DE102004036819A1 - Verfahren zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, optisches Messsystem - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, optisches Messsystem Download PDF

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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/08Monitoring manufacture of assemblages
    • H05K13/089Calibration, teaching or correction of mechanical systems, e.g. of the mounting head

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, bei dem ein Bauelement (120) von einer Haltevorrichtung (112) eines Bestückkopfes (110) aufgenommen und in eine Messposition gebracht wird, welche sich in einem vorbestimmten Abstand relativ zu einer Markierung (131) auf dem Bauelementeträger (130) befindet. Zur Bestimmung der relativen Lage zwischen dem Bauelement (120) und der Markierung (131) wird ein Strahlumlenkelement (150), welches einen mit einer Kamera (140) optisch gekoppelten optischen Eingang und zwei optische Ausgänge aufweist, zwischen das Bauelement (120) und die Markierung (131) derart eingebracht, dass sich das Bauelement (120) über einen ersten optischen Ausgang und die Markierung über den zweiten optischen Ausgang in dem Gesichtsfeld der Kamera (140) befinden. Nachfolgend werden sowohl das Bauelement (120) als auch die Markierung (131) gleichzeitig von der Kamera (140) erfasst und der Positionsversatz des Bauelements (120) von einer Bildauswerteeinheit ermittelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, welcher einen Bestückkopf zum Transportieren eines Bauelements von einer Abholposition einer Bauelement-Zuführvorrichtung hin zu einer Aufsetzposition auf einem Bauelementeträger aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein optisches Messsystem zur Vermessung der Relativlage zwischen einer auf einem Bauelementeträger angebrachten Markierung und einem oberhalb der Markierung in einer Messposition befindlichen Bauelement.
  • Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen wird an die Bestückgenauigkeit von Bestückautomaten, mittels welchen elektronische Bauelemente auf einen elektronischen Bauelementeträger, beispielsweise eine Leiterplatte oder sonstige Schaltungsträger aufgebracht werden, hohe Anforderungen gestellt. Da die Bestückgenauigkeit im Verlauf des Betriebes eines Bestückautomaten insbesondere durch thermische Verzüge stets Schwankungen unterworfen ist, ist es erforderlich, die Bestückgenauigkeit von Zeit zu Zeit zu überprüfen und den Bestückautomaten gegebenenfalls neu zu kalibrieren.
  • Aus der EP 968 637 B1 ist ein Verfahren zum Vermessen einer Bestückvorrichtung zur Herstellung von elektronischen Baugruppen bekannt, bei dem eine Test-Leiterplatte mittels sogenannten Kalibrierungsbauelementen bestückt wird. Die Kalibrierungsbauelemente sind bevorzugt aus Keramikmaterial hergestellte scheibenartige Nachbildungen von Bauelementen. Die genaue Lage der bestückten Kalibrierungsbauelemente relativ zu Referenzmarken auf der Testplatte wird von einem optischen Sensor erfasst und daraus die Abweichungen der realen Bestückpositionen von ihrer jeweiligen Soll-Position bestimmt.
  • Auf diese Weise kann die Bestückgenauigkeit und der Positionsversatz eines Bestückautomaten für jede Position auf der Test-Leiterplatte ermittelt werden. Das Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit der Betrieb des Bestückautomaten unterbrochen werden muss, so dass die effektiv zu erzielende Bestückleistung, d.h. die Anzahl an Bauelementen, die pro Zeiteinheit bestückt werden können, entsprechend reduziert ist.
  • Aus der US 5,003,692 ist ein Bestückverfahren bekannt, bei dem die zu bestückenden Bauelemente von einer optisch transparenten Saugpipette gehalten werden und die Position des Bauelements relativ zu einer vorgegebenen Bestückposition von einer Kamera erfasst wird, welche durch die optisch transparente Pipette hindurch das Bauelement und entsprechende Markierungen auf der Leiterplatte erfasst. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die optische Abbildung infolge der durch das Pipettenmaterial und die Form der Pipette verursachten Lichtbrechung schlecht ist und zudem für unterschiedliche Saugpipetten stark unterschiedlich ist. Unterschiedliche Saugpipetten sind aber zur zuverlässigen Aufnahme von Bauelementen mit unterschiedlichen Bauformen erforderlich. Zur Durchführung des Bestückverfahrens ist deshalb eine aufwendige Bildverarbeitung erforderlich. Ein weiterer Nachteil des genannten Bestückverfahrens besteht darin, dass eine zur Bildaufnahme des Bauelements erforderliche Beleuchtung durch die transparente Saugpipette hindurch schwer zu realisieren ist und deshalb unterschiedliche Beleuchtungen, welche zur zuverlässigen Erkennung von unterschiedlichen Bauelementen erforderlich sind, in der Praxis nicht realisiert werden können.
  • Aus der US 5,249,349 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein bestücktes Bauelement unmittelbar nach dem Aufsetzen auf einen Bauelementeträger von zwei seitlich angeordneten Kameras erfasst wird, welche die Bestückposition unter einem schrägen Winkel erfassen. Somit kann unmittelbar nach dem Aufsetzen des Bauelements die effektive Bestückposition vermessen werden. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Bestückgenauigkeit erst nach dem eigentlichen Bestückvorgang erfasst wird, so dass bei einer geringen Bestückgenauigkeit die Bauelemente gegebenenfalls wieder entfernt und neu aufgesetzt werden müssen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Bestückgenauigkeit des Bestückautomaten zu schaffen, welches ohne eine längere Unterbrechung des Bestückbetriebes durchgeführt werden kann und welches eine zuverlässige Bestimmung der Bestückgenauigkeit ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein optisches Messsystem zu schaffen, welches auf einfache und effektive Weise eine Vermessung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten ermöglicht.
  • Die verfahrensbezogene Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach wird zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, welcher einen Bestückkopf zum Transportieren eines Bauelements von einer Abholposition einer Bauelement-Zuführvorrichtung hin zu einer Aufsetzposition auf einem Bauelementeträger aufweist, zunächst ein Bauelement von einer Haltevorrichtung des Bestückkopfes aufgenommen und das aufgenommene Bauelement in eine Messposition gebracht, welche sich in einem vorbestimmten Abstand relativ zu einer Markierung auf dem Bauelementeträger befindet. Nachfolgend wird ein Strahlumlenkelement, welches einen mit einer Kamera optisch gekoppelten optischen Eingang und zwei optische Ausgänge aufweist, zwischen das Bauelement und die Markierung derart eingebracht, dass sich einerseits das Bauelement über einen ersten optischen Ausgang und andererseits die Markierung über den zweiten optischen Ausgang über dem Gesichtsfeld der Kamera befinden. Das Bauelement und die Markierung werden dann gleichzeitig von der Kamera erfasst und die Abweichung der Messposition von einer der Messposition zugeordneten Soll- Position mittels einer der Kamera nachgeschalteten Bildauswerteeinheit ermittelt.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, die Bestückgenauigkeit unmittelbar vor dem Aufsetzen des Bauelements auf dem Bauelementeträger zu vermessen. Dies hat den Vorteil, dass die Bestimmung der Bestückgenauigkeit unter realen Bedingungen erfolgt, so dass die ermittelten Ergebnisse den realen Bestückbetrieb sehr genau widerspiegeln. Insbesondere kann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein herkömmlicher Bauelementeträger bzw. eine herkömmliche Leiterplatte verwendet werden, welche üblicherweise entsprechende Markierungen für eine genaue Positionierung des Bauelementeträgers relativ zu einem Bestückfeld aufweisen. Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass die Positionsvermessung des Bauelements nach dem Prinzip der Relativmessung zu einer Markierung durchgeführt werden kann, welche sich bevorzugt in räumlicher Nähe zu der Messposition befindet. Das Prinzip der Relativmessung zu einer in räumlicher Nähe angebrachten Markierung ermöglicht die Realisierung einer hohen Messgenauigkeit.
  • Gemäß Anspruch 2 wird die genaue räumliche Lage des aufgenommenen Bauelements in einer Messposition bestimmt, welche sich oberhalb der Markierung befindet. Dies bedeutet, dass eine virtuelle Verbindungslinie zwischen der Messposition und der Markierung senkrecht zu der Oberfläche des Bauelementeträgers verläuft. Dies hat den Vorteil, dass nach der Positionsvermessung das zu bestückende Bauelement nur noch durch eine entsprechende Bewegung der Haltevorrichtung entlang einer zu der Oberfläche des Bauelementeträgers senkrecht verlaufenden z-Richtung bewegt werden muss und zur Bestückung eine Bewegung des Bestückkopfes und/oder der Haltevorrichtung in eine zu der z-Richtung senkrechten x- bzw. y-Richtung nicht mehr erforderlich ist. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Genauigkeit für die Bestimmung des effektiven Positionsversatzes erreicht.
  • Gemäß Anspruch 3 wird zumindest eine Anschlussfläche des Bauelementeträgers, welche zur elektrischen Kontaktierung zwischen dem Bauelementeträger und einem bestückten Bauelement dient, als Markierung verwendet. Dies hat den Vorteil, dass zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewöhnliche Leiterplatten verwendet werden können, auf welchen üblicherweise eine Vielzahl von Anschlussflächen ausgebildet sind.
  • Die in Anspruch 4 vorgeschlagene Verwendung von für ein zweipoliges passives Bauelement vorgesehenen Anschlussflächen als Markierung hat den Vorteil, dass die entsprechenden Anschlussflächen eine einfach zu erkennende Markierung darstellen, welche eine besonders genaue Positionsvermessung ermöglichen und zudem in großer Anzahl auf den meisten Schaltungsträgern vorhanden sind.
  • Gemäß Anspruch 5 werden als Bauelemente spezielle Kalibrierungsbauelemente verwendet, welche bevorzugt mit einer hohen mechanischen Präzision gefertigt sind und eine gute optische Erkennbarkeit aufweisen. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass die Kalibrierungsbauelemente eine Farbe aufweisen, welche vor den durch den Bauelementeträger dargestellten Hintergrund gut erkannt werden kann. Als Kalibrierungsbauelemente eignen sich insbesondere Keramikbausteine, welche zur besseren Erkennbarkeit entsprechend eingefärbt sind. Es wird darauf hingewiesen, dass an Stelle von Kalibrierungsbauelementen auch reale Bauelemente verwendet werden können, welche beispielsweise aufgrund ihrer kontrastreichen Oberfläche eine gute optische Erkennbarkeit gewährleisten.
  • Gemäß Anspruch 6 befindet sich bei der Vermessung des Positionsversatzes des von der Haltevorrichtung gehaltenen Bauelements der Bauelementeträger unterhalb der eigentlichen Bestückebene des Bestückautomaten und die Messposition befindet sich in der Bestückebene des Bestückautomaten. Dies wird beispielsweise dadurch realisiert, dass der Bauelementeträger, welcher zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit verwendet wird, in einer speziell ausgebildeten Halterung unterhalb der Bestückebene fixiert ist. Dies hat den Vorteil, dass der Positionsversatz des Bauelements genau in der Ebene gemessen wird, welche für die Qualität des Bestückprozesses relevant ist. Auf diese Weise führt die Bestimmung der Bestückgenauigkeit zu einer zuverlässigen Aussage hinsichtlich der Qualität der mit dem Bestückautomaten durchgeführten Bestückvorgänge.
  • Gemäß Anspruch 7 wird das Strahlumlenkelement auch zur Übertragung von Beleuchtungslicht verwendet, so dass eine gute Erkennbarkeit des Bauelements und der Markierung und damit eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet sind. Das Beleuchtungslicht kann, sofern die verwendete Kamera auch eine Beleuchtungseinheit aufweist, über den optischen Eingang des Strahlumlenkelements eingekoppelt werden. Ebenso kann jedoch auch ein Strahlumlenkelement verwendet werden, welches nicht nur zwei optische Ausgänge, sondern auch zwei optische Eingänge aufweist, wobei ein Eingang der Kamera und der andere Eingang einer entsprechenden Beleuchtungsvorrichtung zugeordnet ist.
  • Gemäß Anspruch 8 wird die ermittelte Abweichung der Messposition von einer entsprechenden Soll-Position bei einem Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers mit Bauelementen dazu verwendet, dass durch eine entsprechende Ansteuerung der Verfahrbewegung des Bestückkopfes die ermittelten Abweichungen bei nachfolgenden Bestückvorgängen kompensiert werden. Eine derartige Kompensation führt zu einer besonders hohen Bestückgenauigkeit, wobei die Bestückgenauigkeit über das gesamte Bestückfeld hinweg dadurch gewährleistet werden kann, dass im Vorfeld der Bestückung an einer Vielzahl von verschiedenen Messpositionen der Positionsversatz vermessen und bei der nachfolgenden Bestückung entsprechend kompensiert wird.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende vorrichtungsbezogene Aufgabe wird gelöst durch ein optisches Messsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9. Das erfindungsgemäße optische Messsystem, welches insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 geeignet ist, umfasst eine Kamera und ein Strahlumlenkelement. Das Strahlumlenkelement weist einen mit der Kamera optisch gekoppelten optischen Eingang und zwei in unterschiedliche Richtung weisende optische Ausgänge auf, so dass bei einer entsprechenden Positionierung der Strahlumlenkoptik das Bauelement von der Kamera über einen ersten optischen Ausgang und die Markierung von der Kamera über den zweiten optischen Ausgang erfasst werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine besonders präzise und gleichzeitig effektive Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten dadurch realisiert werden kann, dass der Bestückvorgang zu einem Zeitpunkt vorübergehend unterbrochen wird, in dem sich das zu bestückende Bauelement in einer bestimmten Messposition befindet, welche nur wenig von der Aufsetzposition des Bauelements beabstandet ist. Die Aufsetzposition ist dabei durch zumindest eine Markierung genau lokalisierbar. Während der Unterbrechung des Bestückvorganges wird das Strahlumlenkelement in den Raum zwischen der Markierung und der Messposition eingebracht, so dass mit einer mit dem Strahlumlenkelement gekoppelten Kamera mittels einer einzigen Aufnahme sowohl das Bauelement als auch die Markierung erfasst werden können. Auf diese Weise kann die Bestückgenauigkeit ohne eine längere Unterbrechung des Bestückbetriebes auf einfache Weise und mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Gemäß Anspruch 10 ist die Kamera an dem Bestückkopf des Bestückautomaten angebracht. Dies hat den Vorteil, dass für das optische Messsystem eine Kamera verwendet werden kann, welche bei herkömmlichen Bestückautomaten bereits vorhanden ist und welche üblicherweise zur Bestimmung der Positionierung eines Bauelementeträgers verwendet wird.
  • Die Ausführungsform nach Anspruch 11, bei der zwischen der Kamera und dem optischen Eingang eine Vergrößerungsoptik angeordnet ist, erlaubt eine besonders genaue Vermessung des Positionsversatzes eines in der Messposition gehaltenen Bauelements.
  • Gemäß Anspruch 12 ist jedem optischen Ausgang ein Reflektor zugeordnet, wobei die beiden Reflektoren nebeneinander und winklig zueinander angeordnet sind. Gegenüber einer exakt parallelen Anordnung zweier benachbarter Reflektore sind die beiden Reflektoren dabei um eine Achse gegeneinander verdreht, welche Achse sowohl in der Ebene des einen Reflektors als auch in der Ebene des anderen Reflektors liegt. Bevorzugt beträgt der Kippwinkel zwischen beiden Reflektoren 90° und die beiden Reflektoren berühren sich in einem Punkt. Bei einer derartigen Anordnung wird das Gesichtsfeld der Kamera durch das Strahlumlenkelement in zwei Gesichtsfelder aufgeteilt, wobei ein Gesichtsfeld auf das Bauelement und das andere Gesichtsfeld auf die Markierung gerichtet ist. Die Kamera erfasst somit zwei nebeneinander angeordnete Teilbilder, wobei ein Teilbild zumindest einen Teilbereich des Bauelements und das andere Teilbild zumindest einen Teilbereich der Markierung zeigt.
  • Gemäß Anspruch 13 sind die beiden optischen Ausgänge über einen gemeinsamen Strahlteiler mit dem optischen Eingang gekoppelt. Die Kamera erfasst somit eine Überlagerung von zwei Teilbildern, wobei ein Teilbild das Bauelement und das andere Teilbild die Markierung zeigt. Die Bestimmung des Positionsversatzes erfolgt dann durch eine der Kamera nachgeschalteten Bildauswerteeinheit, welche derart eingerichtet ist, dass die beiden Bilder zunächst voneinander getrennt werden und erst danach der Positionsversatz mit hoher Genauigkeit bestimmt wird.
  • Das optische Messsystem nach Anspruch 14 weist zusätzlich zwei, bevorzugt drei Umlenkreflektoren auf. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine Strahlumlenkung nahe des Bestückkopfes, so dass das Strahlumlenkelement an die Kontur des Bestückkopfes einschließlich der zugehörigen Haltevorrichtung angepasst werden kann. Dies bewirkt, dass der Positionierbereich der Haltevorrichtung nur sehr wenig eingeschränkt wird und somit eine zuverlässige und schnelle Vermessung der Bestückgenauigkeit an einer Vielzahl von über das gesamte Bestückfeld hinweg verteilten Messpositionen möglich ist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform.
  • In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen:
  • 1 die Durchführung der Bestimmung des Positionsversatzes eines Bauelements,
  • 2 in der linken Abbildung ein Bauelement in einer ersten Relativlage bezüglich entsprechender Markierungen und in der rechten Abbildung das entsprechende von der Kamera aufgenommene Bild, und
  • 3 in der linken Abbildung ein Bauelement in einer zweiten Relativlage bezüglich entsprechender Markierungen und in der rechten Abbildung das entsprechende von der Kamera aufgenommene Bild.
  • An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in 2 und in 3 die Bezugszeichen einander entsprechenden Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden.
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit des Bestückautomaten anhand von 1 erläutert. Zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit wird dabei ein Bauelement 120 zunächst von einer Haltevorrichtung aufgenommen, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine sogenannte Saugpipette 112 ist. Die Saugpipette 112 ist über einen hohlen Schaft 111 an einem Bestückkopf 110 angebracht, welcher mittels einer nicht dargestellten xy-Positioniereinrichtung frei positioniert werden kann und welcher derart eingerichtet ist, dass die Saugpipette 112 mittels eines ebenfalls nicht dargestellten Antriebs entlang einer z-Richtung entweder gemeinsam mit dem Bestückkopf 110 oder relativ zu dem Bestückkopf 110 bewegt werden kann. Das Bauelement 120 wird in eine Messposition gebracht, welche sich in einem bestimmten Abstand oberhalb von zwei Anschlussflächen 131 befindet, die auf einem Bauelementeträger 130 ausgebildet sind. Die Anschlussflächen 131 dienen zur Kontaktierung eines Bauelements 120 mit auf dem Bauelementeträger 130 ausgebildeten Leiterbahnen. Alternativ kann das Bauelement 120 auch relativ zu speziell auf dem Bauelementeträger 130 angebrachten Markierungen positioniert werden. Der Bauelementeträger 130 weist neben den Anschlussflächen 130 noch weitere Anschlussflächen 132, 133 und 134 auf, welche bei Bedarf für weitere Messungen der Bestückgenauigkeit an anderen Stellen verwendet werden können.
  • Im unteren Teil von 1 ist die in der xy-Ebene liegende Oberfläche des Bauelementeträgers 130 als Draufsicht dargestellt.
  • Die Vermessung der Bestückgenauigkeit beruht auf der Bestimmung des Positionsversatzes des Bauelements 120 bei einer "Quasi-Bestückung", bei welcher der Bestückvorgang nicht vollendet wird, sondern in einem bestimmten Abstand oberhalb der Markierung 131 angehalten wird. In den Zwischenraum zwischen der Markierung 131 und dem Bauelement 120 wird ein Strahlumlenkelement 150 eingefahren, welches mit einer Kamera 140 gekoppelt ist. Zwischen dem Strahlumlenkelement 150 und der Kamera 140 ist eine Vergrößerungsoptik 141 angeordnet, welche eine besonders genaue Bestimmung des Positionsversatzes des Bauelements 120 relativ zu den Anschlussflächen 131 ermöglicht. Bevorzugt ist die Vergrößerungsoptik 141 als so genanntes Zoom-Objektiv ausgebildet, so dass die Vergrößerung auf die jeweilige Messsituation individuell einstellbar ist.
  • Das Strahlumlenkelement weist neben dem optischen Eingang ferner zwei optische Ausgänge auf, welchen jeweils ein Reflektor, ein erster Reflektor 151 und ein zweiter Reflektor 152 zugeordnet ist. Die beiden Reflektoren 151 und 152 sind gegeneinander um einen Winkel von 90° gekippt und berühren sich in einem Punkt.
  • Das Strahlumlenkelement 150 weist ferner drei Umlenkreflektoren 155, 156 und 157 auf, welche das Gesichtsfeld der Kamera 140 auf die beiden Reflektoren 150 und 152 lenken. Auf diese Weise wird das Gesichtsfeld der Kamera 140 in zwei Teil-Gesichtsfelder aufgespalten, von denen eines nach unten auf die Markierung 131 und das andere nach oben auf das Bauelement 120 gerichtet ist. Die beiden Umlenkreflektoren 155 und 156 dienen dazu, dass der Strahlengang zwischen Kamera 140 auf der einen Seite und den beiden Reflektoren 151, 152 auf der anderen Seite nur innerhalb eines kleinen Bereiches parallel zum Bauelementeträger verläuft. Auf diese Weise befindet sich das Strahlumlenkelement 150 nur in einem vergleichsweise kleinen Bereich um die Anschlussflächen 130 herum nahe des Bauelementeträgers 130, so dass ggf. bereits auf dem Bauelementeträger 130 an anderen Stellen bestückte Bauelemente das Einfahren des Strahlumlenkelements 150 nicht behindern. Somit kann der Positionsversatz des Bauelements 120 an einer Vielzahl von Messpositionen oberhalb des Bauelementeträgers 130 vermessen werden.
  • 2 zeigt in der linken Abbildung einen Bauelementeträger 200, welcher zwei Bauelement-Anschlussflächen 240, 241 aufweist. Oberhalb der beiden Anschlussflächen 241, 241 wird ein Bauelement 230 in eine Messposition gebracht, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl in x- als auch in y-Richtung symmetrisch zu den beiden Anschlussflächen 240, 241 liegt.
  • Das in 1 dargestellte Strahlumlenkelement wird nun derart in den Bereich zwischen dem Bauelement 230 und den beiden Anschlussflächen 240, 241 eingefahren, dass eine senkrechte Projektion der beiden sich in einem Punkt berührenden Reflektorkanten auf den Bauelementeträger 200 einen leichten Versatz in y-Richtung zu den beiden Anschlussflächen 240, 241 aufweist. Damit ergibt sich für das Gesichtsfeld der Kamera 140, welches zwei Teil-Gesichtsfelder 210 und 220 aufweist, das auf der rechten Seite von 2 dargestellte Bild. Im Gesichtsfeld 210, welches in Folge der Reflexion an dem ersten Reflektor 151 nach oben gerichtet ist, ist ein Teil des Bauelements 230 in dem Bild 230a des Bauelements zu erkennen. In dem durch eine Reflexion an dem zweiten Reflektor 251 nach unten gerichteten Teil-Gesichtsfeld 220 ist in dem Bild 240a ein Teil der Anschlussfläche 240 und in dem Bild 241 ein Teil der Anschlussfläche 241 zu erkennen. Da sowohl die Größe der beiden Anschlussflächen 240, 241 als auch die Größe des Bauelements 230 genau bekannt ist, lässt sich aus dem Bild, welches die Kamera 140 erfasst und welches sich aus zwei Teilbildern 210a und 220a zusammensetzt, die Position des Bauelements 230 relativ zu den beiden Anschlussflächen 240, 241 genau bestimmen.
  • 3 zeigt eine "Quasi-Bestückung", bei der das Bauelement 330 in eine Messposition gebracht wird, welche sowohl in x- als auch in y-Richtung asymmetrisch zu den beiden Anschlussflächen 340, 341 liegt. Wie aus der linken Abbildung von 3 ersichtlich, befinden sich die beiden Anschlussflächen 340, 341 vollständig in dem Gesichtsfeld 320 der Kamera, welches aufgrund der Reflexion an dem Reflektor 152 nach unten in Richtung des Bauelementeträgers 300 gerichtet ist. Das Strahlumlenkelement 150 ist derart justiert, dass sich ein großer Teil des Bauelements 330 in dem Gesichtsfeld 310 der Kamera 140 befindet. Das Gesichtsfeld 310 ist, wie bereits zuvor beschrieben, aufgrund der Reflexion eines entsprechenden Strahlengangs an dem ersten Reflektor 151 auf das Bauele ment 330 gerichtet. Der Versatz des Bauelements 330 in y-Richtung relativ zu den beiden Anschlussflächen 340, 341 ist in der linken Abbildung von 3 durch die beiden strichpunktierten Linien angedeutet und mit Δy bezeichnet.
  • Die rechte Abbildung von 3 zeigt das entsprechende von der Kamera 140 aufgenommene Bild, welches sich aus den beiden Teilbildern 310a und 320a zusammensetzt. In dem Teilbild 320a ist ein vollständiges Bild 340a der Anschlussfläche 340 und ein vollständiges Bild 341a der Anschlussfläche 341 zu erkennen. In dem Teilbild 310a ist ein Bild 330a desjenigen Teilbereichs des Bauelements 330 zu erkennen, welcher in dem Gesichtsfeld 310 der Kamera 140 liegt. Wie aus 3 ersichtlich, ist das Bild 330a relativ zu den beiden Bildern 340a, 341a nach rechts verschoben, wohingegen die wahre Position des Bauelements 330 relativ zu den beiden Anschlussflächen 340, 341 nach links verschoben ist. Diese Spiegelung ergibt sich unmittelbar aus dem in 1 dargestellten geometrischen Strahlengang innerhalb des Strahlumlenkelements 150.
  • Das Bild 330a ist gegenüber der Mittelachse zwischen den beiden Bildern 340a bzw. 341a der beiden Anschlussflächen 340 bzw. 341 um Δx nach rechts verschoben. Dies entspricht einer Verschiebung des Bauelements 330 relativ zu den beiden Anschlussflächen 340, 341 um Δx nach links. Somit kann durch eine entsprechende Bildauswertung der genaue Positionsversatz des Bauelements 330 relativ zu seiner zu den beiden Anschlussflächen 340, 341 symmetrischen Soll-Lage bestimmt und bei dem nachfolgenden Bestückvorgang kompensiert werden.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit der Positionsversatz Δy in y-Richtung in der linken Abbildung von 3 eingezeichnet ist. Es ist jedoch selbstverständlich, dass bei einer Kenntnis der Größe des Bauelements 330 dieser Positionsversatz Δy auch, wie in der Praxis üblich, aus dem Kamerabild ermittelt werden kann, welches sich aus den beiden Teilbildern 310a und 320a zusammensetzt.
  • Bei einem nachfolgendem Bestückvorgang kann der von einer der Kamera 140 nachgeschalteten Bildauswerteeinheit ermittelte Positionsversatz des Bauelements 330 durch eine entsprechende Ansteuerung einer den Bestückkopf 110 bewegenden xy-Positioniervorrichtung dahingehend kompensiert werden, dass das Bauelement 330 bei einem nachfolgenden Bestückvorgang relativ zu den beiden Anschlussflächen 340, 341 sowohl in x- als auch in y-Richtung zumindest annähernd mittig aufgesetzt werden kann.
  • Zusammenfassend bleibt festzustellen:
    Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, bei dem ein Bauelement 120 von einer Haltevorrichtung 112 eines Bestückkopfes 110 aufgenommen und in eine Messposition gebracht wird, welche sich in einem vorbestimmten Abstand relativ zu einer Markierung 131 auf dem Bauelementeträger 130 befindet. Zur Bestimmung der relativen Lage zwischen dem Bauelement 120 und der Markierung 131 wird ein Strahlumlenkelement 150, welches einen mit einer Kamera 140 optisch gekoppelten optischen Eingang und zwei optische Ausgänge aufweist, zwischen das Bauelement 120 und die Markierung 131 derart eingebracht, dass sich das Bauelement 120 über einen ersten optischen Ausgang und die Markierung 131 über den zweiten optischen Ausgang in dem Gesichtsfeld der Kamera 140 befinden. Nachfolgend werden sowohl das Bauelement 120 als auch die Markierung 131 gleichzeitig von der Kamera 140 erfasst und der Positionsversatz des Bauelements 120 von einer Bildauswerteeinheit ermittelt. Zur Durchführung des Verfahrens können gewöhnliche Leiterplatten verwendet werden, welche eine Vielzahl von Anschlussflächen 131 aufweisen, die als Markierungen herangezogen werden können. Durch eine Vermessung des Positionsversatzes an einer Vielzahl von Messpositionen kann somit ein Bestückautomat auf einfache Weise kalibriert werden. Zur Durchführung des Kalibrierungsvorganges ist jeweils nur eine kurze Unterbrechung des Bestückvorganges erforderlich. Bevorzugt wird der Bauelementeträger 130 unterhalb der Bestückebene des Bestückautomaten angeordnet, so dass die Lage des Bauelements 120 in einer Position erfasst werden kann, welche sich in der Bestückebene des Bestückautomaten befindet. Dies ermöglicht auf schnelle und kostengünstige Weise eine Kalibrierung des Bestückautomaten unter realen Bestückbedingungen.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Bestimmung der Bestückgenauigkeit eines Bestückautomaten, welcher einen Bestückkopf (110) zum Transportieren eines Bauelements (120) von einer Abholposition einer Bauelement-Zuführvorrichtung hin zu einer Aufsetzposition auf einem Bauelementeträger (130) aufweist, wobei • ein Bauelement (120) von einer Haltevorrichtung (112) des Bestückkopfes (110) aufgenommen wird, • das aufgenommene Bauelement (120) in eine Messposition gebracht wird, welche sich in einem vorbestimmten Abstand relativ zu einer Markierung (131) auf dem Bauelementeträger (130) befindet, • ein Strahlumlenkelement (150), welches einen mit einer Kamera (140) optisch gekoppelten optischen Eingang und zwei optische Ausgänge aufweist, zwischen das Bauelement (120) und die Markierung (131) eingebracht wird, so dass sich – das Bauelement (120) über einen ersten optischen Ausgang und – die Markierung (131) über den zweiten optischen Ausgang in dem Gesichtfeld der Kamera (140) befinden, • das Bauelement (120) und die Markierung (131) gleichzeitig von der Kamera (140) erfasst werden, und • mittels einer der Kamera (140) nachgeschalteten Bildauswerteeinheit die Abweichung der Messposition von einer der Messposition zugeordneten Sollposition des Bauelements (120) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Messposition oberhalb der Markierung (131) befindet.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem zumindest eine Anschlussfläche (131) des Bauelementeträgers (130) als Markierung verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem Anschlussflächen (131) für ein zweipoliges Bauelement (120) als Markierung verwendet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem als Bauelemente (120) spezielle Kalibrierungsbauelemente verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem • sich der Bauelementeträger (130) unterhalb einer Bestückebene des Bestückautomaten befindet und • die Messposition in der Bestückebene liegt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Strahlumlenkelement (150) auch zur Übertragung von Beleuchtungslicht für das Bauelement (120) und die Markierung (131) verwendet wird.
  8. Bestückverfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers mit Bauelementen, bei dem • die Abweichung einer Messposition von einer Sollposition mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ermittelt wird und • die ermittelte Abweichung durch eine entsprechende Ansteuerung der Verfahrbewegung des Bestückkopfes (110) bei nachfolgenden Bestückvorgängen kompensiert werden.
  9. Optisches Messsystem zur Vermessung der Relativlage zwischen einer auf einem Bauelementeträger (130) angebrachten Markierung (131) und einem oberhalb der Markierung (131) in einer Messposition befindlichen Bauelement (120), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit • einer Kamera (140) und • ein Strahlumlenkelement (150), welches einen mit der Kamera (140) optisch gekoppelten optischen Eingang und zwei in unterschiedliche Richtungen weisende optische Ausgänge aufweist, so dass bei einer entsprechenden Positionierung des Strahlumlenkelements (150) – das Bauelement (120) von der Kamera (140) über einen ersten optischen Ausgang und – die Markierung (131) von der Kamera (140) über den zweiten optischen Ausgang erfassbar ist.
  10. Optisches Messsystem nach Anspruch 9, bei dem die Kamera (140) an einem Bestückkopf (110) eines Bestückautomaten angebracht ist.
  11. Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 10, bei dem eine Vergrößerungsoptik (141) zwischen der Kamera (140) und dem optischem Eingang vorgesehen ist.
  12. Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem jedem optischen Ausgang ein Reflektor (151, 152) zugeordnet ist und die beiden Reflektoren (151, 152) nebeneinander und winklig zueinander angeordnet sind.
  13. Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die beiden optischen Ausgänge über einen gemeinsamen Strahlteiler mit dem optischen Eingang gekoppelt sind.
  14. Optisches Messsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem das Strahlumlenkelement (150) zusätzlich zwei, bevorzugt drei Umlenkreflektoren (155, 156, 157) aufweist.
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