DE3834049C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anbringen und Abnehmen von SMD-Bauelementen auf bzw. von einer Leiterplatte, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Derartige Vorrichtungen werden zur Reparatur, in der Entwicklung zur Fertigung von Prototypen und in der Kleinserien-Fertigung eingesetzt, wo ein vollautomatischer Ablauf aus Kostengründen nicht möglich ist. Neben Bauelementen mit steckbaren Anschlußstiften für eine sogenannte Steckmontage werden auch Bauelemente verwendet, die unmittelbar auf die Oberfläche der Leiterbahnen zur mechanischen und elektrischen Verbindung aufgelötet sind. Diese Technik ist als Oberflächenmontage bekannt. Für besondere Anwendungsbereiche ist auch eine Mischbestückung mit steck- und oberflächenmontierten Bauelementen üblich.

Zur Herstellung von oberflächenmontierten SMA-Baugruppen (Surface Mounted Assembly) werden in der Großserienfertigung automatische Bestückungsmaschinen eingesetzt. Die Anschaffungs- und Betriebskosten dieser Automaten sind allerdings so hoch, daß aus wirtschaftlichen Gründen keine kleine Stückzahlen verarbeitet werden können. Auch Reparaturarbeiten sind hiermit nicht möglich, da hierzu in Fertigungssystemen wesentliche Komponenten fehlen.

Bei bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen für die Arbeit mit Einzelleiterplatten oder Kleinserien ist das Ausrichten der jeweils benötigten Arbeitsvorrichtung auf die Bauelemente-Position aufgrund des Konstruktionsprinzips des Montagearms steuerungstechnisch mit großem Aufwand verbunden. So ist ein Montagearm mit drei Drehgelenken bekannt, welche über einen Riementrieb betätigt werden. Sowohl der hohe Steuerungsaufwand als auch die aufwendige konstruktive Gestaltung und der relativ große Platzbedarf machen es erforderlich, daß lediglich eine beschränkte Auswahl der Arbeitsvorrichtungen rechnergesteuert angeordnet und eingesetzt werden kann. Bei den übrigen Arbeitsvorrichtungen handelt es sich somit um herkömmliche Werkzeuge, die vom Bediener in freier Handarbeit eingesetzt werden müssen, wie beispielsweise ein Lötkolben, ein Entlötkolben oder eine Düse zum Auftragen von Lötpaste. Insoweit unterscheiden sich die bekannten Vorrichtungen nicht von herkömmlichen Arbeitsplätzen. Es ist auch nicht ohne weiteres möglich, die bearbeiteten Leiterplatten bzw. Bauelemente an Ort und Stelle mit Prüfspitzen zur automatischen Funktionsprüfung zu versehen.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Anbringen oder Abnehmen elektronischer Bauelemente an bzw. von einem Substrat ist aus der DE-OS 35 06 315 bekannt. Hier ist eine Heißluftquelle an einer Säule in einer vertikalen Ebene schwenkbar angeordnet. Außerdem befindet sich an der Säule ein in einer horizontalen Ebene verschwenkbarer Arm mit einer Mikroskopeinheit. Weitere Arbeitsvorrichtungen, wie beispielsweise zu Reinigungs- und Reparaturzwecken eingesetzte Entlöt- und Unterdruck-Lotabsaugvorrichtungen sind nur als separate, von Hand bedienbare Einheiten vorgesehen, ohne daß sie gerätetechnisch integriert sind. Mit der Vorrichtung kann demgemäß nur qualifiziertes Bedienungspersonal arbeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher eine hohe Automatisierung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, daß durch das Zusammenwirken einerseits des frei verschiebbaren Leiterplattenhalters und andererseits der auf die notwendigste Bewegungsfreiheit beschränkten Montagearme eine überwiegend motorgetriebene und rechnergesteuerte, d. h. leicht und genau reproduzierbare Ausrichtung einer Vielzahl von Bearbeitungseinheiten auf die gewünschte Bauelementeposition möglich ist. Eine platzsparende und übersichtliche Anordnung wird dabei dadurch gewährleistet, daß ein begrenzter gemeinsamer Arbeitsbereich vorgesehen ist, auf welchen ein sequentieller Zugriff erfolgt und daß die Arbeitseinheiten in der Ruheposition diesen Bereich uneingeschränkt freigeben. Da lediglich die Arbeitspositionen und die Ruhestellungen der Arbeitseinheiten genau vorgegeben sein müssen, genügen einfache Antriebe und Führungen mit festen Anschlägen, um sicherzustellen, daß diese definierten Positionen genau eingehalten werden. Andererseits genügen zur Positionierung des Leiterplattenhalters konstruktiv und steuerungstechnisch einfache Maßnahmen, wenn man ein rechtwinkliges Koordinatensystem zugrundelegt. Es bereitet hier keinen besonderen Aufwand, einen Referenzpunkt festzulegen, von dem aus die fest vorgegebenen Arbeitspositionen angesteuert werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Vorrichtung als Modulsystem aufgebaut werden kann, welches leicht durch Arbeitseinheiten ergänzt und erweitert werden kann oder bei welchem Arbeitseinheiten ausgetauscht werden können.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Montagearme entlang einer geradlinigen Bahn parallel zur Arbeitsebene geführt werden. Auf diese Weise können kostengünstige, handelsübliche Längsschienen verwendet werden, die ohne weiteres in ein rechtwinkeliges Koordinatensystem integriert werden können.

Zumindest die folgenden Arbeitseinheiten können jeweils separat an einem Montagearm angeordnet sein: Eine Dosierungseinheit für Lötpaste, eine Bestückungseinheit, eine Lötzinn-Absaugeeinheit sowie eine Löt-/Entlöteinheit. Besonders zweckmäßig ist es, wenn auch Vorratsbehälter für Bauteile bzw. Abfallsbehälter an einem Montagearm angeordnet sind. Es können hierzu handelsübliche Geräte und Einheiten verwendet werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels weiterbeschrieben:

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Vorrichtung, bei welcher sich alle Arbeitseinheiten in ihrer Ruheposition befinden und die

Fig. 2 bis 6 zeigen die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung jeweils, wenn sich eine der Arbeitseinheiten in ihrer Betriebsposition befindet.

Fig. 1 veranschaulicht eine Vorrichtung 10 für alle Verarbeitungsprozesse beim Auswechseln von Bauelementen auf einer Leiterplatte 11 oder beim Bestücken dieser Leiterplatte. In der Figur ist beispielhaft ein einziges Bauelement 12 auf der Leiterplatte 11 wiedergegeben.

Die nachfolgend beschriebenen Arbeitseinheiten und Bearbeitungsschritte beziehen sich ausschließlich auf die an sich bekannte Oberflächenmontage, mit welcher das Bauelement 12 elektrisch und mechanisch mit der Leiterplatte 11 verbunden ist. Die Vorrichtung umfaßt einen horizontal ausgerichteten Grundrahmen 13, welcher alle übrigen Komponenten trägt. Auf dem Grundrahmen 13 ist ein Arbeitsbereich 14 vorgegeben, innerhalb welchem die Leiterplatte 11 in einer horizontalen Arbeitsebene verschiebbar ist. Dies wird durch einen Schlitten 15 erreicht, welcher innerhalb eines rechtwinkligen Koordinatensystems auf bekannte Weise über rechtwinklig zueinander ausgerichtete Schienen bewegbar ist. Um die Darstellung übersichtlich zu halten, sind die Schienen nicht in die Figur eingezeichnet. Die Position des Schlittens 15 in X- und Y-Richtung erfolgt zuverlässig reproduzierbar mit Hilfe einer Rechnersteuerung (nicht dargestellt). Da eine derartige Schlittenführung und Schlittenansteuerung für sich genommen bekannt sind, kann auf eine detailliertere Darstellung hier verzichtet werden.

Am Rande des Arbeitsbereichs 14 sind nebeneinander mehrere Arbeitseinheiten angeordnet, die in Fig. 1 jeweils in ihrer Ruheposition wiedergegeben sind. Es handelt sich in dem dargestellten Beispiel um eine Dosiereinheit 16 für Lötpaste, um eine Bestückungseinheit 17 für SMD-Bauelemente, eine Lötzinn-Absaugeeinheit 18, eine programmierbare Schablonenlöt/-entlöteinheit 19 sowie um ein Bauteile-Magazin 20 für SMD-Bauelemente.

Jede dieser Arbeitseinheiten 16 bis 20 ist für sich genommen grundsätzlich bekannt, so daß technische Einzelheiten nicht weiter beschrieben zu werden brauchen.

Jede dieser Arbeitseinheiten 16 bis 20 ist horizontal verschiebbar gelagert, so daß sie separat und unabhängig voneinander jeweils zwischen einer Ruhe- und einer Arbeitsposition verschoben werden können. Es können hierbei handelsübliche, geradlinige Schienen sowie gebräuchliche Antriebseinheiten, beispielsweise Schrittmotoren, verwendet werden. Die Antriebe werden wie der Schlitten 15 im Rahmen von vorgegebenen Arbeitsschritten angesteuert.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Figur darauf beschränkt, anstelle der konkreten Arbeitseinheiten 16 bis 20 sowie der zugehörigen Schienen und Antriebe lediglich schematisch quaderförmige Module wiederzugeben, aus welchen die örtliche Anordnung zueinander und innerhalb der gesamten Vorrichtung 10 ersichtlich wird.

Bei der längsverschieblichen Anordnung der Arbeitseinheiten 16 bis 20 handelt es sich aus technischer Sicht um nichts anderes, als daß diese Arbeitseinheiten 16 bis 20 jeweils auf einem Montagearm in einer Richtung verschiebbar angeordnet sind.

Die Verschieberichtung der einzelnen Arbeitseinheiten 16 bis 20 ist an das rechtwinklige Koordinatensystem, in welchem der Schlitten 15 bewegbar ist, angepaßt, d. h. die Bewegungen erfolgen gemäß Pfeilen 21, 22 parallel zu einer der Koordinatenachsen. In der Ruheposition gemäß Fig. 1 sind alle Arbeitseinheiten 16 bis 20 aus dem Arbeitsbereich 14 entfernt.

Anhand der Fig. 1 bis 6 wird nachfolgend beispielsweise die Funktionen der gesamten Vorrichtung beschrieben. Es wird hierzu angenommen, daß das Bauelement 12 defekt ist und durch ein funktionsfähiges neues Bauelement ersetzt werden soll.

Gemäß Fig. 2 wird rechnergesteuert die Schablonenlöt/-entlöteinheit 19 aus seiner Ruheposition I in seine Betriebsposition II ausgefahren. Beide Positionen I, II sind - wie bei allen übrigen Arbeitseinheiten 16 bis 18 und 20 - durch mechanische Anschläge fest und genau vorgegeben. Der Aufwand für den Antrieb und die Ansteuerung ist daher minimal. Da durch den betreffenden Anschlag die genaue Position des eigentlichen Löt-/Entlötwerkzeugs innerhalb des Koordinatensystems fest vorgegeben ist, ist es mit relativ geringem Steueraufwand möglich, daß Bauelemente 12 durch Verfahren des Schlittens 15 gemäß Pfeil 23 genau in den Wirkungsbereich dieses Werkzeugs zu bringen.

Nach der exakten Positionierung wird auf die Anschlüsse des Bauelements 12 gezielt auf an sich bekannte Weise Heißluft oder IR-Strahlung gerichtet, so daß das Lot auf den Lötflächen des Bauelements 12 schmilzt. Anschließend wird das Bauelement mit Hilfe einer Saugpipette, die Bestandteil der Schablonenlöt/-entlöteinheit 19 ist, von der Leiterplatte 11 abgehoben. Auch dieser Vorgang ist für sich genommen im einzelnen bekannt. Die Koordinierung und Ansteuerung der einzelnen Arbeitsschritte erfolgt hierbei auch wiederum mit Hilfe des Rechners. Danach fährt die Schablonenlöt/-entlöteinheit 19 wieder in ihre Ruheposition I zurück. Im nächsten Arbeitsschritt gemäß Fig. 3 wird die Lötzinn-Absaugeeinheit 18 in ihre Arbeitsposition III oberhalb des Arbeitsbereichs 14 gefahren. Dann wird die Leiterplatte 11 gemäß Pfeil 24 nachgeführt, so daß das Lötzinn vollständig entfernt werden kann. Die Leiterplatte 11 ist nunmehr "bestückbar".

Nachdem die Lötzinn-Absaugeeinheit 18 in ihre Ruheposition gemäß Fig. 1 zurückgezogen wurde, fährt die Dosiereinheit 16 in ihre Betriebsposition IV innerhalb des Arbeitsbereichs 14 (Fig. 4) und die Leiterplatte 11 wird gemäß Pfeil 25 unter die betreffende Funktionseinheit nachgeführt. In Übereinstimmung mit den vorgegebenen Bauteile-Anschlußflächen auf der Leiterplatte 11 wird dann Lötpaste auf die Leiterplatte 11 in bekannter Weise aufgetragen, bevor die Bestückungseinheit 17 gemäß Fig. 5 in ihre Betriebsposition V ausgefahren und die Leiterplatte 11 gemäß Pfeil 26 nachgeführt wird.

Um die Bestückung ausführen zu können, wird nunmehr auch das Bauteilemagazin 20 gemäß Pfeil 27 in seine Arbeitsposition (nicht dargestellt) bewegt. Wie in den Figuren schematisch angedeutet ist, besteht das Bauteilemagazin 20 aus nebeneinander angeordneten Vorratsbehältern, die auf bekannte Weise entweder Stangenmagazine oder Gurtabroller aufnehmen. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von unterschiedlichen SMD-Bauelementen für leichten maschinellen Zugriff bevorratet werden. Das Herausnehmen des gewünschten Bauelements (schematisch mit "30" bezeichnet) aus der betreffenden Aufnahmeeinheit 28 mittels einer Vakuum-Pipette und die exakte Ablage auf der Leiterplatte 11 (Bezugszeichen 29) erfolgt mit Hilfe der Bestückungseinheit 17 auf prinzipiell bekannte Art und Weise.

Wie aus Fig. 5 weiter ersichtlich ist, erfolgt die Auslenkung des Bauteilemagazins 20 quer zur Bewegungsbahn der Bestückungseinheit 17. Auf diese Weise kann das Bauteilemagazin 20 unbehindert und unabhängig von der Bestückungseinheit 17, beispielsweise unterhalb von deren Montagearm (nicht dargestellt), in die ausgewählte Position zur Bauteilentnahme gebracht werden.

Nach der exakten Plazierung des Bauelements 30, wenn das Bauteilemagazin 20 und die Bestückungseinheit 17 wieder in ihre Ruhepositionen zurückgefahren sind, wird die Leiterplatte 11 wieder unter die erneut ausgefahrene Schablonenlöt/-entlöteinheit 19 gemäß Fig. 6 gefahren. Durch eine präzise Erhitzung mit Heißluft oder Infrarotlicht werden die vorbereiteten Lötflächen erhitzt, bis eine einwandfreie Lötung erreicht ist. Auch dieser Arbeitsschritt ist für sich genommen als bekannt vorauszusetzen.

Die Reparatur der Leiterplatte 11 bzw. der Austausch des defekten Bauelements 12 ist damit abgeschlossen und die Leiterplatte 11 wird gemäß Pfeil 29 in die Ausgangsposition des Arbeitsbereiches 14 zurückgeführt. Hier erfolgt die Entnahme aus dem Schlitten 15 und die Vorrichtung 10 ist erneut zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Arbeitsschritte bereit.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Anbringen und Abnehmen von Bauelementen auf bzw. von einer Leiterplatte, mit einer zwischen einer fest vorgegebenen Ruheposition und einer Arbeitsposition bewegbaren Löt- und Entlöteinheit, mit Mitteln zum Dosieren und Absaugen von Lötmaterial und Bestücken mit einem Bauelement sowie mit einem Leiterplattenhalter zum Positionieren des betreffenden Bauelements bezüglich der Arbeitsposition der Löt- und Entlöteinheit, wobei der Leiterplattenhalter innerhalb eines Arbeitsbereiches horizontal in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Richtungen verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zum Dosieren, Absaugen und Bestücken separate Einheiten (16 bis 18) bilden und
daß sie ebenso wie die Löt-und Entlöteinheit (19) in ihrer Ruhestellung neben dem Arbeitsbereich (14) angeordnet sind,
daß sie jeweils eine vorgegebene Strecke horizontal in den Arbeitsbereich (14) in ihre jeweilige Arbeitsposition hinein verschiebbar sind, und
daß der Leiterplattenhalter (Schlitten 15) bezüglich der Arbeitspositionen der einzelnen Einheiten (16 bis 19) nachführbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitseinheiten (16 bis 19) entlang einer geradlinigen Bahn verschiebbar geführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbahnen zumindest eines Teils der Arbeitseinheiten (16 bis 19) parallel zueinander verlaufen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbahnen eines Teils der Arbeitseinheiten (16 bis 19) senkrecht zu den Bewegungsbahnen der übrigen Arbeitsvorrichtungen verlaufen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbahnen der Arbeitspositionen der Arbeitseinheiten (16 bis 19) durch feststehende Anschläge begrenzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Einheit ein Bauteilemagazin (20) vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einnahme der Arbeits- und Ruhepositionen sowie die Positionierung des Bauelements rechnergesteuert erfolgen.