TW561806B - System and method for rapid alignment and accurate placement of electronic components on a printed circuit board - Google Patents

Description

561806 ο 玖、發明說明 USf敌明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 本夂月關於光卞定位系統’特別是自印刷電路板處放置 或移除積體電路晶片之加熱氣體焊接/分離系統。 、 發明背景 現今電子組件之製造通常包括連接電子組件，例如積體 電路連接至印刷電路板’其先將積體電路定位在印刷電4 φ 板上所需位置，之後利用加熱氣體焊接，此定位及焊接操 作至少基於下列原因而需精確的控制。 積體電路晶片包括微小球狀物陣列或焊料列，其自晶片 背面及/或微小導線處向下伸展，該導線自晶片周邊處向下 伸展。這些球狀物、焊料列或導線須準確的定位，以便位 於印刷電路板上接觸區域中。當持續發展更進步之積體電 路4，更大量之球狀物/導線將自連續之積體電路處伸展， 故陣列中連續球狀物/導線之間的間距逐漸縮小。 如吾人所知，當發展體積較小且較複雜之陣列時，其更 _ 不易將積體電路晶片準確的定位在印刷電路板上，例如現 今積體電路晶片之球狀物陣列尺寸小到丨mm2，此球狀物陣 列之"節距"（即相鄰焊料球狀物之間的距離）尺寸為〇 3爪爪 一 ，故由於陣列中個別球狀物之微小尺寸，其需要一系統將 積體電路晶片準確的定位在印刷電路板上所需位置，該系 - 統可相當精確的控制微小動作。 此外’當積體電路晶片焊接至定位時亦需要正確的控制 ’特別是晶片球狀物陣列需有均勻之溫度，以便將陣列所 (2) (2)561806 發萌說明績賀 :之球狀物焊接至電路板上對應之接觸區域'然而，印刷 包路板上所需組件之加熱不應對相鄰之電子組件造成過埶 ^寺別η目鄰電子組件之過熱使焊料回流，其可能造成部 刀球狀物或導線無法連通。 因此’吾人所需之系統可將電路板較大區域之溫度均勾 上升至僅低於燁接熱融之溫度’之後在電子組件^位之情 況下局部加熱使球狀物或導線溫度上升至僅低於焊接轨融 ♦之溫度。此方法將晶片之溫度梯度降至最低，㈣保持相 郝組件之溫度低於焊料熱融/回流之溫度。 千目前有兩種基本型式之定位系、统，第一種系統中之印刷 電路板保持在定位，且工具頭部（包括加熱氣體焊接頭部） ^動定位在印刷電路板上-較佳位置，之後卫具頭部所固 疋之積體電路晶片（或其他電子組件）下降至電路板上。 這些既有之自動定位系統一缺點為其上方之定位系統 (即其可移動之工具頭部總成）體積較大且笨重，其原因為 工具頭部總成通常藉由小型馬達驅動軸桿所驅動，該軸桿 將工具頭部定位。由於體積較大且笨重，該上方定位产、統 具有較大之慣性以及易於過度振動，其不易完成對齊之動 作。 這些缺點至少部份之成因為系統中電子組件相對於印刷 電路板之”初步”及”細微”定位係藉由固定電路板上方工呈 頭部連續之，，初步”及，，細微”定位所完成，此方法_問題為 定位工具頭部之機構會振動’在對齊之前需要時間使振動 消失’否則對齊效果不佳。此外，操作人員可能碰觸到定 (3) 561806

位頭部’其產生之振動足以造成對齊之問題或延遲。 U二種型式之既有系統中’定位工具頭部保持在定位 二刷電路板在其下方移動。此系統-缺點為電路板；: =的=二原因為系統之預熱器位於平台下方固定: 支撐者可移動之印刷電路板。因此，當、 =平台在組件定位過程中移動時’不同之組件承受不二 度之預熱，使電路板不均勻之加熱。 王 第二種型式之系統另一缺點亦為體積較大且笨重 因為各種組件定位時，支撐著印刷電路板之組件平台在二 具頭部下方需移動較大之距離’故較大之 位組件在電路板上。 攸而疋 發明概述 在較佳之概念中’本發明之系統用以相對於一组件平么 定位一工具頭部’且包括：一機架；一工具頭#，兑連： 至機架且可在X及Y方向中相對於機架定位調整；一組件平 台:其連接至機架且可在XAY方向中相對於機架定位調整 ，興一光學系統，其可同時觀視工具頭部及組件平台。 :同4觀視工具頭部及組件平台之光學系統能夠將工具 頭部準確的定位在組件平台上方所需位置處，故工具頭部 位置下降使電子組件（由工具頭部所支撐）定位在印刷電路 板（由組件平台所支撐）上所需之正確位置。 根據本發明，此處所述之，，組件平台’，係指電子”板支撐件，， 或"滑座”，惟本發明未限定於此，所示之電子組件平台包 含任何形式之組件定位平台。 0 ^ (4) (4)561806 發明說稱繽賀 在本發明各種較佳概念中，工具頭部可為加熱氣體焊接/ 分離工具，其亦包含任何其他形式之組件定位頭部。在本 發明不同之概念中，組件平台宜包括一印刷電路板，惟本 發明未限定於此。其他可能之自動對齊用途皆適用，例如 工具可包括焊料黏土施配器、黏著劑/焊料黏土施配系統、 印刷頭部或任何其他用以在一表面上放置固體、液體或凝 膠物之系統。 在一最佳概念中，工具頭部及組件平台皆可手動在χ&γ 方向中定位’如本文所㉛，本發明—重要優點係在未使用 小型步進馬達定位系統之情況下工具頭部能夠在X及Υ方 ,向中相對於組件平台（即，，板支撐件”）非常準確的定位（即 對齊）。因此’工具頭部及組件平台之簡單操作即可快速 内父 心中’工具頭部可在X及υ方向中滑動定位。在 -最佳概念中，第一對定位桿位於機架相對側邊處，定位 臂部可沿著第一對定^ 士曰 # 一， 衿中一疋位桿在υ方向中滑動定位 。第一對定位桿亦位加 ^ :木上’弟二對定位桿與定位臂部 之間的距離使工具頭部 Γ，口考弟一對疋位桿在X方向中滑 動定位。因此，Μ Α太a / _ 曰 疋位’部之間沿著第二對定位桿將 工具頭部自側邊移動至伽名 忏 . 1邊，以及沿著第一對定位桿將定 位臂部來回移動，1 、在x及y方向中手動調整工具頭部之 位置。吾人知悉此最佳 ^ -r y- V « ^ ^ 具頭部定位系統僅係範例，任 何可在X及γ方向中宁 之範疇中。 工/、頭部之適當系統皆在本發明 (5) 561806

同樣的’在-最佳概念中’藉由手動旋 桿而移動組件平台，且组 之& °可在X&Y方向中手動定位 概念中，步進馬達使工具頭部在Ζ方向中移動。 二力ΓΓ動之線性轴承(即桿及軸承總成)沿著 且在本發明之!Ί ㈣吾之疋位糸統皆適用 靶命中，例如本發明可選擇性 部定位以及定位劈邱甘及“ ，、頭 ^ 〇，其仏利用小型馬達所驅動之定位蟫 才干。 ’丁、 =’雖然用以調整組件平台位置之機構包括手動旋 螺桿使組件平台手動移動，惟本發明可選擇性 、 卜尘馬達所驅動之定位螺桿將組件平台定位。 且St部及、組件平台可分別定位之重要優點為先移動工 對齊。〃初步"對齊’之後藉由移動組件平台完成，，細微，， ，作之最㈣、統中’工具頭部之移動（此時組件平台保 一貞1?止）可完成”初步"對齊，之後組件平台之移動（此時工呈 1、:卩保持靜止）可完成”細微”對齊。此藉由組件平台移動產 其一疋位對齊之乐統特別適用於將振動影響降至最低 呷2过明如下。首先，照相機固定至工具頭部，故工具頭 ^彳何振動將在影像中造成振動，因此，在"初步"對齊 L 2具頭部停止移動以及避免工具頭部上形成，，細微，，定位 s居J果文 .. 、 工具頭部較不易振動。在較佳概念中，小型步進 馬達僅> 士、-r g k成工具頭部Z方向之移動，因此當組件最終在組件 平台卜 A 、 疋位日寸，彳呆作人員無需手動使工具頭部定位（以及振 -10 - 561806 動）。 其次，較大可移動之組件平台之振動可能性低於較小之 工具頭部，此減少振動之結果使其易於藉由組件平台之移 動執行”細微”定位調整。在較佳概念中，組件平台能夠手 動定位，其一特別之優點為機械構造之簡化，使裝置之尺 寸變小及複雜性降低。

吾人瞭解雖然本發明t含工具頭部自_位系统以及系 件平台手動定位系統之範例，惟本發明亦包括工具頭部2 組件平台皆自動定位之系統。

工具頭部宜手動完成，，初步"定位移動，特別是工具頭名 之手動定位調整係在X及Y方向中沿著線性，，桿"軸承滑售 工具頭部’其說明如下。在較佳概念中，一操作人員壓才 第-按紐使工具頭部可在X方向中移動（側&至側旬，之名 手動拖著工具頭部在X方向中移動。同樣的，操作人員肩 按第二按鈕鬆開定位臂部，故工具頭部可在γ方向中移賃 (來回移動）’之後手動拖著工具頭部在χ方向中移動。因士 ’工具頭部在X方向令以及垂直丫方向中移至所需位置。』 具頭部在X及Υ方向中選擇性手動移動之優點為 η "初步"對齊。 、 之後，個別之垂直定位螺桿可用以在χ&γ方肖中 調整組件平台之位置。 、Λ 根據本發明一較佳概念，電子組件與組件平台之間的”右 步”定位對齊係先移動丄具頭部（此時組件平台保持靜止 -11 - 沁 1806 ⑺ 議___ 矛夕動、，且件平口力口 α完成（此時工具頭部保持靜止）。 在執行工具頭部及組件平台之一續列動作時，吾人可利 ^光卞7、統觀祭工具頭部及組件平台之位置，光學系統 #曰由”、、員不工具碩部在組件平台上正確之位置而顯示工具頭 部及組件平台之對齊。 f車乂仏概心中’光學系統包括-可移動之照相機及光束

切割器總成’其滑動伸展使光束切割器直接位於工具頭部 及組件平台之間，且昭相擔 — 儿…、相機之位置猎由可移動之光束切割 器同時觀察工具頭部及組件平台。 本發明另提供-相對於組件平台對齊工具頭部位置之全 新方法’其中工具頭部及組件平台皆連接至-機架，且工 具頭部及組件平台皆可·名y β v 二 在X及γ方向中相對於機架個別定 位調整，該方法之步驟包括·去 匕枯·田組件平台保持在固定位置 時將工具頭部定位；盥後去 ^ 傻田工具頭部保持在固定位置時 將組件平台定位，同時可利 止風/ 丨j才」引用一先學系統觀察工具頭部及 組件平台之位置。

在較佳概念中，利用_本A么 “ 利用+學乐統同時觀察工具頭部及組 平σ之位置之步驟包括：在工呈纟旨# g。 /、頭邛及組件平台之間定 位一可移動之光束切割器；與 一日刀 、 Ά相機透過一光束切 吾J為力σ以觀察。 電路板上所需位置處 本發明一重要優點為其可在一印刷 準確的將積體電路晶片定位。 由於本發明光學系統可相對 時覲察積體電路晶片之正確移 於印刷電路板之實際移動同 動’故積體電路晶片能夠快 •12- (8) 561806 發萌__繽貨 速的定位。 藉由同時移動定位頭部，其用以支 組件平△，太旅日日、士、， 牙F方之電子組件及 ⑽：心’子組件總成所需之裝置尺寸。 冋樣的’ a由同時移動定位頭部 子組件及組件平台，本發明較易正確的置用 ::::::祭電子組件及組件平台之移動，本發 之π、、充犯夠在組件之間快速準確的對齊。 圖式概述 圖1Α為在置放組件之前本發 ^ . 收縮位置。 “之視圖’其中先學系統於 圖丨Β為在置放組件之前本發明之視圖，其中光學系統於 伸展位置。 、 收 圖ic為在置放組件時本發明之視圖，其中光學系統於 縮位置。 ' 圖2 Α為根據圖1Α之本發明側視圖。 圖2 B為根據圖1 β之本發明側視圖。 圖2 C為根據圖1 c之本發明側視圖。 圖3 Α為根據圖1Α及1 Β之本發明正視圖。 圖3 B為根據圖1 c之本發明正視圖。 較佳實例詳述 參見所附圖式，本發明提供一對齊系統10，其用以在_ 印刷電路板30或其他基層或襯墊上目標位置31處定位一電 子組件2 0。組件2 0藉由一真空管2 6加以固定’該真空管2 6 自可移動之工具頭部25處向下伸展。同樣的’印刷電路板 -13 - 561806 3 〇藉由一可移動之組件平台3 5加以固定。 對背系統1 0包括一機架1 5，工具頭部25及組件平台3 5皆 連接至機架1 5。根據本發明，工具頭部25及組件平台3 5皆 ， 可在X及Υ方向中分別定位。 白 在選擇性之較佳概念中，真空管26以其縱向軸線轉動， · 故可進一步使組件對電路板對齊（即組件2〇在定位之前可 旋轉至組件平台3 5上一較佳位置）。 電子組件20之積體電路晶片在其底邊或邊緣上具有球开》 · 焊料導線21陣列，惟電子組件2〇未限定為積體電路晶片， 其可包括任何種類之電子或非電子組件。此外，工具頭部 25具有一加熱氣體焊接/分離工具頭部，惟其亦未限定於此 且工具頭部25可包括任何種類之組件定位頭部或物質（即 凝膠/膠水）施配頭部。 根據本發明，電子組件20利用可縮回之光學系統40定位 於印刷電路板30上目標位置3丨，其說明如後。可縮回之光 學糸統40在，’後退，，或，，縮回"位置（如11 1Α及2Α所示）與"推 · 進或伸展”位置（如圖1B&2B所示）之間滑動。如圖2B所示 可縮回之光學系統4〇包括内部照相機42及光束切割器44 (以虛線顯示）。 · 如圖1 B及2B所示，開始在置放電子組件之前，光學系統 · 4〇位於"推進’’位置，此時照相機42藉由光束切割器44觀察 衫像’故其可同時看到電子組件2〇上之導線2 1及印刷電 路板j 0上之目標區域3 1。由於光學系統4〇位於，，推進，，位置 工具頭部25將在X及γ方向中移動，使電子組件2〇初步的 -14- 561806 定位'目標區域31，此動作包括了 "初步"定位。 =具頭部25在乂及丫方向中之人為移動係揭示於後。工且 頭Γ沿著桿27滑動定位，故工具頭部25可在X方向中;; 二干27侧邊至側邊滑動定位。同樣的，定位臂部μ可沿著 :2:移動而^向中之來回滑動定位，且工具頭部25在X 及γ方向中之移動包括工具頭部25及目標區域31之”初步" 如圖1麵示，操作人員壓按著按Μ 34使工具頭部25 可沿耆桿27移$ ’或壓按著按鈕37使定位臂部29可沿著桿 28移動，故藉由操作人員分別壓按著按鈕34及37,工具頭 ^ 25说夠分別在又或丫方向中定位（此時在另—方向中無法 移動）igjL具頭部先在乂方向中手動定位，之後在γ方向 中手動定位(反之亦然），本發明此特徵可進一步協助組件 之正確定位。 在工具頭部25定位後，組件平台35將在χ及γ方向中移動 ，使印刷電路板30精確的與組件2〇對齊，此動作包括"細微” 定位對齊。在較佳概念中，手動調整之旋鈕36及38用以轉 動細微定位螺桿，以便驅動組件平台35，例如旋鈕36使組 件平台35在X方向中移動，旋鈕38使組件平台”在丫方向中 移動。藉由旋鈕36及38轉動之定位螺桿包括"微米，，調整螺 才干，例如在杈佳概念中，該定位螺桿之適當節距範圍係每 英吋20至1〇〇轉，在本發明一具體實施例範例中，定位螺桿 之節距為每英吋48轉。該微米螺桿能夠在組件2〇及目標區 域3 1之間以手動方式準確的在又及丫方向中對齊，在本發明 一具體實施例範例中，組件平台3 5之尺寸足以處理尺寸為 -15 - 561806

>為達成精確之定位對齊，組件 印刷電路板30即可（特別是在正 (ΐ·) 8" χ 1〇”之印刷電路板3〇 平台3 5僅需小距離的移動 負1 / 4英叶之範圍内）。 如前文所述及㈣所示，照相機42利用光束切割器料產 生-影像’其同時顯示組件2〇及印刷電路板3〇之位置。在 組件20精碟的與印刷電路板3〇之目標區域31對齊定位後， 光學系統40將縮回（即”退回”至圖ίαμα所示之位置）。之 後，如圖1C及2C所示，工具頭部25下降（即在ζ方向中向下 移動），使組件20直接定位在印刷電路板3〇上。在較佳概冬 中’此向下移動受到步進馬達之控制而在2方向中精確的移 動。工具頭部25向下之正確移動確保組件2〇位於適當之高 度，故其導線21剛好碰觸到印刷電路板％。 田" 此壞繞著真空管26之加熱器24釋放加熱氣體對組件 20加熱，使其導線21陣列焊接在印刷電路㈣上目標區域 31中。此外，加熱氣體亦向上通過預熱器37(位於組件平台 35下方），故直接加熱印刷電路板30之底面。藉由預熱器37 =印刷包路板30底©加熱之優點為電路板可加熱至僅低於 焊料炫點之溫纟，因此僅少量之熱需藉由工具頭部25中加 ，器24自組件20處施加，使電子組件2〇焊接至定位。若未 藉立由組件平台35下方之預熱器37加熱，其需單獨利用工具 貝4 25¼加較多之熱量，惟其將增加電路板之熱衝擊造成 局部加熱’故需將電路板遮蓋住。 -16 -

Claims (1)

1. 561806 拾、申請專利範圍 1. 一種相對於一組件平台定位一工具頭部之系統，包括： 一機架； 一工具頭部，其連接至機架且可相對於機架在X及γ方 向中定位調整； 一組件平台，其連接至機架且可相對於機架在X及Y方 向中定位調整；與 台 一光學系統，其可定位而同時觀察工具頭部及組件平 2. 4. 根據申請專利範圍第w之系統，其中該工具頭部包括 一焊接/分離工具頭部。 根據申請專利範圍第丨項之系統，其中該工具頭部包括 一組件定位頭部。 統，其中該工具頭部包括 根據申請專利範圍第1項之系 一印刷頭部。 :據申請專利範圍第之系統，其中該組件平台包括 一印刷電路板支撐件。 根f申請專利範圍第丨項之系統，其另包括： ，一定位螺桿’其用以在χ方向中移動組件平台；與 第二定位螺桿，其用以在丫方向中移動組件平台。 艮〜申明專利範圍第6項之系統，其中該第一及第二定 位螺桿可手動調整。 ^ 2 π專利範圍第7項之糸統，其中該螺桿節距之範 圍k母英吋20至1〇〇轉。 -17- 561806 荆範鼷繽頁 9 · 根據申請專利銘m，tS 寻扣軏圍弟1項之系統，其另包括： 至少一定位桿，1右y ^ ^在X方向中移動工具頭部；鱼 主夕一疋位桿，直在YfA丄 、 10.根據方向中移動王具頭部。 申。,專利範圍第1項之系統，其另包括： 弟一定位桿，其連接至機架； :定位臂部’其可沿著第—定位桿滑動定位·盘

   二：定位桿，其連接至定位臂部，其中該工… /Q考第一定位桿滑動定位。 /、碩邛 η.㈣申請專利範圍第10項之系統，其中該定 方向中沿著第_定位桿滑動定位，以柯 在X方向中沿著第二定位桿滑動定位。 具項部 12. „專利冑圍第丨項之系統，其另包括： 1疋位桿，其連接至機架之相對側邊. :對定位臂部’其可沿著第一對定位桿之： ，·與 滑動定

   第二對定位桿’其在定位臂部之間伸 頭部可》m對定位桿滑動定位。 、中该工. a根據申請專利範圍第〖項之系統，其 一照相機；與 ％予糸統包括 一光束切割器，其滑動移至一位置 束切割器同時觀察工具頭部及組件平△。目機可耩由’ 14.=2利範圍第13項之系統，“該光束切謂 部可二頭部及組件平台之間一位置，故工具頭 夕至與組件平台相鄰之位置。 -18 - 561806 申讅專獅I騮績眞 15 16 根據申請專利範圍第丨項 一 e 爻不統，其另包括： 印刷電路板，其位於組件平台上。 種相對於一組件平台對 中哕工目 具頭部之位置之方法， 工1 , 白逑接至一機架，以及其中 工具碩部及組件平台皆 、T 別定位，…對於機架在方向中 疋位凋整，该方法之步驟包括： 當組件平台保持在一固 後 位置日才疋位工具頭部；與 當工具頭部在一固定位置時定位組件平台， :用-位於工具頭部及組件平台之間的光學系統同時 規务、工具頭部及組件平台之位置。 根據申請專利範圍第16項之方法，其中該卫具頭部定位 之步驟包括相對於機架在χ&γ方向中移動卫具頭部。 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該王具頭部 動定位。 根據申請專利範圍第16項之方法，其中該組件平台定位 之步驟包括相對於機架在乂及γ方向中移動組件平台。 根據申請專利範圍第19項之方法，其中該組件平台係手 動定位。 根據申請專利範圍第2〇項之方法，其中該組件平台藉由 轉動複數個可調整定位之螺桿加以定位。 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該利用一位於工 具頭部及組件平台之間的光學系統同時觀察工具頭部 及組件平台位置之步驟包括：

   17. 18. 19. 20. 21. 22.

   -19 - 561806 申講專刹範圍績頁 器；與 利用—照相機透過光束切割器加以觀察。 k㈣"請專利範圍第16項之系統，其中該工具頭部包♦ 焊接/分離工具頭部。 - 4 ·根據申請專利範圍第1 貝之不統，其中該工具頭部包才 一組件定位頭部。

   25.根據申請專利範圍第i ^ 負之糸統，其中該組件平台包4 一印刷電路板支撐件。 26· 一種相對於一组件平A R相 0疋位一工具頭部之系統，同時ί ，τ、相對於一組件平a 一 仵十〇之该工具頭部的對齊，且包括： 一手動可定位之工具頭部； 一手動可定位之組件平台；與 ”-種St統’其同時觀察工具頭部及組件平台之位置 .括種相對於-組件平台對齊工具頭部之位置之方法，i

   當組件平台保持在一 後 U疋位置時定位工具頭部；與二 當工具頭部在一 U疋位置時定位組件平台， 同時觀察工呈涵邮芬/iL ”頭4及組件平台之位置。 - ·根據申請專利範圍第27 件平卜 貞之方法，其巾^具頭部及# 丁卞σ白以手動定位。 -20 -