WO2002071826A1 - Aufsetzkraft-erfassungseinrichtung für bestückvorrichtungen - Google Patents

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Rainer DÜBEL
Stefan Friesenhan
Michael Winkens
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    • H05K13/08—Monitoring manufacture of assemblages
    • H05K13/081—Integration of optical monitoring devices in assembly lines; Processes using optical monitoring devices specially adapted for controlling devices or machines in assembly lines
    • H05K13/0815—Controlling of component placement on the substrate during or after manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a placement force detection device for placement devices for placing components on substrates.
  • the movable part of the measuring system by means of which the placement force can be determined, has very large masses, which falsify the measurement result and lead to excessive stress on the components.
  • the measuring system for detecting the placement force has a large distance from the point at which the component is to be fitted, as a result of which many components are involved in the measurement of the placement force or have to be moved to measure the placement force .
  • the invention has for its object a placement force
  • Specify detection device by means of which the placement force of a component on a substrate can be specified more reliably and more precisely.
  • the invention provides a placement force detection device for placement devices for placing components on substrates, which has a holder, a component gripper held by the holder for gripping the components, and a force sensor coupled to the holder and the component gripper for measuring Has forces that act on the component gripper in an insertion direction.
  • the force sensor is arranged between the holder and the component gripper. As a result, the force sensor can detect forces in the fitting direction without disturbing vibrations.
  • only the component gripper is moved relative to the force sensor during the detection of the placement force of the component on the substrate.
  • the masses which have to be moved in the fitting direction to measure the placement force are therefore very small.
  • the component gripper can be held on the holder such that it can move in the fitting direction, and a spring with a progressive spring constant coupled to the force sensor can be arranged before or after the force sensor in the fitting direction between the holder and the component gripper.
  • the component gripper arranged on the holder is moved towards the substrate, for example by means of a drive coupled to the holder, until it has been detected by the force sensor that the predetermined placement force has been reached.
  • the drive is switched off when the predetermined force is detected by the force sensor.
  • the component gripper can, for example, be held on the holder directly by the spring and the force sensor. An additional guidance of the component gripper on the holder is not necessary here. Faults in the measurement result of the placement force detection device, for example due to bearing forces of a mounting of the component gripper on the holder, do not occur.
  • the holder can also have a suction channel for conducting a vacuum on the component gripper. This makes it possible to use a vacuum pipette as a component gripper.
  • Vacuum pipettes of this type can be designed very easily, as a result of which the masses to be moved when measuring the placement force are very small. This ensures a high level of measurement accuracy. It also prevents components from being damaged due to large moving masses and their inertia.
  • the component gripper can be removably arranged on the holder. This ensures that the appropriate component gripper can be used for different components.
  • the force sensor can be a strain gauge and / or a piezoceramic force sensor. With such sensors, the application force can be detected directly as the voltage applied to the piezoceramic force sensor or as a change in resistance of the strain gauge.
  • the spring constant does not have to be taken into account in order to detect the force, since the force sensor converts the contact force directly into an electrical measurement variable corresponding to the force.
  • the spring can, for example, have a rubber-elastic material.
  • the holder can be hollow-cylindrical, the component gripper can be a vacuum pipette, and the force sensor and the spring can each be annular.
  • the spring has a cross section that tapers toward the component gripper.
  • the component gripper can, for example, be plugged onto the hollow cylindrical holder or onto the force sensor or the spring. This enables a compact arrangement of the placement force detection device according to the invention with wrestle with moving masses to determine the contact force.
  • FIG. 1 shows a section of a preferred embodiment of the invention.
  • a placement force detection device 100 has a component gripper 110 in the form of a vacuum pipette.
  • the vacuum pipette 110 is provided with an opening 115 at its end facing the substrate 400. If vacuum is applied to the vacuum pipette 110, a component 300 can be sucked into the opening 115 and held there by vacuum.
  • the vacuum pipette 110 is arranged on a holder 130, for example plugged onto the holder, and fastened to the holder 130 by means of a sealing ring 120, which also serves as a damping material.
  • the holder 130 is provided with a suction channel 200.
  • the holder 130 has a hollow cylindrical shape and the suction channel 200 leads through the hollow cylinder.
  • a stop 135 is also provided on the holder 130.
  • the stop 135 is designed, for example, as an annular stop which protrudes radially from the hollow cylindrical holder 130.
  • a force sensor 140 for example in the form of an annular piezoceramic force transducer, is provided on the surface of the stop 135 facing the vacuum pipette 110.
  • a spring 150 is attached to the force sensor 140, which is, for example, an annular elastomer or rubber spring, which has a triangular cross section, which tapers towards the vacuum pipette 110.
  • the vacuum pipette 110 is displaceably arranged on the holder 130 relative to the holder 130 in the loading direction B, in the figure the direction perpendicular to the substrate.
  • the holder 130 can be displaced in the populating direction, so that the vacuum pipette can be moved in the populating direction B relative to the substrate 400.
  • the spring constant of the spring 150 can, for example, be progressive in order to create a large spectrum for possible contact forces with a relatively small total spring travel.
  • the detection of the placement force by the force sensor 140 is not dependent on the spring constant of the spring 150, since the force sensor 140 is arranged in the force flow of the placement force in the fitting direction. This enables a direct measurement of the placement force by the force sensor 140.
  • the arrangement of the force sensor 140 according to the invention in the flow of force of the placement force of the component 300 onto the substrate 400 ensures that both very low placement forces and very large placement forces can be detected exactly , because the mass to be moved during the measurement, the vacuum pipette 110, is very small.

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Abstract

Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung für Bestückvorrichtungen zum Bestücken von Bauelementen (300) auf Substrate (400). Ein Bauelement-Greifer (110) ist an einem Halter (130) angeordnet. Ein Kraftsensor (140) ist zwischen dem Halter (130) und dem Bauelement-Greifer (110) angeordnet, so dass von dem Kraftsensor (140) die Aufsetzkraft, mit welcher das Bauelement (300) auf das Substrat (400) aufgesetzt wird, direkt erfassbar ist. Durch sehr geringe bewegte Massen wird eine hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit der Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung erreicht. Durch Vorsehen einer Feder (150) im Kraftfluss zwischen dem Bauelement-Greifer (110) und dem Halter (130) kann die Genauigkeit noch weiter gesteigert werden.

Description

Beschreibung
Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung für Bestückvorrichtungen
Die Erfindung betrifft eine Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung für Bestückvorrichtungen zum Bestücken von Bauelementen auf Substrate.
Beim Bestücken von Bauelementen auf Substrate mittels Be- stückautomaten, welche Bestückvorrichtungen aufweisen, besteht das Problem, dass die Bauelemente mit einer vorbestimmten Kraft auf das Substrat aufgesetzt werden sollen. Andernfalls besteht die Gefahr, die Bauelemente und/oder das Substrat zu beschädigen. Durch den starken Trend zur fortschrei- tenden Miniaturisierung der Bauelemente ist eine immer höhere Genauigkeit bei der Vorbestimmung der Aufsetzkraft der Bauelemente auf die Substrate erforderlich.
In der Vergangenheit wurde beispielsweise nach der DE 19612391 versucht, einen Bauelement-Greifer, mittels welchem die Bauelemente aus einem Gebinde aufgenommen und auf einem Substrat abgesetzt werden können, gegenüber einem Halter, an welchem der Bauelement-Greifer gehalten ist, federnd zu lagern. Hierzu wurde eine Feder mit linearer Federkonstante verwendet. Durch Festlegen des Federweges war es möglich, eine bestimmte Aufsetzkraft für das Bauelement auf das Substrat festzulegen.
Es ist auch versucht worden, beispielsweise nach der US 5,420,488, ein induktives oder kapazitives WegemessSystem zwischen einem Gehäuse, einer Bestückvorrichtung und einem Halter für einen Bauelement-Greifer anzuordnen, und den Halter relativ zu dem Gehäuse in der Bestückrichtung federnd zu lagern. Hierbei ist es durch Auswerten der von dem kapaziti- ven oder induktiven WegemessSystem lieferten Wegeinformation zusammen mit der Information über die Federkonstante der Feder, mittels welcher der Halter relativ zu dem Gehäuse der Bestückvorrichtung gelagert ist, möglich, die Kraft zu bestimmen, mittels welcher das Bauelement auf das Substrat aufgesetzt wird.
Bei den bekannten Vorschlägen besteht jedoch der Nachteil, dass der bewegliche Teil des Messsystems, mittels welchem die Aufsetzkraft ermittelbar ist, sehr große Massen aufweist, welche das Messergebnis verfälschen und zu einer zu hohen Belastung der Bauelemente führen. Dies ist darauf zurückzufüh- ren, dass das Messsystem zum Erfassen der Aufsetzkraft von der Stelle, an welcher das Bauelement bestückt werden soll, großen Abstand hat, wodurch viele Komponenten an der Messung der Aufsetzkraft beteiligt sind, bzw. zum Messen der Aufsetzkraft bewegt werden müssen. Durch die großen bewegten Massen und die Vielzahl der beteiligten Komponenten, wie beispielsweise Druckleitungen, Kabel, etc., ergeben sich auch Schwingungsprobleme, welche die Genauigkeit verringern, mittels welcher die Aufsetzkraft erfasst werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufsetzkraft-
Erfassungseinrichtung anzugeben, mittels welcher die Aufsetzkraft eines Bauelements auf ein Substrat zuverlässiger und genauer angegeben werden kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beansprucht .
Durch die Erfindung wird eine Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung für Bestückvorrichtungen zum Bestücken von Bauelementen auf Substrate geschaffen, welche einen Halter, einen von dem Halter gehaltenen Bauelement-Greifer zum Greifen der Bauelemente, und einen mit dem Halter und dem Bauelement-Greifer gekoppelten Kraftsensor zum Messen von Kräften aufweist, die auf den Bauelement-Greifer in einer Bestückrichtung wirken. Der Kraftsensor ist erfindungsgemäß zwischen dem Halter und dem Bauelement-Greifer angeordnet. Dadurch sind von dem Kraftsensor Kräfte in der Bestückrichtung ohne störende Schwingungen erfassbar. Außerdem wird relativ zu dem Kraftsensor lediglich der Bauelement-Greifer während des Erfassens der Aufsetzkraft des Bauelements auf das Substrat bewegt .
Somit sind erfindungsgemäß die Massen, welche in der Bestück- richtung zum Messen der Aufsetzkraft bewegt werden müssen, sehr gering.
Der Bauelement-Greifer kann in der Bestückrichtung bewegbar an dem Halter gehalten sein und zwischen dem Halter und dem Bauelement-Greifer kann eine mit dem Kraftsensor gekoppelte Feder mit progressiver Federkonstante in der Bestückrichtung vor oder nach dem Kraftsensor angeordnet sein. Durch Vorsehen der Feder an dem Kraftsensor und bewegliches Halten des Bauelement-Greifers an dem Halter ist es möglich, bei geringen Federwegen stark unterschiedliche Aufsetzkräfte für verschiedene Bauelemente auf die Substrate einzustellen.
Hierbei wird der an dem Halter angeordnete Bauelement-Greifer auf das Substrat zu bewegt, beispielsweise mittels eines mit dem Halter gekoppelten Antriebs, bis durch den Kraftsensor erfasst wurde, dass die vorbestimmte Aufsetzkraft erreicht worden ist. Auf das Erfassen der vorbestimmten Kraft durch den Kraftsensor wird der Antrieb abgeschaltet. Der Bauelement-Greifer kann beispielsweise direkt von der Feder und dem Kraftsensor an dem Halter gehalten sein. Hierbei ist eine zusätzliche Führung des Bauelement-Greifers an dem Halter nicht erforderlich. Störungen des Messergebnisses der Aufsetzkraft- Erfassungseinrichtung, beispielsweise durch Lagerkräfte einer Lagerung des Bauelement-Greifers an dem Halter, treten nicht auf. Der Halter kann auch einen Saugkanal zum Leiten eines Vakuums an dem Bauelement-Greifer aufweisen. Hierdurch ist es möglich, eine Vakuumpipette, als Bauelement-Greifer zu verwenden. Derartige Vakuum-Pipetten können sehr leicht ausgebildet werden, wodurch die bei der Messung der Aufsetzkraft zu bewegenden Massen sehr gering sind. Hierdurch wird eine hohe Messgenauigkeit erreicht. Außerdem wird vermieden, dass Bauelemente aufgrund großer bewegter Massen und deren Massenträgheit beschädigt werden.
Der Bauelement-Greifer kann abnehmbar an dem Halter angeordnet sein. Hierdurch wird erreicht, dass für unterschiedliche Bauelemente jeweils der geeignete Bauelement-Greifer verwendet werden kann.
Der Kraftsensor kann ein Dehnungsmessstreifen und/oder ein piezokeramischer Kraftsensor sein. Mit derartigen Sensoren kann die Aufsetzkraft direkt als an dem piezokeramischen Kraftsensor anliegende Spannung bzw. als Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens erfasst werden. Die Federkonstante muss hierbei zum Erfassen der Kraft nicht berücksichtigt werden, da von dem Kraftsensor die Aufsetzkraft direkt in eine der Kraft entsprechende elektrische Messgröße umgewandelt wird.
Die Feder kann beispielsweise ein gummielastisches Material aufweisen. Ferner kann der Halter hohlzylinderförmig ausgebildet sein, der Bauelement-Greifer kann eine Vakuumpipette sein, und der Kraftsensor und die Feder können jeweils ring- förmig ausgebildet sein. Beispielsweise weist die Feder einen sich zu dem Bauelement-Greifer hin verjüngenden Querschnitt auf .
Der Bauelement-Greifer kann beispielsweise auf den hohlzylin- derförmigen Halter oder auf den Kraftsensor oder die Feder aufsteckbar sein. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung der Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach der Erfindung bei ge- ringen zu bewegenden Massen für das Bestimmen der Aufsetzkraft.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert . In der Zeichnung zeigt :
Figur 1 einen Schnitt einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung.
Aus Figur 1 ist eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung ersichtlich. Eine Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung 100 weist einen Bauelement-Greifer 110 in Form einer Vakuumpipette auf. An ihrem dem Substrat 400 zugewandten Ende ist die Vakuumpipette 110 mit einer Öffnung 115 versehen. Wird die Vakuumpipette 110 mit Vakuum beaufschlagt, so kann an die Öffnung 115 ein Bauelement 300 angesaugt und durch Vakuum daran gehalten werden. Die Vakuumpipette 110 ist an einem Halter 130 angeordnet, beispielsweise auf den Halter aufgesteckt und mittels eines Dichtrings 120, welcher auch als Dämpfungsmaterial dient, an dem Halter 130 befestigt.
Der Halter 130 ist mit einem Saugkanal 200 versehen. Der Halter 130 ist hohlzylinderförmig ausgebildet und der Saugkanal 200 führt durch den Hohlzylinder hindurch.
An dem Halter 130 ist ferner ein Anschlag 135 vorgesehen. Der Anschlag 135 ist beispielsweise als ringförmiger Anschlag ausgebildet, welcher von hohlzylinderförmigen Halter 130 radial vorsteht. An der der Vakuumpipette 110 zugewandten Ober- fläche des Anschlags 135 ist ein Kraftsensor 140, beispielsweise in Form eines ringförmigen piezokeramisehen Kraftaufnehmers vorgesehen. An dem Kraftsensor 140 ist eine Feder 150 angebracht, welche beispielsweise eine ringförmige Elastomeroder Gummifeder ist, die dreieckförmigen Querschnitt auf- weist, welcher sich zu der Vakuumpipette 110 hin verjüngt. Die Vakuumpipette 110 ist relativ zu dem Halter 130 in der Bestückrichtung B, in der Figur die relativ zu dem Substrat senkrechte Richtung, verschiebbar an dem Halter 130 angeordnet. Zum Bestücken des Bauelements 300 ist der Halter 130 in der Bestückrichtung verschiebbar, so dass die Vakuumpipette in der Bestückrichtung B relativ zu dem Substrat 400 bewegbar ist. Durch unterschiedlich weites Bewegen der Vakuumpipette beim Aufsetzen des Bauelements 300 auf das Substrat 400 in der Bestückrichtung B , d.h. durch unterschiedlich starkes Einfedern der Feder 150, ist es möglich, unterschiedlich große Aufsetzkräfte für unterschiedliche Bauelemente 300 vorzusehen.
Die Federkonstante der Feder 150 kann beispielsweise progres- siv verlaufen, um ein großes Spektrum für mögliche Aufsetzkräfte bei verhältnismäßig geringem Gesamtfederweg zu schaffen.
Das Erfassen der Aufsetzkraft durch den Kraftsensor 140 ist erfindungsgemäß nicht von der Federkonstante der Feder 150 abhängig, da der Kraftsensor 140 im Kraftfluss der Aufsetzkraft in der Bestückrichtung angeordnet ist. Dies ermöglicht ein direktes Messen der Aufsetzkraft durch den Kraftsensor 140. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kraftsensors 140 im Kraftfluss der Aufsetzkraft des Bauelements 300 auf das Substrat 400 wird erreicht, dass sowohl sehr geringe Auf- setzkräfte, wie auch sehr große Aufsetzkräfte exakt erfasst werden können, da die bei der Messung zu bewegende Masse, die Vakuumpipette 110, sehr gering ist.

Claims

Patentansprüche :
1. Aufsetzkraf -Erfassungseinrichtung für Bestückvorrichtungen zum Bestücken von Bauelementen (300) auf Substrate (400) , die Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung mit
• einem Halter (130) ,
• einem an dem Halter (130) gehaltenen Bauelement-Greifer (110) zum Greifen der Bauelemente (300) , und
• einem mit dem Halter (130) und dem Bauelement-Greifer (110) gekoppelten Kraftsensor (140) zum Messen von Kräften, die auf den Bauelement-Greifer (110) in einer Bestückrichtung (B) wirken, dadurch gekennzeichnet, dass
• der Kraftsensor (140) zwischen dem Halter (130) und dem Bauelement-Greifer (110) angeordnet ist, wobei von dem Kraftsensor (140) Kräfte in der Bestückrichtung (B) erfassbar sind.
2. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der Bauelement-Greifer (110) in der Bestückrichtung (B) bewegbar an dem Halter (130) gehalten ist, und
• zwischen dem Halter (130) und dem Bauelement-Greifer (110) eine mit dem Kraftsensor (140) gekoppelte Feder (150) mit progressiver Federkonstante in der Bestückrichtung (B) vor oder nach dem Kraftsensor (140) angeordnet ist.
3. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (130) mittels eines Antriebs in der Bestückrichtung (B) bewegbar ist und auf das Erfassen einer vorbestimmten Kraft durch den Kraftsensor (140) der Antrieb abschaltbar ist.
4. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass • der Bauelement-Greifer (110) von der Feder (150) und dem Kraftsensor (140) an dem Halter (130) gehalten ist.
5. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (130) einen Saugkanal
(135) zum Leiten eines Vakuums an den Bauelement-Greifer (110) aufweist.
6. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung, nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauelement-Greifer (110) abnehmbar an dem Halter (130) angeordnet ist.
7. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftsensor (140) einen Dehnungsmessstreifen und/oder einen piezokeramischen Kraftsensor aufweist.
8. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (150) ein gummielastisches Material aufweist.
9. Aufsetzkraft-Erfassungseinrichtung nach einem der Ansprü- ehe 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter (130) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, der Kraftsensor (140) ringförmig ausgebildet ist, und die Feder (150) ringförmig mit sich zu dem Bauelement-Greifer (110) hin verjüngenden Querschnitt ausgebildet ist.
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