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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Abgabe
von Material, und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum optimalen Scannen von Lötpaste, die auf metallische Kontaktflächen
bzw. Pads eines elektronischen Substrats, wie z. B. einer gedruckten
Leiterplatte, abgegeben wurde.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei
typischen oberflächenmontierten Leiterplatten-Produktionsvorgängen
wird ein Schablonendrucker verwendet, um Lötpaste auf eine
Leiterplatte zu drucken. Typischerweise wird eine Leiterplatte, welche
ein Muster von metallischen Kontaktflächen bzw. Pads oder
eine andere leitfähige Oberfläche hat, auf welche
Lötpaste abgegeben wird, automatisch in den Schablonendrucker
eingeführt und ein oder mehrere kleine Löcher
oder Markierungen auf der Leiterplatte, Passmarken oder Bezugsmarken genannt,
werden dazu verwendet, die Leiterplatte mit einer Schablone oder
einem Sieb des Druckers vor dem Drucken von Lötpaste auf
die Leiterplatte richtig auszurichten. Nachdem die Leiterplatte
ausgerichtet ist, wird die Platte zur Schablone hochgehoben (bei einigen
Konfigurationen wird die Schablone zur Leiterplatte abgesenkt),
Lötpaste wird auf die Schablone abgegeben und ein Wischerblatt
(oder ein Rakel) überquert die Schablone, um die Lötpaste
durch in der Schablone gebildete Öffnungen und auf die
Platte zu drängen.
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Bei
einigen Schablonendruckern des Standes der Technik führt
ein Abgabekopf Lötpaste zwischen ersten und zweiten Wischerblättern
zu, wobei während eines Drucktaktes eines der Wischerblätter dazu
verwendet wird, Lötpaste über die Schablone zu
bewegen oder zu rollen. Das erste und das zweite Wischerblatt werden
auf abwechselnden Platten dazu verwendet, die Lötpastenrolle
kontinuierlich über die Öffnungen einer Schablone
zu führen, um jede aufeinander folgende Leiterplatte zu
bedrucken. Die Wischerblätter sind typischerweise unter
einem vorbestimmten Winkel zur Schablone, um einen nach unten gerichteten
Druck auf die Lötpaste auszuüben, um die Lötpaste
durch die Öffnungen der Schablone zu drängen.
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Nachdem
die Lötpaste auf die Leiterplatte abgegeben wurde, wird
ein Abbildungssystem angewendet, um unter gewissen Umständen
Bilder von Bereichen der Leiterplatte und/oder der Schablone aufzunehmen,
zum Zweck der Inspektion der Genauigkeit der Abgabe der Lötpaste
auf die Pads der Leiterplatte. Eine andere Anwendung des Abbildungssystems
schließt das zuvor genannte Ausrichten der Schablone und
der Leiterplatte vor dem Drucken ein, um die Öffnungen
der Schablone mit den elektronischen Pads der Leiterplatte auszurichten.
Solche Abbildungssysteme sind in den
US-Patenten
Nr. RE34 615 und
5 060
063 , beide von Freeman, welche dem Rechtsnachfolger der
vorliegenden Erfindung gehören, offenbart.
1 zeigt
ein Abbildungssystem des Standes der Technik, allgemein mit
10 bezeichnet, welches
zum Drucknest (nicht dargestellt) benachbart oder an einem Laufschienensystem
(nicht dargestellt) befestigt sein kann, um das Abbildungssystem
in die Lage zu versetzen, sich über das Drucknest zwischen
einer Leiterplatte
12 und einer Schablone
14 zu
bewegen. Unabhängig von seiner speziellen Konfiguration
ist das Abbildungssystem
10 so ausgelegt, dass es Bilder
vordefinierter Bereiche der Leiterplatte
12 und/oder der
Schablone aufnimmt, um zum Beispiel entweder die Leiterplatte und/oder
die Schablone zu überprüfen oder um die Schablone
mit der Leiterplatte auszurichten.
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Wie
in 1 dargestellt, weist das Abbildungssystem 10 eine
elektronische Kamera 16 auf, welche eine Linsenanordnung 18 hat,
zwei Beleuchtungsvorrichtungen 20, 22, zwei Strahlteiler 24, 26 und
einen weiteren Strahlteiler 28, welcher eine zusätzliche
verspiegelte Fläche aufweist, um Licht zur Linsenanordnung 18 der
Kamera 16 zurückzuleiten. Um ein Bild eines vordefinierten
Bereichs der Leiterplatte 12 zu erfassen, wird die Beleuchtungsvorrichtung 20 betrieben,
um einen Lichtstrahl zu erzeugen, welcher vom Strahlteiler 24 weg
zur Leiterplatte hin reflektiert wird. Das Licht wird dann von der
Leiterplatte 12 weg reflektiert zurück durch den
Strahlteiler 24 zum Strahlteiler 28, welcher wiederum
das Licht zu der Linsenanordnung 18 hin reflektiert und schließlich
zur Kamera 16. Das Bild der Leiterplatte 12 wird
dann durch die Kamera 16 eingefangen bzw. erfasst. In ähnlicher
Weise wird, um einen vordefinierten Bereich der Schablone 14 abzubilden,
die Beleuchtungsvorrichtung 22 angewendet, um einen Lichtstrahl
zu erzeugen, welcher vom anderen Strahlteiler 26 weg zur
Schablone hin reflektiert wird. Das von der Schablone 14 weg
reflektierte Licht wird durch den Strahlteiler 26 zurück
geleitet zum mittleren Strahlteiler 28 und dann zur Linsenanordnung 18 und
zur Kamera 16, um das Bild zu erfassen.
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Bei
typischen Abbildungssystemen muss das System 10 über
einen Bereich bewegt werden, gestoppt werden, um es der Kamera 16 zu
ermöglichen, ein Bild ohne Unschärfe aufzunehmen,
und zum nächsten Bereich bewegt werden, welcher eine Abbildung
erfordert. 2 stellt die Bewegung des Abbildungssystems 10 dar,
welche schematisch die Geschwindigkeit des Abbildungssystems gegen
die Zeit darstellt. Wie angezeigt, kommen typische Abbildungssysteme
zu einem vollständigen Halt (d. h. die Geschwindigkeit
ist Null), um ein Bild aufzunehmen. Wenn dass Abbildungssystem angehalten
wird, wird weitere Zeit benötigt um sicherzustellen, dass
nicht irgendeine Vibration oder Oszillation des Abbildungssystemfahrgestells,
welche durch den Anhaltevorgang verursacht wird, die Qualität
des durch die Kamera 16 aufgenommenen Bildes ungünstig
beeinflusst. Daher kann die Überprüfung der Leiterplatte zum
Beispiel ein relativ langwieriger Prozess sein, in dem eine große
Zahl von Bereichen der Leiterplatte abgebildet werden müssen,
wobei das Abbildungssystem mehrfach angehalten und bewegt wird.
Die aufgenommenen Bilder werden als nächstes mit entsprechenden
Bereichen der Schablone oder mit durch die Steuereinrichtung des
Schablonendruckes gespeicherten Bereichen verglichen, um die Genauigkeit
des Drucks festzustellen. Als Ergebnis kann das aufeinander folgende
Abbilden der Bereiche der Leiterplatte eine übermäßige
Menge an Zeit erfordern, da das Abbildungssystem über den
Bereich bewegt werden muss, der eine Abbildung erfordert, angehalten
werden muss, um den Bereich abzubilden, und dann zum nächsten
Bereich bewegt werden muss, der eine Abbildung erfordert.
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3 stellt
zum Beispiel eine typische Leiterplatte 12 dar, welche
abgebildet werden soll. Wenn die Zeit, die erforderlich ist, um
ein Bild eines Bereichs von Interesse richtig zu belichten, ungefähr
30 Millisekunden beträgt, und die Zeit, die erforderlich ist,
um das Abbildungssystem 10 zu einem benachbarten Bereich
von Interesse zu bewegen, ungefähr 100 Millisekunden beträgt,
dann ist die Gesamtzeit zwischen den Erfassungen ungefähr
130 Millisekunden. Zum Teil ist die Bilderfassungsrate des Abbildungssystems 10 durch
die Zeit begrenzt, welche benötigt wird, um die lichtempfindliche
Elektronik an der Fokussierebene der Kamera 16 richtig
zu belichten. Die Belichtungszeit steht im direkten Verhältnis
zur Lichtmenge, welche durch die Beleuchtungsvorrichtungen erzeugt
wird, die relative Helligkeit der Merkmale von Interesse, und das
Linsenöffnungsverhältnis oder die „Blende"
der Linsenanordnung 18. Die meisten Beleuchtungsvorrichtungen,
welche aufgrund von Raumbeschränkungen relativ klein sind, können
nur ein relativ geringes Lichtniveau erzeugen und erfordern daher
eine längere Integrationszeit, um eine richtige Belichtung
zu erzielen. Um die Geschwindigkeit der Abbildung zu erhöhen,
ist es bei einigen Abbildungssystemen bekannt, zwei Kameras anzuwenden,
eine Kamera, um die Schablone abzubilden, und eine andere Kamera,
um die Leiterplatte abzubilden, um so die Zeit zwischen Bilder zu
verringern, um die Schablone und die Leiterplatte auszurichten oder
zu überprüfen. Mit andauernden Bemühungen,
die Verarbeitungszeiten in allen Stadien der Leiterplattenmontage
zu verringern, ist jedoch selbst die Einrichtung von zwei Kameras
für Montagebänder oft zu langsam, welche schnellere
Produktionsraten benötigen. Es gibt gegenwärtig
einen Bedarf, die Zeit weiter zu verringern, die benötigt
wird, Leiterplatten und Schablonen zu Überprüfungs-
und/oder Ausrichtungszwecken abzubilden.
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Eine
andere Ursache übermäßiger Zeit zur Überprüfung
einer gesamten Leiterplatte liegt in ineffizienten Überprüfungswegen,
die durch die Steuereinrichtung für das Überprüfungssystem
erzeugt werden. 4 zeigt einen typischen Überprüfungsweg, welcher
von der Steuereinrichtung für die in 3 dargestellte
Leiterplatte 12 gewählt wird (oder in der Steuereinrichtung
durch den Anwender vorprogrammiert wird), welche Lötpaste
auf die metallischen Pads aufgebracht hat. Wie dargestellt, schließt
der Überprüfungsweg das Gruppieren der elektronischen Komponenten
in mehrere Gruppen bzw. Cluster ein. Ein solcher Cluster ist in 3 und 4 mit 13 bezeichnet.
Das Abbildungssystem fängt Bilder der Leiterplatte in jedem Cluster
ein bzw. erfasst sie, durch aufeinanderfolgendes Bewegen des Abbildungssystems
von Komponente zu Komponente, um jeden Bereich von Interesse zu
erfassen. Bei der in 3 dargestellten Leiterplatte 12 gibt
es 921 Bereiche von Interesse oder Stellen, welche je ein Bild erfordern. Unter
Verwendung gegenwärtiger Überprüfungstechniken
dauert es ungefähr 260 Sekunden, um die gesamte Leiterplatte
zu überprüfen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist auf einen Schablonendrucker
zum Aufbringen von Lötpaste auf eine Vielzahl von Kontaktflächen
bzw. Pads eines elektronischen Substrats gerichtet. Bei einer bestimmten
Ausführungsform weist der Schablonendrucker einen Rahmen
und eine an den Rahmen gekoppelte Schablone auf. Die Schablone hat
eine Vielzahl von Öffnungen, die in ihr gebildet sind.
Eine Abgabevorrichtung ist an den Rahmen gekoppelt, wobei die Abgabevorrichtung
und die Schablone eingerichtet und angeordnet sind, um Lötpaste
auf die Vielzahl von Pads des elektronischen Substrats abzugeben. Ein
Abbildungssystem ist so eingerichtet und angeordnet, dass es Bilder
der Bereiche von Interesse von mindestens einem von dem elektronischen
Substrat und der Schablone erfasst. Der Schablonendrucker weist
ferner eine Steuereinrichtung auf, die mit dem Abbildungssystem
verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung so eingerichtet und angeordnet
ist, dass sie die Bewegung des Abbildungssystems steuert, um Bilder
der Bereiche von Interesse von mindestens einem des elektronischen
Substrats und der Schablone zu erfassen, die sich im allgemeinen
längs einer ersten Achse erstrecken, bevor sie das Abbildungssystem
in eine andere Richtung bewegt.
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Ausführungsformen
der Erfindung können darauf gerichtet sein, dass nach dem
Erfassen von Bildern von allen Bereichen von Interesse längs
der ersten Achse, die Steuereinrichtung ferner so eingerichtet und
angeordnet ist, dass sie die Bewegung des Abbildungssystems steuert,
um Bilder von Bereichen von Interesse zu erfassen, die sich im allgemeinen
längs einer zweiten Achse erstrecken, welche im allgemeinen
parallel zur ersten Achse und von ihr in einem Abstand angeordnet
ist. Das Abbildungssystem ist so eingerichtet und angeordnet, dass
es ein Bild von Lötpaste auf einem Pad des elektronischen Substrats
in dem Bereich erfasst. Bei einer Ausführungsform weist
das Abbildungssystem mindestens eine Kamera, mindestens eine Linsenanordnung, mindestens
eine Beleuchtungsvorrichtung und mindestens einen Strahlengang auf,
der angepasst ist, um Licht zwischen der mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung,
der Schablone oder dem elektronischen Substrat, der mindestens einen
Linsenanordnung und der mindestens einen Kamera zu reflektieren.
Der Strahlengang kann mindestens einen Stahlteiler und einen Spiegel
aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsform weist das
Abbildungssystem eine erste Kamera, eine erste Linsenanordnung,
eine erste Beleuchtungsvorrichtung und einen ersten Strahlengang
auf, der angepasst ist, um Licht zwischen der ersten Beleuchtungsvorrichtung,
dem elektronischen Substrat, der ersten Linsenanordnung und der
ersten Kamera zu reflektieren, und eine zweite Kamera, eine zweite
Linsenanordnung, eine zweite Beleuchtungsvorrichtung und einen zweiten
Strahlengang, der angepasst ist, um Licht zwischen der zweiten Beleuchtungsvorrichtung,
der Schablone, der zweiten Linsenanordnung und der zweiten Kamera
zu reflektieren. Die Steuereinrichtung kann ferner eingerichtet
und angeordnet sein, dass sie die Bewegung des Abbildungssystems
so steuert, dass es gleichzeitig Bilder von Bereichen von Interesse des
elektronischen Substrats und der Schablone erfasst. Die Steuereinrichtung
kann ferner so eingerichtet und angeordnet sein, dass sie die Bewegung
des Abbildungssystems so steuert, dass es Bilder von Bereichen von
Interesse erfasst, während es eine minimale Geschwindigkeit über
Null beibehält, wenn es sich von einem Bereich von Interesse
zu einem nächsten Bereich von Interesse bewegt. Zusätzlich kann
die Steuereinrichtung einen Prozessor aufweisen, der so programmiert
ist, dass er eine Texturerkennung des elektronischen Substrats durchführt, um
die Genauigkeit des Lötpastenauftrags auf die Pads des
elektronischen Substrats zu bestimmen. Bei einer anderen Ausführungsform
kann der Schablonendrucker ferner eine Trägeranordnung
aufweisen, die mit dem Rahmen gekoppelt ist, wobei die Trägeranordnung
so angepasst ist, dass sie das elektronische Substrat in einer Druckposition
trägt. Bei einer weiteren Ausführungsform weist
der Schablonendrucker ferner ein Laufschienensystem auf, das mit
dem Abbildungssystem und dem Rahmen verbunden ist, wobei das Laufschienensystem
so eingerichtet und angeordnet ist, dass es das Abbildungssystem
unter der Führung der Steuereinrichtung bewegt.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist auf ein Verfahren zur Abgabe von
Lötpaste auf elektronische Kontaktflächen bzw.
Pads eines elektronischen Substrats gerichtet. Bei einer Ausführungsform
weist das Verfahren auf: Zuführen eines elektronischen
Substrats zu einem Schablonendrucker; Positionieren des elektronischen
Substrats in einer Druckposition; Positionieren einer Schablone
auf dem elektronischen Substrat; Durchführen eines Druckvorganges,
um Lötpaste auf die Pads des elektronischen Substrats aufzubringen;
Erfassen von Bildern von Bereichen von Interesse des elektronischen
Substrats oder der Schablone im allgemeinen längs einer
ersten Achse; und Erfassen von Bildern von Bereichen von Interesse
des elektronischen Substrats oder der Schablone längs einer
zweiten Achse, welche im allgemeinen zur ersten Achse parallel und
um eine Strecke beabstandet ist.
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Ausführungsformen
des Verfahrens können auf das Bewegen eines Abbildungssystems
von einem Bereich von Interesse zu einem nächsten Bereich
von Interesse gerichtet sein. Das Verfahren kann ferner das Beibehaltenen
einer minimalen Geschwindigkeit über Null aufweisen, wenn
das Abbildungssystem von einem Bereich von Interesse zum nächsten
Bereich von Interesse bewegt wird. Das Verfahren kann auch nach
dem Erfassen von Bildern von Bereichen von Interesse des elektronischen Substrats
oder der Schablone das Bewegen des Abbildungssystems in einer Richtung
aufweisen, die im allgemeinen senkrecht zur ersten Achse ist. Bei
einer anderen Ausführungsform kann das Verfahren ferner das
Zusammensetzen der erfassten Bilder der Bereiche von Interesse aufweisen.
Eine Texturerkennungssequenz des mindestens einen Bereichs zur Bestimmung
der Genauigkeit der Lötpastenablagerungen bzw. -aufträge
auf den Pads des elektronischen Substrats kann ferner durchgeführt
werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist auf einen Schablonendrucker zum
Aufbringen von Lötpaste auf eine Vielzahl von Kontaktflächen
bzw. Pads eines elektronischen Substrats gerichtet. Der Schablonendrucker
weist einen Rahmen und eine mit dem Rahmen verbundene Schablone
auf. Die Schablone hat eine Vielzahl von darin gebildeten Öffnungen.
Der Schablonendrucker weist ferner eine Abgabevorrichtung auf, die
an den Rahmen gekoppelt ist, wobei die Abgabevorrichtung und die
Schablone eingerichtet und angeordnet sind, um Lötpaste
auf die Vielzahl von Pads des elektronischen Substrats abzugeben. Ein
Abbildungssystem ist eingerichtet und angeordnet, um Bilder von
Bereichen von Interesse von mindestens dem elektronischen Substrat
oder der Schablone zu erfassen. Der Schablonendrucker weist auch
Mittel zum Steuern der Bewegung des Abbildungssystems auf, um Bilder
von Bereichen von Interesse von mindestens einem des elektronischen Substrats
und der Schablone zu erfassen, welche sich im allgemeinen längs
einer ersten Achse erstrecken, bevor das Abbildungssystem in eine
Richtung bewegt wird, welche im allgemeinen senkrecht zur ersten
Achse ist.
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Ausführungsformen
des Schablonendruckers weisen das Vorsehen von Mitteln zur Steuerung
der Bewegung des Abbildungssystems auf, die eine Steuereinrichtung
aufweisen, die mit dem Abbildungssystem verbunden ist. Die Steuereinrichtung ist
eingerichtet und angeordnet, um die Bewegung des Abbildungssystems
zu steuern, um Bilder von Bereichen von Interesse zu erfassen, die
sich im allgemeinen längs einer zweiten Achse erstrecken,
welche im allgemeinen zur ersten Achse parallel und um eine Strecke
beabstandet ist. Das Abbildungssystem ist eingerichtet und angeordnet,
um eine Abbildung von Lötpaste auf einem Pad des elektronischen
Substrats in dem Bereich zu erfassen. Bei einer Ausführungsform
weist das Abbildungssystem mindestens eine Kamera, mindestens eine
Linsenanordnung, mindestens eine Beleuchtungsvorrichtung und mindestens
einen Strahlengang auf, der angepasst ist, um Licht zwischen der
mindestens einen Beleuchtungsvorrichtung, der Schablone oder dem
elektronischen Substrat, der mindestens einen Linsenanordnung und
der mindestens einen Kamera zu reflektieren. Der Strahlengang kann
mindestens einen Stahlteiler und einen Spiegel aufweisen. Bei einer
anderen Ausführungsform weist das Abbildungssystem eine
erste Kamera, eine erste Linsenanordnung, eine erste Beleuchtungsvorrichtung
und einen ersten Strahlengang auf, der angepasst ist, um Licht zwischen
der ersten Beleuchtungsvorrichtung, dem elektronischen Substrat,
der ersten Linsenanordnung und der ersten Kamera zu reflektieren,
und eine zweite Kamera, eine zweite Linsenanordnung, eine zweite
Beleuchtungsvorrichtung und einen zweiten Strahlengang, der angepasst
ist, um Licht zwischen der zweiten Beleuchtungsvorrichtung, der
Schablone, der zweiten Linsenanordnung und der zweiten Kamera zu
reflektieren. Die Steuereinrichtung kann ferner so eingerichtet
und angeordnet sein, dass sie die Bewegung des Abbildungssystems
so steuert, dass es gleichzeitig Bilder von Bereichen von Interesse des
elektronischen Substrats und der Schablone erfasst. Die Steuereinrichtung
kann ferner so eingerichtet und angeordnet sein, dass sie die Bewegung
des Abbildungssystems so steuert, dass es Bilder von Bereichen von
Interesse erfasst, während es eine minimale Geschwindigkeit über
Null beibehält, wenn es sich von einem Bereich von Interesse
zu einem nächsten Bereich von Interesse bewegt. Zusätzlich kann
die Steuereinrichtung einen Prozessor aufweisen, der so programmiert
ist, dass er eine Texturerkennung des elektronischen Substrats durchführt, um
die Genauigkeit des Lötpastenauftrags auf die Pads des
elektronischen Substrats zu bestimmen. Bei einer anderen Ausführungsform
kann der Schablonendrucker ferner eine Trägeranordnung
aufweisen, die mit dem Rahmen gekoppelt ist, wobei die Trägeranordnung
so angepasst ist, dass sie das elektronische Substrat in einer Druckposition
trägt. Bei einer weiteren Ausführungsform weist
der Schablonendrucker ferner ein Laufschienensystem auf, das mit
dem Abbildungssystem und dem Rahmen gekoppelt ist, wobei das Laufschienensystem
so eingerichtet und angeordnet ist, dass es das Abbildungssystem
unter der Führung der Steuereinrichtung bewegt.
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Noch
ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf einen Schablonendrucker
zum Aufbringen von Lötpaste auf eine Vielzahl von Kontaktflächen
bzw. Pads eines elektronischen Substrats gerichtet, welcher einen
Rahmen und eine an den Rahmen gekoppelte Schablone aufweist. Die
Schablone hat eine Vielzahl von darin gebildeten Öffnungen.
Eine Trägervorrichtung ist an den Rahmen gekoppelt, wobei die
Trägervorrichtung so angepasst ist, dass sie das elektronische
Substrat in einer Druckposition trägt. Eine Abgabevorrichtung
ist an den Rahmen gekoppelt, wobei die Abgabevorrichtung und die
Schablone eingerichtet und angeordnet sind, um Lötpaste
auf die Vielzahl von Pads des elektronischen Substrats abzugeben.
Ein Abbildungssystem ist eingerichtet und angeordnet, um Bilder
von Bereichen von Interesse von mindestens dem elektronischen Substrat oder
der Schablone zu erfassen. Ein Laufschienensystem ist mit dem Abbildungssystem
und dem Rahmen gekoppelt, wobei das Laufschienensystem eingerichtet
und angeordnet ist, um das Abbildungssystem zu bewegen. Bei einer
Ausführungsform weist der Schablonendrucker ferner eine
Steuereinrichtung auf, die mit dem Abbildungssystem und dem Laufschienensystem
gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung eingerichtet und angeordnet
ist, um die Bewegung des Abbildungssystems zu steuern, um Bilder
von Bereichen von Interesse zu erfassen, die sich im allgemeinen
längs einer ersten Achse in einer ersten Richtung erstrecken,
und um nacheinander die Bewegung des Abbildungssystems zu steuern,
um Bilder von Bereichen von Interesse zu erfassen, die sich im allgemeinen
längs einer zweiten Achse in einer zweiten Richtung erstrecken,
welche im allgemeinen zur ersten Achse parallel und um eine Strecke beabstandet
ist.
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Ausführungsformen
des Schablonendruckers können das Vorsehen der Steuereinrichtung einschließen,
welche einen Prozessor aufweist, der programmiert ist, um eine Texturerkennung
des elektronischen Substrats durchzuführen, um die Genauigkeit
der Lötpastenaufträge auf den Kontaktflächen bzw.
Pads des elektronischen Substrats zu bestimmen. Zusätzlich
kann die Steuereinrichtung ferner eingerichtet und angeordnet sein,
um die Bewegung des Abbildungssystems zu steuern, um gleichzeitig Bilder
von Bereichen von Interesse des elektronischen Substrats und der
Schablone zu erfassen, sowie um die Bewegung des Abbildungssystems
zum Erfassen von Bilder von Bereichen von Interesse zu steuern,
während eine minimale Geschwindigkeit über Null
beibehalten wird, wenn es sich von einem Bereich von Interesse zu
einem nächsten Bereich von Interesse bewegt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszahlen auf die gleichen
oder ähnliche Teil in allen unterschiedlichen Ansichten.
Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht,
stattdessen wird die Darstellung besonderer Prinzipien hervorgehoben,
welche unten erörtert werden.
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Abbildungssystems des Standes der
Technik;
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2 ist
eine Kurve, welche die Geschwindigkeit gegen die Zeit des Abbildungssystems
des Standes der Technik darstellt;
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3 ist
eine Draufsicht auf eine gedruckte Leiterplatte;
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4 ist
eine schematische Darstellung eines Scanweges unter Anwendung von
Vorgehensweisen des Standes der Technik;
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5 ist
eine perspektivische Vorderansicht eines Schablonendruckers einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine schematische Ansicht eines Abbildungssystems einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine vergrößerte schematische Ansicht einer Kamera
und einer Linsenanordnung des in 6 dargestellten
Abbildungssystems;
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8 ist
eine Kurve, welche die Geschwindigkeit gegen die Zeit des in 6 dargestellten
Abbildungssystems wiedergibt;
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9 ist
eine schematische Darstellung eines Scanweges, welcher gemäß Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung generiert wird;
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10 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Abgabe von Lötpaste
auf elektronische Pads eines elektronischen Substrats einer Ausführungsform
der Erfindung;
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11 ist
eine schematische Ansicht eines Abbildungssystems, das verwendet
wird, um ein Texturerkennungsverfahren einer Ausführungsform
der Erfindung durchzuführen;
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12 ist
eine schematische Darstellung eines Substrats; und
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13 ist
eine schematische Darstellung eines Substrats mit auf dem Substrat
aufgebrachter Lötpaste.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Zum
Zweck der Erläuterung werden nun Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf einen Schablonendrucker
beschrieben, der dazu verwendet wird, Lötpaste auf eine
Leiterplatte zu drucken. Ein Fachmann wird erkennen, dass Ausführungsformen
der Erfindung nicht auf Schablonendrucker, welche Lötpaste
auf Leiterplatten drucken, beschränkt sind, sondern vielmehr
bei anderen Anwendungen verwendet werden können, welche
die Abgabe von anderen viskosen Materialien erfordern, wie z. B.
Klebstoffe, Verkapselungsmaterialien, Füllstoffe und andere
Montagematerialien, die zur Befestigung elektronischer Bauteile
auf einer Leiterplatte geeignet sind. Daher zieht jeder Bezug auf Lötpaste
hier die Verwendung solcher anderer Materialien in Erwägung.
Ebenso können die Begriffe „Sieb" und „Schablone"
hier austauschbar verwendet werden, um eine Vorrichtung in einem
Drucker zu beschreiben, welche ein auf ein Substrat zu druckendes Muster
definiert.
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5 zeigt
eine perspektivische Vorderansicht eines Schablonendruckers, allgemein
mit 30 bezeichnet, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Schablonendrucker 30 weist
einen Rahmen 32 auf, welcher Komponenten des Schablonendruckers
trägt, einschließlich einer Steuereinrichtung 34,
welche in einem Gehäuse 35 des Schablonendruckers
angeordnet ist, eine Schablone 36, und einen Abgabekopf,
welcher allgemein mit 38 bezeichnet ist, zur Abgabe von
Lötpaste. Der Abgabekopf 38 ist längs
senkrechter Achsen durch ein Laufschienensystem (nicht bezeichnet)
unter Steuerung der Steuereinrichtung 34 beweglich, um das
Drucken von Lötpaste auf eine Leiterplatte 12 zu ermöglichen.
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Der
Schablonendrucker 30 weist auch ein Fördersystem
mit Schienen 42, 44 auf, um die Leiterplatte 12 im
Schablonendrucker 30 in eine Druckposition zu transportieren.
Der Schablonendrucker 30 hat eine Trägeranordnung 46 (z.
B. Stifte, Gelmembranen, etc.), welche unter der Leiterplatte 12 angeordnet
ist, wenn die Leiterplatte sich in der Abgabeposition befindet.
Die Trägeranordnung 46 wird dazu verwendet, die
Leiterplatte 12 von den Schienen 42, 44 abzuheben,
um die Leiterplatte in Kontakt mit der Schablone 36 oder
in unmittelbarer Nähe zu ihr zu platzieren, wenn das Drucken
stattfindet.
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Bei
einer Ausführungsform ist der Abgabekopf 38 so
konfiguriert, dass er mindestens eine Lötpastenkartusche 48 aufnimmt,
welche dem Abgabekopf während eines Druckvorgangs Lötpaste
bereitstellt. Bei einer Ausführungsform ist die Lötpastenkartusche 48 in
allgemein bekannter Weise an ein Ende eines Druckluftschlauches
gekoppelt. Das andere Ende des Druckluftschlauches ist an einem Kompressor
befestigt, welcher im Rahmen 32 des Schablonendruckers 30 enthalten
ist, unter der Steuerung der Steuereinrichtung 34. Der
Kompressor liefert Druckluft zur Kartusche 48, um Lötpaste
in den Abgabekopf 38 und auf die Schablone 36 zu
drängen. Andere Konfigurationen zur Abgabe von Lötpaste
auf die Schablone können auch angewendet werden. Zum Beispiel
können bei einer anderen Ausführungsform mechanische
Vorrichtungen, wie z. B. ein Kolben zusätzlich oder anstelle
von Luftdruck verwendet werden, um die Lötpaste aus der
Kartusche 48 in den Abgabekopf 38 zu drängen.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann ein nicht
mit Druck beaufschlagter Abgabekopf angewendet werden. Die Steuereinrichtung 34 kann
unter Verwendung eines Personalcomputers implementiert werden, welcher ein
geeignetes Betriebssystem aufweist (z. B. Microsoft® DOS
oder Windows®NT) mit anwendungsspezifischer
Software, um den Betrieb des Schablonendruckers 30 wie
hier beschrieben zu steuern.
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Der
Schablonendrucker 30 funktioniert wie folgt. Eine Leiterplatte 12 wird
in den Schablonendrucker 30 geladen und unter Verwendung
der Förderschienen 42, 44 zur Trägeranordnung 46 gefördert. Die
Leiterplatte 12 und die Schablone 36 werden dann
genau ausgerichtet und durch die Trägeranordnung 46 in
eine Druckposition gehoben. Der Abgabekopf 38 wird dann
in der Z-Richtung abgesenkt, bis er mit der Schablone 36 in
Kontakt ist. Der Abgabekopf 38 überquert die Schablone 36 in
einem ersten Drucktakt vollständig, um Lötpaste
durch Öffnungen der Schablone 36 und auf die Leiterplatte 12 zu
drängen. Sobald der Abgabekopf 38 die Schablone 36 vollständig überquert
hat, wird die Leiterplatte 12 durch die Förderschienen 42, 44 so
aus dem Drucker 30 transportiert, dass eine zweite nachfolgende
Leiterplatte in den Drucker geladen werden kann. Um die zweite Leiterplatte
zu bedrucken, kann der Abgabekopf 38 in einem zweiten Drucktakt
in einer zu der für die erste Leiterplatte verwendeten
entgegen gesetzten Richtung über die Schablone 36 bewegt
werden.
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Mit
Bezug auf 5 und 6 wird ein
Abbildungssystem einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung allgemein mit 50 bezeichnet. Wie in 5 dargestellt,
ist das Abbildungssystem 50 zwischen der Schablone 36 und
der Leiterplatte 12 angeordnet. Das Abbildungssystem 50 ist
an ein Gestell- bzw. Laufschienensystem 52 gekoppelt, welches
ferner an den Rahmen 32 gekoppelt ist und ein Teil des
Laufschienensystems sein kann, welches zur Bewegung des Abgabekopfes 38 verwendet
wird, oder kann getrennt innerhalb des Schablonendruckers 30 vorgesehen
sein. Die Konstruktion des Laufschienensystems 52, welches
dazu verwendet wird, das Abbildungssystem 50 zu bewegen,
ist in der Technik des Lötpastendrucks allgemein bekannt.
Bei gewissen Ausführungsformen ist die Anordnung so, dass
das Abbildungssystem an irgendeiner Position unterhalb der Schablone 36 und
oberhalb der Leiterplatte 12 angeordnet werden kann, um
eine Abbildung bzw. ein Bild vordefinierter Bereiche der Platte bzw.
der Schablone zu erfassen. Bei anderen Ausführungsformen
kann das Abbildungssystem oberhalb oder unter der Schablone und
der Leiterplatte angeordnet sein.
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Wie
in 6 dargestellt weist das Abbildungssystem 50 eine
optische Anordnung mit zwei Kameras 54, 56, zwei
Linsenanordnungen, allgemein mit 58, 60 angegeben,
zwei Beleuchtungsvorrichtungen 62, 64, zwei Strahlteiler 66, 68 und
einen Spiegel 70 auf. Die Kameras 54, 56 können
im Aufbau zueinander identisch sein, und bei einer Ausführungsform kann
jede Kamera eine digitale CCD-Kamera des Typs sein, welcher von
Opteon Corporation aus Cambridge, Massachusetts unter der Modell-Nr. CHEAMDPCACELA010100
erworben werden kann. Eine weitere Beschreibung der Kameras 54, 56 wird im
folgenden mit Bezug auf 7 geliefert.
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Bei
einer Ausführungsform können die Beleuchtungsvorrichtungen 62, 64 eine
oder mehrere Licht emittierende Dioden (Weißlichtdioden)
sein, die in der Lage sind, eine große Lichtmenge an ihren
jeweiligen Strahlteilern 66, 68 zu erzeugen. Die
Beleuchtungsvorrichtungen 62, 64 können
des von Nichia Corporation von Detroit, Michigan unter der Modell-Nr.
NSPW310BS6162/ST verkauften Typs sein. Die Strahlteiler 66, 68 und
der Spiegel 70, welcher ein Doppelspiegel mit Strahlteilung
Null ist, sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Bei anderen Ausführungsformen
können Xenon- und Halogenlampen verwendet werden, um das
benötigte Licht zu erzeugen. Faseroptik kann ebenfalls
verwendet werden, um Licht von der entfernten Quelle zum Gebrauchspunkt
bzw. Anwendungsort zu leiten.
-
Die
Strahlteiler
66,
68 sind ausgelegt, um einen Teil
des durch ihre jeweiligen Beleuchtungsvorrichtungen
62,
64 erzeugten
Lichts zur Leiterplatte
12 bzw. zur Schablone
36 hin
zu reflektieren, während sie weiterhin einen Teil des durch
die Leiterplatte und die Schablone reflektierten Lichts durch den
Spiegel
70 passieren lassen. Die zwischen den Beleuchtungsvorrichtungen
62,
64 und
ihren jeweiligen Kameras
54,
56 mittels der Strahlteiler
66,
68 und
des Spiegels
70 definierten Strahlengänge sind
einem Fachmann allgemein bekannt. Bei einer Ausführungsform
ist der Aufbau der durch die Strahlteiler
66,
68 und
den Spiegel
70 erzeugten Strahlengänge im wesentlichen ähnlich
wie die im
US-Patent Nr. 5 060 063 offenbarten
Strahlengänge mit der Ausnahme, dass der Spiegel
70 ein
Vollspiegel (aufgrund der Bereitstellung der zwei Kameras
54,
60)
ist und nicht erlaubt, dass ein Teil des Licht durch ihn hindurch
geht.
-
Mit
Bezug auf 7 sind eine Kamera 54 und
eine Linsenanordnung 58 dargestellt. Wie oben erörtert
kann die Kamera 56 im Aufbau mit der Kamera 54 identisch
sein. Außerdem kann der Aufbau der Linsenanordnung 60 identisch
sein mit dem Aufbau der Linsenanordnung 58. Folglich gilt
die folgende Erörterung der Kamera 54 und der
Linsenanordnung 58 im allgemeinen auch für die
Kamera 56 bzw. die Linsenanordnung 60. Wie schematisch
dargestellt weist die Linsenanordnung 58 ein Gehäuse 72,
ein Paar von Linsen 74, 76, welche in dem Gehäuse
angeordnet sind, und eine Blende (nicht dargestellt) auf, welche
zwischen den Linsen 74, 76 angeordnet ist. Die Linsen 74, 76 liefern
zusammen die telezentrische Fähigkeit der Linsenanordnung 58.
Die kollektive Linsenanordnung kann auch als ein „Objektiv"
bezeichnet werden, welche hier insbesondere als die telezentrische
Linsenanordnung 58 oder 60 bezeichnet wird. Die
Anordnung ist so, dass das vom Spiegel 70 reflektierte
Licht zur Linsenanordnung 58 gerichtet wird. Sobald es
in der Linsenanordnung 58 ist, verläuft das Licht
durch die erste Linse 74, durch die Öffnung, durch
die zweite Linse 76 und auf den bildempfindlichen Bereich
der Kamera 54. Bei einer Ausführungsform kann
das CCD-Lesegerät der Kamera 54 einen elektronischen
Verschluss aufweisen. Die Kamera 54 ist, zum Teil aufgrund
der telezentrischen Linsenanordnung 58, ausgelegt, um einen
gesamten vordefinierten Bereich zu betrachten, ohne eine Verzerrung
am oder nahe des Randes des Bildes zu zeigen.
-
Wie
in 7 dargestellt, wird die Kamera 54 von
einem Gehäuse 78 gehalten, welches durch eine Schraubverbindung
an dem Gehäuse 72 der Linsenanordnung 58 befestigt
sein kann. Das Gehäuse 72 der Linsenanordnung 58 und
das Gehäuse 78 der Kamera 54 sind axial
zueinander ausgerichtet, so dass das Bild, welches in Strahlenform
durch Linien 80 dargestellt ist, genau auf die Kamera ausgerichtet ist.
-
Wieder
mit Bezug auf 6 ist die Anordnung so, dass,
wenn ein Bild der Leiterplatte 12 aufgenommen wird, die
Abbildungsvorrichtung 62 eine große Lichtmenge
zu ihrem jeweiligen Strahlteiler 66 hin erzeugt. Das Licht
wird durch den Strahlteiler 66 zur Leiterplatte 12 hin
reflektiert und wird dann zum Spiegel 70 zurück
reflektiert. Der Spiegel 70 leitet das Licht zur Kamera 54,
welche das Bild des vordefinierten Bereichs der Leiterplatte 12 erfasst.
Das Bild kann elektronisch gespeichert oder in Echtzeit verwendet
werden, so dass das Bild durch die Steuereinrichtung 34 manipuliert
und analysiert werden kann, um zum Beispiel einen fehlerhaften Lötauftrag festzustellen
oder um die Leiterplatte 12 mit der Schablone 36 auszurichten.
-
In
gleicher Weise erzeugt, wenn ein Bild von der Schablone 36 aufgenommen
wird, die Beleuchtungsvorrichtung 64 einen Lichtstrahl,
der zu ihrem jeweiligen Strahlteiler 68 hingeleitet wird.
Das Licht wird dann zur Schablone 36 hin gerichtet und
durch den Strahlteiler 68 zurück zum Spiegel 70 reflektiert. Das
Licht wird dann zur telezentrischen Linsenanordnung 60 hin
und auf die Kamera 56 geleitet, um das Bild des vordefinierten
Bereichs der Schablone 36 zu erfassen. Sobald er erfasst
wurde, kann der Bereich der Schablone 36 durch die Steuereinrichtung 34 zu Untersuchungszwecken
analysiert werden (z. B. verstopfte Öffnungen in der Schablone
feststellen) oder mit einem Bereich der Leiterplatte 12 zu
Ausrichtungszwecken verglichen werden. Die Untersuchungsfähigkeit
des Abbildungssystems 50 wird im folgenden detaillierter
beschrieben mit Bezug auf die Beschreibung eines Texturerkennungsprogramms.
-
Mit
der in 6 dargestellten Konfiguration ist das Abbildungssystem 50 in
der Lage, sich von einem vordefinierten Bereich zu einem anderen
vordefinierten Bereich zu bewegen, während ein Bild in
ungefähr 105 Millisekunden aufgenommen wird, wobei ungefähr
100 Millisekunden der Bewegung des Abbildungssystem von einem vordefinierten
Bereich zu einem anderen vordefinierten Bereich zugerechnet werden,
und ungefähr 5 Millisekunden dem Aufnehmen des Bildes zugerechnet
werden, während eine minimale Geschwindigkeit aufrechterhalten
wird. Längere und kürzere Zeiten sind möglich,
basierend auf der tatsächlichen Entfernung und der Bewegungszeit
zwischen Erfassungen. Es wurde festgestellt, das das Abbildungssystem
der Erfindung in der Lage ist, ein Bild ohne wesentliche Verzerrung
oder Unschärfe aufzunehmen, während eine minimale Geschwindigkeit
von wenigstens 1 Millimeter pro Sekunde aufrecht erhalten wird.
Bei einer Ausführungsform ist das Abbildungssystem in der
Lage, eine minimale Geschwindigkeit von wenigstens 3 Millimeter pro
Sekunde aufrechtzuerhalten. Bei einer anderen Ausführungsform
ist das Abbildungssystem in der Lage, eine minimale Geschwindigkeit
mindestens 48 Millimeter pro Sekunde aufrechtzuerhalten. In diesem
Fall wird eine Xenon-Beleuchtungsvorrichtung verwendet, um einen
3,8 Mikrosekunden-Belichtungsimpuls zu liefern. Obwohl eine minimale
Geschwindigkeit beibehalten wird, kann sich das Abbildungssystem 50 nicht
mehr über die Schablone 36 und/oder die Leiterplatte 12 bewegen
als eine Strecke äquivalent zu ¼ Pixelshift an
der Bildebene der Kamera 54 und/oder 56. Es wurde
festgestellt, dass das Abbildungssystem 50 während
des Belichtungsintervalls sich um bis zu ¼ Pixel äquivalente
Strecke an der Bildebene bewegen kann und noch ein akzeptables Bild
liefert.
-
Mit
Bezug auf 8 verlangsamt sich bei einer
Ausführungsform das Abbildungssystem 50, wenn
es ein Bild der Schablone 36 oder der Leiterplatte 12 aufnimmt,
um das Bild zu erfassen, aber behält immer eine minimale
positive Geschwindigkeit bei. Wie dargestellt, verlangsamt sich
das Abbildungssystem 50, wenn es sich einem vorbestimmten Bereich
für ein Bild nähert, nimmt das Bild auf durch Öffnen
und Schließen des elektronischen Äquivalents eines
Verschlusses bzw. einer Blende, und beschleunigt zum nächsten
vordefinierten Bereich. Die Kombination von starkem Licht und reduzierter
Belichtungszeit ermöglicht es dem Abbildungssystem, eine
minimale positive Geschwindigkeit während des Erfassens
des Bildes beizubehalten. Da das Abbildungssystem 50 eine
minimale Geschwindigkeit beibehält und nicht angehalten
wird, wird auch weniger Vibration oder Schwingungen eingebracht,
und es wird keine zusätzliche Zeit benötigt um
sicherzustellen, das das Vibrationsniveau des Abbildungssystems
unter einem gewissen Schwellenwert liegt. Bei einer Ausführungsform
wird das Bild während einer Zeit erfasst, wenn das Abbildungssystem
sich um eine Strecke bewegt, welche äquivalent ist zu weniger
als ¼ Pixel an der Bildebene. Folglich ermöglicht das
Abbildungssystem der Erfindung es dem Schablonendrucker 30,
schnell vordefinierte Bereiche der Schablone und/oder der Leiterplatte
in beträchtlich kürzerer Zeit als Abbildungssysteme
des Standes der Technik abzubilden.
-
Mit
Bezug auf 9 ist ein optimaler Scanweg
dargestellt, welcher durch das Abbildungssystem 50 unter
dem Betrieb der Steuereinrichtung 34 nach den Lehren der
vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. Bei diesem besonderen
Beispiel wird die in 3 dargestellte Leiterplatte 12 zur Überprüfung
gescannt. Es sollte jedoch klar sein, dass andere Objekte oder Vorrichtungen
gescannt werden können, wie z. B. die Schablone, anstelle
der Leiterplatte 12 und vom optimalen Scanwegsystem und
Verfahren der vorliegenden Erfindung profitieren können. Wie
in 9 dargestellt, beginnt das Abbildungssystem 50 am
Startpunkt 82, und bewegt sich längs einer Achse 84 vom
Startpunkt in einer ersten Richtung über die Leiterplatte,
welche bei der beispielhaften Ausführungsform in 9 von
links nach rechts ist. Diese Achse 84 wird hier manchmal
als eine "erste Achse" bezeichnet. Der Startpunkt 82 beginnt
zum oberen Rand der Leiterplatte benachbart nahe der oberen linken
Ecke. Die Einleitung des optimalen Scanvorganges der Leiterplatte
und/oder der Schablone kann jedoch an jedem beliebigen Punkt über dem
zu scannenden Objekt gestartet werden. Wenn sich das Abbildungssystem
bewegt, erfasst es Bilder von Bereichen von Interesse längs
der ersten Achse 84.
-
Mit
Bezug zurück zu 3 kann die Leiterplatte mit
hunderten wenn nicht tausenden von elektronischen Komponenten bestückt
sein. Wie oben erörtert, sind diese Komponenten an elektronischen Pads
befestigt, welche auf der Leiterplatte bereitgestellt sind, und
die Lötpaste ist so angepasst, dass sie auf die Pads in
der der oben beschriebenen Weise abgegeben wird, um die Komponenten
an den Pads zu befestigen. Die Steuereinrichtung 34 ist
konfiguriert zur Identifizierung des äußeren Rands
der Pads auf der Platine, um so die Grenzen der aufzunehmenden Bilder
zu definieren. Sobald die Grenzen definiert sind, identifiziert
die Steuereinrichtung 34 Bereiche von Interesse (z. B.
ein Pad oder mehrere Pads mit Lötpastenaufträgen)
längs der ersten Achse 84, um Bilder aller Bereiche
von Interesse zu erfassen, die längs der ersten Achse vorgesehen
sind. Wie in 9 dargestellt, gibt es zwölf
solcher Bereich von Interesse, jeweils mit 86 bezeichnet,
welche längs der ersten Achse 84 vorgesehen sind. 9 stellt
das Abbildungssystem 50 dar, das sich längs einer
horizontalen oder X-Achse bewegt, welche typischerweise als eine
"primäre" oder "schnelle" Achsenbewegung in der Technik
bezeichnet wird. Das Abbildungssystem und das Laufschienensystem können
so konfiguriert werden, dass die vertikale oder Y-Achse die "schnelle
Achsen"-Bewegung ist und der resultierende Scanweg die Bilder längs
der vertikalen Achse anstelle der horizontalen Achse erfasst. Obwohl
die erste Achse 84 in 9 als gerade und
horizontal dargestellt ist, kann sie so konfiguriert sein, dass
sie nicht linear ist und/oder längs einer Achse angeordnet
ist, welche unter einem Winkel mit Bezug zur ersten Achse verläuft
und noch in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fällt.
Die Länge der ersten Achsenbewegung des Abbildungssystems 50 kann
auch kürzer oder länger sein als die Länge
der in 9 dargestellten Bewegung.
-
Sobald
alle Bereiche von Interesse 86 längs der ersten
Achse 84 erfasst sind, bewegt sich das Abbildungssystem 50 unter
der Führung der Steuereinrichtung 34 über
das Laufschienensystem 52, senkrecht längs einer
vertikalen oder Y-Achsen-Richtung 88 von der ersten Achse
weg. Diese Bewegungsrichtung des Abbildungssystems 50 kann
als eine "zweite" oder "langsame" Achsenbewegung bezeichnet werden.
Die Steuereinrichtung 34 oder die Bedienungsperson des
Schablonendruckers 30 gibt eine Bewegungsstrecke vor, so
dass es keinen Raum zwischen Bildern benachbarter Bereiche von Interesse
gibt und einen absichtlichen Raum mit Übergängen
mit höherer Geschwindigkeit in Bereichen, wo es keine Bereiche
von Interesse gibt. Wie in 9 dargestellt,
kann der untere Rand eines Bereichs von Interesse 86, welcher
längs der ersten Achse 84 aufgenommen wurde, mindestens
am oberen Rand eines benachbarten Bereichs von Interesse anliegen
(und bei gewissen Ausführungsformen überlappen).
Wie bei der ersten Achse 84 kann die sekundäre
Achsenbewegung so konfiguriert sein, dass sie nicht linear ist und/oder
längs einer Achse angeordnet ist, welche unter einem Winkel
zu einer vertikalen Achse verläuft. Außerdem kann
die Länge der sekundären Achsenbewegung kürzer
oder länger sein als die in 9 dargestellte
Bewegungslänge, abhängig vom Ort der Bereiche
von Interesse und den Fähigkeiten des Abbildungssystems 50.
Besonders wie in 9 dargestellt, sind einige der
sekundären Achsenbewegungen nicht vertikal sondern fast
vertikal. In solchen Fällen kann die sekundäre
Achsenbewegung auch eine leichte primäre Achsenbewegung
einschließen.
-
Sobald
es in der Y-Achsen-Richtung unter der Führung der Steuereinrichtung 34 bewegt
wird, bewegt sich das Abbildungssystem 50 längs
einer zweiten Achse 90 in einer zweiten Richtung, welche zur
ersten oben beschriebenen Richtung entgegen gesetzt ist (z. B. von
rechts nach links, wie in 9 dargestellt).
Wie bei der Abbildung von Bereichen von Interesse längs
der ersten Achse 84, identifiziert die Steuereinrichtung 34 Bereiche
von Interesse, welche jeweils mit 92 bezeichnet sind, längs
der zweiten Achse 90, um Bilder jedes Bereichs von Interesse
einzufangen. Wie dargestellt gibt es elf solcher Bereiche von Interesse 92 längs
der zweiten Achse 90.
-
Das
Abbildungssystem 50 bewegt sich unter der Führung
der Steuereinrichtung 34, um die restliche Oberfläche
der Leiterplatte 12 zu scannen. Das Abbildungssystem 50 bewegt
sich insbesondere nach der Bewegung um einen vorbestimmten Abstand
in einer vertikalen oder Y-Achsen-Richtung längs einer
weiteren horizontalen oder X-Achsen-Richtung in der ersten Richtung
und erfasst Bilder der Bereiche von Interesse längs der
Achse der Bewegung. Sobald das Abbilden längs der Achse
beendet ist, führt das Abbildungssystem eine andere vertikale
oder Y-Achsen-Bewegung aus und bewegt sich längs einer
horizontalen oder X-Achse in der zweiten Richtung. Dieses Bewegungsmuster,
wie deutlich in 9 dargestellt, dauert an bis
die Leiterplatte vollständig gescannt ist. Wie dargestellt,
wird nicht die gesamte Oberfläche der Leiterplatte vollständig
gescannt, sondern nur solche Bereiche, welche eine Überprüfung
erfordern, z. B. ein Lötpastenauftrag auf einem metallischen
Pad der Leiterplatte. Der Endpunkt des Scanprozesses ist bei 94 angegeben.
Bei der Leiterplatte 12 erfordert das Abbildungssystem 50 unter
der Führung der Steuereinrichtung 34 insgesamt
vierzehn Scandurchgänge und erfasst Bilder von 148 Bereichen
von Interesse.
-
Sobald
das Abbildungssystem 50 Bilder alle Bereiche von Interesse
erhält wie ausgewählt oder anderweitig von der
Steuereinrichtung 34 identifiziert zum Beispiel, können
die Bilder zusammengesetzt werden oder von der Steuereinrichtung
in einer bruchstückhaften Weise verwendet werden. Die Steuereinrichtung 34 kann
eine Überprüfungsanalyse des speziellen Arbeitsvorganges
ausführen, welche an der Leiterplatte durchgeführt
wurde. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann die Analyse
das Überprüfen der Genauigkeit eines Lötpastenauftrags auf
ein metallisches Pad der Leiterplatte einschließen oder
das Durchführen einer Texturerkennungsanalyse, welche im
folgenden detaillierter erörtert wird. Wie oben erörtert,
kann das Abbildungssystem 50 konfiguriert sein, sich von
einem Bereich von Interesse zum nächsten Bereich von Interesse
zu bewegen und erfasst ein Bild des Bereichs von Interesse, während
es eine minimale Geschwindigkeit aufrechterhält. Das Bereitstellen
des optimalen Scanweges und die Abbildungssystemkonfiguration verbessert
wesentlich die Überprüfungseffizienz.
-
Wie
oben erörtert, dann das vorangehende optimale Scansystem
und -verfahren sowohl an der Schablone 14 oder 36 als
auch an der Leiterplatte 12 durchgeführt werden.
Außerdem kann der Schablonendrucker 30 so konfiguriert
sein, dass die "schnelle" Achsenbewegung in der vertikalen oder
Y-Achsen-Richtung liegt anstatt in der horizontalen oder X-Achsen-Richtung,
wie oben beschrieben.
-
Der
resultierende Effekt der Anwendung des optimalen Scanwegsystems
und -verfahrens ist eine beträchtliche Verringerung der
Zeit, welche zur Überprüfung der in 3 dargestellten
Leiterplatte 12 erforderlich ist. Wie oben erwähnt,
führt die Anwendung allgemein bekannter Schablonendrucker-Scanverfahren
zur Identifizierung und Erfassung von Bildern von 921 Bereichen
von Interesse. Bei der Verwendung solcher Scanverfahren beträgt
die zur Überprüfung der Leiterplatte erforderliche
Zeit ungefähr 260 Sekunden (mehr als vier Minuten). Mit
Bezug auf 9 werden durch Verwendung der
optimalen, hier erörterten Scanwegtechnik die Bereiche
von Interesse auf 148 Stellen reduziert. Folglich wird die Zeit, welche
zum Scannen der Leiterplatte benötigt wird, auf ungefähr
neunzehn Sekunden reduziert. Die Fähigkeit des Abbildungssystems,
während des Scannens eine minimale Geschwindigkeit zu erreichen, trägt
auch zur Verringerung der Zeit zum Scannen der Leiterplatte bei.
-
Mit
Bezug auf 10 ist allgemein bei 100 ein
Verfahren zur Abgabe oder Aufbringung von Lötpaste auf
elektronische Kontaktflächen bzw. Pads eines Substrats,
wie z. B. einer Leiterplatte 12 angegeben. Wie bei 102 dargestellt,
wird eine Leiterplatte über ein Transportsystem, welches
beispielsweise Förderschienen verwendet, zu dem Schablonendrucker
zugeführt. Bei 104 ist die Leiterplatte auf der
Trägeranordnung im Schablonendrucker positioniert. Bei 106 wird
ein Druckvorgang an der Leiterplatte ausgeführt unter Anwendung
des Abgabekopfes in der oben beschriebenen Weise, um Lötpaste
auf die Pads der Leiterplatte aufzubringen.
-
Sobald
das Drucken beendet ist, wird bei 108 das Abbildungssystem
in einer ersten Richtung längs einer ersten Achse bewegt,
um Bilder der Bereiche von Interesse (zum Beispiel selektiv durch
die Steuereinrichtung identifiziert) längs der ersten Achse
zu erfassen. Das Abbildungssystem bewegt sich insbesondere unter
der Führung der Steuereinrichtung in der oben beschriebenen
Weise von Bereich von Interesse zu Bereich von Interesse. Nach dem
Erfassen der Bilder aller Bereiche von Interesse längs
der ersten Achse wird das Abbildungssystem senkrecht von der ersten
Achse um einen vorbestimmten Abstand wegbewegt. Bei 110 wird
das Abbildungssystem dann in einer zweiten Richtung bewegt, entgegen
gesetzt zur ersten Richtung, längs einer zweiten Achse, um
Bilder von Bereichen von Interesse längs der zweiten Achse
zu erfassen, welche selektiv von der Steuereinrichtung identifiziert
wurden.
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Bei 112 wird
der Prozess des Hin- und Herbewegens des Abbildungssystems über
das abzubildende Objekt, z. B. die Leiterplatte oder die Schablone,
fortgesetzt bis alle Bereiche von Interesse abgebildet sind. Wenn
die Bilder angesammelt werden, kann die Steuereinrichtung die Bilder
zusammensetzen oder die Bilder anderweitig handhaben, um das abgebildete
Objekt zu überprüfen. Bei 114 wird der Scanprozess
abgeschlossen. Bei einer Ausführungsform kann zum Beispiel
jeder Bereich von Interesse überprüft werden,
um sicherzustellen, dass ein Lötpastenauftrag erfolgreich über
ein metallisches Pad der Leiterplatte aufgebracht wurde. Dieser
spezielle Prozess kann verbessert werden durch Ausführen
einer Texturerkennungssequenz, um die Genauigkeit des Lötpastenauftrags
auf sein besonderes Pad zu bestimmen. Bei einer anderen Ausführungsform
können die Bereiche von Interesse Öffnungen der
Schablone einschließen und der Überprüfungsprozess kann
das Feststellen beinhalten, ob die Öffnungen mit Lötpaste
verstopft sind.
-
Bei
einer Ausführungsform kann das Abbildungssystem
50 dazu
verwendet werden, ein Texturerkennungsverfahren durchzuführen,
wie z. B. das Verfahren, welches offenbart ist im
US-Patent Nr. 6 738 505 von Prince
mit dem Titel "Method and apparatus for detecting solder Paste deposits
an substrates" (Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen von Lötpastenaufbringungen
auf Substraten), welches im Besitz der Rechtsnachfolgerin der vorliegenden
Erfindung ist und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Das
US-Patent Nr. 6 891 967 von
Prince mit dem Titel "Systems and methods for detecting defects
in printed solder Paste" (Systeme und Verfahren zum Erfassen von
Fehlern in gedruckter Lötpaste), welches ebenfalls im Besitz
der Rechtsnachfolgering der vorliegenden Erfindung ist und hier
durch Bezugnahme eingeschlossen ist, unterstützt die Lehren
des
US-Patents Nr. 6 738 505 .
Diese Patente lehren insbesondere Texturerkennungsverfahren zur Bestimmung,
ob Lötpaste richtig auf vorbestimmte Bereiche abgeschieden
wurde, z. B. Kupfer-Kontaktpads, welche an einer gedruckten Leiterplatte
angeordnet sind.
-
Mit
Bezug auf 11 ist bei einer Ausführungsform
der Siebdrucker 30 dargestellt, welcher ein Substrat 200 überprüft,
welches eine Substanz 202 darauf abgeschieden hat. Das
Substrat 200 kann eine Leiterplatte (z. B. eine Leiterplatte 12),
ein Wafer oder eine ähnliche flache bzw. ebene Oberfläche
darstellen, und die Substanz 202 kann Lötpaste
oder andere viskose Materialien darstellen, wie z. B. Klebstoffe,
Verkapselungsmaterialien, Füllstoffe und andere Montagematerialien,
welche zur Befestigung elektronischer Komponenten auf gedruckten
Leiterplatten oder Wafern geeignet sind. Wie in 12 und 13 dargestellt,
hat das Substrat 200 einen Bereich 204 von Interesse
und Kontaktbereiche 206. Das Substrat 200 weist
ferner Leiter (traces) 208 und Kontaktlöcher (vias) 210 auf,
welche zum Beispiel dazu verwendet werden, auf dem Substrat montierte Komponenten
miteinander zu verbinden. 12 zeigt
das Substrat 200 ohne auf irgendeinem der Kontaktbereiche 206 aufgetragenen
Substanzen. 13 zeigt das Substrat 200 mit
Substanzen 202, z. B. Lötpastenaufbringungen,
welche auf den Kontaktbereichen 206 verteilt sind. Auf
dem Substrat 200 sind die Kontaktbereiche 206 über
einen bezeichneten Bereich 204 von Interesse verteilt.
-
13 zeigt
eine Fehlausrichtung der Lötpastenaufbringungen
202 mit
den Kontaktbereichen
206. Wie dargestellt, berührt
jede der Lötpastenaufbringungen
202 teilweise
einen der Kontaktbereiche
206. Um einen guten elektrischen
Kontakt sicherzustellen und um eine Überbrückung
zwischen benachbarten Kontaktbereichen, z. B. Kupferkontaktpads, zu
vermeiden, sollten die Lötpastenaufbringungen auf die jeweiligen
Kontaktabereiche innerhalb spezieller Toleranzen ausgerichtet sein.
Texturerkennungsverfahren der in den
US-Patenten
Nr. 6 738 505 und
6
891 967 offenbarten Verfahren erfassen fehlausgerichtete
Lötpastenaufbringungen auf Kontaktbereichen und verbessern
als Folge im allgemeinen die Produktionsausbeute der Substrate.
-
Mit
Bezug zurück auf 11 weist
bei einer Ausführungsform ein Verfahren zur Lötpastentexturerkennung
die Verwendung des Abbildungssystems 50 auf, um ein Bild
des Substrats 200 zu erfassen, welches eine Substanz 202 auf
dem Substrat 200 aufgetragen hat. Das Abbildungssystem 50 kann konfiguriert
sein, um ein Echtzeitsignal analog oder digital 212 an
einen geeigneten digitalen Kommunikationsport oder einen speziell
dafür vorgesehenen Framegrabber 214 zu übertragen.
Die digitale Anschlussstelle bzw. der Port kann Ausführungen
aufweisen, welche allgemein bekannt sind als USB, Ethernet oder
Firewire (IEEE 1394). Das Echtzeitsignal 212 entspricht
einem Bild des Substrats 200 mit der darauf abgeschiedenen
Substanz. Sobald empfangen, erzeugt der Port oder der Framegrabber 214 Bilddaten 216,
welche auf einem Monitor 218 angezeigt werden können.
Bei einer Ausführungsform werden die Bilddaten 216 in
eine vorbestimmte Anzahl von Pixeln aufgeteilt, wobei jedes einen
Helligkeitswert aus 0 bis 255 Graustufen aufweist. Bei einer Ausführungsform stellt
das Signal 212 ein Echtzeit-Bildsignal des Substrats 200 und
der darauf abgeschiedenen Substanz 202 dar. Bei anderen
Ausführungsformen jedoch wird das Bild in einem lokalen Speicher
gespeichert und nach Bedarf, wenn erforderlich, zur Steuereinrichtung 34 übertragen.
-
Der
Port oder Framegrabber 214 ist elektrisch mit der Steuereinrichtung 34 verbunden,
welche einen Prozessor 220 aufweist. Der Prozessor 220 berechnet
statistische Abweichungen in der Textur im Bild 216 der
Substanz 202. Die Texturabweichungen im Bild 216 der
Substanz 202 werden berechnet unabhängig von der
relativen Helligkeit der Nicht-Substanz-Hintergrundmerkmale am Substrat 200,
wodurch es dem Prozessor 220 ermöglicht wird, den
Ort der Substanz auf dem Substrat festzustellen und den Ort der
Substanz mit einem gewünschten Ort zu vergleichen. Bei
einer Ausführungsform reagiert der Prozessor 220,
wenn der Vergleich zwischen dem gewünschten Ort und dem
tatsächlichen Ort der Substanz 202 eine Fehlausrichtung
ergibt, welche einen vordefinierten Schwellenwert übersteigt,
mit anpassenden Maßnahmen, um den Fehler zu verringern
oder zu beseitigen, und kann das Substrat zurückweisen
oder über die Steuereinrichtung 34 einen Alarm
auslösen. Die Steuereinrichtung 34 ist elektrisch
mit Antriebsmotoren 222 des Schablonendruckers 30 verbunden,
um sowohl die Ausrichtung der Schablone 36 und des Substrats 200 zu
ermöglichen als auch andere Bewegungen im Zusammenhang
mit dem Druckprozess.
-
Die
Steuereinrichtung 34 ist Teil eines Regelkreises 224,
welcher die Antriebsmotoren 222 des Schablonendruckers 30,
das Abbildungssystem 50, den Framegrabber 214 und
den Prozessor 220 umfasst. Die Steuereinrichtung 34 sendet
ein Signal, um die Ausrichtung der Schablone 36 einzustellen,
sollte die Substanz 202 mit dem Kontaktbereich 206 fehlausgerichtet
sein.
-
Während
des Betriebes, wenn eine Substanz auf einem Substrat aufgetragen
wird, wird ein Bild des Substanzauftrags erfasst. Bei einer Ausführungsform
ist die Substanz Lötpaste und das Substrat ist eine Leiterplatte.
Das Bild des Substrats mit der Substanz kann in Echtzeit erfasst
oder von einem Speicher der Steuereinrichtung abgerufen werden. Das
Bild wird an den Prozessor der Steuereinrichtung gesandt, in welchem
Texturvariationen im Bild erfasst werden. Diese Texturvariationen
werden dazu verwendet, den Ort der Substanz auf dem Substrat zu
bestimmen. Der Prozessor ist programmiert zum Vergleich des speziellen
Orts der Substanz mit vorbestimmten Orten des Substrats. Wenn Abweichungen
innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen, kann der Prozessor mit anpassenden
bzw. einstellenden Maßnahmen reagieren, um den Prozess
zu verbessern. Wenn die Abweichungen außerhalb vorbestimmter
Grenzen liegen, kann eine geeignete Rettungsmaßnahme durchgeführt
werden, bei welcher das Substrat zurückgewiesen wird, der
Prozess beendet wird oder ein Alarm ausgelöst wird. Die
Steuereinrichtung ist programmiert zur Durchführung irgendeiner
oder mehrere dieser Funktionen, wenn ein Fehler festgestellt wird.
-
Daher
sollte beachtet werden, dass das Abbildungssystem 50 der
vorliegenden Erfindung insbesondere zur Erfassung von Bildern geeignet
ist, welche scharf fokussiert sind und frei von Unschärfe,
wie es erforderlich ist, um Texturerkennungsverfahren durchzuführen,
während es eine effiziente Echtzeit-Regelschleife liefert,
da das Abbildungssystem in der Lage ist, schnell Bereiche von Interesse
(vordefinierte Bereiche) abzubilden, so dass Daten schnell analysiert
werden können.
-
Bei
einer Ausführungsform können die Schablone und/oder
die Leiterplatte sich relativ zur Kamera bewegen, um Bilder der
Schablone bzw. der Platte aufzunehmen. Die Schablone kann zum Beispiel vom
Drucknest weg verschoben werden und über oder unter die
Kamera bewegt werden, welche stationär sein kann. In ähnlicher
Weise kann die Leiterplatte vom Drucknest weg bewegt werden und über oder
unter die Kamera bewegt werden. Die Kamera kann dann ein Bild der
Schablone und/oder der Leiterplatte in der oben beschriebenen Weise
aufnehmen, wobei die Leiterplatte und/oder die Schablone eine minimale
Geschwindigkeit beibehalten.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform kann das Abbildungssystem
mit einer Abgabevorrichtung verwendet werden, welche ausgelegt ist
zur Abgabe von viskosen oder halbviskosen Materialien, wie z. B. Lötpaste,
Klebstoffen, Verkapselungsmaterialien, Füllstoffen und
andere Montagematerialien auf einem Substrat, wie z. B. einer Leiterplatte.
Solche Abgabevorrichtungen sind der von Speedline Technologies,
Inc. unter dem Markennamen CAMALOT® verkauften
Art.
-
Die
verbesserte optische Scaneffizienz, mechanische Stabilität
und der Parallelbetrieb, welche durch diese Erfindung geleistet
werden, reduzieren die Zeit, die benötigt wird, um Bilder
sowohl des elektronischen Substrats als auch der Schablone zu erfassen,
auf weniger als ein Zehntel der Zeit, welche benötigt wird,
wenn frühere Abbildungssysteme und Verfahren verwendet
werden. Zum Beispiel Stop-and-go-Verfahren, d. h. durch Anhalten
unterbrochene Bewegungsverfahren, erfordern Verzögerungen,
um es jeglicher restlicher Schwingung zu ermöglichen auszuklingen
bevor das Bild des Bereichs von Interesse erfasst wird. Ineffiziente
Scanwege erhöhen ferner auch die zum Scannen des Objekts
erforderliche Zeit. Die Systeme und Verfahren von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verringern die Zeit, welche zum Erfassen
von Bildern benötigt wird, wesentlich, während
die Qualität des erfassten Bildes beibehalten wird.
-
Während
diese Erfindung dargestellt und beschrieben wurde mit Bezug auf
spezielle Ausführungsformen hiervon, wird ein Fachmann
verstehen, dass verschiedene Änderungen in der Form und
in Details davon gemacht werden können, ohne den Schutzumfang
der Erfindung zu verlassen, welcher nur durch die folgenden Ansprüche
beschränkt wird.
-
Zusammenfassung
-
Ein
Schablonendrucker zum Aufbringen von Lötpaste auf ein elektronisches
Substrat weist einen Rahmen und eine an den Rahmen gekoppelte Schablone
auf. Eine Abgabevorrichtung ist an den Rahmen gekoppelt, wobei die
Abgabevorrichtung und die Schablone konfiguriert sind zur Abgabe
von Lötpaste auf die Vielzahl von Pads des elektronischen
Substrats. Ein Abbildungssystem ist konfiguriert, um Bilder von
Bereichen von Interesse von mindestens einem des elektronischen
Substrats und der Schablone zu erfassen. Der Schablonendrucker enthält
ferner eine Steuereinrichtung, welche mit dem Abbildungssystem gekoppelt
ist, wobei die Steuereinrichtung konfiguriert ist zur Steuerung
der Bewegung des Abbildungssystems, um Bilder von Bereichen von
Interesse von mindestens einem des elektronischen Substrats und
der Schablone zu erfassen, welche sich im allgemeinen längs
einer ersten Achse erstrecken, bevor das Abbildungssystem in eine
andere Richtung bewegt wird. Ein Verfahren zur Abgabe von Material auf
ein Substrat ist ferner offenbart.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 34615 [0004]
- - US 5060063 [0004, 0039]
- - US 6738505 [0057, 0057, 0059]
- - US 6891967 [0057, 0059]