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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das technische Gebiet der Bestücktechnik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren sowie ein System zum Charakterisieren eines Zustands eines Bauelementeträgers während der Bestückung mit Bauelementen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestücken von Bauelementeträgern in einem Bestückungsautomaten, ein System zum Charakterisieren eines Zustands eines Bauelementeträgers, einen Bestückungsautomaten mit einem solchen System sowie ein Computerprogramm zum Durchführen der genannten Verfahren.
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Bei der Bestückung von Bauelementeträgern im Rahmen der sog. Surface-Mount-Technology (SMT) werden Bauelemente mittels eines Bestückkopfes von einer Abholposition einer Bauelement-Zuführeinrichtung abgeholt, in einen Bestückbereich transportiert und an vorgesehenen Bauelement-Einbauplätzen auf einem Bauelementeträger aufgesetzt.
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Unter dem Begriff ”Bauelementeträger” kann in diesem Dokument jede Art von bestückungsfähigem Substrat, insbesondere Leiterplatten, verstanden werden. Ein Bauelementeträger kann mehr oder weniger starr oder sogar flexibel sein. Ein Bauelementeträger kann ferner sowohl starre als auch flexible Bereiche aufweisen.
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Unter dem Begriff ”Bauelement” können in diesem Dokument alle bestückungsfähigen Elemente verstanden werden, welche auf einem Bauelementeträger platziert werden können. Bauelemente können insbesondere zwei- oder mehrpolige SMT-Bauelemente oder andere hochintegrierte flächige Bauelemente wie beispielsweise Ball Grid Arrays, Bare Dies und Flip Chips sein. Ferner kann der Begriff ”Bauelement” auch mechanische Elemente wie beispielsweise Anschlussstifte, Stecker, Buchsen oder dergleichen oder optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Leuchtdioden oder Photodioden umfassen. Außerdem kann der Begriff ”Bauelement” auch sog. RFID-Chips umfassen, welche für sog. Transponder verwendet werden.
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Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen und eines starken Preisdruckes auf dem Elektronikmarkt werden an moderne Bestückautomaten sowohl hinsichtlich der Bestückgenauigkeit als auch hinsichtlich der Bestückgeschwindigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt. Um eine hohe Bestückungsgeschwindigkeit zu erreichen, muss naturgemäß möglichst für alle Bauelemente der mit einem Bestückkopf durchgeführte Vorgang des Abholens, Transportierens und Aufsetzens des Bauelements schnell erfolgen.
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Beim Bestücken eines Bauelementeträgers mit einem Bauelement kommt es im Moment des Auftreffens des Bauelements auf den Bauelementeträger jedoch zu einem gewissen Kraftimpuls, welcher von dem Bauelement auf den Bauelementeträger ausgeübt wird. Dieser Kraftimpuls ist im Falle einer hohen Bestückungsgeschwindigkeit typischerweise besonders hoch. Auch bei einer geringen Bestückungsgeschwindigkeit bzw. bei einem langsamen Aufsetzen des Bauelements auf den Bauelementeträger wird dieser Kraftimpuls immer noch einen gewissen Wert haben.
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Ein solcher Kraftimpuls kann den betreffenden Bauelementeträger ggf. in Verbindung mit weiteren Kraftstößen, die beim Aufsetzen von weiteren Bauelementen auftreten, zu unerwünschten Schwingungen anregen. Für bereits aufgesetzte Bauelemente, welche beispielsweise von einer klebrigen Lotpaste an ihrer Bestückposition gehalten werden, führen solche Schwingungen dazu, dass Trägheitskräfte auf die Bauelemente wirken. Je nach Bauelementgröße und Ausführung des Bauelementeträgers kann insbesondere bei stärkeren Schwingungen eine Haltekraft der Lotpaste überschritten werden, was zum unerwünschten Ablösen der betreffenden Bauelemente von dem Bauelementeträger oder zumindest von dem gewünschten Einbauort führt. Hierdurch ergibt sich durch fehlende Bauteile eine deutliche Verschlechterung einer Fehlerrate eines Bestückungsprozesses.
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Zum Reduzieren von unerwünschten Schwingungen von Bauelementeträgern ist es bekannt während eines Bestückungsvorgangs einen Bauelementeträger an geeigneten Stellen zu unterstützen. Für eine solche Unterstützung können manuell oder automatisch gesetzte Stifte verwendet werden, die an der Unterseite des betreffenden Bauelementeträgers anliegen. Außerdem sind zur Unterstützung von Bauelementeträgern Vakuum-Sauger, sog. Grid-Arrays und Bürsten bekannt. Alle bekannten Unterstützungswerkzeuge wirken jedoch nur, wenn das betreffende Unterstützungswerkzeug an der Unterkante des Bauelementeträgers anliegt. Ein sich nach oben gewölbter Bauelementeträger kann trotz einer Unterstützung zum Schwingen angeregt werden. Dadurch wird die Fehlerrate eines Bestückungsprozesses erhöht.
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Aus der
EP 0 929 209 A2 ist bekannt, dass Leiterplatten während einer Bestückung infolge von Kraftstößen, die beim Aufsetzen von Bauelementen auf die Leiterplatte übertragen werden, zu unerwünschten Schwingungen angeregt werden können. Solche Schwingungen können durch das Verwenden von einem vibrationsdämpfenden Material als Unterlage für die betreffende Leiterplatte vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Aus der
JP 2010 010 463 A ist ein Verfahren zum Detektieren von Schwingungen einer Saugpipette zum Halten eines zu bestückenden Bauelements bekannt. Die Schwingungen werden über eine flächige Lichtschranke erfasst, welche die Schwingung eines von der betreffenden Saugpipette aufgenommen Bauelements anhand einer zeitlich variierenden optischen Abschattung erfasst.
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Aus der
JP 2003 069292 A ist ein Verfahren zum Bestücken von Leiterplatten mit Bauelementen bekannt. Dabei wird das Bewegungsverhalten einer das betreffende Bauelement haltenden Saugpipette in (vertikaler) Richtung in Richtung der Leiterplatte an die zu erwartende Bestückungshöhe angepasst. Die Bestückungshöhe ist die Höhe entlang der z-Richtung, in welcher das Bauelement auf die Leiterplatte aufgesetzt wird. Die Geschwindigkeit der Saugpipette in (vertikaler) Richtung wird unmittelbar vor dem Erreichen der Bestückungshöhe abgebremst, um den Kraftstoß auf die Leiterplatte beim Aufsetzen des Bauelements zu reduzieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fehlerrate bei der automatischen Bestückung von Bauelementeträgern mit Bauelementen zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens eines Bauelementeträgers beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Platzieren einer Mehrzahl von Bauelementen auf dem Bauelementeträger, (b) ein Bestimmen einer entsprechenden Bestückungshöhe, bei der jedes Bauelement auf den Bauelementeträger platziert wird, um Werte von einer Mehrzahl von Bestückungshöhen zu erhalten, und (c) ein Charakterisieren des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers basierend auf der Mehrzahl von Bestückungshöhen, um ein näherungsweises Bestimmen zumindest einer schwingenden Stelle des Bauelementeträgers zu ermöglichen, welche ein solches Schwingungsverhalten zeigt.
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Unter dem Begriff ”Bestückungshöhe” ist in diesem Dokument eine Position entlang einer z-Richtung zu verstehen, entlang welcher das Bauelement beim Bestücken bzw. beim Aufsetzen auf den Bauelementeträger bewegt wird. Bevorzugt verläuft die z-Richtung senkrecht zur Oberfläche des zu bestückenden Bauelementeträgers. Die Bestückungshöhe ist genau die Höhe, auf welcher die Unterseite des betreffenden Bauelements mit der Oberseite des Bauelementeträgers in Kontakt kommt. Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem schwingenden Bauelementeträger die tatsächliche Bestückungshöhe, bei der ein Bauelement auf den Bauelementeträger aufgesetzt wird, von dem Schwingungszustand abhängt. Insbesondere hängt die tatsächliche Bestückungshöhe von einer aktuellen Auslenkung der betreffenden Bestückungsposition bzw. der aktuellen Auslenkung der betreffenden Stelle des Bauelementeträgers von einer Nulllage ab, bei welcher der Bauelementeträger vollständig in Ruhe ist bzw. nicht schwingt. Falls sich die Bestückungshöhen voneinander unterscheiden, dann kann davon ausgegangen werden, dass eine Schwingung des Bauelementeträgers vorhanden ist. Je größer der Unterschied zwischen den Bestückungshöhen ist, desto größer ist tendenziell die Amplitude dieser Schwingung.
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Unter dem Ausdruck ”Charakterisieren des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers” kann in diesem Dokument jede Information verstanden werden, welche indikativ für eine zeitliche Änderung der Höhenlage von zumindest einem Teil des Bauelementeträgers ist. Die zeitliche Änderung der Höhenlage kann von einer beliebigen Schwingung, Vibration und/oder Oszillation verursacht werden, welche harmonisch oder unharmonisch sein können. Bei einer unharmonischen Schwingung erfolgt die Auslenkung von zumindest einem Teilbereich des Bauelementeträgers nicht streng einem Sinus- bzw. Cosinusförmigen Verhalten.
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Das Schwingungsverhalten kann im einfachsten Fall lediglich auf das Vorhandensein einer Bewegung von zumindest einem Teilbereich des Bauelementeträgers überprüft werden. Es kann jedoch auch möglich sein, bei der beschriebenen Charakterisierung eine Amplitude der Schwingung zu bestimmen. Falls diese Amplitude eine vorgegeben Referenzamplitude überschreitet, dann kann beispielsweise davon ausgegengen werden, dass die Fehlerrate einer Bestückung nicht mehr tragbar ist und geeignete Maßnahmen zum Reduzieren der Schwingung des Bauelementeträgers ergriffen werden müssen.
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Die charakterisierte Schwingung des Bauelementeträgers kann eine einfache Biegung des Bauelementeträgers sein, welcher mit zwei gegenüberliegenden Randbereichen in einem Bestückungsbereich eines Bestückungsautomaten eingeklemmt ist. Die Schwingung kann jedoch auch, insbesondere wenn Unterstützungsstifte verwendet werden, höhere Moden von Biegeschwingungen umfassen.
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Die bestimmten Bestückungshöhen können auf jede mögliche z-Position normiert werden. So kann beispielsweise die Nulllage entlang der z-Richtung eine obere Endposition eines sog. z-Achsenantriebs eines Bestückkopfes sein, welcher z-Achsenantrieb bei einem Aufsetzvorgang des betreffenden Bauelements für eine Verschiebung einer Bauelement-Haltevorrichtung, beispielsweise einen Sauggreifer, relativ zu einem Chassis des Bestückkopfes sorgt. Bei der Bestimmung der betreffenden Bestückungshöhe können die Höhe des betreffenden Bauelements sowie eine Länge der betreffenden Bauelement-Haltevorrichtung entlang der z-Richtung eingerechnet werden. Damit können auch bei unterschiedlich hohen Bauelementen und/oder bei unterschiedlich langen Bauelement-Haltevorrichtungen korrekte Bestückungshöhen bzw. Höhenpositionen der Bestückung bestimmt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Platzieren der Mehrzahl der Bauelemente auf dem Bauelementeträger mittels eines Bestückkopfes eines Bestückungsautomaten durchgeführt, indem eine Bauelement-Haltevorrichtung relativ zu einem Chassis des Bestückkopfes entlang einer z-Richtung verschoben wird. Ferner erfolgt das Bestimmen der Bestückungshöhen mittels eines Wegstrecken-Messsystems, welches eine Verschiebung der Bauelement-Haltevorrichtung relativ zu dem Chassis entlang der z-Richtung misst.
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Die Bestückungshöhen können also mit einem Messsystem bestimmt werden, welches bei vielen bekannten Bestückungsautomaten ohnehin vorhanden ist und welches typischerweise an dem Bestückkopf angebracht ist, um beim Absenken eines Bauelements auf den Bauelementeträger das Bauelement zügig aber trotzdem materialschonend auf den Bauelementeträger aufzusetzen. Dies kann in bekannter Weise dadurch geschehen, dass das betreffende Bauelement auf einer ersten Wegstrecke in Richtung zu der Oberfläche des zu bestückenden Bauelementeträgers relativ schnell bewegt wird und die Absenkgeschwindigkeit des Bauelements kurz vor dem Auftreffen auf die Oberfläche des zu bestückenden Bauelementeträgers reduziert wird. Um beim Bauelement-Aufsetzvorgang rechtzeitig zu erkennen, dass das Bauelement in Kürze die Oberfläche des zu bestückenden Bauelementeträgers erreichen wird und dass demzufolge die Absenkgeschwindigkeit des Bauelements reduziert werden soll, werden in bekannter Weise Wegstrecken-Messsysteme verwendet. Selbstverständlich werden bei der Bestimmung der Höhe (der Unterseite) des Bauelements über der Oberfläche des Bauelementeträgers neben der gesamten Bestückungsgeometrie (Höhenlage des Bestückkopfes über dem zu bestückenden Bauelementeträger) auch die Höhe des betreffenden Bauelements sowie eine Länge der das Bauelement haltenden Bauelement-Haltevorrichtung eingerechnet.
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Das Wegstrecken-Messsystem kann in bekannter Weise einen optischen und/oder einen mechanischen Encoder aufweisen, welcher eine Ortsauflösung im Bereich von einem oder sogar von einem halben Mikrometer haben kann. Damit liegt die Genauigkeit der Orts- bzw. Höhenmessung durch das Wegstrecken-Messsystem in einem Bereich, der deutlich kleiner ist als typische Schwingungsamplituden eines Bauelementeträgers während seiner Bestückung mit elektronischen Bauelementen. Der Messfehler des Wegstrecken-Messsystems kann damit in guter Näherung vernachlässigt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bestimmen der Bestückungshöhen mittels eines Sensors des Wegstrecken-Messsystems, welcher Sensor beim Aufsetzen eines Bauelements auf den Bauelementeträger eine Endposition der Bauelement-Haltevorrichtung detektiert.
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Der Sensor kann ein optischer Sensor wie beispielsweise eine Lichtschranke sein. Außerdem kann der Sensor ein Stromsensor sein, welcher an dem Ende der Verschiebung der Bauelement-Haltevorrichtung entlang der z-Richtung (beim Aufsetzen des Bauelements) eine Änderung eines Stromflusses durch den Spulenteil eines elektrischen Antriebs, insbesondere eines Linearmotors, detektiert.
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Der Sensor kann auch ein Kraftsensor des Wegstrecken-Messsystems sein, welcher eine Kraft, die beim Aufsetzen eines Bauelements auf den Bauelementeträger auftritt, detektiert. Der Kraftsensor kann ein mechanischer, beispielsweise ein eine Feder aufweisender Kraftsensor sein. Alternativ oder in Kombination kann die Kraft, die beim Aufsetzen eines Bauelements auf den Bauelementeträger auftritt, auch elektrisch mittels eines Stromsensors gemessen werden, wenn eine z-Bewegung eines Linearantriebs beim Aufsetzen des betreffenden Bauelements auf den Bauelementeträger abrupt gestoppt wird.
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Anschaulich ausgedrückt wird während einer Abwärtsbewegung der Bauelement-Haltevorrichtung der Kraftsensor von einer Antriebsregelung überwacht. Beim Ansprechen des Sensors kann über das Wegstrecken-Messsystem die genaue Abhol- und hier insbesondere die genaue Bestückungshöhe ermittelt werden. Dadurch kann auf einfache Weise die tatsächliche Bestückungshöhe eines Bauelements auf dem Bauelementeträger ermittelt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, wenn weitere Bauelemente auf dem Bauelementeträger platziert werden, die Bauelement-Haltevorrichtung, welche ein weiteres Bauelement in Richtung des Bauelementeträgers bewegt, unmittelbar bevor die Bestückungshöhe erreicht wird mit einer reduzierten Geschwindigkeit verfahren, welche Bestückungshöhe zu der zumindest einen näherungsweise bestimmten schwingenden Stelle des Bauelementeträgers korrespondiert. Somit kann auf vorteilhafte Weise eine Aufprallkraft reduziert werden, welche bei der Platzierung des weiteren Bauelements auf den Bauelementeträger ausgeübt wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Charakterisieren des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers basierend auf einer statistischen Auswertung von zumindest einigen der bestimmten Bestückungshöhen.
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Für eine solche statistische Auswertung können alle oder zumindest einige Bestückungshöhen verwendet werden, die bei der Bestückung des Bauelementeträgers mit innerhalb eines vorgegebenen Bestückungsbereichs aufgesetzten Bauelementen erfasst werden. Selbstverständlich können bei dieser Erfassung, wie bereits vorstehend beschrieben, ggf. unterschiedliche Längen von Bauelement-Haltevorrichtungen und/oder ggf. unterschiedliche Höhen der aufgesetzten Bauelemente berücksichtigt werden. Dies kann mittels einer geeigneten Normierung erfolgen.
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Bei einer solchen Normierung kann ein Mittelwert der bestimmten Bestückungshöhen der Ruhe(höhen)lage des bestückten Bauelementeträgers zugeordnet werden. Ferner kann der Abstand bzw. der Unterschied zwischen (a) der minimalen (kleinsten) Bestückungshöhe und (b) der maximalen (größten) Bestückungshöhe als die maximale Schwingungsamplitude des Bauelementeträgers aufgefasst werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die statistische Auswertung ein Berechnen einer mittleren Schwingungsamplitude des Bauelementeträgers anhand der für verschiedene Bauelemente bestimmten Bestückungshöhen auf.
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Anschaulich ausgedrückt wird aus den einzelnen Abweichungen der verschiedenen Bestückungshöhen von der Ruhelage des Bauelementeträgers die mittlere Schwingungsamplitude über verschiedene Aufsetzpositionen auf der Oberfläche des Bauelementeträgers errechnet. Die mittlere Schwingungsamplitude stellt somit eine mittlere Höhenabweichung des Bauelementeträgers von seiner Ruhelage dar. Da die mittlere Schwingungsamplitude robust gegenüber einzelnen beispielsweise durch Messfehler verursachten Ausreißern ist, kann diese als geeignete Größe verwendet werden, um zuverlässig die Stärke bzw. die Amplitude einer Schwingung des Bauelementeträgers zu bestimmen. Insbesondere kann dann, wenn die mittlere Schwingungsamplitude einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, von einem schwingenden Bauelementeträger ausgegangen werden.
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Die mittlere Schwingungsamplitude MA kann beispielsweise mit der folgenden Formel (I) bestimmt werden: MA = 1 / NΣ N / i=1|δi – δ| (I)
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Dabei steht N für die Anzahl der auf den Bauelementeträger aufgesetzten Bauelemente. Die Größe δi steht für die Abweichung einer Bestückungshöhe von der Ruhe- bzw. Null-Höhenlage δ des schwingenden Bauelementeträgers. Die Ruhe- bzw. Null-Höhenlage δ kann mit der folgenden Formel (II) berechnet werden: δ = 1 / NΣ N / i=1δi (II)
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier angegebene mittlere Schwingungsamplitude bzw. die mittlere Höhenabweichung des Bauelementeträgers MA keine mittlere Standardabweichung ist. Beim Bestimmen einer mittleren Standardabweichung können nämlich aufgrund einer Quadratur von den einzelnen gemessenen Abweichungen einzelne Ausreißer bei der Bestimmung der Bestückungshöhen beispielweise aufgrund von Messfehlern zu stark ins Gewicht fallen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestücken von Bauelementeträgern in einem Bestückungsautomaten beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist auf (a) ein Bestücken eines Bauelementeträgers in einem ersten Betriebsmodus, (b) ein Charakterisieren des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers mittels eines vorstehend beschriebenen Verfahrens und, falls die Amplitude von Schwingungen des Bauelementeträgers einen zulässigen vorgegebenen Referenzwert übersteigt, (c) ein Betreiben des Bestückungsautomaten in einem modifizierten zweiten Betriebsmodus, bei welchem die Amplitude von Schwingungen des Bauelementeträgers im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus reduziert ist.
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Dem beschriebenen Bestückungsverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das oben anhand von verschiedenen Ausführungsformen erläuterte Verfahren zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens eines Bauelementeträgers während einer üblichen Bauelementbestückung durchgeführt werden kann, ohne dass sich die Bestückungsvorgänge dadurch verlangsamen würden. Dies gilt jedenfalls dann, wenn der Bestückkopf des Bestückungsautomaten mit einem Wegstrecken-Messsystem ausgestattet ist, welches eine Verschiebung einer Bauelement-Haltevorrichtung senkrecht zu der Oberfläche bzw. parallel zu einem Normalenvektor der Oberfläche des (flächigen) Bauelementeträgers misst. Da die Charakterisierung des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers somit ohne zusätzlichen apparativen Aufwand und ohne eine Verzögerung des üblichen Bestückungsbetriebes erfolgen kann, kann während einer üblichen Bestückung des Bauelementeträgers das Schwingungsverhalten des Bauelementeträgers überwacht werden. Falls zu irgendeinem Zeitpunkt erkannt wird, dass der Bauelementeträger so stark schwingt, dass die Zuverlässigkeit des Bestückungsbetriebs beeinträchtigt wird, dann wird der Bestückungsmodus dahingehend modifiziert, dass in Zukunft nur noch kleinere Schwingungen des Bauelementeträgers auftreten können. Im Folgenden werden beispielhaft Maßnahmen erläutert, mit denen Schwingungen des Bauelementeträgers reduziert werden können.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus während des modifizierten zweiten Betriebsmodus der Bauelementeträger mit einer geänderten Konfiguration von zumindest einer Unterstützungseinrichtung unterstützt. Die zumindest eine Unterstützungseinrichtung kann insbesondere ein manuell oder automatisch gesetzter Stift sein, der an der Unterseite des betreffenden Bauelementeträgers anliegt.
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Die Konfiguration der zumindest einen Unterstützungseinrichtung kann insbesondere dadurch geändert werden, dass die Anzahl der verwendeten Unterstützungseinrichtungen in dem bzw. während des modifizierten zweiten Betriebsmodus des Bestückungsautomaten erhöht wird. Eine solche Erhöhung liegt auch dann vor, wenn der Bauelementeträger in dem ersten Betriebsmodus abgesehen von einer Klemmung des Randbereichs des Bauelementeträgers nicht durch eine derartige Unterstützungseinrichtung unterstützt wird.
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Die Konfiguration von der zumindest einen Unterstützungseinrichtung kann auch dadurch geändert werden, dass zu zumindest eine Unterstützungseinrichtung in dem bzw. während des modifizierten zweiten Betriebsmodus den Bauelementeträger an einer anderen Stelle unterstützt als in dem ersten Betriebsmodus.
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Die beschriebene Änderung der Konfiguration von einer Unterstützungseinrichtung oder von mehreren Unterstützungseinrichtungen eignet sich insbesondere bei sog. High Volume Fertigungen, bei denen eine hohe Geschwindigkeit der Bestückung von Bauelementeträgern gefordert ist.
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Anschaulich ausgedrückt wird also bei sog. High Volume Fertigungen eine unzulässige Schwingung des Bauelementeträgers dadurch verhindert, dass der zu bestückende Bauelementeträger möglichst optimal unterstützt wird. In der Praxis wird also im Fehlerfall (d. h. bei einer erkannten zu starken Schwingung) die Produktion angehalten und eine geänderte Konfiguration von der zumindest einen Unterstützungseinrichtung gewählt. Danach wird die Produktion durch eine Bestückung von Bauelementeträgern mit der geänderten Unterstützungskonfiguration wieder fortgesetzt. Dieser Vorgang kann so lange wiederholt werden, bis keine Überschreitung der zulässigen Schwingung des Bauelementeträgers mehr feststellbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Vergleich zu dem ersten Betriebsmodus während des modifizierten zweiten Betriebsmodus der Bauelementeträger mit einer reduzierten Geschwindigkeit bestückt. Dabei kommt es insbesondere darauf an, dass die Geschwindigkeit, mit der ein Bauelement auf den Bauelementeträger aufgesetzt wird, reduziert ist und damit ein geringerer Auftreffimpuls auf den Bauelementeträger ausgeübt wird. Eine Bauelemententnahme von einer Bauelement-Zuführeinrichtung sowie ein horizontaler Transport des aufgenommenen Bauelements von der Bauelement-Zuführeinrichtung zu dem Bestückungsbereich können mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen, weil diese keinen Einfluss auf die Erzeugung von Schwingungen des zu bestückenden Bauelementeträgers haben. Diese Art der Reduzierung von Schwingungen des Bauelementeträgers ist insbesondere bei sog. Low Volume Fertigungen interessant, bei denen es nicht so sehr auf die Bestückungsleistung ankommt. In diesem Zusammenhang kann unter dem Begriff ”Bestückleistung” beispielsweise die maximale Anzahl an Bauelementen verstanden werden, die pro Zeiteinheit auf einen Bauelementeträger platziert werden können.
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Anschaulich ausgedrückt kann also nach der Erkennung einer (zu stark) schwingenden Leiterplatte die Produktion in einem sog. Notlauf-Betriebsmodus fortgesetzt werden, bei dem zur Reduzierung des Auftreffimpulses die Bauelemente mit reduzierter Geschwindigkeit auf den Bauelementeträger aufgesetzt werden. Dies wird durch die Anwendung eines größeren Schleichweges unmittelbar vor dem Auftreffen eines Bauelements auf den Bauelementeträger erreicht. Der Schleichweg kann abhängig von der zuvor ermittelten Schwingungsamplitude des Bauelementeträgers festgelegt werden. Mit dieser Methode kann der Bestückungsautomat bei Inkaufnahme einer reduzierten Leistung mit einer hohen Prozesssicherheit weiter elektronische Baugruppen produzieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens eines Bauelementeträgers beschrieben. Das beschriebene System weist auf (a) einen Bestückkopf zum Bestücken des Bauelementeträgers mit einer Mehrzahl von Bauelementen, (b) ein Wegstrecken-Messsystem zum Bestimmen einer entsprechenden Bestückungshöhe, bei der jedes Bauelement auf den Bauelementeträger aufgesetzt wird, um Werte von einer Mehrzahl von Bestückungshöhen zu erhalten, und (c) eine Auswertevorrichtung zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers basierend auf der Mehrzahl von Bestückungshöhen. Die Bestückungshöhe ist genau die Höhe, auf welcher die Unterseite des betreffenden Bauelements mit der Oberseite des Bauelementeträgers in Kontakt kommt.
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Dem beschriebenen System zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens eines Bauelementeträgers liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine genaue Bestimmung der Bestückungshöhen von mehreren auf den Bauelementeträger aufgesetzten Bauelementen festgestellt werden kann, ob und ggf. wie stark der Bauelementeträger schwingt. Bei einem schwingenden Bauelementeträger kann nämlich erwartet werden, dass unterschiedliche Bauelemente abhängig von der aktuellen Phasenlage der Schwingung des Bauelementeträgers in unterschiedlichen Höhenlagen auf den Bauelementeträger auftreffen. Außerdem kann abhängig von der Schwingungsmode des Bauelementeträgers die Bestückungshöhe auch von der Bestückungsposition des jeweiligen Bauelements auf dem Bauelementeträger abhängen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bestückungsautomat zum automatischen Bestücken von Bauelementeträgern mit Bauelementen beschrieben. Der beschriebene Bestückungsautomat weist das vorstehend beschriebene System zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens des Bauelementeträgers auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm beschrieben, welches, wenn es von einem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen des vorstehend beschrieben Verfahrens zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens eines Bauelementeträgers und/oder zum Durchführen des vorstehend beschrieben Verfahrens zum Bestücken von Bauelementeträgern in einem Bestückungsautomaten eingerichtet ist.
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Im Sinne dieses Dokuments ist die Nennung eines solchen Computerprogramms gleichbedeutend mit dem Begriff eines Programm-Elements, eines Computerprogrammprodukts und/oder eines computerlesbaren Mediums, das Anweisungen zum Steuern eines Computersystems enthält, um die Arbeitsweise eines Systems bzw. eines Verfahrens in geeigneter Weise zu koordinieren, um die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verknüpften Wirkungen zu erreichen.
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Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-Rom, DVD, Blue-ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte wie insbesondere eine Steuerungsvorrichtung für einen Bestückautomaten derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer herunter geladen werden kann.
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Die Erfindung kann sowohl mittels eines Computerprogramms, d. h. einer Software, als auch mittels einer oder mehrerer spezieller elektronischer Schaltungen, d. h. in Hardware oder in beliebig hybrider Form, d. h. mittels Software-Komponenten und Hardware-Komponenten, realisiert werden.
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Ein besonderer Vorteil der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung besteht darin, dass die Erfindung bei herkömmlichen Bestückungsautomaten, welche einen Bestückkopf mit einem Wegstrecken-Messsystem für eine (Verschiebe) Bewegung einer Bauelement-Haltevorrichtung aufweisen, ohne zusätzlichen apparativen Aufwand realisiert werden kann. So können beispielsweise bereits im Betrieb befindliche Bestückungsautomaten durch ein geeignetes Update einer Steuerungssoftware in die Lage versetzt werden, die in diesem Dokument beschriebene Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu realisieren.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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1 zeigt einen Bestückungsautomat mit einem System zum Charakterisieren des Schwingungsverhaltens eines Bauelementeträgers, welcher mittels des Bestückungsautomaten mit elektronischen Bauelementen bestückt wird.
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2 zeigt anhand einer Darstellung von Bauelementen, die an unterschiedlichen Bestückungshöhen auf einen schwingenden Bauelementeträger aufgesetzt wurden, eine statistische Auswertung der Bestückungshöhen.
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3a zeigt ein Geschwindigkeitsprofil einer Bauelement-Haltevorrichtung entlang einer vertikalen z-Richtung, wobei ein von der Bauelement-Haltevorrichtung gehaltenes Bauelement aufgrund einer Schwingung eines Bauelementeträgers vorzeitig auf den Bauelementeträger auftrifft.
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3b zeigt ein Geschwindigkeitsprofil einer Bauelement-Haltevorrichtung entlang einer vertikalen z-Richtung, wobei infolge eines vergrößerten Schleichweges am Ende der Verfahrstrecke der Auftreffimpuls auf einen Bauelementeträger reduziert ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 zeigt einen Bestückungsautomat 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Bestückautomat 100 weist typische Komponenten eines bekannten Bestückautomaten auf, die aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung in 1 nicht dargestellt sind. Solche typischen Komponenten sind beispielsweise ein Chassis, ein Portalsystem zum Verfahren eines Bestückkopfes 110, Bauelement Zuführeinrichtungen und Kameras zum optischen Vermessen von Bauelementen und zu bestückenden Bauelementeträgern. Ein zu bestückender Bauelementeträger 190 wird in einem Bestückungsbereich des Bestückautomaten 100 mittels einer Bauelementeträger-Klemmeinrichtung 150 fixiert.
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Wie aus 1 ersichtlich, ist der Bestückkopf 110 mit einer sog. z-Achse ausgestattet, mittels welcher eine als Saugpipette ausgebildete Bauelement-Haltevorrichtung 134 entlang einer vertikalen z-Richtung relativ zu einem Chassis des Bestückkopfes 110 verfahren werden kann. Es wird darauf hingewiesen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Bestückkopf 110 mehrere z-Achsen mit jeweils einer Bauelement-Haltevorrichtung aufweist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 jedoch nur eine dieser z-Achsen dargestellt.
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Die z-Achse umfasst einen Linearantrieb 122, welcher entlang eines Maßstabes 124 entlang der vertikalen z-Richtung verfahren werden kann. Der Maßstab 124 ist Teil eines Wegstrecken-Messsystem 120, mittels welchem die aktuelle z-Position einer Halterung 130 der z-Achse erfasst werden kann. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich zwischen der Halterung 130 und der Bauelement-Haltevorrichtung 134 ein Kraftsensor 132, welcher über eine Signalleitung 132a ein Signal an eine Auswertevorrichtung 140 sendet, sobald ein von der Bauelement-Haltevorrichtung 134 gehaltenes Bauelement 180 bei einem Absenken der Halterung 130 mit einer gewissen Aufsetzkraft auf die Oberfläche des Bauelementeträgers 190 gedrückt wird. Dieses Signal führt dann dazu, dass die Bewegung des Linearantriebs 122 gestoppt und, nachdem das Bauelement 180 an seiner vorgesehenen Einbauplatz anhaftet, die Halterung 130 zusammen mit der Bauelement-Haltevorrichtung 134 – nun ohne Bauelement 180 – wieder nach oben bewegt wird.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Auswertevorrichtung 140 über eine Signalleitung 122a mitgeteilt, wie die aktuelle z-Position des Linearantriebs 122 ist. Somit kann die Auswertevorrichtung 140 zum Zeitpunkt eines über die Signalleitung 132a empfangenen Signals feststellen, wie tief sich der Linearantrieb 122 bzw. die Halterung 130 abgesenkt hat, bis das Bauelement 180 auf den Bauelementeträger 190 auftrifft.
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Auf einem schwingenden Bauelementeträger 190 (die Endpositionen einer möglichen solchen Schwingung sind in 1 durch die gestrichelten Linien oberhalb und unterhalb des Bauelementeträgers 190 angedeutet) kommt es naturgemäß zu stark wechselnden Bestückungshöhen. Ein bestimmter Typ von Bauelement mit einheitlicher Dicke, der mit Bauelement-Haltevorrichtungen 134 gleicher Länge bestückt wird, hat innerhalb eines Bauelementeträgers 190 stark schwankende Bestückungshöhen. Je nach Schwingungsverlauf des Bauelementeträgers 190 ergibt sich eine Bestückungshöhe im Bereich von Zmax und Zmin. Über eine statistische Auswertung der Bestückungshöhen kann auf einen schwingenden Bauelementeträger 190 geschlossen werden.
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2 zeigt anhand einer Darstellung von Bauelementen, die an unterschiedlichen Bestückungshöhen auf einen schwingenden Bauelementeträger aufgesetzt wurden, eine statistische Auswertung der Bestückungshöhen. Dazu werden bevorzugt alle auftretenden Bestückungshöhen bei der Bestückung eines Bauelementeträgers innerhalb eines Bearbeitungsbereichs erfasst und durch Berücksichtigung von ggf. unterschiedlichen Längen der Bauelement-Haltevorrichtungen und ggf. unterschiedlichen Bauelementhöhen normiert. Der Mittelwert der Bestückungshöhen Zmean entspricht der Ruhelage des Bauelementeträgers. Der Abstand zwischen der minimalen Bestückungshöhe Zmin und der maximalen Bestückungshöhe Zmax entspricht der maximalen Schwingungs-Amplitude Amax.
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Aus den einzelnen Abweichungen um die Ruhelage Zmean wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine mittlere Schwingungsamplitude Amean errechnet. Da die mittlere Schwingungsamplitude robust gegenüber einzelnen Ausreißern ist, wird gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dieser Wert zur Festlegung einer maximal zulässigen Schwingung des Bauelementeträgers angewendet. Die Auswirkung einer solchen Schwingung des Bauelementeträgers auf die Bestückungssicherheit hängt stark von der jeweils herzustellenden elektronischen Baugruppe ab. Je nach Abmessung und Dicke des Bauelementeträgers sowie der bestückten Bauelementtypen variiert die zulässige Schwingung eines Bauelementeträgers. Somit sollte die zulässige mittlere Schwingungsamplitude Amean vom Anwender parametrierbar sein.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann bei der Überschreitung der mittleren Schwingungsamplitude Amean innerhalb eines Bearbeitungsbereiches eines Bauelementeträgers der Anwender je nach Fertigungsart (High Volume-Low Mix oder Low Volume-High Mix) zwischen zwei Optionen (A) und (B) wählen:
- (A) Bei High Volume Fertigungen kann die Bestückungsgeschwindigkeit typischerweise nicht reduziert werden, da ansonsten die Bestückungsleistung des betreffenden Bestückungsautomaten zu klein werden würde. Daher muss eine Schwingung des Bauelementeträgers durch eine optimale Unterstützung des Bauelementeträgers verhindert werden. Im Fehlerfall, d. h. bei der Erkennung eines derartigen Schwingens mit zumindest einer gewissen Schwingungsamplitude, wird die Produktion angehalten und die Konfiguration der Unterstützung des Bauelementeträgers in Hinblick auf ein abgeschwächtes Schwingungsverhalten verbessert. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis keine Überschreitung der zulässigen Schwingung des Bauelementeträgers mehr feststellbar ist.
- (B) Bei Low Volume Fertigungen kann nach der Erkennung eines schwingenden Bauelementeträgers die Produktion in einem Notlauf-Modus fortgesetzt werden. Hierbei werden zur Reduzierung des Auftreffimpulses die Bauelemente mit reduzierter Geschwindigkeit auf den Bauelementeträger aufgesetzt. Dies wird durch die Anwendung eines größeren Schleichweges der nach unten bewegten Bauelement-Haltevorrichtung vor dem Auftreffen des gehaltenen Bauelements auf den Bauelementeträger erreicht. Die Länge dieses Schleichweges kann entsprechend der ermittelten Schwingungsamplitude festgelegt werden. Mit dieser Methode können mit zwar reduzierter Leistung prozesssicher weitere elektronische Baugruppen produziert werden.
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3a zeigt ein Geschwindigkeitsprofil 390a einer Bauelement-Haltevorrichtung als Funktion einer z-Position während einer nach unten gerichteten Aufsetzbewegung auf einen Bauelementeträger. Aufgrund einer Schwingung des Bauelementeträgers trifft das Bauelement vorzeitig mit einer relativ hohen Geschwindigkeit vfa auf den Bauelementeträger auf. Der damit verbundene hohe Kraftimpuls kann abhängig von der Phasenlage der Schwingung des Bauelementeträgers zu einer Verstärkung der Schwingung führen.
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3b zeigt ein Geschwindigkeitsprofil 390b einer Bauelement-Haltevorrichtung als Funktion einer z-Position während einer nach unten gerichteten Aufsetzbewegung auf einen Bauelementeträger. Um die Erregung von unerwünschten Schwingungen des Bauelementeträgers zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, wird die Geschwindigkeit unmittelbar von dem Auftreffen des von dem Bauelementeträger gehaltenen Bauelements reduziert. Entlang einer Schleichstrecke 392 bewegt sich die Bauelement-Haltevorrichtung somit mit einer im Vergleich zu der Auftreffgeschwindigkeit vfa von 3a deutlich kleineren Geschwindigkeit vfb.
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Zusammenfassend bleibt festzustellen: Gemäß Ausführungsbeispielen der in diesem Dokument beschriebenen Erfindung kann ein Bestückungsautomat mit bereits vorhandenen Mitteln (eine z-Achseneinheit mit entsprechender Sensorik zur Erkennung der Endposition) eine vorhandene Leiterplatten-Schwingung über die real erreichten Bestückungshöhen erkennen. Sofern durch geeignete Maßnahmen dafür gesorgt wird, dass diese Schwingungen reduziert werden, kann die Sicherheit des Bestückungsprozesses deutlich verbessert werden. Bestückungsfehler durch fehlende Bauteile, die durch eine schwingende Leiterplatte verursacht werden, können hierdurch auf wirksame Weise verhindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bestückungsautomat
- 110
- Bestückkopf
- 120
- Wegstrecken-Messsystem
- 122
- Linearantrieb
- 122a
- Signalleitung
- 124
- Maßstab
- 130
- Halterung
- 132
- Sensor/Kraftsensor
- 132a
- Signalleitung
- 134
- Bauelement-Haltevorrichtung/Saugpipette
- 140
- Auswertevorrichtung
- 150
- Bauelementeträger-Klemmeinrichtung
- 180
- Bauelement
- 190
- Bauelementeträger/Leiterplatte
- 390a
- Geschwindigkeitsprofil
- 390b
- Geschwindigkeitsprofil
- 392
- Positionierung mit geringer Endgeschwindigkeit/Schleichstrecke
- vfa, vfb
- Auftreffgeschwindigkeit
