WO2006072532A1 - Verfahren zum bestücken eines bauelementeträgers - Google Patents

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WO2006072532A1
WO2006072532A1 PCT/EP2005/056669 EP2005056669W WO2006072532A1 WO 2006072532 A1 WO2006072532 A1 WO 2006072532A1 EP 2005056669 W EP2005056669 W EP 2005056669W WO 2006072532 A1 WO2006072532 A1 WO 2006072532A1
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WO
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component
holding device
component carrier
placement
suction pipette
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PCT/EP2005/056669
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günter SCHIEBEL
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/04Mounting of components, e.g. of leadless components
    • H05K13/0404Pick-and-place heads or apparatus, e.g. with jaws
    • H05K13/0408Incorporating a pick-up tool
    • H05K13/0409Sucking devices
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K13/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or adjusting assemblages of electric components
    • H05K13/04Mounting of components, e.g. of leadless components
    • H05K13/0404Pick-and-place heads or apparatus, e.g. with jaws
    • H05K13/0413Pick-and-place heads or apparatus, e.g. with jaws with orientation of the component while holding it; Drive mechanisms for gripping tools, e.g. lifting, lowering or turning of gripping tools

Definitions

  • the invention relates to a method for equipping a component carrier with components, in which the components to be loaded are transported by a component feeder by means of a placement head towards a placement area and placed on the component carrier at predetermined component slots.
  • SMT Surface Mount Technology
  • component carrier is understood to mean any type of substrate capable of mounting, in particular printed circuit boards.
  • component is to be understood as meaning all suitable elements, in particular two-pole or multi-pole SMT components or other highly integrated planar components such as, for example, ball grid arrays, bare dies and flip chips.
  • component also includes so-called. RFID chips, which are for so-called. Transponder can be used.
  • High placement speeds mean that, especially for small components, the mechanical stresses to which the component is exposed when placed on a component carrier, can become so large that the component is damaged.
  • the mechanical load of a component in a fast placement process is based on the fact that even a very gently operating placement head exerts a static placement force of at least 2 Newton when placed on the device. Even such a small placement force causes such a high contact pressure for small components, which have an edge length in the range of 0.5 mm, that mechanical damage to the component can not be reliably excluded.
  • placement performance in this context means the maximum number of components that can be equipped within a certain time unit.
  • Another problem in the conventional assembly of particular small components results from the unwanted deformation of material deposits, which are usually applied to the component pads and which serve the fixation and the permanent contact of the assembled components at the placement position.
  • the deformation of solder paste can lead to an unwanted short circuit between different pads or to an insufficient connection quality between the terminals of the component and component carrier. Since the deformation of material depots depends on the placement speed and the placement pressure of the pressed with a certain placement force in the material depot components, this problem occurs particularly strong in small components and will in the future with an expected further miniaturization of components is becoming increasingly important.
  • the invention has for its object to provide a method for populating a component carrier with components, which allows both a fast and a gentle assembly.
  • This object is achieved by a method having the features of independent claim 1.
  • a component is received by a holding device of a mounting head by means of a holding force exerted by the holding device on the component and subsequently from the placement head to a dispensing position above one on the component carrier provided component slot transported.
  • the dispensing position has a predetermined distance from the surface of the component carrier.
  • the holding force is switched off, so that the component separates from the holding device and is transferred to the component carrier.
  • the predetermined distance between the dispensing position and the surface of the component carrier depends on a plurality of process parameters, which is determined at the latest in the course of commissioning of a method implementing the inventive placement by suitable test equipment.
  • the distance depends on the size of the component to be assembled, since it must be ensured that tilting is prevented even in the event of uneven detachment of the component. In this way, it is ensured that the component reliably comes to rest with its intended underside on the component carrier to be loaded.
  • the invention is based on the finding that such quasi-contactless transfer of the component from the holding device to the component carrier enables both a quick and a j eloom the component gentle assembly and thus both an inexpensive production of electronic components and a low failure rate due to damage or badly equipped components.
  • the term contactless component transfer is to be understood that during the placement process, the device does not come into mechanical contact with the component carrier itself, which usually represents a very hard pad. This includes several possible delivery scenarios:
  • A) Discarding the component The dispensing position is located in this case so far above the pads of the relevant component slot that the device is discharged via the medium of air on the component carrier. This requires a more or less uniform detachment of the component from the holding device.
  • the throwing off can be done, for example, by gravity and / or magnetic or. mediates electrostatic forces of attraction resp. get supported .
  • the method according to claim 2 is realized in that the component initially moves at relatively high speed toward the component carrier and, at the predetermined distance from the surface of the component carrier, the movement of the holder is stopped as abruptly as possible.
  • the device is transferred to the device carrier at an initial speed corresponding to the movement of the holder just before the device is detached. In this case, however, it must be ensured that the stopping of the holding device takes place so abruptly that the component is not pressed uncontrollably into the material depot after it has been dispensed by a ringing of the holding device with high force.
  • a suction pipette is used as a holding device, which generates the holding force by means of a negative pressure.
  • the detachment of the component is assisted by an abrupt decoupling of the negative pressure and by a possible sudden coupling of an overpressure to the suction pipette.
  • Such a pneumatically assisted transfer of the component to the component carrier increases both the speed and the accuracy of the component transfer.
  • the pneumatic support of the component transfer can be realized in a simple manner, since the suction pipettes of some conventional placement machines are already provided with a switchable pneumatic device, which allow switching from a negative pressure to an overpressure. It should be noted that pneumatic switching operations are always subject to a certain inertia, so that a corresponding switching valve, which is usually spaced from the suction pipette, can be controlled before reaching the dispensing position.
  • the exact surface profile of the component carrier is measured by means of a distance sensor in the run-up to the assembly.
  • a distance sensor in the run-up to the assembly.
  • electromechanical see measuring probes which today have an accuracy of the order of l ⁇ m
  • optical distance sensors are used, which are clearly superior to the electromechanical calipers with respect to the measurement speed.
  • Suitable optical distance sensors are in particular sensors based on the measuring principle of laser triangulation, which determine the height profile by detecting the position of the target points of two laser beams which impinge on the surface to be measured from different directions of incidence.
  • the surface measurement of the component carrier can be effected in that either a distance sensor exhibiting semantically recognizable feature set above the component carrier and thus the surface profile is scanned or that the component carrier is positioned below a fixedfatnmeßsystems and moved so that at least at the intended component bays the altitude the surface of the device carrier is detected.
  • the method according to claim 5, wherein the surface profile is determined by an interpolation between discrete surface profile measured values, has the advantage that the surface measurement can be carried out quickly and nevertheless with high accuracy.
  • the time is detected by means of a trained as a distance switch confocal distance sensor, at which the device in the dispensing position is located.
  • a suitable confocal distance switch is disclosed, for example, in German Patent DE 101 45 167 C2.
  • This distance switch comprises an optical waveguide whose one end is coupled both to a transmitting unit for emitting light and to a receiving unit for receiving light. At the other end of the optical waveguide, an end surface is formed, which is thus adapted both for emitting and for receiving light.
  • the distance switch further comprises an imaging optics which images the optical waveguide end face onto a spatial switching area, as well as an output device which is coupled to the light receiver.
  • the output device is set up in such a way that a signal is emitted when an at least partially reflecting object moves into the switching region and thus light emitted by the optical waveguide end surface is reflected back onto the optical waveguide end face with a certain minimum intensity.
  • the optical waveguide end face and the optics of the distance switch on the placement head or. attached to the holding device and adjusted so that when lowering the holding device in the direction of the component carrier, the distance switch just then outputs a signal when the relatively located to the holding device in a fixed spatial position switching area strikes the surface of the device carrier.
  • the distance switch is adjusted so that it already outputs a signal when the device is located shortly before the dispensing position.
  • time delays can be taken into account and compensated accordingly, which are caused by an always present reaction time, in particular for the complete stopping of the holding device and for switching off the holding force.
  • the distance switch is preferably mounted relative to the placement head parallel to the surface of the component carrier to be loaded slidably. In this way it can be ensured that the switching range of the distance switch does not hit a random survey of the component carrier such as an already assembled component and thus at a completely wrong height position, a signal is output to the component delivery.
  • FIG. 1 shows a diagrammatic representation of the placement process of a component on a component carrier according to the prior art
  • FIG. 3 shows the velocity profile of a holding device when placing a device according to the prior art and dispensing a device according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows the measurement of the surface profile of a component carrier to be fitted.
  • the placement process of a component 160 on a printed circuit board 170 known from the prior art takes place in that a suction pipette 110 receiving the component 160 moves in the direction of the printed circuit board 170 at a speed v z indicated by the arrow becomes.
  • the component 160 is placed on a predetermined component slot, so that Connection contacts 161a or. 161b of the component 160 in material depots 172a resp. 172b are pressed.
  • the material depots 172a, 172b which on connection surfaces 171a and 172a.
  • the 171b of the printed circuit board 170 are applied, for example contain solder paste, so that after the assembly of the component 160 by a soldering process a permanent electrical contact between the terminal contact 171a and the pad 171a and between the terminal contact 161b and the pad 171b is guaranteed.
  • the component 160 is pressed more or less deeply into the material depots 172 a, 172 b from the time profile of the speed v z .
  • This usually leads to a subsequent malfunction of an electronic module formed on the printed circuit board 170, so that the relevant printed circuit board 170 can either be repaired or no longer used for the production of electronic equipment and must be disposed of as electronic scrap.
  • FIGS. 2a, 2b, 2c and 2d The virtually contactless loading according to an embodiment of the variant of the invention is shown in FIGS. 2a, 2b, 2c and 2d.
  • the contactless loading starts in that a component 260, which has two connection contacts 261 a resp. 261b, is held by a suction pipette 210 at a speed v z in the direction of a printed circuit board 270 to be loaded.
  • On the circuit board 270 are two pads
  • connection surface 271a resp. 271b is a solder depot 272a resp. Plotted 272b, which in a known manner for a subsequent soldering process for permanent contact between in each case a terminal contact 261a or. 261b and a connection surface 271a and. 271b is needed.
  • FIG. 2 b the movement of the component 260 or, respectively, is shown in FIG. the holding device 210 stopped just when the device 260 is located at a predetermined distance d above the circuit board 270.
  • a negative pressure with which the device 260 is held by the holding device 210, turned off and blown air blown through the suction channels of the suction pipette 210, not shown.
  • the switching of the negative pressure to a blow air generating overpressure takes place in a known manner in a pneumatic system, not shown here, which has a rapidly switchable pneumatic valve.
  • the pressure which the contactless component 260 exerts on the solder deposits 272a, 272b is significantly reduced. This causes the shape of the solder deposits 272a, 272b is hardly changed by the device 260 and a short circuit between the pads 271a 271b due to mechanical contact between deformed solder deposits is reliably prevented.
  • the contactless loading also has the advantage that the component 260 is not subjected to a certain minimum placement force of the suction pipette 210, which can lead to high pressures and thus also to mechanical damage, for example to a breakage of the component 260, especially for small components.
  • FIG. 3 shows a typical velocity profile with which a suction pipette holding a component is moved in the direction of the component carrier perpendicular to the surface of a component carrier during a placement operation.
  • the suction pipette is first accelerated in the direction of the component carrier (generally downwards) and decelerated again after reaching a maximum speed v z , in order to prevent a hard impact of the component on the component carrier.
  • the speed v z of the suction pipette is reduced to a value v zl to prevent mechanical damage during placement of the device at a time ti (minimizing the shock).
  • the non-contact transfer of the device allows a start of the dispensing position, which at a certain distance above the component carrier is located, with a much greater speed v z2 compared to v z i.
  • the dispensing position is reached at a time t 2 , the suction pipette is stopped as abruptly as possible and the component dispensed. Due to the mechanical inertia of the component, this has the tendency to leave the suction pipette at the speed v z2 in the direction of the component carrier .
  • the contactless component transfer it is thus possible to achieve a time saving ⁇ t for the last phase of the placement process which results from the difference between the two times t 1 and t 2 .
  • the contactless loading not only allows a particularly gentle treatment of the component but also a significant increase in placement.
  • a high level of process reliability in contactless assembly is achieved by accurately measuring, before the actual placement process of the surface profile of a printed circuit board 470, which is usually fixed by means of holding clamps 451 in an assembly area of a placement machine.
  • an optical distance sensor 420 can be used, which is mounted next to a suction pipette 410 on a placement head 400.
  • the surface profile can be scanned in the state in which the circuit board 470 to be assembled is located during a subsequent placement process.
  • the height values determined by the surface profiler measurement are stored in a control unit, not shown, and taken into account when approaching the suction pipette 410 to the positions corresponding in each case to the dispensing positions.
  • a prior measurement of the surface profile of the printed circuit board 470 can be dispensed with if the distance sensor 420 triggers the movement of the suction pipette 410.
  • the distance sensor 420 is formed as a distance switch, which outputs a signal just when the downwardly moving suction pipette 410 in a certain Distance from a designated slot above the circuit board 470 is located.
  • the invention provides a method for equipping a component carrier 270 with components 260, in which a component 260 is received by a holding device 210 of a placement head by means of a holding force exerted by the holding device 210 on the component 260.
  • the recorded component 260 is transported by the placement head to a predetermined dispensing position above a provided on the component carrier 270 component slot.
  • the holding force is switched off, so that the component 260 detaches from the holding device 210 and is transferred to the component carrier 270.
  • the process reliability of the component transfer can be increased by the fact that the detachment of the device 260 takes place during an abrupt as possible abrupt braking of the holding device 210, so that the component transfer is supported by the mechanical inertia of the device 210.
  • the detachment process of the component 260 can be assisted by a suction pipette 210 serving as a holding device by a pneumatic switching valve, which switches a negative pressure with which the component 260 is held on the suction pipette 210 to an overpressure, which by blowing air causes the component 260 to be dispensed supported.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Supply And Installment Of Electrical Components (AREA)
  • Manipulator (AREA)
  • Wire Bonding (AREA)

Abstract

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers (270) mit Bauelementen (260), bei dem ein Bauelement (260) von einer Haltevorrichtung (210) eines Bestückkopfes mittels einer von der Haltevorrichtung (210) auf das Bauelement (260) ausgeübten Haltekraft aufgenommen 10 wird. Das aufgenommene Bauelement (260) wird von dem Bestückkopf an eine vorgegebene Abgabeposition oberhalb eines an dem Bauelementeträger (270) vorgesehenen Bauelement-Einbauplatzes transportiert. Bei Erreichen der Abgabeposition wird die Haltekraft abgeschaltet, so dass sich das Bauelement (260) von der Haltevorrichtung (210) ablöst und auf den Bauelementeträger (270) transferiert wird. Die Prozesssicherheit des Bauelemente-Transfers kann dadurch erhöht werden, dass das Ablösen des Bauelements (260) während eines möglichst abrupten Abbremsens der Haltevorrichtung (210) erfolgt, so dass der Bauelement-Transfer durch die mechanische Trägheit des Bauelements (210) unterstützt wird. Zusätzlich kann der Ablösevorgang des Bauelementes (260) von einer als Haltevorrichtung dienenden Saugpipette (210) durch ein pneumatisches Schaltventil unterstützt werden, welches einen Unterdruck, mit dem das Bauelement (260) an der Saugpipette (210) gehalten wird, auf einen Überdruck umschaltet, welche durch Blasluft das Abgeben des Bauelementes (260) unterstützt.

Description

Be s ehre ibung
Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers mit Bauelementen, bei dem die zu bestückenden Bauelemente von einer Bauelement-Zuführeinrichtung mittels eines Bestückkopfes hin zu einem Bestückbereich transportiert und auf dem Bauelementeträger an vorgegebenen Bauelement-Einbauplätzen platziert werden .
Bei der Bestückung von Bauelementeträgern im Rahmen der sog . Surface-Mount-Technology (SMT) werden SMT-Bauelemente mittels eines Bestückkopfes von einer Abholposition einer Bauelement- Zuführeinrichtung abgeholt und an den vorgesehenen Bauelement-Einbauplätzen auf den Bauelementeträgern aufgesetzt . Unter dem Begriff Bauelementeträger wird im Folgenden j ede Art von bestückfähigem Substrat, insbesondere Leiterplatten, verstanden . Unter dem Begriff Bauelement sind alle bestückfä- higen Elemente zu verstehen, insbesondere zwei- oder mehrpolige SMT-Bauelemente oder andere hochintegrierte flächige Bauelemente wie beispielsweise Ball Grid Arrays , Bare Dies und Flip Chips . Ferner umfasst der Begriff Bauelement auch sog . RFID-Chips , welche für sog . Transponder verwendet wer- den .
Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung von elektronischen Baugruppen und des starken Preisdruckes auf dem Elektronikmarkt werden an moderne Bestückautomaten sowohl hinsichtlich der Bestückgenauigkeit als auch hinsichtlich der Bestückgeschwindigkeit hohe Anforderungen gestellt . Hohe Bestückgeschwindigkeiten führen dazu, dass insbesondere bei kleinen Bauelementen die mechanischen Belastungen, denen das Bauelement beim Aufsetzen auf einen Bauelementeträger ausgesetzt ist, so groß werden können, dass das Bauelement beschädigt wird. Die mechanische Belastung eines Bauelements bei einem schnellen Bestückprozess beruht darauf, dass selbst ein sehr sanft arbeitender Bestückkopf beim Aufsetzen auf das Bauelement eine statische Aufsetzkraft von zumindest 2 Newton ausübt . Selbst eine derart geringe Aufsetzkraft bewirkt bei kleinen Bauelementen, welche eine Kantenlänge im Bereich von 0 , 5 mm aufweisen, einen so hohen Aufsetzdruck, dass eine mechanische Beschädigung des Bauelements nicht zuverlässig ausgeschlossen werden kann . Durch eine Reduzierung der Aufsetzgeschwindigkeit könnten zwar die mechanischen Belastungen des Bauelements weiter reduziert werden, dies hätte j edoch eine negative Auswirkung auf die Bestückgeschwindigkeit und widerspricht somit der oben genannten Anforderung an einen modernen Bestückautomaten in Bezug auf die Bestückleistung . Unter dem Begriff Bestückleistung ist in diesem Zusammenhang die maximale Anzahl an Bauelementen zu verstehen, die inner- halb einer bestimmten Zeiteinheit bestückt werden können .
Ein weiteres Problem bei der herkömmlichen Bestückung insbesondere von kleinen Bauelementen ergibt sich aus der ungewollten Verformung von Materialdepots , welche üblicherweise auf den Bauelement-Anschlussflächen aufgebracht sind und welche der Fixierung und der dauerhaften Kontaktierung der bestückten Bauelemente an der Bestückposition dienen . So kann beispielsweise die Verformung von Lotpaste zu einem ungewollten Kurzschluss zwischen verschieden Anschlussflächen oder auch zu einer ungenügenden Verbindungsqualität zwischen den Anschlüssen von Bauelement und Bauelementeträger führen . Da die Verformung von Materialdepots von der Aufsetzgeschwindigkeit und dem Aufsetzdruck der mit einer bestimmten Aufsetzkraft in das Materialdepot gedrückten Bauelemente abhängt, tritt dieses Problem bei kleinen Bauelementen besonders stark auf und wird zukünftig mit einer zu erwartenden weiteren Miniaturisierung von Bauelementen immer wichtiger .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers mit Bauelementen anzugeben, welches sowohl eine schnelle als auch eine schonende Bestückung ermöglicht . Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Gemäß der Erfindung wird ein Bauelement von einer Haltevorrichtung eines Bestückkopfes mittels einer von der Haltevorrichtung auf das Bauelement ausgeübten Haltekraft aufgenommen und nachfolgend von dem Bestückkopf an eine Abgabeposition oberhalb eines an dem Bauelementeträger vorgesehenen Bauelement-Einbauplatzes transportiert . Dabei weist die Abgabeposition einen vorbe- stimmten Abstand zu der Oberfläche des Bauelementeträgers auf . Zum Abgeben des Bauelements wird die Haltekraft abgeschaltet, so dass sich das Bauelement von der Haltevorrichtung ablöst und auf den Bauelementeträger transferiert wird.
Der vorbestimmte Abstand zwischen der Abgabeposition und der Oberfläche des Bauelementeträgers hängt dabei von mehreren Prozessparametern ab, welche spätestens im Lauf der Inbetriebnahme eines das erfindungsgemäße Verfahren ausführenden Bestückautomaten durch geeignete Testbestückungen ermittelt wird. Insbesondere hängt der Abstand von der Größe des zu bestückenden Bauelements ab, da sichergestellt werden muss , dass auch bei einem ungleichmäßigen Ablösen des Bauelements eine Verkantung verhindert wird. Auf diese Weise wird sicher gestellt, dass das Bauelement zuverlässig mit seiner vorgese- henen Unterseite auf dem zu bestückenden Bauelementeträger zum Liegen kommt .
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein derartiger quasi kontaktloser Transfer des Bauelements von der Haltevorrichtung auf den Bauelementeträger sowohl eine schnelle als auch eine das j eweilige Bauelement schonende Bestückung ermöglicht und somit sowohl eine preiswerte Herstellung von elektronischen Baugruppen als auch eine geringe Ausfallrate durch beschädigte oder schlecht bestückte Bauele- mente ermöglicht . Der Begriff kontaktloser Bauelement-Transfer ist dabei so zu verstehen, dass während des Aufsetzvorgangs das Bauelements nicht mit dem Bauelementeträger selbst in mechanischen Kontakt kommt, welcher üblicherweise eine sehr harte Unterlage darstellt . Dies umfasst mehrere mögliche Abgabeszenarien :
A) Abwerfen des Bauelements : Die Abgabeposition befindet sich in diesem Fall so weit oberhalb der Anschlussflächen des betreffenden Bauelement-Einbauplatzes , dass das Bauelement über das Medium Luft auf den Bauelementeträger abgegeben wird. Dies setzt ein mehr oder weniger gleichmäßiges Ablösen des Bauelements von der Haltevorrichtung voraus . Das Abwerfen kann beispielsweise durch die Schwerkraft und/oder durch magnetische bzw . elektrostatische Anziehungskräfte vermittelt bzw . unterstützt werden .
B) Absetzen des Bauelements : Die Abgabeposition befindet sich so knapp oberhalb der Anschlussflächen des betreffenden Bauelement-Einbauplatz , dass das Bauelement bereits vor dem Verlassen der Haltevorrichtung mit einem auf den vorgesehenen Bauelement-Anschlussflächen vorhandenen Materialdepot in Kontakt gekommen ist . Dies bedeutet, dass das Bauelement sanft in das im Vergleich zu dem Bauelementeträger sehr weiche Materialdepot eingedrückt wird.
C) Teilweises Absetzen bzw . Abwerfen des Bauelements : Die Abgabeposition befindet sich zwar oberhalb des Materialdepots , das Bauelement löst sich j edoch ungleichmäßig von der Haltevorrichtung ab . Dies kann dazu führen, dass bereits ein seitlicher Bereich des Bauelements mit einem ersten zur
Kontaktierung vorgesehenen Materialdepot in Kontakt kommt, während die gegenüberliegende Seite des Bauelements die Haltevorrichtung noch berührt . Erst danach entfernt sich auch die gegenüberliegende Seite des Bauelements von der Haltevor- richtung und wird auf das entsprechende Materialdepot transferiert . Das Verfahren nach Anspruch 2 wird dadurch realisiert, dass sich das Bauelement zunächst mit relativ hoher Geschwindigkeit auf den Bauelementeträger zu bewegt und in dem vorbestimmten Abstand zu der Oberfläche des Bauelementeträgers die Bewegung der Haltevorrichtung möglichst abrupt gestoppt wird. Somit wird das Bauelement mit einer Anfangsgeschwindigkeit, die der Bewegung der Haltevorrichtung unmittelbar vor dem Ablösen des Bauelements entspricht, auf den Bauelementeträger transferiert . Dabei muss j edoch sichergestellt werden, dass das Stoppen der Haltevorrichtung so abrupt erfolgt, dass das Bauelement nicht nach dem Abgeben durch ein Nachschwingen der Haltevorrichtung mit hoher Kraft unkontrolliert in das Materialdepot gedrückt wird.
Gemäß Anspruch 3 wird als Haltevorrichtung eine Saugpipette verwendet, welche die Haltekraft mittels eines Unterdrucks erzeugt . Das Ablösen des Bauelements wird dabei durch ein abruptes Abkoppeln des Unterdrucks und durch ein möglichst schlagartiges Ankoppeln eines Überdrucks an die Saugpipette unterstützt . Durch ein derartiges pneumatisch unterstütztes Transferieren des Bauelements auf den Bauelementeträger wird sowohl die Geschwindigkeit als auch die Genauigkeit des Bauelement-Transfers erhöht . Die pneumatische Unterstützung des Bauelement-Transfers kann auf einfache Weise realisiert werden, da die Saugpipetten von einigen herkömmlichen Bestückautomaten bereits mit einer schaltbaren Pneumatikeinrichtung versehen sind, welche das Umschalten von einem Unterdruck auf einen Überdruck ermöglichen . Es wird darauf hingewiesen, dass pneumatische Schaltvorgänge stets einer gewissen Trägheit unterliegen, so dass ein entsprechendes Umschaltventil, welches üblicherweise von der Saugpipette beabstandet ist, bereits vor dem Erreichen der Abgabeposition angesteuert werden kann .
Gemäß Anspruch 4 wird im Vorfeld der Bestückung das genaue Oberflächenprofil des Bauelementeträgers mittels eines Abstandssensors vermessen . Dazu können sowohl elektromechani- sehe Messtaster, welche heutzutage eine Genauigkeit in der Größenordnung von lμm aufweisen, als auch bevorzugt optische Abstandssensoren verwendet werden, welche den elektromechani- sche Messtastern in Bezug auf die Messgeschwindigkeit deut- lieh überlegen sind. Als optische Abstandssensoren eignen sich insbesondere auf dem Messprinzip der Laser-Triangulation beruhende Sensoren, welche das Höhenprofil durch eine Lageerfassung der Zielpunkte zweier Laserstrahlen ermitteln, die aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen auf die zu vermes- sende Oberfläche auftreffen . Durch die Vermessung des Oberflächenprofils können variable Höhenpositionen der auf dem Bauelementeträger vorhandenen Bauelement-Einbauplätze genau bestimmt werden, so dass auch bei einer beispielsweise durch mechanische Verspannungen verursachten Wölbung des zu bestü- ckenden Bauelementeträgers die Länge der Transferstrecke des Bauelements von der Haltevorrichtung hin zu dem Bauelementeträger stets gleich gehalten werden kann . Dies trägt in besonderem Maße zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit bei .
Die Oberflächenvermessung des Bauelementeträgers kann dabei dadurch erfolgen, dass entweder ein den Abstandssensor aufweisendes Höhenmeßsystem oberhalb des Bauelementeträgers verfahren und somit das Oberflächenprofil abtastet wird oder dass der Bauelementeträger unterhalb eines feststehenden Höhenmeßsystems positioniert und derart bewegt wird, dass zumindest an den vorgesehenen Bauelement-Einbauplätzen die Höhenlage der Oberfläche des Bauelementeträgers erfasst wird.
Das Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Oberflächenprofil durch eine Interpolation zwischen diskreten Oberflächenprofil-Messwerten ermittelt wird, hat den Vorteil, dass die Oberflächenvermessung schnell und trotzdem mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann .
Gemäß Anspruch 6 wird mittels eines als Abstandsschalter ausgebildeten konfokalen Abstandssensors der Zeitpunkt erfasst, an dem sich das Bauelement in der Abgabeposition befindet . Ein geeigneter konfokaler Abstandsschalter ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE 101 45 167 C2 offenbart : Dieser Abstandsschalter umfasst einen Lichtwellenleiter, dessen eines Ende sowohl mit einer Sendeeinheit zum Aussenden von Licht als auch mit einer Empfangseinheit zum Empfangen von Licht gekoppelt ist . An dem anderen Ende des Lichtwellenleiters ist eine Endfläche ausgebildet, welche somit sowohl zum Aussenden als auch zum Empfangen von Licht eingerichtet ist . Der Abstandsschalter umfasst ferner eine Abbildungsoptik, welche die Lichtwellenleiter-Endfläche auf einen räumlichen Schaltbereich abbildet, sowie eine Ausgabeeinrichtung, welche mit dem Lichtempfänger gekoppelt ist . Die Ausgabeeinrichtung ist derart eingerichtet, dass ein Signal ausgegeben wird, wenn sich ein zumindest teilweise reflektie- rendes Obj ekt in den Schaltbereich bewegt und somit von der Lichtwellenleiter-Endfläche ausgesandtes Licht mit einer bestimmten Mindestintensität auf die Lichtwellenleiter- Endfläche zurück reflektiert wird.
Zum genauen Erkennen der Abgabeposition mittels des genannten konfokalen Abstandsschalters wird die Lichtwellenleiter- Endfläche und die Optik des Abstandsschalters an dem Bestückkopf bzw . an der Haltevorrichtung angebracht und derart justiert, dass beim Absenken der Haltevorrichtung in Richtung des Bauelementeträgers der Abstandsschalter gerade dann ein Signal ausgibt, wenn der relativ zu der Haltevorrichtung in einer festen räumlichen Lage befindliche Schaltbereich auf die Oberfläche des Bauelementeträgers trifft .
Bevorzugt wird der Abstandsschalter derart justiert, dass er bereits ein Signal ausgibt, wenn sich das Bauelement kurz vor der Abgabeposition befindet . Auf diese Weise können zeitliche Verzögerungen berücksichtigt und entsprechend kompensiert werden, welche durch eine stets vorhandene Reaktionszeit insbesondere zum vollständigen Anhalten der Haltevorrichtung und zum Abschalten der Haltekraft verursacht werden . Der Abstandsschalter ist bevorzugt relativ zu dem Bestückkopf parallel zu der Oberfläche des zu bestückenden Bauelementeträgers verschiebbar befestigt . Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Schaltbereich des Abstandsschalters nicht auf eine zufällige Erhebung des Bauelementeträgers wie beispielsweise ein bereits bestücktes Bauelement trifft und somit bei einer völlig falschen Höhenposition ein Signal zur Bauelement-Abgabe ausgegeben wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsvariante .
In der Zeichnung zeigen in schematischen Darstellungen Figur 1 den Aufsetzvorgang eines Bauelements auf einen Bauelementeträger gemäß dem Stand der Technik,
Figur 2 den quasi kontaktlosen Aufsetzvorgang eines Bauelements auf einen Bauelementeträger gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung, Figur 3 das Geschwindigkeitsprofil einer Haltevorrichtung beim Aufsetzen eines Bauelements gemäß dem Stand der Technik und beim Abgeben eines Bauelements gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung und
Figur 4 die Vermessung des Oberflächenprofils eines zu bestü- ckenden Bauelementeträgers .
An dieser Stelle bleibt anzumerken, dass sich in der Zeichnung die Bezugszeichen einander entsprechender Komponenten lediglich in ihrer ersten Ziffer unterscheiden .
Wie aus den Figuren Ia und Ib ersichtlich, erfolgt der aus dem Stand der Technik bekannte Aufsetzvorgang eines Bauelements 160 auf eine Leiterplatte 170 dadurch, dass eine das Bauelement 160 aufnehmende Saugpipette 110 mit einer durch den Pfeil dargestellten Geschwindigkeit vz in Richtung der Leiterplatte 170 bewegt wird. Das Bauelement 160 wird an einem vorgegebenen Bauelement-Einbauplatz aufgesetzt, so dass Anschlusskontakte 161a bzw . 161b des Bauelements 160 in Materialdepots 172a bzw . 172b gedrückt werden . Die Materialdepots 172a, 172b, welche auf Anschlussflächen 171a bzw . 171b der Leiterplatte 170 aufgebracht sind, enthalten beispiels- weise Lotpaste, so dass nach der Bestückung des Bauelements 160 durch einen Lötvorgang ein dauerhafter elektrischer Kontakt zwischen dem Anschlusskontakt 171a und der Anschlussfläche 171a sowie zwischen dem Anschlusskontakt 161b und der Anschlussfläche 171b gewährleistet ist .
Abhängig von der Aufsetzkraft bzw . von dem zeitlichen Verlauf der Geschwindigkeit vz wird, wie aus Figur Ib ersichtlich, das Bauelement 160 mehr oder weniger tief in die Materialdepots 172a, 172b eingedrückt . Dies führt zu einer partiellen räumlichen Verdrängung der Materialdepots 172a, 172b, so dass sich insbesondere bei kleinen Bauelementen mit nahe voneinander beabstandeten Anschlussflächen 171a und 171b die verformten Materialdepots 172a und 172b so nahe kommen, dass in einem Bereich 175 zwischen den beiden Anschlussflächen 171a und 171b Material gedrückt wird und ein Kurzschluss entsteht . Dies führt in der Regel zu einer späteren Fehlfunktion einer auf der Leiterplatte 170 ausgebildeten elektronischen Baugruppe, so dass die betreffende Leiterplatte 170 zur Herstellung von elektronischen Geräten entweder repariert oder nicht mehr verwendet werden kann und als Elektronikschrott entsorgt werden muss .
Das quasi kontaktlose Bestücken gemäß einer Ausführungsform der Variante der Erfindung ist in den Figuren 2a, 2b, 2c und 2d dargestellt . Wie aus Figur 2a ersichtlich, beginnt das kontaktlose Bestücken dadurch, dass ein Bauelement 260 , welches zwei Anschlusskontakte 261a bzw . 261b aufweist, von einer Saugpipette 210 gehalten mit einer Geschwindigkeit vz in Richtung einer zu bestückenden Leiterplatte 270 bewegt wird. Auf der Leiterplatte 270 sind zwei Anschlussflächen
271a und 271b vorgesehen, welche mit den Anschlusskontakten 261a und 261b in elektrischen Kontakt gebracht werden sollen . Auf der Anschlussfläche 271a bzw . 271b ist ein Lotdepot 272a bzw . 272b aufgetragen, welches in bekannter Weise für einen nachfolgenden Lotvorgang zur dauerhaften Kontaktierung zwischen j eweils einem Anschlusskontakt 261a bzw . 261b und einer Anschlussfläche 271a bzw . 271b benötigt wird.
Wie aus Figur 2b ersichtlich, wird die Bewegung des Bauelements 260 bzw . der Haltevorrichtung 210 gerade dann gestoppt, wenn sich das Bauelement 260 in einem vorbestimmten Abstand d oberhalb der Leiterplatte 270 befindet .
Mit dem Erreichen der Abgabeposition des Bauelements 260 wird ein Unterdruck, mit dem das Bauelement 260 von der Haltevorrichtung 210 gehalten wird, abgeschaltet und Blasluft durch die nicht dargestellten Saugkanäle der Saugpipette 210 geblasen . Das Umschalten des Unterdrucks auf einen die Blasluft erzeugenden Überdruck erfolgt in bekannter Weise in einem hier nicht dargestellten Pneumatiksystem, welches ein schnell schaltbares Pneumatik-Ventil aufweist .
Das Umschalten von Unterdruck auf Überdruck bewirkt ein Ablösen des Bauelements 260 von der Saugpipette 210 , welches häufig nicht gleichmäßig, sondern in der in Figur 2c dargestellten Art und Weise erfolgt . Dabei verliert zunächst ein seitlicher Teil des Bauelements 260 den Kontakt zu der Haltevorrichtung 210 , so dass sich das Bauelement 260 in einer schrägen Stellung innerhalb des Zwischenraums zwischen der Haltevorrichtung 210 und den beiden Lotdepots 272a, 272b befindet .
Infolge der aus der Saugpipette 210 nach unten ausströmenden Blasluft wird unmittelbar nach dem ersten Ablösen des Bauelements 260 auch die andere Seite des Bauelements den Kontakt mit der Saugpipette 210 verlieren und auf dem Lotdepot 272a aufsetzen . Damit ist die Bestückung des Bauelements 260 beendet und das Bauelement 260 verbleibt infolge einer gewis- sen Klebrigkeit der Lotdepots 272a, 272b in der gewünschten Einbauposition, die in Figur 2d dargestellt ist .
Im Vergleich zu dem oben anhand von Figur 1 erläuterten kontaktbehafteten Bestücken ist der Druck, den das kontaktlos bestückte Bauelement 260 auf die Lotdepots 272a, 272b ausübt, deutlich reduziert . Dies bewirkt, dass die Form der Lotdepots 272a, 272b durch das Bauelement 260 kaum verändert wird und ein Kurzschluss zwischen den Anschlussflächen 271a 271b infolge eines mechanischen Kontaktes zwischen deformierten Lotdepots zuverlässig verhindert wird.
Das kontaktlose Bestücken hat zudem den Vorteil, dass das Bauelement 260 nicht einer gewissen Mindest-Aufsetzkraft der Saugpipette 210 unterworfen ist, welche insbesondere bei kleinen Bauelementen zu hohen Drücken und damit auch zu einer mechanischen Beschädigung, beispielsweise zu einem Zerbrechen des Bauelements 260 führen kann .
Figur 3 zeigt ein typisches Geschwindigkeitsprofil, mit dem eine ein Bauelement haltende Saugpipette während eines Bestückvorgangs senkrecht zu der Oberfläche eines Bauelementeträgers in Richtung des Bauelementeträgers bewegt wird. Um einen zügigen Bauelement-Transfer zu ermöglichen, wird die Saugpipette zunächst in Richtung des Bauelementeträgers (im allgemeinen nach unten) beschleunigt und nach dem Erreichen einer maximalen Geschwindigkeit vz wieder abgebremst, um ein hartes Aufprallen des Bauelements auf den Bauelementeträger zu verhindern . Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten kontaktbehafteten Bestückvorgang wird die Geschwindigkeit vz der Saugpipette bis hin zu einem Wert vzl reduziert, um beim Aufsetzen des Bauelements zu einem Zeitpunkt ti eine mechanische Beschädigung zu verhindern (Minimierung des Stosses ) .
Im Gegensatz dazu erlaubt das kontaktlose Transferieren des Bauelements ein Anfahren der Abgabeposition, welche sich in einem bestimmten Abstand oberhalb des Bauelementeträgers befindet, mit einer im Vergleich zu vzi deutlich größeren Geschwindigkeit vz2. Beim Erreichen der Abgabeposition zu einem Zeitpunkt t2 wird die Saugpipette möglichst abrupt angehalten und das Bauelement abgegeben . Aufgrund der mecha- nischen Trägheit des Bauelements hat dieses das Bestreben, die Saugpipette mit der Geschwindigkeit vz2 in Richtung des Bauelementeträgers zu verlassen . Durch den kontaktlosen Bauelement-Transfer kann somit für die letzte Phase des Bestückvorgangs eine Zeitersparnis Δt erzielt werden, welche sich aus der Differenz zwischen der beiden Zeiten ti und t2 ergibt . Damit ermöglicht das kontaktlose Bestücken nicht nur eine besonders schonende Behandlung des Bauelementes sondern auch eine signifikante Erhöhung der Bestückleistung .
Eine hohe Prozesssicherheit beim kontaktlosen Bestücken wird dadurch realisiert, dass vor dem eigentlichen Bestückvorgang des Oberflächenprofil einer Leiterplatte 470 , welche üblicherweise mittels Halteklemmen 451 in einem Bestückbereich eines Bestückautomaten fixiert ist, genau vermessen wird. Dazu kann bevorzugt ein optischer Abstandssensor 420 verwendet werden, welcher neben einer Saugpipette 410 an einem Bestückkopf 400 angebracht ist . Somit kann auf einfache Weise das Oberflächenprofil in dem Zustand abgetastet werden, in dem sich die zu bestückende Leiterplatte 470 während eines nachfolgenden Bestückvorgangs befindet . Die durch die Ober- flächenprofilvermessung ermittelten Höhenwerte werden in einer nicht dargestellten Steuereinheit gespeichert und beim Anfahren der Saugpipette 410 an die j eweils den Abgabepositionen entsprechenden Positionen berücksichtigt .
Es kann j edoch auch auf eine vorherige Vermessung des Oberflächenprofils der Leiterplatte 470 verzichtet werden, wenn der Abstandssensor 420 die Bewegung der Saugpipette 410 triggert . Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Abstandssensor 420 als Abstandsschalter ausgebildet ist, welcher genau dann ein Signal ausgibt, wenn sich die nach unten bewegende Saugpipette 410 in einem bestimmten Abstand von einem vorgesehenen Einbauplatz oberhalb der Leiterplatte 470 befindet .
Zusammenfassend bleibt festzustellen : Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers 270 mit Bauelementen 260 , bei dem ein Bauelement 260 von einer Haltevorrichtung 210 eines Bestückkopfes mittels einer von der Haltevorrichtung 210 auf das Bauelement 260 ausgeübten Haltekraft aufgenommen wird. Das aufgenommene Bauelement 260 wird von dem Bestückkopf an eine vorgegebene Abgabeposition oberhalb eines an dem Bauelementeträger 270 vorgesehenen Bauelement-Einbauplatzes transportiert . Bei Erreichen der Abgabeposition wird die Haltekraft abgeschaltet, so dass sich das Bauelement 260 von der Haltevorrichtung 210 ablöst und auf den Bauelementeträger 270 transferiert wird. Die Prozesssicherheit des Bauelemente-Transfers kann dadurch erhöht werden, dass das Ablösen des Bauelements 260 während eines möglichst abrupten Abbremsens der Haltevorrichtung 210 erfolgt, so dass der Bauelement-Transfer durch die mechanische Trägheit des Bauelements 210 unterstützt wird. Zusätzlich kann der Ablösevorgang des Bauelementes 260 von einer als Haltevorrichtung dienenden Saugpipette 210 durch ein pneumatisches Schaltventil unterstützt werden, welches einen Unterdruck, mit dem das Bauelement 260 an der Saugpipette 210 gehalten wird, auf einen Überdruck umschaltet, welche durch Blasluft das Abgeben des Bauelementes 260 unterstützt .
Bezugszeichenliste
110 Saugpipette
160 Bauelement
161a Anschlusskontakt
161b Anschlusskontakt
170 Leiterplatte
171a Anschlussfläche
171b Anschlussfläche
172a Materialdepot
172b Materialdepot
175 Zwischenbereich
210 Saugpipette 260 Bauelement
261a Anschlusskontakt
261b Anschlusskontakt
270 Leiterplatte
271a Anschlussfläche 271b Anschlussfläche
272a Materialdepot
272b Materialdepot d Abstand Bauelement - Leiterplatte
tl Aufsetzzeitpunkt (Stand der Technik) vzi Geschwindigkeit vor Abbremsen (Stand der Technik) t2 Abgabezeitpunkt vz2 Geschwindigkeit vor Abbremsen
Δt Zeitersparnis beim kontaktlosen Bestücken
400 Bestückkopf
410 Saugpipette
420 Abstandssensor
451 Halteklemmen 470 Leiterplatte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestücken eines Bauelementeträgers mit Bauelementen, bei dem • ein zu bestückendes Bauelement (260 ) von einer Haltevorrichtung (210 , 410 ) eines Bestückkopfes (400 ) mittels einer von der Haltevorrichtung (210 , 410 ) auf das Bauelement (260 ) ausgeübten Haltekraft aufgenommen wird,
• das aufgenommene Bauelement (260 ) von dem Bestückkopf (400 ) an eine Abgabeposition oberhalb eines an dem Bauelementeträger (270 , 470 ) vorgesehenen Bauelement-Einbauplatzes transportiert wird, wobei die Abgabeposition einen vorbestimmten Abstand zu der Oberfläche des Bauelementeträgers (270 , 470 ) aufweist, und • die Haltekraft abgeschaltet wird, so dass sich das Bauelement (260 ) von der Haltevorrichtung (210 , 410 ) ablöst und auf den Bauelementeträger (270 , 470 ) transferiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Ablösen des Bauelements (260 ) durch eine abrupte Änderung der Geschwindigkeit der Haltevorrichtung (210 , 410 ) unterstützt wird, wenn sich das Bauelement (260 ) in der Abgabeposition befindet .
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 , bei dem
• als Haltevorrichtung eine Saugpipette (210 , 410 ) verwendet wird, welche die Haltekraft mittels eines Unterdrucks erzeugt, und
• das Ablösen des Bauelements (260 ) durch ein abruptes Abkop- peln des Unterdruck und das Ankoppeln eines Überdrucks unterstützt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Vorfeld der Bestückung das genaue Oberflächenprofil des Bauelementeträgers (270 , 470 ) mittels eines Abstandssensors vermessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch A 1 bei dem das Oberflächenprofil durch eine Interpolation zwischen diskreten Oberflächenprofil-Messwerten ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mittels eines als Abstandsschalter (420 ) ausgebildeten konfokalen Abstandssensors erfasst wird, wann sich das Bauelement (260 ) in der Abgabeposition befindet .
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