DE68901660T2

DE68901660T2 - Verfahren und vorrichtung zur positionierung von elektrischen bauelementen.

Info

Publication number: DE68901660T2
Application number: DE8989850038T
Authority: DE
Inventors: Ted Minter Smith
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1988-02-16
Filing date: 1989-02-07
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2009-02-08
Also published as: DE68901660D1; EP0329630A2; US4796357A; EP0329630B1; EP0329630A3; JPH01209799A

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Maschinen zum Anordnen elektronischer Bauteile, insbesondere auf den in diesen Maschinen zum Einsatz kommenden Setzkopfaufbau.

Stand der Technik

In der elektronischen Fertigungstechnik wurden verschiedenartige Vorrichtungen zur automatischen Positionierung von Bauteilen auf Leiterplatten entwickelt. Zu diesen Vorrichtungen zählt eine Positioniermaschine mit lösbar angebrachtem Setzkopfaufbau. Fig. 1-3 zeigen in vereinfachter Darstellung den Aufbau für die Positioniermaschinen Modell Nr. MPS118, MPS500, MPS318 und MPS525 der Dynapert Division der Emhart Machinery Group, Beverly, MA (USA).
Die Funktion eines derartigen Setzkopfaufbaus ist das automatische Greifen eines Bauteils aus einer Menge derartiger Bauteile, die Ausrichtung des Bauteils in geeigneter Orientierung mit bezug zu einer Position auf der Leiterplatte, Verfahren des Bauteils zu der betreffenden Position und anschließendes Aufsetzen auf dieser Position zum nachfolgenden Bonden mittels Dampfphasen- oder Schwallötverfahren oder ähnlichem.
Ein weiteres Beispiel für eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik wird in US-Patentschrift 4 624 050 beschrieben.
Das Patent bezieht sich auf einen Aufnahmekopfaufbau für Maschinen zur Positionierung elektrischer Bauteile auf Substraten. Es umfafßt einen beweglich auf einer Leitspindel angebrachten und von einem Motor angetriebenen Werkzeughalter, der zwischen mehreren Sollpositionen und weiteren, davon entfernten Positionen verfahrbar ist. Es sieht eine Vorrichtung zur Anbringung eines auswechselbaren Aufnahmewerkzeugs vor, wobei sich eine Bezugsfläche des Werkzeugs an einer vorgegebenen Position relativ zum Werkzeughalter befindet. Der Kopf umfaßt ferner mehrere Ausrichtbacken, die so angeordnet sind, daß sie in Richtung auf ein Bauteil zu oder von einem Bauteil weg verfahren werden können, das sich auf der Bezugsfläche eines Werkzeugs auf dem Werkzeughalter befindet, wenn sich der Halter an einer der Sollpositionen befindet. Die Backen können somit das Bauteil greifen, um es auszurichten.
Die Backen weisen mehrere in Abständen angeordnete Gruppen zusammenwirkender Bezugsflächen auf, die generell transversal zur Ebene der Bezugsfläche des Werkzeugs im Halter angeordnet sind. Jede Gruppe von Bezugsflächen ist so ausgelegt, daß sie in der Lage ist, ein Bauteil, das von einem am Werkzeughalter angebrachten Werkzeug gehalten wird, auszurichten, wenn sich der Halter an einer entsprechenden dieser Sollpositionen befindet.
Diese Vorrichtung ermöglicht nicht die gleiche effiziente Ausrichtung wie die vorliegende Erfindung mittels der im Beschreibungsteil von Anspruch 1 des vorliegenden Antrags definierten Ausrichteinrichtung.
Als genauere Bezugnahme auf Konstruktion und Funktionsweise des erstgenannten Kopfaufbaus wird in Fig. 1 ein Setzkopf 10 gezeigt sowie ein Zylinder 12, der, obwohl es sich hierbei nicht um einen festen Bestandteil des Kopfaufbaus 10 handelt, als Teil der Vorrichtung zum Anordnen elektrischer Bauteile aufgenommen wird und der in Zusammenwirkung mit dem Aufbau die vorgenannte Funktion ermöglicht. Der Zylinder 12 liefert Bewegungskraft in Richtung der Pfeile 14 und 16, die von dem Betätigungshebel 18 (der um Drehpunkt 20 schwenkbar ist) auf den Kopfaufbau 10 übertragen wird. Genauer gesagt erzeugt die Bewegung des Zylinders 12 in Richtung der Pfeile 14 und 16 durch Schwenkbewegung des Hebels 18 um Schwenkpunkt 20 eine entsprechende entgegengesetzte Bewegung in Richtung der Pfeile 24 bzw. 22. Der Hebel 18 umfaßt ein Lager 26, das in eine obere Oberfläche 28 eines Flanschteils 30 einer inneren Laufbuchse zur Pinzettenarmbetätigung 32 eingreift. Diese Laufbuchse 32 ist um eine runde Hauptsäule 34 angeordnet, die wiederum mit der Positioniervorrichtung verbunden ist.
Weiter ist ein ähnlicher Mechanismus mit Zylinder und Hebel vorhanden (hier aus Gründen der Eindeutigkeit nicht beschrieben) mit ähnlichem Lager, das in die obere Oberfläche 33 des Flanschteils 36 einer äußeren Laufbuchse zur Pinzettenarmbetätigung 38 eingreift. Die Hauptsäule 34 und sowie die innere und äußere Laufbuchse 32 bzw. 38 befinden sich in koaxial gleitendem Eingriff untereinander.
Vier Pinzettenarme 40 sind hängend um 90 Grad versetzt um die Hauptsäule 34 angeordnet; in Fig. 1 sind allerdings nur drei dieser Pinzettenarme 40 sichtbar. Die Pinzettenarme 40 sind über Drehpunkte 42 schwenkbar mit der Hauptsäule 34 verbunden. Bei dem Pinzettenarm 40 ganz links zum Beispiel führt das Schwenken um Punkt 42 dazu, daß sich der obere und der untere Teil des Arms 40 in entgegengesetzter Richtung der Pfeile 44 bzw. 46 um den Schwenkpunkt 42 oder entgegengesetzt in Richtung der Pfeile 48 bzw. 50 bewegen.
Jede der Laufbuchsen 32 und 38 verfügt über ein Paar diametral gegenüberliegender Lager. Mit weiterem bezug auf Fig. 1 und die innere Laufbuchse 32 können also die Rollen 52 zur Betätigung der Pinzettenarme als in Eingriff mit den entsprechenden oberen Rollenoberflächen der jeweiligen Pinzettenarme 40 befindlich betrachtet werden. Wie bei den Pinzettenarmen 40 sind in Fig. 1 ebenfalls nur drei der Rollen 52 zu sehen.
Bei Abwärtsbewegung der inneren Laufbuchse 32 mittels der zuvor beschriebenen Bewegung von Zylinder 12 und Hebel 18 rollen die Rollen 52 auf den Oberflächen 54 der Pinzettenarme 40 abwärts und stellen den oberen Teil der Pinzettenarme 40 radial nach außen in Richtung von Pfeil 44 ab. Dies wiederum verursacht die radiale Bewegung der Pinzettenarme 40 nach innen in Richtung der Pfeile 46 zur Ausrichtung eines Bauteils, das sich in der Mitte der Pinzettenarme befindet. Eine entsprechende Abwärtsbewegung der äußeren Laufbuchse 38 verursacht ebenfalls den rollenden Eingriff von Rolle 52 mit den zugehörigen Oberflächen der oberen Teile der Pinzettenarme 40 und führt zu einer Bewegung des verbleibenden Pinzettenarmpaars radial nach innen. Eine Feder 56 ist um den Umfang und in Eingriff mit dem oberen Teil der vier Pinzettenarme 40 angeordnet und setzt den oberen Teil der Pinzettenarme unter eine radial nach innen gerichtete Vorspannung. Auf diese Weise bewirkt die Feder 56 nach der vorstehend beschriebenen, durch die Abwärtsbewegung der Laufbuchsen 32 und 38 verursachten, radial nach innen gerichteten Bewegung des unteren Teils der Pinzettenarme 40 eine radial nach innen gerichtete Rückholkraft auf den oberen Teil der Pinzettenarme 40, die die Arme 40 vor einer nächsten Abwärtsbewegung der Laufbuchsen 32 und 38 wieder in die in Fig. 1 dargestellte Stellung bringt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist der Kopfaufbau 10 typischerweise mit mehreren Pinzettenköpfen 60 bestückt, die jeweils aus einem Backeneinstellblock 62 und der Pinzettenbacke 64 bestehen, die am entsprechenden unteren Ende des zugehörigen Pinzettenarms angeordnet ist. Der Block 62 ist mittels einer Schraube 66 durch eine Bohrung 68 im Block 62 am unteren Ende des jeweils zugehörigen Arms 40 angebracht. Die Pinzettenbacke 64 wird mittels einer Schraube 68, die durch die Bohrung 70 geführt wird, im Block 62 gehalten. Eine innere Greiffläche 72 ist dadurch radial nach innen gerichtet; sie dient dem Ausrichtkontakt mit dem Bauteil.
Der allgemeine Funktionsablauf bei einem derartigen Setzkopfaufbau 10 ist aus Fig. 3-9 ersichtlich. Bezüglich Fig. 3 ist ein zusätzliches Bauteil des Aufbaus 10 zu beachten, das bisher nicht erläutert wurde, nämlich ein Vakuumhaltemittel 74, das in koaxial gleitender Verbindung in der hohlen Hauptsäule 34 läuft und in Richtung der Längsachse dieser Säule 34 und des Vakuumhaltemittels 74 beweglich ist. Normalerweise werden mehrere Bauteile 76, die auf Positionen auf Leiterplatten gesetzt werden sollen, auf einer Bandrolle präsentiert. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ablauf wird das Vakuumhaltemittel 74 so abgesenkt, daß Kontakt mit der oberen Oberfläche eines der Bauteile 76 hergestellt wird, worauf durch das Vakuumhaltemittel 74 ein Unterdruck hergestellt wird, so daß das Bauteil vorübergehend am Ende des Vakuumhaltemittels 74 hängt, wie in Fig. 4 dargestellt.
Bei Abwärtsbewegung der Laufbuchsen 32 und 38 aufgrund der von den Zylindern 12 vorgegebenen Bewegung bewegen sich die Pinzettenarme 40 - wie zuvor beschrieben - radial nach innen, wodurch die jeweiligen inneren Bauteilkontaktflächen 72 der einzelnen Pinzettenköpfe 60 um 90 Grad versetzt an die jeweilige Seite des Bauteils 76 angreifen, so daß das Bauteil zur nachfolgenden Positionierung auf der Leiterplatte wie gewünscht auf einer senkrecht zur Längsachse des Kopfaufbaus 10 stehenden Ebene ausgerichtet wird. Die nach innen gerichtete Bewegung der Pinzettenköpfe 60 ist durch den Vergleich ihrer jeweiligen Lage in Fig. 4 mit ihrer nachfolgenden Lage in Fig. 5 ersichtlich. Da das Bauteil zu diesem Zeitpunkt durch das Vakuumhaltemittel 74 nur leicht gehalten wird, ist das Bauteil am Ende des Vakuumhaltemittels frei beweglich, so daß das Bauteil durch den Kontakt mit den Backen 64 so ausgerichtet wird, wie durch den nach innen gerichteten Kontakt der Backen 64 mit den Seiten des Bauteils vorgegeben.
Aus dem Vergleich von Fig. 5 und Fig. 6 wird ersichtlich, daß der Kopfaufbau 10 anschließend durch mechanische Verbindungen, Roboterarme oder ähnliches beliebig gedreht und seitlich verschoben werden kann, um das Bauteil 76 - wie in Fig. 7 gezeigt - zu positionieren, wobei sich das Bauteil vertikal zu einer gewünschten Position 78 auf einer Leiterplatte 80 befindet. An dieser Position 78 können nach Wunsch Epoxidpunkte aufgebracht werden, so daß das nachfolgend aufgesetzte Bauteil darauf haftet. Aus Fig. 7 ist weiter ersichtlich, daß durch Rückbewegung der Zylinder 12 in Richtung von Pfeil 16 und die nach innen gerichtete Vorspannung der Feder 56 auf den oberen Teil der Pinzettenarme 40 die Pinzettenköpfe 60 radial nach außen und weg von Vakuumhaltemittel 74 und Bauteil 76 bewegt werden. In Fig. 8 wurde das Vakuumhaltemittel 74 nach unten verfahren, so daß das Bauteil 76 im Kontakt mit der Position 78 auf der Leiterplatte 80 gelangt. Abschließend wird in Fig. 9 der Unterdruck im Vakuumhaltemittel 74 unterbrochen und das Vakuumhaltemittel nach oben verfahren, so daß das Bauteil 76 wie gewünscht auf der Position 78 verbleibt.
Aus der vorstehenden Beschreibung der allgemeinen Funktionsweise des Setzkopfaufbaus 10 sind einige erhebliche konstruktive Mängel ersichtlich, die durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden.
Erstens traten durch den koaxial gleitenden Eingriff von Hauptsäule 34 und innerer und äußerer Laufbuchse 32 bzw. 38 häufig bestimmte Probleme auf. Aufgrund der Hebelwirkung der Pinzettenarme 40 kann eine laterale Verschiebung der Laufbuchsen 32 oder 38, bedingt durch Spiel zwischen den verschiedenen beweglichen Teilen (insbesondere den Laufbuchsen), zu ungenauer und ungleichmäßiger Bewegung der Backen 64 und deren Kontaktflächen 72 sowie Ungleichmäßigkeit in deren radialer innerster Endstellung führen. Da diese Endstellung für die exakte Endausrichtung des Bauteils 76 für das nachfolgende Aufsetzen auf die Position auf der Leiterplatte 80 verantwortlich ist, hat ein derartiges Spiel ein ungenaues Aufsetzen des Bauteils auf die Leiterplatte zur Folge. Bei immer höherer Chip-Dichte und immer kleineren Bauteilen verstärkt sich dieses Problem, da immer präzisere Positionierung der Bauteile erforderlich wird.
Laterale Ungenauigkeiten in der Positionierung bei den Laufbuchsen 32 und 38 können sich bei der Position der inneren Kontaktflächen 72 der Backen durch die bereits erwähnte Hebelwirkung der Pinzettenarme 40 bis zum Faktor 12 multiplizieren.
Durch verbesserte Paßgenauigkeit zwischen den Laufbuchsen 32, 38 und der Säule 34 läßt sich das Problem zwar in den Griff bekommen, doch erhöhen sich dadurch die Fertigungskosten und der Wartungsaufwand, da die Gleitflächen glatt und poliert sein oder geölt werden müssen.
Durch erhöhte oder veränderliche Reibung bedingt durch engere Toleranzen entsteht ein zusätzliches Problem bei der Kontrolle der Kraft, die bei der Ausrichtung durch die Backen 64 auf die Bauteile 76 ausgeübt wird. Die Backen 76 greifen während der Ausrichtung normalerweise an den Anschlußdrähten am äußeren Umfang der Bauteile 76 an. Höhere Schaltungsdichte erfordert kleinere Bauteile mit entsprechend kleiner dimensonierten und weniger robusten Anschlußdrähten und Gehäusen, was wiederum die exakte Kontrolle der an den Bauteilen nach innen angreifenden Kräfte erfordert. Diese Kontrolle wird durch den Gleitmechanismus der Laufbuchsen 32 und 38 erschwert.
Ein weiterer damit zusammenhängender konstruktiver Mangel früherer Kopfaufbauten führt häufig zu unerwünschter Verformung der Bauteile 76. Um glatte, gleitfähige Oberflächen zu erhalten, werden die Laufbuchsen normalerweise aus dichten Metallen, z.B. Messing o.ä., hergestellt, was Ringe oder Laufbuchsen mit relativ hoher Trägheit ergibt, die durch die Pinzettenarme 40 auf die Bauteile 76 übertragen wird. Dies führt zu unerwünscht starker Wirkung der Backenköpfe auf die Bauteile bis zur Zerstörung der Bauteile, Abbrechen der Anschlußdrähte usw. Außerdem muß die nach oben wirkende Rückstellkraft für diese schweren Laufbuchsen 32 und 38 vollständig von der Rückholfeder 56 aufgebracht werden, was weitere Probleme verursacht.
Ein weiteres, noch gravierenderes Problem bei bisherigen Kopfaufbauten 10 ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Zylinder 12 fester Bestandteil der Positioniermaschine selbst und vom Kopfaufbau 10 getrennt sind. Daher wird eine mechanische Verbindung zwischen den Zylindern 12, den Betätigungshebeln 18 und dem Kopfaufbau 10 erst zur Endkalibrierung und Justierung hergestellt, wenn sich der Kopfaufbau 10 auf der Maschine befindet. Daher traten beim Auswechseln von Kopfaufbauten teure Ausfallzeiten auf, da Ausrichtung und Justierung des Kopfaufbaus nur erfolgen konnten, wenn sich der Kopf in der Maschine befand, wodurch sich die Betriebszeit solch teurer Positioniermaschinen verringerte, die hunderttausende von Dollars kosten. Aufgrund der relativ komplexen Verbindungen zwischen Positioniermaschine und Kopfaufbau bestand keine direkte Möglichkeit zur separaten Ausrichtung und Justierung des Kopfaufbaus, um so die durch das Auswechseln des Kopfs entstehenden Ausfallzeiten der Positioniermaschine zu verringern.
Aus den vorgenannten und weiteren Gründen war ein Setzkopfaufbau wünschenswert, der einfacher, zuverlässiger, preisgünstiger und für das zu positionierende Bauteil unbedenklich sein sollte. Außerdem sollte die durch das Auswechseln des Kopfaufbaus bedingte Ausfallzeit der Positioniermaschine verringert werden und eine separate Ausrichtung und Justierung des Kopfaufbaus möglich sein.
Die Erfindung, die die vorgenannten Probleme löst, wird in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Beschrieben wird ein Setzkopfaufbau zur Verwendung in einer Positioniermaschine für elektrische Bauteile. Der Aufbau besteht aus einer hohlen Hauptsäule und einer Wagenbaugruppe, die um die Säule herum angeordnet ist, und die mittels einer Antifriktionseinrichtung auf der Wagenbaugruppe in abrollendem Eingriff mit der äußeren Oberfläche der Säule axial entlang der Säule verfahrbar ist. Ein Vakuumhaltemittel in koaxialer Ausrichtung in der Hauptsäule kann teleskopartig nach unten ausgefahren werden, um ein Bauteil durch Ansaugen aufzunehmen und zu halten, so daß es nachfolgend in einer Ebene etwa senkrecht zur Längsachse der Säule ausgerichtet werden kann.
Die Wagenbaugruppe trägt Stellelemente, die die Wagenbaugruppe als Reaktion auf ein daran angelegtes Druckgefälle in axiale Bewegung relativ zu der Säule versetzen. Pinzettenvorrichtungen sind an Drehpunkten um je 90º versetzt hängend um die Säule angeordnet, wodurch Backen an den unteren Enden der Pinzettenvorrichtungen um den Umfang des Bauteils positioniert werden, wenn dieses an dem Vakuumhaltemittel hängt.
Durch Abwärtsbewegung der Wagenbaugruppe greifen die unteren Lageroberflächen der Wagenbaugruppe in entsprechende Oberflächen der oberen Enden der Pinzettenvorrichtung ein, wodurch sich diese oberen Enden radial nach außen bewegen. Durch eine Schwenkbewegung der Pinzettenvorrichtung werden die Backen entsprechend radial von vier Quadranten nach innen gestellt und in Eingriff mit dem Bauteil gebracht, wodurch dieses zum nachfolgenden Aufsetzen auf die Leiterplatte auf eine Ebene gebracht wird, die in etwa senkrecht zur Längsachse der Säule steht. Eine Feder, die die Säule umfaßt, befindet sich in Eingriff mit den Außenkanten der oberen Enden der Pinzettenvorrichtung und bringt die oberen Enden der Pinzettenvorrichtung wieder in ihre radiale innere Stellung.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Stellelement eine Kolben-Zylinder-Baugruppe. Das Druckgefälle in einer Richtung über den Kolbenkopf führt zu einer Abwärtsbewegung der Wagenbaugruppe. Das umgekehrte Druckgefälle stellt die Wagenbaugruppe nach oben, wodurch die Pinzettenvorrichtung vom Gewicht der Wagenbaugruppe entlastet wird. Dadurch wird die federbelastete Rückstellung der Backen in die radiale äußere Stellung vor dem Greifen des Bauteils ermöglicht. Durch die Antifriktionsvorrichtung der Wagenbaugruppe in abrollendem Eingriff mit der äußeren Säulenoberfläche kann die Wagenbaugruppe nach Wunsch an der Säule fixiert werden, so daß laterales Spiel, das zur Ungenauigkeit und Ungleichförmigkeit der Backenbewegung beiträgt, und das zum Teil auf die Hebelwirkung der Pinzettenvorrichtung zurückzuführen ist, auf ein Minimum reduziert werden kann, während gleichzeitig die Reibung verringert wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist diese Antifriktionsvorrichtung in Form von Rollen ausgelegt, die in Abständen um die Säule verteilt sind und sich in abrollendem Eingriff mit der äußeren Säulenoberfläche befinden. In der bevorzugten Ausführung weisen diese Rollen jeweils ein Kugellager auf. Die rasche und zuverlässige unabhängige Justierung und Kalibrierung des Setzkopfs wird auch durch den Eingriff dieser Rollen mit der Säule sowie durch das druckbetätigte Stellelement ermöglicht, das sich auf der Wagenbaugruppe selbst befindet. Dies wiederum verringert die Ausfallzeit der Positioniermaschine beim Auswechseln des Setzkopfaufbaus, da voreingestellte und vorjustierte Kopfbaugruppen im Rahmen der vorliegenden Erfindung installiert werden können, wodurch sich der Zeitaufwand für Ausrichtung und Justierung dieser Baugruppen in der Maschine verringert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die neuartigen Funktionsmerkmale, die als kennzeichnend für die Erfindung erachtet werden, sind in den beigefügten Ansprüchen definiert. Die Erfindung selbst jedoch, sowie weitere Funktionsmerkmale und Vorteile der Erfindung, werden am besten verständlich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Figuren.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils einer Bauteil-Positioniermaschine, verbunden mit einem Setzkopfaufbau nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 ist eine Explosionszeichnung eines Pinzettenkopfteils des Setzkopfaufbaus nach dem Stand der Technik von Fig. 1.
Fig. 3-9 zeigen Seitenansichten des Setzkopfaufbaus nach dem Stand der Technik von Fig. 1. Illustriert wird dabei der Funktionsablauf beim Aufsetzen eines Bauteils auf eine Leiterplatte.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung - teilweise als Explosionszeichnung - des Setzkopfaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 ist eine weitere schematische Darstellung des Setzkopfaufbaus gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12-15 zeigen den Setzkopfaufbau von Fig. 11 von unten. Illustriert wird dabei der Funktionsablauf bei der Ausrichtung eines Bauteils auf einer Ebene, die senkrecht zur Längsachse des Setzkopfaufbaus liegt.
Fig. 16 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Teils des Setzkopfaufbaus von Fig. 11, wobei sich zwei Pinzettenbacken in Eingriff mit einem Bauteil befinden.
Fig. 17 zeigt eine um 180 Grad gedrehte schematische Darstellung des Setzkopfaufbaus von Fig. 11, wobei das Vakuumhaltemittel axial nach unten ausgefahren ist und ein Bauteil hält. Die Pinzettenarmbacken sind radial nach außen weggestreckt.
Fig. 18 ist ein vereinfachter Querschnitt eines aktiven Wagens des Setzkopfaufbaus.
Zu Fig. 10: Sie zeigt einen Setzkopfaufbau 100 gemäß vorliegender Erfindung in Explosionsdarstellung. Eine hohle Hauptsäule 34 definiert eine zylindrische äußere Oberfläche 104; sie ist koaxial zu einer Längsachse 102 ausgerichtet. Wie bereits erwähnt, ist ein Vakuumhaltemittel vorgesehen, das einen Chip zur Ausrichtung durch den Setzkopfaufbau 100 auf einer Ebene senkrecht zu der Achse 102 vor dem Aufsetzen auf eine Leiterplatte hält. Entsprechend verfügt das Vakuumhaltemittel über eine innere Säule 106, die koaxial zur Hauptsäule 34 verläuft, eine Leitspindel mit Gewinde 108 und einen Werkzeughalter 114. Die Leitspindel 108 verläuft von oberhalb des Rests des Aufbaus 100 nach unten und ist mit der Positioniermaschine verbunden. Weiter befinden sich die Gewindegänge der Leitspindel 108 in Eingriff mit einer Verstellmutter 110, die sich wiederum in Eingriff mit dem oberen Ende der inneren Säule 106 befindet und dort von Gewindestift 112 gehalten wird. Das untere Ende der Säule 106 nimmt den Werkzeughalter 114 auf (der von Führungsstift 116 verschiebbar in der Säule 106 gehalten wird), der durch eine Öffnung in Säule 106 in eine Gewindebohrung in Halter 114 eingreift. Der koaxial gleitende Eingriff zwischen Säule 106 und Werkzeughalter 114 durch Zusammenwirken von Öffnung und Stift 116 ermöglicht die vertikale Verstellung des Werkzeughalters 114, wie für die ordnungsgemäße Plazierung des Bauteils erforderlich.
Am unteren Ende des Werkzeughalters 114 sitzt ein Düsenteil 122 mit einer Öffnung 123, über die eine interne Fluidverbindung zwischen dem Düstenteil 122 und dem Werkzeughalter 114 mit einem Vakuumschlauchnippel besteht, an den ein Vakuumschlauch 120 angeschlossen ist, und eine schiebergeregelte Vakuumdruckflüssigkeitsversorgung. Das Vakuumhaltemittel als Ganzes funktioniert wie in Fig. 3-9 und Fig. 17 dargestellt. Wird das Haltemittel durch gleitenden Eingriff innerhalb der Säule 34 abgesenkt, gelangt die Öffnung 123 in Kontakt mit der oberen Oberfläche des zu positionierenden Bauteils, worauf der im Schlauch 120 angezogene und an die Öffnung 123 übertragene Unterdruck dafür sorgt, daß der Chip an dem Haltemittel haftet. Der Chip kann somit angehoben und - wie in Fig. 3, 4 und 17 dargestellt - zur nachfolgenden Ausrichtung und Positionierung auf der Leiterplatte 80 - wie zuvor beschrieben - gehalten werden.
Zur Ausrichtung des auf diese Weise gehaltenen Chips 76 auf einer zur Längsachse 102 in etwa senkrechten Ebene ist eine Ausrichteinrichtung vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel ist diese Ausrichteinrichtung als Wagenbaugruppe ausgeführt, die um die Säule 34 angeordnet ist. Die Wagenbaugruppe umfaßt in der bevorzugten Ausführung zwei Wagenpaare 124, 126. Der Kürze halber wird hier nur eines dieser Paare ausführlich beschrieben. Die Bezugsnummern in Klammern unmittelbar hinter den Nummern, auf die sich die Beschreibung bezieht, beziehen sich auf die jeweilige Konstruktion und Funktionsmerkmale des anderen Wagenpaars 126. Das Wagenpaar 124 wiederum besteht aus einem passiven Wagen 128 (130) und einem aktiven Wagen 134 (132). Innerhalb des aktiven Wagens ist eine Zylinderwand 136 ausgeformt, die eine Kolbenkammer 138 definiert (beim aktiven Wagen 132 nicht dargestellt). Ein Merkmal der Erfindung ist die Verringerung der Zahl verschiedener Teile, die für die Wagenbaugruppe benötigt werden, entsprechend sind die passiven Wagen und deren Bauteile im wesentlichen identisch ausgelegt, ebenso die aktiven Wagen. Daher sind in Fig. 10 nur Funktionsmerkmale für eines der Wagenpaare im Detail dargestellt.
Fig. 10 zeigt weiter ein als Halterung ausgeformtes Abstützglied 140 (142), das den passiven und den aktiven Wagen 128-134 (130- 132) von Paar 124 (126) über vier rechtwinklig angeordnete Schrauben o.ä. verbindet. Das Wagenpaar 124 (126) ist mit oberen Rollen 144 (148) und unteren Rollen 146 (150) versehen. Sind die Wagenpaare durch Verbindung über die Abstützglieder montiert, wie in Fig. 11 dargestellt, bewegt sich die gesamte Wagenbaugruppe mit Hilfe der Rollen 144-146 (148-150), die sich in abrollendem Eingriff mit der äußeren Oberfläche 104 der Hauptsäule 34 befinden, ohne Kraftaufwand koaxial über die Hauptsäule 34. Dabei ist zu beachten, daß die Wagen 124 und 126 vertikal unabhängig voneinander verfahren werden können.
Bei den Rollen 144, 146, 148 bzw. 150 handelt es sich eigentlich bevorzugt um Rollenpaare, die jeweils mit einem koaxial ausgerichteten Kugellager ausgerüstet sind. Die Kugellager sind auf einer Welle montiert. Auf diese Weise tritt bei der Abrollbewegung des Wagens entlang der Säule in Verbindung mit den reibungsmindernden Kugellagern, auf denen die einzelnen Rollen laufen, nur geringe Reibung auf.
Bei den unteren Rollenpaaren 146 und 150 ist zwischen den Rollen des jeweiligen Paars noch ein weiteres Kugellager 147 bzw. 151 angeordnet, das auf der gleichen Welle sitzt wie die Rollen des Paars.
Es ist ein Funktionsmerkmal der vorliegenden Erfindung, daß zwischen Wagenbaugruppe und Säule ein abrollender Eingriff besteht und daß dafür ein Antifriktionsmittel bereitgestellt wird. In der hier beschriebenen Ausführung besteht das Antifriktionsmittel aus Rollen, deren Oberflächen in abrollendem Eingriff mit der Säule stehen und die auf reibungsmindernden Kugellagern laufen. Auf diese Weise tragen sowohl die Rollen als auch die Kugellager zur Reibungsminderung bei. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt, sondern läßt weitere Varianten bezüglich Anzahl der Rollen und deren Anordnung auf der Säule, Rollen ohne Kugellager, Kugellager mit äußeren Oberflächen in direktem Eingriff mit der Säule (statt Anordnung innerhalb der Rolle) und ähnliches zu.
Jedem aktiven Wagen ist eine Kolbenkopf-Haltestange 152 (154) zugeordnet, auf der die Kolbenköpfe 156 und 158 (für Wagen 132 nicht abgebildet) angeordnet sind. Die Kolbenköpfe erstrecken sich in die Kolbenkammer 138 und stehen in dichtender und gleitender Berührung mit den Zylinderwänden 136, die die Kammer bilden. Für jeden aktiven Wagen ist ein Paar Öffnungen 160, 162 (für den aktiven Wagen 132 nicht abgebildet) vorgesehen, eine an jeder Seite jedes Kolbenkopfs (siehe Fig. 18). Diese Öffnungen schaffen die Fluidverbindung zwischen der Kammer 138 und einer Quelle für ein selektiv veränderbares Fluiddruckgefälle außerhalb der Wagenbaugruppe, das über geeignete Mittel, z.B. Druckschläuche o.ä., an die Öffnungen angelegt wird.
Von einem kreuzförmigen Säulenhalter 164, der auf der Hauptsäule 34 sitzt, erstrecken sich nach unten zusätzlich zu den Kolbenkopf-Haltestangen 152 (154) Führungsstangen 166 (168) für die passiven Wagen. Ein Paar Kugellager 170 (172), die an dem passiven Wagen 128 (130) angebracht sind, befindet sich in Eingriff mit der jeweiligen Führungsstange 166 (168) und sorgt so für die vertikale Ausrichtung der Wagenbaugruppe bezüglich Achse 102 und verhindert auf diese Weise Verschleiß der Kolbenköpfe.
Fig. 11 und 17 zeigen den Setzkopfaufbau 100 in einer ersten Ansicht und in einer um 180 Grad um die Achse 102 gedrehten Ansicht. Nun im Detail zu diesen Abbildungen: Vier Pinzettenarme 174, 176, 178 und 180 sind um jeweils 90 Grad versetzt um die Hauptsäule 34 angeordnet und werden von den entsprechenden Stiften 182, 184, 186 und 188 gehalten, die durch die Pinzettenarme hindurchgeführt und von der Säule 34 gehalten werden. Dadurch verursacht bei radialer Auswärtsbewegung der oberen Enden 190, 192, 194 und 196 der Pinzettenarme 174-180 durch Eingriff in die äußeren Oberflächen der Kugellager 147 und 151 die Schwenkbewegung um die Stifte 182-188, daß sich die unteren Enden der Pinzettenarme 174-180 (mit den zugehörigen Pinzettenköpfen 198, 200, 202 und 204) radial nach innen in Richtung von Achse 102 bewegen. Entsprechend verursacht die radiale Bewegung der oberen Enden 190-196 der Pinzettenarme nach innen eine radiale Bewegung der unteren Enden und Köpfe 198-204 der Pinzettenarme nach außen. Eine Rückholfeder 212 umfängt die oberen Enden 190-196 der Pinzettenarme 174-180 und setzt die oberen Enden unter eine radial nach innen gerichtete Vorspannung, wie in Fig. 11 gezeigt, so daß die Pinzettenköpfe 198-204 in Ruhestellung radial nach außen gestellt oder geöffnet sind.
Wie aus Fig. 10 ersichtlich, sind die Kopfaufbauhalter 206 und 208 Teil der Positioniermaschine und halten den Kopfaufbau 100, wenn dieser an der Maschine montiert ist. Ein unteres Lager 210 des Kopfaufbaus 100 ermöglicht zusammen mit dem Halter 206 die Drehung des Kopfaufbaus 100 um dessen Achse zur geeigneten Drehorientierung des Bauteils 76 nach Wunsch.
Eine repräsentative Funktionsdarstellung der Ausrichteinrichtungen zur Justierung der Lage des Chips 76 auf einer Ebene senkrecht zu Achse 102 zur präzisen Positionierung auf der Leiterplatte ist aus der Abfolge der Fig. 12-15 ersichtlich, die den Kopfaufbau 100 in verschiedenen Funktionsstadien von unten zeigen. In Fig. 12 befindet sich die Wagenbaugruppe durch geeignete Beaufschlagung der Öffnungen 160, 162 der aktiven Wagen 134 (132) - wie bei Fig. 18 beschrieben - und/oder durch die Vorspannung der Rückholfeder 212 in ihrer vertikalen oberen Stellung. In Fig. 13 wurde das Vakuumhaltemittel durch die Leitspindel 108 und Anziehen eines Unterdruck durch Schlauch 120 nach unten verfahren, und Öffnung 123 hält somit den Chip 76. Außerdem wurden die Pinzettenköpfe 200 und 204 durch geeignete Beaufschlagung der Öffnungen des aktiven Wagens radial nach innen verfahren, wodurch die Kontaktpunkte 72 der Pinzettenköpfe 200 bzw. 204 in Eingriff mit den Seiten des Chips 76 gebracht wurden. Zu beachten ist, daß in Fig. 13 aus Gründen der besseren Darstellung der Chip unverhältnismäßig weit nach rechts gegenüber der Längsachse 102 verschoben dargestellt wurde.
In Fig. 14 wurden durch Nachlassen oder Umkehrung des Druckgefälles an den Öffnungen des aktiven, dem Pinzettenkopfpaar 200-204 zugehörigen Wagens in Verbindung mit der Wirkung der Rückholfeder 212 die Pinzettenköpfe 200 und 204 radial nach außen, weg von Chip 76 bewegt. Durch geeignete Beaufschlagung der den Pinzettenköpfen 198 und 202 zugehörigen Öffnungen jedoch wurden deren respektive Kontaktpunkte 72 radial nach innen gestellt und in Eingriff mit einem zweiten Paar gegenüberliegender Seiten des Chips 76 gebracht. Der Vergleich von Fig. 13 und 14 zeigt, daß der Chip 76 durch diesen Eingriff auf der Ebene senkrecht zur Achse 102 nach links verschoben wurde, so daß er nun mittig auf die Achse ausgerichtet ist, wie für die nachfolgende Positionierung des Chips auf der Leiterplatte gefordert.
In Fig. 15 führt - ähnlich wie in Fig. 13 - das Nachlassen oder die Umkehrung des Druckgefälles an den den Pinzettenköpfen 198 und 202 zugehörigen Öffnungen in Verbindung mit der Betätigung der Rückholfeder 212 dazu, daß die Pinzettenköpfe radial nach außen, weg von dem Chip verfahren werden, der jetzt durch Drehbewegung in einer Ebene senkrecht zur Achse wie gefordert positioniert und damit für das nachfolgende Aufsetzen auf die Leiterplatte vorbereitet wurde. Wie aus der vorhergehenden Erläuterung zu den Fig. 3-9 erinnerlich, folgen anschließend bezüglich des Vakuumhaltemittels die Schritte in umgekehrter Reihenfolge. Vorher wurde das Bauteil als Vorbereitung auf die Ausrichtung durch die Ausrichteinrichtung von einem Zuführband vertikal nach oben abgehoben. Jetzt wird das Vakuumaufnahmemittel nach unten verfahren und setzt den Chip auf die Position 78 auf, an der er positioniert werden soll. Bei Rücknahme des Unterdrucks an Schlauch 120 wird der Chip 76 nicht mehr von Düsenstück 122 gehalten, das Vakuumhaltemittel wird daraufhin axial nach oben verfahren, so daß das nächste Bauteil positioniert werden kann.
Da jedes Paar aus aktivem und passivem Wagen unabhängig von dem anderen Paar bewegt werden kann (jeweils in Abhängigkeit vom Druckgefälle an den Öffnungen 160-162 der Öffnungspaare) kann frei gewählt werden, ob alle vier Backen 198-204 gleichzeitig radial nach innen verfahren werden, oder ob die Backenpaare 200- 204 und 198-202 nacheinander in Eingriff mit Chip 76 gebracht werden. Bei Bauteilen ohne Anschlußdrähte wird generell mit gleichzeitigem Verfahren und Eingriff gearbeitet. Bei Bauteilen mit Anschlußdrähten wird, um ein Verbiegen der Drähte zu vermeiden, generell zunächst ein Backenpaar in Eingriff gebracht und wieder zurückgestellt, anschließend folgt die radiale Bewegung des anderen Backenpaars nach innen und der Ausrichtkontakt und die Freigabe der Drähte auf den gegenüberliegenden Bauteilseiten.
Fig. 18 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch einen der aktiven Wagen. Dabei wird ersichtlich, wie ein Druckgefälle, das über den Kolbenkopf 156 in der von der Zylinderwand 136 beschriebenen Kammer 138 durch die Öffnungen 160 und 162 verursacht wird, die gewünschte Bewegung in Richtung von Pfeil 224 auslöst und die Pinzettenköpfe nach innen stellt oder - alternativ - in Richtung von Pfeil 222, um rascher die Bewegung der Pinzettenköpfe radial nach außen zu veranlaßen, nachdem das Bauteil auf dem Vakuumhaltemittel ausgerichtet wurde. Bei Beaufschlagung von Öffnung 160 mit einem positiven Druck bezogen auf Öffnung 162 über den Kolbenkopf 156 wird der aktive Wagen 134 entsprechend relativ zur Haltestange 152, die fest an der Hauptsäule 34 fixiert ist, in Richtung von Pfeil 224 verfahren. Umgekehrt drückt bei Beaufschlagung von Öffnung 162 mit einem positiven Druck bezogen auf Öffnung 160 ein positiver Druck innerhalb des Teils der Kammer 138 zwischen den Kolbenköpfen 156 und 158 relativ zum übrigen Teil der Kammer 138 unterhalb des Kolbenkopfs 156 den Wagen 134 aufwärts in Richtung von Pfeil 222, was die Funktion der Rückholfeder 212 erleichtert, die die oberen Teile der Pinzettenarme radial nach innen stellt, wodurch die Pinzettenbacken radial nach außen, weg von Chip 76 bewegt werden.
Bezüglich der speziellen Konstruktion der Pinzettenköpfe 198-204 der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 11 dargestellt, ist zu beachten, daß jeder dieser Köpfe mehrere Schlitze aufweist, bei denen Material vom Backeneinstellblock abgetragen wurde. Die Schlitze verlaufen transversal oder senkrecht zur Einwärts- oder Auswärts-Bewegungsrichtung der Pinzettenköpfe. Diese Konstruktion und Materialabtragung hat zwei Gründe.
Erstens sei hier daran erinnert, daß einer der gravierendsten Mängel der bisherigen Kopfaufbauten die hohe Masse der Metallringe oder Laufbuchsen 32 oder 38 (Fig. 1) war. Wurden diese Massen über die Betätigunghebel 118 in Bewegung versetzt, wurde deren Trägheit über die Pinzetten und die Pinzettenköpfe auf das Bauteil übertragen. Dies führte, wenn der Aufbau nicht ordnungsgemäß justiert war, zum Abbrechen der Anschlußdrähte oder Zerstörung des Bauteils, das letztendlich die Trägheitsenergie bei Berührung des Bauteils durch die Pinzettenbacken absorbiert. Durch den Wagenaufbau mit verringerter Masse gemäß vorliegender Erfindung wurde nicht nur dieser Nachteil vermindert, sondern auch die Trägheitsmasse, die auf das Bauteil einwirkt, wurde durch die Schlitze 226-230 weiter reduziert. Außerdem verleihen die Schlitze den Pinzettenköpfen bei Berührung des Bauteils eine gewissen Nachgiebigkeit oder Elastizität in radialer Auswärtsrichtung, wodurch sich das Problem einer Beschädigung des Bauteils bei der Ausrichtung durch die Pinzettenköpfe weiter verringert.
Zu den Funktionsmerkmalen der vorliegenden Erfindung gehört weiter eine verringerte und einheitlichere Reibung im Stellelement durch einen Wagenaufbau mit abrollendem Eingriff mit genauer vorhersagbarem Verfahrweg auf der Säule sowohl in unabhängigem Zustand als auch bei Installation an einer Positioniermaschine, verringertes laterales Spiel des Stellelements, ebenfalls bedingt durch den abrollenden Eingriff, und die Auslegung des Stellelements als fester Bestandteil des Kopfaufbaus selbst (mit Ausnahme der Quelle für das Druckgefälle), wodurch die Mängel bisheriger Konstruktionen bezüglich mechanischer Verbindungen, Übergänge und Justierungen mit Teilen der Positioniermaschine selbst, die bei bisherigen Konstruktionen die Kräfte zur Bewegung der Stellelemente lieferten, entfielen.
Daher wird, teilweise aufgrund der vorgenannten Funktionsmerkmale, im Rahmen der vorliegenden Erfindung erwogen und als weiteres Funktionsmerkmal herausgestellt, einen oder mehrere der in der Erfindung beschriebenen Kopfaufbauten unabhängig, d.h. getrennt von der Positioniermaschine, für die er vorgesehen ist, vorab einzustellen und zu justieren. Auf diese Weise kann die Ausfallzeit der Maschine erheblich reduziert werden, da das Einstellen und Justieren von Austausch- Kopfaufbauten in der Maschine selbst entfällt, wenn diese als Ersatz für einen zuvor installierten Aufbau eingebaut werden.
So kann bei einem Ausführungsbeispiel die radiale Einwärts- bzw. Auswärtsbewegung der Pinzettenarme und -backen und die vertikale Bewegung der Wagen nach relativen Größenordnungen, Zeitvorgaben, räumlichen Positionen u.ä. vorab eingestellt und justiert werden, wie zur Ausrichtung des Chips 76 in einer vorgegebenen Weise für einen bestimmten Fertigungsarbeitsgang erforderlich, indem die entsprechenden mechanischen Bauteile nach Bedarf eingestellt werden.

Claims

1. Setzkopfaufbau zum Anordnen eines elektrischen Bauteiles auf einer Leiterplatte, enthaltend

eine Hauptsäule (104), die eine sich um eine Längsachse er streckende äußere Oberfläche (34) festlegt;

Vakuumhaltemittel (118, 120, 122, 123) zum lösbaren Halten des Bauteils; und

eine Ausrichteinrichtung (124, 126) zum Ausrichten des Bauteils bezüglich der Achse, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichteinrichtung aufweist

zwei Paare von Wagen (124, 126), wobei diese Wagen um die Säule um je 90º versetzt angeordnet sind und jedes Paar besteht aus

einem passiven Wagen (128, 130);

einem aktiven Wagen (134, 132), der dem passiven Wagen diametral gegenüberliegt und der eine Wand (136) besitzt, in der eine Kolbenkammer (138) ausgebildet ist, und

einem Abstützglied (140, 142), welches sich quer zu der Achse und zu beiden Seiten der Säule (104) erstreckend den passiven und den aktiven Wagen miteinander verbindet, wobei jeder Wagen obere (144, 148) und untere (146, 150), mit der Säulenoberfläche (34) in Kontakt stehende Rollen besitzt;

ein Paar von Kolbenkopf-Haltestangen (152, 154), die mit der Hauptsäule verbunden sind und sich nach unten in zugehörige der Kolbenkammern (138) erstrecken;

wobei jede Haltestange einen an ihrem Ende angeordneten Kolbenkopf (156, 158) besitzt, der in dichtender, gleitender Berührung mit der zugeordneten Kolbenkammer steht; und

jede Kolbenkammer an jeder Seite des Kolbenkopfes eine sich durch die Wand erstreckende Öffnung (160, 162) besitzt;

zwei Paare von Pinzettenarmen (174-180), wobei die Pinzettenarme um die Hauptsäule um je 90º versetzt angeordnet sind und jeder dieser Pinzettenarme an der Säule schwenkbar abgestützt ist und besitzt

ein oberes Ende (190, 192, 194, 196), das sich in abrollendem Eingriff mit einem zugehörigen der Wagen befindet; und

ein unteres Ende (198, 200, 202, 204) zum Angreifen an dem Bauteil.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche weiters ein Paar von Führungsstäben (166, 168) besitzt, die mit der Hauptsäule verbunden sind und sich parallel zu der genannten Achse nach unten erstrecken; sowie ein Paar von Rollen (170, 172), die von jedem der passiven Wagen getragen sind und in abrollendem Eingriff mit einem zugehörigen der Führungsstäbe stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Kolbenköpfe (156, 158) innerhalb der Kolbenkammern (138) angeordnet sind und hiedurch erste und zweite Kammern festgelegt sind; und bei welcher die Kolbenkammern (138) erste und zweite Öffnungen besitzen, um eine Fluidverbindung von außerhalb der Kolbenkammern zu den ersten bzw. zweiten Kammern zu schaffen.