CN1799298A - 用于装配电路的方法 - Google Patents

Abstract

在基于预定的位置数据而在底板(6)上自动放置电路元件(20至23)的过程中，a)检测形成于底板(6)上的至少一个第一基准标记(24)的位置；b)基于第一基准标记(24)的检测位置和位置数据，来计算在底板(6)上放置衬底(20)的目标位置，并把衬底(20)放置在所计算出的位置上；c)检测形成于衬底(20)上的至少一个第二基准标记(26)的位置；d)基于第二基准标记(26)的检测位置和所述元件(21，22)的预定位置数据，来计算放置在衬底(20)上的另一元件(21，22)的目标位置，并把元件(21，22)放置在所计算出的目标位置上。

Description

用于装配电路的方法

本发明涉及一种用于自动装配电子电路或光电路、特别是微波电路的方法。

大部分现有技术的自动安装设备和方法涉及在普通电路板上快速并且可重复地分装大量的电子元件。通常这种电路板是平的，以便所有的电路元件放置在同一个水平面上。

这种电路板通常设有一个或多个基准标记，也称作基准，这种基准标记将用于接受放置机器上的图像识别系统的检测，使得可以基于基准标记的检测位置和表示单独电路元件相对于基准标记的位置的控制数据，在电路板上正确放置这些电子元件，即使在实施放置操作中的电路板位置与所需位置不完全一致。

用于高频应用的光电路和电子光电路以及电子电路常常具有复杂的机械设计，其中单独的电路元件分装在一个或多个衬底上，该衬底放置在例如印制电路板的底板上。

由于各种各样的原因，使得用于装配这种电路的传统放置机器使用起来比较困难。如果在底板上由单独的元件接连依次地构建电路，其中这些单独的元件应尤其包括衬底和电子/光/光电子或其它类型的信号处理电路元件，那么这些元件必须精确放置。如果衬底放置不准确，则底板上不同衬底之间的路径长度会与预定值不同，由此可能损坏在单独衬底上形成的线路部件的放置。同样，未准确放置的衬底导致所有随后安装在上面的元件的不准确放置。如果衬底从它的期望位置位移到第一方向，则所有放置在该衬底上的元件具有相对于衬底的系统位移，该系统位移在反向上等于衬底相对于底板的位移。

可以想象，这个问题可以在若干步骤中进行处理。首先，在衬底上放置电路元件，然后，最终同样通过自动放置，把这样得到的元件放置在底板上。然而，这种解决方案非常耗时，因为如果n个元件要安装在底板上，就需要n+1次放置操作，在每一操作中用于接收元件并且可以为衬底或底板的支撑件必须准确定位在放置机器上，并在放置之后必须取下。大量的定位和放置操作需要相当多的时间。而且，这个过程要求所有混合元件在开始安装于底板上之前完工。完工的混合元件必须堆放一段时间，这就需要管理方面的努力。出于效率方面的原因，通常希望连续地制造大量的所需混合元件，堆放混合元件也可能需要相当大的财务方面的工作。

本发明的目的是提供一种在底板上自动放置元件的方法，该方法允许经济地自动制造包含混合元件的高质量电路。

本发明目的通过这样一种方法来实现，该方法基于预定的位置数据，用于在底板上自动放置元件如衬底或电子元件，所述方法包括以下步骤：

a)检测在底板上形成的至少一个基准标记的位置；

b)基于第一基准标记的检测位置和衬底的预定位置数据，来计算在底板上放置该衬底的目标位置，并将该衬底放置在计算出的位置上；

c)检测在衬底上形成的至少一个第二基准标记的位置；

d)基于第二基准标记的检测位置和所述元件的预定位置数据，来计算在衬底上放置该元件的目标位置，并将该元件放置在计算出的位置上。

步骤d)中提及的元件可以是电路元件或另外的衬底。对至少一个基准标记位置的检测允许对放置机器上底板所占用的位置与预期的或理想的位置进行比较，并且在底板上放置这些元件时将这一点考虑进去。因此，底板定位的误差不一定导致直接安装在底板上的电路元件的系统位移。如果直接或间接安装在底板上的其中一个元件是用于为更多元件提供支撑的衬底，则对该衬底位置的检测就允许对其有效位置与预定数据中指定的位置之间进行比较，并在所述衬底上放置元件时将这两者之间的差异考虑进去。这样在衬底上放置元件时就避免了系统位移，并且这些元件的放置精度会与这种的情形下一样好，即当相关衬底具有单独安装在其上并随后安装在电路板上的元件的情形。

如果步骤a)或步骤c)中只检测了一个基准标记，这就允许基于底板和衬底的定位各自正确的假设，来分别计算底板上衬底真实位置和期望位置之间的位移。如果检测到了两个基准标记，则底板和衬底分别相对于期望位置的位移和倾斜就可以计算出来，并对其进行补偿。

为了在底板表面上或安装在底板上的衬底表面上固定元件，元件优选以预定的按压力和按压时间而分别压在涂敷于底板或衬底的粘合层上。按压时间和按压力选择成使得元件可压在粘合层上，并在元件和衬底之间尽可能大的表面上提供接触，同时不使粘合层在元件的外侧缘、特别是在至另一个元件的唯一过渡处显露出来，而不会在一定程度上对元件间的信号传输产生影响。

为了实现这个目的，应该适当地限定取决于待粘接元件形状的按压力和/或按压时间。元件表面越大，按压时间通常越长，该按压时间用于使元件下的粘合层均匀展开，并使粘合层中残留的空气从所述层中逸出。

为了避免在放置元件时损坏元件或损坏将安装元件的衬底，使由放置机器抓取并沿基本垂直于衬底表面的方向移动的元件在接触到衬底表面之前减速。

要求及时减速的表面定位的信息可以由放置机器控制器通过直接测量来获得，例如通过所述表面的光学三角测量获得。它还可以从底板的已知高度和假定为已知的衬底厚度中来计算得出。底板的高度可视为放置机器的不变特性。为了考虑进去底板放置的最终不精确度，可以对底板上至少三个第一基准标记的位置沿所有三个空间方向(包括高度)来进行检测，同时其上将放置元件的目标位置处的衬底的高度将基于对所述的这三个第一基准标记的检测高度来计算得到。

上述方法的步骤可以全部在单个放置机器上实施，该放置机器接连地在底板上放置一个或多个衬底和/或待安装于衬底上的更多元件。然而，也可以在两个(或更多)的放置机器上应用本方法，在第一放置机器上执行步骤a)和步骤b)以用于在底板上放置至少其中一个衬底，在第二放置机器上执行步骤c)和步骤d)以便在相关衬底上放置至少一个元件。这样，就可以减少放置机器将要处理的不同元件的数量，使得可以减小放置机器的抓取装置在元件储存单元和底板之间移动的路径长度，并提高放置频率。

优选的是，所述至少一个放置机器所需的预定位置数据从CAD系统直接传送到放置机器上。

在参考附图对以下实施例的描述中，可以清楚本发明的进一步特征和优点。

图1是可用于实施本发明方法的放置机器的示意性顶视图；

图2是其上放置有电路元件的底板的示意性透视图；

图3是本发明的放置方法的流程图；

图4A至4C是显示了本发明方法的操作模式的图示；

图5显示了图3所示方法的步骤S6，S11的子步骤。

图1是用于实施本发明方法的放置机器的顶视图。在减振台顶部1上，放置机器包括两个组合传送装置2，3，该装置可操作以用于传送其上固定有装有元件的底板6的电路支撑件4，使用抓取爪5将传送元件从自动储存送料装置7(未详细显示)传送至放置工位8，并且在放置完成后离开放置机器以便进行下一步操作。组合传送装置都具有细长的水平板9，在水平板周围的侧面区域中，传动带10悬挂在搁置待传送的电路支撑件4之处。电路支撑件4在两条侧翼11之间以较小间隙而被引导。

放置工位8由插入到传送装置3的板9中的可垂直移动台形成，为了进行安置操作，该可垂直移动台被提升至紧靠承座，以便提升带10的电路支撑件4，并把它带到良好确定的和可重复的水平高度处。

用于涂敷粘合剂的分配器13和抓取装置14可在平行于组合传送装置2，3的传送方向的导轨15上以及在横向于传送方向的导轨16、17上移动。更进一步说，分配器13和抓取装置14可垂直移动。控制电路18基于待安装于底板6上的电路的结构数据来控制分配器13和抓取装置14的运动。控制电路18配备有用于接收该结构数据的移动数据载体所用的数字接口和/或读取装置。

控制电路18进一步与两个摄像头19相结合，这些摄像头安置在工作台顶部1上方，并相对于放置工位8以各种方向来定向。

图2是上面放置有多个元件的底板6的示例的透视图，这些元件包括衬底20、21、22以及放置在所述衬底上的电子元件23。底板6设有三个基准标记24。当底板6处于放置工位8时，摄像头19检测这些基准标记24，控制电路18计算基准标记24在放置机器上的x、y、z坐标系中的位置，例如，x轴与传送方向对齐，y轴与横向和水平面对齐，z轴与垂直方向对齐。

在本发明方法的一个简单实施例中，控制电路18可以只检测x和y坐标，并假定放置有元件的底板6的上表面的z坐标由位于放置工位8处的放置工作台的高度和底板6的厚度来预定。

与图1相比，为达到这个效果，该放置机器的简化实施例只需一个摄像头19就已经足够了，该摄像头优选从上方垂直地指向底板6。也可使用该摄像头对所述底板的坐标进行近似测量，该摄像头使用了称为摄影术的自动对焦技术。在图1所示具有两个摄像头19的实施例中，控制电路18可以从摄像头19所获取的图像中，以相类似的精度来计算基准标记24的x、y、z坐标。

图1中的放置机器既可用于利用分配器13来涂敷粘合剂，也可用于利用抓取装置14在所涂敷的粘合剂上放置电路元件，同时底板6位于放置工位8上。为了在处理底板时避免分配器13和抓取装置14发生干涉，或者为了提高放置机器的生产能力，根据一个先进实施例(未示出)，提供了两个与带传送装置、例如2，3相连的处理工位，其中在第一个处理工位处分配器在底板上涂敷粘合剂，同时在第二个处理工位处抓取装置在另一个底板上放置元件。

图3根据流程图而说明了图1所示放置机器的操作。在步骤S1中，待安装的电路底板放置就位于放置工位8处。在步骤S2中，摄像头19检测底板1上的基准标记24。

CAD系统所使用的在坐标系中给出的基准标记24的坐标，同样包括在提供给控制电路18的结构数据中。基于这些坐标和在xyz坐标系中检测的坐标，控制电路18可以计算出用于将包含在结构数据中与元件位置相关的数据从CAD系统的现有未知坐标系转换成放置机器S3的xyz坐标系(步骤S3)的转换规则，并执行这种转换(步骤S4)。

在下一个步骤S5中，控制电路18选择将要放置在底板6上的衬底，例如图2的示例中的衬底20。为此，对于每一个元件而言，结构数据都可包括该元件或将要(直接或间接地)放置在底板6上的衬底在底板6上的读数。然而，也可能基于涉及包含在结构数据中的底板形状以及元件的位置和形状的读数，来计算得出元件的结构数据，这些底板和元件必须直接放置在底板上。

当控制电路18在数据中选择衬底20后，控制电路18驱使抓取装置14从元件供应单元25中抓取该衬底20的样件，并根据步骤S6中的结构数据的读数而将它放置在底板6上。

在步骤S7中，控制电路18检测本身具有基准标记26的衬底20。如果衬底20的放置完全正确，则基准标记26的检测位置与结构数据中设定的理论位置相一致。基于基准标记26的测量位置与理论位置的差异，控制电路18在步骤S8中计算进一步的转换规则，该转换规则将基准标记26的理论位置转换为测量位置。这种转换规则可适用于在步骤S9中直接或间接地放置在衬底20上的所有元件的位置数据，即适用于图2示例中衬底21、22和放置在衬底上的电子元件23的位置数据。

图4A至4C中说明了该过程的使用。矢量V20、V21指出了放置机器的xyz坐标系的xy平面中衬底20、21的基准点的位置，基准点在这里为一个角。这两个衬底的位置由该矢量和定向角α20和α21各自完全确定。

图4B中以高度夸大的方式用虚线轮廓显示了衬底20在结构数据中设定的预期位置，用实线轮廓显示了衬底20的实际位置。应该立即意识到，在放置衬底21时如果没有考虑衬底20的位移，则会导致衬底20上的衬底21的不正确位置。然而，通过步骤S9的转换，控制电路18准备安装衬底21的位置就移位至图4C中实线轮廓所示的位置，从而使得衬底21相对于衬底20得以正确地放置。

在此校正后，控制电路在将要放置在衬底20上的电路元件中选择将直接放置在衬底20上的电路元件，并在步骤S11中进行放置，其中这种元件是图2所示情形中衬底21、22中的一个。由于所放置的电路元件是衬底，因此程序分支从步骤S12折回到步骤S7，因而在这次检测衬底22上的基准标记。再次形成转换规则，以应用于将放置在衬底21上的元件的坐标上。在此处所考虑的情形下，这些元件是将要通过执行步骤S11到S13达两次的两个电子电路元件23，而非衬底。如果在这些待放置元件中有衬底，则步骤S7至S13将必须在进一步的折回水平上进行重复(图3中未示出)。

当衬底21完全装备好元件时，该程序回到第一循环水平的步骤S13以放置衬底22，然后，重复步骤S7至S13，以便在衬底上面放置电子元件23。

当衬底20这样完全装备好元件时，控制电路18在步骤S14中检查在结构数据中是否还剩有将要放置在底板6上的衬底。由于这不是图2中所示示例的情形，因此程序在这里结束。

图5的流程图简要解释了在步骤S6和S11中放置元件时将执行的子步骤。

首先，在步骤S60中，粘合剂涂敷在衬底的将要放置元件的那部分表面上。这一步骤可以在对所有将要放置在衬底上的元件进行放置之后来执行。

当抓取器14已从控制电路18指定的元件供应单元中抓取元件后，抓取器14移动到xy平面中的位于步骤S61中指定用于结构数据的相关元件的位置上方的一个位置处。在某种程度上，这种移动动作可以与抓取器在步骤S61中快速向下移动时同时发生，至少直到达到与已放置的电路元件不接触的高度为止。将要放置电路元件的表面的高度(所述坐标)是已知的，可以通过摄像头19所检测到的所述表面上的基准标记如24、26的位置来计算得到，或者通过从结构数据中计算得到。

当高度变得比取决于抓取器移动速度的极限高度要低时(S63)，抓取器的速度减小(S64)，以防止抓取器所抓取的元件与将要放置于其上的表面之间发生强烈的碰撞。这种强烈的碰撞会导致元件的损坏或者粘合剂从元件与表面间缝隙之间的间隙中不可控地泄漏。抓取器设有力传感器，以允许在元件与粘合层发生表面接触时检测作用于元件上的压力。这个力设定为这样的数值，该数值在结构数据中设定，并根据粘合剂的粘性以及元件与粘合层之间的接触表面的尺寸和形状来预先确定。该数值凭经验确定，例如通过增加两个元件之间的间隙，使得可充分地压紧粘合层以便将空气从元件和表面之间的间隙排出，同时不会使粘合剂从电路元件的另一边露出，这种粘合剂的露出会对受压元件或相邻元件的信号传输有一定的影响。该压力保持一段较短的时间间隔，考虑到粘合剂的粘性，该时间间隔会选择成足够长，以便粘合层中的弹性应力衰退。这样，当抓取器松开元件并再次抬起时，元件就可保持恰好处于待放置的位置上。

Claims (11)

1.一种根据预定的位置数据在底板(6)上自动放置电路元件(20至23)的方法，包括以下步骤：

a)检测(S2)形成于底板(6)上的至少一个基准标记(24)的位置；

b)基于所述第一基准标记(24)的检测位置和用于衬底(20)的预定位置数据，来计算(S4)用于在所述底板(6)上放置所述衬底(20)的目标位置，并把所述衬底(20)放置(S6)在所述计算出的位置上；

c)检测(S7)形成于所述衬底(20)上的至少一个第二基准标记(26)的位置；

d)基于所述第二基准标记(26)的检测位置和用于所述元件(21，22)的预定位置数据，来计算(S9)在所述衬底(20)上放置另一元件(21，22)的目标位置，并把所述元件(21，22)放置(S11)在所述计算出的位置上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述元件(21，22)压在以预定的按压力和/或按压时间而涂敷在所述衬底(20)上的粘合层上(S65)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述按压力和/或按压时间取决于所述元件(21，22)的形状。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，当放置所述元件(21，22)时，所述元件(21，22)垂直于所述衬底(20)移动(S62)，并在接触到所述衬底的表面之前减速(S64)。

5.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述步骤d)的(S9)中，元件的目标位置在考虑所述衬底(20)的厚度后在三个空间方向上计算获得，所述元件(21，22)在到达这样计算出的目标位置的高度之前减速(S64)。

6.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，在所有三个空间方向上检测至少三个第一基准标记(24)的位置(S2)，基于所述三个第一基准标记(24)的所检测高度来计算所述目标位置的衬底(20)的高度(S9)。

7.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述目标位置处测量所述衬底表面的高度，所述元件(21，22)在到达所测量的高度之前减速(S64)。

8.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，当所述底板位于同一个放置机器上时，执行所述步骤a)至步骤d)。

9.根据权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述步骤a)和步骤b)在第一放置机器上执行，所述步骤c)和步骤d)在第二放置机器上执行。

10.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述预定的位置数据从CAD系统传送到用于执行步骤a)至步骤d)的所有放置机器上。

11.根据上述权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，电路的元件是衬底(20至22)和/或电路元件(23)。

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