DE2834836C2

DE2834836C2 - Vorrichtung zum Herstellen einer Hybrid-Leiterplatte durch Aufbringen elektronischer Bauelemente auf ein Substrat

Info

Publication number: DE2834836C2
Application number: DE2834836A
Authority: DE
Inventors: Phillip A. Binghamton N.Y. Ragard; Michael D. Chenango Bridge N.Y. Snyder; Roy Marvin Binghamton N.Y. Whiting
Original assignee: Universal Instruments Corp
Current assignee: Universal Instruments Corp
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1987-01-29
Also published as: JPH0315359B2; US4151945A; CA1102927A; DE2834836A1; GB2009636B; JPS58112388A; GB2009636A; JPS5480558A; DE2858098C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen einer Hybrid-Leiterplatte durch Aufbringen elektronischer Bauelemente in Form von Chips auf ein Substrat, bei der aus Vorratsschalen Chips durch zwei Bestückungsköpfe mittels einer vertikal verschiebbaren Vakuumnadel entnommen und auf das relativ zu den Bestückungsköpfen in Einsetzlage ausgerichtete Substrat aufgelegt werden.
Hybridschaltungen sind eine Kombination von diskreten und integrierten Schaltungstechniken, bei denen Leiter, Widerstände und Leiterbahnen oder Leiterstege auf ein Substrat gedruckt werden. In der Dickfilmtechnik sind die aufgedruckten Elemente im allgemeinen nur einige hundertstel Millimeter dick. Einzelne Bausteine oder Chips werden genau über die Leiterbahnen gebracht, in ihrer Lage befestigt und dabei die elektrische Schaltung vervollständigt. Die fixierten Chips und das Substrat mit einem freiliegenden Anschlußrahmen sind häufig als Ganzes in ein Schutzgehäuse eingekapselt. Auf diese Weise können räumlich kleinere gedruckte Schaltungen hergestellt werden als mit einzelnen bereits eingekapselten Bausteinen, deren Leiter in Leiterplatten eingesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil der Chips ist ihre geringe Größe, die nur 0,762 x 0,762 mm und 0,254 mm Dicke betragen kann, während Lötpunkte und Leiterstege nur 0,127 hoch und breit sein können. Um jedoch die Hybrid-Schalttechnik erfolgreich zu gestalten, müssen das Substrat und die Bausteine oder Chips so in Lage gebracht und orientiert werden, daß Lötpunkte, Leiterbahnen und Leiterstege äußerst genau ausgerichtet sind, um miteinander fehlerfrei verbunden werden zu können. Dies erfordert ein hohes Maß an Präzision, sowohl beim Ausrichten des Substrats als auch beim Ausrichten der Chips.
Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen Substrat und Chip getrennt fixiert und präzise ausgerichtet in Lage gebracht werden. Bei anderen Ausführungen sind die Chips zu Beginn des Arbeitsganges wahllos in einer vibrierenden Zuführungsschale orientiert und die Chips werden nacheinander in eine präzise Lage gebracht.
Bei diesen bekannten Vorrichtungen kann während eines gegebenen Arbeitsablaufes nur ein Chip an einer bestimmten Stelle auf ein Substrat aufgesetzt werden, wenn die Substrate entlang eines synchronisierten Förderers bewegt werden. Es ist daher eine weitere vollständige Vorrichtung erforderlich, um einen zweiten Chip auf dasselbe Substrat zu setzen.
In der DE-OS 25 11 058 sowie der US-PS 39 09 933 sind Vorrichtungen mit Konstruktionselementen der eingangs genannten Art beschrieben, mit denen aufgrund ihrer Flexibilität eine Vielzahl von verschiedenen Bausteinen bzw. Chips in einer präzisen Lage auf ein Substrat aufgesetzt werden können.
Bei der aus der DE-OS 25 11 058 bekannten Befestigungsanordnung für Halbleiterelemente auf einem Substrat wird ein Element zwischen Plattformen durch eine horizontale translatorische Bewegung eines mit Unterdruck arbeitenden Bestückungskopfes einer Übertragungseinrichtung befördert und auf ein in X- und Y-Lage bringbares Substrat aufgelegt.
Sowohl die auf einer Plattform befindlichen Bauelemente als auch das auf einer zweiten Plattform 20 befindliche Substrat werden unter den Bestückungskopf bewegt, der linear von einer Station zur anderen verschoben wird.
Eine ähnliche Art einer Vorrichtung zum Herstellen von Hybrid-Leiterplatten ist in der US-PS 39 09 933 beschrieben. Hier liegt eine Vorratsschale mit präzise angeordneten Chips auf einem in der X-Y-Ebene bewegbaren Tisch. Das Substrat befindet sich auf einem anderen, ebenfalls in der X-Y-Ebene bewegbaren Tisch. Ein Abnahmekopf wird in einer unveränderbaren Bahn entlang einer X-Achse zwischen der Vorratsschale mit Chips und dem Substrat bewegt, um einen gewählten Chip aus der Schale zu entnehmen, zum Substrat zu bringen und auf dieses aufzusetzen. Entsprechend einem numerischen Steuersystem wird die Vorratsschale automatisch zu den X-Y Koordinaten bewegt, die den Chip genau an die Stelle bringt, in der der Abnahmekopf nach unten geht, um den Chip aufzunehmen. Dasselbe Steuersystem bringt das Substrat durch X- Y Koordinaten in Lage, so daß der Bereich zur Aufnahme des gewählten Chips sich genau unterhalb der Stelle befindet, wo der Abnahmekopf mit Sicherheit nach unten geht. Auf diese Weise kann durch Bewegen sowohl der Vorratsschale als auch des Substrats ein vorbereitetes Sortiment von Chips in einer Schale nacheinander auf ein einziges Substrat aufgesetzt werden. Bei dieser bekannten Vorrichtung arbeiten zwei einzelne Vorratsschalen und zwei Abnahmeköpfe abwechselnd unter einem Steuerprogramm, um Chips auf dasselbe Substrat aufzubringen. Vorratsschalen und Substrat müssen dabei sehr präzise in Lage gebracht und die Chips innerhalb der Schale in bezug zueinander präzise ausgerichtet werden, sonst kann der sich in einer unveränderlichen Bahn bewegende Abnahmekopf den Chip nicht präzise auf das Substrat aufsetzen. Teleskope, Fernsehkameras, Mikrometer-Einstellvorrichtungen und dergleichen Instrumente werden benötigt, um Genauigkeit sicherzustellen. Solche aufwendigen Einrichtungen machen aber die bekannten Vorrichtungen unwirtschaftlich.
Aufgabe der Erfindung war es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der an einer einzigen Arbeitsstation mit großer Präzision eine Vielzahl verschiedenartiger Chips unterschiedlicher Funktionen sowie unterschiedlicher physikalischer und elektrischer Größen auf ein Substrat in Lage gebracht werden können, wobei mit geringstmöglichem Aufwand die größtmögliche Wirtschaftlichkeit sowohl hinsichtlich der präzisen als auch der zeitsparenden Arbeit erreicht werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß auf einer Plattform ein um eine vertikale Achse (Welle) drehbaren Schalttisch mit mehreren symmetrisch um die Achse verteilten Aufnahmen zum genau orientierten Einspannen der Substrate angeordnet ist, daß auf dieser Plattform im wesentlichen in gleicher Höhe mit dem Schalttisch eine Reihe von mit verschiedenen Chips beladenen Vorratsschalen angeordnet ist, daß die beiden Bestükkungsköpfe im Bereich der die Chips aufbewahrenden Vorratsschalen und der in den Substrataufnahmen ausgerichteten Substrate in X- und Y-Richtungen unabhängig voneinander bewegbar sind, und daß für jeden Bestückungskopf Antriebsmittel vorgesehen sind, die ihn programmgesteuert in jede beliebige Stellung über einer Vorratsschale und einem in einer Substrataufnahme gehaltenen Substrat bewegen können.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Auf dem Gebiet der Hybrid-Leitertechnik ist es erforderlich, an derselben Bestückungsstation zahlreiche verschiedene Arten und Größen von Chips auf eine gedruckte Leiterplatte zu montieren. Bei einer Vorrichtung nach der Erfindung werden diese unterschiedlichen und zahlreichen Bausteine durch Vorratsschalen an einer Aufnahmestation bereitgestellt und mittels in Xund Y-Richtungen verschiebbaren Bestückungsköpfe aufgenommen und zum Substrat gebracht. Diese Dual- Achsenbewegung eines Bestückungskopfes bringt wesentliche Vorteile bei der Herstellung von Hybrid-Leiterplatten. So muß ein in X- und Y-Richtung bewegbarer Bestückungskopf bei einer 5 x 5 cm großen Vorratsschale nur eine Feldbewegung von 25 cm² durchführen. Eine Schale dieser Größenordnung, die unter einem Bestückungskopf bewegt würde, müßte dagegen um irgendeinen Chip in Stellung zu bringen, einen Bereich von etwa 10 x 10 cm, also 100 cm² überstreichen. Die Dual-Bewegung des Bestückungskopfes ermöglicht ferner die Verwendung mehrerer Vorratsschalen und damit einer größeren Anzahl verschiedenartiger Chips. Die Verwendung einer Einsetzvorrichtung mit zwei Bestückungsköpfen bringt in Verbindung mit der Dual-Bewegung derselben eine optimale Raumausnutzung und Zeitersparnis mit sich. Diese gleich ausgeführten, einander nicht störenden Bestückungsköpfe arbeiten unabhängig voneinander. So kann ein Bestückungskopf zur Aufnahmestation bewegt werden, während der andere Bestückungskopf bereits mit dem daran haftenden Chip zum Substrat verschoben wird. Die Chips in den Vorratsschalen müssen nicht genau ausgerichtet sein, da die Vakuumnadel des Bestückungskopfes einen Chip ansaugt und festhält und eine Zentriereinrichtung ihn an der Vakuumnadel ausrichten kann.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Draufsicht einer Vorrichtung, bei der einige Teile weggelassen und einige Teile weggeschnitten sind;
Fig. 2 eine Teildraufsicht der X-Y Lageeinstellvorrichtung, die in Fig. 1 teilweise weggeschnitten ist;
Fig. 3a eine vergrößerte Draufsicht einer Substrataufnahme gemäß Fig. 1;
Fig. 3b eine Teilschnittansicht entlang der Linie 3b-3b in Fig. 3a;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des rechten Bestückungskopfes gemäß Fig. 2;
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Vorratsschale zur Aufbewahrung der Chips;
Fig. 6 einen vergrößerten Aufriß in Schnittansicht, entlang der Linie b-b in Fig. 5;
Fig. 7, 8 und 9 vergrößerte Ansichten von Chips in drei Ausrichtungen; und
Fig. 10 einen Aufriß entlang der Linie 16-16 in Fig. 1.
Die Vorrichtung 10 zum automatischen Bestücken einer Leiterplatte mit elektronischen Bauelementen (Fig. 1 und 2) weist einen im wesentlichen flachen, runden Schalttisch 12 auf, der um eine mittige vertikale Welle 14 dreht. Der Antrieb (nicht dargestellt) zum Fortschalten des Schalttisches 12 ist unterhalb der Oberseite 18 des Tisches angeordnet und ist an der Hauptplattform 20 befestigt. Diese Plattform 20 steht erhöht auf Beinen 33, so daß der runde Schalttisch 12 in einer für die Bedienungsperson bequemen Höhe angeordnet ist, die es ihr ermöglicht, den Tisch mit den Substraten zu beladen, wie noch näher beschrieben wird.
Eine Reihe 24 von Vorratsschalen 26, die im wesentlichen symmetrisch zur Welle 14 des Schalttisches 12 angeordnet ist, steht hinter diesem Tisch 12 im wesentlichen in gleicher Höhe wie dieser. In den Vorratsschalen 26 befinden sich Chips 40 verschiedener Art, wobei zahlreiche Chips einer physikalischen Größe, Art und Wert in jeder Vorratsschale 26 in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind.
Der Schalttisch 12 weist vier Substrataufnahmen 28 auf, die im gleichen Abstand um den Umfang des Tisches angeordnet sind. In jeder Substrataufnahme wird ein Substrat 30 (Fig. 3b) nach dem Einlegen fest aber lösbar gefaßt. Der Schalttisch 12 wird im Uhrzeigersinn in vier gleichen Stufen von jeweils 90⁰ geschaltet, so daß jede Substrataufnahme 28 nacheinander an der Ladestation 32 bei einer Bedienungsperson hält, die von Hand ein vorgedrucktes Substrat 30 einlegt. Wenn der Schalttisch 12 um 90⁰ weiter gedreht wird, gelangt das Substrat 30 zur Beschichtungsstation 34, wo auf seine Oberseite automatisch ein Flußmittelüberzug aufgebracht wird. Dieser dient zum Reinigen der Leitungsflächen für den nachfolgenden Lötvorgang und wirkt als Haftmittel, um die Chips 40 am Substrat 30 zu binden, bevor sie angelötet werden.
Wenn der Schalttisch 12 um weitere 90° gedreht ist, gelangt das beschichtete Substrat 30 zur Beschickungsstation 36, wo die Chips 40 auf das Substrat 30 entsprechend der durch die aufgedruckte Schaltung bestimmten Vielfalt, Muster und Ausrichtung aufgesetzt werden.
Nach dem Bestücken des Substrats 30 wird der Schalttisch 12 wieder um 90° zur Entladestation 38 gedreht, wo das Substrat 30 automatisch auf einen Förderer 42 abgeladen wird, der zur nächsten Station, beispielsweise der Lötstation, führt.
Das Schalten des Tisches erfolgt kontinuierlich, obwohl die zeitlichen Intervalle zwischen den Schaltvorgängen unregelmäßig sein können. Diese Intervalle hängen von der Anzahl der in der Beschickungsstation 36 auf ein bestimmtes Substrat 30 aufgelegten Chips ab. Jede leere Substrataufnahme 28 wird von der Bedienungsperson beladen, so daß während des Betriebs normalerweise vier Substrate 30 gleichzeitig vorhanden sind, und zwar jeweils einer an jeder Station, ausgenommen bei Beginn und nach Beendigung des Arbeitsablaufes.
Hinter dem Schalttisch 12 und teilweise über der Reihe 24 der Vorratsschalen 26 sind zwei ein Paar bildende Bestückungsköpfe (Fig. 2) angeordnet, und zwar ein linker Bestückungskopf 44 und ein rechter Bestückungskopf 46, die unabhängig voneinander in den X- Y Horizontalebenen bewegbar sind ( Fig. 1). Übersichtshalber sind die Stellungen der Bestückungsköpfe 44, 46 in Fig. 2 gestrichelt dargestellt.
Wenn die Bestückungsköpfe 44, 46 nach hinten in Y-Richtung bewegt und nach links oder rechts in den X -Richtungen gefahren werden, können sie über den in Reihe angeordneten Vorratsschalen 26 laufen und sind in der Lage, einzelne Chips 40 aus jeder Schale 26 aufzunehmen. Die Bewegungssteuerung der beiden Bestükkungsköpfe (Fig. 2) kann zur Vermeidung physikalischer Störungen so ausgelegt sein, daß der rechte Bestückungskopf 46 die einen Vorratsschalen 26 rechts von der Welle 14 und der linke Bestückungskopf 44 die anderen Vorratsschalen 26 links von der Welle 14 bedient. Eine solche Einschränkung ist aber nicht zwingend und durch eine Rechnersteuerung kann jeder Bestückungskopf Chips aus irgendeiner Vorratsschale auswählen. Entsprechend bestimmter X-Y Anweisungen von einem Rechner oder einem anderen programmierten Steuerschalter (nicht dargestellt) bewegt sich ein Bestückungskopf über eine Vorratsschale 26, die einen gewünschten Chip 40 enthält. Eine um eine vertikale Achse drehbare Vakuumnadel 48 wird im Bestückungskopf nach unten bewegt, um einen Chip 40 in der Vorratsschale 26 zu berühren und zu fassen. Die den Chip 40 haltende Vakuumnadel 48 wird angehoben und der Bestückungskopf bewegt sich in den X-Y Ebenen, bis sie über der gewünschten Position auf dem Substrat 30 ist, das fest in der Beschickungsstation 36 auf dem Schalttisch 12 gehalten wird. Durch Drehen der Vakuumnadel 48 wird der Chip 40 ausgerichtet und eine Zentriervorrichtung zentriert den Chip 40 sehr genau an der Spitze der Vakuumnadel 48. Diese geht dann nach unten, bis der Chip 40 mit einer vorbestimmten Kraft auf die mit Flußmittelüberzug versehenen Oberseite des Substrats 30 gepreßt wird und hier haftet, bis eine feste Lötverbindung geschaffen ist. Das Vakuum in der Vakuumnadel 48 wird aufgehoben und ein leichter positiver Druck wird angelegt, um den Chip 40 zu lösen. Die Vakuumnadel 48 wird angehoben, wonach der Bestückungskopf entsprechend dem Steuerprogramm geführt und gerichtet wird, um einen anderen Chip 40 aus einer Vorratsschale 26 auszuwählen. Danach wird der Arbeitsgang wiederholt. jeder Bestückungskopf arbeitet unabhängig vom anderen, ausgenommen, wenn Chips 40 abwechselnd von jedem Bestückungskopf auf das Substrat 30 abgelegt werden. Ein Bestückungskopf wartet dann mit dem Auflegen seines Chips 40 bis der andere Bestükkungskopf einen Chip 40 abgelegt hat und wieder gegen die Vorratsschalen 26 bewegt worden ist.
Wenn das Substrat 30 vollständig bestückt ist, wird der Schalttisch 12 um weitere 90° zur Entladestation 38 gedreht, wo eine Entladevorrichtung 398 (Fig. 1) die Kanten des beschickten Substrats 30 von oben ergreift. Dieses wird auf seiner Substrataufnahme 28 herausgenommen, durch die Entladeeinrichtung angehoben, horizontal geschwenkt und auf einen Förderer 42 abgesenkt.
Der Schalttisch 12 wird erst weitergeschaltet, wenn Sensoren (nicht dargestellt) anzeigen, daß die durchzuführende Arbeit an jeder der vier Stationen beendet ist.
Eine Substrataufnahme 28 in der Ladestation 32 besteht aus einer im wesentlichen rechteckigen Platte 52 (Fig. 3a, 3b), die durch Schrauben 54 am Schalttisch 12 befestigt ist, und zwar in einer präzisen ausgerichteten Lage, die durch drei Vierkantstifte 56 bestimmt ist, die vertikal von der Oberseite 18 des Tisches 12 abstehen. Zwischen den durch die drei Stiftseiten gebildeten lotrechten Ebenen kann ein rechteckiges oder quadratisches Substrat 30 eingeschachtelt werden. Die Vierkantstifte 56 sind in präzise bearbeiteten vertikalen Schlitzen 58 in der Platte 52 gesteckt nd stehen sowohl über als auch unter dieser Platte 52 vor.
Unterhalb der Platte 52 drücken die gleichen planaren Flächen der Vierkantstifte 56, die oben zur Aufnahme eines Substrats 30 verwendet werden, gegen präzise bearbeitete Kanten (nicht dargestellt), die in das Metall des Schalttisches 12 geschnitten sind. Die bearbeiteten Kanten (nicht dargestellt) des Schalttisches 12 für jede Substrataufnahme 28 werden bearbeitet, wenn der Schalttisch 12 auf seiner Welle 14 und Lagern (nicht dargestellt) montiert und so gestellt ist, daß während des Bearbeitens jede bestimmte Substrataufnahme in der Beschickungsstation 36 ist.
Die Vierkantstifte 56 über der Platte 52 dienen zum Ausrichten der Plattform 60 des Substrats 30. Fünf flache, einstückige Anschläge 64 (Fig. 3a, 3b) in der Mitte und an den Ecken stehen von der Plattform 60 ab und halten das Substrat 30, wenn dieses von der Ladestation 32 zu den nachfolgenden Stationen 34, 36, 38 bewegt wird. Da die drei vertikalen Vierkantstifte 56 und nicht die Plattform 60 ein präzises Ausrichten und Inlagebringen des Substrats 30 ermöglichen, können verschieden große Plattformen 60 und verschieden große Substrate verwendet werden, während stets die präzise Anordnung der Substrate in bezug auf die unveränderbar angeordneten Vierkantstifte 56 aufrechterhalten wird.
Zwei ein Paar bildende schwenkbare Rastnasen 66 sind im Abstand von 90° voneinander angeordnet, die sich in Schließstellung ( Fig. 3a, 3b) über die Kanten der Plattform 60 für das Substrat 30 erstrecken. Wenn demnach ein Substrat 30 in Lage ist, drücken die Rastnasen 66 seitlich auf dessen lotrechte Kanten, die keinen Vierkantstift 56 berühren. Gleichzeitig verhindert der vorstehende Ansatz 68 der Rastnasen 66, daß ein in Lage gebrachtes Substrat 30 vertikal aus der Vorratsschale 28 bewegt werden kann. Jede Rastnase 66 ist schwenkbar um einen Drehstift 70 gelagert.
An der Beschickungsstation 32 kann das Entriegeln automatisch oder durch eine Bedienungsperson erfolgen, die einen Griff 78 in Richtung des Pfeiles 76 (Fig. 3a) drückt und dabei die Rastnasen 66 von der Plattform 60 bewegt. Die Bedienungsperson setzt ein zu bestückendes Substrat 30 in eine Aufnahme 28 und legt es auf die Anschläge 64 der Plattform 60. Wenn der Griff 78 losgelassen wird, wirkt wieder eine Schließkraft auf die Rastnasen 66, die dann das eingelegte Substrat 30 gegen die drei Vierkantstifte 56 ausrichtet und andrückt.
Durch die Verwendung der Vierkantstifte 56 am Schalttisch 12 zum Ausrichten der Platte 52, der Plattform 60 und des Substrats 30 selbst (zusammen mit den Rastnasen 66) werden X und Y Achsen eines eingelegten Substrats 30 in der Beschickungsstation 36 mit großer Präzision parallel zu den X bzw. Y Ebenen der hinund hergehenden Bestückungsköpfe 44, 46 eingestellt, wie noch näher beschrieben wird.
Nach Einlegen eines Substrats 30 in einer Substrataufnahme 28 wird der Tisch 12 automatisch um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, um das Substrat zur Beschichtungsstation 34 zu bringen. Die Beschichtungsvorrichtung 100 weist ein an einem an einer Welle 106 drehbaren Arm 104 angeordnetes Stempelkissen 102 auf, mit dessen Unterseite die gesamte Oberseite des Substrats 30 mit einem gleichmäßigen Flußmittel-Überzug versehenwird.
Wenn der Schalttisch 12 weiter um 90° im Uhrzeigersinn gedreht wird, wird das mit einem dünnen Überzug aus klebrigem Flußmittel versehene Substrat 30 zur Beschickungsstation 36 bewegt. Diese Beschickungsstation 36 umfaßt die Reihe 24 der Vorratsschalen 26, einen linken und rechten Bestückungskopf 44 bzw. 46 und X- Y-Antriebsmittel 150.
Die Antriebsmittel 150, die in Fig. 1 und 2 übersichtshalber ohne Bestückungsköpfe 44, 46 fragmentarisch gezeigt sind, sind an der Hauptplattform 20 befestigt. An gegenüberliegenden Enden dieser Plattform 20 stehen Endstücke 152 lotrecht ab und tragen die Antriebsmittel 150. Zwei, ein Paar bildende starre, kreisförmige horizontale Führungsschienen 154 erstrecken sich zwischen den Endstücken 152 und bilden mit diesen ein Viereck (Fig. 2). Die Führungsschienen 154 sind gerade, präzise bearbeitet und bilden die X-Bezugsachse der Antriebsmittel 150. Diese X-Bezugsachse verläuft parallel zur X-Achse der Vierkantstifte 56 der Substrataufnahme 28.
X-Achsen-Präzision-Führungsschrauben 156,158 verlaufen ebenfalls parallel zu den Führungsschienen 154 zwischen den Endstücken 152, in die sie eindrehbar gesteckt sind. Entlang der Führungsschienen 154 bewegen sich zwei X-Achsen-Lafettenrahmen 160, 162, von denen jeder durch eine der X-Achsen-Führungsschrauben 156, 158 getrieben wird. jeder X-Achsen-Lafettenrahmen 160, 162 trägt einen X-Achsen-Lafettenrahmen 164, 166, von denen jeder einen der Bestückungsköpfe 44, 46 trägt. Die Führungsschraube 158, der X-Achsen- Lafettenrahmen 162 und der Y-Achsen-Lafettenrahmen 166 arbeiten zusammen und bewegen den linken Bestückungskopf 44. Andererseits wirken die Führungsschraube 156, der X-Achsen-Lafettenrahmen 160 und der Y-Achsen-Lafettenrahmen 164 zusammen und bewegen den rechten Bestückungskopf 46. Die linke Anordnung ist das Spiegelbild der rechten Anordnung (Fig. 2), so daß hierin nur die rechte Anordnung beschrieben wird. Die linke Anordnung entspricht dieser vollständig, mit Ausnahme einiger Änderungen zur Handhabung mit der anderen Hand.
Die Führungsschraube 156 ist drehbar mit dem Ausgang des Servomotors 168 verbunden. Sie ist durch eine an sich bekannte Kugelmutter 170 gesteckt, die dem X-Achsen-Lafettenrahmen 160 zugeordnet ist. Wenn der Servomotor 168 die Führungsschraube 156 in einer Richtung dreht, wird der Lafettenrahmen 160 nach rechts bewegt. Umgekehrt, wenn der Servomotor 168 die Führungsschraube 156 entgegengesetzt dreht, bewegt sich der Lafettenrahmen 160 nach links. Ein Kodierer 172 ist über ein Untersetzungsgetriebe mit der Präzisions-Führungsschraube 156 verbunden und Ausgangssignale, die jede Drehung der Führungsschraube 156 anzeigen, werden zu einem Rechner gesendet, der die Arbeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 steuert. Mit einer entsprechenden Minderung der Geschwindigkeit durch das Untersetzungsgetriebe und großer Präzision der Konstruktion einschließlich der Führungsschraube und der Kugelmutteranordnung 170, wird eine X-Einstellung mit einer Genauigkeit /±0,0127 mm erreicht.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist der Y-Achsen-Lafettenrahmen 164 übersetzbar zum X-Achsen-Lafettenrahmen 160 montiert (Fig. 2). Der Flansch 174 steht lotrecht von der waagerechten planaren Fläche 176 des Y-Achsen-Lafettenrahmens 164 ab. Eine im rechten Winkel zu den X-Achsen-Führungsschrauben 156, 158 vorgesehene Präzisions- Y-AchsenFührungsschraube 178 ist durch den Flansch 174 und eine Kugelmutteranordnung 180 gesteckt, die am Flansch 174 befestigt ist. Ein Ende der Führungsschraube 178 ist drehbar in ein Lager 182 gesteckt, das seinerseits starr am X-Achsen- Lafettenrahmen 160 befestigt ist. Das andere Ende der Führungsschraube 178 geht durch ein Lager 184 und schafft die Verbindung zu einem Kodierer 186. Am Gehäuse des Lagers 184 ist ein Servomotor 188 angeordnet, der durch einen über Scheiben 190, 192 laufenden Transportriemen 194 die Führungsschraube 178 treibt. Auf diese Weise wird die Drehgeschwindigkeit zwischen dem Servomotor 188 und der Führungsschraube 178 verringert. Das Gehäuse des Lagers 184 ist an den X -Achsen-Lafettenrahmen 160 befestigt.
Zwei kreisförmige bzw. zylindrische präzise bearbeitete Führungsschienen 196 (Fig. 2, 4) verlaufen parallel zur Y-Achse und sind starr an der planaren Fläche 176 des Y-Achsen-Lafettenrahmens 164 befestigt, wie noch näher beschrieben wird. Diese Führungsschienen 196 erstrecken sich nach hinten und sind gleitend in umlaufende Kugellagerbuchsenhälften im X-Achsen-Lafettenrahmen 160 gesteckt. Der Y-Achsen-Lafettenrahmen 164 gleitet horizontal nach vorne, wie durch den Pfeil 198 angezeigt, auf den Führungsschienen 196 parallel zur Y-Achse, wenn der Servomotor 188 in einer Richtung dreht. Bei Umkehr der Drehbewegung des Servomotors 188 wird die Bewegung des Lafettenrahmens 164 ebenfalls umgekehrt und dieser wird eingefahren. Der Kodierer 186 sendet Signale zu einem Rechner, die der Y-Position der Y-Achsen-Lafetteneinheit entsprechen und bewirken eine Steuerung mit einer Genauigkeit von ±0,0127 mm.
In Fig. 2 ist der rechte Y-Achsen-Lafettenrahmen 164 in einer weiter ausgefahrenen Stellung gezeigt als der linke Y-Achsen-Lafettenrahmen 166. Bei dieser vorgerückten Stellung wird ein Bauelement oder Chip 40 durch den rechten Bestückungskopf 46 auf ein Substrat 30 aufgelegt.
Der rechte Bestückungskopf 46 ist auf der planaren Fläche 176 des Lafettenrahmens angeordnet (Fig. 4). Diese Fläche 176 bildet einen Teil des rechtwinkeligen Kanals, der an seinem vorderen Ende den Kopfblock 200 berührt. Die Führungsschienen 196 sind starr am Kopfblock 200 befestigt.
Die präzise bearbeitete runde Vakuumnadel 48 ist lotrecht durch den Kopfblock 200 gesteckt und ist darin drehbar und vertikal hin- und herbewegbar gehalten. Das Nadelgehäuse 202 ist fest am Kopfblock 200 angebracht und umschließt zwei vertikal im Abstand angeordnete Präzisionshülsen, in denen die Vakuumnadel 48 dreht und gleitet.
Auf der Oberseite des Kopfblockes 200 liegt eine um eine Welle 207 drehende Scheibe 206 auf, deren Umfang konzentrisch zu der durch die Scheibe 206 gesteckte Vakuumnadel 48 verläuft. Dabei kann sich die Vakuumnadel 48 immer vertikal in jeder Richtung in Lagern 204 gleitend bewegen. Außerdem dreht die Vakuumnadel 48 mit der sich drehenden Scheibe 206. Folglich kann die Vakuumnadel 48 unabhängig von der anderen Bewegung entweder gedreht oder vertikal bewegt werden.
Durch den Bestückungskopf 46 und die X-Y-Antriebsmittel 150 kann ein aus einem Vorrat in einer Schale 26 ausgewählter Chip 40 angehoben, nach unten bewegt, drehend ausgerichtet und präzise in den X-Y Ebenen hin- und herbewegt werden. Diese Vorrichtung ist ausreichend zum Inlagebringen der Chips 40 auf präzise gehaltenen Substraten 30, wenn jeder Chip 40 zur Zeit des Aufnehmens durch die Vakuumnadel 48 an einer genau bekannten X-Y Stellung gelagert oder verfügbar ist. Eine ganz präzise Ausrichtung eines von der Vakuumnadel 48 gehaltenen Chips 40 wird durch eine spezielle Zentriereinrichtung 298 vorgenommen.
Nach dem Bestücken des Substrats 30 mit Chips wird der Schalttisch 12 wieder um 90° im Uhrzeigersinn weiter gedreht und das Substrat 30 zur Entladestation 38 gebracht. Hier wird ein um eine vertikale Welle 402 drehender Arm 400 (Fig. 1) über das Substrat 30 geschwenkt. Dann wird der Arm 400 vertikal nach unten bewegt und greift mit zwei gegenüberliegenden Fingern 404 (Fig. 16) das dazwischenliegende Substrat 30. Die Rastnasen 66 der Substrataufnahme 28 werden dann gelöst und geben das Substrat 30 frei.
Der Arm 400 wird dann vertikal angehoben, wobei er das von den fingern 404 gehaltene Substrat 30 aus der Aufnahme 28 herausnimmt und über den Förderer 42 bewegt und auf diesen auflegt. Der Förderer 42 bewegt das Substrat 30 zur nächsten Arbeitsstation, beispielsweise der Lötstation.
Eine Vielzahl und Vielfalt von Chips können in den Vorratsschalen 26 hinter dem Schalttisch 12 aufbewahrt werden. Diese Vorratsschalen 26 weisen eine planare Oberseite 440 auf. Die durch ein rechteckiges Gitter 442 in eine Vielzahl rechteckiger Abteile 444 gleicher Größe und gleicher Form eingeteilt ist.
Die Vorratsschalen 26 sind präzise geformt und die Abteile 444 sind gleich groß und gleich gestaltet und voneinander und von den vertikalen Kanten 454 der Basis 448 sowie den vertikalen Kanten 456 der Ausnehmung 450 in einem ganz genauen Abstand angeordnet.
Die Vorratsschalen 26 sind in der Reihe 24 in gleichmäßigem mittigem Abstand angeordnet. An der Hauptplattform 20 ist ein Anschlag (nicht dargestellt) vorgesehen, der in die Ausnehmung 450 einer jeden Vorratsschale 26 eingreift, um diese in bezug auf die X-Y-Achsen präzise in Lage zu halten. Die X- Y-Achsen sind durch die drei Vierkantstifte 56 im Schalttisch 12 bestimmt. Die abgeschrägte Ecke 451 (Fig. 5) dient als Führung für eine Bedienungsperson, um die Vorratsschalen 26 während des Anordnens in die Reihe 24 genau auszurichten. Demnach ist die X-Y-Stellung für jedes Abteil444 einer jeden Vorratsschale 26 in der Reihe 24 bestimmt und die Chips 40 sind für die Auswahl durch die Bestückungsköpfe 44, 46 verfügbar. Jede Vorratsschale 26 lagert nach einem Verzeichnis einer Art und Größe eines Chips 40.
Jeder Chip 40 ist in einem einzelnen Abteil 444 in einer vorbestimmten Ausrichtung mit gewissen Toleranzen eingesetzt. Wenn beispielsweise quadratische Chips mit einem dreieckigen Muster aus drei Lötpunkten A, B und Cversehen sind, werden alle diese Chips in die Abteile 444 mit einem Lötpunkt A im oberen Bereich (Fig. 7, 8, 9) und mit allen Lötpunkten angrenzend an die Oberseite 440 eingelegt. Nach Auswahl durch die Vakuumnadel 48 kann der aufgenommene Chip 40 durch einen Schaltmotor um 90°, 180°, oder 270° von seiner ursprünglichen Lagestellung orientiert und dann an der Vakuumnadel 49 zentriert werden. Das Abteil 444 kann jede rechteckige Form aufweisen, die nicht eine übermäßige Drehung des gelagerten rechteckigen Chips 40 und nicht eine übermäßige Hin- und Herbewegung der Chips in X- und Y-Richtung innerhalb des Abteils 444 gestattet.
Der zulässige Grad an Drehung eines Chips 40 im Abteil 444 ist derjenige, der den X-Achsen-Suchern 302, die vor den Y-Achsen-Suchern 320 arbeiten, gestattet, den falsch ausgerichteten Chip 40 präzise zu orientieren. Ein quadratischer Chip kann in seinem Abteil 444 in einem Winkel 460 von maximal 45° falsch liegen (Fig. 8, 9). Die Kräfte 462 der Sucher 302, die auf die Ecken E, G bei Falschausrichtung im Gegenuhrzeigersinn wirken (Fig. 8), richten den Chip in die X-Y-Stellung aus (Fig. 7), so wie es die Kräfte 462 tun, die auf die Ecken D, F wirken, bei Falschausrichtung im Uhrzeigersinn (Fig. 9). Die nach dem Aufnehmen eines Chips einsetzende Arbeit des Schaltmotors zum Drehen des Chips um 90°, 180° oder 270°, beeinflußt die Tätigkeit der Zentriervorrichtung 298 nicht, durch die ein Ergebnis erzielt wird, als ob der Chip 40 vor dem Aufnehmen durch die Vakuumnadel 48 in jeder Achsrichtung präzise ausgerichtet gewesen wäre.
Eine Hin- und Herbewegung des gelagerten Chips 40 entlang der X-Y-Achse innerhalb des Abteils 444 ist annehmbar, so lange die Öffnung in der Nadelspitze durch die Berührung zwischen Chip 40 und Spitze geschlossen ist. Die Steuerung durch den Rechner richtet die Vakuumnadel 48 zur geometrischen Mitte des Abteils 44 aus.
Demzufolge kann eine zweite Streuung physikalischer Größen der Chips in einer Standard-Schale 26 verwendet werden. So können beispielsweise Chips 40 in Größenordnungen von 1,980 Breite x 2,047 Länge x 0,5588 mm Dicke einschließlich Lötpunkte in Vorratsschalen 26 mit Abteilen 444 gelagert werden, die eine Größe von 2,286 mm im Quadrat und einer Tiefe von 0,4064 mm aufweisen.
Dioden in einer Größenordnung von 0,762 mm im Quadrat können in Mulden mit Abteilen von 0,9398 im Quadrat aufbewahrt werden.
Die Bestückungsköpfe 44, 46 sind so programmiert, daß sie abwechselnd aber grundsätzlich unabhängig voneinander arbeiten. Keiner der Bestückungsköpfe wartet auf den anderen bei der Durchführung seiner Arbeit der X-Y-Bewegung, dem Aufnehmen und Auflegen der Chips 40, ausgenommen, wenn ein Bestückungskopf mit einem anhaftenden Chip 40 in einer Haltestellung stehen bleibt und wartet, falls der andere Bestükkungskopf bereits über dem Substrat 30 in der Beschikkungsstation 36 angelangt ist. Wenn der andere Bestükkungskopf seine Arbeit beendet hat und von der Beschickungsstation 36 wegbewegt worden ist, wird der wartende Bestückungskopf betätigt und zur Beschikkungsstation 36 vorwärtsbewegt.
Die Programmierung bewirkt, daß die Bestückungsköpfe nicht kollidieren, da beide die Haltestellung einhalten und jeweils gestatten, daß beispielsweise der linke Bestückungskopf 44 Chips aus den Vorratsschalen 26 an der linken Seite der Reihe 28 - und entsprechend umgekehrt der rechte Bestückungskopf 46 - ausgewählthat.
Außerdem werden Tastfühler 500 an der linken Seite (Fig. 2) der rechten, die X-Achse durchquerenden Plattform 160 betätigt, wenn sie die linke, die X-Achse durchquerende Plattform 162 berühren. Eine solche Berührung unterbricht die Arbeit der Vorrichtung 10 und sendet ein Signal zur Bedienungsperson.
Der Arbeitsablauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist kurz folgender:
Die mit Chips 40 bestückten Vorratsschalen 26 werden richtig ausgerichet in der Reihe 24 angeordnet. Desgleichen sind die Chips 40 in ihren Abteilen 444 entsprechend ausgerichtet.
Die Bestückungsköpfe 44, 46 sind in Nullstellung, um die richtige X-Y-Bezugsrichtung für alle Hin- und Herbewegungen zu geben. Das Einstellen in Nullstellung erfolgt durch die untere abgerundete Fläche des Nadelgehäuses 202 gegen die Seiten eines Vierkantstiftes 56. Diese Stellungen werden in einen Rechner eingegeben. Wie oben ausgeführt bringen die Vierkantstifte 56 alle Bauteile der Vorrichtung 10 in bezug zueinander und schaffen vorbestimmte physikalische Beziehungen zwischen den Bauteilen.
Die Bedienungsperson legt an der Ladestation 32 von Hand ein vorgedrucktes aber nicht beschicktes Substrat 30 in die Substrationsaufnahme 28 (Fig. 3a, 3b). Durch Niederdrücken eines Steuerknopfes schwenken die Rastnasen 66 nach innen, um das Substrat 30 gegen die 60 Vierkantstifte 56 zu drücken. Der Schalttisch 12 wird dann um 90° im Uhrzeigersinn gedreht und bringt das Substrat 30 zur Beschichtungsstation 34. Hier wird das am schwenkbarem Arm 104 angeordnete Stempelkissen 102 nach unten bewegt, befeuchtet und dann angehoben über das Substrat 30 geschwenkt, um auf dessen Oberseite einen Überzug aus einem klebrigen Flußmittel aufzubringen.
Nach Beendigung des Beschichtungsvorgangs wird der Schalttisch 12 wieder um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, um das beschichtete Substrat 30 zur Beschikkungsstation 36 zu bringen. Die ein Paar bildenden Bestückungsköpfe 44, 46 legen abwechselnd Chips 40 auf das Substrat 30. Die Chips 40 werden durch die Vakuumnadel 48 des Bestückungskopfes in die klebrige Beschichtungsmasse gedrückt. Nach dem Auflegen des Chips 40 und Anheben der Vakuumnadel 48 bewegt sich der Bestückungskopf in X- Y-Richtungen, gleichzeitig, wenn erforderlich, zur Vorratsschale 26, aus der der nächste Chip 40 ausgewählt werden soll. Aufgrund dieser X-Y-Bewegungsfreiheit können die Bestückungsköpfe zu irgendeiner Vorratsschale 26 und zu irgendeinem Abteil 444 mit einer Präzision bewegt werden, die durch die Abtriebswelle der X und Y Positionssucher, beispielsweise 172, 186 überwacht wird. Das Auflegen der Chips auf das Substrat 30 mit X-Y Präzision wird ähnlich durchgeführt.
Durch das Vakuum in der Vakuumnadel 266 wird der Chip 40 angezogen und haftet an der Nadelspitze, wenn die Vakuumnadel 48 angehoben wird. Ein Schaltmotor wird in Gang gesetzt, um die Vakuumnadel 38 mit dem daran haftenden Chip 40 entsprechend dem Programm um 90°, 180° oder 270° zu schwenken. Dann wird, falls erforderlich, gewartet, damit der andere Bestückungskopf seine Arbeit beendet und frei von der Beschikkungsstation 36 wegbewegt werden kann. Anschließend wird der Bestückungskopf in X- Y-Richtungen verschoben, um den Chip 40 über der gewünschten Stellung zum Auflegen auf das Substrat 30 in Lage zu bringen, der hier durch die Zentriervorrichtung 298 präzise ausgerichtet werden kann.
Dieser Arbeitszyklus wird dann durch Rechnersteuerung wiederholt, bis das Substrat entsprechend dem Programm der Leiterplatte vollständig mit Chips bestückt ist.
Nach vollständiger Bestückung des Substrats 30 und Anheben der Vakuumnadel 48, wird der Schalttisch 12 um weitere 90° im Uhrzeigersinn gedreht und bringt das Substrat 30 zur Entladestation 38, wo der Arm 400 über das Substrat 30 geeschwenkt und nach unten bewegt wird, so daß das Substrat behutsam zwischen den Fingern 404 gefaßt werden kann. Die Rastnasen 66 der Substrataufnahme 28 werden vom Substrat weggeschwenkt und der das bestückte Substrat 30 haltende Arm 400 wird angehoben. Anschließend wird der Arm weggeschwenkt und nach unten bewegt, um das Substrat nach Öffnen der Finger 404 auf einen Förderer 42 abzulegen. Danach wird der Arm 400 wieder angehoben.
Der Schalttisch 12 wird wieder um 90° gedreht und bringt die nun leere Substrataufnahme 28 zur Ladestation 32, wo ein neues, nicht bestücktes Substrat 30 eingelegt und dann der Arbeitszyklus wiederholt wird.
Eine Vorratsschale 26 mit Abteilen 444 üblicher Art kann ein Sortiment verschiedener einzelner Chips 40 enthalten, die geeignet sind, ein einziges Substrat 30 zu bestücken.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung 10, die mit der Reihe 24 von Vorratsschalen 26 arbeitet, nicht nur zum Bestücken eines Substrats 30 verwendet werden, sondern um eine herkömmliche Vorratsschale mit sortierten Bauelementen 40 in bevorzugten Abteilen und Ausrichtungen zu füllen. Bei einer solchen Ausführungsform wird die Beschichtungsstation weggelassen und die Substrataufnahmen und die Entladestation 28 werden zur Aufnahme von Vorratsschalen anstelle von Substraten ausgelegt.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen einer Hybrid-Leiterplatte durch Aufbringen elektronischer Bauelemente in Form von Chips auf ein Substrat, bei der aus Vorratsschalen Chips durch zwei Bestückungsköpfe mittels einer vertikal verschiebbaren Vakuumnadel entnommen und auf das relativ zu den Bestückungsköpfen in Einsetzlage ausgerichtete Substrat aufgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Plattform (20) ein um eine vertikale Achse (Welle 14) drehbarer Schalttisch (12) mit mehreren symmetrisch um die Achse verteilten Aufnahmen (28) zum genau orientierten Einspannen der Substrate (30) angeordnet ist, daß auf dieser Plattform (20) im wesentlichen in gleicher Höhe mit dem Schalttisch eine Reihe von mit verschiedenen Chips (40) beladenen Vorratsschalen (26) angeordnet ist, daß die beiden Bestückungsköpfe (44, 46) im Bereich der die Chips (40) aufbewahrenden Vorratsschalen (26) und der in den Substrataufnahmen (28) ausgerichteten Substrate (30) in X- und Y-Richtungen unabhängig voneinander bewegbar sind, und daß für jeden Bestückungskopf (44, 46) Antriebsmittel (150) vorgesehen sind, die ihn programmgesteuert in jede beliebige Stellung über einer Vorratsschale (26) und einem in einer Substrataufnahme (28) gehaltenen Substrat (30) bewegen können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel für die X- Y-Bewegungsrichtung jedes Bestükkungskopfes (44; 46) an der Plattform (20) befestigt sind und aus einem ersten Lafettenrahmen (160; 162) für die X-Bewegungsrichtung und aus einem ersten Lafettenrahmen (160; 162) angeordneten zweiten Laffettenrahmen (164; 166) für die Y-Bewegungsrichtung bestehen, der erste Lafettenrahmen (160; 162) durch eine mit einem ersten Servomotor (168) zusammenwirkende Führungsschraube (156, 158) und der zweite Lafettenrahmen (164; 166) durch eine mit einem zweiten Servomotor (188) zusammenwirkende Führungsschraube (178) getrieben wird, wobei jedem Servomotor (168 und 188) ein Weggeber (172; 186 zugeordnet ist, der entsprechend der Stellung der Vakuumnadel (48) Ausgangssignale zu den Antriebsmitteln sendet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrataufnahmen (28) in einer durch je drei Vierkantstifte (56) bestimmten, präzis ausgerichteten Lage am Schalttisch (12) befestigt sind und die lotrechten Ebenen der von der Oberseite (18) des Schalttisches (12) abstehenden Abschnitte der Vierkantstifte (56) jeweils einen Raum begrenzen, in den ein rechteckiges oder quadratisches Substrat (30) genau orientiert einsetzbar und darin gehalten ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestückungsköpfe (44; 46) in Nullstellung der Antriebsmittel (150) sich im Bereich der Vierkantstifte (56) befinden, so daß sie relativ zu dieser eingestellt werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratsschalen (26) in vorbestimmten Stellungen angeordnet sind und jede Schale eine Vielzahl, in einem geordneten Muster ausgerichtete offene Abteile (444) aufweist und jedes Abteil (444) zur Aufnahme eines Chips (40) ausgelegt ist, der im Abteil lose liegt und darin bis zu einem Grad verdrehbar und verschiebbar ist, der durch eine Zentriereinrichtung am Bestückungskopf (44; 46) korrigierbar ist.