KR20020021174A - 온헤드 라인스캔 센싱법을 이용한 픽 앤 플레이스 머신교정 방법 - Google Patents

온헤드 라인스캔 센싱법을 이용한 픽 앤 플레이스 머신교정 방법 Download PDF

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Abstract

온헤드 라인스캔 센서(64)가 있는 픽 앤 플레이스 머신(31)을 교정하는 방법이 개시된다. 이 교정 방법은, 푸리에 변환법 및 정규화된 상호 연관법을 포함한 초점 계량법을 통해 하나 이상의 노즐 팁의 z-축 높이 정보를 얻는 것을 포함한다. 또한, 부품 배치 공정 중에 선형 디텍터 틸트, 수평 스케일 계수 및 수직 스케일 계수와 같은 다른 물리적 특성을 측정 및 보상한다. 또 하나의 물리적 특성인 노즐 런아웃도 사인 커브 피팅밥으로 측정하며, 그 결과 얻는 Z-높이 교정 데이터는 추후 부품을 배치하는 데에 이용한다.

Description

온헤드 라인스캔 센싱법을 이용한 픽 앤 플레이스 머신 교정 방법 {CALIBRATION METHODS FOR PLACEMENT MACHINES INCORPORATING ON-HEAD LINESCAN SENSING}
픽 앤 플레이스 머신은 전자 부품 조립 업계에서 개별적인 부품을 인쇄 회로 보드에 실장하는 데에 사용된다. 이들 픽 앤 플레이스 머신은 개별적인 전기 부품을 인쇄 회로 보드에 배치하는 지루한 공정을 자동화한다. 작동시, 일반적으로 픽 앤 플레이스 머신은 개별적인 부품을 부품 공급기 등으로부터 픽업해서 회로 보드 상의 각 위치에 배치한다.
배치 작동 중에, 픽 앤 플레이스 머신은 주어진 부품이 적절하게 배치되도록 부품의 배향을 조정하기 위하여 부품의 배치 전에 부품을 보거나 이미징(imaging)해야 하는 것이 일반적이다. 그러한 이미징을 통해 부품의 배향을 정밀하게 조정할 수 있게 되어, 부품은 원하는 위치에 정확하게 배치된다.
픽 앤 플레이스 머신의 한 가지 표준 형태는 미네소타주 골든 밸리에 소재하는 CyberOptics(R)사가 시판 중인 LaserAlign(R)센서와 같은 섀도우잉센서(shdowing sensor)를 이용한다. 섀도우잉 센서에서, 시험 대상은 회전하며, 섀도우(또는 섀도우의 이미지)의 유효 폭이 디텍터에 모니터링된다. 시험 대상의 크기는 섀도우(또는 섀도우 이미지)의 폭을 모니터링함으로써 계산될 수 있다. 시동시, 픽 앤 플레이스 머신은 센서로부터의 임의의 위치 출력이 픽 앤 플레이스 머신의 좌표계와 수학적으로 연관되도록 교정된다. 일단 픽 앤 플레이스 머신과 센서 출력의 상호 관계가 X와 Y로 알려지면, 픽 앤 플레이스 머신은 시험 대상을, 예를 들면 인쇄 회로 보드 상의 원하는 위치(X, Y)에 정확하게 배치할 수 있다. 노즐의 Z 높이를 교정하는 방법도 개시되어 있어서, 픽 앤 플레이스 머신은 시험 대상을 정확한 Z 높이에서 원하는 위치에 반복적으로 배치할 수 있다. 그러나, 픽 앤 플레이스 머신을 (X, Y) 및 Z에서 교정하는 개시된 방법은 픽 앤 플레이스 머신의 센서 형태에 국한된 것이다.
다른 형태의 픽 앤 플레이스 머신은 픽 앤 플레이스 헤드가 이동 중일 때 부품을 이미징하기 위해 온헤드 라인스캔 센서(on-head linescan sensor)를 이용한다. 본 명세서에서 온헤드 센서란, 부품이 회로 보드로 이동할 때 부품의 배향을 감지하도록 적어도 하나의 차원으로 픽 앤 플레이스 헤드와 함께 이동하는 센서를 의미한다. 이는 부품의 배향을 감지하기 위해 부품이 고정 스테이션으로 운반된 후, 다시 회로 보드로 운반되는 오프헤드 시스템(off-head system)과 대비된다. 본 명세서에서 라인스캔 센서란 일직선으로 배열된 복수 개의 감광 소자로 이루어진 광학 센서를 의미하며, 이 센서는 주어진 기간 동안 단일 직선의 이미지를 획득한다. 라인스캔 센서를 전체 부품에 대해 병진시키고, 획득된 복수 개의 라인을저장함으로써 부품 이미지가 실현되며, 그 후 이 스캐닝된 이미지로 X, Y 및 Θ배향이 계산된다.
온헤드 라인스캔 센싱법을 이용한 픽 앤 플레이스 머신은 배치할 수 있는 부품 형태에 있어서 매우 융통성이 있다. 온헤드 라인스캔 센서는 칩 캐패시터, 퀴드 플랫 팩(QFP: Quad Flat Pack), TSOP, 볼 그리드 어레이(BGA), CSP 및 플립칩과 같은 부품을 직접 이미징할 수 있다. 라인스캔 카메라의 비디오 출력은 비디오 처리기가 부품의 배향을 계산하게 한다. 부품의 원하는 배향과 현재의 배향의 지식에 기초하여, 픽 앤 플레이스 머신은 부품의 배향을 교정해서 인쇄 회로 보드에 배치한다. 라인스캔 이미지는 배치할 부품에 대한 검사 정보도 제공할 수 있다. 또한, 온헤드 라인스캔 센싱법을 이용한 픽 앤 플레이스 머신은 오프헤드 센싱법에 비해 매우 빠른데, 왜냐하면 픽업 옵셋 에러를 측정하기 위해 고정형 검사 스테이션을 방문하는 단계가 제거되기 때문이다. 그러나, 온헤드 라인스캔 센싱법을 이용한 픽 앤 플레이스 머신의 정확성을 증가시키기 위해서, 라인스캔 센서와, 이 라인스캔 센서의 픽 앤 플레이스 머신의 다른 부분에 대한 물리적 관계에 대한 주의깊은 교정이 이루어져야 한다.
본 발명은 픽 앤 플레이스 머신(pick and place machine)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 픽 앤 플레이스 머신의 평면도.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 픽 앤 플레이스 헤드의 사시도.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시 형태에 따른 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 방법의 블록도.
도 4는 콘트라스트 대 Z 위치의 챠트.
도 5는 회전한 라인스캔 센서의 개략도.
도 6은 전단 변형한 라인스캔 이미지의 개략도.
도 7은 교정 타켓의 개략도.
도 8은 라인스캔 센서 스테이지의 X-Y 좌표계에서의 라인스캔 센서 및 교정 타겟의 개략도.
도 9는 라인스캔 센서 스테이지 좌표계가 픽 앤 플레이스 머신의 좌표계로 회전한 때의 개략도.
도 10a는 라인스캔 센서의 좌표계에서 측정한 A 및 B 부품의 개략도.
도 10b는 픽 앤 플레이스 머신의 좌표계에서 측정한 A 및 B 부품의 개략도.
도 11은 노즐 런아웃을 도시한 개략도.
도 12는 도 8에 도시된 노즐 런아웃과 관련한 각도 배향이 다양한 노즐 팁위치를 도시한 평면도.
도 13은 X'축 및 Y'축에 따른 노즐 팁 위치 대 노즐 각도( θ)의 관계를 보여주는 한 쌍의 챠트.
온헤드 라인스캔 센서가 있는 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 방법이 개시된다. 교정에는, 푸리에 변환법 및 정규화 교정법을 비롯한 초점 계량법(focus metric method)을 통해 하나 이상의 노즐 팁의 z축 높이 정보를 얻는 것이 포함된다. 또한, 선형 디텍터 틸트(linear detector tilt), 수평 스케일 계수 및 수직스케일 계수와 같은 다른 물리적 특성도 부품 배치 공정 중에 측정 및 보상된다. 또 다른 물리적 특성인 노즐 런아웃(runout)도 사인 곡선 피팅법에 의해 측정되며, 그 결과 얻는 Z 높이 교정 데이터는 후에 부품을 배치하는 데에 사용된다.
도 1은 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 픽 앤 플레이스 머신(31)의 평면도이다. 픽 앤 플레이스 머신(31)은 칩 저항기, 칩 캐패시터, 플립칩, 볼 그리드 어레이(BGA), 쿼드 플랫 팩(QFP), 그리고 인쇄 회로 보드와 같은 작업물(32) 상의 커넥터와 같은 각종의 전기 부품을 실장하기에 알맞게 구성된다.
다양한 방법이 개시되어 있으므로, 3 가지의 해당 좌표계가 있다는 것은 명백할 것이다. 부품을 원하는 위치에 정확하게 반복적으로 배치하기 위해서는 3 가지의 좌표계 모두 사이의 상호 관계를 알아야 한다. 스캐닝된 이미지의 좌표는 좌표 다음에 단일 프라임 부호로 나타낸다(즉, X', Y', Z'). 라인스캔 센서 스테이지의 좌표는 프라임 부호 없이 나타낸다(즉, X, Y, Z). 픽 앤 플레이스 좌표계는 이중 프라임 부호로 나타내고(즉, X", Y", Z"), 타겟의 좌표계는 3중 프라임 부호로 나타낸다(즉, X'", Y'", Z'").
각 부품은 컨베이어(33)의 양측에 배치된 공급기(34)로부터 픽업된다. 공급기(34)는 공지된 테이프 공급기이거나, 임의의 다른 적절한 장치일 수 있다.
픽 앤 플레이스 헤드(37)는 부품을 공급기(34)로부터 분리 가능하게 픽업해서, 그 부품을 작업물(32) 상의 각 실장 위치로 운반하기에 알맞도록 구성되어 있다. 픽 앤 플레이스 헤드(37)는 도 2와 관련하여 더 상세히 설명할 것이다. 픽앤 플레이스 헤드(37)는 카트리지(41) 상에 이동 가능하게 배치되며, 볼스크류나 기타 적절한 수단을 통해 구동 모터(42)에 연결된다. 따라서, 구동 모터(42)가 작동되면, 화살표(20)로 나타낸 바와 같이 픽 앤 플레이스 헤드(37)는 카트리지(41)를 따라 Y" 방향으로 이동한다. 구동 모터(42)는 제어기(39)에 Y"축 위치 신호를 제공하는 인코더(43)에 연결된다.
도 2를 참조하면, 라인스캔 센서(64)는 부품을 그 아래쪽으로부터 바라보기 때문에, 센서(64)로부터 스캐닝된 이미지는 부품 하부에 대한 세부 정보를 포함할 수 있다. 전형적으로, 부품의 하부는 미세 피치 볼, 컬럼 또는 기타 연결 수단이 있을 수 있는, 부품 중 가장 상세한 부분이다. 또한, 라인스캔 센서(64)는 시계(視界)와 해상도가 가변적이어서, 더 상세한 정보가 필요하면 시계와 해상도를 적절하게 조정할 수 있는 잇점이 있다.
카트리지(41)는 한 쌍의 안내 레일(46) 상에 실장되어, 화살표(22)로 나타낸 바와 같이 X"축 방향으로 이동할 수 있다. 카트리지(41)는 구동 모터(49)에 연결되어 구동 모터(49)가 작동되면 카트리지(41)와 픽 앤 플레이스 헤드(37)는 X"축 방향으로 이동하게 된다. 인코더(51)는 구동 모터(49)에 연결되어 제어기(39)에 X"축 위치 신호를 제공한다.
픽 앤 플레이스 머신(31)은 또한 제어기(39)를 포함하며, 이 제어기(39)는 인코더(42, 51)로부터 인코더 위치 신호를 수신하고, 센서(64)(도 2에 도시하였음)로부터 라인스캔 이미지를 수신하며, 카메라(92)(도 2에 도시하였음)로부터 기준 이미지 데이터를 수신한다. 더 상세히 후술하겠지만, 제어기(39)는 픽 앤 플레이스 머신(31)을 교정하기 위한 물리적 특성을 계산한다.
다른 종류의 라인스캔 센서를 개조하여 본 발명의 교정 방법에 이용할 수 있다. 예를 들면, 어떤 고용량 픽 앤 플레이스 머신에는 회전 헤드의 중심점 둘레에서 회전하는 복수 개의 노즐에서 픽업하는 부품을 연속적으로 배치하는 회전 헤드가 마련된 터릿 시스템(turret system)이 구비되어 있다. 전통적인 X, Y 병진 갠트리 픽 앤 플레이스 머신 가운데 일부는, 한 차원으로의 이동 정도가 작고, 다른 직교 방향으로 갠트리가 고정되도록 최근에 개조되었다. 또한, 어떤 라인스캔 센서라도 관심 대상을 스캐닝하기 위해서는 센서가 이동하고 관심 대상이 고정되어 있거나, 관심 대상이 이동하고 센서가 고정되어 있거나, 센서와 관심 대상이 모두 동시에 이동해야 한다는 것을 이해할 수 있다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시 형태에 따른 픽 앤 플레이스 헤드(37)의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 픽 앤 플레이스 헤드(37)는 2개의 진공 픽업 노즐(62), 기준 센싱 카메라(92), 온헤드 라인스캔 센서(64) 및 라인스캔 센서 스테이지(88)를 포함한다. 진공 픽업 노즐(62)은 진공 픽업 노즐(62)에 의해 고정된 부품(86A, 86B)이 상하로 병진 이동하고 각각의 노즐 축선 둘레로 회전할 수 있도록 픽업 유닛(84)에 연결되어 있다. 비록 도 2에는 2개의 진공 픽업 노즐(62)을 도시하였지만, 1개의 노즐을 비롯하여 임의의 적절한 개수의 노즐을 사용해서 본 발명의 실시 형태를 실시할 수 있다.
라인스캔 센서(64)는 선형 스테이지(88) 상에 이동 가능하게 지지되어, 라인스캔 센서(64)는 화살표(21)로 나타낸 것과 같이 Y 방향으로 이동할 수 있다. 선형 모터(도시하지 않았음)에 의해 구동이 이루어지지만, 선형 스테이지(88)를 이동시키기 위한 임의의 기계적 장치를 이용할 수 있다. 기준 카메라(92)는 픽 앤 플레이스 헤드(37) 상에 배치되어 작업물 상의 등록 마크 또는 기준을 측정한다. 기준의 위치는 배치 위치에 대한 보정을 계산하고 교정을 용이하게 하기 위해 이용되며, 이에 대해서는 더 상세하게 후술한다.
픽 앤 플레이스 머신(31)을 교정하기 위해, 픽 앤 플레이스 머신의 여러 물리적 특성을 측정해야 하는 것이 일반적이다. 이러한 물리적 특성과 센서 좌표계, 라인스캔 스테이지 좌표계와 픽 앤 플레이스 머신 좌표계 사이의 수학적 관계의 지식을 이용하여, 시스템 내의 처리기는 부품을 원하는 위치에 최종적으로 정확하게 배치하기 위한 헤드 이동 명령을 계산할 수 있다(이 과정을 부품의 위치를 "보상"하는 것이라 부름). 이러한 특징에는 픽 앤 플레이스 머신의 Z 위치 인코더의 소정 기준 위치에 대한 픽 앤 플레이스 헤드 상의 각 노즐 팁의 Z축 높이, 픽 앤 플레이스 헤드 상의 각 노즐의 위치, 라인스캔 센서의 유효 축선, 라인스캔 센서의 수평 스케일 계수, 라인스캔 센서의 수직 스케일 계수, 그리고 각 노즐의 런아웃이 포함된다.
본 발명의 모든 실시 형태는 교정을 위해 라인스캔 센서를 이용하므로, 바람직하게는 교정 과정의 제1 단계가 노즐 팁의 Z축 높이의 위치이어서, 후속의 교정 단계는 라인스캔 센서의 초점 평면에서 이루어질 수 있고, 따라서 더 정확하게 이루어지게 된다. 일단 노즐의 Z축 높이가 결정되면, 각 노즐의 적절한 Z축 위치가 조정될 수 있어서 모든 부품 및 교정 타겟은 라인스캔 센서로 스캐닝될 때 최선의초점 상태로 된다(즉, 초점 평면에 위치하게 된다).
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시 형태에 따른 Z 높이 교정 방법을 도시한 것이다. 도 3에 도시한 방법은 도 3의 설명으로부터 명확해지는 이유로 자동초점 방법이라고 생각할 수 있다. 도 3의 방법을 시작하기 전에, 각 노즐 팁의 날카로운 엣지를 강조해서 비출 조명 형태를 선택한다. 라인스캔 센서는 다양한 조형 형태의 복잡한 조합을 이용할 수 있으며, 그러한 조명에 대한 설명은 이미징 시스템이 개선된 전자 부품 조립 장치(ELECTRONICS ASSEMBLY APPARATUS WITH IMPROVED IMAGING SYSTEM)라는 제목의 1999년 11월 3일에 출원되어 계류 중인 출원 번호 제09/432,552호에서 발견할 수 있다. 일단, 스캐닝된 이미지가 얻어지면, 초점 계량법을 스캐닝된 이미지에 적용해서 노즐 팁의 초점을 측정한 후, 노즐 팁이 최선의 초점 상태에 있는 노즐의 z 높이를 최종적으로 계산한다. 초점 계량법의 2 가지 실시 형태를 본 명세서에서 설명하겠지만, 다른 방법도 적당하다.
각 팁이 라인스캔 센서의 최상의 초점 평면의 Z 위치보다 위에 있는 것을 알도록 각 노즐을 상승시킴으로써 절차가 블록(100)에서 시작된다. 다음으로, 블록(102)으로 나타낸 바와 같이, 라인스캔 센서(64)를 Y 방향으로 병진 이동시켜 모든 노즐 팁의 단일 이미지를 스캐닝된 이미지 형태로 얻음으로써 모든 노즐 팁에 대한 스캐닝 작업이 수행된다.
블록(104)에서는, 초점 계량법을 노즐 팁의 스캐닝된 이미지에 적용하고 그 결과를 현재 설정된 Z 높이의 소정 표시와 함께 저장한다. 비록 본 명세서에는 초점 계량법의 2 가지 실시 형테를 개시하였지만, 노즐의 최상의 초점에 해당하는 광학적 Z 높이를 식별하는 임의의 방법이면 적절하다는 것을 이해해야 한다.
초점 계량법의 제1 실시 형태에 있어서, 노즐 팁의 스캐닝된 이미지에 2차원 푸리에 변환을 행한다. 노즐 팁의 스캐닝된 이미지에는 상당한 고주파 성분이 있기 때문에, 푸리에 변환을 행하면 고주파 성분의 강도와, 따라서 이미지의 선명도를 분석할 수 있게 된다. 스캐닝된 이미지의 고주파 부분을 식별하기 위한 다른 수단도 채용할 수 있다.
블록(108)에서는, 블록(104)으로부터 얻은 초점 계량 결과를, 이전의 노즐 Z 위치에서의 이미지로부터 이전에 저장한 초점 계량 결과와 비교한다. 초점 계량법의 이 제1 실시 형태에서, 스캐닝된 이미지의 푸리에 변환에서 선택된 고주파 공간 성분의 진폭이 최상의 초점의 척도이다. 각 노즐에 대한 고주파 성분의 진폭은 대략 최상의 초점에 대한 최적의 Z 높이에 해당하는 국소적인 최대값이 발생할 때까지 증가한다. 최대값에 도달하고 나면, 고주파 성분의 진폭은 감소하기 시작한다. 이러한 모니터링되는 진폭이 감소하기 시작할 때, 현재 설정된 Z 높이는 최적의 Z 높이보다 작다. 도 3에 도시된 바와 같이, Z 높이가 최적의 Z 높이보다 작지 않으면, 블록(112)에서 노즐을 낮추고 블록(102)에서 과정을 다시 시작한다.
그렇지 않으면, 블록(110)에서 과정을 계속하는데, 블록(110)에서는 최고의 콘트라스트, 따라서 최상의 초점을 가져오는 각 노즐에 대한 최적의 Z 높이를 보간하기 위해 진폭 데이터에 4차 다항식을 피팅한다. 커브 피팅은 소음을 억제하며, 최적의 초점 지점의 선택을 계산하게 한다. "초점 계량"법으로부터의 결과를 임의의 적절한 수학적 모델에 피팅하기 위해 임의의 적절한 커브 피팅법을 이용할 수있다. 이 커브 피팅의 결과는 바람직하게는 "초점 계량" 데이터로부터의 각 노즐에 대한 최상의 초점의 Z 높이 위치의 보간을 용이하게 한다.
스캐닝된 이미지의 노즐의 엣지의 선명도를 측정하기 위해 푸리에 변환 진폭 이외의 함수를 이용할 수 있으며, 이 정보는 언제 노즐 팁의 이미지가 최상의 초점 상태에 있는가를 계산하는 데에 이용될 수 있다.
도 3의 블록(104)에는 변형된 초점 계량법을 사용할 수 있다. 이 변형된 초점 계량법에서, 각 노즐 팁의 템플릿(즉, 예상되는 이미지)은 스캐닝된 이미지에서의 노즐 팁과 비교된다. 상기 템플릿은 소프트웨어로 구성하거나, 선명한 초점 상태에 있는 노즐 팁의 이전에 기록된 이미지를 사용할 수 있다. 정규화된 상호 연관 알고리즘은 템플릿 매치의 질을 나타내는 점수를 돌려주며, 이 점수는 각 Z 높이에서의 초점의 측정값으로서 저장된다. 상호 연관 점수가 최대화되면, 노즐 팁의 스캐닝된 이미지는 최상의 초점 상태에 있다. 정규화된 상호 연관법과 푸리에 변환법 이외의 다양한 형태의 자동 초점법이 동등하게 적절하다.
교정 과정에서의 다음의 바람직한 단계는 라인스캔 센서 내의 리니어 디텍터(linear detector)의 유효 축선을 라인스캔 센서의 이동 방향과 직교시키는 것이다. 이 유효 축선에 틸트가 있으면, 모든 이미지가 전단 변형되어 보인다. 도 5는 X축에 대해 크게 과장된 각도(θd)로 틸트된 리니어 디텍터의 유효 축선(65)을 도시한 것이다. 이 도면에서 Y축은 라인스캔 스테이지(88)에 대한 이동 방향이다. 라인스캔 스테이지(88)는 도 5에서는 간결을 기하기 위해 생략하였지만 도 2에는 도시하였다.
도 6은 부품(86A 및 86B)의 각각의 전단 변형된 이미지(87A 및 87B)를 보여주고 있다. 또한, 도 6에는 캡처된 비디오 이미지에 나타나는 라인스캔 센서(64)의 X'-Y' 좌표계를 표시하였다. 다음 과정에서는 라인스캔 센서를 이용하여, 노즐 중 하나가 픽업한 기지 크기의 교정 타겟을 스캐닝한다. 이 교정 타겟의 이미지로부터 디텍터 틸트가 계산된다.
이하에서 계산되는 디텍터 틸트(θd)가 허용 공차보다 크면, 라인스캔 센서 하우징은 그 기계적 마운트 상의 X-Y 평면에서 회전한다. 이 회전은 센서 스테이지(88)를 픽 앤 플레이스 헤드(37) 상의 위치에 고정하는 볼트를 푸는 방식으로, 또는 기타 적절한 기계적 수단에 의해 이루어진다. 이어서, 스캐닝, 디텍터 틸트 계산 및 라인스캔 센서 하우징 회전 과정이 디텍터 틸트가 허용 한계 내로 될 때까지 반복된다. 또한, 라인스캔 센서의 수평 스케일 계수 및 수직 스케일 계수를 동일한 절차로 측정한다.
디텍터 틸트, 라인스캔 센서의 수직 스케일 계수 및 수평 스케일 계수를 측정하기 위해서 기지 크기의 교정 타겟을 이용한다. 이 타겟은 고정밀도 포토리소그라피 기법으로 제조하는 것이 바람직하다. 적절한 교정 타겟(128)의 일례가 도 7에 도시되어 있다. 피처(feature)(130A 내지 130F)는 X'"-Y'" 좌표계에서 크기, 형상 및 위치가 알려져 있다. 이들 피처는 기준 마크라고도 부른다.
성공적으로 사용한 또 다른 형태의 교정 타겟(128)에는 정사각형의 직교 그리드가 패턴 형성되어 있다.
일반적으로, 피처 또는 그리드의 이미지는 라인스캔 이미지에서 전단 변형및 회전되고 옵셋을 갖게 된다.
도 8에서는 교정 타겟(128)이 X축에 대해 일정량(θg) 회전되어 있다.
다시 도 5 및 도 6을 참조하면, 라인스캔 이미지 내의 점들이 이하의 관계식에 의해 스테이지(88)의 좌표 프레임의 점들로 변환되는 것을 것을 알 수 있다.
여기서, h 및 v는 각각 수평 스케일 계수 및 수직 스케일 계수이며, 상기 수학식 1은 스케일과 전단을 모두 나타낸다.
도 8은 교정 타겟(128)의 이미지를 얻기 전의 라인스캔 센서(64)를 보여주고 있다. 교정 타겟은 진공 노즐(도시하지 않았음) 중 하나에 의해 고정된다. 교정 타겟은 일정량(θg) 회전한 상태로 도시되어 있다. 스테이지 좌표 프레임에서, 피처(130A 내지 130F)의 위치는 옵셋을 무시하면 이하의 회전을 나타내는 수학식으로 표현된다.
수학식 1 및 수학식 2로부터 이하의 수학식 3을 얻는다.
선형 디텍터 틸트, 수평 스케일 계수 및 수직 스케일 계수를 계산하기 위해 기하학적 변환을 이용한다. 기하학적 변환의 하나로서, 어파인(affine) 변환으로 알려진 변환은 병진, 회전, 스케일 변화 및 전단 이동을 가능하게 한다. 어파인 변환에 대한 추가의 정보는 "디지털 이미지 워핑(Digital Image Warping)"이라는 제목의 죠지 월버그(George Wolberg)의 모노그래프(IEEE Computer Soceity Press, 1990)에 기재되어 있다.
X'-Y' 라인스캔 센서 이미지 좌표 프레임의 점들은, 바람직하게는 이하의 어파인 변환에 의해 X'"-Y'" 교정 타겟 좌표 프레임 내로 매핑된다.
여기서 (X'0, Y'0)는 교정 타겟(128)으로부터 기원하는 옵셋이고, α,β,γ,δ는 교정 타겟 이미지의 회전, 스케일, 그리고 전단 변형을 나타낸다. 각 피처(130A 내지 130F)의 위치(X', Y')는 정규화된 상호 연관법에 의해 라인스캔 이미지에서 구한다. 수학식 4를 각 피처(130A 내지 130F)에 대해 반복한다. 그러면, 최소 자승법과 같은 공지된 방법에 의해 파라미터(α,β,γ,δ, X'0, Y'0)를 구하며, 다른 보간법도 적절하다.
수학식 4를 수학식 3에 대입하면, 이하의 수학식 5를 얻는다.
다시, 옵셋은 무시하는데, 왜냐하면 디텍터 틸트, 수평 스케일 계수 및 수직 스케일 계수만 계산하면 되기 때문이다.
수학식 5가 모든에 대해 성립하면 이하의 수학식 6이 성립한다.
수학식 6의 "북동쪽" 식을 따로 적으면 다음의 수학식 7이 된다.
수학식 7을 교정 타겟의 틸트(θg)에 대해 풀면 다음의 수학식 8이 된다.
표준적인 삼각 동일 명제를 사용하면, 수학식 6은 이하의 수학식 9가 된다.
수학식 9를 디텍터 틸트(θd)에 대해 풀면 수학식 10이 된다.
수평 스케일 계수 및 수직 스케일 계수는 이하의 수학식 11 및 12로 나타내어진다.
디텍터 틸트(θd)를 계산하기 위한 또 다른 방법은 정사각형이나 직사각형과 같은 패턴이 분명하게 그어진 타겟을 이미징함으로써 행할 수 있다. 일단 타겟(패턴을 포함함)의 스캐닝된 이미지를 얻고 나면, 시판중인 머신 비젼 소프트웨어를이용하여, 상기 패턴을 형성하는 각 라인 세그먼트의 기울기를 계산할 수 있다. 직사각형 내의 적어도 2개의 인접한 라인 세그먼트의 수식을 알면, 상기 2개의 라인 세그먼트 사이의 각도(θd)를 계산해서 상기 2개의 라인 세그먼트 사이의 예상된 각도와 비교할 수 있다. 대안으로서, 라인 세그먼트의 교차에 의해 각각 형성되는 적어도 3개의 점에 대해 변환을 행함으로써 각도(θd)와 스케일 계수를 계산할 수 있다. 마지막으로, 스테이지(88)를 각도(θd)에 의해 기계적으로 조정함으로써 최초의 디텍터 스테이지 틸트를 후속 측정에서 보상한다.
선형 디텍터 틸트를 제거하고 나면, 라인스캔 스테이지 좌표 프레임의 픽 앤 플레이스 머신의 좌표 프레임 내로의 매핑이 결정된다. 도 9는 온헤드 라인스캔 센서 스테이지의 좌표축이 픽 앤 플레이스 머신의 X"-Y"축에 대해 틸트된 일례를 도시한 것이다. (픽 앤 플레이스 머신의 본 실시 형태에서는, 픽 앤 플레이스 헤드가 X"축과 Y"축 모두의 방향으로 이동한다. 다른 실시 형태에서는 픽 앤 플레이스 헤드가 X"축이나 Y"축 하나에 대해서만 이동한다.)
절차는 도 2에서 86A 및 86B로 지시된 부품을 픽업함으로써 시작된다. 간결을 기하기 위해, 이하에서는 부품(86A) 및 부품(86B)을 부품(A) 및 부품(B)이라고 각각 부르겠다. 이 교정 단계에 있어서, 부품은 절삭된 직사각형 블록인 것이 바람직하다. 그러나, 보통의 전기 부품도 사용할 수 있다. 그러면, 부품(A) 및 부품(B)을 라인스캔 센서(64)로 스캐닝해서 부품(A) 및 부품(B)의 중심 위치를 계산한다. 부품(A) 및 부품(B)이 스캐닝되고 나면, 이들 부품을 타겟 기재 상에 배치한다. 다음으로, 기준 카메라(92)를 부품(A) 및 부품(B) 위에 연속적으로 위치하게 하여 이들 부품의 기재 상의 위치를 픽 앤 플레이스 머신의 좌표 프레임에서 측정한다. 기준 카메라(92)는 픽 앤 플레이스 헤드에 장착되어 있기 때문에 픽 앤 플레이스 머신의 좌표 프레임에서 이동하고 또한 측정도 한다.
도 10a는 단일 프라임 라인스캔 좌표계에서 라인스캔 센서(64)에 의해 측정된 부품(A)의 위치(X'A, Y'A)와 부품(B)의 위치(X'B, Y'B)를 보여주고 있다. 이들 2개 점 사이의 선(132)은 Y'축에 대해 각도(ε)를 이룬다. 도 10b는 픽 앤 플레이스 머신(31)의 이중 프라임 좌표계에서 기준 카메라(92)에 의해 측정된 부품(A)의 위치(X"A, Y"A)와 부품(B)의 위치(X"B, Y"B)를 보여주고 있다. 이들 2개 점 사이의 선(134)은 Y"축에 대해 각도(ω)를 이룬다. 이 예에 있어서, 2개의 좌표 프레임은 수학식 13에 의해 주어진 양(φ)만큼 서로에 대해 회전해 있다. 수학식 14 및 15는 다음과 같은 ε및 ω에 대한 식을 제공한다.
라인스캔 센서(64)의 프라임 좌표 프레임(X', Y')의 측정 결과를 병진 및 회전에 의해 픽 앤 플레이스 머신(31)의 이중 프라임 좌표 프레임(X", Y") 내로 전환하는 것은 이하의 수학식 16으로 주어진다.
병진량(X'0, Y'0)은 부품(A) 또는 부품(B)의 측정된 위치를 수학식 16에 대입함으로써 계산할 수 있다. 이 계산을 부품(A)의 측정된 위치에 대해 행하면 다음 결과를 얻는다.
픽 앤 플레이스 머신(31)의 정확성은 노즐의 정확한 위치를 측정하고 노즐의 회전시의 임의의 기계적 런아웃을 측정함으로써도 개선된다. 런아웃이란 노즐 팁의 평면에서 측정했을 때, 노즐 팁의 그 유효 회전 축선으로부터의 옵셋을 의미한다. 도 11은 런아웃이 있는 노즐(62)의 측면도와, 동일 노즐이 180°회전한 후를 점선으로 나타낸 도면을 보여주고 있다. 노즐 위치 및 관련 런아웃을 측정하기 위해서, 노즐을 스캐닝하고 전술한 정규화된 상호 연관법에 의해 그 위치를 계산한다. 그러면, 노즐이 θ방향으로 증가하며, 노즐이 360°회전할 때까지 정규화된 상호 연관법으로 스캐닝하고 위치를 측정하는 절차를 반복한다. 도 12는 다양한 노즐 각도에 대한 한 노즐 팁의 위치의 일례를 보여주고 있다. 도 12에서 1 내지 6의 부호를 붙인 원은 이 예에서의 노즐 팁의 이미지이다. 도 13a 및 도 13b는 노즐의 θ위치에 대해 플로팅한 노즐 팁의 X' 및 Y' 위치를 보여주고 있다. 노즐 팁 위치(1 내지 6)은 도 13a 및 도 13b에도 표시하였다. 노즐 런아웃 축선 및 각도는 후술하는 바와 같이 X' 및 Y'위치에 대한 최상 피팅의 사인 커브로부터 알 수 있다. 도 13a 및 도 13b에는 이 최상 피팅 사인 커브도 도시하였다. 노즐 번호 k의 팁 위치에 대한 식은 다음과 같다.
여기서, 노즐 번호 k에 대한 회전 중심은 좌표 (X'ck, Y'ck)로 주어지며, 회전 반경은 Rk로 주어진다. 노즐의 각도는 θk이고 ξk는 각도 옵셋이다.
수학식 19 및 20을 노즐 중심 위치, 반경 및 각도 옵셋에 대해 풀면, 다음의 파라미터 ak및 bk가 정의된다.
표준 삼각 각도차 공식을 이용하면, 수학식 19 및 20은 다음과 같이 된다.
다음으로 최소 자승법을 이용하여 ak및 bk과 각 노즐에 대한 회전 중심을 계산한다. 그러면, 다음과 같이 회전 반경과 각도 옵셋을 얻는다.
라인스캔 센서(64)로 측정한 후 배치하기 전에 부품을 회전시켜야 하는 경우, 2개의 각도에 대한 노즐 중심 위치의 차이를 계산한다. 다음으로, 이 차이를 라인스캔 센서가 측정한 보정량에 적용한다. 보정량 계산에 대한 추가 정보는 전술한 계류 중인 미국 특허 출원에서 발견할 수 있다.
도 13a 및 도 13b로부터, 부품을 큰 각도로 회전해야 할 때 노즐 런아웃이 큰 에러 원인이 될 수 있다는 것이 명백한데, 왜냐하면 인쇄 회로 보드에 배치되어야 하는 배향과 다른 배향으로 부품이 들러올려졌기 때문이다. 배치 전에 부품을 대략 -90°, 90°, 또는 180°회전시키는 것이 전형적이다. 필요한 런아웃 보정량을 감소시키기 위해, 라인스캔 센서로 스캐닝하기 전에 부품을 대략적인 배치 배향으로 미리 회전시킬 수 있다. 이 예비 회전은 노즐이 스캐닝 위치로 후퇴한 동안, 또는 부품을 픽업한 후 노즐이 후퇴한 동안 이루어질 수 있다.
비록 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 형태와 세부 사항을 변경할 수 있다는 것을 알 것이다. 특히, 본 발명의 교정 방법은 다중 노즐에 대해 용이하게 확대 적용할 수 있다.

Claims (33)

  1. 적어도 하나의 노즐이 구비된 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 노즐을 온헤드 라인스캔 센서로 스캐닝해서 스캔 이미지를 제공하는 스캐닝 단계와,
    상기 스캔 이미지에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 적어도 하나의 노즐의 물리적 특성을 계산하는 계산 단계와,
    상기 계산된 물리적 특성에 적어도 부분적으로 기초하여 부품을 배치하는 배치 단계
    를 포함하는 것인 교정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 복수 개의 추가적인 스캔 이미지를 제공하기 위해 상기 스캐닝 단계를 반복한 후에 상기 노즐은 Z 방향으로 이동하고, 상기 물리적 특성은 상기 적어도 하나의 노즐의 Z-높이인 것인 교정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스캔 이미지와 상기 복수 개의 추가적인 스캔 이미지에 대해 초점 계량법을 행하는 것을 더 포함하고, 이 초점 계량법의 결과를 상기 Z-높이를 계산하는 데에 이용하는 것인 교정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 초점 계량법은 상기 스캔 이미지와 상기 복수 개의 추가적인 스캔 이미지 중의 고주파 성분의 강도를 분석하는 분석 단계를 포함하는 것인 교정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 분석 단계는 푸리에 변환을 행하는 것을 포함하는 것인 교정 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 분석 단계는 상기 스캔 이미지와 상기 복수 개의 추가적인 스캔 이미지의 복수 개의 선명도 크기값을 제공하며, 상기 Z-높이를 계산하는 단계는 상기 복수 개의 선명도 크기값 사이를 보간하는 것을 포함하는 것인 교정 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 초점 계량법은 상기 스캔 이미지와 상기 복수 개의 추가적인 스캔 이미지를 템플릿 이미지와 비교해서 복수 개의 상호 연관 크기값을 제공하는 것을 포함하며, 이들 복수 개의 상호 연관 크기값을 상기 Z-높이를 계산하는 데에 이용하는 것인 교정 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 Z-높이는 상기 복수 개의 상호 연관 크기값을 보간함으로써 계산되는 것인 교정 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐로 부품을 픽업해서, 상기 Z-높이에 기초하여 그 부품을 Z-축에 배치하는 것을 더 포함하는 것인 교정 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 온헤드 라인스캔 센서는 픽 앤 플레이스 헤드 상에 장착되고, 상기 물리적 특성은 상기 적어도 하나의 노즐의 상기 픽 앤 플레이스 헤드 상의 위치인 것인 교정 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 위치는 2개의 직교축에 대해 표시되는 것인 교정 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 위치는 라인스캔 좌표계, 스테이지 좌표계, 그리고 픽 앤 플레이스 좌표계의 함수로서 계산되는 것인 교정 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐로 부품을 픽업하고, 상기 위치에 기초하여 그 부품을 픽 앤 플레이스 좌표계에 대해 위치잡는 것을 더 포함하는 것인 교정 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 픽 앤 플레이스 헤드는 추가의 노즐을 포함하고, 상기 물리적 특성은 상기 적어도 하나의 노즐 및 상기 추가의 노즐의 위치를 나타내는 것인 교정 방법.
  15. 물리적 좌표계 및 적어도 하나의 노즐이 있는 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 노즐에 타겟을 부착하는 부착 단계와,
    상기 타겟을 온헤드 라인스캔 센서로 이미징하여 라인스캔 좌표계로 표현된 스캔 이미지를 제공하는 이미징 단계와,
    상기 타겟의 적어도 2개의 특징에 기초하여 상기 물리적 좌표계와 상기 라인스캔 좌표계 사이의 매핑을 계산하는 매핑 계산 단계와,
    상기 매핑의 함수로서 물리적 특성을 계산하는 물리적 특성 계산 단계
    를 포함하는 것인 교정 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스캔 이미지는 패턴을 포함하고, 상기 매핑 계산 단계는 상기 패턴의 적어도 일부를 모델링하는 적어도 하나의 수식을 계산하는 것을 포함하며, 이 계산된 수식을 상기 패턴의 예상되는 수식과 비교하고, 그로부터 디텍터 틸트를 계산하는 것인 교정 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 스캔 이미지는 패턴을 포함하고, 상기 매핑 계산 단계는 상기 패턴과 관련된 2개의 라인 세그먼트의 교차에 의해 각각 형성되는 적어도 3개의 점을 계산하는 것을 포함하며, 상기 3개의 점의 변환에 의해 디텍터 틸트를 얻는 것인 교정 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 매핑 계산 단계는 픽 앤 플레이스 좌표계, 상기 온헤드 라인스캔 센서의 스테이지를 기술하는 좌표계, 상기 타겟을 기술하는 좌표계, 그리고 상기 라인스캔 좌표계 사이의 수학적 관계를 계산하는 것을 포함하는 것인 교정 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 매핑 계산 단계는 상기 좌표계 중 적어도 2개 사이의 기하학적 변환을 행하는 것을 포함하는 것인 교정 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 기하학적 변환은 어파인 변환(affine transform)인 것인 교정 방법.
  21. 제15항에 있어서, 상기 물리적 특성은 상기 물리적 좌표계에 대한 상기 라인스캔 좌표계의 틸트인 것인 교정 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐로 부품을 픽업하고 그 부품을 배치하는 것을 더 포함하는 것인 교정 방법.
  23. 제15항에 있어서, 상기 타겟 위에는 그리드 패턴이 있는 것인 교정 방법.
  24. 제15항에 있어서, 상기 물리적 특성은 상기 라인스캔 좌표계의 스케일 계수인 것인 교정 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 스케일 계수는 수직축에 대해 표현되는 것인 교정 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 스케일 계수는 수평축에 대해 표현되는 것인 교정 방법.
  27. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐로 부품을 픽업하고, 상기 스케일 계수를 이용하여 그 부품을 배치하는 것을 더 포함하는 것인 교정 방법.
  28. 적어도 하나의 노즐이 있는 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 방법으로서,
    상기 적어도 하나의 노즐을 그 회전 시에 온헤드 라인스캔 센서로 이미징해서 복수 개의 스캔 이미지를 제공하는 이미징 단계와,
    상기 복수 개의 스캔 이미지에서 상기 노즐의 위치의 함수로서 상기 노즐의 런아웃을 계산하는 계산 단계
    를 포함하는 것인 교정 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 계산 단계는 상기 적어도 하나의 노즐에 대한 회전 중심 및 각도 옵셋을 계산하는 것을 포함하는 것인 교정 방법.
  30. 제28항에 있어서, 상기 적어도 하나의 노즐로 부품을 픽업하고 상기 런아웃을 이용하여 그 부품을 배치하는 것을 더 포함하는 것인 교정 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 런아웃에 의해 부품의 원하는 배치 위치를 보상하는 것을 더 포함하는 것인 교정 방법.
  32. 적어도 하나의 부품을 픽업하여 작업물 상에 실장하도록 구성된 픽 앤 플레이스 헤드와,
    상기 픽 앤 플레이스 헤드 상에 위치하는 라인스캔 센서와,
    상기 픽 앤 플레이스 헤드 상에 위치하는 기준 카메라와,
    상기 픽 앤 플레이스 헤드, 라인스캔 센서 및 기준 카메라와 연결되어, 상기 라인스캔 센서가 이미지를 스캐닝하게 하고, 그 스캐닝된 이미지에 적어도 부분적으로 기초하여 픽 앤 플레이스 머신의 물리적 특성을 계산하도록 구성된 제어기
    를 포함하는 것인 픽 앤 플레이스 머신.
  33. 부품을 부품 공급기로부터 작업물로 운반하는 운반 수단과,
    상기 운반 수단과 연결된 라인스캔 센서와,
    상기 라인스캔 센서를 이용하여 픽 앤 플레이스 머신을 교정하는 교정 수단
    을 포함하는 픽 앤 플레이스 머신.
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