DE10016998C1

DE10016998C1 - Electrical components equipping device with appliance for measuring placement force of components on to circuit board

Info

Publication number: DE10016998C1
Application number: DE10016998A
Authority: DE
Inventors: Stefan Friesenhan
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2000-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2020-04-06
Also published as: WO2001078482A1

Abstract

An equipping device for placing an electrical component (1) on a circuit board (2) has a traversing arm (3) movable in a longitudinal direction and a carrier element (4) suitable for receiving and delivering the component (1). A flexible, carrier arm (5) protrudes from the traversing arm (3) and its free end is tightly joined to the carrier element (4). A sensor (6) is provided for measuring the flexure of the carrier arm (5), the latter specifically being integrally integrated into the traversing arm (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestückvorrichtung zum Aufsetzen eines elektrischen Bauelementes auf eine Leiterplatte mit einem in Aufsetzrichtung verfahrbaren Verfahrarm und einem zur Aufnahme und Abgabe des Bauelementes geeigneten Trägerelement.The invention relates to a placement device for placement of an electrical component on a circuit board one movable in the mounting direction and one for Appropriate pickup and delivery of the component Carrier element.

Bestückvorrichtungen der eingangs genannten Art werden verwendet zur Bestückung von Leiterplatten mit elektrischen Bauelementen, die beispielsweise auch oberflächenmontierbare Bauelemente (SMD-Bauelemente) sein können. Das Trägerelement ist an dem Verfahrarm befestigt und kann mittels einer x-y- Positioniereinrichtung zwischen einem Bauelementevorrat und der zu bestückenden Position auf der Leiterplatte verfahren werden. Da die Leiterplatten üblicherweise mit Bauelementen und Bauteilen sehr unterschiedlicher Höhe bestückt sind, wird das Trägerelement in einem relativ großen Abstand von einigen Zentimetern über der Leiterplatte auf die gewünschte Bestückposition gefahren und dann auf die Leiterplatte abgesenkt. Dadurch wird das Bauelement auf der Leiterplatte abgesetzt. Die bei dem Absetzvorgang wirkenden Kräfte müssen, insbesondere bei hochempfindlichen Bauelementen wie integrierten Schaltungen, sehr genau innerhalb enger Toleranzen kontrolliert werden. Für einige empfindliche Bauelemente werden beispielsweise Absetzkräfte von 0,5 N mit einer Toleranz von 10% gefordert. Um die Aufsetzkräfte kontrollieren zu können, ist eine genaue Messung der Aufsetzkräfte notwendig.Placement devices of the type mentioned are used to populate printed circuit boards with electrical Components that are also surface-mountable, for example Components (SMD components) can be. The support element is attached to the travel arm and can be Positioning device between a component stock and the position to be assembled on the circuit board become. Since the circuit boards usually with components and components of very different heights are assembled the carrier element at a relatively large distance from some Centimeters above the circuit board to the desired one Placement position moved and then on the circuit board lowered. This will place the component on the circuit board discontinued. The forces acting during the settling process must especially with highly sensitive components such as integrated circuits, very precisely within narrow Tolerances are controlled. For some sensitive ones Components, for example, have settling forces of 0.5 N. a tolerance of 10% is required. The placement forces being able to control is an accurate measurement of the Touchdown forces necessary.

Aus US 4,657,470 ist eine Bestückvorrichtung bekannt, bei der im Trägerelement eine Druckfeder integriert ist, die beim Aufsetzen des Bauelements auf der Leiterplatte zusammengedrückt wird. Über den Federweg kann so die Aufsetzkraft indirekt bestimmt werden. Diese Methode der Messung der Aufsetzkraft hat den Nachteil, daß eine relativ aufwendige Konstruktion zur Messung des Federwegs notwendig ist und daß die Druckfeder in dem Trägerelement auch bei Bewegungen parallel zur Leiterplatte zusammendrückbar ist, wodurch die Kraftkomponente senkrecht auf die Leiterplatte, die die entscheidende Meßgröße ist, durch lateral zur Leiterplatte verlaufende Kraftkomponenten verfälscht wird.From US 4,657,470 a placement device is known in which a compression spring is integrated in the carrier element, which at Place the component on the circuit board is squeezed. So the suspension travel can Touchdown force can be determined indirectly. This method of Measuring the placement force has the disadvantage that a relative complex construction for measuring the spring travel necessary and that the compression spring in the carrier element also Movements parallel to the circuit board can be compressed, whereby the force component is perpendicular to the circuit board, which is the decisive parameter, by lateral to the PCB running power components is falsified.

Ferner ist durch die EP 0476 912 A eine Bestückvorrichtung bekannt, die zur Aufnahme und Abgabe von Bauelementen ein geeignetes Trägerelement aufweist, das in der Richtung der Leiterplatte verfahrbar ist. Die Andruckkraft, mit der das Trägerelement auf das jeweilige Bauelement auf der Leiterplatte drückt, wird anhand der Verformung zweier .Dehnungsmeßstreifen ermittelt, die an speichenartigen Armen eines Basisteils der Bestückvorrichtung angebracht sind.Furthermore, EP 0476 912 A is a placement device known to receive and deliver components suitable carrier element which in the direction of PCB is movable. The pressure with which the Carrier element on the respective component on the PCB presses, is based on the deformation of two Strain gauges determined on spoke-like arms a base part of the placement device are attached.

Ferner ist durch die US 5 422 554 eine Bestückvorrichtung bekannt, bei der der Vakuumgreifer für die Bauelemente axial durch eine Druckfeder abgestützt ist. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Druckfeder ist ein Aktuator angesetzt, durch den die Vorspannung der Feder und damit die Aufsetzkraft auf unterschiedliche Werte einstellbar ist.Furthermore, US 5 422 554 is a placement device known, in which the vacuum gripper for the components axially is supported by a compression spring. On the opposite end of the compression spring is an actuator set by which the bias of the spring and thus the Seating force can be set to different values.

Ferner ist eine Bestückvorrichtung bekannt, bei der der Verfahrarm von einem Linearmotor bewegt wird. Der Antriebsstrom des Linearmotors wird kontinuierlich gemessen. In dem Moment, in dem das Bauelement auf der Leiterplatte aufsetzt, steigt der Antriebsstrom für den Linearmotor aufgrund des mechanischen Widerstands an, wodurch auf die Aufsetzkraft geschlossen werden kann. Diese Methode der Messung der Aufsetzkraft hat den Nachteil, daß mit dem Verfahrarm, dem Linearmotor und dem Trägerelement eine relativ große Masse auf die Leiterplatte bewegt wird, wodurch die Messung der Aufsetzkraft mit der durch die Masse bestimmten Trägheit verzögert wird. Darüber hinaus entsteht im Verfahrarm bzw. im Linearmotor durch die nicht reibungslose Lagerung mechanische Reibung, die das Meßergebnis zusätzlich verfälscht.Furthermore, a placement device is known in which the Travel arm is moved by a linear motor. The The drive current of the linear motor is measured continuously. The moment the component is on the circuit board touches down, the drive current for the linear motor increases due to the mechanical resistance, which leads to the Touchdown can be closed. This method of Measuring the placement force has the disadvantage that with the Travel arm, the linear motor and the support element one relatively large mass is moved onto the circuit board, whereby the measurement of the contact force with the mass certain inertia is delayed. Beyond that arises in the travel arm or in the linear motor due to the non smooth storage mechanical friction that the Measurement result also falsified.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bestückvorrichtung anzugeben, die eine sehr einfach durchzuführende und sehr genaue Messung der Aufsetzkraft des Bauelementes auf der Leiterplatte erlaubt.The aim of the present invention is therefore a Specify placement device which is a very simple very precise measurement of the contact force of the Component allowed on the circuit board.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Bestückvorrichtung nach Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.This goal is achieved according to the invention by a Placement device according to claim 1 achieved. Beneficial Embodiments of the invention are to the further claims remove.

Die Erfindung gibt eine Bestückvorrichtung zum Aufsetzen eines elektrischen Bauelementes auf eine Leiterplatte an, die einen in Aufsetzrichtung verfahrbaren Verfahrarm und ein zur Aufnahme und Abgabe des Bauelementes geeignetes Trägerelement aufweist. Am Verfahrarm ist darüber hinaus ein vorspringender, biegeelastischer Trägerarm angeordnet, dessen freies Ende mit dem Trägerelement kraftschlüssig verbunden ist. Ferner weist die erfindungsgemäße Bestückvorrichtung einen Sensor auf, der zur Messung der Biegung des Trägerarms geeignet ist.The invention provides a placement device for placement of an electrical component on a circuit board a movable in the mounting direction and a to Pickup and delivery of the component suitable carrier element having. There is also a on the travel arm projecting, flexible support arm arranged, the free end non-positively connected to the carrier element is. Furthermore, the placement device according to the invention a sensor to measure the bending of the support arm suitable is.

Durch die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Trägerarm und dem Trägerelement wird einerseits erreicht, daß die Bewegung des Verfahrarms direkt auf das Trägerelement übertragen wird. Ferner wird dadurch erreicht, daß die Aufsetzkraft des Trägerelements auf der Leiterplatte direkt und unmittelbar auf den Trägerarm wirkt. Somit kann die Aufsetzkraft über die Biegung des Trägerarms gemessen werden. Die erfindungsgemäße Bestückvorrichtung hat den Vorteil, daß als träge Masse für die zum Aufbau der Aufsetzkraft wirksame Zeitkonstante nur noch die relativ geringe Masse des Trägerelements ausschlaggebend ist. Ferner hat die erfindungsgemäße Bestückvorrichtung den Vorteil, daß die Messung der Aufsetzkraft mit konstruktiv seht einfach zu realisierenden Mitteln erfolgt.Due to the non-positive connection between the support arm and the carrier element is achieved on the one hand that the Movement of the travel arm directly onto the carrier element is transmitted. It is also achieved that the Contact force of the carrier element directly on the circuit board and acts directly on the support arm. Thus, the Touchdown force can be measured via the bending of the support arm. The placement device according to the invention has the advantage that as an inert mass for the effective to build up the force Time constant only the relatively small mass of the Carrier element is crucial. Furthermore, the placement device according to the invention the advantage that Measuring the contact force with constructive just looks on realizing means.

Der aus dem Verfahrarm vorspringende Trägerarm kann als einstückig in den Verfahrarm integrierter Trägerarm realisiert sein. Dies geschieht beispielsweise durch Fräsen eines entsprechend geformten metallischen Werkstücks. Der aus dem Verfahrarm vorspringende Trägerarm kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch als separates Bauelement ausgeführt sein, das mit dem Verfahrarm lösbar verbunden ist. Eine solche lösbare Verbindung kann beispielsweise durch Schrauben oder Vernieten realisiert sein.The support arm protruding from the travel arm can be used as support arm integrated in one piece into the travel arm be realized. This is done, for example, by milling a correspondingly shaped metallic workpiece. The one out the support arm protruding can be in another Embodiment of the invention also as a separate component be executed, which is releasably connected to the travel arm. Such a releasable connection can, for example, by Screwing or riveting can be realized.

Es ist darüber hinaus eine Bestückvorrichtung besonders vorteilhaft, bei der das Trägerelement eine Saugpipette zum Ansaugen des Bauelements umfaßt. Mit Hilfe dieser erfindungsgemäßen Saugpipette ist die Bestückvorrichtung zur Entnahme von Bauelementen aus einem flächenhaften Träger, in dessen Vertiefungen die Bauelemente angeordnet sind (sogenannte Trays) geeignet. Ferner kann die Saugpipette auch zur Entnahme von gegurteten Bauelementen verwendet werden. Die Saugpipette ist besonders vorteilhaft an einem Drehmotor verbunden, der die Verdrehung der Saugpipette ermöglicht, um das Bauelement in seine gewünschte Winkellage zu verdrehen.A placement device is also special advantageous, in which the carrier element is a suction pipette Sucking the component includes. With the help of this Suction pipette according to the invention is the placement device for Removal of components from a flat carrier, in the depressions of which the components are arranged (so-called trays). Furthermore, the suction pipette can also be used to remove taped components. The suction pipette is particularly advantageous on a rotary motor connected, which enables the rotation of the suction pipette to to rotate the component into its desired angular position.

Ferner ist eine Bestückvorrichtung besonders vorteilhaft, bei der der Sensor am Trägerarm angeordnet ist. Da die Aufsetzkraft über die Biegung des Trägerarms gemessen wird, ist dies der direkteste und genaueste Weg, die Aufsetzkraft zu messen. Als Sensor kommt dabei im besonderen ein Dehnungsmeßstreifen in Betracht, der für die Messung von Biegungen besonders geeignet ist. Ein solcher Dehnungsmeßstreifen kann ein Metalldehnungsmeßstreifen oder auch ein Halbleiterdehnungsmeßstreifen (basierend auf dem piezoresistiven Effekt) sein. Die Dehnungsmeßstreifen werden dabei mit den in der Meßtechnik üblichen Meßbrücken mit weiteren Widerständen verschaltet. Zum Schutz des Dehnungsmeßstreifens vor Schmutz und Vibrationen ist es besonders vorteilhaft, den auf dem Trägerarm angeordneten Dehnungsmeßstreifen mit einem Verguß aus Silikongummi zu schützen.Furthermore, a placement device is particularly advantageous for which the sensor is arranged on the support arm. Since the Touchdown force is measured via the bending of the support arm, this is the most direct and precise way, the placement force to eat. The sensor comes into play in particular Strain gauge considered for the measurement of Bends is particularly suitable. Such a Strain gauges can be a metal strain gauge or also a semiconductor strain gauge (based on the piezoresistive effect). The strain gauges will be thereby with the measuring bridges customary in measuring technology further resistors connected. To protect the It is a strain gauge against dirt and vibrations particularly advantageous, the arranged on the support arm Strain gauges with a silicone rubber potting protect.

Es ist ferner eine Bestückvorrichtung vorteilhaft, bei der der Trägerarm im unverbogenen Zustand senkrecht auf dem Verfahrarm steht. Die Biegesteifigkeit des Trägerarms beträgt dabei in der Richtung parallel zum Verfahrarm höchstens ein Zehntel von der Biegesteifigkeit in den dazu senkrechten Richtungen. Ein senkrecht zum Verfahrarm und damit parallel zur Leiterplatte angeordneter Trägerarm hat den Vorteil, daß er insbesondere für Kräfte, die senkrecht zur Leiterplatte wirken und die für die Bestimmung der Aufsetzkraft entscheidend sind, besonders empfindlich ist. Durch die spezielle Ausgestaltung der richtungsabhängigen Biegesteifigkeit wird die Unempfindlichkeit des Trägerarms hinsichtlich Biegungen, die parallel zur Leiterplatte auftreten und die das Meßergebnis verfälschen, noch weiter verbessert.A placement device is also advantageous in which the support arm in the unbent state perpendicular to the Travel arm stands. The bending stiffness of the support arm is at most in the direction parallel to the travel arm Tenths of the bending stiffness in the perpendicular Directions. One perpendicular to the travel arm and therefore parallel support arm arranged to the circuit board has the advantage that he especially for forces perpendicular to the circuit board act and for the determination of the touchdown force are crucial, is particularly sensitive. Through the special design of the directional Flexural rigidity becomes the insensitivity of the support arm in terms of bends that are parallel to the circuit board occur and falsify the measurement result, even further improved.

Es ist weiterhin eine Bestückvorrichtung besonders vorteilhaft, bei der der Trägerarm im unverbogenen Zustand zwei parallele, sich senkrecht zum Verfahrarm erstreckende Biegeplatten aufweist, die an ihren verfahrarmseitigen Enden und an ihren trägerelementseitigen Enden mit je einem Verbindungselement starr verbunden sind. Diese spezielle Ausgestaltung des Trägerarms hat den Vorteil, daß der Trägerarm damit dem Prinzip der Parallelfeder entspricht. Dies bewirkt, daß das Trägerelement nur parallel zum Verfahrarm und damit ausschließlich senkrecht zur Leiterplatte bewegbar ist. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Trägerarms gegenüber Verbiegungen parallel zur Leiterplatte weiter reduziert, wodurch die Meßgenauigkeit der lediglich senkrecht zur Leiterplatte wirkenden Aufsetzkraft weiter erhöht wird.A placement device is also special advantageous in which the support arm in the unbent state two parallel ones that extend perpendicular to the travel arm Bending plates, which at their ends on the moving arm and at their ends on the support element side with one each Connecting element are rigidly connected. This special Design of the support arm has the advantage that the Carrier arm thus corresponds to the principle of the parallel spring. This causes the carrier element only parallel to Travel arm and therefore only perpendicular to PCB is movable. This will increase sensitivity of the support arm against bending parallel to Printed circuit board further reduced, making the measurement accuracy of contact force acting only perpendicular to the circuit board is further increased.

Eine besonders vorteilhafte und einfache Weise der Realisierung des Parallelfeder-Prinzips besteht darin, den Trägerarm als einen Quader auszubilden, der ein Langloch aufweist, welches den Trägerarm parallel zur Leiterplatte durchstößt und welches sich in Längsrichtung des Trägerarms erstreckt. Ein so ausgeführter Trägerarm ist besonders einfach und kostengünstig maschinell zu realisieren.A particularly advantageous and simple way of Realization of the parallel spring principle consists in the To form the support arm as a cuboid, the elongated hole which has the support arm parallel to the circuit board pierces and which is in the longitudinal direction of the support arm extends. A support arm designed in this way is special easy to implement by machine at low cost.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.In the following the invention is based on a Embodiment and the associated figures closer explained.

Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Bestückvorrichtung in Seitenansicht. The figure shows an assembly device according to the invention in Side view.

Die Figur zeigt eine in zwei Koordinatenrichtungen X-Y verfahrbare Bestückvorrichtung zum Aufsetzen eines elektrischen Bauelementes 1 auf einer Leiterplatte 2 mit einem in Aufsetzrichtung L senkrecht zur x-y-Ebene verfahrbaren Verfahrarm 3, der mit einem Trägerelement 4 fest verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Verfahrarm 3 und dem Trägerelement 4 erfolgt durch den Trägerarm 5, der jeweils mit dem Trägerelement 4 und dem Verfahrarm 3 verschraubt ist. Der Trägerarm 5 ist parallel zur Leiterplatte 2 angeordnet. Der Verfahrarm 3 kann beispielsweise am Gleitschlitten eines Linearmotors befestigt sein, der den Verfahrarm 3 senkrecht zur Leiterplatte 2 in der Aufsetzrichtung L bewegt.The figure shows a placement device that can be moved in two coordinate directions XY for placing an electrical component 1 on a printed circuit board 2 with a moving arm 3 that can be moved in the placing direction L perpendicular to the xy plane and that is firmly connected to a carrier element 4 . The connection between the travel arm 3 and the support element 4 is made by the support arm 5 , which is screwed to the support element 4 and the travel arm 3 , respectively. The support arm 5 is arranged parallel to the circuit board 2 . The moving arm 3 can, for example, be fastened to the sliding carriage of a linear motor which moves the moving arm 3 perpendicular to the printed circuit board 2 in the mounting direction L.

Das Trägerelement 4 umfaßt eine Saugpipette 7, mit deren Hilfe das Bauelement 1 aufgenommen und abgegeben werden kann. Die Saugpipette 7 kann beispielsweise mit einem Drehmotor verbunden sein, der dazu dient, die Saugpipette 7 mit dem Bauelemente 1 in dessen richtige Winkellage zu verdrehen.The carrier element 4 comprises a suction pipette 7 , by means of which the component 1 can be picked up and released. The suction pipette 7 can be connected, for example, to a rotary motor which serves to rotate the suction pipette 7 with the component 1 in its correct angular position.

Der Trägerarm 5 weist ein Langloch 10 auf, das den Trägerarm 5 in zwei Biegeplatten 8 unterteilt, die an ihren verfahrarmseitigen Enden und an ihren trägerelementseitigen Enden durch Verbindungselemente 9 starr miteinander verbunden sind. Dadurch wird eine Parallelfeder realisiert, die bewirkt, daß das Trägerelement 4 nur senkrecht zur Leiterplatte 2 beziehungsweise parallel zum Verfahrarm 3 bewegt werden kann. Dadurch erhöht sich die Selektivität des Sensors 6 zur Messung der Aufsetzkraft F in der Richtung senkrecht auf die Leiterplatte. Der Sensor 6 zur Messung der Biegung des Trägerarms 5 ist auf der Oberseite des Trägerarms 5 aufgebracht und kann besonders vorteilhaft als Dehnungsmeßstreifen ausgeführt sein.The support arm 5 has an elongated hole 10 which divides the support arm 5 into two bending plates 8 which are rigidly connected to one another at their ends on the travel arm side and at their ends on the support element side by connecting elements 9 . As a result, a parallel spring is realized, which has the effect that the carrier element 4 can only be moved perpendicular to the printed circuit board 2 or parallel to the travel arm 3 . This increases the selectivity of the sensor 6 for measuring the placement force F in the direction perpendicular to the printed circuit board. The sensor 6 for measuring the bend of the support arm 5 is applied to the top of the support arm 5 and can be particularly advantageously designed as a strain gauge.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beispielhaft gezeigten Ausführungsformen, sondern wird in ihrer allgemeinsten Form durch Anspruch 1 definiert. The invention is not limited to the examples shown embodiments, but will in their most general form defined by claim 1.

Reference list

11

Bauelement
Component

22

Leiterplatte
Circuit board

33rd

Verfahrarm
Travel arm

44

Trägerelement
Carrier element

55

Trägerarm
Support arm

66

Sensor
sensor

77

Saugpipette
Suction pipette

88th

Biegeplatte
Bending plate

99

Verbindungselement
Fastener

1010th

Langloch
L Aufsetzrichtung
F Aufsetzkraft
Long hole
L direction of touchdown
F touchdown force

Claims

1. placement device for placing an electrical component ( 1 ) on a circuit board ( 2 ) with

- a moving arm ( 3 ) which can be moved in the mounting direction (L),
a carrier element ( 4 ) suitable for receiving and delivering the component ( 1 ),
- A from the travel arm ( 3 ) projecting, flexible support arm ( 5 ), the free end of which is non-positively connected to the support element ( 4 ) and
- A sensor ( 6 ) for measuring the bending of the support arm ( 5 ).

2. Placement device according to claim 1, wherein the carrier arm ( 5 ) is integrated in one piece in the displacement arm ( 3 ).

3. placement device according to claim 1, wherein the support arm ( 5 ) with the displacement arm ( 3 ) is detachably connected.

4. placement device according to claim 1 to 3, wherein the carrier element ( 4 ) comprises a suction pipette ( 7 ) for sucking the component ( 1 ).

5. placement device according to claim 1 to 4, wherein the sensor ( 6 ) on the support arm ( 5 ) is arranged.

6. placement device according to claim 1 to 5, wherein the sensor ( 6 ) is a strain gauge.

7. placement device according to claim 1 to 6, in which the support arm ( 5 ) in the non-bent state is perpendicular to the travel arm ( 3 ) and in which the bending stiffness of the support arm ( 5 ) in the direction parallel to the travel arm at most one tenth of the bending stiffness in the directions perpendicular to it.

8. Placement device according to claim 7, wherein the support arm ( 5 ) in the non-bent state has two parallel, perpendicular to the travel arm ( 3 ) extending bending plates ( 8 ), which have a connecting element ( 9 ) are connected.

9. placement device according to claim 8, wherein the support arm ( 5 ) is formed from a cuboid having an elongated hole ( 10 ) extending in the longitudinal direction (L) of the support arm ( 5 ).