DE19641047A1 - Vorrichtung zum Positionieren und Aufbringen von Bauteilen, insbesondere elektronischen Bauteilen, auf ein Substrat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Positionieren und Aufbringen eines Bauteils auf ein Substrat. Derartige Systeme werden zur Bestückung oder zum Entfernen insbeson­ dere komplexer elektronischer Bauteile benutzt. Die stei­ gende Anzahl von Anschlüssen, steigende Bauteilkosten, neue Gehäuseformen, Bauteile ohne Gehäuse und neue Befestigungs­ techniken stellen erhöhte Anforderungen an das Positionier­ system bzw. das Montagesystem.

Die DD-A-2 42 320 beschreibt eine Vorrichtung zum Positionie­ ren hochpoliger Nacktchips auf Leitungssubstraten und Chip-Carriern auf gedruckten Leiterplatten. Hierfür sind ein Punkt an der Unterseite eines an einem Hebelarm angeordneten Bauelements, ein Punkt der Bestückungsposition des Leitungs­ substrats, ein Punkt in der Fläche eines halbdurchlässigen Spiegels und die Hebelarmdrehachse an den Eckpunkten eines Quadrates angeordnet. Die Diagonale des Quadrates liegt in der Spiegelfläche und schneidet die Hebelarmdrehachse. Eine senkrecht von der Bauelemente-Unterseite ausgehende Seiten­ linie und eine senkrecht von der Bestückungsposition ausge­ hende Seitenlinie schneiden sich in dem Punkt in der Spie­ gelfläche. Das Leitungssubstrat ist in seiner rage seitlich verschiebbar.

Bei dieser bekannten Anordnung ist der Positioniervorgang zeitraubend, da für das Positionieren lediglich die Frei­ heitsgrade im Verschiebetisch zur Verfügung stehen, was sich besonders bei Rotationsfehlern ungünstig auswirkt. Für das Bestücken großflächiger Bauteile ist diese Einrichtung wenig geeignet, da sich Fehler in der Montageposition als Keilfeh­ ler auswirken. Das Bestücken von Platinen ist eingeschränkt, da keine Einstellmöglichkeit für die Montagehöhe vorhanden ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein System der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, das obige Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche ge­ löst.

Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, bei der Bestückungsbewegung für die große Transportstrecke eine Schwenkbewegung auszuführen, während am Ende der Be­ stückungsbewegung unmittelbar vor dem Aufsetzen des Bauteils auf das Substrat eine relativ kurze Linearbewegung erfolgt, die im wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche ist.

Dabei ergeben sich die folgenden Vorteile: Es werden hohe Bestückungsgenauigkeiten bei gleichzeitig günstigen System­ kosten erzielt; der Positioniervorgang ist vereinfacht und beschleunigt die Bestückungsarbeit; Keilfehler als Folge der Höhenabhängigkeit der Montageposition sind eliminiert; und ein flexibler Einsatz mit unterschiedlichen Substrathöhen wird ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ablaufdiagramm beim Betrieb der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung;

Fig. 3 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Fig. 4 eine Detaildarstellung eines Ausführungsbeispiels des Justiertisches.

Gemäß den Fig. 1 und 2 wird ein Bauteil 1, z. B. ein inte­ grierter Schaltkreis, relativ zu einem Substrat 2, z. B. einer Leiterplatte, mittels einer Justieroptik 3 mit einer Strahlteileroptik 4 durch eine sequentielle Folge von Bewe­ gungsschritten ausgerichtet. Der Bestückungsvorgang beginnt mit dem Beladen des Bauteils 1 auf einem Justiertisch (Be­ stückungskopf oder Handler) 5, der am freien Ende eines um eine Achse 9 verschwenkbaren Montagearms 100 angeordnet ist. Das Substrat 2 wird auf einem Substrathalter 6 zugestellt. Der Justiertisch 5 wird in die in Fig. 2 vertikal darge­ stellte Justierposition 7 bewegt, in der das Bauteil 1 rela­ tiv zu einer Bestückungsposition 8 auf dem Substrat 2 durch Justierbewegungen am Justiertisch 5 ausgerichtet wird. Da­ nach wird das Bauteil 1 mittels einer Kippbewegung (Pfeil A) des Justiertisches 5 um eine Justiertischlagerung (Welle 9) um 90° so zum Substrat 2 bewegt, daß das Bauteil 1 parallel und nicht berührend zum Substrat 2 liegt; in dieser Position 7′ befindet sich der Justiertisch 5 in Fig. 2 in einer hori­ zontalen rage. Mittels einer linearen Kurzhubbewegung wird dann das Bauteil 1 auf das Substrat 2 aufgesetzt. Beim Posi­ tionieren wird die Kippbewegung (Pfeil A) für das Zurückle­ gen der großen Positionierdistanz gewählt. An die Kippbewe­ gung schließt sich wenigstens eine lineare Kurzhubbewegung an. So ist sichergestellt, daß das Bauteil 1 nicht vorzeitig verkippt aufgesetzt wird.

Gemäß Fig. 2 besteht der Justiertisch 5 aus einer X-Justier­ vorrichtung 10, einer Y-Justiervorrichtung 11, einer Rotati­ onsvorrichtung 12 (mit der Drehachse 12′) und einer Kurzhub­ vorrichtung (Z-Richtung) 13. In der Justierposition 7 liegen die optischen Wege der Justieroptik 3 so, daß die Zentren der Bestimmungsposition 8, der Strahlteileroptik 4, der Ju­ stiertischlagerung 9 und das Bauteil 1 nicht die Eckpunkte eines Quadrats bilden. Das optische Zentrum der Strahltei­ leroptik 4 und der Drehmittelpunkt der Justiertischlagerung 9 liegen auf einer ersten Diagonalen 14 und bilden die zuge­ hörigen Eckpunkte eines ersten Quadrats 15. Das optische Zentrum des Bauteils 1 in der Justierposition 7 und in der Endposition 8 liegen auf einer zweiten Diagonalen 16 und bilden die zugehörigen Eckpunkte eines zweiten Quadrates 17. Das zweite Quadrat 17 ist dabei größer als das erste Quadrat 15; das erste Quadrat 15 und das zweite Quadrat 17 haben den Eckpunkt im Zentrum der Strahlteileroptik 4 gemeinsam. Die Kantenlänge des zweiten Quadrats 17 ist gleich dem Arbeits­ abstand der Justieroptik 3; die Kantenlänge des ersten Qua­ drates 15 ist gleich dem Radius der Kippbewegung des Bau­ teils 1. Da in dieser Anordnung das zweite Quadrat 17 größer ist als das erste Quadrat 15, stellt sich beim Kippen des Justiertisches 5 ein Positionierspalt 18 zwischen dem Bau­ teil 1 und dem Substrat 2 ein.

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vor­ richtung, bei der die Bewegungselemente des Justiertisches 5 Linearführungen sind. Die X-Justiervorrichtung 10 besteht aus einer X-Führungsschiene 21 und einem X-Schlitten 20. Die Y-Justiervorrichtung 11 besteht aus einer Y-Führungsschiene 23 und einem Y-Schlitten 22 und die Kurzhubvorrichtung 13 aus einer Z-Führungsschiene 25 und einem Z-Schlitten 24. In der Rotationsvorrichtung 12 führen ein erstes Lager 33 und ein zweites Lager 34 eine Rotationswelle 37, die wiederum eine Bauteilhalterung 38 trägt. Die Rotationsbewegung wird mittels eines Rotationsarms 35 und eines Justierelements 36 in die Rotationswelle 37 eingekuppelt. Die Justiereinrich­ tungen zum Verfahren der X-, Y- und Z-Bewegungselemente sind in Fig. 2 nur schematisch dargestellt.

Zusätzlich können in diesem Ausführungsbeispiel des Justier­ tisches 5 federnde Elemente 30, 32 vorgesehen sein. Die fe­ dernden Elemente 30, 32 fangen Abweichungen in der Höhe des Positionierspaltes 18 auf.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Ju­ stiertisches 5. Die Bewegungselemente des Justiertisches 5 sind Blattfederpaare. Die X-Justiervorrichtung 10 besteht aus X-Federn 47, 48; die Y-Justiervorrichtung 11 besteht aus Y-Federn 45, 46, und die Kurzhubvorrichtung 13 besteht aus Z-Federn 49, 50. Ein X- Justierelement 40, ein Y-Justierele­ ment 41 und ein Justierelement 36 dienen zum exakten Verfah­ ren der Bewegungselemente und sind z. B. in Form von Mikrome­ terschrauben ausgebildet. Das Z-Bewegungselement ist in der Fig. 4 nicht dargestellt.

Für Anwendungen mit sehr großem Vergrößerungsmaßstab und entsprechend kleinem Arbeitsabstand der Justieroptik 4 kann auf dem Justiertisch 5 eine zweite Kippbewegung vorgesehen sein. Die Drehachse dieser zweiten Kippbewegung verläuft da­ bei parallel zur Kurzhubbewegung des Justiertisches 5.

Auch hier werden die Vorteile von exakten Rotationsbewegun­ gen genutzt. Nach dem Ausrichten wird das Bauteile 1 durch die zweite Kippbewegung nach oben aus dem Strahlengang ge­ schwenkt. Nach erfolgter Kippung des Justiertisches 5 wird das Bauteil 1 entlang der zweiten Kippbewegung wieder in den Strahlengang geschwenkt und mittels der Kurzhubbewegung po­ sitioniert.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Positionieren und Aufbringen eines Bau­ teils (1) auf ein Substrat (2) mittels eines um eine Achse (9) zwischen einer Beladeposition (7) und einer Bestückungsposition (7′) verschwenkbaren Montagearms (100), an dessen freiem Ende das Bauteil (1) befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Montagearmachse (9) im wesentlichen parallel zu und um einen Positionierabstand (18) oberhalb der Substratoberfläche (8) liegt und
• b) das Bauteil (1) über den Positionierabstand (18) hinweg linear verschiebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine optische Positioniervorrichtung (3).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Substrathalter (6) auf einem X-Y-Verschie­ betisch zum Verschieben des Substrats in der Substrat­ ebene angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei am Montage­ arm (100) ein Bestückungskopf (5) mit einem Bauteilträ­ ger (38) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Bauteilträger (38) mit einer Rotationsvorrichtung (12) gekoppelt ist, deren Drehachse (12′) senkrecht zur Auf­ nahmefläche des Bauteils (1) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bauteilhalterung (38) mit einem senkrecht zur Aufnahme­ fläche des Bauteils (1) bewegbaren Linearführungssystem (13) gekoppelt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bauteilhalterung (38) mit einem Kraftelement, das in der Montageposition (7′) mit einer justierbaren Anpreßkraft auf das Bauteil (1) einwirkt, kraftschlüssig verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bauteilhalterung (38) parallel zur Aufnahmefläche mit­ tels X-Y-Linearführungen (10, 20, 21; 11, 22, 23) ver­ schiebbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Substrathalter (6) senkrecht zur Substratebene ver­ schiebbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Montagearm (100) mit seiner Drehachse (9) parallel zur Substratebene und/oder senkrecht zur Substratebene ver­ schiebbar ist.

11. Vorrichtung nach Ansprüche 8, 9 oder 10, wobei die Li­ nearführungen Blattfederelemente (47, 48; 45, 46; 49, 50) aufweisen.