TW510150B - Pick and place system and unit therefor - Google Patents

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510150 • A7 Λ Β7 五、發明說明） [相關申請案之簡述] 本申請案與1999年11月1〇曰申請之美國臨時專利申 請案第60/164,783號有關連。 本申請案之内容與Lev M· Bolotin所申請之，，具有進給 Ψ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 器/程式設計器/缓衝器/系統之申請案有關，該申請案序號 為09/418,732 ;已讓渡給美國數據I/O公司。 本申請案之内容含有與美國專利申請案序號 ί 09/419,172有關連的事項’該美國申請案係由Bradley Morris Johnson, Lev M. Bolotin, Simon B. Johnson, Carl W. Olson，Brayan D. Powell，以及 Janine Whan-Tong 共同申 請，發明之名稱為”饋送器/程式設計器/緩衝器/操作系 統”。 本發明申請案之内容也含有與美國專利申請案序號 09/471，675號有關的事項，該專利申請案係由 George Leland Anderson, Robin Edward Cameron,及 Scott Allen Fern四位共同申請，發明之名稱為’’高速程式設計器 系統”。 本發明申請案之内容也含有與美國專利申請案序號 09/418,901有關的事項，該申請案係由Simon B· Jolmson， George L. Anderson, Lev M. Bolotin, Bradley M. Johnson, Mark S. Knowles，Carl W. Olson，及 Vincent Warhol 共同申 請，而且己讓渡給數據I/O公司。 [技術領域] 本發明一般而言係有關於用於積體電路之製造系統， 91610 ---------------裝 i I (請洗閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 510150 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 — ~一- —_ B7 ___五、發明說明（2 ) 尤指適合該積體電路用之拾放系統σ[背景技藝] 在過去，電路板組裝之某些操作並不是在主生產組裝 線上執行的。利用各式各樣的進給器和機械人的管理系統 將積體電路置入電路板時，與生產積體電路有關之操作， 如程式製作、測試、校正、和測量等是在不同區域之不同 裝備上執行的而不是在主生產組裝線上整合進行。 舉例而言’在如電子式可清除程式化唯讀記憶體 (EEPROMs )和快閃電子式可清除程式化唯讀記憶體 (Flash EEPROMs )等可程式化裝置之程式製作 (programming，將程式編入於記憶體之意，本文中稱為程 式製作）中，係使用不同程式製作裝置，而這些裝置通常是 放置在不同於電路板組裝線所在之區域。這有許多的理由 為何要離線執行程式製作。 首先，程式製作裝置是相當大型而笨重的，就是這個 原因必須正確地以高速地將可程式化裝置插入程式製作器 中之程式製作插槽及將可程式化裝置（programmable device)從程式製作插槽中移除。因為此插入和移除操作在 高速時須相當長之橫向移動距離且需要能精確定位和具嚴 格的機械人管理的設備。此嚴格需求意味著各種元件必須 是具有牢固結構之巨大支撐件以便可維持以高速移動之拾 放系統的結構完整和精確定位。因為用於具有更大尺寸之 組裝裝置之程式製作裝置之尺寸及空間有限，所以將其放 置在不同的地方。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 2 91610 (請先閱讀背面之注意事項_寫本頁> r»裝

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510150 <1 ο A7 五、發明說明（ 第二、單一高速生產組裝系統用完已程式製作妤之裝 置之速度較其在單一程式製作機械上進行程式製作之速度 快，所以需要很多的程式製作系統，且通常需運轉較長之 時間以便預留生產組裝系統所需之已程式製作好之裝置 (programmed device已將程式編入之裝置），這意謂兩個系 統間之操作次數和輸入需求是不同的。 第三、目前尚未有人發明可輕易將生產組裝系統之機 械和電子部分整合在一起之單一系統。因為這些系統是複 雜的且通常需花費很多工時進行修改以便整合額外的裝 置。 在不同區域對可程式化裝置製作然後將已程式製作好 之裝置運送至生產組裝區以便將其插入電路板之相關主要 問題為很難在不同區域執行兩個不同的程序而在兩個不同 系統間進行整合。通常，生產組裝線將有可能用完可程式 化裝置且可能需關斷整個生產組裝線，在其他的時候，程 式製作裝置可用於程式製作足夠的已程式製作好之裝置之 . Μ--------1 —-------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 庫存 品 以 便確保 不 會 關 斷生產 組 裝 線： ，缺 而 ，此 將增 加 庫 經 濟 都 存 品 之 成 ° 當 必 須 更 改程式製作 且手上 尚 有大 量 的 已 程 σΓ 智 慧 式 製作 好 之積 體 電 路 之 庫存品 ί 則 發生另 _丨丨丨丨 個問 題 在 此 財 產 局 狀 況 下 必須 重 新 程 式 製作可 程 式 化裝置 的 庫存 品 因 而 浪 員 工 費 時 間 和 金錢 〇 消 費 合 雖 然 明顯 地 需 要 — 個較佳 的 系 統， 但似 乎尚 Ml 實 際 改 作 社 印 善 此 狀 況 的方 法 〇 很 明 顯地在 此 有 許多不 能 克服 的 問 題 阻 I 製 擾 改 善 〇 510150 Α7 Β7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 五、發明說明（4 ) 首先，目前生產組裝線之操作速度遠超過習知程式製 作器之程式製作速度，以致於程式製作器之生產量必須比 習知系統所能想像的多非常多。 第二、不僅此程式製作器需具有較現存程式製作器更 快之速度，而且必須有較小的尺寸。此理想系統應整合在 生產組裝線上，且不會妨礙現存生產組裝線或必須將新的 生產組裝線加長。再者，大部分的這些生產組裝線均已經 裝滿或設計成裝滿各種型式之進給和處理模組，所以能夠 用於容納額外裝備之空間是有限的。 第三、任何與生產組裝線組合在一起之程式製作器為 了通訊及安排時程之目的，很明顯地亦必須能夠與控制軟 體和製造系統之電子軟體聯繫，此將發生問題，因為生產 組裝線之系統軟體不僅複雜且對這些系統製造商而言是機 密的和/或為私有財產，這意謂製造商除了改善其本身之系 統外可能不願將其工時浪費在其他方面，或是在使用程式 製作器的控制軟體之前必須花費很多工時以便瞭解製造商 之軟體才能與合作的製造商整合。 第四、在程式製作器和製造設備間之機械介面必須比 製造組裝系統之拾放處理設備在放置已程式製造妤之裝置 上具有更高的精準性。 第五、在此有很多不同生產處理設備和生產製造設備 之製造商，這意謂必須研究可用於不同製造商之很多不同 的生產組裝線結構及設計之主要折衷辦法。 第六、理想的系統必須可在具有不同結構和尺寸的不 張又S用中國國一家標準（CN—S)A4規格（210 χ 297公爱----- 91610 (請洗閱讀背面之注意事項S寫本頁) 褒 訂---------線 «· 510150 A7

同微裝置間快速切換。 第七、理想的系統必須能夠適用於板多不同微裝置之 進給機構，包含有帶子、管子、和托盤進料器。 ► 最後、在此必須能夠將程式製作期間失效之微裝置快 速丟棄。 對所有上述問題似乎提供無法實行有效的解決方法， 特別是當嘗試發明一種可攜式、可僅藉由外部的電力和空 氣動力而可執行”隨插即用，，操作、可提供自動程式製作和 處理、且能夠將目前已程式製作之可程式化裝置提供給自 動生產組裝線之複雜系統。 [發明之揭示] 本發明提供連接至空氣和電力供應源之用以拾取與置 放微裝置之拾放系統。此系統所具有之拾放單元包含有致 動機構（actuator)、拾放探測器（pick and place probe)，及 連接致動機構和探測器之柔性連接器（compliant coupler) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 由控制系統引動複數個電力驅動之氣動閥以便選擇性地將 空氣源連接至致動機構因而可致使柔性連接器將探測器移 向拾放位置及從拾放位置移動。複數個氣動閥的其中之一 選擇性地使空氣驅動之真空與探測器連接及分離以個別地 拾取及釋放微裝置。拾放系統為用於快速且順應地拾放靈 敏之微裝置之有效系統。 本發明更提供一種拾放單元，包含有致動機構、拾放 探測器，及連接致動機構和探測器之柔性連接器。由控制 系統引動複數個電力驅動之氣動閥，該氣動閥係連接至拾 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 5 91610 510150 而 A7 五、發明說明（6 ) 放單元以便選擇性地將空氣源連接至致動機構因而可致使 柔性連接器使探測器移動於拾放位置間。複數個氣動間的 其中之一選擇性地連接和分離空氣驅動真空至探測器以分 別地拾取及釋放微裝置，此拾放單元為可用於快速且順應 地拾放靈敏微裝置之有效機構。 本發明更提供一種不會故障之拾放單元和系統，當拾 放系統失效時可用於保持微裝置。 本發明也提供一種拾放單元和系統，能夠同時及依序 地拾放複數個微裝置。 本發明也提供一種拾放單元和系統，可在具有不同結 構和尺寸之不同微裝置間快速切換。 由下列詳細說明及其隨附之圖示，熟習此方面技藝者 將可明確得知本發明之上述及其他優點。 [圖示之簡要說明] 第1圖為拾放系統之概略圖 第2圖為拾放單元之剖面圖 [元件符號說明] l· — ------------ (請洗閱讀背面之注意事項寫本頁) —訂----------線 _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 100 104 108 拾放系統 氣動式控制系統 插座傳動機構 102 106 110 空氣源 拾放（PNP)單元 氣動系統 U1至115氣動閥 120 真空系統 125至128空氣喷射器 140至143真空杯狀物 116至119傳動機構 121至124供應閥 135至138過濾器 145至148真空開關 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 6 91610 510150 A7 五、發明說明（7 ; 150至153切斷閥 155至158針閥 160 164 202 206 210 214 220 224 229 控制系統 輸出端（線） 汽紅室 汽紅桿 彈簧 221滑扣環 柔性彈簧 226軸承 162 200 204 208 212 216 222 228 230 輸入端 汽紅體 活塞 汽虹密封件 端口 連接器 探測器 準確器 真空線

II •經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 錐形側牆 用於實現本發明之最佳模式 機構： 茲參照第1圖，圖中所顯示的是可用於拾放各種型式 之微裝置（未顯示）之拾放系統1〇〇，此微裝置可以是電 動式、氣動式、或機械式之裝置。系統1〇〇所具有的空氣 源102係連接至用於致動拾放pick And Place，（ PNP )單 元106和插座致動器（s〇cket actuator)108之氣動式控制系 統 104。 氣動式控制系統104包含有氣動系統11 〇和真空系统 120。 氣動系統110是由三通、二位置、電磁線圈引動、彈 簧力復位之三氣動閥111至115所構成的。氣動闕111至 115在正常狀況下是關閉的且係分別連接至氣動的、彈簧 力伸出的PNP致動機構116至119及分別至氣動的、彈簧 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 7 91610 II-----------^-------- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 510150 A7 B7 五、發明說明（8 ) 復位的插座致動器108。 真空系統120是由連接至空氣源1〇2之三通、二位置、 電磁線圈引動、彈簧力復位之供應閥m至124所構成的。 供應閥121至124在正常狀況下是開啟的且分別連接至文 氏管（venturi)式空氣喷射器丨25至128，而此喷射器125 至128又分別再連接至棑氣消音器13〇至133。 在PNP單元106中，文氏管式空氣喷射器125至128 利用文氏效應（venturi effect)分別經由吸取式過濾、器135 至138而在各可彎曲的橡膠製真空杯狀物14〇至ι43上產 生真空。 分別利用空氣引動、彈簧力復位的真空開關145至148 探測在真空杯狀物140至143上之真空，當真空失效時由 真空開關145至148提供輸出訊號。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將真空杯狀物140至143經由三通、二位置、電磁線 圈引動之彈簧力復位之真空消除閥〗5〇至153與其各自之 針狀閥1 55至1 58，而分別連接至空氣源丨〇2即可消除在 真空杯狀物140至143上之真空。真空消除閥15〇至153 在正常狀況下是關閉的。 藉由具各種控制和電力輸入端162和輸出端ι64之控 制系統160可以電控制系統100，其中輸入端162包含有 來自真空開關145至148之輸入，與各種輸出端164，該 各種輪出端包含有輸出至氣動閥111至115、供應闊121 至124,及真空消除閥15〇至153。控制系統16〇可以是微 處理器或微控制器。 本紙張尺度義中國國家標準（CNS)A4規格⑽x 297公爱） 8 91610 510150 A7 五、發明說明（9 ) 茲參照第2圖，圖中顯示具有如ρΝρ致動機構j丨6之 典型PNP致動機構和如真空杯狀物14〇之典型真空杯狀物 的PNP單元106。 PNP致動機構116是由在其内設置有汽缸室2〇2之汽 缸體200所組成的。汽缸室202所具有之活塞2〇4係連接 至延伸至汽缸密封件208之汽缸桿206，此活塞在正常狀 況下是科用彈簧2 10而保持在上方之位置且利用在埠口 212之氣壓而引動的。汽缸桿2〇6具有一對在其適當位置 附著於連接器216之扣環214。 將連接器2 16限制在扣環2 1 8和柔性彈簧2 2 0之間以 便使探測器222(probe)垂直移動於一對線性軸承224至 226間。連接器216可使得探測器222與汽缸桿2〇6 一起 平行地上下移動，使連接器216對著柔性彈簧22〇推進， 而此柔性彈簧220又作用在扣環221而將探測器222向下 推進。當探測器222抵到微裝置之表面上時，當探測器222 停止時柔性彈簧220允許連接器216可繼續移動，此可避 免對微裝置之破壞。柔性彈簧220經常將探測器222推向 連接器216 ;該柔性彈簧220為一非常輕力道之彈簧而其 所產生之壓力僅足以將探測器222向下推，但不足以破壞 高敏感度之微裝置。因此，探測器222可順應地隨著連接 器216移動。 探測器222是中空的且在其中一端包含有真空杯狀物 140 ’由準確器（Precisor) 228所圍繞，且連接至真空線 230，此真空線230係經由第1圖中之吸取式過濾器135 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Ο ο ，經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 9 91610 I I 1--- — In!------I I ---•線 (請洗閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 510150 A7 ----— B7 五、發明說明（10 ) 而連接至文氏管式空氣喷射器125,準確器228具有内部 傾斜面之平板，微裝置即緊抵靠此傾斜面由此對著探測器 222對準與定位。 操作： 在操作中’當未從空氣源1〇2提供空氣時，在第1圖 中之氣動閥111至115在正常狀況下是關閉的，供應閥121 至124在正常狀況下是開啟的，且真空消除閥15〇至i53 在正常狀況下是關閉的，並且，真空開關145至148在正 常狀況下是關閉的。 當由空氣源102提供空氣時，此空氣是提供給空氣喷 射器125至128以便可藉由文氏管效應產生真空並作用在 真空杯狀物140至143上。假如發生電源供應失效而非空 氣源供應失效則供應閥121至124之正常開啟模式下提供 無故障模式以便保持PNP單元内之任何微裝置。 為了拾取微裝置，由控制系統160經由輸出線ι64送 出訊號以便選擇性地引動在氣動閥丨^至114上之電磁線 圈。以引動氣動閥111為例子，氣壓之拖加將導致PNp致 動機構116將汽缸桿206對抗著彈簧210縮回，汽缸桿206 之縮回動作強迫連接器216向下移動因而首先致使探測器 222向下伸出。在最初的向下伸出動作之後，連接器216 之進一步動作為壓縮柔性彈簧220並導致探測器222持績 往下伸出直到接觸到微裝置。當探測器222移動停止時柔 性彈簧220允許PNP致動機構116可繼績移動而不會損壞 微裝置。因此，探測器222能夠順應地移動。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

*!11!! 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 91610 510150 A7 B7 五、發明說明（u ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 當探測器222伸出時，以可撓性的真空杯狀物140與 微裝置相接觸且此真空會將此微裝置緊握或保持在探測器 222而定位。要完成此拾取操作時，將氣動閥m之電磁 線圈斷電，氣動閥111之彈簧回復會釋放在汽缸室2 〇2内 之空氣以便使彈簧210將活塞204移動至，，上方，，之位置。 當活塞204向上移動，汽缸桿206亦向上移動且經由連接 _器216和滑扣環218使探測器222向上移動。當探測器222 移動至其’’上方，，位置時，準確器228憑藉在其中設置之傾 斜側壁229而能精確地將此微裝置對準。此微裝置通常為 盒狀的且準確器228將此盒子沿著該傾斜側壁229之長度 旋轉。如先前所述，供應閥121在正常狀況下是開啟的， 所以電力失效時，可利用真空杯狀物14〇保留此微裝置。 如熟習此方面技藝者所了解的，將依序致動氣動閥 111至114以便分別導致PNP致動機構u6至119依序拾 _取微裝置。值得注意的是假如以適當的間隔放置此四個 PNP致動機構Π6至119則亦可引動控制系統16〇以便使 PNP致動機構同時拾取微裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 灕 要放下或放置此微裝置時，即引動氣動閥11;1至114 而使PNP致動機構Π6至119向下伸出。舉例而言，當引 動氣動閥111時，可將空氣提供給埠口 212以便使活塞204 縮回汽缸桿206。此舉將強迫連接器216向下擠壓柔性彈 簧220而使致探測器222向下移動。 當探測器222向下移動時，會引動供應閥121之電磁 線圈以便關斷且釋放在空氣喷射器125内之任何氣壓而將 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 91610 510150 五、發明說明（12 ) 瞬間引動真空消除閥1 5 〇以便接批*， M便叙供空氣脈衝給真空杯狀物 140而產生一股可將微裝置禮竇纆访 衣置雒貫釋放之空氣衝擊。然後氣 動閥111之電磁線圈即失能而蔣*洛 闽ί穴此阳胼工虱經由埠口釋放而使探 測器222回復至其，，上方”之位置。 本發明亦包含有用於引動支撐機構(未顯示)之插座致 動機構（socket aetuator)l〇8，俾在由探測器222釋放微裝 置之後此機構108可保持此微裝置在下方位置。因此，引 動氣動閥115而將插座致動機構ι〇8。 熟習此方面技藝者而言很明顯地可知由吸取式過濾器 135至138清除此系統之有害物質，而以排氣消音器13() 至133使此系統免於太大的雜音。 並且’熟習此方面技藝者而言很明顯地可知雖然在此 已顯示各種閥，但是各種不同之分岐管與閥或其組合均有 可能達成本發明所顯示之目的。再者，亦可使用不同程序 提供和移除空氣。 以上以特定的最佳模式描述本發明，熟習此方面技藝 者而言很明顯地可知可依據前述之說明對本發明進行置 換、修改和改變是可了解的，因此，希望能包含涵蓋在所 附之申請專利範圍之精神和目的内之所有置換、修改和改 變’在此所提出或在相關圖示中所顯示之事項均只是示範 用而非限制用。 (請洗閱讀背面之注意事項本頁) · -_線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 12 91610

Claims (1)

1. 510150 m Μ 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 製 A8 B8 €8 D8 六、申請專利範圍 L 一種拾放系統，係可連接至電源且可操作微裝置之拾放 系統，包含： 拾放單元[106]，此拾放單元包括： 致動機構[116]，具有第一正常位置且對應於至電 源之連接而移動至拾取位置； 連接器[216]，連接至致動機構[116];以及 探測器[222] ’其具有第一正常位置且連接至連接 器[216]以便對應於引動機構[U 6]而順應地移動至拾取 位置，此探測器[222]對應於與電源之連接而可釋放所 保持之微裝置；而且 第一閥[111]，連接至致動機構[116]而能產生將電 源與致動機構連接之引動動作； 第一閥[121]’連接至探測|§[ 222]而能產生將電源 移離探測器[222]之引動動作，以及 系統控制[104]，可連接至電源和第一和第二間 [111’ 121]用於選擇性地引動第一和第二閥[ui，121]。 2·如申請專利範圍第1項之拾放系統，其包含： 第三閥[151]，連接至系統控制[1〇4]和電源以使探 測器[222]確實釋放微裝置。 3 ·如申請專利範圍第1項之拾放系統，包含·· 第三閥[151]，連接至系統控制[1〇4]和電源以使探 測器[222]可確實釋放微裝置；以及 針形閥[1 5 5]’設置在真空消除閥和探測器[222]之 間以控制釋放動作。 -------------裝-------訂---------線 (請讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13 91610 510150 a

   六、申請專利範圍 4·如申請專利範圍第丨項之拾放系統，包含： 噴射器[125]，設置在第二閥[121]和探測器[2 22] 之間以提供真空至探測器[222]以便保持微裝置。 5·如申請專利範圍第1項之拾放系統，包含： 喷射器[125]，其設置在第二閥[121]和探測器[222] 之間以提供真空至探測器[222]以便保持微裝置；以及 過濾器[135]，設置在喷射器[125]和探測器[222] 之間。 6.如申請專利範圍第1項之拾放系統，包含： 喷射器[I25]，設置在第二閥[121]和探測器卩22] 之間以提供真空至探測器[222]以便保持微裝置；以及 真空開關[145]，以可操作之方式連接至喷射器 [125]以提供在其中所產生之真空的指示。 7 ·如申請專利範圍第1項之拾放系統，包含·· 準確器[228]，設置在探測器[222]上，將微裝置以 相對應於探測器[222]精確地對準。 8·如申請專利範圍第1項之拾放系統，其中： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該探測器[222]是中空且其中一端可連接至電源而 在另一端具有可撓性杯狀物140以便保持微裝置並且 可釋放該微裝置。 9·如申請專利範圍第1項之拾放系統，包含有： 柔性彈簧[220]，係連接設置於連接器[2 16]和探測 器[222]之間以便可使探測器[222]以相對應於連接器 [2 16]順應地移動；以及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 14 91610 510150 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 彈簧[210]，係設置於致動機構[11 6]中以便將致動 機構[116]移動至第一正常位置。 10·如申請專利範圍第1項之拾放系統，包含有： 主體[200]，包含致動機構[116]和探測器[222]，該 主體[200]允許致動機構[116]和探測器[222]平行移 動0 ------------------裝· —— (請^iS讀背面之注意事項再填寫本頁) · .線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 15 91610