是丝网或格栅，其中焊膏62通过涂覆器72(其可为滚筒或刮刀)被引入丝网的孔中。在此类情况中，来自激光器模块74的入射的激光器束76使焊膏从在丝网中的孔移位到电组件34上。
一旦点24被印刷在电组件34上，就通过(例如)拾取和放置机器44将组件34移动朝向成像系统50的检查区域，该成像系统包括一个或多个3D和/或2D成像组件，其被配置成对焊膏的印刷的点24进行拍照，并在两个维度或三个维度中测量点。可由拾取和放置机器44使用该测量数据，以便确保将组件34准确地沉积在最终衬底38上和/或使组件返回到焊膏印刷区域以施加新的或附加的焊膏点24。
在通过成像系统50进行检查之后，如果现有的焊料点24被认为是可接受的，则组件34被拾取和放置机器44移动，以便定位在该组件要被放置的PCB衬底38的区域的上方。可以使用二维平台90来正确地定位PCB衬底38，以便被适当地取向成接纳组件34。然后将组件34放置在PCB衬底38上(其中焊料点24在组件与PCB衬底之间)，以便将组件固定在PCB衬底上的适当位置。
尽管未在图中绘示，但是附加的检查单元(类似于检查单元50)可以与在PCB衬底38上放置组件34的区域相关联。该检查单元可包括镜子或其它光学组件，其用于从PCB衬底的表面获得图像以协助经由平台90将PCB衬底在电子组件34下方对准，以及协助将在PCB衬底上放置电组件同步化。
基于激光器的印刷单元32的替代性布置可包括涂覆系统22，其中使用空气或机械泵将焊膏62从贮存器(例如，注射器64)驱动到滚筒。可以使用一把或多把刀在滚筒的表面上方位移限定距离来将滚筒上的材料层的厚度保持为均匀。滚筒可以是凹入的或以其它方式形成有凹部以容纳限定量的待印刷材料，其中当这两个滚筒在材料转移区域中彼此接触时，该量被转移到印刷滚筒。替代地，滚筒可具有带有孔的丝网或网格状表面，其中将焊膏引入此类孔中。当滚筒完成其通过印刷区域的旋转时，它将具有点的形式的焊膏转移到电组件上。在从滚筒转移材料之后，滚筒可通过检查区域，并且在施加新的焊膏之前，可以使用刀或其它工具来去除任何残留的焊膏。
当(例如)使用前文所描述的技术中的一种将焊膏从供体衬底28转移到电子组件34时，可以通过定位滚筒66和/或电子组件34以接纳焊膏，在涂覆的供体衬底28与电子组件34之间维持非常明确限定的间隙112。间隙的宽度可以通过一个或多个检查单元(未示出)来监视，并且通过适当的控制系统(未示出)来维持。此外，尽管图3示出了以竖直方式取向(相对于焊膏点24到电子组件34上的沉积和电子组件34到衬底38上的沉积)的系统，这些操作中的一个或两个可以相对于系统60所处的重力场成90度(或任何的其它取向)执行。以实例方式，在图示中，如果假设重力场是从页面的顶部到页面的底部，则基于激光器的印刷单元可以被配置为以与该重力场正交的角度将焊膏点24从供体衬底28印刷到电子组件34。此类布置可提供比在图示中所示更为紧密的配置。
图4a和4b进一步绘示根据本发明的一些实施例的通过使用注射器64(图4a)将一定量的材料62放置在膜衬底28上并使材料通过明确限定的间隙126以形成焊膏的均匀层26(图4b)在供体衬底28上形成焊膏的均匀层26。通过使用适当的控制单元(例如，步进马达或压电换能器)来使一对滚筒128a、128b或刀紧靠在一起来形成明确限定的间隙126。
图5绘示了根据本发明的一些实施例的使用主激光器通道来对电子组件34的焊膏点24进行成像的各方面。在该实例中，焊膏的点24已经被印刷在电子组件34上，并且相机196用于经由主激光器通道来对于点进行成像。替代地，相机196可以偏离主激光器通道和插置于其中的半透明镜198，以将点24的图像朝向相机反射。此类成像可以用于确保将材料点最佳地放置在电子组件上。使用相机和镜子的类似成像系统可以用于从顶部和/或从侧面监视电子组件在PCB衬底上的放置(尽管在该转移点处没有激光器)。
因此已经描述了用于将焊膏从涂覆的膜印刷在电子组件上并将电子组件放置在衬底上使得其间具有焊膏的系统和方法。在各种实施例中，这些系统和方法采用多步骤程序，其中将焊膏分配到供体衬底上，然后在将电子组件最终地固定到衬底之前将焊膏印刷到电子组件上。当焊膏和/或电子组件在整个过程中进行各个步骤时，可能会经历一个或多个成像步骤。为了在印刷到电子组件时实现非常狭窄的点尺寸分布，重要的是在涂覆的供体衬底与电子组件之间具有非常明确限定的距离控制。为了实现该目的，可以使用几个机械解决方案中的任一者。例如，可以通过使用机械的、明确限定的箔片或彼此相邻的两个滚筒来控制在涂覆的供体衬底(其可为膜或箔片)与电子组件之间的距离。或者，可以通过使得涂覆的供体衬底和电子组件两者位于同一台机器上来决定性地限定涂覆的供体衬底与电子组件之间的距离。
为了增强在印刷期间的喷射放置和分辨率，可以添加成像系统以监视在电子组件和最终衬底上的印刷点的尺寸和位置。为此，可以添加一个或多个成像系统，以用于监视电子组件和监视最终衬底两者。此类成像系统可以使用CCD、显微镜，或3D显微镜和计算机软件以垂直于电子组件的平面的角度来监视在电子组件上的点尺寸和/或点的高度。可以在将组件放置到最终衬底上之前和/或之后进行监视。
尽管未详细地绘示，但是应当理解在本文中描述的系统的各个组件在一个或多个控制器的控制下进行操作，该一个或多个控制器优选地是基于处理器的控制器，该基于处理器的控制器在存储于有形机器可读介质上的机器可执行指令的指令下进行操作。此类控制器可包括微处理器和存储器，该微处理器和存储器通过用于传送信息的总线或其它通信机制通信地彼此耦合。存储器可包括程序代码存储器(诸如只读存储器(ROM)或其它静态存储装置)，以及动态存储器(诸如随机存取存储器(RAM)或其它动态存储装置)，并且各自可耦合到总线以提供和存储信息和由微处理器执行的指令。动态存储器还可用于在由微处理器执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。替代地或另外，可以提供存储装置(诸如固态存储器、磁盘，或光盘)，并且将该存储装置耦合到总线以存储信息和指令。控制器还可包括显示器(其用于向用户显示信息)以及各种输入设备(其包括字母数字键盘和光标控制装置(诸如鼠标和/或触控板))作为用于印刷系统的用户界面的部分。此外，可以包括一个或多个通信界面以提供往返于印刷系统的双向数据通信。例如，包括有线和/或无线调制解调器的网络接口可用于提供此类通信。
然后在各种实施例中，本发明提供：
使得能够使用基于激光器的印刷单元和使用“拾取和放置”技术将组件放置在PCB板或其它衬底上来以高分辨率且在高速下将焊膏或其它粘性材料(例如，高粘度聚合物、丙烯酸、环氧树脂、粘合剂(例如，基于氨基甲酸酯的粘合剂)、膏，或蜡)直接地印刷在电子组件上的系统和方法。
将粘性材料(诸如焊膏，或在前文中识别的任何材料)印刷在电子组件上(然后该组件被放置在最终衬底上)的系统和方法，其包括印刷单元，以及任选地包括涂覆单元。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中印刷单元是高度准确的、低至无碎屑产生的，并且非常快。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中印刷单元包括涂覆系统，该涂覆系统在衬底上形成粘性材料的均匀层，并且涂覆系统包括粘性材料的注射器以及空气或机械泵，该空气或机械泵将粘性材料驱动到载体衬底上，然后(例如，使用马达或滚筒等)将载体衬底移动朝向滚筒与刀之间的明确限定的间隙以在载体衬底上形成粘性材料的均匀层(其厚度由间隙来限定)。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中涂覆系统包括丝网印刷模块、分配器或喷墨头、凹版印刷系统或微凹版印刷系统、狭缝模头系统，或滚筒涂覆系统，该涂覆系统在具有受控环境的密闭室内以延长粘性材料的使用期限。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中涂覆系统包含多于一种的材料，由此产生了以受控顺序将多种材料印刷到电子组件的可能性。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中载体衬底可以利用受控方式双向地平移，同时打开涂覆滚筒之间的间隙，从而产生了利用粘性材料来多次地重新涂覆载体衬底的相同区域而不会污染滚筒以减少浪费的可能性。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中粘性材料是焊膏、金属膏、用于印刷电子的粘合剂，或其它粘性材料。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中印刷单元是基于激光器的系统，该基于激光器的系统包含高频激光器以使得粘性材料能够从涂覆的衬底喷射到电子组件，并且印刷单元是激光器辅助沉积/激光器分配系统，该激光器辅助沉积/激光器分配系统从其所处的重力场的主轴旋转0度至90度或90度至180度。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中印刷单元包括在涂覆的衬底与电子组件之间的非常明确限定的间隙控制单元，其中间隙控制是通过以下各项来实现的：在间隙控制单元的拐角处的三个致动器的平面，其允许平移和旋转两者，或对于涂覆的衬底和电子组件两者建立在间隙控制单元的拐角处的三个致动器的平面以在两个平面中允许平移和旋转两者并且其中这两个平面是独立的或彼此搭接的，或形成固定的机械间隙。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中连续的透明膜衬底用作用于系统的涂覆的衬底，并且透明膜衬底由金属层或由金属和介电层涂覆。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中电子组件的放置通过具有和不具有成像系统的“拾取和放置机器”来完成。
如同在前述实施例中的任一者中所述的系统或方法，其中成像系统中的任一者是显微镜或CCD，其对电子组件上的焊膏拍照并在两个维度中测量点；或是3D显微镜，其对电子组件上的印刷的焊膏拍照并在三个维度中测量点；或是两个显微镜或CCD，其被布置成使得其中一个可对电子组件上的印刷的焊膏拍照并在两个维度中测量点，而另一个在与其它两个维度正交的第三维度中测量焊膏，或其中成像系统位于印刷单元本身当中并采用镜子对电子组件的表面进行成像，或使用主激光器通道以同时对已印刷的焊料区域尺寸和电子组件两者进行成像。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种系统(20a，20b，60)，其包含：
基于激光器的印刷系统(30)，所述基于激光器的印刷系统包括被配置成在供体衬底(28)上形成粘性材料(62)的均匀层(26)的涂覆系统(22)，和被配置成将来自所述供体衬底(28)的所述粘性材料(62)的所述个别点状部分(24)印刷到所述电子组件(34)上的基于激光器的印刷单元(32)；以及
拾取和放置单元(16)，所述拾取和放置单元(16)被配置成将具于印刷在其上的所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)的所述电子组件(34)放置到衬底(38)上，使得所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)设置在所述电子组件(34)与所述衬底(38)之间。
2.(已删除)
3.根据权利要求1所述的系统(20a，20b，60)，其中所述涂覆系统(22)包含：
(a)所述粘性材料(62)的注射器(64)和空气或机械泵，所述空气或机械泵被布置成将所述粘性材料(62)驱动到所述供体衬底(28)上，并且所述涂覆系统(22)进一步被配置成将在其上具有所述粘性材料(62)的所述供体衬底(28)朝向且通过滚筒(128a，128b)或刀之间的明确限定的间隙(126)传送，以在所述供体衬底(28)上形成所述粘性材料(62)的所述均匀层(26)，所述粘性材料(62)的所述均匀层(26)具有由所述间隙(126)限定的厚度；
(b)丝网印刷模块，所述丝网印刷模块被配置成利用所述粘性材料(62)来涂覆具有明确界定的孔的丝网或膜的模版，并且所述涂覆系统(22)进一步被配置成使用刮刀或刮板从所述丝网或膜的模版将所述粘性材料(62)转移到所述电子组件(34)上；
(c)分配器或喷墨头，所述分配器或喷墨头被配置成将所述粘性材料(62)印刷到所述供体衬底(28)上；
(d)凹版印刷系统或微凹版印刷系统，所述凹版印刷系统或微凹版印刷系统被配置成利用所述粘性材料(62)的所述均匀层(26)来涂覆所述供体衬底(28)；
(e)狭缝模头系统，所述狭缝模头系统被配置成利用所述粘性材料(62)的所述均匀层(26)来涂覆所述供体衬底(28)；或
(f)滚筒涂覆系统，所述滚筒涂覆系统被配置成利用所述粘性材料(62)的所述均匀层(26)来涂覆所述供体衬底(28)。
4.根据权利要求1或3中任一项所述的系统(20a，20b，60)，其中所述涂覆系统(22)被配置成在多个印刷程序中将多于一种的材料施加到所述供体衬底(28)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统(20a，20b，60)，其中所述粘性材料(62)是以下各项中的一种：焊膏、金属膏、陶瓷膏、蜡材料、聚合物材料、丙烯酸、环氧树脂或粘合剂。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统(20a，20b，60)，其中所述基于激光器的印刷单元(32)包含：
(a)基于激光器的系统，所述基于激光器的系统包括：高频激光器，所述高频激光器被配置成将所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)从所述供体衬底(28)喷射到所述电子组件(34)；
(b)喷墨头系统，所述喷墨头系统被配置成将所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)直接地喷射到所述电子组件(34)上；
(c)分配器头系统，所述分配器头系统被配置成将所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)直接地印刷到所述电子组件(34)上；
(d)胶印机模块；
(e)凹版印刷模块；
(f)另一个印刷模块，所述另一个印刷模块被配置成将所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)直接地印刷到所述电子组件(34)上；或
(g)激光器辅助沉积/激光器分配系统，所述激光器辅助沉积/激光器分配系统从其所处的重力场的主轴旋转0度至90度或90度至180度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统(20a，20b，60)，其中所述基于激光器的印刷单元(32)被配置成维持在所述供体衬底(28)与所述电子组件(34)之间的明确限定的间隙(112)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统(20a，20b，60)，其还包含一个或多个成像系统(50)，所述一个或多个成像系统被布置成对以下进行成像：(i)在将所述电子组件(34)从所述基于激光器的印刷单元(32)移动到所述衬底期间印刷在所述电子组件(34)上的所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)；(ii)在所述电子组件(34)已被放置在所述衬底(38)上之后的所述电子组件(34)；或(iii)两者。
9.根据权利要求8所述的系统(20a，20b，60)，其中所述一个或多个成像系统(50)中的至少一个被配置成在将所述电子组件(34)从所述基于激光器的印刷单元(32)移动到所述衬底(38)期间，在两个或三个维度中测量印刷在所述电子组件(34)上的所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)。
10.一种方法，其包含：
使用基于激光器的印刷系统(30)的涂覆系统(22)在供体衬底(28)上形成粘性材料(62)的均匀层(26)；
通过所述基于激光器的印刷系统(30)的基于激光器的印刷单元(32)将所述粘性材料(62)的个别点状部分(24)从所述供体衬底(28)印刷到电子组件(34)上，以及
通过拾取和放置机器(44)将具有印刷在其上的所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)的所述电子组件(34)转移到衬底(38)。
11.(已删除)
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述涂覆系统(22)(a)包括所述粘性材料(62)的注射器(64)，所述粘性材料(62)从所述注射器(64)被驱动到所述供体衬底(28)，并且所述涂覆系统(22)将在其上具有所述粘性材料(62)的所述供体衬底(28)朝向且通过在滚筒(128a，128b)或刀之间的明确限定的间隙(126)传送，以在所述供体衬底(28)上形成所述粘性材料(62)的均匀层(26)，所述粘性材料(62)的所述均匀层(26)具有由所述间隙(126)限定的厚度；或(b)包括丝网印刷模块，所述丝网印刷模块利用所述粘性材料(62)来涂覆具有明确限定的孔的丝网或膜的模版，并且所述涂覆系统(22)使用刮刀或刮板从所述丝网或膜的模版将所述粘性材料(62)转移到所述电子组件(34)上；和/或在多个印刷程序中将多于一种的材料施加到所述供体衬底(28)上。
13.根据权利要求10或12中任一项所述的方法，其中所述基于激光器的印刷单元(32)使用激光器将材料的所述点状部分从所述供体衬底(28)喷射到所述电子组件(34)上。
14.根据权利要求10、12或13中任一项所述的方法，其还包含使用一个或多个成像系统(50)对以下进行成像：(i)印刷在所述电子组件(34)上的粘性材料(62)的所述点状部分(24)；(ii)在具有印刷在其上的所述粘性材料(62)的所述点状部分(24)的所述电子组件(34)已被放置在所述衬底(38)之后的所述衬底(38)；或(iii)两者。

Claims (14)

1.一种系统，其包含：印刷单元，所述印刷单元被配置成在电子组件上印刷粘性材料的个别点状部分；以及拾取和放置单元，所述拾取和放置单元被配置成将具于印刷于其上的材料的所述点状部分的所述电子组件放置到衬底上，使得材料的所述点状部分在所述电子组件与所述衬底之间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述印刷单元包括涂覆系统，所述涂覆系统被配置成在供体衬底上形成所述粘性材料的均匀层，并且所述印刷单元进一步被配置成将所述个别点状部分中的所述粘性材料从所述供体衬底转移到所述电子组件上。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述涂覆系统包含：(a)所述粘性材料的注射器和空气或机械泵，所述空气或机械泵被布置成将所述粘性材料驱动到所述供体衬底上，并且所述涂覆系统进一步被配置成将在其上具有所述粘性材料的所述供体衬底朝向且通过滚筒或刀之间的明确限定的间隙传送，以在所述供体衬底上形成所述粘性材料的均匀层，所述粘性材料的所述均匀层具有由所述间隙限定的厚度；(b)丝网印刷模块，所述丝网印刷模块被配置成利用所述粘性材料来涂覆具有明确界定的孔的丝网或膜的模版，并且所述涂覆系统进一步被配置成使用刮刀或刮板从所述丝网或膜的模版将所述粘性材料转移到所述电子组件上；或(c)分配器或喷墨头，所述分配器或喷墨头被配置成将所述粘性材料印刷到所述供体衬底上；凹版印刷系统或微凹版印刷系统，所述凹版印刷系统或微凹版印刷系统被配置成利用所述粘性材料的所述均匀层来涂覆所述供体衬底；狭缝模头系统，所述狭缝模头系统被配置成利用所述粘性材料的所述均匀层来涂覆所述供体衬底；或滚筒涂覆系统，所述滚筒涂覆系统被配置成利用所述粘性材料的所述均匀层来涂覆所述供体衬底，和/或所述涂覆系统被封闭在受控环境中。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的系统，其中所述涂覆系统被配置成在多个印刷程序中将多于一种的材料施加到所述供体衬底上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述粘性材料是以下各项中的一种：焊膏、金属膏、陶瓷膏、蜡材料、聚合物材料、丙烯酸、环氧树脂或粘合剂。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述印刷单元包含：基于激光器的系统，所述基于激光器的系统包括：高频激光器，所述高频激光器被配置成将粘性材料的所述点状部分从所述供体衬底喷射到所述电子组件；(b)喷墨头系统，所述喷墨头系统被配置成将粘性材料的所述点状部分直接地喷射到所述电子组件上；(c)分配器头系统，所述分配器头系统被配置成将粘性材料的所述点状部分直接地印刷到所述电子组件上；(d)胶印机模块；(e)凹版印刷模块；或(f)另一个印刷模块，所述另一个印刷模块被配置成将粘性材料的所述点状部分直接地印刷到所述电子组件上；或(g)激光器辅助沉积/激光器分配系统，所述激光器辅助沉积/激光器分配系统从其所处的重力场的主轴旋转0度至90度或90度至180度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述印刷单元被配置成维持在所述供体衬底与所述电子组件之间的明确限定的间隙。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统还包含一个或多个成像系统，所述一个或多个成像系统被布置成对在将所述电子组件从所述印刷单元移动到所述衬底期间印刷在所述电子组件上的粘性材料的所述点状部分、在转移到所述衬底之后的所述电子组件、或两者进行成像。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述成像系统中的至少一个被配置成在将所述电子组件从所述印刷单元移动到所述衬底期间，在两个或三个维度中测量印刷在所述电子组件上的粘性材料的所述点状部分。
10.一种方法，其包含通过印刷单元将粘性材料的个别点状部分印刷到电子组件上，以及通过拾取和放置机器将具有印刷在其上的粘性材料的所述点状部分的所述电子组件转移到衬底。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述印刷单元包括涂覆系统，所述涂覆系统在供体衬底上形成所述粘性材料的均匀层，并且所述印刷单元将所述个别点状部分中的所述粘性材料从所述供体衬底转移到所述电子组件上。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述涂覆系统(a)包括所述粘性材料的注射器，所述粘性材料从所述注射器被驱动到所述供体衬底，并且所述涂覆系统将在其上具有所述粘性材料的所述供体衬底朝向且通过在滚筒或刀之间的明确限定的间隙传送，以在所述供体衬底上形成所述粘性材料的均匀层，所述粘性材料的所述均匀层具有由所述间隙限定的厚度；或(b)包括丝网印刷模块，所述丝网印刷模块利用所述粘性材料来涂覆具有明确限定的孔的丝网或膜的模版，并且所述涂覆系统使用刮刀或刮板从所述丝网或膜的模版将所述粘性材料转移到所述电子组件上；和/或在多个印刷程序中将多于一种的材料施加到所述供体衬底上。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中所述印刷单元使用激光器将材料的所述点状部分从所述供体衬底喷射到所述电子组件上。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中使用一个或多个成像系统对印刷在所述电子组件上的粘性材料的所述点状部分、在具有印刷于其上的材料的点状部分的所述电子组件转移之后的所述衬底、或两者进行成像。
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