DE102004008082A1

DE102004008082A1 - Verfahren zum Bestücken eines Schaltungsträgers

Info

Publication number: DE102004008082A1
Application number: DE102004008082A
Authority: DE
Inventors: Willibald Konrath; Haiko Schmelcher
Original assignee: Marconi Communications GmbH
Current assignee: Ericsson AB
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-08
Also published as: WO2005081610A2; WO2005081610A3

Abstract

Zum Bestücken eines Schaltungsträgers mit Schaltungskomponenten (1) wird: DOLLAR A a) der Ort einer zu platzierenden Komponente (1) bestimmt; DOLLAR A b) ein Handhabungswerkzeug (6) zum Aufnehmen der Komponente (1) an dem bestimmten Ort platziert; DOLLAR A c) das Handhabungswerkzeug (6) betätigt, um die Komponente (1) aufzunehmen und DOLLAR A d) mit Hilfe einer Kamera (12) überprüft, dass die Komponente (1) vom Handhabungswerkzeug (6) aufgenommen ist und DOLLAR A e) das Handhabungswerkzeug zum Schaltungsträger bewegt, um die Komponente zu platzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatisierten Bestücken eines Schaltungsträgers, insbesondere eines Keramiksubstrats oder eines anderen Typs von für Hochfrequenzanwendungen geeignetem Schaltungsträger.

Bekannte Verfahren und Vorrichtungen für die automatisierte Bestückung nutzen Verfahren der elektronischen Bilderkennung, um in einem Bild eines Vorrats von Schaltungskomponenten eine einzelne Komponente zu erkennen, deren Ort und Orientierung herauszufinden, und dann ein Handhabungswerkzeug an den Ort der Schaltungskomponente zu führen und diese aufzunehmen. Als Handhabungswerkzeuge sind Vakuum-Saugspitzen verbreitet, die mit einem Unterdruck beaufschlagbar sind, um die aufzunehmende Schaltungskomponente anzusaugen und festzuhalten, bis sie am vorgesehenen Ort des Schaltungsträgers durch Aufheben des Unterdrucks wieder abgesetzt wird. Ob eine Schaltungskomponente erfolgreich aufgenommen worden ist, kann durch Messen des an der Saugspitze herrschenden Unterdrucks herausgefunden werden. Wenn die Aufnahme nicht gelungen ist, ist die Saugspitze offen, und der dort herrschende Unterdruck ist messbar geringer als wenn eine erfolgreich aufgenommene Komponente die Öffnung der Saugspitze verdeckt.

Es gibt Typen von Schaltungskomponenten, die mit dieser herkömmlichen Technik schwierig zu handhaben sind. Dazu gehören insbesondere die sogenannten Beamlead-Bauelemente. Dabei handelt es sich um Halbleiterbauelemente mit einer sehr kleinen Chipgröße von typischerweise ca. 100 bis 400 μm Kantenlänge, die zu ihrer Kontaktierung seitlich abstehende flächige metallische Anschluss- oder Lötfahnen tragen. Derartige Komponenten sind aufgrund ihrer Kleinheit, der Sprödigkeit des Halbleitermaterials und der Empfindlichkeit der Anschlussfahnen schwierig zu handhaben, sie sind aber speziell bei Hochfrequenzanwendungen stellenweise unverzichtbar, da mit ihnen extrem geringe parasitäre Kapazitäten und damit hohe Schaltgeschwindigkeiten erreichbar sind.

Bei dem Versuch, die Montage derartiger Bauelemente zu automatisieren, tritt eine ganze Reihe von Schwierigkeiten auf. Zum einen muss der freie Querschnitt einer Saugspitze, die zum Aufnehmen der Komponenten eingesetzt werden soll, sehr klein sein, damit sie vollständig auf den Halbleiterkristall der Komponente aufgesetzt werden kann und keine Gefahr besteht, dass die angesaugte Komponente verkantet und der Halbleiterkristall Schaden nimmt. Um die empfindlichen Komponenten zu schonen, muss auch die Saugkraft gering sein. Dies beides führt dazu, dass durch Messung des Drucks an der Saugspitze nicht sicher beurteilt werden kann, ob eine Komponente erfolgreich aufgenommen worden ist oder nicht. Wenn das Aufnehmen der Komponente fehlschlägt und dies nicht erkannt wird, besteht die Gefahr, dass beim Versuch des Platzierens auf dem Schaltungsträger die Saugspitze anstelle der vermeintlich daran gehaltenen Komponente einen vorher auf dem Schaltungsträger aufgebrachten Kleber berührt. Dann muss der Bestückungsvorgang unterbrochen werden, um die Saugspitze zu reinigen.

Ein weiteres Problem bei der automatisierten Handhabung von Beamlead-Bauelementen ist die korrekte Erkennung ihrer Orientierung. Es bereitet im Allgemeinen keine Schwierigkeiten, den Körper eines Beamlead-Bauelements vor einem Hintergrund automatisch zu erkennen, dessen Helligkeit sich von der des Körpers hinreichend deutlich unterscheidet. Der Körper weist aber im Allgemeinen keine Merkmale auf, die einen Rückschluss auf die Orientierung des Bauelements zulassen. Die Orientierung eines Beamlead-Bauelements ist im Allgemeinen nur an der Form seiner Anschlussfahnen erkennbar, von denen herkömmlicherweise die eine ein angespitztes und die andere ein schwalbenschwanzförmiges freies Ende hat. Es ist zwar möglich, diese Anschlussfahnen jeweils automatisch in einem vor einem dunklen Hintergrund aufgenommenen Bild der Komponente zu erkennen, doch sind die herkömmlicherweise beim automatisierten Bestücken verwendeten Bildverarbeitungsverfahren nicht in der Lage, die zwei Anschlussfahnen als Teile eines gleichen Objekts zu erkennen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren für die automatisierte Bestückung eines Schaltungsträgers mit Schaltungskomponenten zu schaffen, das zur Handhabung von hoch empfindlichen Komponenten, insbesondere von Beamlead-Komponenten, geeignet ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Da das Vorhandensein der Komponente am Handhabungswerkzeug auf optischem Wege überprüft wird, bestehen keinerlei Einschränkungen hinsichtlich der Auswahl einer geeigneten Technik zum Aufnehmen der Komponenten. Dies kann in herkömmlicher Weise auch weiterhin durch Ansaugen geschehen; da kein nachweisbarer Druckabfall benötigt wird, um das Vorhandensein der Komponente am Handhabungswerkzeug zu erkennen, kann die Saugleistung niedrig bemessen sein, so dass sie zum Aufnehmen der Schaltungskomponente ausreicht, aber keine Gefahr einer Beschädigung der Komponente durch die Saugkraft besteht.

Um den Ort, an dem sich eine zu platzierende Komponente befindet, vor ihrer Aufnahme durch das Handhabungswerkzeug zu bestimmen, wird vorzugsweise eine mit dem Handhabungswerkzeug bewegliche Kamera eingesetzt, die auch dazu dienen kann, die Platzierung der Komponente auf dem Schaltungsträger zu überprüfen, wenn erstere dort von dem Handhabungswerkzeug abgesetzt worden ist.

Zum Überprüfen des Vorhandenseins der Komponente am Handhabungswerkzeug dient vorzugsweise eine andere Kamera, welche ortsfest sein kann. Es existieren bereits automatische Bestückungssysteme mit zwei solchen Kameras, wobei die zweite herkömmlicherweise dazu dient, elektrische Kontaktpunkte an der Unterseite eines am Handhabungswerkzeug gehaltenen Flipchip-Bauelements zu lokalisieren. Ein solches Bestückungssystem kann daher ohne nennenswerten apparativen Aufwand, allein durch eine Anpassung seines Betriebsprogramms, zur Nutzung gemäß der Erfindung brauchbar gemacht werden.

Um das Handhabungswerkzeug beim Aufnehmen exakt auf dem Körper einer Schaltungskomponente zu platzieren, auch wenn dieser in dem von der ersten Kamera erzeugten Bild nicht ohne Weiteres erkennbar ist, werden zweckmäßigerweise in diesem Bild zunächst die Orte von wenigstens zwei Teilbereichen der Komponente, insbesondere ihrer Anschlussfahnen, bestimmt, und der Ort des Körpers wird aus den Orten der Teilbereiche anhand eines Modells der Komponente berechnet. Im einfachsten Falle kann dieses Modell aus der Information bestehen, dass der Körper mitten zwischen den zwei Anschlussfahnen zu finden ist.

Wenn die zwei Teilbereiche unterschiedliche Gestalt haben, kann durch Unterscheiden zwischen ihnen auch die Orientierung der Schaltungskomponente anhand des von der ersten Kamera aufgenommenen Bildes erkannt werden.

Eine bevorzugte Form eines Handhabungswerkzeugs zur Handhabung von Beamlead-Bauelementen hat eine über dem Körper des Beamlead-Bauelements zu positionierende Saugspitze und mit der Saugspitze verbundene Füße, die zum Platzieren über den Anschlussfahnen vorgesehen sind. Füße und Saugspitze sind so gegeneinander platziert, dass, wenn die Füße die Anschlussfahnen berühren, ein Spalt zwischen Saugspitze und Körper bestehen bleibt, und der Unterdruck, mit dem die Saugspitze beaufschlagt wird, ist so bemessen, dass auch wenn das Bauelement vom Handhabungswerkzeug aufgenommen ist, ein Zwischenraum zwischen Saugspitze und Körper frei bleibt. Eine Beschädigung des Körpers durch das Handhabungswerkzeug ist auf diese Weise ausgeschlossen.

Zur Überprüfung des Vorhandenseins der aufgenommenen Komponente kann in dem von der zweiten Kamera aufgenommenen Bild in an sich bekannter Weise nach dem Umriss der Komponente gesucht werden. Wenn die Komponente dunkel ist, muss dann allerdings das Handhabungswerkzeug einen hellen Hintergrund bilden, damit der Umriss der Komponente leicht erkennbar ist. Vor diesem hellen Hintergrund zeichnet sich, wenn die Komponente nicht vorhanden ist, auch eine Saugöffnung der Saugspitze dunkel ab. Um Verwechslungen auszuschließen, ist es daher zweckmäßiger, in einem vor dunklem Hintergrund aufgenommenen Bild nach hellen Teilbereichen der Komponente zu suchen und die Komponente als erfolgreich aufgenommen anzusehen, wenn wenigstens ein solcher Teilbereich identifiziert wird.

Vorzugsweise werden wenigstens zwei solche Teilbereiche identifiziert; wenn es sich bei diesen Teilen um die Anschlussfahnen eines Beamlead-Bauelements handelt, kann anhand dieser Identifikation die Orientierung des Bauelements erkannt werden, sofern dies nicht schon im Laufe der Verarbeitung des von der ersten Kamera gelieferten Bildes, vor dem Aufnehmen des Bauelements, erfolgt ist, oder die zu diesem Zeitpunkt erkannte Orientierung kann anhand des von der zweiten Kamera aufgenommenen Bildes noch einmal verifiziert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Beamlead-Bauelements in einem sogenannten Waffle Pack;
2 eine schematische Darstellung eines Handhabungswerkzeug und einer ersten Kamera beim Aufnehmen des Beamlead-Bauelements aus dem Waffle Pack;
3 eine schematische Darstellung des Handhabungswerkzeugs mit aufgenommenem Beamlead-Bauelement vor einer zweiten Kamera;
4 ein von der zweiten Kamera aufgenommenes Bild; und
5 das Handhabungswerkzeug beim Platzieren des Beamlead-Bauelements auf einem Schaltungsträger.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Beamlead-Bauelements 1 mit einem Körper 2 aus einem strukturierten Halbleiterkristall und zwei sich von dem Körper 2 aus in entgegengesetzter Richtungen erstreckenden Anschlussfahnen 3, 4 in Form von flachen Metallstreifen, von denen der eine 3 an seinem freien Ende angespitzt und der andere 4 eingekerbt ist. Derartige Bauelemente werden von den Herstellern häufig in sogenannten Waffle Packs vertrieben, Kunststoffplatten, in die eine Vielzahl von Kammern 5 geprägt sind, von denen jede ein Bauelement aufnimmt. Bei Nichtgebrauch sind die Kammern 5 durch einen gemeinsamen Deckel verschlossen, der vor Entnahme der Bauelemente entfernt wird und deshalb in der Figur nicht dargestellt ist. Da die Kammer 5 wesentlich größer als das Bauelement 1 ist und das Bauelement 1 in der Kammer 5 beweglich ist, muss, bevor das Bauelement 1 von einem Handhabungswerkzeug automatisiert aufgenommen werden kann, der genaue Ort des Bauelements 1 bestimmt werden.
2 zeigt ein Handhabungswerkzeug 6 und eine elektronische Kamera 7, die gemeinsam an einem Roboterarm oder einem vergleichbaren Werkzeug beweglich sind und über einem Beamlead-Bauelement 1 in einer Kammer 5 positioniert sind, um es aufzunehmen. Das halb im Schnitt dargestellte Handhabungswerkzeug 6 hat einen im Wesentlichen kegelförmigen Körper, durch den sich axial ein Saugkanal 8 erstreckt. Wie man in der Ansicht des Handhabungswerkzeugs von unten in 3 erkennt, ist die untere Mündung des Saugkanals 8 von einem ringförmig flachen Sitz 9 umgeben. Zwei Füße 10 sind einander diametral gegenüberliegend an den Flanken des Kegels ausgebildet. Der Höhenunterschied zwischen den Sohlen 11 der Füße und dem Sitz 9 ist geringfügig größer als die Höhe des Körpers 2 des Bauelements 1.
Ein nicht dargestellter Mikroprozessor empfängt ein von der Kamera 7 aufgezeichnetes Bild der kammer 5 und sucht in diesem Bild nach den Umrissen der Anschlussfahnen 3, 4 des Bauelements 1. Um deren Erkennung zu erleichtern, ist der Hintergrund des Bildes dunkel gemacht, z.B. indem ein Waffle Pack aus dunklem Material verwendet oder ein transparentes Waffle Pack auf eine dunkle Unterlage gelegt wird. Aus der Lage der Anschlussfahnen 3, 4 im Bild berechnet der Mikroprozessor ihre räumliche Position und die des zwischen ihnen liegenden Körpers 2. Anhand dieser Information wird das Handhabungswerkzeug 6 exakt über dem Bauelement 1 positioniert und dann heruntergefahren, so dass seine Füße 10 auf den Anschlussfahnen 3, 4 aufsitzen. Da der Höhenunterschied zwischen den Sohlen 11 und dem Sitz 9 größer ist als die Höhe des Körpers 2, kommt der Sitz 9 mit dem Körper 2 nicht unmittelbar in Berührung.
Durch Unterscheiden zwischen den Anschlussfahnen 3, 4 im Bild der Kamera 7 ist der Mikroprozessor auch in der Lage, die Orientierung des Bauelements 1 zu erkennen und sie später beim Absetzen auf einem Schaltungsträger zu berücksichtigen.
Der Saugkanal 8 wird nun mit einem Unterdruck beaufschlagt, der so bemessen ist, dass er zwar ausreicht, um das Bauelement 1 anzuheben, nicht aber, um die Anschlussfahnen 3, 4 so weit zu biegen, dass der Körper 2 sich an den Sitz 9 anlegt.
4 zeigt das Handhabungswerkzeug 6 mit dem in dieser Weise aufgenommenen Bauelement 1 in einer Position oberhalb einer zweiten Kamera 12, die unbeweglich ist und vom Handhabungswerkzeug 6 auf seinem Weg von der Kammer 5 zu einem zu bestückenden Schaltungsträger aufgesucht wird, um zu überprüfen, dass das Bauelement 1 tatsächlich erfolgreich aufgenommen worden ist.
5 zeigt schematisch ein Bild, wie es von der Kamera 12 aufgenommen wird, wenn das Bauelement 1 erfolgreich aufgenommen wurde, im Gegensatz zu dem Bild der 3, das die Kamera 12 aufnehmen würde, wenn die Aufnahme des Bauelements gescheitert ist. Während der Körper 2 des Bauelements 1 wie der Körper des Handhabungswerkzeugs 6 dunkel ist, so dass beide kaum gegeneinander kontrastieren und in dem Bild nicht sicher voneinander zu unterscheiden sind, zeichnen sich die hell reflektierenden Anschlussfahnen 3, 4 deutlich ab. Zu ihrer Identifizierung in dem Bild können weitgehend dieselben Programmroutinen eingesetzt werden wie vorher in dem von der Kamera 7 erzeugten Bild. Wenn die zwei Anschlussfahnen 3, 4 erfolgreich im Bild der Kamera 12 identifiziert werden, so bedeutet dies, dass das Bauelement 1 korrekt aufgenommen wurde, und das Handhabungswerkzeug wird weiter bewegt zu einem Schaltungsträger 13, um dort, wie in 6 gezeigt, das Bauelement 1 mit seinen Anschlussfahnen 3, 4 auf zwei zuvor auf dem Schaltungsträger 13 abgesetzten Tropfen 14 eines elektrisch leitfähigen Klebstoffs zu platzieren.
Scheitert die Identifizierung der Anschlussfahnen 3, 4 in dem von der Kamera 12 aufgenommenen Bild, so wird angenommen, dass das Bauelement 1 nicht korrekt aufgenommen worden ist, und das Handhabungswerkzeug 6 und die Kamera 7 werden zu der Kammer 5 zurückgefahren, um zu überprüfen, ob das Bauelement 1 darin zurückgeblieben ist. Wenn ja, wird erneut versucht, es aufzunehmen, andernfalls wird eine andere Kammer 5 des Waffle Pack angefahren und von dort ein Bauelement aufgenommen.
Mit dem beschriebenen Verfahren können auch hoch empfindliche Bauelemente zuverlässig und präzise automatisch auf einem Schaltungsträger platziert werden. Fehlaufnahmen werden erkannt und abgefangen, bevor sie zu Betriebsstörungen führen, die zu ihrer Korrektur menschliches Eingreifen erfordern. Da Beschädigungen der Bauelemente beim Platzieren so gut wie ausgeschlossen sind, werden fast ausschließlich brauchbare fertig bestückte Schaltungen erhalten; Ausschuss oder zeitaufwändige Nachbearbeitungen fehlerhafter Schaltungen kommen so gut wie nicht vor.

Claims

Verfahren zum Bestücken eines Schaltungsträgers (13) mit Schaltungskomponenten (1), mit den Schritten: a) Bestimmen des Orts einer zu platzierenden Komponente (1); b) Platzieren eines Handhabungswerkzeugs (6) zum Aufnehmen der Komponente (1) an dem bestimmten Ort; c) Betätigen des Handhabungswerkzeugs (6), um die Komponente (1) aufzunehmen; und e) Bewegen des Handhabungswerkzeugs (6) zum Schaltungsträger (13), um die Komponente zu platzieren; dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten c) und e) d) optisch überprüft wird, dass die Komponente (1) vom Handhabungswerkzeug (16) aufgenommen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ortsbestimmung des Schritts a) eine mit dem Handhabungswerkzeug (6) bewegliche Kamera (7) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Orte von wenigstens zwei Teilbereichen (3, 4) der Komponente (1) bestimmt werden und als Ort der Komponente (1) ein aus den Orten der Teilbe reiche (3, 4) anhand eines Modells der Komponente (1) berechneter Ort angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Beamlead-Bauelement (1) ist, dass die zwei Teilbereiche Anschlussfahnen (3, 4) des Beamlead-Bauelementes (1) sind und dass als Ort der Komponente (1) der Ort angenommen wird, an dem sich ein Körper (2) des Beamlead-Bauelementes (1) befindet.
Verfahren nach Anspruch nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufnehmen der Komponente (1) eine Saugspitze des Handhabungswerkzeugs (6) mit Unterdruck beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufnehmen der Komponente (1) die Saugspitze über dem Körper (2) des Beamlead-Bauelements und mit der Saugspitze verbundene Füße (10) des Handhabungswerkzeugs (6) über den Anschlussfahnen (3, 4) platziert werden, und dass der Unterdruck bemessen ist, um die Anschlussfahnen (3, 4) gegen die Füße (11) gedrückt zu halten und zwischen Saugspitze und Körper (2) einen Zwischenraum freizulassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die optische Bestimmung des Schritts d) das Hand habungswerkzeug (6) im Blickfeld einer Kamera (12) platziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Kamera (12) ein Bild aufgenommen wird, in dem das Handhabungswerkzeug (6) einen dunklen Hintergrund bildet, und dass in Schritt d) die Komponente (1) als aufgenommen angesehen wird, wenn wenigstens ein heller Teilbereich (3, 4) der Komponente (1) in dem Bild identifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilbereiche (3, 4) der Komponente in einem von der Kamera (12) aufgenommenen Bild identifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Bildern der Kamera (7) und der Kamera (12) identifizierten Teilbereiche (3, 4) dieselben sind.