DE19708464C2 - Bestückungsvorrichtung zum koplanaren Aufsetzen von Bauelementen auf Leiterplatten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestückungsvorrichtung zum koplanaren Aufsetzen von Bauelementen auf Leiter­ platten nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aus der DD 242 320 ist eine Vorrichtung zum lagerich­ tigen Positionieren hochpoliger Bauelemente in Auf­ setztechnik auf Leitungssubstraten bekannt, bei der das Leitungssubstrat auf einem Kreuztisch und das Bauelement mittels einer Halterung unter Vakuum an einem Hebelarm gehalten wird. Die Unterseite des Bau­ elementes und die Bestückungsposition an der Oberflä­ che des Leitungssubstrats werden von einer Lichtquel­ le beleuchtet. Weiterhin ist ein halbdurchlässiger Spiegel derart angeordnet, daß über ihn das reelle Bild der Bestückungsposition an der Oberfläche des Leitungssubstrats als auch das virtuelle Bild der Un­ terseite des Bauelementes sichtbar sind. Durch seitliches Verschieben des Kreuztisches wird das Bild der Bestückungsposition an der Oberfläche des Leitungs­ substrats in bezug auf das Bild der Unterseite des Bauelementes bewegt, bis einander entsprechende Be­ zugspunkte beider Bilder in Überdeckung gebracht wer­ den. Danach wird ohne eine Veränderung am optischen System der Hebelarm um 90° in Richtung auf das Lei­ tungssubstrat geschwenkt, bis die Unterseite des Bau­ elementes lagerichtig auf der Bestückungsposition an der Oberfläche des Leitungssubstrats aufsetzt. Nach Lösen des Bauelementes vom Hebelarm durch Vakuum­ schaltung wird dieser ohne das Bauelement in seine ursprüngliche Lage zurückgeschwenkt. Bei dieser Vier­ telkreisbewegung berührt beim Plazieren die der Dreh­ achse des Hebelarms am nächsten gelegene Seite des Bauelementes die Leiterplatte zuerst und die gegen­ überliegende Seite des Bauelements berührt die Lei­ terplatte zuletzt. Dies bedeutet, daß das Bauelement nicht koplanar auf die Leiterplatte aufgesetzt wird. Je größer das Bauelement ist, um so größer ist die Abweichung von der Koplanarität.

Weiterhin ist aus der DE 196 10 294 A1 eine Einrich­ tung zum Positionieren und Aufbringen eines Bauele­ ments auf ein Substrat bekannt, bei der an einer Kon­ sole eine optimale Positioniervorrichtung, eine Be­ leuchtungsvorrichtung und eine Montagearm befestigt sind und ein Verschiebetisch vorgesehen ist. Der Mon­ tagearm ist in eine Justier- und in eine Montageposi­ tion bewegbar und trägt einen Bestückungskopf mit ei­ nem Bauelementträger parallel zur Aufnahmefläche des Bauelements drehbar und mit einem senkrecht zu dieser Aufnahmefläche bewegbaren Linearführungssystem gekop­ pelt sowie zusätzlich mit einem Kraftelement, das in der Montageposition mit einer justierbaren Anpreß­ kraft auf das Bauelement einwirkt, kraftschlüssig verbunden. Weiterhin sind eine Höheneinstellvorrich­ tung, durch die der Abstand zwischen der Aufnahmeflä­ che in der Montageposition und dem Bauelement auf dem Verschiebetisch justierbar ist, und ein Haltean­ schlag, auf dem der Montagearm in der Montageposition aufliegt, vorgesehen. Durch diese Ausbildung kann er­ reicht werden, daß das Bauelement auch nach einer Schwenkbewegung des Montagearms um 90° noch einen Ab­ stand zur Oberfläche des Substrats aufweist, so daß es durch eine Linearbewegung koplanar auf dieses auf­ gesetzt werden kann. Dies erfolgt in der Weise, daß das Bauelement nach dem Ausrichtvorgang durch lineare Verschiebung zurückgezogen wird, bevor der Schwenk­ vorgang des Montagearms durchgeführt wird. Nach dem Schwenkvorgang kann das Bauelement linear zum Sub­ strat hin verschoben werden, so daß es koplanar auf dieses aufgesetzt wird. Für diese Verschiebungen des Bauelements sind eine verschiebbare Trägerwelle sowie eine zugeordnete Antriebsvorrichtung erforderlich. Zudem findet die Verschiebung zeitlich getrennt von de Schwenkvorgang statt.

der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bestückungsvorrichtung zum koplanaren Aufsetzen von Bauelementen auf Leiterplatten zu schaffen, die ein­ facher ausgebildet ist als die Vorrichtung nach DE 196 10 294 A1 und bei der der Bestückungsvorgang auch schneller abläuft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, daß die Lageranordnung des Bestückungsarms derart ausgebildet ist, daß während der Schwenkbewe­ gung die Schwenkachse des Bestückungsarms (1) senkrecht zur Ebene der Leiterplatte (5) bewegt wird, und daß nach Beendigung der Schwenkbewegung des Bestüc­ kungsarms (1) dessen Schwenkachse entgegengesetzt zu ihrer Bewegung während der Schwenkbewegung um den gleichen Betrag bewegt wird, wodurch das Bauelement (3) in einer senkrecht zur Leiterplatte (5) geführten Bewegung koplanar auf der Leiterplatte (5) abgesetzt wird, können sowohl die Bewegung der Schwenkachse senkrecht zur Leiterplattenebene als auch die Schwenkbewegung gleichzeitig und mittels einer ge­ meinsamen Antriebsvorrichtung durchgeführt werden.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen möglich.

Dadurch, daß der Strahlteiler in der 90° zur Ebene der Absetzbewegung des Bestückungsarms liegenden Ho­ rizontalen verschiebbar gemacht wird, ist er auch bei größeren Bauelementen bzw. Chips dem Absetzvorgang nicht im Wege, so daß die Anwendungsbreite der Vor­ richtung vergrößert werden kann.

Dadurch, daß der Strahlteiler auch 0° zur Ebene der Absetzbewegung des Bestückungsarms liegenden Horizon­ talen (d. h. parallel dazu) verschiebbar gemacht wird, kann eine genaue Justage des Abstandes des optischen Mittelpunktes auf der Diagonalen des Strahlteilers zu der Bauelementenunterseite bzw. des Strahlteilers zu der Leiterplatte, die gleich sein müssen, vorgenommen werden, so daß auch bei höherer Vergrößerung und da­ mit geringerer Tiefenschärfe die beiden Ansichten, nämlich von Bauelementenunterseite und Leiterplat­ tenoberfläche, scharf gesehen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der Bestüc­ kungsvorrichtung in der Ausrichtestellung,

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Vorrichtung nach Fig. 1 in der "Near Place"-Stellung, und

Fig. 3 eine Ansicht der Exzenteranordnung in drei verschiedenen Positionen.

In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Bestüc­ kungsvorrichtung für elektronische Bauelemente darge­ stellt, die als wesentliche Bestandteile einen Be­ stückungsarm 1 mit Bauelementenhalterung 2 für die Aufnahme eines Chips 3, einen Strahlteiler 4, eine in der Plazierebene angeordnete Leiterplatte 5, ein Mi­ kroskop 6 und eine Lichtquelle aufweist. Anstelle des bzw. zusätzlich zum Mikroskop 6 kann auch eine Video­ kamera vorgesehen sein. Der würfelförmige oder qua­ derförmige Strahlteiler 4, der aus zwei rechtwinkli­ gen Prismen besteht, weist als Bestandteil einen im Winkel von 45° angeordneten halbdurchlässigen Spiegel 8 auf, der durch die Interferenzbeschichtung auf der Oberfläche der Hypotenuse der Prismen gebildet wird. Damit eine genaue Positionierung gewährleistet ist, müssen die Abstände zwischen Unterseite des Chips 3, optischem Mittelpunkt des teildurchlässigen Spiegels 8, sowie zwischen optischem Mittelpunkt des teil­ durchlässigen Spiegels 8 und Oberfläche der Leiter­ platte 5 genau gleich sein. Eine genaue Plazierung ist durch die Kreisbewegung um den Drehpunkt des Be­ stückungsarms 1, mit dem die Halterung 2 fest verbun­ den ist, gewährleistet.

Der Bestückungsarm 1 ist am der Halterung 2 entgegen­ gesetzten Ende mit einem Montageträger 12 verbunden. Ein Lagerbock 9, der um eine Drehachse bzw. eine Wel­ le 10 über ein Drehlager schwenkt, ist mit dem Monta­ geträger 12 über die Linearführung 11 verbunden. In dem Lagerbock 9 ist eine Linearführung 11 vorgesehen, bei der die Schiene mit dem Lagerbock 9 fest verbun­ den ist und der Schlitten an einem mit dem unteren Ende des Bestückungsarms 1 verbundenen Montageträger 12 befestigt ist.

Weiterhin ist eine Exzentervorrichtung vorgesehen, die in Fig. 3 näher zu erkennen ist. Auf einer in der nicht dargestellten feststehenden Halterung geführten Exzenterwelle 14 sitzt ein Exzenter 15, auf dem wie­ derum ein Kugellager 16 angeordnet ist. Dem Exzenter 15 mit dem Kugellager 16 ist eine mit dem Bestüc­ kungsarm 1 bzw. dem Montageträger 12 verbundene Ab­ laufbahn 17 zugeordnet, wobei beim Schwenken des Be­ stückungsarms 1 der Exzenter 15 mit dem Kugellager 16 in die Ablaufbahn eingreift und den Montageträger 12 in einer durch die aus Führungsschlitten und Füh­ rungsschiene bestehende Linearführung 11 vorgegebene Linearbewegung von dem Lagerbock 9 abhebt (Fig. 3).

Die Funktionsweise der Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Nachdem der Chip 3, zum Beispiel ein BGA (ball grid array) oder ein CGA (column grid array), mit seiner Unterseite zum Strahlteiler 4 gewandt auf die Bauelementenhalterung 2 aufgesetzt worden ist, sieht die Bedienperson durch den teildurchlässigen Spiegel 8 sowohl das Bild der Unterseite des Chips 3 als auch das Schaltungsmuster auf der Leiterplatte 5. Mittels nicht dargestellten Einstellelementen wird das Bild des Chips 3 und das der Leiterplatte 5 in Überdeckung gebracht. Danach wird der Bestückungsarm 1 entsprechend der dargestellten Kreisbewegung manu­ ell oder maschinell nach unten geschwenkt und ent­ sprechend Fig. 2 in eine "Near Place"-Stellung ge­ bracht. Dabei greift das auf dem Exzenter 15 sitzende Kugellager 16 in die Ablaufbahn 17 des Montageträgers 12 ein (Fig. 3 links) und aufgrund der vorgegebenen Ablaufkurve hebt der auf dem Montageträger 12 befe­ stigte Bestückungsarm 1 zwangsweise vom Lagerbock 9 in einer geradlinigen Bewegung um den Betrag z vom Lagerbock 9 ab (Fig. 3 Mitte). Diese Stellung, die als "Near Place"-Stellung bezeichnet wird, beendet die Schwenkbewegung des Bestückungsarms 1, wobei der Chip 3 um den Betrag z über der Leiterplatte 5 liegt, d. h. der Drehpunkt des Bestückungsarms 1 wird "virtu­ ell" um den Betrag z angehoben.

Mit der Exzenterwelle 14 steht ein Bedienhebel 18 in Wirkverbindung und bei Betätigen des Hebels von der "Near Place"-Stellung (Fig. 3 Mitte) zur "Place" Stellung (Fig. 3 rechts) dreht sich die Exzenterwelle 14 und das auf dem Exzenter 15 sitzende Kugellager 16 derart, daß der mit dem Montageträger 12 verbundene Bestückungsarm 1 in einer vertikalen geradlinigen Be­ wegung abgesetzt wird (Fig. 3 rechts) und die "Leads" bzw. Anschlüsse des Chips 3 auf den "Pads" der Lei­ terplatte 5 aufliegen. Die Absetzbewegung wird von Federn unterstützt, die eine durch die Abhebebewegung hervorgerufene Federkraft speichern. Bei umgekehrter Bewegung des Hebels 18 wird der Bestückungsarm 1 wie­ der geradlinig abgehoben.

Insgesamt bewegt sich das Chip entsprechend einer zu­ sammengesetzten Bewegungskurve, die sich aus einer Kreisbogenbewegung und einer geradlinigen Bewegung entsprechend einer Tangente an dem Kreisbogen zusam­ mensetzt.

Bei einer Kreisbogenbewegung ergibt sich die Länge des zurückgelegten Weges aus der festen Beziehung zwischen Radius und Schwenkwinkel:

Bei einer gleichfalls auf der Kreisbahn erfolgenden Kompositkurvenbewegung wird der zurückgelegte Weg von zwei Komponenten bestimmt, nämlich von einer Zirku­ larkomponente und einer Tangentialkomponente.

Die Zirkularkomponente bewegt den Bestückungsarm 1 in die "Near Place" Position. Die Tangentialkomponente hebt den Bestückungsarm 1 gleichzeitig in einen neuen "virtuellen" Drehpunkt, der gegenüber dem alten "re­ ellen" Drehpunkt um den Betrag Z höher liegt. Das hierbei auf der Kreisbahn tatsächlich zurückgelegte Wegstück erfordert einen vergleichsweise größeren Schwenkwinkel als dies bei reiner Kreisbogenbewegung erforderlich ist, gleiche Weglängen angenommen.

Da sich trotz dieser Bewegungsaufteilung der Bestüc­ kungsarm 1 nach wie vor um den reellen Drehpunkt dreht und nicht um den virtuellen Drehpunkt, ist der Schwenkwinkel nur in Beziehung zur "Near Place" Posi­ tion 90°. Die Viertelkreisbahn verlängert sich um ei­ ne geradlinige Bahn der Länge Z, bis die "Place" Po­ sition erreicht ist.

Die hier angegebene Exzentervorrichtung ist ein Aus­ führungsbeispiel für eine Realisierung der zwangswei­ sen geradlinigen Bewegung des Bestückungsarms, selbstverständlich sind andere Ausführungsformen denkbar.

Der Bestückungsarm 1 kann gleichzeitig als Lötarm ausgebildet sein und den Chip 3 mit der Leiterplatte 5 dauerhaft elektrisch verbinden (einlöten) bzw. dau­ erhaft mechanisch entfernen (auslöten). Der Bestüc­ kungsarm bzw. Lötarm kann auch (anstelle des Chips) mit einer sogenannten Einzeldruck-Lotpastenschablone ausgerüstet werden, mit der ähnlich einem Siebdruck ein Lotpastenmuster auf eine Platine aufbringbar ist.

Weiterhin ist der Bestückungsarm in Zusammenhang mit einem Testkopf verwendbar, der eine Mehrzahl von Prüf- bzw. Kontaktierungsstiften (bed of nails) auf­ weist. Diese Prüfstifte sind elektrisch mit einer Testschaltung verbunden, über die ein sogenannter "in-circuit test" durchführbar ist. Dabei müssen die Prüfstifte senkrecht in genauer Zuordnung auf die zu­ gehörigen Anschlüsse aufgesetzt werden.

Wenn das Bauelement oder die Leiterplatte nicht abso­ lut gerade sind, kann es zu Fehlern hinsichtlich der planparallelen Ausrichtung kommen. Der Bestückungsarm weist eine Dreipunktlagerung auf, die über Einstell­ schrauben 13 in jeder Richtung justierbar ist (pitch and roll). Durch die optische Einrichtung kann die dreidimensionale Überlagerung des Bildes der Unter­ seite des Bauelementes und der Oberseite der Leiter­ platte als virtuelle Plazierstellung beobachtet wer­ den und bei Ungenauigkeiten kann die Plazierstellung justiert werden, so daß ein koplanares Absetzen des Chips auf die Leiterplatte gewährleistet ist.

Damit bei größeren Chips 3 der Strahlteiler 4 die Schwenkbewegung des Bestückungsarms nicht stört, ist der Strahlteiler in Richtung senkrecht zur Zeichene­ bene in einer Präzisionslinearführung verschiebbar.

Vor dem Schwenken des Bestückungsarms 1 wird daher der Strahlteiler 4 aus dem Schwenkweg entfernt.

Falls der Abstand zwischen Chip 2 und Strahlteiler 4 einerseits und der Abstand zwischen Strahlteiler 4 und Leiterplatte 5 andererseits nicht auf Maßgleich­ heit eingestellt ist, wird das sogenannte "optische Funktionsquadrat" mit den vier Ecken Drehlager, Bau­ element (Chip), Strahlteiler und Leiterplatte (je­ weils auf optische Mitte bezogen) "verformt", d. h. die rechten Winkel des Quadrats werden größer bzw. kleiner als 90° (bleiben 360° in der Summe).

Falls der Abstand des Strahlteilers zum Bestückungs­ arm 1 hin verschoben ist, wird der Abstand zwischen Strahlteiler 4 und Leiterplatte 5 größer und der Auf­ treffwinkel wird größer als 90°. Falls der Strahltei­ ler 4 vom Bestückungsarm 1 weg verschoben ist, wird gleichfalls der Abstand zwischen Strahlteiler 4 und Leiterplatte 5 größer, der Auftreffwinkel wird jedoch kleiner als 90°. In beiden Fällen funktioniert das Ausrichten des Chips zu der Leiterplatte bei kleiner Vergrößerung wegen der dabei vorhandenen großen Tie­ fenschärfe trotzdem, bei höherer Vergrößerung jedoch bleibt nach dem Fokussieren eine der beiden Ansichten unscharf kleine Tiefenschärfe). Daher wird an der Halterung des Strahlteilers, d. h. an der Montageplat­ te des Strahlteilers, eine Schwalbenschwanzführung vorgesehen, mit der der Strahlteiler bzw. der Abstand zwischen Strahlteiler und Chip justierbar ist.

Claims (14)

1. Bestückungsvorrichtung zum koplanaren Aufsetzen von Bauelementen auf Leiterplatten mit einem über eine Lageranordnung schwenkbaren Bestüc­ kungsarm, an dem das zu positionierende Bauele­ ment gehalten wird, und einem optischen Strahl­ teiler, der derart angeordnet ist, daß sowohl das an dem Bestückungsarm in der Positionier­ stellung gehaltene Bauelement von seiner Unter­ seite als auch die Leiterplatte von ihrer Ober­ seite durch ihn beobachtet ist, wobei der Be­ stückungsarm aus der vertikalen Positionierstel­ lung heraus in einer Schwenkbewegung bis kurz über die Leiterplatte bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lageranordnung derart ausgebildet ist,
daß während der Schwenkbewegung die Schwenkachse des Bestückungsarms (1) senkrecht zur Ebene der Leiterplatte (5) bewegt wird, und daß nach Been­ digung der Schwenkbewegung des Bestückungsarms (1) dessen Schwenkachse entgegengesetzt zu ihrer Bewegung während der Schwenkbewegung um den gleichen Betrag bewegt wird, wodurch das Bauele­ ment (3) in einer senkrecht zur Leiterplatte (5) geführten Bewegung koplanar auf der Leiterplatte (5) abgesetzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lageranordnung einen ein Dreh­ lager (10) aufweisenden Lagerbock (9) und eine Linearführung (11) umfaßt, über die der Bestückungsarm (1) in einer geradlinigen Bewegung zu dem Lagerbock (9) bewegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linearführung (11) mindestens eine Führungsschiene und einen Führungsschlitten aufweist, wobei das eine Teil mit dem Lagerbock (9) und das andere Teil mit einem mit dem unte­ ren Ende des Bestückungsarms (1) verbundenen Montageträger (12) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung eine die geradlinige Bewegung zwischen Lagerbock (9) und Bestückungsarm (1, 12) hervorrufende Ver­ schubeinrichtung (14, 15) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschubeinrich­ tung eine Exzenteranordnung (14, 15) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Exzenteranordnung (14, 15) wäh­ rend der Schwenkbewegung des Bestückungsarms (1) die geradlinige Bewegung des Montageträgers (12) des Bestückungsarmes (1) relativ zum Lagerbock (9) veranlaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Exzenteranordnung (14, 15) eine in einer feststehenden Halterung der gesamten Vorrichtung aufgenommene Exzenterwelle (14) und einen mit dieser fest verbundenen Exzenter (15) aufweist, der mit einer an dem Montageträger (12) angebrachten Ablaufbahn (17) in Wirkverbin­ dung steht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageranordnung ein Bedienelement aufweist, über die die senk­ rechte, zur Leiterplatte (5) geführte Bewegung ausführbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bedienelement ein Hebel (18) ist, der mit der Exzenterwelle (14) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4) in der Horizontalebene verschiebbar angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4) gleichfalls in der 0° zur Ebene der Absetzbewe­ gung des Bestückungsarms (1) liegenden Horizon­ talebene verschiebbar angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestückungsarm (1) als Reflow-Lötarm mit und ohne Aufsetzfunk­ tion ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (3) eine Einzeldruckschablone ist zum selektiven Auftragen von Lötpaste, Leitkleber, SMD-Kleber etc.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (3) ein Prüfkopf mit einer Vielzahl von Kontaktie­ rungsstiften für einen "in-circuit test" ist.