DE102005021100A1

DE102005021100A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element

Info

Publication number: DE102005021100A1
Application number: DE200510021100
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Koriath; Andreas Schubert; Ralf Böttcher; Dieter Fischer; Claus Dittrich
Original assignee: GEMAC GES fur MIKROELEKTRONIK; Gemac-Gesellschaft fur Mikroelektronikanwendung Chemnitz Mbh; SITEC INDUSTRIETECHN GmbH; SITEC INDUSTRIETECHNOLOGIE GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: GEMAC GES fur MIKROELEKTRONIK; Gemac-Gesellschaft fur Mikroelektronikanwendung Chemnitz Mbh; SITEC INDUSTRIETECHN GmbH; SITEC INDUSTRIETECHNOLOGIE GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-05-06
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2025-05-07
Also published as: DE102005021100B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element, wobei eine Lage des neigungssensitiven Elementes während eines Positioniervorgangs überprüft und in eine Solllage geregelt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dazu geeignet, bereits während der Bestückung eines Schaltungsträgers mit einem neigungssensitiven Element die neigungsgenaue Positionierung des neigungssensitiven Elementes zu ermöglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element und kann überall dort Anwendung finden, wo Bauteile mit elektrischen und mechanischen Teilfunktionen lagerichtig zueinander montiert und fixiert werden sollen. Dies betrifft beispielsweise in der Elektro- und Elektronikindustrie die Bestückung von Leiterplatten mit Neigungssensoren. Derartig bestückte Leiterplatten können unter anderem in der Automobil- und Flugzeugindustrie eingesetzt werden, um Neigungen eines Fortbewegungsmittels bezüglich des Gravitationsfeldes der Erde zu detektieren.
Es ist bekannt, dass zum Aufbau von Neigungssensoren miniaturisierte Bauteile mit elektrischen und mechanischen Funktionen (MEMS, Micro-Electromechanical System) beispielsweise mikromechanische oder mikrofluidische Funktionselemente eingesetzt werden können, die abhängig von ihrer Neigung ihre elektrischen Parameter, beispielsweise ihren Widerstand oder ihre Kapazität ändern.
Häufig werden diese Funktionselemente mittels einer Lötpaste oder eines Klebstoffes ein- oder zweiseitig auf eine Leiterplatte aufgebracht (SMT-Bestückung).
Die Bestückung bzw. die Montage solcher Funktionselemente erfolgt, indem neben anderen aktiven und passiven elektrischen Bauelementen auch entsprechende neigungssensitive Elemente durch Kleben oder Löten auf einem Schaltungsträger, beispielsweise einer Leiterplatte, einem Dickschicht- oder Dünnschicht-Hybrid befestigt werden. Diese Bestückung kann automatisiert, von Hand oder mit Hilfe einer unterstützenden Vorrichtung erfolgen. Die Positionierung und Orientierung der neigungssensitiven Elemente zur Montagestelle erfolgt dabei ausschließlich nach geometrischen Merkmalen, d.h. anhand von äußeren oder inneren Konturen des Schaltungsträgers oder bereits dort platzierter Bauteile oder anhand von speziellen Marken, sogenannten ,Fiducials'.
Nachdem die neigungssensitiven Elemente auf dem Schaltungsträger mit einer geeigneten elektronischen Schaltung aufgebracht worden sind, ist der so hergestellte Neigungssensor prinzipiell in der Lage, Neigungen zu detektieren. In einer geeigneten Prüfeinrichtung können durch Anlegen einer Eingangsspannung an den Neigungssensor die elektrischen Parameter des Neigungssensors ausgewertet werden. Des weiteren können Änderungen dieser elektrischen Parameter überprüft werden, wenn der Neigungssensor in der Prüfeinrichtung beispielsweise gekippt oder geneigt wird. Üblicherweise wird von einem Neigungssensor in Abhängigkeit einer Neigung eine Signalspannung erzeugt, die proportional zur Neigung des Neigungssensors ist.
In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, dass der Neigungssensor auch eine Null-Winkellage detektiert, in der die Signalspannung den Wert Null annimmt. Idealerweise ist diese Null-Winkellage senkrecht oder parallel zum Gravitationsfeld der Erde.
Bei der Herstellung des Neigungssensors bewirken zahlreiche elektrische und mechanische Toleranzen im Sensoraufbau jedoch, dass der komplette Neigungssensor nach seiner Bestückung einen unvermeidlichen Offset-Fehler aufweist, d.h. auch dann eine Signalspannung ungleich Null ausgibt, wenn er sich exakt in der vorgesehenen Null-Winkellage befindet. Dieser Fehler kann nachträglich behoben werden, indem eine elektrische Justage oder Kalibrierung am fertig aufgebauten Neigungssensor in einer geeigneten Justier- und Kalibrierungsvorrichtung vorgenommen wird.
Bei marktüblichen Neigungssensoren sind hierfür im Aufbau des Sensors neben dem neigungssensitiven Element und weiteren elektronischen Bauteilen spezielle Justierungs- und Kalibrierungselemente vorgesehen, die eine am Ende des Produktionsprozesses des Neigungssensors stehende elektrische Justage und Kalibrierung des Sensors ermöglichen. Dies geschieht beispielsweise durch das Trimmen von Abgleichswiderständen mittels eines Lasers oder durch das Einstellen von Potentiometern.
Allen Justierungs- und Kalibrierungsverfahren ist gemein, dass diese bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Neigungssensoren am Ende des Herstellungsprozesses in einem oder mehreren separaten Prozessschritten durchgeführt werden. Da diese Einstellvorgänge in separaten Prozessschritten erfolgen, verlängern sie insgesamt den Herstellungsprozess und die Produktionszeit, die zur Herstellung von Nei gungssensoren erforderlich ist. Darüber hinaus sind die Einstellvorgänge auch mit erheblichen Kosten verbunden, da zum einen die Justierungs- und Kalibrierungsvorgänge entweder manuell durch entsprechend geschulte Arbeitskräfte oder voll automatisch durch aufwendige Justierungs- und Kalibrierungsvorrichtungen erfolgen. Zum anderen erfordert diese Art der elektrischen Justage und Kalibrierung auch das Vorsehen von entsprechenden justier- und kalibrierbaren Elementen innerhalb der Neigungssensoren, beispielsweise den zuvor genannten Abgleichswiderständen oder Potentiometern. Diese Elemente sind für die spätere Funktion der Neigungssensoren an sich überflüssig und erfüllen ausschließlich die Aufgabe, die Null-Winkellage des Neigungssensors erstmalig festzulegen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element anzugeben, mit denen es möglich ist, derartige Schaltungsträger zeit- und kostengünstig herzustellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Lage des neigungssensitiven Elementes während eines Positioniervorgangs überprüft und in eine Solllage geregelt wird, und die Lage des neigungssensitiven Elementes durch ein vom neigungssensitiven Element gesendetes Neigungssignal bestimmt wird.
Dadurch dass die Lage des neigungssensitiven Elementes unmittelbar während seiner Positionierung überprüft und geregelt wird, können elektrische und/oder mechanische Toleranzen im Sensoraufbau kompensiert werden. Eine abschließende Justage oder Kalibrierung in einem separaten Verfahrensschritt wird somit überflüssig. Des weiteren ist es auch nicht mehr nötig, spezielle Justierungs- und Kalibrierungselemente, wie beispielsweise die zuvor genannten Abgleichwiderstände und/oder Potentiometer für den so hergestellten Neigungssensor vorzusehen, die nur die Aufgabe erfüllen, die Null-Winkellage des Neigungssensors am Ende des Produktionsprozesses zu definieren und den Neigungssensor mit Bezug auf seinen Schaltungsträger und/oder auf das Gravitationsfeld der Erde zu kalibrieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine Zeit- und Kosteneinsparung bei der Bestückung von Schal tungsträgern mit neigungssensitiven Elementen bzw. bei der Herstellung von Neigungssensoren.
Des weiteren sind während des Positioniervorganges keine separaten Vorrichtungen, beispielsweise separate Neigungssensoren, zur Bestimmung eines Neigungs- oder Kippwinkels des neigungssensitiven Elementes erforderlich. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Produktionskosten.
Vorzugsweise ist das Verfahren zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element kenngrößengeregelt und umfasst die folgenden Schritte: Zuerst wird das neigungssensitive Element zu dem Schaltungsträger vorpositioniert und mit dem Schaltungsträger elektrisch kontaktiert. Anschließend wird der Sensor mit dem neigungssensitiven Element aktiviert und sendet das Neigungssignal. Gemäß dem gesendeten Neigungssignal wird die Lage des neigungssensitiven Elementes verändert, bis es sich in der Solllage befindet.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bezeichnet die kenngrößengeregelte Bestückung das Anordnen eines neigungssensitiven Elementes unter Berücksichtigung einer Kenngröße, die dem neigungssensitiven Element selbst immanent ist und von dem neigungssensitiven Element selbst bereitgestellt wird. D.h., das neigungssensitive Element selbst vermittelt eine elementbezogene Kenngröße, die während des Bestückungsvorganges als Regelungs-Parameter für die Regelung des Elementes in seine Solllage verwendet wird. Die Kenngröße bzw. das vom sensitiven Element gesendete Signal kann beispielsweise eine Neigung, eine Position oder Länge, ein Wärmebild oder eine Temperatur einer Bildmarke, oder eine Wirkleistung einer Hochfrequenzantenne, o.ä. sein. Gemäß dieser Kenngröße bzw. dieser Kenngrößen wird die Bestückung geregelt. Somit ist es für die Bestückung nicht erforderlich, auf Information zurückzugreifen, die von anderen Sensoren als dem zu verbauenden sensitiven Element geliefert werden könnten. Insbesondere kann hierbei auf eine geometrische Bestimmung einer Außenkontur, beispielsweise durch eine Greifzange, auf eine dynamische Bestimmung einer Fügekraft, beispielsweise durch ein Dynanometer, und auf eine geometrische Vermessung anhand von Bildmarken, beispielsweise durch eine Kamera, verzichtet werden, Kosten für externe Detektionseinrichtungen entfallen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt der Positioniervorgang des neigungssensitiven Elementes im Sinne eines Regelkreises, indem eine Regelgröße auf Grundlage des von dem neigungssensitiven Element, eine Kenngröße desselben repräsentierend, gegebenen Signals bestimmt wird. Die Regelgröße, kann dabei an die geforderte Lagegenauigkeit, d.h. an die geforderte Genauigkeit der Positionierung des Neigungssensors angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird festgestellt, dass sich das neigungssensitive Element in der Solllage befindet, wenn die Regelgröße innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches liegt. Durch die Festlegung des Toleranzbereiches bei der Bestückung des Schaltungsträgers mit dem neigungssensitiven Element ist es bereits während des Produktionsprozesses möglich, für verschiedene Anwendungsbereiche und deren unterschiedliche Anforderungen an die Messgenauigkeit, Neigungssensoren mit den entsprechenden Toleranzen und der erforderlichen Messgenauigkeit herzustellen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Schaltungsträger mit zwei oder mehreren neigungssensitiven Elementen bestückt. Ein erstes neigungssensitives Element wird in einer ersten Solllage fixiert und ein zweites sensitives Element wird während des Positioniervorganges zur Lage des ersten neigungssensitiven Elementes überprüft und in eine zweite Solllage geregelt. Somit ist es auch möglich, mehr als ein neigungssensitives Element auf dem einen einzigen oder auch auf mehreren Schaltungsträgern zu platzieren und sämtliche dort aufgebrachten bzw. aufzubringenden neigungssensitiven Elemente in einer räumliche Lage zueinander zu bringen, ohne dass hierfür weitere (externe) Detektionsvorrichtungen vorgesehen werden müssen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Schaltungsträger in einer bekannten räumlichen Lage, vorzugsweise in einem rechten Winkel zum Gravitationsfeld der Erde, ortsfest fixiert. Dadurch lässt sich die erforderliche Null-Winkellage einfach und ohne zusätzliche Berücksichtigung einer möglichen Neigung des Schaltungsträgers zum Gravitationsfeld der Erde bestimmen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein erster Verbindungsstoff, der elektrisch leitfähig ist, an einer Kontaktstelle des Schaltungsträgers aufgebracht, und das neigungssensitive Element wird anschließend auf dieser Kontaktstelle vorpositioniert. Auf dem Schaltungsträger sollte die Kontaktstelle so gelegen sein, dass sie für eine Aufnahme- oder Greifvorrichtung mit einem darin aufgenommenen oder gegriffenen neigungssensitiven Element gut zugänglich ist und auch noch genügend Freiraum vorhanden ist, um das neigungssensitive Element in seine Solllage zu bringen und lagefest mit dem Schaltungsträger zu verbinden.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das neigungssensitive Element nach Erreichen der Solllage durch Aufbringen eines weiteren Verbindungsstoffes mit dem Schaltungsträger dauerhaft verbunden. Bei dem weiteren Verbindungsstoff handelt es sich beispielsweise um einen strahlenaushärtenden Klebstoff, vorzugsweise um einen Klebstoff, der unter Einfluss von UV-Licht aushärtet.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird als erster Verbindungsstoff ein stoffschlüssiger Verbindungsstoff, vorzugsweise ein Klebstoff oder ein Lot, gewählt, der sowohl in seiner verarbeitbaren Phase als auch in seiner ausgehärteten Phase leitfähig ist. Da in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kein weiterer Verbindungsstoff zur lagefesten und dauerhaften Verbindung des neigungssensitiven Elementes mit dem Schaltungsträger notwendig ist, kann ein weiterer Verfahrensschritt zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit einem neigungssensitiven Element eingespart werden, wodurch sich der Zeitaufwand zur Herstellung eines Neigungssensors weiter verkürzt.
Vorzugsweise ist der Schaltungsträger eine bis auf das neigungssensitive Element bestückte Sensoreinheit zur Detektierung einer Neigung und wird zum Erreichen der Solllage des neigungssensitiven Elementes mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung verbunden, um das neigungssensitive Element zu aktivieren.
Das erfindungsgemäß Prinzip ist zwar bevorzugt für ein nur vom Gravitationsfeld der Erde beeinflusstes neigungssensitives Element (Neigungssensor) vorgesehen, hierauf aber nicht beschränkt.
Vielmehr können in Verbindung mit anderen Wirkfeldern, z.B. elektrischen und/oder magnetischen Feldern von diesen beeinflusste Elemente, z.B. (aber nicht ausschließlich) zur Bestückung einer oder mehrerer Schaltungsträger wie Leiterplatten vorgesehen sein, die ebenfalls zugleich Teil eines Eigenschaftsdetektionssystems (Neigungserfassung, Leitfähigkeitserfassung, Schaltzustandserfassung, o. dgl.) sind, so dass die entsprechende Ist-Eigenschaft des Elementes ohne Interaktion mit äußeren anderen Elementen unmittelbar durch das Eigenschaftsdetektionssystem (z.B. eine Auswertschaltung) erfasst und in Richtung eines Sollzustandes beeinflusst werden kann.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird hinsichtlich einer Vorrichtung erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element, insbesondere zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, mit zumindest einer Positioniereinrichtung, die zumindest eine Lageerfassungseinrichtung aufweist, die eine Lageabweichung des neigungssensitiven Elementes erfasst, und zumindest eine Regelungseinrichtung, die die Lage des neigungssensitiven Elementes mittels der Positioniereinrichtung gemäß einem Sollwert regelt.
Vorzugsweise ist die Positioniereinrichtung mit der Lageerfassungseinrichtung und der Regelungseinrichtung verbunden, und positioniert das neigungssensitive Element gemäß einem von dem neigungssensitiven Element gesendetem Neigungssignal. Da zur Ausrichtung des neigungssensitiven Elementes auf dem Schaltungsträger auf das vom neigungssensitiven Element selbst gesendete Neigungssignal zurückgegriffen wird, kann auf weitere Sensoren zur Bestimmung der Neigung des neigungssensitiven Elementes relativ zum Schaltungsträger und/oder zum Gravitationsfeld der Erde, beispielsweise auf optische Sensoren oder weitere Neigungssensoren in der Positioniereinrichtung oder im Umfeld der Positioniereinrichtung, verzichtet werden.
Vorzugsweise ist zumindest eine Aktivierungseinrichtung vorgesehen, die das neigungssensitive Element zur Aussendung des Neigungssignals aktiviert.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Aktivierungseinrichtung zumindest eine elektrische Versorgungseinheit und zumindest eine Kontaktierungseinheit zum elektrischen Kontaktieren des Schaltungsträgers und des neigungssensitiven Elementes auf.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Fixierungseinrichtung vorgesehen, die den bis auf das neigungssensitive Element bestückten Schaltungsträger, vorzugsweise in einem rechten Winkel zum Gravitationsfeld der Erde, ortsfest fixiert. In diesem Ausführungsbeispiel kann auf eine aufwendige Umrechnung des Neigungswinkel des neigungssensitiven Elementes gemäß einer angestrebten Null-Winkellage verzichtet werden.
Vorzugsweise weist die Positioniereinrichtung zumindest ein drehbares Element und zumindest ein verschiebbares Element auf, und das drehbare Element weist an einem ersten Ende ein Drehgelenk auf, mit dem es mit dem verschiebbaren Element verbunden ist.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt das Drehgelenk in Höhe der Bestückungsebene des Schaltungsträgers, wenn das neigungssensitive Element an einer Kontaktstelle in Kontakt mit dem Schaltungsträger steht.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Neigungswinkel zwischen dem neigungssensitiven Element und dem Schaltungsträger durch gleichzeitiges Verschieben des verschiebbaren Elementes und Drehen des drehbaren Elementes gemäß dem vom neigungssensitiven Element gesendeten Neigungssignal veränderbar. Dadurch dass das Drehgelenk, durch welches das verschiebbare Element und drehbare Element miteinander verbunden sind, in der Bestückungsebene des Schaltungsträgers liegt, ist es aufgrund der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebenen kinematischen Zusammenhänge möglich, das neigungssensitive Element zu neigen und den Neigungswinkel gemäß einem Sollwert zu regeln, ohne dass das neigungssensitive Element dabei den Kontakt mit dem Schaltungsträger verliert.
Vorzugsweise ist zumindest eine Aufbringungsvorrichtung zum Aufbringen eines elektrischen leitfähigen Verbindungsstoffes auf die Kontaktstelle des Schaltungsträgers vorgesehen, auf der anschließend das neigungssensitive Element positionierbar ist.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Positioniereinrichtung weitere Sensoren zur Erfassung einer Dicke des Schaltungsträgers, einer Dicke des Verbindungsstoffes und/oder eine Anpresskraft des neigungssensitiven Elementes auf den Schaltungsträger auf. Durch die Einbeziehung von weiteren Sensoren in der Positioniereinrichtung können Unregelmäßigkeiten, beispielsweise in der Dicke des Schaltungsträgers oder in der Dicke des Verbindungsstoffes detektiert werden, und die Bewegungen der Positioniereinrichtung können gemäß dieser detektierten Unregelmäßigkeiten korrigiert werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 ein Ablaufdiagramm zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit einem neigungssensitiven Element,
2 eine Positioniereinrichtung, und
3 die Positioniereinrichtung mit Justageelementen.
In 1 ist ein Ablaufdiagramm zur Bestückung eines Schaltungsträgers (ST) 2 mit einem neigungssensitiven Element (SE) 1 dargestellt. Die verwendeten Nummerierungen der Merkmale entsprechen den Nummerierungen der Merkmale, wie sie in den folgenden 2 und 3 verwendet werden. Des weiteren sind Lageangaben, wie z.B. oben, unten, auf, usw. wie sie im Folgenden in der Beschreibung verwendet werden, unmittelbar auf die dargestellten Figuren und bevorzugten Ausführungsbei spiele zu beziehen, und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
In Schritt S1 stellt der Schaltungsträger (ST) 2 eine bis auf das neigungssensitive Element (SE) 1 bestückte Sensoreinheit dar. Der derartig bestückte Schaltungsträger 2 wird durch eine nicht gezeigte Fixierungseinrichtung ortsfest fixiert, wobei der Schaltungsträger 2 vorzugsweise in einem rechten Winkel zum Gravitationsfeld der Erde ausgerichtet ist.
Durch eine nicht gezeigte Aufbringungsvorrichtung wird ein elektrisch leitfähiger Verbindungsstoff auf eine Kontaktstelle 9 des Schaltungsträgers 2 aufgebracht, auf der anschließend das neigungssensitive Element 1 positionierbar ist. Bei dem gewählten Verbindungsstoff handelt es sich vorzugsweise um einen Klebstoff oder ein Lot. Der Verbindungsstoff ist sowohl in seiner verarbeitbaren Phase als auch in seiner ausgehärteten Phase elektrisch leitfähig.
Nach dem Aufbringen des Verbindungsstoffes wird das neigungssensitive Element 1 durch eine Positioniereinrichtung 3 auf der Kontaktstelle 9 vorpositioniert. Diese Vorpositionierung führt dazu, dass das neigungssensitive Element in elektrisch leitfähigen Kontakt mit der Kontaktstelle 9 tritt, jedoch nicht gemäß einer gewünschten Solllage ausgerichtet ist. Da sich der Verbindungsstoff noch in seiner verarbeitbaren Phase befindet, besteht einerseits der elektrische Kontakt, andererseits kann die Lage, bzw. die Neigung des neigungssensitiven Elementes 1 bezüglich des Schaltungsträgers 2, bzw. bezüglich des Gravitationsfeldes der Erde noch verändert werden.
Die folgenden Schritte S2 und S3 stellen einen Regelkreis dar, der vereinfacht in Schritt S4 zusammengefasst ist.
Durch eine nicht gezeigte Aktivierungseinrichtung wird der mit dem vorpositionierten neigungssensitiven Element 1 bestückte Schaltungsträger 2 elektrisch kontaktiert. Die Aktivierungseinrichtung weist zumindest eine elektrische Versorgungseinheit und zumindest eine Kontaktierungseinheit auf. Die Aktivierungseinrichtung aktiviert das neigungssensitive Element 1 bzw. den derart bestückten Schaltungsträger 2 durch ein Eingangssignal oder durch Anlegen der Versorgungsspannung. Gemäß der momen tanen Winkellage des neigungssensitiven Elementes 1 sendet der bestückte Schaltungsträger 2 ein Neigungssignal aus, z. B. in Form einer Signalspannung oder eines Signalstromes.
Hierfür weist das z.B. verwendete MEMS, d.h. das Sensorelement selbst Paddel auf, die lageabhängig vom Gravitationsfeld der Erde bzw. von der Schwerkraft ausgelenkt werden und zugleich Teil eines Differentialkondensators sind, dessen aus dieser Lageänderung resultierende Kapazitätsänderungen in einem Differential-Auswerteschaltkreis als Strom- und/oder Spannungsänderung erfassbar sind.
Das ausgesendete Neigungssignal wird von einer nicht gezeigten Lageerfassungseinrichtung erfasst. Bei der Lageerfassungseinrichtung handelt es sich im einfachsten Fall um ein Spannungsmessgerät, das mit einem Ausgang des bestückten Schaltungsträgers 2 verbunden ist und die Signalspannung des Neigungssignals angibt. Hierbei ermöglicht die Größe der ausgegebenen Signalspannung Rückschlüsse auf die Größe des Neigungswinkels des neigungssensitiven Elementes 1. Das Vorzeichen der Signalspannung ermöglicht eine Aussage über die Richtung, in die das neigungssensitive Element 1 gekippt bzw. geneigt werden muss, um seine Sollposition, d.h. die Null-Winkellage zu erreichen.
Zu diesem Zweck weist die Lageerfassungseinrichtung zumindest eine Umrechnungseinheit auf, die das von dem aktivierten neigungssensitiven Element 1 bzw. von dem derart bestückten Schaltungsträger 2 abgegebene Neigungssignal in einen Ist-Wert bzw. in eine Regelgröße y_i umrechnet. Die Positioniereinrichtung 3 weist ihrerseits eine nicht gezeigte Steuereinheit auf, die mit der Umrechnungseinheit verbunden ist.
Im Schritt S2 wird überprüft ob der Ist-Wert bzw. die Regelgröße y_i innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt. Hierzu wird bezüglich der Signalspannung ein Soll-Wert y_s definiert, der der Signalspannung entspricht, die der mit dem neigungssensitiven Element 1 bestückte Schaltungsträger 2 abgibt, wenn der Sensor in seine Bezugs-Winkellage ausgerichtet wurde. Idealerweise entspricht der Soll-Wert y_s einer Signalspannung von Null Volt. Ein Toleranzwert ε stellt die zulässige Abweichung der Regelgröße y_i vom Sollwert y_s dar. Somit hat die Wahl des Toleranzwertes ε maßgeb lichen Anteil an der Qualität und der Genauigkeit des herzustellenden Neigungssensors. Der Soll-Wert y_s wird von der Regelgröße y_i subtrahiert und überprüft, ob das betragsmäßige Ergebnis der Subtraktion kleiner oder gleich dem zulässigen Toleranzwert ε ist, d.h. innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches liegt.
Liegt die Regelgröße y_i nicht innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, wird in Schritt S3 der Neigungswinkel des neigungssensitiven Elementes 1 zum Schaltungsträger 2 geringfügig geändert, und zwar gemäß des Vorzeichens des Ergebnisses aus der Subtraktion des Sollwertes y_s von der Regelgröße y_i. Aus diesem Grund ist eine nicht gezeigte Regelungseinrichtung mit der Positioniereinrichtung 3 bzw. mit der Steuereinheit der Positioniereinrichtung 3 verbunden, um die Positioniereinrichtung 3 gemäß der Regelgröße y_i zu steuern und um einen Regelkreis zu bilden.
Nach einer erfolgten Änderung des Neigungswinkels des neigungssensitiven Elementes 1 im Schritt S3 wird in Schritt S2 erneut überprüft, ob die Regelgröße y_i innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches liegt. Ist dies der Fall, wird der Regelkreis S4 bestehend aus den Schritten S2 und S3 verlassen; ist dieses nicht der Fall, wird der Regelkreis S4 ein weiteres Mal durchlaufen. Die Anzahl der Durchläufe des Regelkreises S4 kann auch durch eine weitere Abbruchbedingung begrenzt werden.
In Schritt S5 ist der Neigungswinkel des neigungssensitiven Elementes 1 zum Schaltungsträger 2 bzw. zum Gravitationsfeld der Erde innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches. Abhängig vom eingangs gewählten Verbindungsstoff wird in Schritt S5 die Lage des neigungssensitiven Elementes 1 auf dem Schaltungsträger 2 dauerhaft fixiert. Wurde zuvor ein elektrisch leitfähiger Klebstoff zur Kontaktierung des neigungssensitiven Elementes 1 auf der Kontaktstelle 9 des Schaltungsträgers 2 gewählt, wird dieser Klebstoff in Schritt S5 beispielsweise durch UV-Licht gehärtet. Wurde andererseits beispielsweise ein vorher erwärmtes Lot als Verbindungsstoff gewählt, reicht es in Schritt S5 aus, das Lot bei Umgebungstemperatur erstarren zu lassen.
Wenn das neigungssensitive Element 1 mit der Kontaktstelle 9 des Schaltungsträgers 2 zuvor nur durch einen leitfähigen Verbindungsstoff mit unzureichenden mechanischen Eigenschaften verbunden wurde, ist es auch möglich, das neigungssensitive Element 1 durch Einsatz eines weiteren Verbindungsstoffes mit besseren mechani schen Eigenschaften zu fixieren. Dies mag auch sinnvoll erscheinen, wenn die Kontaktstelle 9 durch einen weiteren Verbindungsstoff nach außen elektrisch passiviert werden soll.
Nach dem Erstarren des Verbindungsstoffes in Schritt S5 ist der Bestückungsprozess beendet und der Neigungssensor einsatzfähig. Der fertige Sensor wird aus der Fixierungseinrichtung entnommen.
In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Positioniereinrichtung 3 dargestellt. Die Positioniereinrichtung 3 weist ein drehbares Element 4 und ein verschiebbares Element 5 auf. An einem ersten Ende des drehbaren Elementes 4 befindet sich ein Drehgelenk 6. Mit diesem Drehgelenk 6 ist das drehbare Element 4 mit dem verschiebbaren Element 5 verbunden und drehbar gelagert.
An einem zweiten Ende des drehbaren Elementes 4 befindet sich eine Aufnahmevorrichtung 7. Die Aufnahmevorrichtung 7 ist beispielsweise als pneumatischer Greifer ausgeführt, der das neigungssensitive Element 1 aufnimmt.
Durch den Schaltungsträger 2, der in der Fixiereinrichtung (nicht gezeigt) ortsfest fixiert ist, wird eine Bestückungsebene 8 definiert. Wenn das neigungssensitive Element 1 in der Kontaktstelle 9 auf den Schaltungsträger 2 aufgesetzt wird, befindet sich das Drehgelenk 6 der Positioniereinrichtung 3 in der Bestückungsebene 8. Das verschiebbare Element 5 ist derart angeordnet, dass es senkrecht zur Bestückungsebene 8 verschiebbar ist. Bezüglich auf die in 2 dargestellte Bestückungsebene 8 kann diese Verschiebung sowohl nach oben als auch nach unten erfolgen.
Bei gleichzeitiger Verschiebung des verschiebbaren Elementes 5 in vertikaler Richtung und Drehung des drehbaren Elementes 4 um das Drehgelenk 6 ist durch die zuvor beschriebene Kinematik das neigungssensitive Element 1, das auf den Schaltungsträger 2 aufgesetzt ist, im Bereich der Kontaktstelle 9 neig- bzw. kippbar. Diese Neigung erfolgt, ohne dass das neigungssensitive Element 1 den elektrisch leitenden Kontakt zur Kontaktstelle 9 verliert.
Um eine möglichst feinfühlige Drehung des drehbaren Elementes 4 um die Kontaktstelle 9 zu erreichen, wird das verschiebbare Element 5 feinfühlig verschoben, z. B. durch einen Piezoantrieb. Aufgrund der Kinematik der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einem einstellbaren Kippmoment neigt sich das neigungssensitive Element 1 um die Kontaktstelle 9.
Aufgrund der geringen erforderlichen Neigungswinkel und der hohen Positioniergenauigkeit ist es außerdem vorteilhaft, wenn insbesondere das drehbare Element 4 und die Aufnahmevorrichtung 7 möglichst leichtgewichtig und dennoch torsions- und biegesteif ausgeführt sind. Dies geschieht beispielsweise durch den Einsatz von Leichtmetallen und/oder Verbundwerkstoffen.
Im Umfeld der Positioniereinrichtung 3 bzw. des in der Fixiereinrichtung eingespannten Schaltungsträgers 2 befindet sich des weiteren eine Lageerfassungseinrichtung (nicht gezeigt), die die Position bzw. Neigung des neigungssensitiven Elementes 1 erfasst. Hierzu wird das neigungssensitive Element 1 bzw. der derart bestückte Schaltungsträger 2 durch eine Aktivierungseinrichtung (nicht gezeigt) aktiviert, so dass ein von dem Schaltungsträger 2 gemäß der momentanen Neigung des neigungssensitiven Elementes 1 abgegebenes Neigungssignal von der Lageerfassungseinrichtung detektiert wird.
Die Aktivierungseinrichtung weist zumindest eine elektrische Versorgungseinheit und eine Kontaktierungseinheit zum elektrischen Kontaktieren des Schaltungsträgers 2 und des neigungssensitiven Elementes 1 auf.
In diesem Zusammenhang ist auch zu erwähnen, dass eine Aufbringungsvorrichtung (nicht gezeigt) zum Aufbringen des elektrisch leitfähigen Verbindungsstoffes auf die Kontaktstelle 9 des Schaltungsträgers 2 vorgesehen ist. In Abhängigkeit davon, ob ein weiterer Verbindungsstoff zur ortsfesten Fixierung des neigungssensitiven Elementes 1 auf dem Schaltungsträger 2 benötigt wird oder ob eine Härtungsvorrichtung zum zügigen und prozesssicheren Aushärten des aufgebrachten Verbindungsstoffes notwendig ist, beispielsweise eine UV-Lampe, können diese Vorrichtungen auch in einer Vorrichtung kombiniert werden.
Eine Regelungseinrichtung (nicht gezeigt) regelt die Neigung des neigungssensitiven Elementes 1 mittels der Positioniereinrichtung 3 gemäß dem Soll-Wert. Hierzu weist die Regelungseinrichtung zumindest eine Umrechnungseinheit auf, die das von dem aktivierten neigungssensitiven Elementes 1 abgegebene Neigungssignal in die Regelgröße y_i umrechnet. Zu diesem Zweck sind die Lageerfassungseinrichtung, die Positioniereinrichtung 3 und die Regelungseinrichtung miteinander verbunden.
Die Positioniereinrichtung 3 weist eine Steuereinheit (nicht gezeigt) auf, die mit dem Piezoantrieb des verschiebbaren Elementes 5 und mit der Aufnahmevorrichtung 7 verbunden ist und das verschiebbare Element 5 gemäß der Regelgröße y_i steuert. Hierzu wird, wie in 1 beschrieben, von der Regelungseinrichtung aufgrund des gesendeten Neigungssignals die Abweichung und die Richtung der Abweichung von der Null-Winkellage des neigungssensitiven Elementes 1 bestimmt. Daraus abgeleitete Parameter werden an die Steuereinheit der Positioniereinrichtung 3 übertragen, die diese wiederum in Steuerbefehle zur Ansteuerung des Piezoantriebes umsetzt.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Positioniereinrichtung 3 mit Justageelementen 10 gezeigt. Die Justageelemente 10 sind an einem Ausleger des drehbaren Elementes 4 befestigt und derart angeordnet, dass der Schwerpunkt des drehbaren Elementes 4 im Bereich des Drehgelenks 6 liegt. Durch einen Verschiebemechanismus (nicht gezeigt) ist es weiterhin möglich, die Justageelemente 10 im Bereich des Auslegers des drehbaren Elementes 4 zu verschieben, um eine vordefinierte Kontaktkraft zwischen dem neigungssensitiven Element 1 und dem Schaltungsträger 2 zu erzeugen.
Des weiteren sind weitere Sensoren vorgesehen, die unter anderem eine Dicke des Schaltungsträgers 2 und/oder eine Dicke des auf die Kontaktstellen 9 aufgebrachten Verbindungsstoffes detektieren. Außerdem kann über einen Kraftsensor die Anpresskraft des neigungssensitiven Elementes 1 auf den Schaltungsträger 2 bestimmt werden. Diese Sensoren können sowohl in der Fixierungseinrichtung des Schaltungsträgers 2 als auch in der Positioniereinrichtung 3, beispielsweise in der Aufnahmeeinrichtung 7 untergebracht sein. Dadurch ist es möglich, in vorgeordneten Produktionsprozessen des Schaltungsträgers 2 aufgetretene Ungenauigkeiten zu kompensieren und das neigungssensitiven Element 1 trotzdem winkelgenau auf dem Schaltungsträger 2 zu platzieren.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers mit zumindest einem neigungssensitiven Element, wobei eine Lage des neigungssensitiven Elementes während eines Positionierungsvorganges überprüft und in eine Solllage geregelt wird. Das Verfahren und die Vorrichtung sind dazu geeignet, bereits bei der Bestückung eines Schaltungsträgers mit einem neigungssensitiven Element die neigungsgenaue Positionierung des neigungssensitiven Elementes zu ermöglichen, ohne einer Interaktion mit anderen Elementen zu bedürfen. Der Schaltungsträger kann auch aus mehreren Teilen bestehen und es können auch mehrerer solcher „autarken" Elemente hinsichtlich ihrer Lagepositionierung oder anderer Elementeigenschaften vorgesehen und auf eine Sollgröße geregelt (insbesondere auf eine Solllage positioniert) werden.

Claims

Verfahren zur Bestückung eines Schaltungsträgers (2) mit zumindest einem neigungssensitiven Element (1), wobei eine Lage des neigungssensitiven Elementes (1) während eines Positioniervorgangs überprüft und in eine Solllage geregelt wird, und die Lage des neigungssensitiven Elementes (1) durch ein vom neigungssensitiven Element (1) gesendetes Neigungssignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren kenngrößengeregelt ist und die folgenden Schritte umfasst: – das neigungssensitives Element (1) wird zu dem Schaltungsträger (2) vorpositioniert und mit dem Schaltungsträger (2) elektrisch kontaktiert, – das neigungssensitive Element (1) wird aktiviert und sendet das Neigungssignal, – gemäß dem gesendeten Neigungssignal wird die Lage des neigungssensitiven Elementes (1) verändert (S3), bis es sich in der Solllage befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Positioniervorgang des neigungssensitiven Elementes (1) im Sinne eines Regelkreises erfolgt (S4), in dem eine Regelgröße (y_i) gemäß dem Neigungssignal bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei festgestellt wird, dass sich das neigungssensitive Element (1) in der Solllage befindet, wenn die Regelgröße (y_i) innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereiches liegt (S2).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Schaltungsträger (2) mit zwei oder mehreren neigungssensitiven Elementen (1) bestückt wird, ein erstes neigungssensitive Element in einer ersten Solllage fixiert wird und ein zweites neigungssensitive Element während des Positioniervorganges zur Lage des ersten neigungssensitiven Elementes überprüft und in eine zweite Solllage geregelt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Schaltungsträger (2) in einer bekannten räumlichen Lage, je nach Wirkungsrichtung vorzugsweise in einem rechten Winkel oder parallel zum Gravitationsfeld der Erde, ortsfest fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das gesendete Neigungssignal in Bezug auf die räumliche Lage des Schaltungsträgers (2) gesetzt wird, um das neigungssensitive Element (1) in der Solllage zum Schaltungsträger (2) zu positionieren.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das neigungssensitive Element (1) in der Solllage mit dem Schaltungsträger (2) lagefest verbunden wird (S5).
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Verbindungsstoff, der elektrisch leitfähig ist, an einer Kontaktstelle (9) des Schaltungsträgers (2) aufgebracht wird (S1), und das neigungssensitive Element (1) anschließend auf dieser Kontaktstelle (9) vorpositioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das neigungssensitive Element (1) nach Erreichen der Solllage durch Aufbringen eines weiteren Verbindungsstoffes mit dem Schaltungsträger (2) dauerhaft verbunden wird (S5).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei als Verbindungsstoff ein stoffschlüssiger Verbindungsstoff, vorzugsweise ein Klebstoff oder ein Lot, gewählt wird, der sowohl in seiner verarbeitbaren Phase als auch in seiner ausgehärteten Phase leitfähig ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das neigungssensitive Element (1) innerhalb der verarbeitbaren Phase des Verbindungsstoffes in der Solllage positioniert wird, und der Verbindungsstoff anschließend ausgehärtet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schaltungsträger (2) eine bis auf das neigungssensitive Element (1) bestückte Sensoreinheit zur Detektierung einer Neigung ist und zum Erreichen der Solllage des neigungssensitiven Elementes (1) mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung verbunden wird, um das neigungssensitive Element (1) zu aktivieren.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das von dem aktivierten neigungssensitiven Element (1) gesendete Neigungssignal von zumindest einer Lageerfassungseinrichtung erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das von der Lageerfassungseinrichtung erfasste Neigungssignal an zumindest eine Regelungseinrichtung übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Regelungseinrichtung zumindest eine Positioniereinrichtung (3) regelt, die das neigungssensitive Element (1) bezüglich des Schaltungsträgers (2) ausrichtet.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei zur Regelung der Positioniereinrichtung (3) weitere Parameter, vorzugsweise Dicke des Schaltungsträgers (2), Dicke des Verbindungsstoffes und/oder erforderliche Anpresskraft des neigungssensitiven Elementes (1) auf den Schaltungsträger (2), berücksichtigt werden.
Vorrichtung zur Bestückung eines Schaltungsträgers (2) mit zumindest einem neigungssensitiven Element (1), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, mit zumindest einer Positioniereinrichtung (3), gekennzeichnet durch zumindest eine Lageerfassungseinrichtung, die eine Lage des neigungssensitiven Elementes (1) erfasst, und zumindest eine Regelungseinrichtung, die die Lage des neigungssensitiven Elementes (1) mittels der Positioniereinrichtung (3) gemäß einem Sollwert regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Positioniereinrichtung (3) mit der Lageerfassungseinrichtung und der Regelungseinrichtung verbunden ist, und die Positioniereinrichtung (3) das neigungssensitive Element (1) gemäß einem von dem neigungssensitiven Element (1) gesendetem Neigungssignal positioniert.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei zumindest eine Aktivierungseinrichtung vorgesehen ist, die das neigungssensitive Element (1) zur Aussendung eines Neigungssignals aktiviert.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Aktivierungseinrichtung zumindest eine elektrische Versorgungseinheit und zumindest eine Kontaktierungseinheit zum elektrischen Kontaktieren des Schaltungsträgers (2) und des neigungssensitiven Elementes (1) aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 oder 21, wobei zumindest eine Fixierungseinrichtung vorgesehen ist, die den bis auf das neigungssensitive Element (1) bestückten Schaltungsträger (2), je nach Wirkungsrichtung vorzugsweise in einem rechten Winkel oder parallel zum Gravitationsfeld der Erde, ortsfest fixiert.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Positioniereinrichtung (3) zumindest ein drehbares Element (4) und zumindest ein verschiebbares Element (5) aufweist, und das drehbare Element (4) an einem ersten Ende ein Drehgelenk (6) aufweist, mit dem es mit dem verschiebbaren Element (5) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei das drehbare Element (4) an einem zweiten Ende ein Aufnahmevorrichtung (7) zur Aufnahme des neigungssensitiven Elementes (1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei das verschiebbare Element (5) senkrecht zu einer Bestückungsebene (8) des Schaltungsträgers (2) verschiebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Drehgelenk (6) in der Bestückungsebene (8) liegt, wenn das neigungssensitive Element (1) an einer Kontaktstelle (9) in Kontakt mit dem Schaltungsträger (2) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei ein Neigungswinkel zwischen dem neigungssensitiven Element (1) und dem Schaltungsträger (2) durch gleichzeitiges Verschieben des verschiebbaren Elementes (5) und dem daraus folgenden Drehen des drehbaren Elementes (4) gemäß dem vom neigungssensitiven Element (1) gesendeten Neigungssignal veränderbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 27, wobei die Regelungseinrichtung zumindest eine Umrechnungseinheit aufweist, die das von dem aktivierten neigungssensitiven Element (1) abgegebene Neigungssignal in eine Regelgröße (y_i) umrechnet.
Vorrichtung nach Anspruch 28, wobei die Positioniereinrichtung (3) eine Steuereinheit aufweist, die mit der Umrechnungseinheit verbunden ist, und die die Bewegungen des verschiebbaren und des drehbaren Elementes (4, 5) gemäß der Regelgröße (y_i) steuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei zumindest eine Aufbringungsvorrichtung zum Aufbringen eines elektrisch leitfähigen Verbindungsstoffes auf die Kontaktstelle (9) des Schaltungsträgers (2) vorgesehen ist, auf der anschließend das neigungssensitive Element (1) positionierbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 30, wobei die Positioniereinrichtung (3) weitere Sensoren zur Erfassung einer Dicke des Schaltungsträgers (2), einer Dicke des Verbindungsstoffes und/oder einer Anpresskraft des neigungssensitiven Elementes (1) auf den Schaltungsträger (2) aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 18 bis 31, wobei das neigungssensitive Element und/oder ein Teil desselben Teil eines Differentialkondensators ist, der seinerseits Bestandteil einer Auswerteschaltung ist.