DE19948455B4

DE19948455B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Positionieren und Bestücken eines Bauelements in Oberflächen-Montagetechnik

Info

Publication number: DE19948455B4
Application number: DE1999148455
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Ostlender; Wolfgang Dipl.-Ing. Brandenburg; Jürgen Dipl.-Phys. Dr. Jandeleit
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2019-10-09
Also published as: DE19948455A1

Abstract

Vorrichtung zur Positionierung und Bestückung eines Bauelements, das mittels Oberflächenmontagetechnik mit seiner Verbindungsfläche mit der Verbindungsfläche eines Schaltungsträgers verbunden wird, wobei der Schaltungsträger in einer Ebene verschiebbar angeordnet ist und ein an einem verfahrbaren Arm befestigter Greifer für das Bauelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung von Substrat und Bauelement zueinander ausschließlich durch Vornehmen von Messungen an zu den jeweiligen Verbindungsflächen senkrechten Flächen (definiert als Messfläche) von Substrat und Bauelement mit einer Justagekamera (8) erfolgt, dass während des Ausrichtungsvorganges des Bauelements relativ zu dem Substrat das Bauelement über dem Substrat an einem Greifer schwebt, so dass sich Bauelement und Substrat nicht berühren, dass zur Justage des Bauelements relativ zu dem Substrat je eine erste Messfläche des Bauelements und des Substrats in eine erste Schärfeebene und je eine zu der ersten Messfläche lateral liegende zweite Messfläche des Substrats und des Bauelements in eine zweite Schärfeebene der Justagekamera (8) verbracht werden,...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in einem Verfahren zur Positionierung und Bestückung eines Bauelements, das mittels Oberflächenmontagetechnik auf seiner Verbindungsfläche mit der Verbindungsfläche eines Schaltungsträgers verbunden wird, mit den Merkmalen der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 16 beschriebenen Gattungen.

Optische Positioniervorrichtungen zur lagegenauen Bestückung eines Bauelements in Oberflächenmontagetechnik auf einen Schaltungsträger sind an sich bekannt. Aus der DE 195 24 475 C1 ist eine optische Zentiervorrichtung zum lagegenauen Bestücken in Oberflächemontagetechnik eines Bauelements mit seiner Verbindungsfläche auf der Verbindungsfläche eines Substrats geoffenbart. Dabei ist das Bauelement oder das Substrat am freien Ende eines um eine Achse schwenkbaren Hebelarms gehalten und das andere Teil auf einer Unterlage befestigt. In dem Strahlengang zwischen einem Mikroskop und einerseits der Verbindungsfläche des einen Teils sowie anderseits der Verbindungsfläche des anderen Teils ist ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet, der einen Winkel von 45 Grad zum Strahlengang aufweist und zur gleichzeitigen Darstellung der beiden Verbindungsflächen in dem Mikroskop angeordnet ist, dabei ist die Anordnung derart getroffen, dass ein erster Punkt auf der einen Verbindungsfläche, ein zweiter Punkt auf der anderen Verbindungsfläche, ein dritter Punkt auf der Spiegelfläche und die Schwenkachse des Hebelarms Eckpunkte eines Quadrats bilden.

Bei dem Gegenstand der DE 195 24 475 ist der Strahlengang zwischen dem Mikroskop und dem teildurchlässigen Spiegel ein zur optischen Achse des Mikroskops paralleler Strahlengang, dabei ist vor dem Aufsetzen des einen Teils auf das andere Teil zwischen dem Spiegel und der Verbindungsfläche dieses einen Teils ein erstes Objektiv angeordnet, das den Strahlengang auf diese Verbindungsfläche fokussiert, während zwischen dem Spiegel und der Verbindungsfläche des anderen Teils ein zweites Objektiv angeordnet ist, das den Strahlengang und dessen Verbindungsfläche fokussiert. Die beiden Objektive und der Spiegel sind an einen Halter justiert, wobei die beiden Objektive zur Beobachtung des Bauelements und des Substrats derart angeordnet sind, dass ihre optischen Achsen zueinander senkrecht stehen. Vor dem Verbinden der beiden Teile werden die beiden Objektive aus dem Schwenkbereich des Hebelarms für das aufzusetzende Bauteil mittels einer Bewegungseinrichtung entfernt. Um während der einzelnen Aufsetzvorgänge des Bauelements den Halter aus dem Schwenkbereich des Hebelarms entfernen zu können, ist eine Linearführung vorgesehen, die als schwalbenschwanzförmig ausgeführte Linearführung konstruiert sein kann.

Diese Bewegung erfolgt parallel zu der Achse des Hebelarms für das Aufsetzen des Bauelements. Von dem Positionieren des Bauelements auf dem Substrat wird bei dem Gegenstand der DE 195 24 475 über das Mikroskop, den teildurchlässigen Spiegel und die beiden Objektive eine relative Ausrichtung des Substrats zu dem Bauelement vorgenommen. Dazu ist der Träger für das Substrat mit einer Versteileinrichtung in x- und y-Richtung ausgestattet. Der Halter, der das Bauelement an dem Hebelarm zum Aufsetzen des Bauelements trägt, weist eine Einstellvorrichtung für den Drehwinkel um eine zur Verbindungsfläche des Bauelements senkrechte Achse auf. Nachdem eine Bedienungsperson über das Mikroskop die korrekte Lageausrichtung des Bauelements zu den Substrat erfasst hat, wird der Halter mit den beiden Objektiven über eine Linearführung nach hinten bewegt, so dass der Halter mit den beiden Objektiven aus dem Verschwenkungsweg des Hebelarms zum Aufsetzen des Bauelements herausgeführt wird. Anschließend wird der Hebelarm um seine Achse nach unten verschwenkt, so dass das Bauelement auf dem Substrat aufgesetzt werden kann. Die Nachteile des Gegenstands der DE 195 24 475 bestehen darin, dass bei Verwendung eines halbdurchlässigen Spiegels und der Überlagerung des Bildes des Substrats und des Bauelements eine Bedienungsperson versuchen muss, die beiden über den halbdurchlässigen Spiegel empfangenen Bilder des Bauelements und des Substrats mikrometergenau in Übereinstimmung und Überlagerung zu bringen. Eine exakte Überlagerung der zwei durch den halbdurchlässigen Spiegel empfangenen Bilder läßt sich bei manueller Einstellung nur mit grossen Schwankungsbreiten ausführen d.h. es ist keine systematische, schnelle und exakt reproduzierbare Positionierung des Bauelements auf dem Schaltungsträger möglich ohne erhebliche Fehlerraten in Kauf nehmen zu müssen. Bei der Vorrichtung nach der DE 195 24 475 müssen auch entstehende Fehlerabweichungen bei fertigungsbedingten Schwankungen bezüglich unterschiedlicher Abmessungen der Bauelemente und bezüglich wechselnder Positionen der Bauelemente bei deren Aufnahme in den Halter zum Ablegen auf dem Substrat akzeptiert werden. Es lassen sich außerdem die durch mechanische Toleranzen und Veränderungen der Linearführungen und der für die Bewegung des Bauteils bzw. Substrats erforderlichen Achsen auftretenden Fehler präzise auszuführenden Positionierung nicht kompensieren.

Der Gegenstand des DE 195 24 475 ist ferner nicht geeignet, eine einfache und schnelle Massenfertigung bei der Befestigung von Bauelementen auf Schaltungsträgern zu ermöglichen, da die durch Bedienungspersonen verursachten Fehlerquellen stets mit einfließen und die erzielbaren Stückzahlen durch die personenbedingte Justierung der Bauelemente auf dem Schaltungsträger natürlicherweise begrenzt bleibt.

In der JP 7-106795 A wird eine Vorrichtung zum Bestücken von Leiterplatten mit elektronischen Bauteilen mittels einer Kamera beschrieben. Dabei ist die Kamera derart verfahrbar, dass mehrere, parallel zueinander liegende Schärfeebenen einstellbar sind.

Aus der US 5,249,349 ist ein Bestückungssystem mit zwei rechtwinklig angeordneten, in einer gemeinsamen Ebene verfahrbaren, senkrecht dazu jedoch fixierten Kameras bekannt, in deren Schärfenebene ein Bauelement transportiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und für die Massenfertigung geeignete Vorrichtung zu schaffen, die insbesondere eine mikrometergenaue Positonierung und Bestückung im einstelligen Mikrometerbereich von Bauelementen auf einen Schaltungsträger zulässt, die ferner eine systematische, schnelle und exakt reproduzierbare Positionierung des Bauelements auf den Schaltungsträger ermöglicht, mit der alle Fehlerquellen eliminiert werden können, die durch die Zuhilfenahme von Bedienungspersonen bei der Positionierung der Bauelemente auf dem Schaltungsträger auftreten können, die trotz der bei fertigungsbedingten Schwankungen bezüglich unterschiedlicher Abmessungen der Bauelemente und bezüglich wechselnder Positionen der Bauelemente bei deren Aufnahme aus der Ausgangsposition auftretenden Abweichungen von dem Soll-Maß und/oder der Soll-Lage eine korrekte und präzise Ablage ermöglicht und die darüber hinaus die durch mechanische Toleranzen und Veränderungen der Linearführungen der benötigen Achsen und die durch die Änderungen der absoluten Postion der Anschläge für die Positionierung des Substrats auftretenden Fehler zu kompensieren vermag.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 16 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 15 und 17 bis 20 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die mikrometergenaue Positionierung von Bauelementen auf einem Schaltungsträger wie beispielsweise einem Substrat ohne jede Unterstützung einer Bedienungsperson ausgeführt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Positionierungsvorgang durch die Aufteilung der Funktionen der Überwachung in eine Übersichtskamera und der Montage in eine Montagekamera vereinfacht wird und gleichzeitig die erfaßbaren Informationsmenge über die Übersichtskamera erhöht wird, während die Montagekamera allein für die anders gelagerte Funktion der Justage konzipiert und verwendet wird. Nach der groben Vorpositonierung des Bauelements über dem Substrat, nachdem vorher bereits der durch die Übersichtskamera mit Informationen belieferte Greifer das Bauelement über das Substrat in Abstand schwebend verbracht hat, erfasst die mit einem Autofokussystem ausgerüstete Justagekamera die zu den jeweiligen Verbindungsflächen des Bauteils und des Substrats senkrecht stehenden Flächen, die als Messflächen dienen, und beginnt mit dem Ausrichten des Bauelements über dem Substrat. Diese Ausrichtung geschieht auf zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen der Justagekamera und zwar wird zu Beginn der Justage durch Verfahren von je einer zur jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten ersten Messfläche zuerst das Bauelement ausgerichtet und danach das Substrat genauso wie vorher das Bauelement in eine erste Schärfenebene der ersten örtlichen Position der Justagekamera verschoben. Die Justage setzt sich fort durch das Verfahren von je einer zu der jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten zweiten Messfläche und zwar wird zuerst das Substrat in eine zweite Schärfenebene der zweiten örtlichen Position der Justagekamera verbracht und anschließend das Bauelement mit seiner Messfläche in die zweite Schärfenebene der zweiten örtlichen Position der Justagekamera verschoben und damit ist die Justage des Bauelements in seiner Soll-Position über den Subtrat abgeschlossen. Anschließend wird das über dem Substrat schwebende Bauelement abgesenkt und mit dem Substrat verbunden. Die geschilderten Justagevorgänge erfolgen sämtlich ohne Unterstützung eines Bedienungspersonals. Ermöglicht wird dieses Verfahren ohne Handunterstützung dadurch, dass die beiden Kameras, nämlich die Übersichtskamera und die Justagekamera als digitale Kameras beispielsweise als CCD-Kameras ausgebildet sind. Die Übersichtskamera und die Justagekamera sind dazu mit einem digitalen Bildverarbeitungssystem verbunden. Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung steuern den Justagevorgang des Bauelements auf dem Substrat selbst, indem die Justagekamera durch die Einstellungsschritte des Autofokussystems unter Einschaltung des digitalen Bildverarbeitungssystems die Steuerung der Veränderungsbefehle für das Verfahren der diversen Linearachsen und/oder Drehachsen des Greifers, des Substratshalters und der Justagekamera selbst auslöst und damit zur Ausführung bringt. Das Verbringen, also das Hineinfahren und Hineinschieben der als senkrecht zu den Verbindungsflächen des Bauelements und des Substrats ausgebildeten Messflächen in die erste und danach in die zweite Schärfeebene der ersten und danach der zweiten Position der Justagekamera wird durch motorisches Verschieben oder Verdrehen der Linearachsen und/oder Drehachsen des Halters, des Greifers und/oder der Justagekamera ausgeführt. Durch die Ausführung der Justage mit Hilfe von zwei lateral zueinander liegenden Schärfeebenen des Autofokussystems der digitalen Justagekamera ergibt sich von selbst eine systematische, schnelle und exakt reproduzierbare Positionierung des Bauelements auf dem als Substrat ausgebildeten Schaltungsträger. Ein weiterer Vorteil ist die digitale Erfassung der geometrischen Lage des Bauelements und der geometrischen Abmessungen des Bauelements durch die Übersichtskamera vor Beginn der Justage mit dem Greifer, denn der Greifer kann auf jede Abweichung bei der Positionierung der Ausgangslage mit Hilfe der mit der Übersichtskamera gewonnenen Daten automatisch über das Bildverarbeitungssystem eingestellt werden und stets eine korrekte Aufnahme des Bauelements von der Bauelementablage vornehmen. Ein weiterer Vorteil des verwendeten Autofokussystems ist die Möglichkeit gegenüber mechanischen Toleranzen und Veränderungen der Linearführungen und/oder Drehlagerführungen der verwendeten Achsen und auch gegenüber Änderungen der absoluten Position der Anschläge zur Positionierung des Substrats auf der Substratablage Unabhängigkeit zu gewinnen, indem diese Abweichungsfehler durch das Autofukussystem eliminiert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung noch näher erläutert.
Es zeigen
1 In Prinzip- und Teildarstellung in der Art eines Blockschaltbildes die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Positionierung und Bestückung eines Bauelements auf einem Schaltungsträger.
In 1 ist die Vorrichtung zur mikrometergenauen Positionierung und Bestückung eines Bauelements, das mittels Oberflächenmontagetechnik mit seiner Verbindungsfläche mit der Verbindungsfläche eines Schaltungsträgers in Prinzip – und Teildarstellung geoffenbart. Ein Träger 1 ist mit einer Substratablage 2 und einer Bauelementablage 3 versehen. Die Substratablage 2 trägt wiederum einen Schaltungsträger der beispielsweise als Substrat für eine elektrische Schaltung ausgeführt sein kann, wobei das Substrat auf der Substratablage 2 nicht dargestellt ist, da die Darstellung im Mikrometerbereich im Vergleich zu der übrigen Darstellung dann extrem durch Vergrößerung verzerrt wäre. Das Substrat selbst ist in seiner Ausgangslage auf der Substratablage 2 in ihrer absoluten Position durch Anschläge fest vorgegeben, wobei die Anschläge ebenfalls nicht dargestellt sind, da diese wegen der extremen Verkleinerung nicht sinnvoll darstellbar sind. Als Material des Substrats kann beispielsweise Silizium oder jedes andere für einen derartigen Zweck zum Aufbringen von Bauelementen auf einem Schaltungsträger in Oberflächenmontagetechnik geeignete Material Verwendung finden. Die Bauelementablage 3 dient zur Ablage eines Bauelementes, das dorthin aus einem Magazin geliefert oder auch auf andere Weise dorthin gelegt wird. Das Bauelement kann als elektrisches Bauteil ausgebildet sein, wie beispielsweise als Laserdiode, Laserdioden-Array oder Hochleistungslaserdiodenbarren. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 1 nur die für die Erfindung maßgebenden Bestandteile oder Teilfunktionen dargestellt sind. Nicht dargestellt sind neben dem bereits genannten Substrat, dem Bauelement, den Anschlägen auf dem Substratträger noch weitere Bauteile, wie die Drehachse für den Greifer und der Greifer selbst, und die später noch näher erläuterten Begriffe der Messflächen des Substrats und des Bauelements, die beiden sich lateral unterscheidenden Positionen der Justagekamera, das digitale Bildverarbeitungssystem und die Steuerung der Vorrichtung nach der Erfindung. Das auf der Bauelementablage 3 liegende jedoch nicht dargestellte Bauelement und der auf der Substratablage 2 liegende Schaltungsträger in Form eines ebenfalls nicht dargestellten Substrats werden mit dem Träger 1 in x₁-Richtung 4 und in y₁-Richtung 5 in einer x-y-Ebene verschoben. Der ebenfalls nicht dargestellte Greifer zum Halten des Bauelements kann in z₁-Richtung 6 senkrecht zu der Trägeroberfläche mit der Substratablage 2 und der Bauelementablage 3 verschoben werden, wobei die ebenfalls nicht dargestellte Achse zur Verschiebung des Greifers in z₁-Richtung verdrehbar um einen Winkel φ ausgebildet ist, so dass der Greifer in z₁-Richtung 6 und um einen Drehwinkel φ verschoben bzw. verdreht werden kann. Neben der in z₁-Richtung 6 nicht dargestellten Achse des Greifers ist das Objektiv an dem Gehäuse einer Übersichtskamera 7 angeordnet, die senkrecht über dem Bauelement bzw. der Bauelementablage 3 und dem Substrat bzw. der Substratablage 2 stehend angeordnet ist. In dem Sichtwinkel der Übersichtskamera 7 liegen also der Träger mit der Substratablage 2 und/oder die Bauelementablage 3. Die Übersichtskamera ist als digitale Kamera beispielsweise als CCD-Kamera ausgeführt, wobei die Übersichtskamera an ein digitales Bildverarbeitungssystem angeschlossen ist und die von der Übersichtskamera 7 ermittelten Daten an das digitale Bildverarbeitungssystem und eine ebenfalls nicht dargestellte Steuerung für die erfindungsgemäße Vorrichtung und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weitergeleitet werden.
In einem senkrechten Winkel zu der optischen Achse der Übersichtskamera 7 ist mit ihrer optischen Achse eine weitere Kamera angeordnet, nämlich die Justagekamera 8. Die Justagekamera 8 ist mit einer entsprechenden Vorrichtung in x₂-Richtung 9, y₂-Richtung 10 und z₂-Richtung 11 verschiebar angeordnet. Die Justagekamera 8 ist mit der Übersichtskamera 7 als digitale Kamera ausgebildet zum Beispiel als CCD-Kamera. Auch die Justagekamera ist an ein digitales Bildverarbeitungssystem und eine entsprechende Steuerung angeschlossen. Die Justagekamera 8 ist mit einem Autofokus-Objektiv ausgerüstet und arbeitet damit mit dem Bildverarbeitungssystem zusammen. Die Justagekamera 8 ist seitlich auf die Flächen des Bauelements bzw. des Substrats gerichtet, so dass die Justagekamera 8 nicht wie die Übersichtskamera eine Draufsicht auf das Substrat und das Bauelement hat, sondern sie hat nur eine Seitenansicht, d.h. in ihrem Sichtwinkel befinden sich nur die jeweils senkrechten Flächen zu der Verbindungsfläche des Bauelements und die ebenfalls senkrechten Flächen zu der Verbindungsfläche des Substrats, wobei die jeweiligen zur Verbindungsfläche senkrechten Flächen des Bauelements und des Substrats definitionsgemäß in der Anmeldung als Messfläche bezeichnet werden. Die Schärfentiefenzone des Autofokusobjektivs der Justagekamera 8 ist dabei derart ausgelegt, dass die Schäfentiefenzone die geringst mögliche Ausdehnung ausweist. Der Ablauf einer Justage eines Bauelements auf einem Substrat mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit dem Verfahren nach der Erfindung wird nun nachstehend noch näher geschildert. Nachdem der Träger 1 mit einem Substrat auf der Substratablage 2 und mit dem Bauelement auf der Bauelementablage 3 bestückt worden ist, wobei das Substrat eine feste und absolute Position an den auf der Substratablage angebrachten hier jedoch nicht dargestellten Anschlägen eingenommen hat. Durch die Bestückung mit Substrat und Bauelement auf dem Träger liegen nun das Bauelement und das Substrat im Sichtwinkel der Übersichtskamera 7. Die Bestückung des Trägers 1 auf der Substratablage und der Bauelementablage kann beispielsweise durch Zuführungseinrichtungen aus entsprechenden Magazinen mit Bauelementen und Substraten erfolgen oder auf jede andere geeignete Weise. Die Übersichtskamera 7 erfasst nun die geometrische Lage und die geometrischen Abmessungen des Bauelements. Sie gibt diese Daten an die digitale Bildverarbeitung weiter, die die hier ebenfalls nicht dargestellte Steuerung veranlaßt mittels des ebenfalls nicht dargestellten Greifers die lagerichtige Aufnahme des Bauelements durch den Greifer. Der Greifer positioniert nun das Bauelement grob über dem Substrat, indem er es über dem Substrat schwebend positioniert, so dass sich das Bauelement und das Substrat nicht berühren.
In der schwebenden groben Positionierung des Bauelements über dem Substrat werden sowohl das Bauelement wie auch das Substrat durch die in einem rechten Winkel zu der Übersichtskamera 7 angeordnete Justagekamera 8 im Sichtwinkel des Autofokusobjektives der Justagekamera erfasst. Das Autofokusobjektiv der Justagekamera erfasst jedoch nur sowohl bei dem Bauelement wie auch bei dem Substrat die zu deren jeweiligen Verbindungsflächen senkrechte Flächen, da sich die Verbindungsflächen in einer dazu um 90° geneigten Fläche befinden. Die bei dem Bauelement wie auch bei dem Substrat zu deren jeweiligen Verbindungsflächen senkrechten Flächen werden definiert als Messflächen. Die Justagekamera 8 führt die Ausrichtung des Bauelements relativ zu dem Substrat nur mit Hilfe dieser zu den Verbindungsflächen senkrechten Flächen (Messflächen) durch. Ebenso automatisch wie die Erfassung der geometrischen Daten des Bauelements durch die Übersichtskamera und dann die Verstellung des Greifers zur Aufnahme und groben Positionierung des Bauelements über dem Substrat erfolgt ist, setzt sich nunmehr der Beginn und die endgültige Ausrichtung des Bauelements in der Sollposition über dem Substrat fort. Zu dieser Justage wird je eine erste Messfläche des Bauelements und des Substrats in eine erste Schärfeebene und je eine zu der ersten Messfläche lateral liegende zweite Fläche des Substrats und des Bauelements in eine zweite Schärfeebene der Justagekamera verbracht, d.h. dass der Ausrichtungsvorgang des Bauelements relativ zu dem Substrat in die endgültige Sollposition des Bauelements mit Hilfe von zwei örtlich unterschiedlichen hier jedoch nicht dargestellten und lateral zueinander liegenden Positionen der Justageamera derart ausgeführt werden, dass zu Beginn durch Verfahren von je einer zu jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten ersten Fläche (entspricht der ersten Messfläche) zuerst das Bauelement und danach das Substrat in eine erste Schärfeebene der ersten örtlichen Position der Justagekamera verbracht wird. Anschließend wird durch Verfahren von je einer zur jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten zweiten Fläche (entspricht der zweiten Messfläche) zuerst des Substrats und danach des Bauelements in die zweite Schärfeebene der zweiten örtlichen Position der Justagekamera die Justage abgeschlossen. In der 1 sind weder die erste und zweite Schärfeebene noch die örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen der Justagekamera 8 dargestellt. Das Verbringen bzw. Verfahren der ersten und zweiten Messflächen des Bauelements und des Substrats in die erste und zweite Schärfeebene der ersten und zweiten Position der Justagekamera 8 wird durch motorisches Verschieben und Verdrehen auf den Linearachsen und/oder Drehachsen des Halters 1, des Greifers und/oder der Justagekamera 8 erreicht.
Die vollständige Automatisierung der Justage von Bauelement relativ zu dem Substrat wird auch dadurch gesichert, dass die Einstellschritte des Autofokussystems der Justagekamera 8 mit Hilfe des nicht dargestellten digitalen Bildverarbeitungssystems die Steuerung der Veränderungsbefehle für das Verfahren der Linearachsen und/oder der Drehachsen des Greifers, des Halters bzw. des Substrats und der Justagekamera selbst veranlassen. Nachdem die zweiten Messflächen des Bauelements und des Substrats mit der zweiten Schärfenebene der zweiten Position der Justagekamera 8 in Übereinstimmung bzw. Deckung gebracht worden sind, ist der Justagevorgang beendet. Aufgrund der minimalen Ausdehnung der Schärfentiefenzone des Autofokusobjektivs der Justagekamera ist nunmehr eine mikrometergenaue Positionierung und Bestückung des Bauelements auf dem Substrat erreicht, wobei die Genauigkeit im einstelligen Mikrometerbereich bei unter 4 μm stets erreicht wird. Aufgrund des vollautomatisierten Ablaufs der Montage des Bauelements auf dem Substrat vom Beginn bis zum Ende des Justagevorganges ist eine systematische, schnelle und exakte reproduzierbare Positionierung des Bauelements auf dem Schaltungsträger jederzeit gesichert. Die Einnahme der zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen, die hier nicht dargestellt sind, der Justagekamera 8 kann durch ein Verfahren der Justagekamera 8 zwischen diesen beiden Positionen erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, die zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen der Justagekamera 8 durch die Anordnung von je einer stationär angeordneten Justagekamera an den beiden Positionen, die eingenommen werden, zu erfassen. Die Verwendung von zwei stationären Justagekameras 8 beschleunigt den Vorgang der Justierung des Bauelements auf dem Substrat. Die Verwendung eines digitalen Bildverarbeitungssystems und einer digitalen Kamera ermöglicht die Erfassung der geometrischen Abmessungen und der geometrischen Lage des Bauelements und macht die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren unempfindlich gegenüber fertigungsbedingten Schwankungen in den geometrischen Abmessungen der Bauelemente und gegenüber örtlichen Schwankungen in der Ausgangsposition der Bauelemente vor der Aufnahme durch den Greifer. Die Anwendung eines Autofokussystems bei dem Autofokusobjektiv der Justagekamera 8 ermöglicht in Zusammenarbeit mit dem digitalen Bildverarbeitungssystem eine mikrometergenaue Positionierung des Bauelements relativ zum Substrat und zwar unabhängig davon, ob mechanische Toleranzen, Veränderungen der Lineralführungen in den x-, y- und/oder z-Richtungen bei der Führung oder den Drehachsen vorhanden sind und kompensieren auch die Änderungen der absoluten Position der Anschläge zur Positionierung des Substrats auf der Substratablage. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem dazugehörigen Verfahren werden alle Fehlerquellen insbesondere die der Justageungenauigkeit ausgeschaltet, die durch die Justage mit Hilfe von Bedienungspersonen bisher nicht zu vermeiden waren. Die vollautomatische Justage des Bauelements auf dem Substrat vom Beginn bis zum Ende der Justage ist nur durch die erfindungsgemäße Kombination der nachfolgend genannten Merkmale möglich, nämlich der Verwendung digitaler Kameras in Form der Übersichtskamera und der Justagekamera in Zusammenarbeit mit einem digitalen Bildverarbeitungssystem und einer entsprechenden Steuerung, die wiederum von dem an der Justage beteiligten Autofokusobjektiv mit seinen Bewegungen gesteuert wird, weiterhin die Justage durch Einstellen von zu den jeweiligen Verbindungsflächen des Bauelementes und des Substrats senkrechten Seiten in Form von Messflächen des Bauelements und des Substrats in einer ersten und zweiten Schärfenebene einer ersten und zweiten Position der Justagekamera, wobei das Bauelement und der Schaltungsträger zunächst nur grob übereinander positioniert werden und dabei das Bauelement mit Abstand über dem Substrat während des Justagevorgangs schwebt. Nach dem Abschluss der Positionierung des Bauelements relativ zum Substrat wird das Bauelement auf das Substrat abgesenkt, so dass sich dann die Verbindungsflächen von Bauelement und von Substrat in Kontakt miteinander befinden und ein Fügen oder Verbinden von Bauelement und Substrat in Oberflächenmontagetechnik stattfinden kann.

1: Träger
2: Substratablage
3: Bauelementablage
4: x₁-Richtung
5: y₁-Richtung
6: z₁-Richtung
7: Übersichskamera
8: Justagekamera
9: x₂-Richtung
10: y₂-Richtung
11: z₂-Richtung
12: Autofokusobjektiv und -system

Claims

Vorrichtung zur Positionierung und Bestückung eines Bauelements, das mittels Oberflächenmontagetechnik mit seiner Verbindungsfläche mit der Verbindungsfläche eines Schaltungsträgers verbunden wird, wobei der Schaltungsträger in einer Ebene verschiebbar angeordnet ist und ein an einem verfahrbaren Arm befestigter Greifer für das Bauelement vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung von Substrat und Bauelement zueinander ausschließlich durch Vornehmen von Messungen an zu den jeweiligen Verbindungsflächen senkrechten Flächen (definiert als Messfläche) von Substrat und Bauelement mit einer Justagekamera (8) erfolgt, dass während des Ausrichtungsvorganges des Bauelements relativ zu dem Substrat das Bauelement über dem Substrat an einem Greifer schwebt, so dass sich Bauelement und Substrat nicht berühren, dass zur Justage des Bauelements relativ zu dem Substrat je eine erste Messfläche des Bauelements und des Substrats in eine erste Schärfeebene und je eine zu der ersten Messfläche lateral liegende zweite Messfläche des Substrats und des Bauelements in eine zweite Schärfeebene der Justagekamera (8) verbracht werden, wobei die Schärfeebenen so gewählt sind, dass sich das Bauelement bei fokussierten Messflächen relativ zu dem Substrat in Sollposition befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausrichtungsvorgang von Bauelement relativ zu dem Substrat in die endgültige Sollposition des Bauelements mit Hilfe von zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen der Justagekamera (8) derart ausgeführt wird, dass zu Beginn durch Verfahren von je einer zur jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten ersten Fläche (erste Messfläche) zuerst des Bauelements und danach des Substrats in eine erste Schärfeebene der ersten örtlichen Position der Justagekamera (8) und dass anschließend durch Verfahren von je einer zur jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten zweiten Fläche (zweite Messfläche) zuerst des Substrats und danach des Bauelements in eine zweite Schäfeebene der zweiten örtlichen Position der Justagekamera (8) die Justage erfolgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übersichtskamera (7) senkrecht über dem Bauelement und dem Substrat angeordnet ist, und dass die Übersichtskamera (7) die geometrische Lage und die geometrischen Abmessungen des Bauelements mißt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse der Justagekamera (8) und die optische Achse der Übersichtskamera (7) senkrecht zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Justagekamera (8) mit einem Autofokussystem (12) versehen ist, und dass die Justagekamera (8) in den x₁-, y₁- und z₁-Richtungen (4, 5, 6) linear bewegbar ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem oder meheren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Justagekamera (8) derart ausgeführt ist, dass sie eine Schärfentiefenzone von geringstmöglicher Ausdehnung ausweist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersichtskamera (7) und die Justagekamera (8) als digitale Kameras ausgebildet sind und dass der Übersichtskamera (7) und der Justagekamera (8) ein digitales Bildverarbeitungssystem zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersichtskamera (7) und die Justagekamera (8) als analoge und/oder digitale Kameras ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellungsschritte des Autofokussystems (12) der Justagekamera (8) mit Hilfe des digitalen Bildverarbeitungssystems die Steuerung der Veränderungsbefehle für das Verfahren der Linearachsen (4, 5, 6, 9, 10, 11) und/oder der Drehachsen des Greifers, des Trägers (1), des Substrats und der Justagekamera (8) selbst veranlassen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbringen der Messflächen des Bauelements und des Substrats in die erste und zweite Schärfeebene der ersten und zweiten Position der Justagekamera (8) durch motorisches Verschieben oder Verdrehen auf den Linearachsen (4, 5, 6, 9, 10, 11) und/oder Drehachsen des Trägers (1), des Greifers und/oder der Justagekamera (8) ausgeführt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einnahme der zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen der Justagekamera (8) durch ein Verfahren der Justagekamera zwischen den beiden Positionen erfolgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einnahme der zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen der Justagekamera (8) durch die Anordnung je einer stationär angeordneten Justagekamera an den beiden Positionen erfolgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungsträger als Substrat für eine elektronische Schaltung ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als elektronisches Bauteil ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als Laserdiode, Laserdiodenarrays oder Hochleistungslaserdiodenbarren ausgeführt sind.
Verfahren zum Positionieren und Bestücken eines Bauelements, das mittels Oberflächenmontagetechnik auf seiner Verbindungsfläche mit der Verbindungsfläche eines Schaltungsträgers verbunden wird, wobei der Schaltungsträger in einer Ebene verschoben wird und ein Greifer für das Bauelement mit einem beweglichen Arm verfahren wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übersichtskamera (7) die geometrische Lage und die geometrischen Abmessungen des Bauelements ermittelt, dass das Bauelement vom Greifer erfasst und schwebend über dem Substrat grob vorpositioniert wird, dass das Ausrichten des Bauelements relativ zu dem Substrat in die endgültige Sollposition des Bauelements mit Hilfe von zwei örtlich unterschiedlichen und lateral zueinander liegenden Positionen einer Justagekamera (8) derart ausgeführt wird, dass zu Beginn durch Verfahren von je einer zur jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten ersten Fläche (erste Messfläche) zuerst des Bauelements und danach des Substrats in eine erste Schärfeebene der ersten örtlichen Position der Justagekamera (8) und das anschließend durch Verfahren von je einer zur jeweiligen Verbindungsfläche senkrechten zweiten Fläche (zweite Messfläche) zuerst des Substrats und danach des Bauelements in eine zweite Schärfeebene der zweiten örtlichen Position der Justagekamera (8) justiert wird, wobei die Schärfeebenen so gewählt werden, dass sich das Bauelement bei fokussierten Messflächen relativ zu dem Substrat in Sollposition befindet.
Verfahren nach Patentanspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übersichtskamera (7) senkrecht über dem Bauelement und dem Substrat angeordnet ist und dass die Übersichtskamera (7) die geometrische Lage und die geometrischen Abmessungen des Bauelements misst.
Verfahren nach einem oder mehreren Patentansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Justagekamera (8) mit einem Autofokussystem arbeitet und dass sich die Justagekamera in den x₂-, y₂- und z₂-Richtungen (9, 10, 11) linear bewegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messflächen des Bauelements und des Substrats in die erste und zweite Schärfeebene der ersten und zweiten Positionen der Justagekamera (8) durch motorisches Verschieben oder Verdrehen auf den Linearachsen (4, 5, 6, 9, 10, 11) und/oder Drehachsen des Trägers (1), der Greifers und/oder der Justagekamera (8) bewegt werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellungsschritte des Autofokussystems (12) der Justagekamera (8) mit Hilfe des digitalen Bildverarbeitungssystems die Steuerung der Veränderungsbefehle für das Verfahren der Linearachsen (4, 5, 6, 9, 10, 11) und/oder der Drehachsen des Greifers, des Trägers (1), des Substrats und der Justagekamera (8) selbst veranlassen.