DE69309342T2

DE69309342T2 - Verfahren zum Ausrichten eines Gegenstandes auf einem Träger sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens und Saugrohr zum Gebrauch in der Vorrichtung

Info

Publication number: DE69309342T2
Application number: DE69309342T
Authority: DE
Inventors: Antonius Cornelis Maria Gieles; Cornelis Sander Kooijman; Veen Nicolaas Johannes Ant Van; Wessel Joris Wesseling
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Assembleon BV
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1993-05-07
Publication date: 1997-09-25
Anticipated expiration: 2013-05-08
Also published as: JPH06182533A; TW244378B; KR930023116A; DE69309342D1; US5421506A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Positionieren eines Objekts auf einem Träger, wobei ein Objekt mittels Unterdruck von einem Saugrohr aufgenommen und anschließend von einer das Saugrohr und einen Schwingungsaufnehmer enthaltenden Vorrichtung auf einer Kontaktfläche eines Trägers positioniert wird.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine geeignete Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein geeignetes Saugrohr zur Anwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei einem aus der amerikanischen Patentschrift US-A 4683654 bekannten Verfahren und einer ebenfalls daraus bekannten Vorrichtung wird ein Objekt mit Hilfe eines im Saugrohr erzeugten Unterdrucks angehoben. Anschließend wird das unter Unterdruck am Saugrohr hängende Objekt nach einer Stellungsposition über einem Montagefeld befördert, wonach das Objekt auf dem Montagefeld positioniert wird. Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung werden u.a. zum Aufstellen elektronischer und/oder elektrischer Montageteile auf einem Montagefeld, das druckverdrahtet ist. Mittels des Schwingungsaufnehmers wird das mögliche Vorhandensein eines Objekts am Saugrohr kontrolliert. Wenn am Saugrohr kein Objekt vorhanden ist, entsteht infolge des im Saugrohr erzeugten Unterdrucks ein Wirbelluftstrom. Dieser Luftstrom ist in eine an das Saugrohr angeschlossene Kammer mit Hilfe des als Mikrophon ausgeführten Schwingungsaufnehmers detektierbar.
Beim bekannten Verfahren eignet sich der Schwingungsaufnehmer nur für die Detektion eines Objekts am Saugrohr durch den verhältnismäßig großen Abstand zwischen dem Objekt und dem Schwingungsaufnehmer, wodurch sinnvolle Detektion von Schwingungen nur im Luftstrom möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers mehrere Daten bestimmbar sind. Das erfindungssssgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer in mechanisch hartem Kontakt mit dem Objekt gebracht wird, während das Objekt an dem Träger gehalten wird, wonach mit Hilfe eines Lasers auf der Kontaktfläche vorhandenes Lötmittel erwärmt wird und mit dem Laser im Lötmittel erzeugte Schwingungen beim Aufrechterhalten des mechanisch harten Kontakts dem Schwingungsaufnehmer zugeleitet werden, mit dessen Hilfe der mechanische Kontakt zwischen dem Objekt und dem Träger festgestellt oder das Schmelzen des Lötmittels durch eine verhältnismäßig starke Verringerung der Amplitude der Schwingungen beim Schmelzen des Lötmittels detektiert oder der mechanische Kontakt und das Schmelzen des Lötmittels bestimmt werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schwingungsaufnehmer zum Bestimmen von Daten verwendet, die zum Herstellen einer guten Lötverbindung zwischen Objekt und Träger wichtig sind.
Unter mechanisch hartem Kontakt sei hier ein derartiger physikalischer Kontakt zwischen dem Schwingungsaufnehmer und dem Objekt verstanden, daß Schwingungen im Objekt detektierbar sind. Der Kontakt zwischen dem Schwingungsaufnehmer und dem Objekt kann direkt sein, d.h. der Schwingungsaufnehmer und der Objekt liegen aneinander, oder er kann mittelbar sein, wobei sich zwischen dem Schwingungsaufnehmer und dem Objekt ein aus einem Feststoff hergestelltes Element befinden, das sich zum Weiterleiten der im Objekt vorhandenen Schwingungen an den Schwingungsaufnehmer eignet.
Beim Laserlöten eines Objekts an einem Träger wird das Objekt mittels des Saugrohrs an der richtigen Stelle festgehalten und auf den Träger gedrückt. Dadurch kann das Objekt während oder vor dem Laserlöten nicht von dem bereits auf dem Träger angebrachten kugelförmigen Lötmittel abgleiten. Mit Hilfe eines Lasers wird örtlich Wärme in das Lötmittel eingeführt, wodurch thermische Spannungen im Lötmittel ausgelöst werden. Infolge dieser in der Größe wechselnden thermischen Spannungen verformt sich das Lötmittel und es treten dabei Ultraschallschwingungen auf. Diese Erscheinung wird mit akustischer Emission bezeichnet. Die Ultraschallschwingungen sind mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers detektierbar. Beim Schmelzen des Lötmittels geht die Amplitude des Ultraschallsignals stark zurück, so daß der Schmelzzeitpunkt des Lötmittels bestimmbar ist.
Es sei bemerkt, daß in der europäischen Patentanmeldung EP-A1-0402832 ein Verfahren beschrieben wird, mit dem aus den mittels eines Ultraschallsensors detektierten Ultsaschallschwingungen der Schmelzzeitpunkt des Lötmittels abgeleitet wird. Der Ultraschallsensor ist mit dem Werkstück verbunden und das vom Ultraschallsensor detektierte Signal ist daher vom Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und von der mit Hilfe des Lasers erwärmten Stelle auf dem Werkstück abhängig.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Schmelzzeitpunkt des Lötmittels genau dadurch zu bestimmen, daß der Schwingungsaufnehmer mit dem Objekt in mechanisch hartem Kontakt gebracht wird und sich immer in der Nähe des Lötmittels befindet, das mittels des Lasers erwärmt wird. Da der Abstand zwischen der Stelle, an der die Schwingungen erzeugt werden und dem Schwingungsaufnehmer gering ist, wird eine gute Übertragung der Ultraschallschwingungen erhalten.
Beim Laserlöten elektrischer Bauteile mit Anschlußschenkeln auf einem Montagefeld kann mittels der Ultraschalldetektion auch ein loser Anschlußschenkel detektiert werden. Wenn ein Anschlußschenkel nämlich keinen Kontakt mit dem Lötmittel auf dem Montagefeld macht, werden vom Laserbündel im Lötmittel verursachte Schwingungen nicht oder nur geringfügig auf den Bauteil übertragen, und der Schwingungsaufnehmer nimmt kein oder nur ein schwaches Ultraschallsignal wahr.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, wahlweise nur den mechanischen Kontakt zwischen dem Objekt und dem Träger festzustellen, oder den Schmelzzeitpunkt zu detektieren oder sowohl den Kontakt als auch den Schmelzzeitpunkt zu detektieren.
Ein Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufnehmen des Objekts der Schwingungsaufnehmer mit dem Objekt in mechanisch hartem Kontakt gebracht wird und beim Positionieren des Objekts auf dem Träger das Landen des Objekts auf den Träger mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers detektiert wird.
Zum Zeitpunkt der Landung erfährt das Objekt eine verhältnismäßig große Verzögerung, die mit dem Schwingungsaufnehmer detektiert wird. Die Kraft, mit der ein elektronischer Bauteil auf einem Montagefeld angedrückt wird, darf nicht zu groß sein, um Beschädigung des Bauteils oder der Anschlußschenkel des Bauteils zu vermeiden. Durch die Messung des Landungszeitpunkts ist es möglich, das Saugrohr mit einer verhältnismäßig großen Geschwindigkeit nach dem Montagefeld hin zu verlagern und vom Zeitpunkt, zu dem der Schwingungsaufnehmer die Landung des Objekts oder des Bauteils auf dem Montagefeld detektiert die Verlagerung des Saugrohrs zum Montagefeld hin zu stoppen, wodurch die Kraft, mit der das Objekt oder der Bauteil auf das Montagefeld gedrückt wird, beschränkt ist. Auf diese Weise kann ein Bauteil schnell und mit geringer Kraft auf dem Montagefeld angebracht werden.
Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen, mit der der Nachteil der bekannten Vorrichtung vermieden ist.
Die Vorrichtung ist dazu dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer mit dem zu positionierenden Objekt mechanisch kontaktierbar ist. Durch die mechanische Kontaktierung des Objekts können Schwingungen im Objekt genau detektiert werden. Das mechanische Kontaktieren des Schwingungsaufnehmers mit dem Objekt kann beim Aufnehmen des Objekts vom Saugrohr erfolgen, oder auch während oder nach dem Anordnen des Objekts auf dem Träger.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr den Schwingungsaufnehmer enthält.
Beim Anheben des Objekts vom Saugrohr wird der mechanische Kontakt zwischen dem Schwingungsaufnehmer und dem Objekt hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Schwingungsaufnehmer ebenfalls zum Detektieren des Landungszeitpunkts des Objekts auf dem Träger benutzt werden. Auch kann das Fehlen eines Objekts am Saugrohr durch Detektion des im Saugrohr auftretenden Luftstroms mit dem Schwingungsaufnehmer wahrgenommen werden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, bei dem das Saugrohr den Schwingungsaufnehmer enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr wenigstens zwei Rohrelemente enthält, die mittels des Schwingungsaufnehmers mechanisch hart miteinander verbunden sind, wobei sich zwischen den Rohrelementen ein Kanal befindet, das sich durch den Schwingungsaufnehmer erstreckt. Dies bietet den Vorteil, daß der Schwingungsaufnehmer verhältnismäßig nahe bei jener Seite des Saugrohrs montierbar ist, an der das Objekt angehoben wird, während der Anschluß auf den Unterdruck in einer größeren Entfernung von jener Seite liegt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, bei dem das Saugrohr den Schwingungsaufnehmer enthält, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer ringförmig ist, wobei eine im ringförmigen Schwingungsaufnehmer vorhandene Zentralöffnung einen Teil des Kanals bildet. Ein derartiger Schwingungsaufnehmer kann einfach um ein kreizylindrisches Saufrohr oder zwischen zwei Rohrelementen angebracht werden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer an einem im Saugrohr verschiebbaren Stift befestigt ist.
Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich zur Anwendung beim Laserlöten, bei dem der Stift mit dem Objekt nach dem Aufstellen des Objekts und vor dem Laserlöten in Kontakt gebracht wird. Der Schwingungsaufnehmer wird bei diesem Ausführungsbeispiel zum Detektieren des Kontakts zwischen dem Objekt und einer mit Lötmittel versehenen Kontaktfläche beispielsweise auf einem Montagefeld und zum Detektieren des Lötmittelschmelzpunkts verwendet. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich u.a. bei der Verwendung eines Saugrohrs, das aus einem Werkstoff hergestellt ist, der Schwingungen verhältnismäßig stark abschwächt oder dämpft.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer an einer Halterung befestigt ist, die auf einer Achse in einer Richtung parallel zur Verschiebungsrichtung des Saugrohrs verschiebbar ist.
Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich für die gleichen Anwendungen wie die oben beschriebene Ausführungsform mit dem Stift.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer einen piezoelektrischen Sensor oder einen magnetostriktiven Sensor enthält.
Derartige Sensoren sind preisgünstig, haben eine verhältnismäßig große Empfindlichkeit für Schwingungen mit stark verschiedenen Frequenzen und können auf einfache Weise mit dem Saugrohr, mit dem Stift oder mit der Halterung verbunden werden. Ein piezoelektrischer Sensor setzt mechanische Schwingungen in ein elektrisches Signal um. Bei einem magnetostriktiven Sensor verursachen mechanische Schwingungen Änderungen in den magnetischen Eigenschaften des Sensors.
Ein anderes Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem Laser und einer Laserbündelablenkeinheit versehen ist, die mit einer Halterung gekoppelt ist, in der das Saugrohr verschiebbar ist. Eine derartige Vorrichtung ist gedrängt und eignet sich zum Aufstellen und Verlöten von Bauteilen an mehreren Stellen auf einem Träger, wobei die Halterung mit dem Saugrohr und der Laserbündelablenkeinrichtung nach den verschiedenen Stellen über dem Träger verschoben wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
Fig. 2 schematisch das Prinzip des Laserlötens,
Fig. 3a, 3b und 3c schematisch je eine Stellung eines Aufstellungskopfes mit zwei Ablenk- und Fokussiereinrichtungen,
Fig. 4 schematisch einen Aufstellungskopf mit Ablenkspiegeln,
Fig. 5 schematisch eine Ablenk- und Fokussiereinrichtung,
Fig. 6 ein Saugrohr mit einem Schwingungsaufnehmer, der in einem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt wird.
Fig. 7 ein Saugrohr mit einem Schwingungsaufnehmer, der in einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt wird,
Fig. 8 ein Saugrohr mit einem Schwingungsaufnehmer, der in in einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzt wird,
Fig. 9, 10 und 11 graphische Darstellungen, in denen mit dem Schwingungsaufnehmer gemessene Signale dargestellt sind,
Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Regelschaltung für die Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 13 schematische Zeitablaufdiagramme des Lötvorgangs eines anliegenden und eines freiliegenden Schenkels,
Fig. 14 ein Blockschaltbild eines Filters zum Bearbeiten der mit dem erfindungsgemäßen Schwingungsaufnehmer gemessenen Signale, und
Fig. 15 ein Ende eines erfindungsgemäßen Saugrohrs.
In den verschiedenen Figuren werden die entsprechenden Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
In Fig. 1 ist eine Laserlötvorrichtung 201 nach der Erfindung dargestellt, die sich zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Die Vorrichtung 201 ist mit einer Bauteilbestückungsmachine 203 und mit zwei Lasersystemen 205 und 207 versehen. Die Bauteilbestückungsmachine 203 ist mit einem Rahmen 209 versehen, auf dem zwei Führungen 211 montiert sind. Auf den Führungen 211 ist ein Schlitten 213 in y-Richtung verschiebbar. Auf dem Schlitten 213 ist über eine Trägerplatte 27 ein Bestückungskopf 13 befestigt, der zusammen mit der Trägerplatte 27 in x-Richtung auf dem Schlitten 213 verschiebbar ist. Die Bestückungsmachine 203 ist außerdem mit einer Zufuhr- und Abfuhrvorrichtung 215 für Leiterplatten 1 und mit einer Zufuhrvorrichtung 217 für Objekte wie elektronische Bauteile 7 versehen. Nachdem mit Hilfe der Zufuhrvorrichtung 215 eine Leiterplatte 1 in die Machine 203 eingeführt ist, werden mit Hilfe eines in z-Richtung verschiebbaren Saugrohrs 15 des Bestückungskopfes 13 Bauteile 7 aus der Zufuhrvorrichtung 217 auf der Leiterplatte 1 angeordnet. Der Bestückungskopf 13 ist in y-Richtung mittels einer Scheibe 219 rotierbar, die in der Trägerplatte 27 drehbar ist, so daß Bauteile auf die verlangte Weise auf der Leiterplatte 1 angeordnet werden können. Die bisher beschriebene Bauteilbestückungsmachine 203 ist im Handel erhältlich. Die Machine 203 ist jedoch erweitert und mit zwei Laserköpfen 25 versehen, die an beiden Seiten des Saugrohrs 15 auf der Scheibe 219 befestigt sind. Jeder Laserkopf 25 ist über eine Phaser 29 mit einem Lasersystem 205 oder 207 verbunden. Mit Hilfe in den Lasersystemen 205 und 207 erzeugten Laserlichts wird der Bauteil 7 mit der Leiterplatte 1 verlötet. Die genaue Wirkung der Vorrichtung 201 wird weiter unten näher erläutert.
In Fig. 2 ist schematisch der Grundsatz des Laserlötens dargestellt. Das Laserlöten ist eine Technik, die zum Rückflußlöten gehört, wobei Verbindungen zwischen Bauteilen hergestellt werden, indem zuvor auf einem der Bauteile angebrachtes Lötmittel ohne Zugabe zusätzllichen Werkstoffes beim Löten zu schmelzen. Das Schmelzen des Lötmittels erfolgt beim Laserlöten mit Hilfe von Laserlicht. In Fig. 2 ist eine Leiterplatte 1 (Träger) mit Kontaktflächen 3 dargestellt, auf denen das Lötmittel 5 angebracht ist. Ein elektronischer Bauteil 7 ist mit den Anschlußschenkeln 9 auf dem Lötmittel 5 angebracht. Mit Hilfe eines Laserbündels 11 wird das Lötmittel 5 über die Anschlußschenkel erneut geschmolzen. Nach dem Erstarren des Lötmittels 5 ist eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Bauteil 7 und der Kontaktfläche 3 eines Leitermusters auf der Leiterplatte 1 verwirklicht.
In Fig. 3a, 3b und 4 ist ein Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dargestellt, in der ein Bestückungskopf 13 mit einem Saugrohr 15 und mit zwei Laserköpfen 25 dargestellt ist. Der Einfachheit halber ist in Fig. 4 nur ein Laserbündel 11 aus einem Laserkopf 25 dargestellt. Der Bestückungskopf 13 ist mit zwei Paar Galvanometer 17 und 19 versehen, die jeweils mit Spiegeln 21 und 23 (siehe Fig. 4) zum Ablenken des Laserbündels 11 versehen sind. Durch die Drehung des Spiegels 21 vom Galvanometer 17 wird das Laserbündel 11 in der x-Richtung abgelenkt; durch die Drehung des Spiegels 23 vom Galvanometer 19 wird das Laserbündel 11 in y-Richtung abgelenkt. Mit den zwei Laserbündeln 11 der zwei Laserköpfe 25 können an zwei Seiten des Bauteils 7 Simultanverbindungen hergestellt werden.
Die Scheibe 219, auf der der Bestückungskops 13 befestigt ist, kann mit Hilfe einer von einem Motor 221 angetriebenen Saite 223 in der Trägerplatte 27 gedreht werden. In Fig. 3a, 3b und 3c sind drei verschiedene Stellungen des Bestückungskopfes 13 in bezug auf der Trägerplatte 27 dargestellt.
In Fig. 5 ist ein anderer Teil der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dargestellt, in der ein Laserkopf 25 dargestellt ist, der mittels einer Platte 27 am Bestückungskopf 13 befestigt ist. Die Vorrichtung enthält zwei derartiger Laserköpfe 25. Der Laserkopf 25 ist mit einer Faser 29 versehen, die einseitig mit einem fest angeordneten Nd-YAG-Lasersystem 205, 207 und an der anderen Seite mit einem Bündelaufweiter 31 gekoppelt ist. Mit der flexiblen Faser 29 kann der Bestückungskopf 13 in bezug auf das Lasersystem 205, 207 verschoben werden. Der Bündelaufweiter 31 fokussiert das aus dem Lasersystem herrührende Laserbündel 11 mit Hilfe eines Linsensystems 33, das eine flachkonkave und eine doppelkonvexe Linse enthält, die gegeneinander verschiebbar sind. Hierdurch kann der Durchmesser des Laserbündels 11, das die Leiterplatte 1 erreicht, abhängig von der zum Löten erforderlichen Intensität zwischen 0,8 und 2,0 mm geändert werden. Das aus dem Bündelaufweiter 31 herrührende Laserbündel wird durch zwei Spiegel 35, 37 nach dem Spiegel 21 des Galvanometers 17 abgelenkt. Ein Nd-YAG-Lasersystem erzeugt ein für das Auge unsichtbares Licht. Zum Ermöglichen des Ausrichtens des Laserbündels wird dem Laserbündel 11 ein Laserbündel mit sichtbarem Licht 41 zugefügt, das aus einem Diodenlaser 39 herrührt. Der Spiegel 37 ist mit einer Schicht versehen, mit der Licht mit einer Wellenlänge des Laserbündels 11 am Spiegel 37 abgelenkt und das sichtbare Licht 41 im Spiegel 37 durchgelassen wird. Das Laserbündel 11 und das sichtbare Licht 41 werden anschließend von den Spiegeln der Galvanometer 17 und 19 auf die gewünschte Stelle der Leiterplatte 1 gerichtet.
In Fig. 6 bis 8 sind Teile verschiedener Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, insbesondere der Bestückungskopf 13 mit dem Saugrohr 15.
Der in Fig. 6 dargestellte Teil 45 der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält ein in einer rohrförmigen Halterung 43 verschiebbares Saugrohr 15. Die Halterung 43 ist mit einem Preßluftanschluß 47 versehen, mit dem das Saugrohr 15 in negativer z-Richtung gegen die Federwirkung der Schraubfeder 49 verschiebbar ist. Das Zurückschieben des Saugrohrs 15 in der Halterung 43 erfolgt mit Hilfe der Feder 49. Im Saugrohr 15 wird über einen Vakuumanschluß 51 Unterdruck erzeugt, wodurch das Saugrohr 15 bei einer Öffnung 63 Bauteile anheben kann. Das Saugrohr 15 ist mit einem ringförmigen piezoelektrischen Schwingungsaufnehmer 53 versehen, der zwischen einem ersten Rohrteil 55 und einem zweiten Rohrteil 57 des Saugrohrs 15 sich befindet. Die Rohrabschnitte 55, 57 sind mittels des Schwingungsaufnehmers 53 mechanisch hart miteinander verbunden. In den Rohrabschnitten 55 und 57 und im Schwingungsaufnehmer 53 befindet sich ein Kanal 59, in dem über den Vakuumanschluß 51 Unterdruck erzeugbar ist. Der Abschnitt des Kanals 59 im ringförmigen piezoelektrischen Schwingungsaufnehmer 53 liegt vorzugsweise exzentrisch, wodurch Schwingungen in der Luftströmung im Kanal 59 besser detektierbar sind als bei einer zentralen Lage. Der Schwingungsaufnehmer 53 ist mit Anschlußdrähten 61 versehen, die mit einer (nicht dargestellten) Bearbeitungseinheit verbunden sind. Die Wirkungsweise des Schwingungsaufnehmers 53 wird weiter unten näher erläutert.
Der in Fig. 7 dargestellte Teil 65 des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie der Teil 45 mit einem in einer rohrförmigen Halterung 43 verschiebbaren Saugrohr 15 versehen. Das Saugrohr 15 ist wie oben bereits beschrieben wurde, in negativer z-Richtung verschiebbar. Das Saugrohr 15 enthält einen runden Stift 67, der in z-Richtung verschiebbar und mit einem Schwingungsaufnehmer 69 versehen ist. Der Stift 67 ist mit Hilfe von Preßluft über den Anschluß 71 gegen die Wirkung der Feder 73 verschiebbar in negativer z-Richtung und mit Hilfe der Feder 73 in positiver z-Richtung verschiebbar. Nachdem mit dem Saugrohr 15 ein Bauteil 7 auf einer Leiterplatte 1 angeordnet ist, wird der Schwingungsaufnehmer 69 mit dem Bauteil 7 zur Messung von Schwingungen im Bauteil 7 in Kontakt gebracht. Das Saugrohr 15 kann zum Messen in der z-Richtung verschoben werden oder liegt nach wievor bei der Messung am Bauteil.
In Fig. 15 ist ein Ausführungsbeispiel eines Saugrohrs 15 dargestellt, das mit einem O-Ring 107 versehen und zum Anwenden im oben beschriebenen Teil 65 geeignet ist. Der O-Ring 107 sorgt für eine gute Vakuumabdichtung zwischen dem Bauteil und dem Saugrohr und sorgt dafür, daß der Bauteil beim Laserlöten in bezug auf das Saugrohr 15 sich nicht dreht.
In Fig. 8 ist ein Teil 75 des dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, der wie der Teil 45 mit einem in einer Halterung 43 verschiebbaren Saugrohr 15 versehen ist. Das Saugrohr 15 ist gegen die Wirkung der Feder 49 in negativer z-Richtung verschiebbar. An der Halterung 43 ist eine zweite rohrförmige Halterung 77 befestigt, in der ein runder Stift 79 mittels Preßluft über den Anschluß 81 gegen die Wirkung einer Feder 83 verschiebbar ist. Der Stift 79 ist mit einem Schwingungsaufnehmer 85 versehen, der mit einem Bauteil in hartem Kontakt gebracht werden kann.
Der Schwingungsaufnehmer kann ein piezoelektrischer Schwingungsaufnehmer, ein Beschleunigungsaufnehmer oder ein magnetostriktiver Sensor sein.
Die Wirkung der Vorrichtung nach Fig. 1 wird jetzt näher erläutert.
Auf eine an sich bekannte Weise wird ein Bauteil 7 mit dem Saugrohr 15 angehoben und anschließend auf eine geeignete Stelle auf der Leiterplatte 1 abgestellt.
In einem (nicht dargestellten) Computerspeicher ist gespeichert, welche Art vom Bauteil 7 an welcher Stelle abgestellt ist und an welcher Stelle sich die Anschlußschenkel 9 des Bauteils 7 sich in bezug auf den Bauteil befinden. Die Galvanometer 17 und 19 werden anschließend derart gesteuert, daß beim Einschalten des Lasers ein Laserbündel 11 über den Bündelaufweiter 31 und die Spiegel 35, 37, 23 und 21 an die richtige Stelle auf der Leiterplatte 1 oder auf die Anschlußschenkel 9 landet. Das Lötmittel 5 wird erwärmt und geschmolzen, so daß nach dem Erhärten des Lötmittels eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem Bauteil 7 und der Leiterplatte 1 entstanden ist. Mit Hilfe der Galvanometer 17 und 19 wird das Laserbündel 11 verlagert und kann eine folgende Verbindung hergestellt werden. Beim Laserlöten können einige Kontrollen durchgeführt werden, die je für sich eine korrekte Aufstellung des Bauteils 7 auf der Leiterplatte 1 und/oder eine gute Lötverbindung fördern.
1. Kontrolle, ob beim Anheben eines Bauteils das Saugrohr 15 tatsächlich einen Bauteil 7 angehoben hat.
2. Kontrolle des Zeitpunkts, zu dem beim Abstellen des Bauteils auf der Leiterplatte der Bauteil 7 das Lötmittel auf der Leiterplatte 1 berührt.
3. Kontrolle am Anfang der Erwärmung des Lötmittels mit Hilfe des Laserbündels, ob es mechanischen Kontakt zwischen dem Anschlußschenkel 9 des Bauteils 7 und dem Lötmittel auf der Leiterplatte 1 gibt.
4. Kontrolle, ob das Lötmittel 5 geschmolzen ist, wenn Kontakt vorhanden ist und das Lötmittel erwärmt wird.
Mit dem Teil 45 nach Fig. 6 ist es möglich, alle vier Kontrollen durchzuführen. Mit den in Fig. 7 und 8 dargestellten Teilen ist es möglich, die letzten zwei Kontrollen durchzuführen. Die ersten zwei Kontrollen können dabei auf andere Weise durchgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe eines optischen Sensors.
Wenn das Saugrohr 15 keinen Bauteil aufgenommen hat, entsteht durch den Unterdruck, der über den Vakuumanschluß 51 im Saugrohr 15 erzeugt wird, eine Wirbelluftströmung im Saugrohr 15. Diese Luftströmung bewirkt einen Pfeifton, der mit Hilfe des Schwingungsaufiiehmers 53 detektierbar ist.
Beim Abstellen des Bauteils 7 auf der Leiterplatte 1 erfährt der Bauteil 7 und damit auch das Saugrohr 15 eine verhältnismäßig große Verzögerung. Diese Verzögerung ist mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers 53 meßbar und die Luftzufuhr über den Preßluftanschluß 47 wird eingestellt, wenn die Verzögerung einen bestimmten Wert erreicht hat. Hierbei kann der in der europäischen Patentanmeldung EP-A1 0335449 beschriebene Kraftbegrenzer benutzt werden, damit verhindert wird, daß beim Einstellen der Luftzufuhr die Andruckkraft auf den Bauteil vom Saugrohr weiter ansteigt und den Bauteil beschädigen kann.
In Fig. 9, 10 und 11 sind graphische Doppeldarstellungen wiedergegeben, wobei im unteren Teil die dem Lasersystem zugeführte elektrische Spannung und im oberen Teil das vom Schwingungsaufnehmer gemessene Signal aufgetragen ist, wobei auf der gemeinsamen Horizontalachse die Zeit in Sekunden aufgetragen ist. In Fig. 9 ist eine Messung bei einem Anschlußschenkel dargestellt, der an das Lötmittel auf der Kontaktfläche anliegt. Zum Zeitpunkt TB wird das Lasersystem eingeschaltet und mißt der Schwingungsaufnehmer ein Signal. Zum Zeitpunkt TL wird die Amplitude des gemessenen Signals kleiner. Der Zeitpunkt TL entspricht dem Zeitpunkt, zu dem das Lötmittel geschmolzen ist. Das Lötmittel wird zum Zeitpunkt TE weiter erwärmt, wonach das Lasersystem abgeschaltet wird.
In Fig. 10 ist eine derartige graphische Doppeldarstellung einer Messung bei einem Anschlußschenkel mit einer höheren Wärmekapazität als bei dem in Fig. 9 gemessenen Anschlußschenkel wiedergegeben. Auch hier mißt der Schwingungsaufnehmer beim Einschalten des Lasersystems zum Zeitpunkt TB ein Signal mit einer verhältnismäßig großen Amplitude. Der Zeitpunkt TL entspricht dem Zeitpunkt, zu dem das Lötmittel geschmolzen ist.
In Fig. 11 ist eine weitere derartige graphische Doppeldarstellung einer Messung bei einem gleichen Anschlußschenkel wie bei der Messung nach Fig. 9 wiedergegeben. Vom Zeitpunkt TB, zu dem das Lasersystem eingeschaltet ist, nimmt der Schwingungsaufnehmer kein anderes Signal wahr als vor dem Einschalten des Lasersystems. Es hat sich in der Praxis gezeigt, daß das bedeutet, daß der Anschlußschenkel keinen Kontakt mit dem Lötmittel herstellt. Nach dem Feststellen des mangelnden Kontakts zwischen dem Anschlußschenkel und dem Lötmittel muß das Lasersystem möglichst schnell abgeschaltet werden, um Beschädigungen an der Leiterplatte oder am Anschlußschenkel zu vermieden. In der Praxis kann wie folgt vorgegangen werden: Wenn nach dem Einschalten des Lasersystems nicht in einer vorgegebenen Zeit der Schwingungsaufnehmer ein Signal mit einer höheren Amplitude mißt als vor dem Einschalten des Lasersystems, muß er zufort wieder abgeschaltet werden, weil dann die Rede des mangelnden Kontakts zwischen dem Anschlußschenkel und dem Lötmittel sein wird.
Beim Laserlöten kann mit dem Schwingungsaufnehmer sowohl das Vorhandensein des Kontakts zwischen dem Ausläufer und dem Lötmittel geprüft werden als auch die Zeitpunkt, zu dem das Lötmittel geschmolzen ist, bestimmt werden. Hierdurch wird ein zuverlässiges und wirksames Lötverfahren erhalten.
In Fig. 12 ist ein Blockschaltbild einer Regelung zum Ansteuern von zwei Lasersystemen L1 und L2 mit je einem Laserbündel dargestellt. Mit den Laserbündeln werden simultan zwei Anschlußschenkel verlötet. In Fig. 13 sind die mit der Fig. 12 entsprechenden Zeitablaufdiagramme mehrerer Signale bei einem anliegenden und einem losen Schenkel dargestellt.
Jedes Lasersystem ist mit einem sog. Q-Schalter versehen. Er ist ein elektrooptischer Schalter, der sich mit einer bestimmten Frequenz öffnet und schließt, wobei infolge des Öffnens des Q-Schalters ein Laserbündel mit einer hohen Leistung erhalten wird. Der Q-Schalter des Lasersystems L1 wird mit einer Frequenz f&sub1; und der Q-Schalter des Lasersystems L2 mit der Frequenz f&sub2; gesteuert.
Des Regelplans wird nur die Ansteuerung des Lasersystems L1 beschrieben. Das Lasersystem L2 wird auf gleiche Weise angesteuert.
S ist das Startsignal für das Laserlötverfahren, das ein Computer (nicht dargestellt) liefert, nachdem ein Bauteil auf der Leiterplatte abgestellt ist. Dieses Signal S gelangt an die Schaltung 87, die einen Impuls ST mit einer Dauer Ta liefert. Über eine logische ODER-Schaltung 89 wird hiermit das Lasersystem L1 in einer Mindestzeit Ta eingeschaltet. In einem normalen Zustand, in dem der Schenkel des Bauteils 7 an die Leiterplatte anliegt, ist die Zeit Ta lange genug, um ein ausreichend kräftiges akustisches Signal 91 zu erzeugen derart, daß das im Schwingungsaufnehmer 53, 69, 85 erzeugte Signal 93 einen einzustellenden Schwellenpegel D übersteigt. Aus dem elektrischen Signal 93 wird mittels eines Filters 95 ein Signal A1 mit einer Frequenz f&sub1; ausgefiltert. In einem Komparator 97 wird das Signal A1 mit dem Schwellenpegel D verglichen und zum Zeitpunkt, zu dem das Signal A1 größer als D ist, liefert der Komparator 97 ein Signal C1, mit dem das Lasersystem L1 über die ODER-Schaltung 89 eingeschaltet gehalten wird. Beim Schmelzen sinkt das elektrische Signal A1 wieder unter den Schwellenpegel D. Mit Hilfe der Verzögerungsschaltung 99 wird das Lasersystem L1 von diesem Moment an noch während einer Einstellzeit Tb mit Hilfe des Signals Cd1 eingeschaltet gehalten, so daß das Lötmittel weiter erwärmt wird. Nach Ablauf der Zeit Tb wird das Lasersystem L1 abgeschaltet.
Wenn ein Anschlußschenkel eines Bauteils 7 keinem Kontakt mit der Leiterplatte 1 herstellt, wird das Signal A1 im Zeitintervall Ta nicht größer als der Schwellenpegel D. Das vom Komparator 97 gelieferte Signal ändert sich nicht und das Lasersystem L1 wird nach Ta sofort abgeschaltet, um Verbrennen des Anschlußschenkels oder der Leiterplatte zu verhindern.
Das Lasersystem L2 wird auf analoge Weise wie das Lasersystem L1 über ein Filter 101, einen Komparator 103 und eine Verzögerungschaltung 105 angesteuert.
In Fig. 13 ist ein Verfahren dargestellt, mit dem im Filter 95 oder 101 aus dem Signal 93 die Amplitude des Signals A1 oder A2 ableitbar ist. Der der Frequenz f&sub1; entsprechende Teil des Signals 93 kann wie folgt geschrieben werden:
Vm = Am1sin(2πf&sub1;t + φ) + Störsignale + höhere Harmonische.
Hier ist φ die Signalphase. Die Phase ist u.a. vom Abstand zwischen dem Schwingungsaufnehmer und dem Lötmittel und von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Ultraschallwelle in den verschiedenen Werkstoffen zwischen der Stelle abhängig, die das Laserbündel anstrahlt, und dem Schwingungsaufnehmer. Am1 ist die gesuchte Amplitude des Signals A1. Die Aufgabe ist die Bestimmung der Amplitude Am1 unabhängig von der Signalphase φ und damit unabhängig von der Forpflanzungsgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen dem Lötmittel und dem Schwingungsaufnehmer. Dies wird durch Bearbeitung des gemessenen Signals 93 wie folgt erreicht. Zunächst wird das Signal Vm mittels zwei Frequenzvervielfacher 111 und 113 mit einem Signal mit der Frequenz f&sub1; nach folgenden Gleichungen vervielfacht:
V&sub1; = sin (2πf&sub1;t).{Am1sin (2πf&sub1;t + φ) + Störsignale + höhere Harmonische }
V&sub2; = cos (2πf&sub1;t).{Am1 sin (2πf&sub1;t + φ) + Störsignale + höhere Harmonische }
Sowohl V&sub1; als auch V&sub2; enthalten eine von der Phase φ abhängige Komponente und eine Komponente mit der Doppelfrequenz 2f&sub1; sowie Störsignale und höhere Harmonische. Mit Hilfe von Tiefpaßfiltern 115 und 117 wird die von der Phase φ abhängige Komponente des Signals V&sub1; und V&sub2; bestimmt:
V&sub1;&sub1; = ½ . Am . cos(φ)
V&sub2;&sub2; = ½ . Am . sin(φ)
Aus V&sub1;&sub1; und V&sub2;&sub2; kann ½Am durch aufeinanderfolgendes Quadratieren mit Hilfe der Elemente 119 und 121, Addieren mit Hilfe der Summierschaltung 123 und Wurzelziehen mit Hilfe der Schaltung 125 bestimmt werden. Durch die Vervielfachung von ½Am mit '2' erhält man die Amplitude Am. Auf diese Weise ist die Amplitude unabhängig von der Phase φ des Signals Vm bestimmt, so daß zu jedem Zeitpunkt die Amplitude bestimmbar ist.
Beim Laserlöten kann das Lötmittel unmittelbar oder mittelbar erwärmt werden. Unter unmittelbarem Erwärmen sei verstanden, daß das Laserbündel auf das Lötmittel gerichtet wird, wodurch das Lötmittel schmiltzt, und unter mittelbarem Erwärmen sei verstanden, daß das Laserbündel auf einen an das Lötmittel anliegende Anschlußschenkel gerichtet wird, wobei infolge Erwärmung des Anschlußschenkels das Lötmittel schmilzt.
Das Saugrohr kann aus Kunststoff oder Metall abhängig von der gewünschten Schwingungsempfindlichkeit hergestellt sein. Das Saugrohr kann rotierbar in der Halterung liegen, um einen Bauteil in der gewünschten Lage auf der Leiterplatte abzustellen, während die Laserköpfe rotierbar sind, um die Halterung das Ausrichten der Laserbündel zu vereinfachen.
Die Bauteile können nach Bedarf zum Abstellen auf Koplanarität der Schenkel kontrolliert werden, wodurch die Möglichkeit eines losen Schenkels beim Löten verringert wird. Kontrolle beim Löten, ob der Anschlußschenkel an die Kontaktfläche anliegt, ist nach wie vor wünschenswert.
Die Bauteile können auch sog. SMD-Bauteile sein. Es sind diese Bauteile, die mit Anschlußflächen statt mit Anschlußschenkeln versehen sind, wobei die Anschlußflächen mit Lötmittel ausgestattet sein können.

Claims

1. Verfahren zum Positionieren eines Objekts auf einem Träger, wobei ein Objekt mittels Unterdruck von einem Saugrohr angehoben und anschließend von einer das Saugrohr und einen Schwingungsaufnehmer enthaltenden Vorrichtung auf einer Kontaktfläche eines Trägers positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer in mechanisch hartem Kontakt mit dem Objekt gebracht wird, während das Objekt an den Träger gehalten wird, wonach mit Hilfe eines Lasers auf der Kontaktfläche vorhandenes Lötmittel erwärmt wird, und vom Laser im Lötmittel erzeugte Schwingungen beim Aufrechterhalten des mechanisch harten Kontakts dem Schwingungsaufnehmer zugeleitet werden, mit dessen Hilfe entweder das Vorhandensein mechanischen Kontakts zwischen dem Objekt und dem Träger geprüft wird, oder das Schmelzen des Lötmittels durch eine verhältnismäßig starke Verringerung der Amplitude der Schwingungen beim Schmelzen des Lötmittels detektiert wird, oder das Vorhandensein des mechanischen Kontakts und das Schmelzen des Lötmittels bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anheben des Objekts der Schwingungsaufnehmer in mechanisch hartem Kontakt mit dem Objekt gebracht wird und beim Positionieren des Objekts auf dem Träger das Abstellen des Objekts auf dem Träger mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers detektiert wird.

3. Geeignete Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, die mit einem verschiebbaren Saugrohr zum Handhaben des Objekts sowie mit einem Schwingungsaufnehmer versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer mit dem zu positionierenden Objekt mechanisch kontaktierbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr den Schwingungsaufnehmer enthält.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Saugrohr wenigstens zwei Rohrelemente enthält, die mit Hilfe des Schwingungsaufnehmers mechanisch hart miteinander verbunden sind, wobei sich zwischen den Rohrelementen ein Kanal befindet, daß sich durch den Schwingungsaufnehmer hindurch erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer ringförmig ist, wobei eine im ringförmigen Schwingungsaufnehmer vorhandene Zentralöffnung ein Teil des Kanals ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer an einem im Saugrohr verschiebbaren Stift befestigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer an einer Halterung befestigt ist, der auf einer Achse in einer Richtung parallel zur Verschiebungsrichtung des Saugrohrs verschiebbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer ein piezoelektrischer Sensor enthält.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsaufnehmer einen magnetostriktiven Sensor enthält.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit einem Laser und einer Laserbündelablenkeinheit versehen ist, die mit einer Halterung gekoppelt ist, in der das Saugrohr verschiebbar ist.

12. Geeignetes Saugrohr zur Anwendung in einer Vorrichtung nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7.