WO1998042171A2 - Verfahren und vorrichtung zum vermessen einer einrichtung zur herstellung von elektrischen baugruppen - Google Patents

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    • G01R31/2887—Features relating to contacting the IC under test, e.g. probe heads; chucks involving moving the probe head or the IC under test; docking stations

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring a device for the production of electrical assemblies, in particular for the coordinate fitting of printed circuit boards with components, the device being used to populate a test board of the type of a printed circuit board at defined mounting points with disk-like replicas of the components.
  • test plate which has centering marks in its corner areas.
  • the glass plate provided with a double-sided adhesive film is inserted into e.g. A device designed as an automatic placement machine is inserted, whereupon the position of the centering marks is determined by means of a locally resolving circuit board camera of the automatic placement machine.
  • the test plate is then fitted with replicas of components at locations defined relative to the centering marks.
  • the loaded glass plate is placed in an optical measuring machine.
  • the glass plates have defined markings, the position of which is determined in the measuring machine relative to the centering marks of the glass plate. Correction values are determined from the positional deviations from the desired ideal position in the coordinate directions and with respect to the rotational position, which are entered as correction parameters in the automatic placement machine, which takes these deviations into account when later mounting circuit boards with components.
  • the object of the invention is to simplify and accelerate the determination of the correction parameters. This object is achieved by the invention according to claims 1 and 6.
  • the local reference marks are attached to the test plate with high accuracy.
  • accuracy can e.g. with the help of photolithographic processes. It is possible to do without a mark on the replicas and to replace them with e.g. to use the outer edges of the replicas as defined structural features. In such cases it is advantageous to use appropriate ceramic or metal parts, in which the edges are easily recognizable, instead of the glass plates.
  • the main advantage of the method is that the global position of the replicas to the global reference marks of the test plate is no longer measured, but that only narrow sections are viewed and measured. No high-precision measuring machine is required for such measuring processes.
  • the small distances between the structural features and the local markings make it possible with small measurement errors to correct the positional deviations of the replicas e.g. to determine with the help of simple optical measuring devices.
  • the relative position of the reference marks to the structural features of the replicas can be determined in one go without having to move the sensor. Measurement inaccuracies are only dependent on the quality of the sensor optics. All other machine influences are completely eliminated.
  • the sensor designed for example as a CCD camera, is connected to evaluation electronics, in which the relative position of the structural features to the reference marks is calculated. Due to the development according to claim 3, the test plate can be equipped with the replicas in one clamping and can also be measured without additional handling, for example with the aid of the circuit board camera. This eliminates the errors that occur when centering the measuring plate.
  • the assembly of the test board and the process of the PCB camera can be carried out with the same control unit.
  • This evaluation device can e.g. be a program module integrated in the control device of the device that the calculated correction parameters e.g. transmitted according to claim 4 as fixed values without further action by the machine control.
  • a particular advantage of such a method is that such calibration processes from time to time not only with newly manufactured machines, but also with machines already in use, without any special effort and without additional aids, e.g. can be carried out with regular maintenance measures. This allows e.g. Check and correct changes in the positioning processes due to wear or aging with little effort.
  • the development according to claim 7 makes it possible to determine the angular position of the replicas, for example by measuring the diagonally opposite corner regions which are far apart from one another.
  • the structural features have the same optical properties as the reference marks. In this way, the scanning optics can be optimally set, since when evaluating the markings the same differentiation criteria apply as for the reference marks, which facilitates the evaluation.
  • the replicas according to claim 10 have good dimensional stability even at different temperatures.
  • FIG. 1 shows a plan view of a test plate with replicas of components placed thereon
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the test plate according to FIG. 1.
  • a test plate 1 consisting of a glass plate has global centering marks 2 in two diagonally opposite corners.
  • the test plate 1 is equipped with replicas 3 of such components in a placement machine for electrical components at defined points, the centering marks 2 serving to center the position of the replicas 3 in the placement machine.
  • the replicas 3 consist of small glass plates, each of which has markings 4 in the manner of crosshairs in two diagonally opposite corners. At these points, the test plate 1 is provided with local reference marks 5 at a close distance from the markings 4, which are applied with high positional precision.
  • the markings 4 and the reference marks 5 are so closely adjacent that they fit into a touch field 6 of a position-resolving optical sensor which is attached to a placement head for the components.
  • This placement head can be moved such that the sensor can be positioned over all marked corner areas.
  • the spatially resolving sensor is connected to evaluation electronics which are able to determine the relative position of the markings 4 with respect to the respective reference mark 5 without the sensor having to be moved.
  • a control device (not shown) of the placement device has an evaluation module that processes the individual deviations of the markings 4 from the reference marks 5 into correction parameters for the machine. These correction parameters are automatically adopted by the control unit.

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Abstract

Eine Testplatte (1) wird in einem Bestückautomaten mit Nachbildungen (3) von Bauelementen bestückt. Die Nachbildungen weisen definierte Markierungen (4) auf. Die Testplatte ist in der Nähe der Markierungen (4) mit lokalen Referenzmarken (5) von hoher Lagegenauigkeit versehen. Eine als ortsauflösender Sensor dienende Leiterplattenkamera des Bestückautomaten wird sukzessive über die Markierungen (4) und Referenzmarken (5) verfahren. Dabei liegt jeweils eine Markierung (4) und eine Referenzmarke (5) im Tastfeld (6) der Kamera. Dadurch ist es möglich, die relative Lage der Markierung (4) zur Referenzmarke (5) zu erfassen, ohne daß dabei die Kamera verfahren werden muß, wodurch sich der Meßaufwand verringert.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen einer Einrichtung zur Herstellung von elektrischen Baugruppen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vermessen einer Einrichtung zur Herstellung von elektrischen Baugruppen, insbesondere zum koordinatenmäßigen Bestücken von Lei- terplatten mit Bauelementen, wobei durch die Einrichtung eine Testplatte von der Art einer Leiterplatte an definierten Aufsetzstellen mit scheibenartigen Nachbildungen der Bauelemente bestückt wird.
Bisher war es üblich, als Testplatte eine leiterplattenähnliche Glasplatte zu verwenden, die in ihren Eckbereichen Zentriermarken aufweist. Die mit einer doppelseitigen Klebefolie versehene Glasplatte wird in die z.B. als Bestückautomat ausgebildete Einrichtung eingelegt, worauf die Lage der Zen- triermarken mittels einer ortsauflösenden Leiterplattenkamera des Bestückautomaten ermittelt wird. Sodann wird die Testplatte an relativ zu den Zentriermarken definierten Stellen mit Nachbildungen von Bauelementen bestückt .
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird die bestückte Glasplatte in eine optische Meßmaschine eingelegt. Die Glas- plättchen weisen definierte Markierungen auf, deren Lage relativ zu den Zentriermarken der Glasplatte in der Meßmaschine ermittelt wird. Aus den Lageabweichungen von der angestrebten Ideallage werden in den Koordinatenrichtungen und hinsichtlich der Drehlage Korrekturwerte ermittelt, die als Korrekturparameter in den Bestückautomaten eingegeben werden, der diese Abweichungen beim späteren Bestücken von Leiterplatten mit Bauelementen berücksichtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ermittlung der Korrekturparameter zu vereinfachen und zu beschleunigen. Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach den Ansprüchen 1 und 6 gelöst.
Voraussetzung dabei ist, daß die lokalen Referenzmarken mit hoher Genauigkeit auf der Testplatte angebracht sind. Eine derartige Genauigkeit läßt sich z.B. mit Hilfe von photolito- graphischen Verfahren erreichen. Es ist möglich, bei den Nachbildungen auf eine Markierung zu verzichten und an deren Stelle z.B. die Außenkanten der Nachbildungen als definierte Strukturmerkmale zu verwenden. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, anstelle der Glasplättchen entsprechende Keramikoder Metallteile zu verwenden, bei denen die Kanten leicht erkennbar sind.
Der wesentliche Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß nun nicht mehr die globale Lage der Nachbildungen zu den globalen Referenzmarken der Testplatte vermessen wird, sondern daß lediglich schmale Ausschnitte betrachtet und vermessen werden. Für derartige Meßvorgänge benötigt man keine hochgenaue Meßmaschine. Die geringen Abstände zwischen den Strukturmerkmalen und den lokalen Markierungen machen es bei geringen Meßfehlern möglich, die Lageabweichungen der Nachbildungen z.B. mit Hilfe von einfachen optischen Meßgeräten zu ermitteln.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen gekennzeichnet :
Durch die Merkmale des Anspruchs 2 kann die relative Lage der Referenzmarken zu den Strukturmerkmalen der Nachbildungen in einem Zuge ermittelt werden, ohne den Sensor verfahren zu müssen. Meßungenauigkeiten sind damit nur noch von der Qualität der Sensoroptik abhängig. Alle anderen Maschineneinflüsse sind damit völlig ausgeschaltet. Der z.B. als CCD- Kamera ausgebildete Sensor ist mit einer Auswerteelektronik verbunden, in der die Relativlage der Strukturmerkmale zu den Referenzmarken errechnet wird. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 3 kann die Testplatte in einer Auspannung sowohl mit den Nachbildungen bestückt als auch ohne zusätzliche Handhabung z.B. mit Hilfe der Leiterplattenkamera vermessen werden. Damit werden die beim Zentrieren der Meßplatte auftretenden Fehler eleinmiert . Die Bestückung der Testplatte und das Verfahren der Leiterplattenkamera können mit Hilfe ein und desselben Steuergeräts durchgeführt werden.
Nachdem die LagebeStimmung bei allen aufgesetzten Nachbildungen durchgeführt worden ist, werden die systematischen Abweichungen in einer Auswerteeinrichtung berechnet. Diese Auswerteeinrichtung kann z.B. ein in das Steuergerät der Ein- richtung eingebundenes Programmmodul sein, daß die berechneten Korrekturparameter z.B. nach Anspruch 4 als Festwerte ohne weiteres Zutun der Maschinensteuerung übermittelt .
Ein besonderer Vorteil eines solchen Verfahrens besteht darin, daß derartige Kalibriervorgänge nicht nur bei neugefertigten Maschinen, sondern auch bei bereits im Einsatz befindlichen Maschinen von Zeit zu Zeit ohne besonderen Aufwand und ohne weitere Hilfsmittel z.B. bei turnusmäßigen Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden können. Damit lassen sich z.B. verschleiß- oder alterungsbedingte Veränderungen der Positioniervorgänge mit geringem Aufwand überprüfen und korrigieren.
Durch die hohe Geschwindigkeit beim Vermessen der Markierungen ist es möglich, eine nach Anspruch 5 hohe Anzahl von Nachbildungen zu verwenden, so daß eine hinreichende Anzahl von Messungen zur statistischen Auswertung durchgeführt werden kann.
Die Weiterbildung nach Anspruch 7 ermöglicht es, die Winkel- läge der Nachbildungen zu ermitteln, indem z.B. nach Anspruch 8 die diagonal gegenüberliegenden, voneinander weit entfernten Eckbereiche vermessen werden. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 9 erhalten die Strukturmerkmale die gleichen optischen Eigenschaften wie die Referenzmarken. Dadurch kann die Abtastoptik optimal einge- stellt werden, da beim Auswerten der Markierungen die gleichen Unterscheidungskriterien wie bei den Referenzmarken gelten, was die Auswertung erleichtert.
Die Nachbildungen nach Anspruch 10 weisen eine gute Formbe- ständigkeit auch bei unterschiedlichen Temperaturen auf.
Durch die Anordnung der Markierungen liegen diese und die Referenzmarken auf gleichen Niveau, wodurch Parallaxefehler vermieden werden.
Durch die Weiterbildung nach Anspruch 11 ist es möglich, für die Nachbildungen anstelle von transparentem auch nichttransparentes keramisches Material zu verwenden, wobei dann die Markierungen auf der Oberseite angeordnet sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Testplatte mit darauf aufgesetzten Nachbildungen von Bauelementen, Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Testplatte nach Figur 1.
Nach den Figuren 1 und 2 weist eine aus einer Glasplatte bestehende Testplatte 1 in zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken globale Zentriermarken 2 auf . Die Testplatte 1 ist in einem Bestückautomaten für elektrische Bauelemente an definierten Stellen mit Nachbildungen 3 solcher Bauelemente bestückt, wobei die Zentriermarken 2 der Lagezentrierung der Nachbildungen 3 im Bestückautomaten dienen. Die Nachbildungen 3 bestehen aus kleinen Glasplättchen, die jeweils in zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken Markierungen 4 in den Art von Fadenkreuzen aufweisen. Die Testplatte 1 ist an diesen Stellen im engen Abstand zu den Markierungen 4 mit lokalen Referenzmarken 5 versehen, die mit hoher Lagepräzision aufgebracht sind.
Die Markierungen 4 und die Referenzmarken 5 sind so eng be- nachbart, daß sie in ein Tastfeld 6 eines ortsauflösenden optischen Sensors passen, der an einem Bestückkopf für die Bauelemente befestigt ist. Dieser Bestückkopf ist derart verfahrbar, daß der Sensor über allen markierten Eckbereichen positionierbar ist.
Der ortsauflösende Sensor ist mit einer Auswerteelektronik verbunden, die in der Lage ist, die relative Lage der Markierungen 4 zu der jeweiligen Referenzmarke 5 zu ermitteln, ohne daß dabei der Sensor verfahren werden muß. Ein nicht darge- stelltes Steuergerät der Bestückeinrichtung weist ein Auswertemodul auf, daß die einzelnen Abweichungen der Markierungen 4 von den Referenzmarken 5 zu Korrekturparametern für die Maschine verarbeitet. Diese Korrekturparameter werden automatisch vom Steuergerät übernommen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Vermessen einer Einrichtung zur Herstellung von elektrischen Baugruppen, insbesondere zum koordinatenmä- ßigen Bestücken von Leiterplatten mit Bauelementen, wobei mittels der Einrichtung eine Testplatte (1) von der Art einer Leiterplatte an definierten Aufsetzstellen mit scheibenartigen Nachbildungen (3) der Bauelemente bestückt wird, wobei die Lage der Nachbildungen (3) relativ zu Referenzmar- ken (5) der Testplatte (1) anhand von lagedefinierten optischen Strukturmerkmalen (z.B. 4) der Nachbildungen (3) durch einen optischen Sensor ermittelt wird, und wobei aus Abweichungen der Lage der Strukturmerkmale (z.B. 4) Von ihrer Ideallage zumindest ein Korrekturparameter für ein Steuergerät der Einrichtung zur Herstellung der Baugruppen berechnet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Referenzmarken (5) lokal an den Aufsetzstellen der Nachbildungen (3) angebracht werden und daß die Lage der Strukturmerkmale (z.B. 4) relativ zu den ihnen jeweils zugeordneten lokalen Referenzmarken (5) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Abstand zwischen den Referenzmarken (5) und den optischen Strukturmerkmalen (z.B. 4) der aufgesetzten Nachbildungen (3) geringer ist als die Weite eines Tastfelds (6) des ortsauflösenden Sensors, daß der Sensor sukzessive über die Referenzmarken (5) und
Strukturmerkmale (z.B. 4) verfahren wird, daß der Sensor von diesen Stellen Bilder aufnimmt, die jeweils sowohl die Referenzmarke (5) wie auch das Strukturmerkmal (z.B. 4) enthalten und daß die relative Lage des jeweiligen Strukturmerkmals (z.B. 4) und der Referenzmarke (5) zueinander durch Auswertung der aufgenommenen Bilder ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sensor Teil der Einrichtung zum Herstellen der Lei- terplatten ist, daß das Auswerten der Bilder und das Berechnen des Korrekturparameters mittels einer optischen Auswerteeinrichtung der Einrichtung zur Herstellung der Baugruppen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der von der Auswerteeinrichtung ermittelte Korrekturparameter selbsttätig dem Steuergerät übermittelt und von diesem abgespeichert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Testplatte (1) in engem Abstand durchgehend mit einer Vielzahl von Nachbildungen (3) bestückt wird und daß die Lage aller Nachbildungen (3) ermittelt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Vermessen einer Einrichtung zur Herstellung von elektrischen Baugruppen, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, wobei mittels der Einrichtung eine Testplatte (1) von der Art einer Leiterplatte an definierten Aufsetzstellen mit Nachbildungen (3) der Bauelemente bestückbar ist, wobei die Lage der Nachbildungen (3) relativ zu Referenzmar- ken (5) der Testplatte (1) anhand von lagedefinierten optischen Strukturmerkmalen (z.B. 4) der Nachbildungen (3) durch einen optischen Sensor ermittelbar ist und wobei aus ermittelten Abweichungen der Lage der Strukturmerkmale (z.B. 4) von ihrer Ideallage zumindest ein Korrekturpa- rameter für ein Steuergerät der Einrichtung zur Herstellung der Baugruppen berechenbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die lokalen Referenzmarken (5) an den Aufsetzstellen der Nachbildungen (3) in unmittelbarer Nähe der optischen Strukturmerkmale (z.B. 4) der aufgesetzten Nachbildungen (3) angebracht sind, daß der Abstand zwischen den Referenzmarken (5) und den optischen Strukturmerkmalen (z.B. 4) der aufgesetzten Nachbildungen (3) geringer ist als die Weite eines Tastfelds (6) des ortsauflösenden Sensors.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß an den Aufsetzstellen jeweils eine zusätzliche Referenz- marke (5) angebracht und zusätzlichen Strukturmerkmalen (z.B. 4) der Nachbildungen (3) zugeordnet ist und daß diese zusätzlichen Referenzmarken (5) und Strukturmerkmale (z.B. 4) durch den Sensor erfaßbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Referenzmarken (5) an den Ecken der als rechteckige Scheiben ausgebildeten Nachbildungen (3) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optischen Strukturmerkmale (z.B. 4) der Nachbildungen (3) als den Referenzmarken (5) ähnliche Markierungen (4) ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Nachbildungen (3) aus mineralischem transparentem Material, insbesondere aus Glas bestehen und daß die Markierungen (4) auf der der Testplatte (1) zugewandten Seite der Nachbildungen (3) angebracht sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Referenzmarken (5) auf der Testplatte (1) außerhalb der aufgesetzten Nachbildungen (3) angeordnet sind.
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