NL1042075B1 - Werkwijze voor het plaatsen van een component op een substraat alsmede een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze. - Google Patents

Abstract

Werkwijze voor het plaatsen van verschillende soorten elektrische componenten op een substraat, waarbij geselecteerde componenten worden opgepakt en op een plaats op het substraat worden gepositioneerd, waarbij de elektrische componenten naar type worden geclusterd en in een computergeheugen worden opgeslagen, waarbij de elektrische componenten zich bevinden in houders, die in naast elkaar en boven elkaar gelegen rijen zijn opgesteld, die in een verticaal vlak zijn gelegen, waarbij het substraat in een substraathouder wordt geplaatst die in verticale en horizontale richting voor het vlak met de houders van componenten beweegbaar is, waarbij het substraat vervolgens voor een houder met de gewenste elektrische componenten wordt geplaatst, de gewenste elektrische component uit de houder wordt gehaald en op de vooraf in een geheugen opgeslagen x-y locatie op het substraat wordt gepositioneerd.

Description

Titel: Werkwijze voor het plaatsen van een component op een substraat alsmede een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het plaatsen van verschillende soorten elektrische componenten op een substraat, waarbij geselecteerde componenten worden opgepakt en op een plaats op het substraat worden gepositioneerd.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van een dergelijke werkwijze.

Bij de productie van substraten (printplaten) wordt gebruik gemaakt van zogenaamde surface mount technology (smt) componenten, zoals weerstanden, condensatoren, connectoren, halfgeleiderelementen, etc. Deze elektrische componenten worden door een speciale machine, de smt machine, opgepakt van feederstations en nauwkeurig op het substraat geplaatst. Hoewel de componenten steeds kleiner worden is de machine in staat deze nauwkeurig te plaatsen door de inzet van stappenmotoren en/of servomotoren in combinatie met precieze x en y-coördinaten.

Een inrichting voor het uitvoeren van de bovengenoemde werkwijze is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift US-PS 5.323.528

In dit Amerikaanse octrooischrift wordt een machine beschreveh, waarmee componenten automatisch worden opgepakt en geplaatst op een substraat (printplaat).

De machine moet de componenten ‘oppakken’ van een van tevoren ingegeven positie. Daarbij dient de machine te worden ingesteld voordat de productie kan starten. Dit instellen betreft het plaatsen van de componenten in de machine, het koppelen van de positie van elke component aan het juiste componenttype en het inlezen en checken van de productiefile met x en y-coördinaten voor plaatsing op de printplaat. Als het aantal verschillende componenten op een printplaat groter is dan het aantal verschillende componenten dat in de machine kan worden geplaatst moet de instelling en inrichting van de machine zelfs meer dan één keer worden uitgevoerd. Als de gehele instelling van de machine is uitgevoerd wordt er bij voorkeur een proefprint gemaakt. Het inrichten en instellen van de machine kan geruime tijd (8 tot 16 uur) in beslag nemen. Na instelling is de machine in staat snel en nauwkeurig de gewenste printplaten te bestukken met componenten. De productietijd per printplaat is afhankelijk van het aantal componenten maar als regel is de productietijd per printplaat over het algemeen slechts enkele minuten.

Voor de productie van zeer kleine aantallen printplaten (slechts enkele stuks) kunnen de componenten handmatig worden opgepakt zonder dat er daarbij tijd aan het instellen van een machine behoeft te worden besteed, maar zodra het aantal op te pakken componenten hoger ligt (enkele tientallen tot een paar honderd stuks) verdwijnt het voordeel van het handmatig oppakken en wordt het proces onnodig tijdrovend. Gebleken is dat bij de fabricage van printplaten in een orde van grootte van vijf tot honderd stuks de insteltijd van een machine toch relatief lang is in verhouding tot de tijd die nodig is voor het volledig bestukken van een printplaat (de assemblagetijd). Het is dan zinvol om de insteltijd zo kort mogelijk te houden. Alleen bij grote series (meer dan circa honderd printplaten) valt de insteltijd weg tegen de voordelen van de zeer snelle assemblage.

De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen waarbij de tijd van het instellen en inrichten van een machine voor de productie van maximaal enkele tientallen tot circa honderd substraten (printplaten) snel, efficiënt en voordelig kan worden gerealiseerd.

Dit doel wordt bij de werkwijze volgens de uitvinding bereikt doordat elektrische componenten naar type worden geclusterd en in een computergeheugen worden opgeslagen, waarbij de elektrische componenten zich bevinden in houders, die in naast elkaar en boven elkaar in rijen zijn opgesteld, die in een verticaal vlak zijn gelegen, waarbij het substraat in een substraathouder wordt geplaatst die in verticale en horizontale richting voor het vlak met de houders van componenten beweegbaar is, waarbij het substraat vervolgens voor een houder met de gewenste elektrische componenten wordt geplaatst, de gewenste elektrische component uit de houder wordt gehaald en op de vooraf in een geheugen opgeslagen x-y locatie op het substraat wordt gepositioneerd.

Bij de werkwijze volgens de uitvinding wordt de voor de productie van printplaten noodzakelijke nauwkeurigheid bereikt met een geringe insteltijd.

Van bijzonder voordeel is de werkwijze volgens de uitvinding als de componenten die gebruikt worden voor de productie te zijn onderscheiden in enkele groepen generieke typen componenten, zoals weerstanden en condensatoren. De in het verticale vlak naast elkaar in rijen en boven elkaar geplaatste houders worden in een eerste cluster van een machine gevuld met weerstanden en een volgende machine daarnaast met houders gevuld met condensatoren. De genoemde componenten komen op vrijwel alle printplaten voor en vormen daarbij dikwijls veruit het grootste aantal losse componenten dat op een printplaat moet worden aangebracht. Deze generieke componenten hebben verschillende gestandaardiseerde afmetingen en zijn dikwijls voorradig in series met een oplopende waarde. Een veelgebruikte serie is bijvoorbeeld een serie weerstanden waarbij een reeks van 1 tot 10 (of 100 - 1000) wordt opgedeeld in 24 gelijke stappen (E24-serie). Uitgaande van bijvoorbeeld zes reeksen (van 1 Ohm - 1M Ohm) zijn er rond 150 waarden die de gehele range van veelvoorkomende weerstanden omvat. Indien daarbij bijvoorbeeld ook nog vier verschillende afmetingen van behuizingen worden gebruikt dan komt het totaal op enkele honderden weerstanden. Eenzelfde berekening kan gemaakt worden voor condensatoren.

Een voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is voorts dat het beschikbare aantal posities in houders met componenten groot is. Zo is het mogelijk per machine permanent vele (circa 500) componenten (bij voorkeur, maar niet noodzakelijkwijs van één type) voor productie op te slaan en in voorraad te houden. Het is met deze stapeling van houders met componenten niet langer nodig de machine per opdracht in te stellen en in te richten. De printplaat wordt steeds voor de houders in een machine geplaatst en van de juiste componenten voorzien. Zodra alle juiste componenten die zich in de machine bevinden zijn geplaatst wordt de printplaat ‘doorgegeven’ aan een volgende machine met houders met componenten. Bij een werkwijze volgens de uitvinding is de voorraad componenten steeds aanwezig in de verschillende modules.

Gebleken is dat met de werkwijze volgens de uitvinding bijna geen tot een relatief korte insteltijd voldoende is voor de productie van printplaten. Bij de werkwijze is het niet nodig de machine steeds opnieuw in te richten met componenten voor de productie van een serie printplaten van maximaal enkele honderden stuks. Een machine die geschikt is voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding heeft een eenvoudige configuratie. Dit bespaart veel tijd en kosten.

In een praktische uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding neemt het substraat (printplaat) een horizontale positie in ten opzichte van de rijen met houders met componenten, waarbij het substraat in verticale richting beweegbaar is en steeds voor een rij met houders met componenten wordt gepositioneerd. Een substraat beweegt daarbij in de richting van de houders met componenten. Dit verhoogt de doelmatigheid van het proces.

De houders zijn veelal van kunststof. Bij voorkeur bevat een houder een reel met een componentenstrip en een cassettehuis met twee evenwijdige platte wanden, loodrecht op de rotatie-as van de reel, welke platte wanden met elkaar zijn verbonden door zijwanden, waarbij één der zijwanden is voorzien van een ingang voor het doorlaten van de componentenstrip, een in het cassettehuis gelegen schijf met kartelrand waarvan de rotatie-as loodrecht staat op de platte wanden voor het geleiden van de componentenstrip naar een in een tweede zijwand gelegen uitgang.

De cassettes vormen met de componentenreel één geheel en kunnen eenvoudig in boven elkaar gelegen rijen in de machine worden geplaatst en weer worden vervangen als de reel leeg is. De cassettes zijn niet voorzien van een speciale aandrijving met bijbehorende complexe elektronica en zijn dus relatief goedkoop. De kostprijs van de cassettes is laag zodat zelfs kan worden overwogen ook de cassettes te vervangen bij het plaatsen van een nieuwe componentenreel. Daarmee wordt de lange termijn repeteernauwkeurigheid van de cassette minder belangrijk wat ook weer een verdere verlaging van de kostprijs mogelijk maakt.

Een elektrische component wordt bij voorkeur met een machinekop uit de genoemde strip gehaald waarbij de component met behulp van een vacuümnaald wordt vastgezogen en door de machinekop op het substraat wordt geplaatst. De vacuümnaald wordt daarbij naar een component bewogen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de speciaal ontworpen machinekop. Deze machinekop kan vrij in de x, y en z-richting worden bewogen en om zijn as roteren en op en neer bewegen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een tekening.

In de tekening toont figuur 1 schematisch een uitvoeringsvorm van een inrichting (machine) voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont schematisch een uitvoeringsvorm van een houder met cassette met een reel met componenten die wordt gebruikt in een werkwijze en inrichting volgens de uitvinding.

In figuur 1 is een inrichting (machine) 1 weergegeven voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding. De elektrische componenten bevinden zich in houders 2 die zijn uitgevoerd als cassettes (zie figuur 2). De houders zijn naast elkaar en boven elkaar geplaatst in evenwijdige rijen in een stelling 3. De stelling heeft de gedaante van een kast.

In de houders bevinden zich de componenten die naar type zijn geclusterd (bijvoorbeeld weerstanden). De locatie van de houders en de daarin opgenomen componenten zijn in een computergeheugen opgeslagen. De houders zijn in een verticaal vlak gelegen.

Aan de voorzijde van de boven elkaar gelegen rijen met houders bevindt zich een U-vormig frame 4 met een positioneerkop 5 die in de x en y richting kan bewegen en die met behulp van vacuümzuigen een component uit de houder oppakt.

In het U-vormige frame 4 is voorts een substraat (printplaat) 6 opgenomen. Deze is in het x-y vlak gelegen. Het gehele U-frame is beweegbaar in de verticale richting (z-richting). Met behulp van de positioneerkop wordt een component op een x-y locatie van het substraat geplaatst, welke locatie vooraf in een geheugen van een computer is opgeslagen. Voorts zijn niet in de tekening weergegeven camera’s aanwezig voor het beoordelen van de positie van de door positioneerkop 5 met vacuüm vastgezogen component en voor het beoordelen van de positie van de printplaat 6. Door deze beide beoordelingen te combineren met de gewenste positionering van de component op de printplaat worden de componenten nauwkeurig geplaatst. Bij de werkwijze met deze inrichting (machine) is het mogelijk om met geringe toleranties en flexibiliteit in de machine een grote positioneernauwkeurigheid te verkrijgen. Het voordeel van deze machine is de zeer geringe insteltijd per opdracht. Daarmee is de machine geschikt voor productieruns van 5-100 stuks.

De houder die is getoond in figuur 2 bevat een reel 10 met een componentenstrip 11. De houder bevat voorts een cassette 12 met een kunststof cassettehuis met twee evenwijdige platte wanden 13 en 14, loodrecht op de rotatie-as 10a van reel 10. Wanden 13 en 14 zijn met elkaar verbonden door zijwanden 15 en 16. In zijwand 15 is een ingang 17 aanwezig waardoorheen de componentenstrip 11 wordt geleid. In de cassette 12 is voorts een schijf 18 met kartelrand aanwezig. De componentenstrip loopt langs deze kartelrand naar een in zijwand 16 aanwezige uitgang 19. Een component op de strip wordt door de positioneerkop 5 (zie figuur 1) van de strip geplukt en vervolgens op de gewenste plaats op de printplaat geplaatst.

In een praktische uitvoeringsvorm wordt de machine eerst voorzien van de houders met cassettes met componenten, zoals weerstanden met een oplopende waarde. De cassettes worden in naast elkaar en boven elkaar gelegen rijen in de machine geplaatst. De cassettes staan aldus opgesteld in een verticaal vlak. In het computerprogramma, dat van elke component weet waar het zich in de machine bevindt, wordt bepaald welke route de printplaat ten opzichte van de rijen met cassettes moet volgen. Deze route wordt doorlopen en de juiste component wordt geplaatst. Als alle componenten van een bepaald type (weerstanden) op de printplaat zijn aangebracht herhaalt het proces zich op een daarnaast gelegen volgende machine met een stelling met houders met condensatoren die zich bevindt naast de machine met weerstanden. Als de printplaat voorzien is van alle benodigde weerstanden en condensatoren wordt de printplaat (dikwijls voor 80% met de genoemde componenten bestukt) voorzien van overige componenten (halfgeleiderelementen, IC’s, etc.). Deze worden bijvoorbeeld door het relatief geringe aantal handmatig op de printplaat aangebracht. Tenslotte volgt het solderen en is het product (een volledig bestukte printplaat) gereed. Door machines naast elkaar te plaatsen ontstaat de mogelijkheid dat machines substraten aan elkaar doorgeven. Zodoende kunnen doorlopend en zonder insteltijden capaciteiten, weerstanden en andere veel voorkomende componenten in lijn op een substraat worden geplaatst. Tevens wordt het mogelijk telkens één type substraat van componenten te voorzien en daarna een ander type, waarbij gebruik wordt gemaakt van een en dezelfde productielijn van machines. CONCLUSIES: 1. Werkwijze voor het plaatsen van verschillende soorten elektrische componenten op een substraat, waarbij geselecteerde componenten worden opgepakt en op een plaats op het substraat worden gepositioneerd, met het kenmerk, dat de elektrische componenten naar type worden geclusterd en in een computergeheugen worden opgeslagen, waarbij de elektrische componenten zich bevinden in houders, die in naast elkaar en boven elkaar gelegen rijen zijn opgesteld, die in een verticaal vlak zijn gelegen, waarbij het substraat in een substraathouder wordt geplaatst die in verticale en horizontale richting voor het vlak met de houders van componenten beweegbaar is, waarbij het substraat vervolgens voor een houder met de gewenste elektrische componenten wordt geplaatst, de gewenste elektrische component uit de houder wordt gehaald en op de vooraf in een geheugen opgeslagen x-y locatie op het substraat wordt gepositioneerd. 2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de houders met elektrische componenten van eenzelfde soort zich bevinden in een stelling met een eerste serie boven elkaar in een vlak gelegen rijen en de houders van een volgende soort elektrische componenten zich bevinden in een daarnaast opgestelde stelling met eveneens boven elkaar in een vlak gelegen rijen houders. 3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de elektrische componenten zich bevinden op een strip op een reel in de houder en daaruit worden gehaald door vastzuigen aan een machinekop. 4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens een of meer de voorafgaande conclusies. 5. Inrichting geschikt voor het plaatsen van een component op een substraat, met het kenmerk, dat de inrichting is voorzien van een stelling waarin houders met elektrische componenten die in boven elkaar aanwezige rijen zijn opgesteld en een voor de stelling in verticale richting beweegbaar frame met een substraathouder aanwezig is, welke substraathouder in een horizontaal vlak binnen het frame beweegbaar is, waarbij de elektrische componenten met behulp van een machinekop uit hun houder kunnen worden gehaald en vervolgens op het substraat kunnen worden geplaatst. 6. Houder geschikt voor het plaatsen in een inrichting volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de houder een reel bevat met een componentenstrip en een cassettehuis met twee evenwijdige platte wanden, loodrecht op de rotatie-as van de reel,

Claims (1)

1. welke platte wanden met elkaar zijn verbonden door zijwanden, waarbij één der zijwanden is voorzien van een ingang voor het doorlaten van de componentenstrip, een in het cassettehuis gelegen schijf met kartelrand waarvan de rotatie-as loodrecht staat op de platte wanden voor het geleiden van de componentenstrip naar een in een tweede zijwand gelegen uitgang. UITTREKSEL Werkwijze voor het plaatsen van verschillende soorten elektrische componenten op een substraat, waarbij geselecteerde componenten worden opgepakt en op een plaats op het substraat worden gepositioneerd, waarbij de elektrische componenten naar type worden geclusterd en in een computergeheugen worden opgeslagen, waarbij de elektrische componenten zich bevinden in houders, die in naast elkaar en boven elkaar gelegen rijen zijn opgesteld, die in een verticaal vlak zijn gelegen, waarbij het substraat in een substraathouder wordt geplaatst die in verticale en horizontale richting voor het vlak met de houders van componenten beweegbaar is, waarbij het substraat vervolgens voor een houder met de gewenste elektrische componenten wordt geplaatst, de gewenste elektrische component uit de houder wordt gehaald en op de vooraf in een geheugen opgeslagen x-y locatie op het substraat wordt gepositioneerd.