DE102017125754A1

DE102017125754A1 - Verfahren zur Ermittlung der Form und des Volumens eines Lotpunkts

Info

Publication number: DE102017125754A1
Application number: DE102017125754.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Form und des Volumens eines Lotpunkts, bei dem ein auf eine ebene Fläche aufgebrachter Lotpunkt mittels wenigstens einer über der Fläche angeordneten Lichtquelle derart schräg beleuchtet wird, dass der Lotpunkt einen Schatten auf die Fläche wirft, der Schatten mittels einer über dem Lotpunkt angeordneten Bilderfassungseinrichtung erfasst wird und mittels einer mit der Bilderfassungseinrichtung verbundenen Auswerteeinheit die Form und das Volumen des Lotpunkts aus dem Schatten ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Form und des Volumens eines Lotpunkts.
Beispielsweise aus der Halbleiterindustrie ist es bekannt, dosiert Lotpunkte zu setzen, welche idealerweise kegelige Häufchen aus Lotkugeln bilden, die eventuell eine abgeflachte Spitze aufweisen. Aus Gründen der Qualitätssicherung ist es erwünscht, die Qualität der Dosierung online zu überwachen. Hierfür ist es erforderlich, die Lotpunkte unmittelbar nach der Dosierung in Form und Volumen zu analysieren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der Form und des Volumens eines Lotpunkts zu schaffen, welches online einsetzbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke zugrunde, einen Lotpunkt aus wenigstens einer Richtung schräg zu beleuchten und den jeweils resultierenden Schattenwurf zur Ermittlung der Form und des Volumens des Lotpunkts heranzuziehen. Es handelt sich hierbei also um ein kontaktloses optisches Verfahren, welches letztlich auf der Analyse aufgenommener Schatten des Lotpunkts, d.h. auf reiner Bildverarbeitung, beruht und deshalb besonders schnell und insbesondere auch online umgesetzt werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Vermessung von Lotpunkten beschränkt ist. Vielmehr eignet es sich auch für die Vermessung von Punkten oder Häufchen anderer hochgefüllter Medien, wie beispielsweise Silber-Epoxy. In diesem Sinne ist im Kontext der Erfindung das Wort „Lot“ daher als Synonym für ein beliebiges hochgefülltes Medium zu verstehen.
Grundsätzlich ist es zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichend, den zu vermessenden Lotpunkt mit einer Lichtquelle zu beleuchten und entsprechend einen Schatten auszuwerten, insbesondere wenn bei dem Lotpunkt von einem rotationssymmetrischen Körper auszugehen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren jedoch die Schritte, dass ein auf eine ebene Fläche aufgebrachter Lotpunkt mittels einer über der Fläche angeordneten ersten Lichtquelle aus einer ersten Richtung derart schräg beleuchtet wird, dass der Lotpunkt einen ersten Schatten auf die Fläche wirft, der Lotpunkt mittels einer über der Fläche angeordneten zweiten Lichtquelle aus einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung derart schräg beleuchtet wird, dass der Lotpunkt einen von dem ersten Schatten verschiedenen zweiten Schatten auf die Fläche wirft, der erste Schatten und der zweite Schatten mittels einer über dem Lotpunkt angeordneten Bilderfassungseinrichtung erfasst werden und mittels einer mit der Bilderfassungseinrichtung verbundenen Auswerteeinheit die Form und das Volumen des Lotpunkts aus dem ersten und zweiten Schatten ermittelt werden.
Vorzugsweise wird der Lotpunkt mit parallelem Licht beleuchtet. Hierzu können die Lichtquellen jeweils mit einem Kollimator versehen sein. Alternativ ist es grundsätzlich auch möglich, Laser als Lichtquellen zu verwenden oder die Lichtquellen in einer ausreichend großen Entfernung zu dem Lotpunkt anzuordnen.
Damit der Lotpunkt aus unterschiedlichen Richtungen beleuchtet werden kann, sind die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle idealerweise zueinander beabstandet.
Für eine besonders einfache Auswertung der aufgenommenen Schatten ist es bevorzugt, wenn die zweite Richtung zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Die erste und zweite Richtung sind in diesem Kontext parallel zu der ebenen Fläche zu sehen.
Zu einer genaueren Ermittlung der Form und des Volumens des Lotpunkts trägt außerdem bei, wenn der Lotpunkt abwechselnd durch die erste Lichtquelle und die zweite Lichtquelle beleuchtet wird.
Für eine besonders exakte Bestimmung der Form und des Volumens des Lotpunkts ist es ferner vorteilhaft, wenn die erste Lichtquelle den Lotpunkt unter einem ersten Winkel bezogen auf die Fläche beleuchtet. Entsprechend sollte die zweite Lichtquelle den Lotpunkt unter einem zweiten Winkel bezogen auf die Fläche beleuchten.
Zu einer einfachen Auswertung der aufgenommenen Schatten trägt bei, wenn der erste Winkel und der zweite Winkel gleich sind.
Beispielsweise können bzw. kann der erste Winkel und/oder der zweite Winkel im Bereich zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 0° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° liegen. Es versteht sich, dass der durch den beleuchteten Lotpunkt geworfene Schatten umso länger wird, je kleiner der Winkel ist. Insofern ermöglicht ein kleinerer Winkel eine genauere Bestimmung der Form und des Volumens des Lötpunkts.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Analysevorrichtung zur Ermittlung des Volumens eines auf eine ebene Fläche aufgebrachten Lotpunkts, umfassend eine über der Fläche angeordnete erste Lichtquelle, durch welche der Lotpunkt aus einer ersten Richtung derart schräg beleuchtet werden kann, dass der Lotpunkt einen ersten Schatten auf die Fläche wirft, eine über der Fläche angeordnete zweite Lichtquelle, durch welche der Lotpunkt aus einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung derart schräg beleuchtet werden kann, dass der Lotpunkt einen von dem ersten Schatten verschiedenen zweiten Schatten auf die Fläche wirft, eine über dem Lotpunkt angeordnete Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung des ersten Schattens und des zweiten Schattens und eine mit der Bilderfassungseinrichtung verbundene Auswerteeinheit zur Ermittlung der Form und des Volumens des Lotpunkts aus dem ersten und zweiten Schatten. Durch diese Vorrichtung lassen sich die voranstehend erwähnten Vorteile entsprechend erreichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Analysevorrichtung ist eine optische Achse der Bilderfassungseinrichtung rechtwinklig zu der Fläche orientiert.
Für eine besonders kompakte Bauform der Analysevorrichtung ist die Bilderfassungseinrichtung bevorzugt zwischen der ersten Lichtquelle und der zweiten Lichtquelle angeordnet.
Des Weiteren kann eine optische Achse der ersten Lichtquelle einen ersten Winkel mit der Fläche und eine optische Achse der zweiten Lichtquelle einen zweiten Winkel mit der Fläche einschließen. Vorteilhafterweise sind der erste Winkel und der zweite Winkel gleich. Beispielsweise können bzw. kann der erste Winkel und/oder der zweite Winkel im Bereich zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 0° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° liegen.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Anlage zum Setzen von Lotpunkten, umfassend eine, beispielsweise an einem Roboter montierte, Dosiervorrichtung zum dosierten Aufbringen eines Lotpunkts auf eine ebene Fläche und eine Analysevorrichtung der voranstehend beschriebenen Art zur Ermittlung der Form und des Volumens des auf die Fläche aufgebrachten Lotpunkts. Auch durch diese Anlage lassen sich die voranstehend erwähnten Vorteile realisieren.
Bevorzugt ist die Analysevorrichtung direkt an der Dosiervorrichtung angebracht oder in die Dosiervorrichtung integriert, wodurch sich die Qualität gesetzter Lotpunkte auf besonders einfache Weise online überwachen lässt. Es versteht sich jedoch, die Analysevorrichtung nicht notwendigerweise direkt an der Dosiervorrichtung angebracht sein muss, sondern alternativ auch zu der Dosiervorrichtung benachbart an einem Roboter montiert sein kann, welcher die Dosiervorrichtung trägt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Anlage eine Kamera zur Aufnahme eines Bildes der Fläche vor dem Aufbringen von Lotpunkten auf die Fläche auf. Durch einen Vergleich eines durch die Kamera aufgenommenen Bildes der Fläche vor dem Aufbringen von Lotpunkten mit durch die Bilderfassungseinrichtungen aufgenommenen Bildern der Fläche nach dem Aufbringen von Lotpunkten lassen sich die zu vermessenden Lotpunkte schneller und zuverlässiger erkennen. Für eine bessere Bildqualität ist der Kamera bevorzugt eine auf die Fläche gerichtete Beleuchtung zugeordnet, deren optische Achse idealerweise möglichst rechtwinklig zu der ebenen Fläche orientiert ist.
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer möglichen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Anlage zum Setzen von Lotpunkten mit einer Dosiervorrichtung und einer Analysevorrichtung zur Ermittlung der Form und des Volumens gesetzter Lotpunkte;
2 eine detailliertere Ansicht der Analysevorrichtung von 1;
3 eine schematische Seitenansicht eines kegelstumpfförmigen Lotpunkts und seine Ausleuchtung durch die Analysevorrichtung von 2;
4 eine schematische Draufsicht auf den ausgeleuchteten kegelstumpfförmigen Lotpunkt von 3.

In 1 und 2 ist eine Anlage zum Setzen von Lotpunkten 10 auf einer ebenen Fläche 12 dargestellt, beispielsweise auf der Oberfläche einer Leiterplatte, welche auf einem feststehenden Tisch 14 der Anlage liegt.
Die Anlage umfasst eine an einem Roboter 16 montierte Dosiervorrichtung 18 zum dosierten Abgeben von Lotpaste, welche entlang einer X-Achse 20, einer Y-Achse 22 und einer Z-Achse 24 des Roboters 16 relativ zu dem Tisch 14 und somit zu der ebenen Fläche 12 verfahrbar ist. Konkret ist die Dosiervorrichtung 18 dafür ausgelegt, innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl von kegelstumpfförmigen Lotpunkten 10 auf die ebene Fläche 12 zu setzen.
Zur Erfassung der ebenen Fläche 12 vor der Abgabe von Lotpaste ist eine Kamera 26 an der Dosiervorrichtung 18 angebracht. Die Ausleuchtung der ebenen Fläche 12 für eine Erfassung durch die Kamera 26 erfolgt durch eine Beleuchtung 28, welche neben der Kamera 26 angeordnet ist und ebenfalls durch die Dosiervorrichtung 18 getragen wird.
Außerdem ist eine Analysevorrichtung 30 zur Erfassung der Form und des Volumens der gesetzten Lotpunkte 10 an der Dosiervorrichtung 18 angebracht. Die Analysevorrichtung 30 umfasst eine auf die ebene Fläche 12 gerichtete Bilderfassungseinrichtung 32, beispielsweise eine Videokamera, deren optische Achse rechtwinklig zu der ebenen Fläche 12 orientiert ist. Außerdem umfasst die Analysevorrichtung 30 eine erste Lichtquelle 34 und eine zweite Lichtquelle 36, welche auf gegenüberliegenden Seiten der Bilderfassungseinrichtung 32 angeordnet und jeweils auf die ebene Fläche 12 gerichtet sind, um diese abwechselnd mit parallelem Licht 38 auszuleuchten. Die Anordnung und Ausrichtung der Lichtquellen 34, 36 ist dabei so gewählt, dass das Licht 38 der Lichtquellen 34, 36 aus entgegengesetzten Richtungen und unter gleich großen Winkeln α auf die ebene Fläche 12 trifft (3 und 4).
Wird die ebene Fläche 12 durch die erste Lichtquelle 34 ausgeleuchtet, so wirft ein durch das Licht 38 der ersten Lichtquelle 34 erfasster Lotpunkt 10 einen ersten Schatten 40 auf die ebene Fläche 12. Entsprechend wirft der Lotpunkt 10 einen zweiten Schatten 42 auf die ebene Fläche 12, wenn er anschließend durch die zweite Lichtquelle 36 bestrahlt wird. Diese Schatten 40, 42 werden durch die Bilderfassungseinrichtung 32 aufgenommen und in einer mit der Bilderfassungseinrichtung 32 verbundenen Auswerteeinheit ausgewertet.
Hätte der Lotpunkt 10 eine spitze Kegelform, so würden der erste und zweite Schatten 40, 42 jeweils nach außen hin spitz zu laufen und die theoretisch resultierenden außen liegenden Schattenspitzen 44, 46 einen Abstand W zueinander aufweisen. Da der Lotpunkt 10 aber tatsächlich die Form eines stumpfen Kegels aufweist, endet der erste Schatten 40 in einem ersten Abstand v1 zu seiner theoretischen Schattenspitze 44 und der zweite Schatten 42 in einem zweiten Abstand v2 zu seiner theoretischen Schattenspitze 46.
Aus der maximalen Breite jedes Schattens 40, 42 ergibt sich der maximale Durchmesser D des Lotpunkts 10.
In Kenntnis des Beleuchtungswinkels α lässt sich anhand der folgenden Formel die Höhe H eines theoretischen spitzen Kegels berechnen: $H = tan (α) \times \frac{W}{2}$
Die Höhe h der dem Lotpunkt 10 tatsächlich fehlenden Kegelspitze folgt aus der folgenden Formel: $h = tan (α) \times \frac{v_{1} + v_{2}}{2}$
Hieraus ergibt sich unter Zuhilfenahme folgender Formel schließlich das Volumen V des tatsächlichen stumpfkegelförmigen Lotpunkts 10: $V = \frac{1}{12} \times D^{2} \times π \times H \times (1 - \frac{h^{3}}{H^{3}})$
Auf diese Weise kann mittels der Auswerteeinheit also nicht nur die Form, insbesondere der Durchmesser D und die tatsächliche Höhe H-h des Lotpunkts 10, sondern auch sein Volumen V ermittelt werden.
Bezugszeichenliste

10: Lotpunkt
12: ebene Fläche
14: Tisch
16: Roboter
18: Dosiervorrichtung
20: X-Achse
22: Y-Achse
24: Z-Achse
26: Kamera
28: Beleuchtung
30: Analysevorrichtung
32: Bilderfassungseinrichtung
34: erste Lichtquelle
36: zweite Lichtquelle
38: paralleles Licht
40: erster Schatten
42: zweiter Schatten
44: Schattenspitze
46: Schattenspitze

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Form und des Volumens eines Lotpunkts (10), bei dem ein auf eine ebene Fläche (12) aufgebrachter Lotpunkt (10) mittels wenigstens einer über der Fläche angeordneten Lichtquelle (34, 36) derart schräg beleuchtet wird, dass der Lotpunkt (10) einen Schatten (40, 42) auf die Fläche (12) wirft, der Schatten (40, 42) mittels einer über dem Lotpunkt (10) angeordneten Bilderfassungseinrichtung (32) erfasst wird und mittels einer mit der Bilderfassungseinrichtung (32) verbundenen Auswerteeinheit die Form und das Volumen des Lotpunkts (10) aus dem Schatten (40, 42) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf eine ebene Fläche (12) aufgebrachter Lotpunkt (10) mittels einer über der Fläche angeordneten ersten Lichtquelle (34) aus einer ersten Richtung derart schräg beleuchtet wird, dass der Lotpunkt (10) einen ersten Schatten (40) auf die Fläche (12) wirft, der Lotpunkt (10) mittels einer über der Fläche (10) angeordneten zweiten Lichtquelle (36) aus einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung derart schräg beleuchtet wird, dass der Lotpunkt (10) einen von dem ersten Schatten (40) verschiedenen zweiten Schatten (42) auf die Fläche (12) wirft, der erste Schatten (40) und der zweite Schatten (42) mittels einer über dem Lotpunkt (10) angeordneten Bilderfassungseinrichtung (32) erfasst werden und mittels einer mit der Bilderfassungseinrichtung (32) verbundenen Auswerteeinheit die Form und das Volumen des Lotpunkts (10) aus dem ersten und zweiten Schatten (40, 42) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (34) und die zweite Lichtquelle (36) zueinander beabstandet sind.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Richtung zu der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotpunkt (10) abwechselnd durch die erste Lichtquelle (34) und die zweite Lichtquelle (36) beleuchtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtquelle (34) den Lotpunkt (10) unter einem ersten Winkel (a) bezogen auf die Fläche (12) beleuchtet und/oder die zweite Lichtquelle (36) den Lotpunkt (10) unter einem zweiten Winkel (a) bezogen auf die Fläche (12) beleuchtet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und der zweite Winkel (α) gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und/oder der zweite Winkel (α) im Bereich zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 0° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° liegen bzw. liegt.
Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lotpunkt (10) mit parallelem Licht (38) beleuchtet wird.
Analysevorrichtung (30) zur Ermittlung des Volumens eines auf eine ebene Fläche (12) aufgebrachten Lotpunkts (10), umfassend wenigstens eine über der Fläche (12) angeordnete Lichtquelle (34, 36), durch welche der Lotpunkt (10) derart schräg beleuchtet werden kann, dass der Lotpunkt (10) einen Schatten (40) auf die Fläche (12) wirft, eine über dem Lotpunkt (10) angeordnete Bilderfassungseinrichtung (32) zur Erfassung des Schattens (40, 42) und eine mit der Bilderfassungseinrichtung (32) verbundene Auswerteeinheit zur Ermittlung der Form und des Volumens des Lotpunkts (10) aus dem Schatten (40, 42).
Analysevorrichtung (30) nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine über der Fläche (12) angeordnete erste Lichtquelle (34), durch welche der Lotpunkt (10) aus einer ersten Richtung derart schräg beleuchtet werden kann, dass der Lotpunkt (10) einen ersten Schatten (40) auf die Fläche (12) wirft, eine über der Fläche (12) angeordnete zweite Lichtquelle (36), durch welche der Lotpunkt (10) aus einer von der ersten Richtung verschiedenen zweiten Richtung derart schräg beleuchtet werden kann, dass der Lotpunkt (10) einen von dem ersten Schatten (40) verschiedenen zweiten Schatten (42) auf die Fläche (12) wirft, eine über dem Lotpunkt (10) angeordnete Bilderfassungseinrichtung (32) zur Erfassung des ersten Schattens (40) und des zweiten Schattens (42) und eine mit der Bilderfassungseinrichtung (32) verbundene Auswerteeinheit zur Ermittlung der Form und des Volumens des Lotpunkts (10) aus dem ersten und zweiten Schatten.
Analysevorrichtung (30) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinrichtung (32) zwischen der ersten Lichtquelle (34) und der zweiten Lichtquelle (36) angeordnet ist.
Analysevorrichtung (30) nach zumindest einem der Ansprüche 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse der ersten Lichtquelle (34) einen ersten Winkel (α) mit der Fläche (12) einschließt und eine optische Achse der zweiten Lichtquelle (36) einen zweiten Winkel (α) mit der Fläche (12) einschließt.
Analysevorrichtung (30) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und der zweite Winkel (α) gleich sind.
Analysevorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel (α) und/oder der zweite Winkel (α) im Bereich zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen 0° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 5° und 30° liegen bzw. liegt.
Analysevorrichtung (30) nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Achse der Bilderfassungseinrichtung (32) rechtwinklig zu der Fläche (12) orientiert ist.
Anlage zum Setzen von Lotpunkten (10), umfassend eine, beispielsweise an einem Roboter (16) montierte, Dosiervorrichtung (18) zum dosierten Aufbringen eines Lotpunkts (10) auf eine ebene Fläche (12) und eine Analysevorrichtung (30) zur Ermittlung des Volumens des auf die Fläche (12) aufgebrachten Lotpunkts (10) nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 16.
Anlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung (30) an der Dosiervorrichtung (18) angebracht oder in diese integriert ist.
Anlage nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch eine Kamera (26) zur Aufnahme eines Bildes der Fläche (12) vor dem Aufbringen von Lotpunkten (10) auf die Fläche (12), insbesondere wobei der Kamera (26) eine auf die Fläche (12) gerichtete Beleuchtung (28) zugeordnet ist.