KR20010033888A - 높이 감지 센서를 구비한 전자 제품 조립 장치 - Google Patents

높이 감지 센서를 구비한 전자 제품 조립 장치 Download PDF

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Abstract

픽 앤드 플레이스 기계(50)와 그 영상 시스템(84, 106)이 마련된다. 영상 시스템(84, 106)은 픽 앤드 플레이스 기계(50)의 헤드(87)와 함께 이동 가능하고, 구성품의 근처로 이동하여 구성품(96)을 스캔하도록 맞추어진 라인 검출기(150)을 포함하고 있다. 영상 시스템(84, 106)은 픽 앤드 플레이스 기계(50)에 의해 유지된 구성품(96)의 형태 높이의 표시를 제공한다. 높이는 복수개의 초점이 맞추어진 영상의 강도에 기초하는 것이다. 픽 앤드 플레이스 기계(50)에 잡히는 대상물 형태의 높이 및 공면도를 감지하는 방법도 제공된다.

Description

높이 감지 센서를 구비한 전자 제품 조립 장치{ELECTR0NICS ASSEMBLY APPARATUS WITH HEIGHT SENSING SENSOR}
높이와 공면도(共面度, coplanarity)를 검출하기 위한 종래 기술의 시스템은 통상 큰 어레이의 고정 포맷 검출기의 사용에 기초하거나 이를 전제로 하여 관찰하는 것이다. 일반적으로, 이들 증진된 시스템은 선형 검출기에 기초하거나 (예를 들어, 관찰에 기초한 큰 어레이의 검출기 시스템과 같이) 이에 기초하지 않는 2개의 별도의 그룹으로 분할할 수 있다. 관찰에 기초한 큰 어레이 검출기 시스템은 통상 "온 헤드(on-head)" 시스템이 아니다. 온 헤드 감지 시스템에 있어서, 센서는 구성품이 인쇄 회로 기판으로 운반될 때 구성품의 방위 및 조건(예를 들어, 공면도, 형태의 존재/비존재 등)을 감지한다. 온 헤드 시스템은 구성품을 배치하는 데 있어 매우 좋은 효율을 나타내고 전자 부품 조립 작업에서 높은 수율을 나타내므로 그 밖의 시스템에도 매우 바람직하다. 다른 한편으로, 오프 헤드(off-head) 시스템은 구성품이 인쇄 회로 기판에 대해 정지하고 있을 때 구성품의 방위 및 조건을 감지하는 센서를 구비한다. 관찰에 기초한 큰 어레이의 검출기 시스템은, "온 헤드" 용례에서 센서의 스캔 속도를 제한하기 위하여 매우 중량과 크기가 크다.
라인 스캔 센서 시스템은 선형 검출기를 구비하는 것에 특징이 있고, 구성품 일부를 스캔하도록 맞추어진다. 관련된 전자 장치는 구성품 일부의 복수 개의 스캔된 영상을 조합하여 구성품의 대상 영역의 복합 영상을 제공한다. 그러나, 기존의 라인 스캔 시스템은 통상 오프 헤드 시스템으로서, 이 시스템은 구성품의 배치 공정을 느리게 한다. 더욱이, 대다수는 (높이를 계산하는 데 구조화된 빛을 이용하는) 삼각분할의 원리(principle of triangulation)에 기초하는데, 이는 복잡한 광학 장치와 센서에 표시할 것을 요구한다.
종래 기술에는 "온 헤드" 시스템 또는 "오프 헤드" 시스템 용례의 양자에 사용되도록 맞추어진 것으로서 공면도, 구성품의 품질 및 대상 물체의 방위를 기록하는, 기능이 많고 컴팩트한 라인 스캔 센서 시스템이 없었다. 이상적인 시스템은 높은 생산성으로 서로 상이한 종류의 복잡한 구성품의 특징을 검사하게 해주며, 픽 앤드 플레이스 기계, 와이어 본더 및 스크린 프린터에 사용하도록 쉽게 맞추어지는 것이다.
본 발명은 픽 앤드 플레이스 기계(pick and place machine)에 사용되는 것과 같은 전자 제품의 구성품용 영상 시스템에 관한 것으로, 특히 선형 검출기에서 라인 별로 구성품 일부를 영상화하는 영상 시스템에 관한 것이며, 이 시스템은 구성품의 형태의 높이에 관한 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 픽 앤드 플레이스 기계의 평면도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배치 헤드의 정면도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배치 헤드 일부의 측면도이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배치 헤드 일부의 배면도 및 2개의 평면도이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 구성품을 집어서 배치하는 방법의 플로우챠트이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구성품 배치의 타이밍 선도이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 픽 앤드 플레이스 기계의 일부의 개략도이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 픽 앤드 플레이스 기계의 일부의 시스템 블럭 선도이고,
도 11a 내지 도 11b는 그래디언트 인덱스 렌즈 어레이 영상 시스템의 사시도 및 측면도이고,
도 12는 실린더 렌즈에 의해 초점이 맞추어진 빛의 개략적 도면이고,
도 13은 도 12의 실린더 렌즈의 개략적 도면이고,
도 14는 도 12의 실린더 렌즈에 의해 초점이 맞추어진 복수 개의 광 비임의 개략적 도면이고,
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 라인 스캔 센서의 개략적 도면이고,
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 다른 라인 스캔 센서의 개략적 도면이고,
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 또 다른 라인 스캔 센서의 개략적 도면이고,
도 18은 종래 기술의 와이어 본더의 사시도이고,
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 와이어 본더의 평면도이다.
본 발명은 구성품이 제1 라인 초점으로부터 제1 거리만큼 떨어져 있는 경우에 구성품의 제1의 조합 영상을 모은 후, 제2 라인 초점으로부터 제2 거리만큼 떨어진 거리에서 구성품의 제2의 조합 영상을 모으는 라인 스캔 센서이다. 실시예 A에 있어서, 센서의 라인 검출기가 각 라인 초점에 의한 구성품의 동일한 일부의 부분적 영상을 제공하면서, 센서는 선택적으로 제1 라인 촛점과 이어서 제2 라인 초점을 맞춘다. 실시예 B에 있어서, 센서는 단일 라인 초점을 맞추고, 센서는 구성품로부터 제1 거리만큼 떨어진 곳에서 구성품을 스캔한 후,구성품으로부터 제2 거리에서 구성품을 스캔하는데, 센서의 선형 검출기는 2회의 스캔의 각각의 스캔 중에 구성품의 부분적인 영상을 제공한다. 각각의 방법에서 2개조의 부분적 영상은 2개의 복합 영상으로 조합되고, 관련된 전자 장치는 구성품의 스캔된 표면상의 볼, 리드(lead), 컬럼 또는 그리드와 같은 구성품상의 특징적 형태의 높이를 계산한다. 일단 구성품의 적어도 4개의 특징적 형태의 높이가 측정되면, 구성품의 공면도(共面度) 값이 계산된다. 또한, 본 발명에 따른 높이 정보는 구성품의 품질의 척도로서 구성품상의 중대한 특징의 존재 또는 비존재의 확인과 같은 구성품의 품질을 평가하는 데 이용될 수 있다.
2개의 치수상의 위치 정보를 선택적으로 제공하기 위하여, 각 실시예에 부가적인 광학 경로가 제공되어 여러 가지 상이한 종류의 조명과 함께 사용될 수 있다. 이러한 경우에, 부가적인 광학 경로에 의한 부분적 영상은 어느 하나의 방법에 의한 부분적 영상과 포개져, 구성품의 적어도 일부의 제3의 조합된 영상을 형성한다.
본 발명의 방법 및 장치는 단일 노즐 및 복수 노즐의 픽 앤드 플레이스 기계 양자 모두에 유용하지만, 스크린 프린터에서 가해진 땝납 벽돌(solder brick)이 존재하는지 여부를 확인하거나 땜납 벽돌의 높이가 적절한지 여부를 확인하는 데에도 이용될 수 있다. 선택적으로, 본 발명의 방법 및 장치는 와이어 본더에서 접합 공정의 품질의 척도로서 접합된 와이어 등의 높이를 확인하는 데에도 유용하다.
본 발명의 방법과 장치는 본 발명에 사용되는 양호한 라인 스캔 센서를 먼저 설명함으로써 잘 이해될 수 있다. 이러한 양호한 라인 스캔 센서에 대한 양호한 실시예를 완전히 설명한 후, 본 발명의 높이 감지용 라인 스캔 센서의 원리와 실시예를 설명한다. 본 발명의 방법은 라인 별로 대상 물체의 영상을 만드는 선형 검출기를 구비한 어떠한 센서 또는 그 밖의 종류의 라인 스캔 센서에 의해 실행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 픽 앤드 플레이스 기계(50)의 평면도이다. 픽 앤드 플레이스 기계(50)와 관련하여 본 발명의 대부분을 설명하지만, 분할형 갠트리 구조(split gantry design)와 같은 다른 형태의 픽 앤드 플레이스 기계도 본 발명의 실시예로서 이용될 수 있다. 또한, 픽 앤드 플레이스 기계와 관련하여 본 발명의 실시예를 설명하지만, 도 19 및 도 21과 관련하여 후술하는 바와 같이, 본 발명의 몇가지 실시예는 와이어 본더 또는 스크린 프린터가 마련된 영상 시스템을 포함하는 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기계(50)에는 인쇄 회로 기판과 같은 작업물을 운반하도록 맞추어져 있는 운반 기구(52)가 포함되어 있다. 운반 기구(52)에는 장착 영역(54)과 컨베이어(56)가 포함되어 있다. 운반 기구(52)는 베이스(58)에 놓여 있으므로, 작업물은 컨베이어(56)에 의해 장착 영역(54)으로 운반된다. 구성품 저장소(60)는 운반 기구(52)의 양측에 놓여 전자 부품을 공급하는 것이다. 저장소(6)는 테이프 공급기(tape feeder)와 같은 전자 부품을 제공하도록 맞추어져 있는 어떠한 것이어도 된다.
픽 앤드 플레이스 기계(50)에는 베이스(58) 위에 놓인 헤드(62)가 포함되어 있다. 헤드(62)는 구성품 저장소(60)의 양측과 장착 영역(54) 사이에서 움직일 수 있다. 도시된 바와 같이, 헤드 지지부(64)는 레일(66)상에서 움직일 수 있고, 이에 따라 헤드(62)는 베이스(58) 위에서 Y 방향으로 움직일 수 있게 된다. 모터 작동 신호에 응답하여 모터(70)가 헤드 지지부(64) 중의 하나에 맞물린 볼 스크류(72)를 회전시키고 이로써 지지부(64)가 Y 방향으로 움직이면 헤드(62)는 Y 방향으로의 움직이게 된다.
헤드(62)는 레일(68)에도 지지되어 베이스(58)에 대하여 X 방향으로 움직일 수 있다. 모터 작동 신호에 응답하여 모터(74)가 헤드(62)와 맞물려 있는 볼 스크류(76)를 회전시켜 헤드(62)를 X 방향으로 이동시키는 경우에 헤드(62)가 X 방향으로의 움직이게 된다.
도시된 바와 같이, 헤드(62)에는 본체(78), 노즐 장착부(80), 노즐(82) 및 센서(84)가 포함되어 있다. 노즐 장착부(80)는 본체(78) 내에 놓여 있으며, 본체(78) 내에서 각각의 노즐(82)을 장착하고 있다. 각각의 노즐(82)은 Z 방향(위/아래)으로 움직일 수 있으며, 서보 모터와 같은 적절한 작동 부재에 의해 Z축에 대해 회전할 수 있다. 센서(84)는 노즐(82)에 의해 포착된 구성품의 영상을 얻도록 노즐(82)에 대해 X 방향으로 움직이게 맞추어져 있다. 센서(84)는 영상 처리기(86)에 연결되어 있다. 영상 처리기(86)는 노즐(82)에 의해 포착된 구성품의 영상에 기초한 센서(84)로부터의 비디오 데이타를 수신한다. 영상 처리기(86)는 각각의 노즐(82)에 의해 포착된 각 구성품의 개별적인 방위를 계산하도록 하드웨어, 소프트 웨어 또는 이들 양자의 결합에 의해 맞추어져 있다. 이어서, 영상 처리기(86)는 적절한 방위 정보를 제어기(도시하지 않음)로 송신하여, 각각의 노즐(82)은 연속적으로 각각의 구성품을 작업물 위에 적절하게 장착하도록 변위된다. 도 1에는 다수의 노즐(82)이 도시되어 있지만, 본 발명의 실시예에서 픽 앤드 플레이스 기계에 단일의 노즐이 포함되는 것도 고려할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 헤드(62)의 정면도이다. 헤드(62)에는 벨트(89)를 통하여 볼 스크류(도시하지 않음)에 작동 가능하게 맞물린 모터(88)가 포함되어 있다. 볼 스크류는 센서(84)에 작동 가능하게 맞물림으로써, 모터(88)가 여기되어 센서(84)를 노즐(82)에 대해 X 방향으로 움직이게 한다. 센서(84)는 X 방향으로 스캔하면서 노즐(82)에 결합된 구성품의 영상을 포착하도록 맞추어질 수 있다. 이러한 2개 방향으로의 스캐닝을 채용하면, 이는 반대 방향의 스캔에 의한 데이타는 필수적으로 다른 방향의 스캔에 의한 데이타로부터 멀어진다는 사실로부터 정정을 수행하는 영상 처리 소프트 웨어를 제공하는 데 유용하다. 또한, 몇가지의 양방향으로 스캐닝하는 실시예에 있어서, 센서(84)는 임시 메모리에 여러 가지의 스캔한 라인을 저장할 수 있으며, 이어서 이들을 정정의 순서대로 영상 처리 영역으로 보낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 헤드(87)의 정면도이다. 헤드(87)에는 노즐(82)과 선형 스테이지(92)가 장착되는 판(90)이 포함되어 있다. 센서(84)는 노즐(82)과 구성품(96)에 대해 움직일 수 있도록 브래킷(94)을 통하여 선형 스테이지(92)에 맞물려 있다. 도 4에 화살표 100으로 도시된 바와 같이, 센서(84)는 구성품(96)에 대해 X 방향으로 움직일 수 있다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 헤드(87)의 평면도이다. 명확하게 하기 위하여, 도 5에는 4개의 노즐(82)만이 도시되어 있다. 그러나, 1개의 노즐을 포함하여 어떠한 적절한 수의 노즐도 사용될 수 있다. 화살표 97과 98로 도시한 바와 같이, 헤드(87)는 각각 X 방향과 Y 방향으로 움직일 수 있다. 화살표 100으로 도시한 바와 같이, 센서(84)는 그 커플링을 통하여 선형 스테이지(92)로 노즐(82)에 대하여 X 방향으로 움직일 수 있다. 센서(84)에는 그 내부에 배치된 선형 검출기(도시하지 않음)와 하나의 노즐(82)에 의해 유지되는 구성품 사이의 관측 라인을 허용하는 검출기 창(102)이 포함되어 있다. 관측 라인은 노즐(82)의 축과 평행한 것이 바람직하다. 픽 앤드 플레이스 기계 내의 각각의 노즐(82)은 상이한 종류의 전기적 구성품을 집어서 배치하도록 맞추어질 수 잇다. 그러한 상이한 구성품의 예로서는 플립 칩(flip-chip), 볼 그리드 어레이(BGA's), 마이크로 볼 그리드 어레이(micro ball grid array), 쿼드 플랫 팩(Quad Flat Pack, QFP), 커낵터, 핀 그리드 어레이, 이중 인라인 팩키지(dual inline package), 단일 인라인 패키지(single inline package), 플라스틱 리드 칩 캐리어(PLCC), 칩 커패시터 및 칩 레지스터가 있다. 더욱이, 각각의 노즐(82)은 상이한 종류의 구성품을 집어서 배치하도록 맞추어질 수 있다. 상이한 종류의 구성품에는 상이한 영상 해상도가 요구될 수 있으므로, 본 발명의 실시예는 구성품의 종류에 따라 영상 해상도를 적절하게 변경할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 픽 앤드 플레이스 기계에 사용되는 배치 헤드(104)의 평면도이다. 헤드(104)는 헤드(87)과 많은 유사점이 있으며, 유사한 구성 요소에는 유사 번호를 부여하였다. 도시된 바와 같이, 헤드(104)에는 본체(7)와 1개 이상의 노즐(82)이 포함되어 있다. 센서(106)는 볼 스크류(108)을 통하여 모터(88)에 연결되어 있으므로 노즐(82)에 대해 움직일 수 있다. 모터(88)에는 볼 스크류(108)의 회전 변위와 이에 따른 센서(106)의 X 방향으로의 축방향 변위를 나타내는 피드백 신호를 제공하는 엔코더(110)도 역시 포함되어 있다. 도 5에 도시된 센서(84)와는 대조적으로, 센서(106)에는 그 길이 방향 축(114)에 수직한 검출기 창(112)이 포함되어 있다. 검출기 창(112)과 이에 따른 관측선은 센서(106)상의 어디에도 놓일 수 있다. 따라서, 만일 센서(106)가 단일 방향(예를 들어, 오른쪽으로 이동함)으로 구성품을 스캔하도록 맞추어져 있다면, 구성품이 보다 신속하게 스캔되도록 창(112)이 센서(106)의 선단에 근접하게 놓일 수 있다. 센서(106)가 양방향(좌우)으로 구성품을 스캔하도록 맞추어져 있는 실시예의 경우, 창(112)은 센서(106)의 중앙에 놓이는 것이 좋다.
도 7은 본 발명에 따라 n개의 구성품을 집어 작업물 위에 배치하는 방법의 플로우챠트이다. 본 명세서를 통하여 본 발명의 방법을 실행하기 위한 연속적인 공정을 설명한다. 어떠한 일련의 연속적인 공정에 있어서도, 두번째의 공정이 시작되기 전에 첫번째 공정의 개시만이 필요하다. 예를 들어, 일단 블럭 120이 개시되면, 구성품을 집는 작업은 블럭 124의 작업을 시작하기 전에 완전히 종료될 필요는 없다. 블럭 120에서, 헤드(87)와 같은 픽 앤드 플레이스 기계의 헤드에 의해 n개의 구성품이 픽업된다. 이어서, 블럭 122와 124가 시작된다. 따라서, 라인 스캔 카메라는, 블럭 122로 나타내는 바와 같이 구성품에 대해 움직이기 시작하고, 헤드는 첫번째의 구성품이 장착될 작업물상의 근접 위치 또는 사이트로의 이동을 시작한다. 블럭 122와 124는 실질적으로 동시에 실행되는 것이좋다.
블럭 130에서, 카운터(P)는 1과 동일하게 초기화된다. 도 7의 나머지 부분에서 상세하게 후술하는 바와 같이, 카운터(P)는 구성품의 좌표가 계산되는 경로를 쫓는다. 블럭 130 이후에, 블럭 126, 128 및 132의 실행이 시작되는 것이 좋다. 블럭 126, 128 및 132는 헤드가 근접한 배치 사이트로 구성품을 운반하면서 실행되는 것이 좋다. 그러한 블럭은 적어도 부분적으로 병렬적으로 실행되는 것으로 도시하고 설명하였지만, 그러한 블럭은 순차적으로 실행되는 것으로 고려할 수 있다. 블럭 126에서 라인 스캔 카메라는 모든 n개의 구성품을 통과하여 이들 구성품에 기초한 비디오 데이타를 모은다. 블럭 128에서는 비디오 데이타의 불균일이 정정된다. 그러한 불균일은 스캐닝이 실행되면서 발생하는 센서의 스캔 속도의 변화에 기인할 수 있다.
블럭 132에서는 구성품(Cp)에 대한 X, Y 및 θ 옵셋의 조정값이 계산된다. 높이 정보는 후술하는 방법 A 또는 방법 B로부터의 2개의 조합된 영상을 재검토함으로서 계산된다. 각각의 조합된 영상은 구성품의 동일한 일부의 영상이다. 동일한 위치에 상응하는 2개의 그레이 밸류(gray-value) 픽셀(각각의 조합된 영상의 하나)은 대상물 형태의 높이를 계산하기 위한 수학식 11에 사용된다. 높이 정보는 (관찰되는 구성품에 고유한) 핀, 컬럼 또는 리드의 위치, 볼, 핀 컬럼 또는 그리드와 같은 구성품의 어떠한 형태의 존재 여부, 테스트 중인 구성품에 리드가 형성된 경우에 리드 간의 거리 또는 공면도의 계산에 유용하다. 일단 상기 형태의 높이가 계산되면, 기준 평면에 대한 형태의 공면도가 계산될 수 있다. 공면도 계산에 있어서, (통상, 볼, 컬럼 또는 핀인) 형태 중 적어도 3개에 의해 형성되는 기준 평면이 선정되고, 어떠한 특정 형태의 편차도 계산되어 기록되지만, 많은 경우에 평균 표준 편차 등으로 계산된 편차는 임계치와 비교되어 구성품이 제거되거나 배치되어야 한다.
계산된 옵셋 조정값은 구성품(Cp)에 대한 마지막 부분의 변위 좌표의 종점을 계산하기 위하여 블럭 134에서 이용된다. 구성품의 옵셋 조정값이 계산된 후에, 블럭 136에 나타낸 바와 같이 카운터(P)는 증분된다. 이어서, 블럭 138에 나타낸 바와 같이, 기계는 증분된 카운터(P)가 블럭 120에서 픽업된 구성품의 개수(n)를 초과하는지 여부를 측정하도록 확인된다. 증분된 카운터가 구성품의 개수를 초과하는 경우, 블럭 140을 통과하도록 제어되고 옵셋 계산은 중지된다. 그러나, 증분된 카운터가 구성품의 개수를 넘지 않는 경우, 블럭 132로 되돌아가도록 제어되어 구성품(Cp)에 대한 옵셋 조정값이 계산된다. 옵셋 조정값이 모든 n개의 구성품에 대해 계산될 때까지 계산된 옵셋 조정값을 블럭 134로 제공하는 블럭 132로 루프가 계속된다.
블럭 134가 변위 좌표를 수신한 후, 구성품(Cp)은 블럭 137에 나타내는 바와 같이 위치하게 된다. 블럭 139에서, 기계는 Cp가 마지막 구성품인지 여부를 확인한다. 구성품(Cp)이 마지막 구성품이 아닌 경우, 블록 124로 돌아가도록 제어되고 헤드는 다음 구성품의 근접 배치 사이트로 이동하기 시작한다. 그러나, 모든 n개의 구성품이 배치되고 나면, 블럭 120으로 돌아가도록 제어되고 부가의 n개의 구성품이 픽업되고 본 방법이 반복된다. 구성품의 옵셋 조정값을 계산하면서 부품을 배치하는 다양한 스텝이 수행되는 것이 좋다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 4개의 노즐을 구비한 픽 앤드 플레이스 기계에 대한 예시적인 스캔 타이밍 챠트이다. 도 8의 수직선은 특정 시간 간격을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 시간(t0)에서 노즐 #1의 스캐닝이 시작된다. 도 8에 도시된 실시예에 있어서, 노즐 스캐닝은 완료되기까지 세번의 시간 간격을 요한다. 따라서, 시간 t0에 시작하는 노즐 스캐닝은 시간 t3에 종료된다. 도시된 바와 같이, 노즐 #1이 스캔되면서, 노즐 #1에 의해 포착된 구성품의 영상은 시간 t1에 전송되기 시작한다. 시간 t2에서 노즐은 여전히 스캐닝되고 여전히 영상이 전송되면서, 영상 처리가 시작된다. 시간 t3에서, 노즐 #1의 스캐닝은 완료되고, 노즐 #1에 의해 포착된 구성품의 영상이 전송되어 처리되는 동안에도 노즐 #2의 스캐닝이 시작된다. 시간 t4중에, 센서는 노즐 #1을 비워서 구성품 #1이 배치되도록 하는데, 이는 시간 t6중에 발생한다. 도시된 바와 같이, 구성품 #2의 영상이 전송되어 처리되는 중에도 구성품 #1은 배치된다. 따라서 본 기술 분야의 당업자라면 스캐닝, 전송, 처리 및 배치의 여러 단계가 어느 정도 순간적으로 중첩될 수 있다는 것을 알 수 있다. 도 8에 대한 설명이 비디오 데이타 창이 순차적으로 처리된다는 사실을 나타내는 것이지만, 몇가지 경우에 조립을 촉진하는 순서로 비디오 창을 처리하는 것이 유리하기 때문에, 그러한 설명은 명확하게 하려는 목적으로 주어진 것이다. 그러한 처리 순서는 연속되는 사이트 간의 영상 모음 순서, 배치 순서, 처리 시간 및 이동 시간에 기초할 수 있다. 따라서, 구성품이 헤드에 의해 픽업되는 순서와 다른 순서로 구성품의 영상을 처리하는 것을 고려할 수 있다.
도 9는 노즐(82)에 의해 포착된 구성품의 일부를 센서(106)가 스캔하는 것을 도식적으로 나타낸 도면이다. [센서(106)는 이에 연관된 전자 장치와 함께 구성품에 대한 2개의 치수 정보만을 제공한다.] 센서(106)는 볼 스크류(108)를 통하여 모터(88)에 작동 가능하게 결합되어 있다. 모터(88)는 볼 스크류(108)의 회전 변위와 그에 따른 센서(106)의 X 축으로의 축 방향 변위의 표시를 제공하는 엔코더(110)에 작동 가능하게 결합되어 있다. 선형 유리 스케일 형태의 엔코더로 엔코더(110)를 대체할 수 있다.
센서(106)에는 센서의 전자 장치에 맞물려 있는 선형 검출기(150)가 포함되어 있다. 선행 검출기(150)는 라인 형태로 배열된 다수의 광 요소[photoelement, 픽셀(pixels)]가 포함된 CCD(Charge Coupled Device, 전하 결합 소자)인 것이 좋다. 각 픽셀의 크기는 대략 14 제곱 미크론인 것이 좋다. 검출기(150)는 모델 번호 IL-CC-2048의 미국 온타리오주 워털루에 소재하는 달사 인코포레이티드(Dalsa Inc.)에서 제조된 것이 좋으나, 그 밖의 종류의 선형 검출기도 본 발명에 사용될 수 있다. 선형 검출기(150)는 영상 광학 요소(156)와 검색창(158)을 통하여 리드(154, leads)의 일부에 광학적으로 결합되어 있다. 영상 광학 요소(156)에는 렌즈 시스템(160)과 부분 거울(162)이 포함될 수 있다.
센서(106)에는 하나 이상의 조명기도 포함되는 것이 좋다. 도 9에 도시된 실시예에는 암시야(暗視野)의 조명기(164), 확산 조명기(166), 명시야(明視野)의 조명기(168) 및 후광 조명기(169)가 포함되어 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 암시야의 조명은 큰 입사각으로 구성품에 조사되는 조명을 의미하는 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 확산 조명은 더 작은 각도로 구성품에 입사되는 조명을 의미하는 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 명시야의 조명은 실질적으로 0의 각도로 구성품에 입사되는 조명을 의미하는 것이다. 따라서, 명시야의 조명은 거울 또는 렌즈를 통한 조명인 것으로 고려할 수도 있다. 본 명세서에서 사용하는 용어인 후광 조명기는 센서에 대히 구성품의 뒤쪽 위치로부터 향하는 조명을 의미하는 것이다. 이들 4가지 종류의 조명기의 결합은 본 발명의 센서와 함께 증진된 검사 능력을 제공하는 데 도움이 되는데, 왜냐하면, 조명의 종류와 이들의 다양한 조합에 의해 더 높은 해상도로 형태를 확인할 수 있기 때문이다.
동작에 있어서, 센서(106)는 구성품(96)에 대해 X 축을 따라 움직인다. 센서(106)는 동작을 하면서 구성품(96)의 일부의 개별적인 선형 영상 또는 부분적인 영상을 얻는다. 다중의 선형 영상을 저장하고 개별적인 영상을 엔코더(110)에 의해 제공되는 센서 위치 정보와 연관시킴으로써, 구성품(96)의 영상이 구성될 수 있다.
암시야 조명기(164), 확산 조명기(166) 또는 명시야 조명기(168) 중의 어떠한 조명기에서 나오는 조명도 검색창(158)에 인접한 구성품(96)의 일부에 의해 반사된다. 또한, 조명기(169)로부터의 후광 조명이 사용될 수 있는데, 여기서 광원으로부터 발산된 조명은 확산기(173)을 통과하여 구성품의 뒤를 비춘다. 반사된 조명은 렌즈 시스템(160)을 통하여 부분 거울(156)에 의해 다시 지향되고, 이로서 선형 검출기(150)에 초점이 맞추어진다. 선형 검출기(150)의 각각의 개별적인 픽셀은 통합 기간 중에 픽셀에 들어오는 조명의 합을 표시하게 된다.
렌즈 시스템(160)은 선형 검출기(150)에 대상물 선의 초점을 맞출 수 있는 어떠한 적절한 광학적 장치일 수도 있다. 따라서, 렌즈 시스템(160)은 굴절 렌즈 시스템 또는 분산 렌즈 시스템일 수 있다. 그러한 굴절 렌즈 시스템으로서는 미국 뉴저지주의 서머셋에 소재하는 엔에스지 아메리카 인코포레이티드(NSG America, Inc.)로부터 구입할 수 있는 그래디언트 인덱스 렌즈 어레이[gradient index(GRIN) lens array) 또는 보통의 굴절 렌즈 시스템이 포함된다. 분산 렌즈 시스템에는 홀로그래픽 렌즈 어레이(holographic lens array)가 포함될 수 있다.
센서(106)는 호스트(172)의 센서 제어기(170)에 맞물려 있다. 센서 제어기(170)는 프레임 버퍼에 각각의 개별적인 영상 라인을 수신하여 저장할 수 있으며, 센서(106)에 픽셀 노출 제어 뿐만 아니라 어떠한 조명기(164, 166, 168)의 강도도 조절하는 적절한 신호를 제공한다. 호스트(172)는 엔코더(110)에 맞물려 있으므로, 센서 제어기(170)는 X 축에 따른 센서(106)의 위치에 기초하거나 X 축에 따른 센서(106)의 스캔 속도에 기초하여 어떠한 조명기에도 조명 강도 신호를 제공할 수 있다. 호스트(170)에는 모터(88), 노즐 모터(176) 및 노즐 엔코터(도시하지 않음)에 맞물려 있는 동작 제어기(174)가 포함되어 있다. 따라서, 센서(106)가 구성품(96)에 대해 X 방향으로 움직임에 따라 호스트(172)는 선형 검출기(150)로부터 구성품(96)의 영상을 얻는다. 호스트(172)는 적절한 소프트 웨어, 하드웨어 또는 이들 양자에 의해 구성품(96)의 X 축, Y 축 및 θ 방향으로의 현재의 방위를 계산하도록 맞추어져 있다. 호스트(172)는 계산된 방위에 기초하여 노즐(82)이 구성품(96)을 작업물상의 요구되는 구성품의 위치와 방위로 적재하도록, 동작 제어기(174)가 모터(70, 74)(도 4에 도시됨) 및 노즐 모터(176)에 적절한 동작 명령을 내리게 한다. 동작 제어기(174)는 본 명세서에서 후술하는 어떠한 수의 기준에 기초하여도 스캔 속도를 바꿀 수 있도록 맞추어져 있다.
도 10는 본 발명의 높이 감지 센서의 하나의 실시예의 시스템 블럭 선도로서, 센서 동작 시스템(702)에 기계적으로 맞물린 센서 헤드(700)을 나타내고 있는데, 이는 헤드(700)용 단일축 모터 구동 장치를 제공하는 것이다. 이 시스템은 "온 헤드(on-head)" 시스템인 것이 좋은데, 이는 센서 헤드(700)가 구성품 헤드(708)과 함께 움직이기 때문이다. 시스템 수준에 있어서, 센서 헤드(700), 센서 동작 시스템(702), 호스트(706) 및 구성품 헤드(708)는 폐쇄 제어 루프(709)(도시하지 않음)를 형성하고 있다. 제어 루프(709)에 있어서, 호스트 프로세서는 요구되는 배치 신호를 구성품 헤드용 모터 구동 장치(724)에 송신한다. 이 장치(724)는 구성품 헤드(708)를 공칭의 배치 위치로 이동시키기 시작한다. 다음에, 센서 헤드(700)와 센서 모터 시스템(702)의 조합체는 방법 A 또는 방법 B를 이용하여 구성품을 스캔하고, 검출기는 스캔 중에 구성품의 부분 영상을 출력하고, 비디오 포매터(video formatter, 714)는 복수 개의 부분 영상을 조합하여 구성품의 조합된 영상을 형성하고, 다음에, 비디오 프로세서(714)는 조합된 영상을 처리하여 구성품의 x, y 및 θ방위, 일정 형태의 높이, 공면도를 계산하고 그 밖의 기능에 관련된 검사를 한다. 비디오 프로세서(728)는 방위 정보를 픽 앤드 플레이스 기계 내의 호스트 프로세서(712)에 송신하고, 이 프로세서는 원하는 방위로서의 정정 신호와 현재의 방위를 계산한다. 호스트(706) 내의 기준 축에 대해 구성품이 적절히 지향되어 배치되도록, 배치 헤드(708)에 정정 신호가 제공된다. 픽 앤드 플레이스 기계(706) 내의 호스트 프로세서(712)는 원하는 배치 정보를 버스(720, 710)를 통하여 구성품 헤드(708)로 송신한다.
본 발명의 방법을 실행하는 데에는 2개의 방법 A와 B가 있다. 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같은 양호한 방법 A에 있어서, 2개의 광원 광학 경로(도 15의 실시예에는 라인 초점 광원의 광학 경로 550, 558 및 552. 562가 있고, 도 16의 실시예에는 라인 초점 광원의 광학 경로 574, 586 및 580, 592가 있다)는, 헤드(700)가 구성품을 가로질러 스캔하는 경우에 순차적으로 여기된다. 센서(700)의 각각의 위치에서, 2개의 광원 광학 경로의 각각이 여기되고, 2개의 부분 영상이 블럭 716으로부터 출력된다. 각각의 광원 광학 경로로부터의 부분적 영상은 포개진다. 다음에, 센서(700)는 다른 위치로 이동하여 다시 공정을 시작한다. 선택적으로, 센서는 거의 "정지"에 근접하도록 매우 느리게 스캔하기도 한다. 이들 포개진 영상에 의한 2개의 조합된 영상은 영상 내의 형태의 높이를 계산하는 데 이용된다. 관찰하기 어려운 형태의 적절한 콘트라스트(contrast)를 제공하려는 경우에는, 위치를 계산하려는 목적상 방법 A의 센서에 부가의 광학 광원 경로가 채용된다. 사실상, 부가의 광학 광원 경로로부터 위치를 계산하는 것은 바람직하다. 부가의 광학적 광원 경로는 단독으로 또는 어떠한 그 밖의 광원{예를 들어, 명시야, 후광, 확산 또는 암시야 조명기(도 15 및 도 16의 요소 586/582, 588/592, 558, 562, 540, 542, 169)의 조합에서 어떠한 수준의 어떠한 광원의 여기에 의해서도 형성된다. 부가의 효과적인 광학 경로가 도 15 및 도 16의 실시예에 채용되는 경우에, 하나의 완전한 구성품의 스캔에 의해 3개의 조합된 영상(2개는 높이를 계산하기 위한 것이고, 다른 하나는 위치를 계산하기 위한 것이다)을 얻게 된다.
도 17에 도시된 방법 B에서, 센서에는 단일의 광원 광학 경로(요소 562, 550, 552)가 마련되어 있다. 높이 계산을 위한 2개의 조합된 영상을 생성하는 데에는 구성품에 대한 센서(700)의 2가지 별도의 상대 운동("스캔", 각각은 상이한 구성품의 높이 z에서 스캔한다)을 요한다. 검출기(704)로부터의 출력은 방법 B의 각각의 2가지 별개의 스캔 중에 각각 블럭(716)으로부터 독출된다. 관찰하기 어려운 형태의 콘트라스트를 적절히 제공하는 경우, 위치 계산의 목적상, 방법 B의 센서에 부가적인 광학 광원 경로가 채용된다. 부가의 광학 광원 경로는 형태의 위치가 계산되어야 하는 경우에 사용되는 것이 좋다. 단독으로 또는 어떠한 그 밖의 광원{예를 들어, 명시야, 후광, 확산 또는 암시야 조명기(도 17의 요소 562, 540, 542, 169)}의 조합에서 어떠한 수준의 어떠한 광원의 여기에 의해서도 부가의 광학적 광원 경로가 형성된다. 부가의 효과적인 광학 경로가 방법 B와 함께 채용되는 경우에, 3개의 조합된 영상(2개는 높이를 계산하기 위한 것이고, 다른 하나는 위치를 계산하기 위한 것이다)을 모으는 데에는 3회의 별도의 스캔을 요한다.
본 발명의 어떠한 실시예에 있어서도, 일반적인 영상화 광학 경로(예를 들어, 564, 544, 546으로 정해지는 영상화 광학 경로)는 더욱 컴팩트한 센서 구조를 가능하게 해주고 속도 및 효율을 높여 준다.
비디오 포매터(714)는 버스(718)를 통하여 센서 헤드(700)의 검출기 독출 블럭(716)으로부터의 출력을 수신한다. 포매터(714)의 기능은 프로세서(712) 보다는 별개의 전자 칩에서 실행되는 것이 좋으나, 최소한의 기능이 요구되는 경우에는, 이들은 동일한 구성품에 합체될 수도 있다. 포매터(714)는 방법 A로부터의 포개진 부분적인 영상을 적절하게 조합하고, 방법 B로부터의 포개지지 않은 부분적인 영상을 조합한다. 또한, 포매터(714)는 선택적으로 조합된 영상의 특정 영역(예를 들어, 모서리)에 창을 내는 기능을 수행하고, 특정 영역을 확대하기도 하며, 조합된 영상의 불균일을 정정할 수도 있는데, 여기서 조합된 영상의 하나의 치수는 영상의 다른 하나의 치수에 대해 비례하지 않게 변형되며, 이는 부분적인 영상의 시간상 또는 공간상의 불균일한 배치에 기인하는 것이다.
내부 버스(720)에 의해 포매터(714), 프로세서(712), 오퍼레이터 인터페이스 및 디스플레이(722)(operator interface and display), 배치 헤드 동작 제어 시스템(724) 및 비디오 프로세서(728)를 연결한다. 배치 헤드 동작 시스템(724)에 요구되는 구성품의 배치 위치를 제공하는 것에 부가하여, 프로세서(712)는 픽 앤드 플레이스 기계(706)의 적절한 동작을 위한 다양한 타이밍 신호(timing signal)도 역시 제공한다. 예를 들어, 픽 앤드 플레이스 기계(706)가 1개 이상의 구성품 헤드를 구비하는 경우, 호스트 프로세서에는 여러 가지 부품 헤드 간의 충돌을 방지하고 센서와 노즐 간의 충돌을 방지하기 위한 적절한 충돌 회피 기능이 포함되어 있다. 조작자 인터페이스 및 디스플레이(722)는 픽 앤드 플레이스 기계의 조작자(operator)가 픽 앤드 플레이스 기계의 모든 조작 및 진단 뿐만 아니라 특정 동작 및 연관된 스캔의 타이밍을 프로그래밍하게 해준다. 조합된 영상의 비디오 디스플레이는 조작자에게도 디스플레이된다. 그러한 디스플레이는 조작가가 프로그래밍하고 진단하는 데 있어서 비균일 정정 옵션과 창의 형성 및 확대의 제공에도 매우 유용하다.
배치 헤드 동작 제어 시스템(724)에는 x, y, z 및 θ 방향으로의 구성품 헤드(708)의 동작을 위한 x, y, z 및 θ모터 세트 및, 그러한 동작의 타이밍과 호스트 프로세서로부터의 전자적 디지탈 신호를 x, y, z 및 θ모터를 구동하는 데 통상 요구되는 아날로그 신호로 재구성하기 위한 제어용 전자 장치(726)가 포함되어 있다. x, y, z 및 θ엔코더의 뱅크(bank)는 구성품 헤드(708)의 위치를 엔코드하여 이들 신호를 호스트 프로세서(712)에 공급한다.
비디오 프로세서(728)는 상표명이 "인텔 펜티엄"인 프로세서와 같은 마이크로 프로세서일 수 있다. 이 프로세서는 호스트 프로세서(712)가 구성품을 적절히 배치하는 데 필요한 기본적인 x, y, z 및 θ위치 정보를 제공하므로, 본 발명의 모든 실시예에는 포함되는 것이 좋다. 방법 A 또는 B가 실행되는지 여부에 관계없이, 프로세서(728)는 2개의 조합된 영상을 수신하는데, 수학식 11 등을 이용하여 선정된 형태의 높이를 계산하기 위해, 각각의 영상에는 그레이 스케일(gray-scale) 픽셀 값이 포함된다. 일단 높이가 프로세서(728)에서 계산되면, 평면을 정의하기 위해 적어도 3개의 점을 선정한 후, 계산된 기준 평면으로부터 형태의 높이가 어느 정도의 편차를 갖는지를 측정하기 위해 최소 자승법과 같은 공지의 방법을 이용하여 형태의 공면도를 계산하는 것이 좋다. 복수 개의 점의 공면도는 통상 각각의 점과 기준 평면 간의 최대 편차에 의해 계산된다. 일단 공면도가 계산되면, 구성품의 품질의 측정치는 (예를 들어, 임계치, 공차와 같은) 몇가지 주요 기준(golden standard)의 측정치의 함수로서 제공될 수 있다.
검출기(704)로부터의 비디오 데이타는 방법 A, B 또는 부가의 2차원 광학 경로의 존재 여부에 관계없이 2가지 방법 중 하나의 방법에 의해 표본이 수집될 수 있다. 첫번째 경로는 블럭 734의 엔코더 출력으로부터의 엔코더 위치의 함수로서 검출기 데이타의 표본을 수집하는 것이다. 두번째 방법은 블럭 730 내의 프리-런닝 클럭(free-running clock)으로부터의 시간의 함수로서 검출기 데이타의 표본을 수집하는 것이다.
도 15 내지 도 17의 조명기(540, 542)에 상응하는 조명기(732)는 물리적으로 센서 헤드(700)에 설치되어 있고, 조명기 제어용 전자 장치(730)는 조명기(732)의 동작도 제어하여, 라인 초점 광원, 둥글게 된 대상물을 위한 (개별적으로 번지 지정될 수 있는 LED가 구비된) 암시야 조명기, 후광 광원 및 확산 조명용 광원 중의 하나 또는 이들의 조합으로부터의 조명을 제공한다.
마지막으로, 센서 동작 시스템(702) 내의 제어용 전자 장치(736)는 헤드(700)에 타이밍과 위치 지시를 보낸다. 제어 루프는 헤드(700)와 제어용 전자 장치(736)로 구성되는데, 제어용 전자 장치(736)는 헤드(700) 및 모터/엔코더(734)에 대한 원하는 위치를 나타내는 지시를 송출한다. 그러나, 이러한 제어 루프의 시간 상수(time constant)는 그 밖의 제어 루프(709)보다 작아야 하는데, 그 이유는 라인 스캔 센서가 구성품을 배치하는 데 요하는 시간보다 빨리 스캔을 하여야 하기 때문이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 렌즈 시스템(160)의 도시적 도면이다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 시스템에는 그래디언트 인덱스(gradient index, GRIN) 렌즈 배열이 포함되어 있다. 그래디언트 인덱스 렌즈는 광학 요소로서 그 굴절율은 평탄하지만 일정하지 않으며, 위치의 함수와 그에 따른 광선의 경로는 굽어진다. 이것은 그래디드 인덱스 렌즈(graded index lens)로도 알려져 있다. GRIN 렌즈(270)의 광선 굴곡 특성은 도 11b에 도시되어 있는데, 여기서 대상 물체의 라인(261)로부터 발산된 광선은 GRIN 렌즈(270)로 들어가고, 지시된 바와 같이 굽어지기 시작한다. GRIN 렌즈(270)를 빠져나가는 광선은 수렴하여 선형 검출기(150)의 점(262)에 초점이 맞추어진다. GRIN 렌즈 어레이는 본 발명의 실시예의 영상 시스템용으로 컴팩트한 공간에 큰 시야를 제공한다. 렌즈 어레이(160)의 예로서 GRIN 렌즈(270)가 도시되어 있지만, 대상 물체 라인(261)을 선형 검출기에 초점을 맞출 수 있는 어떠한 적절한 광학 요소도 사용될 수 있다. GRIN 렌즈 어레이를 사용하는 본 발명의 컴팩트한 특성에 따라 본 발명의 픽 앤드 플레이스 기계는 노즐의 "z" 스트로크가 감소하게 된다. 노즐의 감소된 "z" 스트로크는 구성품의 신속한 배치에 필수적인데, 이는 구성품이 배치되는 각각의 시간에 스캐닝을 위해 센서가 비워지기 위해 노즐이 부양된 후 구성품을 배치하기 위해 대략 동일한 거리만큼 낮추어져야 하기 때문이다.
본 발명의 높이 계산은 모두, 라인에 초점이 맞추어지는 ("라인 초점") 광 비임의 동력 밀도는 라인 초점으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 감소한다는 아이디어를 전제로 한 것이다. 도 12 및 도 13은 실린더 렌즈(502)에 입사되는 광의 시준되는 비임을 나타낸다. 광은 실린더 렌즈(502)에 의해 라인 초점(508)으로 진행한다. 라인 초점(508)은 (도 12의) 지면의 내외로 연장된다. 지면의 내외로 연장되는 평면(512, 510)도 도시되어 있다. 평면(512, 510)은 라인 초점(508)으로부터 각각 거리(a, b)만큼 떨어져 놓여 있다. 이들 평면에서의 광의 출력 밀도는 라인 초점 평면으로부터의 거리에 반비례한다. 평면(512)에 놓인 대상 물체의 형태에 의해 반사된 빛을 양을 고려한다. 만일 대상 물체의 반사도가 R이라면, 평면(512)에서의 형태에 의해 반사된 출력량은 다음의 수학식 1에 의해 계산된다.
P512= R * (K/b)
여기서, b는 초점 라인(508)로부터의 거리이고, K는 전체 비임 출력과 수렴 각도에 의존하는 상수이다. 평면(510)에 놓이는 동일한 대상 물질의 형태에 의해 반사되는 출력량은 수학식 2와 수학식 3에서 유사하게 표현된다.
P510= R * (K/a)
P510= R * {K/(b + Δ)}
Z축을 따라 대상 물체 형태의 위치를 측정하기 위해서는, 대상 물체의 형태가 평면(512)에 놓이고 대상물 형태에 의해 반사된 출력(P512)이 측정되었다고 가정한다. 대상물 형태는 도 12에 도시된 양(Δ) 의해 Z 방향으로 변환되어, P510가 측정된다. 따라서, a와 b는 P510, P512및 Δ를 알면 계산될 수 있다.
P512와 P510의 비는 다음의 수학식 4로 주어진다.
P512/P510= [R * (K/b)} * [(b+Δ)/(R * K)]
여기서, b와 a는 다음의 수학식 5와 6으로 주어진다.
a = b + Δ
b = Δ/[(P512/P510) - 1]
즉, Z 축에 따른 대상물 형태의 위치는 P510, P512및 Δ를 구함으로써 계산될 수 있다.
도 14는 광학적 치수 관계를 나타내는데, 여기서 대상물 형태를 Z 방향으로의 양으로 변환시키는 일 없이 Z 축을 따라 대상물 형태의 위치를 측정할 수 있다. 도 14는 실린더 렌즈(502)로 입사되는 2개의 광 비임을 나타내고 있다. 입사되는 광의 시준되는 비임은 라인 초점(518)로 진행하고, 약간 수렴되는 광 비임은 라인 초점(510)으로 진행한다. 이들 2개의 광 비임은 실린더 렌즈(502)에 의해 굴절된 후 각각 516과 515로 도면 부호가 정해져 있다. 라인 초점 518과 520 사이에 위치한 대상물 형태에 의해 반사되는 광의 양을 측정함으로써 형태의 위치가 측정될 수 있다.
대상물 형태가 도 14의 평면(522)에 배치되는 경우에, 대상물 형태에 의해 반사되는 광량을 고려한다. 대상물 형태의 반사도가 R이면, 광비임(516)에 기인하여 형태에 의해 반사된 출력량은 수학식 7으로 주어진다.
P522,516= R * (E/c)
비임(515)에 기인하여 형태에 의해 반사되는 출력량은 다음의 수학식 8로 주어진다.
P522,515= R * (F/d)
도 14로부터 다음의 수학식 9가 도출된다.
g = c + d
E와 F는 각 비임의 총출력과 이들 각 비임에 대한 수렴각에 따른 상수이다. E와 F는 독립적인 수단에 의해 눈금이 매겨질 수 있다. 라인 초점 518과 520간의 총거리(g)도 독립적인 수단에 의해 눈금이 매겨질 수 있다.
P522,516과 P522,515의 측정 및 이들 2개의 측정값의 비율은 다음의 수학식 10으로 주어진다.
P522,516/P522,515= (E/c) * (F/d)
c와 d를 알면 형태의 z축에 따른 위치 또는 높이를 구한다. 수학식 11은 다음과 같다.
d = g * F / [(P522,516/P522,515) * E + F]
도 15 내지 도 17에는, 광학 경로를 투사하는 라인과 선형 검출기 어레이용 영상 경로를 부합하게 하는 거울의 조합과 비임 분리기가 도시되어 있다. 이들 광학 경로를 조합하고 분리하는 방법에는 수많은 등가의 방법이 있다.
본 발명의 하나의 실시예가 도 15에 도시되어 있다. 라인 스캔 센서(524)는 대상물(528)에 대해 Y 방향으로 움직인다. 대상물(528)은 진공 노즐(526)에 의해 지지되어 있으며, 530. 532, 534로 도시된 형태가 있다. 2개의 초점 라인(536, 538)은 도 14의 방식과 매우 유사한 방식으로 생성된다. 점광원(562)으로부터의 광은 구형 렌즈에 의해 평행하게 되고, 거울(522)에 의해 반사되며, 실린더 렌즈(548)에 의해 라인(538)에 초점이 맺힌다. 점광원(538)으로부터의 광은 구형 렌즈(556)에 의해 평행하게 되고, 오목한 실린더 렌즈(554)에 의해 약간 발산하게 되고, 비임 분리기(550)에 의해 반사되어, 실린더 렌즈(548)에 의해 라인(536)에 초점이 맺힌다. 점광원(558, 562)는 발광 다이오드(LED's)이거나 레이저 다이오드이지만, 이에 한정되지는 않는다. 도 15는 라인 초점(536, 538)을 생성하는 특정 방법을 나타내지만, 이들 라인 초점을 생성하는 데에는 수많은 등가의 광학적 방법이 있다.
도 15에 있어서, GRIN 렌즈 어레이(544)는 비임 분리기(564)를 이용하여 대상물(528)의 형태를 라인 검출기(546)에 영상화하고 광을 다시 지향시킨다. 센서가 대상물(528)의 형태를 스캔함에 따라, 점광원(558, 562)은 선택적으로 점멸될 수 있다. 선형 검출기(546)는 각 광원에 기인한 반사된 출력을 측정한다. 다음에, 각각의 대상물 형태(530, 532, 534)의 높이 또는 위치는 도 14에 대한 설명에서 개시된 방법을 이용하여 계산될 수 있다. (암시양 조명기로 지칭되는) 낮은 각도의 조명기(540), 확산 조명기(542) 및 {후광 광원(171)과 확산기(173)을 포함하는) 후광 조명기(169)는 도 15에도 도시되어 있다. 이들 조명기와 점광원(558 및/또는 562)를 조합함으로써, 라인 스캔 센서(524)가 Y 방향으로 전환함에 따라, 선형 검출기(546)는 대상물(528)의 2차원 영상을 만들 수 있게 된다. 더욱이, 조명기(540, 542, 169)는 도 16 및 도 17에 도시된 실시예에 사용될 수 있다.
대상물(528) 형태의 높이를 측정하기 위해서는, 라인 스캔 센서(524)가 Y 방향으로 전환함에 따라, 점광원(558, 562)이 선택적으로 점멸될 수 있다. 이는 광원을 끼워넣는 것(방법 A)이라 불린다.
높이 측정은 소위 툼스톤(tombstone)의 검출에 유용하다. 툼스토닝(tombstoning)이라는 것은 구성품이 장착 표면의 반대편 외의 표면에 의해 픽업되는 바람직하지 않은 조건이다. 툼스토닝의 하나의 예로서는, 노즐로 일부 연장되는 것과 같은 방식으로 칩 커패시터가 픽업되는 경우가 있다. 그러한 조건은 툼스토닝된 구성품을 장착하기 위해 픽 앤드 플레이스 기계가 방위를 정정할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 툼스토닝은 칩 캡(chip cap)이 노즐 아래로 얼마나 연장되는가를 측정함으로써 검출될 수 있다.
도 16에는 방법 A를 실시하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 선형 발광 다이오드 어레이(592)로부터의 광은 확산기(590)를 통하여 광학 슬릿(588)을 비춘다. 선형 발광 다이오드 어레이(592)는 지면의 내외로 연장되어 있다. 광학 슬릿(588)의 Z 방향으로의 크기는 5 ㎛이고, 지면의 내외로 선형 검출기(546)의 길이보다 약간 더 길게 연장되어 있다. GRIN 렌즈 어레이(580)는 광학 슬릿(588)을 영상화하여, 거울(576)을 이용하여 초점 라인(596)을 생성한다. 또한, 선형 발광 다이오드 어레이(586)으로부터의 광은 확산기(584)를 통하여 광학 슬릿(588)을 비춘다. GRIN 렌즈 어레이(578)는 광학 슬릿(582)를 영상화하여, 비임 분리기(574)를 이용하여 초점 라인(594)를 생성한다. 암시di 조명기(540)와 확산 조명기(542)도 도시되어 있다. 도 15에 도시된 실시예에서와 같이, 본 실시예에는 일반적인 광학 경로가 있다.
도 17은 방법 B에 따른 본 발명의 또 다른 실시예를 나타내고 있다. 점광원(562), 구형 시준 렌즈(560), 거울(552) 및 실린더 렌즈(548)를 이용하여 도 16에 대해 설명한 바와 같은 방식으로 라인 초점(602)이 생성된다. 대상물 형태의 높이를 측정하기 위해서는, 점광원(562)를 켜면서 대상물(528)을 지나 Y 방향으로 라인 스캔 센서(600)가 전환된다. 선형 검출기(546)의 출력은 메모리(포매터 블럭 714)에 저장된다. 다음에, 대상물(528)은 알려진 양만큼 Z 방향으로 배치되고, 라인 스캔 센서(600)은 점광원(562)이 켜지면서 대상물(528)을 지나 전환된다. 선형 검출기(546)의 출력도 2번째의 스캔을 위해 메모리(포매터 블럭 714)에 저장된다. 대상물(528) 형태의 높이는 도 14의 설명에서 개시된 방법을 이용하여 블럭 728에 의해 계산된다.
대상물(528) 형태의 2차원 위치를 측정하는 데에는 점광원(562)으로부터의 조명과 조합하여 조명기(542) 및 암시야 조명기(540)가 사용될 수 있다. 또한, 높이를 계산하는 데 이용되는 측정과 함께 2차원 측정이 이용되거나, 라인 스캔 센서(600)의 별도의 스캔에 의해 2차원 측정이 이루어질 수 있다.
픽 앤드 플레이스 기계에 대해 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 와이어 본더 및 스크린 프린터와 같은 그 밖의 전자 부품 조립에 대한 다양한 실시예도 가능하다.
도 18은 종래 기술에 따른 와이어 본더의 사시도이다. 본더(320)에는 개별적인 와이어를 다이 패드(324, 324)와 리드 패드(326) 사이에 분배하고 연결하도록 맞추어진 본더 헤드(322)가 포함되어 있다. 본더(320)는 여러가지 패드를 정확하게 배치하는 데 통상의 영상용 카메라(328)를 사용하여 와이어로 이들을 전기적으로 결합한다. 카메라(328)에는 조명기(330), 렌즈 시스템(332), 거울(334) 및 영역 검출기(336)가 포함되어 있다. 공지된 바와 같이, 조명기(330)는 접합되는 패드를 비추고, 렌즈 시스템(332)과 거울(334)은 협동하여 영역 검출기(336)에 패드 영상의 초점을 맞춘다. 영역 검출기(336)는 영상을 처리하여 정확한 다이 패드와 리드 패드 위치를 계산하도록 부가의 전자 장치에 결합되어 있다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 와이어 본더의 평면도이다. 와이어 본더(340)에는 본 발명의 실시예에 따른 본더 헤드(322)와 라인 스캔 카메라(344)가 포함되어 있다. 라인 스캔 카메라(344)는 픽 앤드 플레이스 기계와 관련하여 전술한 다양한 모든 실시예에 따라 구성된 것이 좋고, 그 시야 내의 형태의 높이를 계산할 수 있다. 와이어 루프(323)의 높이가 계산되어 일정한 기준에 의해 임계값이 정해지는데, 이는 와이어 접합을 다시 할 것인지 다른 와이어 접합의 검사를 계속할 것인지를 결정하는데 도움이 된다. 본 발명에서 높이를 계산하는 능력에 따라 일정 용례에서 와이어 접합이 그 패키징에서 단락되는지 여부가 지시될 수 있다. 라인 스캔 검출기(344)의 검출기 창(346)은 스캔 방향(X)에 대해 (대략 45°의) 각도로 놓여 있지만, 검출기 창이 스캔 방향(X)에 대해 수직한 경우와 같이 그 밖의 실시예도 가능하다. 그러나, 스캔 방향에 대해 검출기 창을 기울여 지향시킴으로써 다이의 모든 4개의 측면을 스캐닝하는 것이 촉진된다.
양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 설명하였지만, 당업자는 본 발명의 범위와 사상을 벗어나지 않는 범위에서 그 형태와 상세를 변경할 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 본 명세서에 개시된 라인 스캔 센서 및 관련된 전자 장치의 실시예에 한정되지 않으며, 그 밖의 라인 스캔 카메라로 실시될 수도 있다.

Claims (12)

  1. 광학축을 따라 배치된 반사성 대상물상의 형태의 높이를 제공하는 높이 제공 방법으로서,
    상기 광학축에 수직한 라인 초점에 광을 투사하는 단계와,
    상기 광학축을 따라 상기 라인 초점과 상기 대상물이 서로 상대적으로 움직이게 하는 단계와,
    상기 상대 운동 전에 상기 대상물의 제1 조합 영상을 모으고, 상기 라인 초점과 상기 대상물의 상대 운동 후에 대상물의 제2 조합 영상을 모으는 단계, 및
    상기 2개의 조합된 영상의 함수로서 적어도 1개 형태의 높이를 계산하는 단계
    로 이루어지며, 상기 대상물의 상기 제1 조합 영상 및 제2 조합 영상을 모으는 각각의 단계는,
    1) 선형 검출기와 상기 대상물이 스캔 방향으로 서로 상대적으로 움직임에 따라, 선형 검출기로부터 상기 대상물의 복수 개의 부분적인 영상을 포착하는 단계와,
    2) 상기 복수 개의 부분적인 영상을 상기 대상물의 조합된 영상으로 조합하는 단계
    로 이루어지는 단계인 것인 높이 제공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 대상물 상의 형태의 적어도 3개의 높이로 이루어지는 기준 평면을 계산하는 단계와, 상기 기준 평면과 부가의 형태의 높이의 함수로서 상기 부가의 형태의 공면도를 표시하는 출력을 제공하는 단계를 더 포함하는 높이 제공 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 라인 초점과 상기 대상물의 상기 상대적인 운동에 의해 제2 라인 초점으로 광이 투사되는 것인 높이 제공 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 라인 초점과 상기 대상물의 상기 상대 운동에 의해 상기 광학축에 따른 제1 및 제2 위치 사이에서 대상물이 움직이게 되는 것인 높이 제공 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영상은 포개지는 것인 높이 제공 방법.
  6. 광학축을 따라 배치된 반사성 대상물 상의 형태의 높이를 제공하는 높이 제공 방법으로서,
    a) 제1 광학 경로가 광을 제1 라인 초점으로 향하게 하도록 여기시키는 단계로서, 상기 제1 라인 초점은 광학축에 수직이며 검출기로부터 상기 대상물의 제1의 부분 영상을 모으는 것인 단계와,
    b) 상기 제1 광학 경로를 오프 상태로 절환하는 단계와,
    c) 제2 광학 경로가 광을 제2 라인 초점으로 향하게 하도록 여기시키는 단계로서, 상기 제2 라인 초점은 광학축에 수직이며 상기 검출기로부터 상기 대상물의 제2의 부분 영상을 모으는 것인 단계와,
    d) 상기 대상물과 상기 검출기를 서로 상대적으로 움직여 원하는 개수의 제1 및 제2 부분 영상을 얻을 때까지 상기 단계 a) 내지 단계 c)를 반복하는 단계와,
    e) 상기 복수 개의 부분 영상을 상기 대상물의 한 쌍의 조합된 영상으로 조합하는 단계로서, 하나의 조합된 영상은 제1 부분 영상으로 이루어지고, 나머지 조합 영상은 제2 부분 영상으로 이루어지는 것인 단계, 및
    f) 2개의 조합된 영상의 함수로서 적어도 1개 형태의 높이를 계산하는 단계
    로 이루어지는 높이 제공 방법.
  7. 구성품을 집도록 맞추어지는 픽 앤드 플레이스 기계에 있어서,
    상기 구성품을 배치하기 위하여 원하는 위치를 제공하는 호스트 프로세서와,
    상기 구성품을 해제 가능하게 유지하기 위한 구성품 배치 헤드와,
    상기 구성품을 관측하는 렌즈 시스템으로서, 이 렌즈 시스템을 관통하는 광학축을 구비하는 렌즈 시스템과,
    상기 구성품을 관찰하여 그 부분적인 영상을 제공하도록 맞추어지는 검출기와,
    제1 라인 초점으로 광을 투사하는 제1 광학 경로와,
    제2 라인 초점으로 광을 투사하는 제2 광학 경로와,
    상기 검출기와 상기 구성품 사이의 상대 운동을 유발하도록 맞추어지는 센서 동작 제어 시스템과,
    상기 검출기에 결합되는 비디오 처리용 전자 장치
    를 포함하고,
    상기 상대 운동이 종료된 후, 상기 검출기로부터의 복수 개의 제1 부분 영상은 상기 구성품의 제1 조합 영상을 표시하고, 상기 검출기로부터의 복수 개의 제2 부분 영상은 상기 구성품의 제2 조합 영상을 표시하고, 상기 비디오 처리용 전자 장치는 상기 제1 및 제2 조합 영상의 함수로서 형태의 높이 정보를 제공하고,
    상기 호스트 프로세서는 적어도 부분적으로 상기 형태 높이 정보에 기초하여 구성품 배치 헤드를 움직이도록 지시하는 것인 픽 앤드 플레이스 기계.
  8. 제7항에 있어서, 상기 비디오 처리용 전자 장치는 상기 구성품과 상기 검출기의 상기 상대 운동이 종료될 때가지 복수 개의 제1 부분 영상을 모으고, 다음에, 센서 동작 제어 시스템은 리셋되고, 상기 비디오 처리용 전자 장치는 상기 상대 운동이 종료될 때가지 복수 개의 제2 부분 영상을 모으고, 이 때, 상기 비디오 처리용 전자 장치는 상기 2개의 조합된 영상의 함수로서 형태의 높이 정보를 제공하는 것인 픽 앤드 플레이스 기계.
  9. 다이 패드와 리드 프레임 사이에 와이어를 접합하도록 맞추어지는 와이어 본더에 있어서,
    상기 와이어를 접합하기 위하여 원하는 위치를 제공하는 호스트 프로세서와,
    상기 와이어를 분배하여 전기적으로 연결하도록 맞추어지는 와이어 본더 헤드와,
    상기 와이어, 상기 다이 패드 및 상기 리드 프레임 중의 하나의 적어도 일부를 관측하기 위한 렌즈 시스템으로서, 이 렌즈 시스템을 관통하는 광학축을 구비한 렌즈 시스템과,
    상기 일부를 관측하여 그 부분적인 영상을 제공하도록 맞추어지는 검출기와,
    제1 라인 초점으로 광을 투사하는 제1 광학 경로와,
    제2 라인 초점으로 광을 투사하는 제2 광학 경로와,
    상기 검출기와 상기 구성품 사이의 상대 운동을 유발하도록 맞추어지는 센서 동작 제어 시스템과,
    상기 검출기에 결합되는 비디오 처리용 전자 장치
    를 포함하고,
    상기 상대 운동이 종료된 후, 상기 검출기로부터의 복수 개의 제1 부분 영상은 상기 일부의 제1 조합 영상을 표시하고, 상기 검출기로부터의 복수 개의 제2 부분 영상은 상기 일부의 제2 조합 영상을 표시하고, 상기 비디오 처리용 전자 장치는 상기 제1 및 제2 조합 영상의 함수로서 적어도 형태의 높이 정보를 제공하고,
    상기 호스트 프로세서는 적어도 부분적으로 상기 형태 높이 정보에 기초하여 구성품 배치 헤드를 움직이도록 지시하는 것인 와이어 본더.
  10. 형태의 높이를 계산하기 위한 광학 시스템에 있어서,
    센서 하우징과,
    제1 및 제2 라인 초점을 제공하기 위한 것으로서, 순차적으로 여기되도록 맞추어지는 제1 및 제2 광학 경로와,
    상기 형태를 관측하여 상기 형태의 복수 개의 부분적인 영상을 제공하도록 맞추어지는 선형 검출기, 및
    2개의 각각의 조합 영상을 형성하도록 2개 조의 복수 개의 부분 영상을 처리하여, 양 조합 영상 간의 상기 형태에 상응하는 강도의 비율의 함수로서 형태의 높이를 제공하는 전자 장치
    를 포함하는 광학 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 센서 하우징은 전자 제품 조립기 내의 헤드에 고착되는 것인 광학 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전자 장치는 적어도 부분적으로 상기 형태의 높이에 기초하여 공면도를 계산하도록 맞추어지는 것인 광학 시스템.
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