DE19823938C1 - Verfahren und Vorrichtung zum linearen Positionieren und zur Lageerkennung eines Substrates - Google Patents

Abstract

In einen Bestückautomaten transportierte Substrate (1) werden bisher mit Hilfe eines Ultraschall- oder Reflexlichtsensors erkannt, der Lineartransport (2) abgebremst und das Substrat gegen einen mechanischen einfahrbaren Stopper gefahren, so daß die Position des Substrats (1) bekannt ist. Durch die feste Position des Stoppers werden dabei unterschiedlich große Substrate (1) immer an einer Stelle gestoppt, die nicht notwendigerweise für optimale Bestückwege und kurze Bestückzeiten geeignet ist. DOLLAR A Durch die Anordnung eines Sensors (10) mit einem frei über das Bestückfeld (x) des Bestückautomaten positionierbaren Sensorfeld (13) läßt sich die Position eines transportierten Substrats (1) innerhalb des Bestückfeldes (x) bestimmen. Der Sensor (10) detektiert ein vorgegebenes Substratmerkmal (9) an einer vorgegebenen Bremsposition (x1) im Bestückfeld (x), der Lineartransport (2) wird abgebremst, so daß das Substrat (1) mit dem Substratmerkmal (9) an einer Bestückposition (x2) zur Ruhe kommt. Der Sensor (10) vermißt das an der Bestückposition (x2) zur Ruhe gekommene Substratmerkmal (9) und ermittelt anhand der gemessenen Position die Position von auf dem Substrat angeordneten Justiermarken (15), die dann mit einem am Bestückkopf (4) angebrachten Justiersensor (14) genau vermessen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum linearen Po­ sitionieren und zur Lageerkennung eines Substrates innerhalb eines Bestückfeldes eines Bestückautomaten sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der automatischen Bestückung von Substraten (beispiels­ weise Leiterplatten oder Keramiksubstraten) mit Bauelementen (beispielsweise SMD-Bauelemente, SMD = Surface Mounted De­ vice, oder Ball-Grad-Arrays = BGA) werden die einzelnen Bau­ elemente mittels eines Bestückkopfes aus einem Magazin oder einer Zuführeinrichtung entnommen und dann in einer vorgege­ benen Lage auf dem Substrat positioniert. Die Substrate wer­ den dabei aus einem Magazin entnommen, an zwei gegenüberlie­ genden Seiten geführt und mit Hilfe eines Lineartransports in den Bestückautomaten befördert. Für eine genaue Bestückung ist es erforderlich, daß die Position der Leiterplatte in Transportrichtung genau bekannt ist.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Pa­ tentanmeldung DE 197 38 922 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestücken eines Leadframes mit integrierten Schaltungen bekannt. Dabei dient eine ortsfeste Detektorein­ heit zum Erfassen der Position der integrierten Schaltungen und/oder der Position des Leadframes vor dem Bestücken. Mit­ hilfe einer solchen Detektoreinheit läßt sich zwar die Posi­ tion der Leiterplatte, nachdem sie bereits abgebremst wurde, erkennen, ein Verfahren zum Abbremsen der Leiterplatte ist allerdings nicht zu entnehmen.

Aus GB 2 150 098 A ist eine Maschine zum Bestücken von Sub­ straten mit elektrischen Bauelementen bekannt, bei der die Substrate in einer Bestückposition durch mechanische Stopper angehalten werden, durch teleskopartig verfahrbare Stifte, die in Löcher der Substrate eingreifen, exakter positioniert werden und anschließend durch Klemmittel in der exakteren Po­ sition fixiert werden. Durch das abrupte Abbremsen beim Fah­ ren gegen den mechanischen Stopper können unerwünschterweise bereits bestückte Bauelemente verrutschen. Außerdem ist die exaktere Positionierung mit den Stiften häufig für Bestück­ prozesse von Bauelementen mit geringem Abstand der Anschlüsse nicht genau genug.

Aus DE 43 25 565 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beförderung eines Leiterrahmens von einem ersten Punkt zu ei­ nem zweiten Punkt bekannt, bei der der Leiterrahmen zunächst an einer ersten Stelle nach dem ersten Punkt abgebremst und in einem Klemmechanismus gehalten wird, anschließend im ge­ haltenen Zustand in einen Bearbeitungsraum bewegt wird, dort bearbeitet und anschließend im gehaltenen Zustand zum zweiten Punkt bewegt wird, wobei das Erreichen der jeweiligen Halte­ punkte durch Sensoren detektiert wird. Durch das zweimalige Anhalten, zunächst an der ersten Stelle und dann im Bearbei­ tungsraum, tritt ein unerwünschter Zeitverlust gegenüber ei­ nem einmaligen Anhalten im Bearbeitungsraum auf. Außerdem wird im Bearbeitungsraum keine Positionserkennung der tat­ sächlichen Lage des Leiterrahmens mehr durchgeführt, was vor allem bei Bauelementen mit sehr geringen Abständen zwischen den Anschlüssen zu ungenau ist.

Aus DE 36 30 178 A1 ist eine rechnergesteuerte Montageein­ richtung bekannt, die auch zur Leiterplattenbestückung ver­ wendet wird. Die Leiterplatten werden dabei auf Werkstückträ­ ger gelegt, die auf Transportstationen zu einzelnen Arbeits­ stationen bewegt werden. Dabei detektieren Fotosensoren die Anwesenheit von Werkstückträgern und mittels eines Justier­ stiftes wird der Werkstückträger genauer positioniert. Über den Abbremsvorgang selbst sind keine Angaben gemacht. Die Po­ sitionierung mit den Justierstiften ist teilweise zu ungenau.

Desweiteren werden für die Erkennung von Leiterplatten bei­ spielsweise Ultraschallreflextaster benutzt, die eine trans­ portierte Leiterplatte erkennen. Daraufhin wird der Linear­ transport abgebremst und das Substrat wird mit geringer Ge­ schwindigkeit gegen einen einfahrbaren, mechanischen Stopper gefahren. Anstelle des Ultraschallreflextasters werden manch­ mal auch Reflexlichtsensoren verwendet. Verschiedene Leiter­ platten oder keramische Substrate weisen dabei eine unter­ schiedliche Transparenz für das verwendete Licht und damit unterschiedliche Reflexionseigenschaften auf. Daher sind die verwendeten Ultraschallreflextaster bzw. Reflexlichtsensoren nicht für alle Substrate einsetzbar. Darüber hinaus ist es nachteilig, daß bei diesem Verfahren alle Substrate gegen ei­ nen festpositionierten mechanischen Stopper gefahren werden, so daß teilweise mit dem Bestückkopf längere Transportwege zu fahren sind, als es bei kleinen Substraten beispielsweise in Abhängigkeit von der Po­ sition der Zuführeinrichtungen nötig wäre. Außerdem erfahren die Substrate beim abrupten Abbremsen durch den mechanischen Stopper eine Beschleunigung, die zum Verrutschen bereits be­ stückter Bauelemente führen kann.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ei­ ne Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, um Substrate unabhängig von ihrem Material und ihrer räumlichen Ausdehnung so im Bestückautomaten zu positionieren, daß mög­ lichst geringe Verfahrwege mit dem Bestückkopf erforderlich sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentan­ spruchs 4 gelöst.

Durch die Verwendung eines Sensors mit einem Sensorfeld, das im wesentlichen das Bestückfeld des Bestückautomaten umfaßt, läßt sich die Position eines Substrats im gesamten Bestück­ feld bestimmen. Der Sensor wird zunächst so angeordnet, daß ein in das Bestückfeld transportiertes Substrat an einer Bremsposition vom Sensor erkannt wird. Zum Erkennen dient ein vorgegebenes Substratmerkmal, beispielsweise die Vorderkante des Substrats, ein auf einer vorgegebenen Stelle des Substra­ tes angebrachter Balkencode oder auch auf dem Substrat ange­ ordnete Anschlüsse (Pads) oder andere lichtundurchlässige Stellen des Substrats. Nachdem der Sensor das Substratmerkmal erkannt hat, wird der Lineartransport abgebremst, so daß das Substrat in einer Bestückposition zur Ruhe kommt. Der Sensor detektiert die Position des Substratmerkmals an der Bestück­ position, so daß die Lage des Substrats bekannt ist.

In vorteilhafter Weise wird gemäß Anspruch 2 die Positionsbe­ stimmung des Substratmerkmals an der Bestückposition dazu be­ nutzt, einen optischen Justiersensor in den Bereich von auf dem Substrat angebrachten Justiermarken für eine noch genaue­ re Positionsbestimmung zu verfahren.

Besonders einfach gestaltet sich das Verfahren gemäß Anspruch 3, indem die Frontkante des Substrats als Substratmerkmal er­ kannt wird.

Durch die Verwendung eines optischen Sensors gemäß Anspruch 5 lassen sich unterschiedliche Substratmerkmale, wie Frontkante oder Balkencodes, einfach erkennen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung nach Pa­ tentanspruch 6 ist der Sensor fest mit einem oberhalb des Substrats verfahrbaren Bestückkopf verbunden, so daß der Sen­ sor und damit das Sensorfeld einfach auf die frei wählbaren Bremspositionen des Transportweges einstellbar ist.

Besonders vorteilhaft ist die Anordnung gemäß Patentanspruch 7, bei der der am Bestückkopf normalerweise zur Erkennung von Justiermarken angeordnete Justiersensor als Sensor zur Erken­ nung des Substratmerkmals dient, wodurch die Kosten für einen zusätzlichen Sensor eingespart werden.

Durch die Anordnung einer nach oben gerichteten Lichtquelle gemäß Patentanspruch 7 läßt sich in vorteilhafter Weise ein einfacher optischer Sensor zur Erkennung der Substratmerkmale am Bestückkopf verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeich­ nung näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht eines Bestückautomaten mit einem Substrat, das in den Bestückautomaten verfahren wird,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Bestückautoma­ ten, bei dem ein Substratmerkmal der Leiterplatte an einer Bremsposition detektiert wird und

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Bestückautoma­ ten, bei dem ein abgebremstes Substrat an einer Bestückposi­ tion genauer vermessen wird.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein Substrat 1 (beispielsweise eine Leiterplatte oder ein keramisches Substrat) auf einem Lineartransport 2 in einen Bestückautoma­ ten in der Transportrichtung 3 verfahren wird. Der Bestückbe­ reich des Bestückautomaten ist mit x gekennzeichnet. An einem in XY-Richtung beweglichen Bestückkopf 4 sind in diesem Bei­ spiel eine Befestigungsvorrichtung 6 für mehrere Saugpipetten 5 sowie ein Sensor 10 und ein Justiersensor 14 befestigt. Die Saugpipetten 5 dienen dabei der Aufnahme von nicht darge­ stellten Bauelementen aus nicht dargestellten Zuführeinheiten und dem Positionieren dieser Bauelemente auf dem Substrat 1. Der Lineartransport 2, der Justiersensor 14, der Bestückkopf 4 sowie der Sensor 10 sind dabei mit einer Steuereinrichtung 7 verbunden. Der Sensor 10 ist hierbei als optischer Sensor ausgebildet, mit einem Detektor 11 und einer optischen Abbil­ dungseinrichtung 12, die ein Sensorfeld 13 erzeugt, welches an einer frei wählbaren Bremsposition x1 positioniert ist. Eine ortsfeste Lichtquelle 8, insbesondere eine Weißlicht­ quelle, die sich vorzugsweise über den gesamten Bestückbe­ reich x erstreckt, ist unterhalb des Lineartransports 2 ange­ bracht und beleuchtet das Substrat 1 von unten. Dabei können Lichtquellen mit einer in erster Linie linearen Ausdehnung als auch teilweise flächig ausgestaltete Lichtquellen zum Einsatz kommen, um beispielsweise Substrate mit Aussparungen zu erkennen. Zur genauen Positionierung des Substrats sind auf dem Substrat 1 Justiermarken 15 vorgesehen.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die Vorderkante des Substrats 1 als Substratmerkmal 9 an der Bremsposition X1 vom Sensor 10 erkannt wird. Der Lineartransport 2 wird über die Steuer­ einrichtung 7 abgebremst, so daß, wie in Fig. 3 dargestellt, das Substrat mit dem Substratmerkmal 9 in einer Bestückposi­ tion x2 angehalten wird. Zur genauen Untersuchung der Be­ stückposition x2 wird der Sensor 10 mit Hilfe des in XY- Richtung verfahrbaren Bestückkopfes 4 mit seinem Sensorfeld 13 an die Bestückposition x2 verfahren und vermißt die genaue Lage des Substrats 1. Aufgrund dieser Lagevermessung läßt sich die Position der Justiermarken 15 des Substrats 1 be­ rechnen, so daß der Justiersensor 14 über die Justiermarken 15 verfahren werden kann, wodurch eine hochgenaue Lagebestim­ mung des Substrats 1 erfolgt. Durch die genaue Lagebestimmung des Substrats 1 läßt sich dieses nun hochgenau mit Bauelemen­ ten bestücken. Durch die seitliche Führung der Substrate 1 in Bestückautomaten reicht die genaue Positionserkennung in Transportrichtung 3 für die Lageerkennung aus.

Je nach Substratgröße läßt sich mit diesem Verfahren die Po­ sition des Substrats 1 auf kurze Bestückwege optimieren, so daß kurze Bestückzeiten und damit hohe Bestückleistungen er­ zielt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum linearen Positionieren und zur Lageerkennung eines Substrates (1) innerhalb eines Bestückfeldes eines Be­ stückautomaten mittels eines Lineartransports (2), wobei ein auf das Substrat (1) gerichtetes Sensorfeld (13) auf eine frei wählbare Bremsposition (x1) auf dem Transportweg eines Substratmerkmals (9) des Substrats (1) innerhalb des Bestück­ feldes (x) eingestellt wird,
der Lineartransport (2), nachdem das Substratmerkmal (9) die Bremsposition (x1) durchlaufen hat, bis zum annähernden Erreichen einer Bestückposition (x2) definiert abgebremst wird,
nachdem Abbremsen des Lineartransportes (2) das Sensorfeld (13) annähernd auf die Bestückposition (x2) des Substratmerk­ mals (9) des gestoppten Substrats (1) eingestellt wird und die Bestückposition (x2) des ruhenden Substratmerkmals (9) zur Lageerkennung bestimmt wird.

2. Verfahren zum linearen Positionieren und zur Lageerkennung eines Substrates (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anhand der Positionsdaten des ruhenden Substratmerkmals (9) ein optischer Justiersensor (14) in den Bereich von Ju­ stiermarken (15) verfahren wird.

3. Verfahren zum linearen Positionieren und zur Lageerkennung eines Substrates (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmerkmal (9) die Frontkante des Substrates (1) vom Sensor (10) erfaßt wird.

4. Vorrichtung zum linearen Positionieren und zur Lageerken­ nung eines Substrates (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Lineartransport (2) zum Transport des Substrats (1), mit einem Sensor (10), dessen Sensorfeld (13) auf eine frei wählbare Bremsposition (x1) auf dem Transportweg eines Substratmerkmals (9) des Substrats (1) eingestellt ist, und mit einer mit dem Lineartransport (2) und dem Sensor (10) verbundenen Steuereinrichtung (7) zum Abbremsen und Anhalten des Lineartransports (2), so daß das Substratmerkmal in einer Bestückposition (x2) zur Ruhe kommt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) als optischer Sensor (11, 12) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) fest mit einem oberhalb des Substrates (1) verfahrbaren Bestückkopf (3) des Bestückautomaten verbun­ den ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der am Bestückkopf (4) angeordnete Justiersensor (14) als Sensor (10) zur Erkennung des Substratmerkmals (9) dient.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine unterhalb des Substrats (1) ortsfest angeordnete, nach oben gerichtete Lichtquelle (8) den gesamten frei wähl­ baren Positionierbereich der Substratmerkmale (9) unter­ schiedlicher Substrate (1) beleuchtet.