DE19826555A1

DE19826555A1 - Method of placing components on circuit boards

Info

Publication number: DE19826555A1
Application number: DE19826555A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Martin; Fritz Preul; Thomas Schally; Andreas Wild
Original assignee: Martin GmbH fuer Umwelt und Energietechnik
Current assignee: Martin GmbH fuer Umwelt und Energietechnik
Priority date: 1998-06-15
Filing date: 1998-06-15
Publication date: 1999-12-16

Abstract

The method involves moving a positioning head holding a component so that an area of the circuit board that has been imaged is aligned with respect to the side of the component that has been imaged. The method involves aligning the contact elements (11) on the side of the component (8) facing the circuit board (9) with the corresponding contact pads (10.1-10.5) of the circuit board. At least one optical device is used to form an image of one side (12,13) of the component at an angle ( alpha ) to the plane of the board and of an area of board under the component when viewed perpendicularly to the board. A component held in a positioning head (7) is moved so that the area whose image was formed is aligned with respect to the side of the component whose image was formed. An Independent claim is also included for an arrangement for implementing the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrich tung zum Plazieren von Bauteilen auf einer Leiterplat te.The invention relates to a method and a device device for placing components on a printed circuit board te.

Bei der Plazierung von BGA-Bauelementen (ball grid ar ray), Mikro-BGA-Bauelementen und CSP-Bauelementen (chip size packaging), die die Kontaktelemente, beispielswei se in der Form von Lotkügelchen, an der der Leiterplat te zugewandten Unterseite des Bauelementes aufweisen, besteht ein Problem in der exakten Ausrichtung der Lot kügelchen zu dem auf der Leiterplatte enthaltenen An schlußflecken (Pads). Dies ist insbesondere darauf zu rückzuführen, daß eine Plazierung unmöglich erscheint, weil, aus der Vogelperspektive von oben gesehen, die Kontaktpads der Leiterplatte durch das Bauteil verdeckt werden, wenn sich dieses in etwa oberhalb der Kontakt pads befindet. Da die Kontaktpads bei Mikro-BGA's einen Durchmesser von etwa 0,3 mm aufweisen, muß zur Herstel lung einwandfreier elektrischer Verbindungen zwischen den Kontaktpads und den Lotkügelchen des Bauteiles eine exakte Plazierung des Bauteiles in bezug auf die Kon taktpads der Leiterplatte erfolgen.When placing BGA components (ball grid ar ray), micro-BGA components and CSP components (chip size packaging) that the contact elements, for example in the form of solder balls on which the circuit board have te facing underside of the component, there is a problem in the exact alignment of the solder beads to the type contained on the circuit board final spots (pads). This is particularly due that placement seems impossible, because, from a bird’s eye view, the Contact pads of the circuit board covered by the component if this is roughly above the contact pads located. Since the contact pads with micro-BGA's one Have a diameter of about 0.3 mm, must be manufactured perfect electrical connections between the contact pads and the solder balls of the component exact placement of the component in relation to the con clock pads of the circuit board.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein möglichst kostengünstiges und universelles Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Durch führung dieses Verfahrens zu schaffen, so daß eine ex akte Plazierung von Bauteilen, die unterseitig Kontak telemente aufweisen, auf den Kontaktpads einer leiter platte relativ einfach möglich ist.The object of the present invention is therefore in being the most cost-effective and universal Method and a corresponding device for through create this procedure, so that an ex File placement of components with contact on the underside have elements on the contact pads of a conductor plate is relatively easy.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkma len des Patentanspruches 1 sowie durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10 gelöst.This task is accomplished through a procedure with the characteristics len of claim 1 and by a device solved with the features of claim 10.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung be steht darin, daß eine exakte Plazierung eines Bauteiles in bezug auf die Kontaktpads einer Leiterplatte in ei ner äußerst einfachen Weise dadurch ermöglicht wird, daß mit einer optischen Einrichtung, beispielsweise ei ner Videokamera unter einem schrägen Blickwinkel zwei Bilder von zwei verschiedenen Seiten des Bauteiles her erzeugbar sind. Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird das Bauteil so verschoben, daß sich die beiden genann ten Bilder exakt gleichen. Die Erfindung ist vorteil hafterweise universell bei Bauteilen mit verschiedenen Gehäuseabmessungen, insbesondere bei Mikro-BGA- Bauteilen anwendbar.The main advantage of the present invention be is that an exact placement of a component with respect to the contact pads of a printed circuit board in egg extremely simple way, that with an optical device, such as egg ner video camera from an oblique angle of view two Images from two different sides of the component can be generated. According to the present method the component moved so that the two called each other th pictures exactly the same. The invention is advantageous universally applicable for components with different Housing dimensions, especially for micro BGA Components applicable.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß nur eine einzige op tische Kamera, vorzugsweise eine Videokamera, verwen det, die an einem Schwenkarm befestigt ist, der zwi schen zwei Endlagen zur Erzeugung der beiden genannten Bilder verschwenkbar ist. Die Verwendung einer einzigen Kamera bringt den Vorteil, daß neben einer Kostener sparnis keine Verschiebungen zwischen den Positionen zweier fest installierter Kameras erfolgen kann.According to the invention, preferably only a single op table camera, preferably a video camera, use det, which is attached to a swivel arm, the zwi rule two end positions for generating the two mentioned Images can be swiveled. The use of a single Camera brings the advantage that in addition to a free saves no shifts between positions two permanently installed cameras can take place.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ge hen aus Unteransprüchen hervor.Further advantageous embodiments of the invention ge appear from subclaims.

Im folgenden werden die Erfindungen der Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen: The following are the inventions of the configurations explained in connection with the figures. It demonstrate:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine bevor zugte Einrichtung zur Ausführung des er findungsgemäßen Verfahrens; Figure 1 is a schematic representation of a before ferred device for performing the inventive method.

Fig. 2 und 3 die von gegenüberliegenden Seiten eines Bauteiles her erfaßten Bilder einer Kame ra und Fig. 2 and 3 ra of opposite sides of a component forth captured images and a Kame

Fig. 4 bis 7 verschiedene Möglichkeiten der Bilderfas sung an einem Bauteil. Fig. 4 to 7 different ways of imaging on a component.

In der Fig. 1 ist eine optische Einrichtung zur Erfas sung eines Bildes mit 1 bezeichnet. Vorzugsweise han delt es sich dabei um eine Videokamera. Die Videokamera 1 ist an einem Arm 2 oder dergleichen befestigt, der um eine vertikale Achse 3 verschwenkbar ist. Die vertikale Achse 3 verläuft dabei in der Richtung der normalen zu einer Leiterplatte 9, die Kontaktpads 10-1, 10-2, . . . 10-5 aufweist, zu denen die Anschlußelemente 11 eines Bauteiles 8 auszurichten sind. Vorzugsweise weisen die Anschlußelemente 11 die Form von Lotkügelchen auf, die sich an der Unterseite, d. h. also an der der Leiter platte 9 zugewandten Fläche des Bauteiles 8 befindet. Vorzugsweise wird das Bauteil 8 in der dargestellten Weise von einer Saugpipette 13 gehalten, die an der den Lotkügelchen 11 abgewandten Oberseite des Bauteiles 8 angreift. Die Saugpipette 13 ist einem Positionierkopf 7 gehalten, der schematisch durch die punktierten Lini en dargestellt ist und Einrichtungen aufweist, mit de nen das parallel zur Leiterplatte 9 gehaltene Bauteil 8 in der x-, y- und z-Achse bewegbar sowie um die z-Achse verdrehbar ist. Dabei verläuft die genannte z-Achse parallel zur Achse 3.In Fig. 1, an optical device for capturing an image is designated by 1 . It is preferably a video camera. The video camera 1 is attached to an arm 2 or the like, which can be pivoted about a vertical axis 3 . The vertical axis 3 runs in the direction of the normal to a circuit board 9 , the contact pads 10-1 , 10-2,. . . 10-5 , to which the connection elements 11 of a component 8 are to be aligned. Preferably, the connection elements 11 have the shape of solder balls, which is located on the underside, that is to say on the plate 9 facing the surface of the component 8 . The component 8 is preferably held in the manner shown by a suction pipette 13 , which acts on the upper side of the component 8 facing away from the solder balls 11 . The suction pipette 13 is held in a positioning head 7 , which is shown schematically by the dotted lines and has devices with which the component 8 held parallel to the printed circuit board 9 can be moved in the x-, y- and z-axes and around the z- Axis is rotatable. The z-axis runs parallel to axis 3 .

Die Videokamera 1 ist über den Arm 2 in bezug auf die Achse 3 so positioniert, daß sie das Bauteil 8 unter einem Blickwinkel α in bezug auf die Oberfläche der Leiterplatte 9 sieht. Vorzugsweise beträgt der Winkel α etwa 45°. Durch diesen schrägen Blickwinkel wird er reicht, daß über die jeweilige Kante 12, 13 des Bautei les 8 ein Teilbereich der Leiterplatte 9 sichtbar ist, der sich von oben her gesehen unterhalb des Bauteiles 8 befindet. Dies bedeutet, daß gemäß Fig. 1 die in der Position I befindliche Videokamera 1 das in der Fig. 2 dargestellte Bild erfaßt, das teilweise das Bauteil 8' sowie die der Kante 12 desselben entsprechende Linie 12' und Abb. 10'-1, 10'-2, 10'-3 der Kontaktpad- Reihen 10-1, 10-2 und 10-3 zeigt.The video camera 1 is positioned over the arm 2 with respect to the axis 3 so that it sees the component 8 at a viewing angle α with respect to the surface of the circuit board 9 . The angle α is preferably approximately 45 °. By this oblique viewing angle it is sufficient that les via the respective edge 12, 13 of the Bautei a portion of the circuit board is visible 8 9, which is seen from above below the component. 8 This means that, according to FIG. 1, the video camera 1 in position I captures the image shown in FIG. 2, which partially shows the component 8 'and the line 12 ' and the edge 12 of the same corresponding to FIG. 10'-1 , 10'-2 , 10'-3 of the contact pad rows 10-1 , 10-2 and 10-3 shows.

Aus der Fig. 3 ist erkennbar, daß nach Verschwenken der Videokamera 1 aus der Position I in die gegenüber liegenden Position II um 180° die Videokamera 1 über die gegenüberliegende Kante 13 hinweg, die der Linie 13' im aufgenommenen Bild entspricht, nur eine einzige Kontaktpad-Reihe 10'-5 zeigt, die der durch die Video kamera 1 in der Position II erfaßten Kontaktpad-Reihe 10-5 entspricht. From Fig. 3 it can be seen that after pivoting the video camera 1 from position I to the opposite position II by 180 °, the video camera 1 over the opposite edge 13 , which corresponds to the line 13 'in the recorded image, only one Contact pad row 10 '- 5 shows, which corresponds to the contact pad row 10-5 detected by the video camera 1 in position II.

Da die Videokamera 1 kontinuierlich zwischen den beiden Positionen I und II, beispielsweise im 1-Sekunden-Takt, hin und her verschwenkt wird, können die in den Posi tionen I und II aufgenommenen Bilder der Fig. 2 und 3 gleichzeitig beobachtet und zur genauen Positionie rung bzw. Plazierung des Bauteiles 8 herangezogen wer den. Dabei kann die Ausführung der folgenden Schritte erforderlich sein.Since the video camera 1 is continuously pivoted back and forth between the two positions I and II, for example at 1-second intervals, the images of FIGS . 2 and 3 taken in positions I and II can be observed simultaneously and for precise positioning tion or placement of the component 8 who used the. The following steps may be necessary.

Falls das Bauteil 8 in bezug auf die Kontaktpad-Reihen 10-1, 10-2 etc. um die z-Achse verdreht ist, kann durch die Vornahme entsprechender Verstellungen an dem Posi tionierkopf 7 das Bauteil 8 um die z-Achse soweit ver dreht werden, bis in den Bildern der Fig. 2 und 3 die Kanten 12' und 13' parallel zu den Abb. 10'- 1, 10'-2, 10'-5 der aufgenommenen Linien der entspre chenden Kontaktpad-Reihen ausgerichtet sind.If the component 8 is rotated about the z-axis in relation to the contact pad rows 10-1 , 10-2 etc., the component 8 can be rotated as far as the ver about the z-axis by making appropriate adjustments to the positioning head 7 are until in the images of FIGS. 2 and 3, the edges 12 'and 13 ' are aligned parallel to Figs. 10'-1, 10'-2, 10'-5 of the recorded lines of the corresponding rows of contact pads.

Falls das Bauteil 8 in der Richtung der Kontaktpad- Reihen 10-1, 10-2 etc. verschoben ist, wird durch eine entsprechende Verstelloperation am Positionierkopf 7 das Bauteil 8 soweit verschoben, bis die abgebildete Kante 12' bzw. 13' symmetrisch zu den Abb. 10'- 1, 10'-2, 10'-5 etc. der Kontaktpad-Reihen 10'-1, 10'- 2, 10'-5 etc. ausgerichtet ist.If the component 8 is displaced in the direction of the contact pad rows 10-1 , 10-2 etc., the component 8 is displaced by a corresponding adjustment operation on the positioning head 7 until the edge 12 ′ or 13 ′ shown is symmetrical to the Fig. 10'- 1 , 10'-2 , 10'-5 etc. of the contact pad rows 10'-1 , 10'- 2 , 10'-5 etc. is aligned.

Falls, wie dies in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, das Bauteil 8 senkrecht zu den Kontaktpad-Reihen 10-1, 10-2 etc. verschoben ist, so daß sich die unterschied lichen Bilder der Fig. 2 und 3 ergeben, wird durch eine Verstelloperation am Positionierkopf 7 das Bauteil 8 soweit senkrecht zu den Abb. 10'-1, 10'-2 etc. verschoben, bis sich für die Positionen I und II der Videokamera 1 identische Bilder ergeben.If, as shown in FIGS. 2 and 3, the component 8 is displaced perpendicular to the contact pad rows 10-1 , 10-2 etc., so that the different images of FIGS. 2 and 3 result, component 8 is displaced perpendicularly to FIGS. 10'-1 , 10'-2 etc. by an adjustment operation on positioning head 7 until identical images result for positions I and II of video camera 1 .

Letztlich ist es das Kriterium der identischen Bilder, die durch die Videokamera 1 in den Positionen I und II aufgenommen werden, das die richtige Plazierung des Bauteiles 8 in bezug auf das Kontaktpad-Feld der Lei terplatte 9 anzeigt. Wenn diese Übereinstimmung der Bilder erreicht ist, kann durch Verschieben der Saug pipette 13 in der z-Achse das Bauteil 8 auf das Kon taktpad-Feld der Leiterplatte 9 zur Verlötung aufge setzt werden.Ultimately, it is the criterion of identical images, which are recorded by the video camera 1 in positions I and II, which indicates the correct placement of the component 8 with respect to the contact pad field of the circuit board 9 . When this match of the images is achieved, the component 8 can be placed on the contact pad field of the printed circuit board 9 for soldering by moving the suction pipette 13 in the z-axis.

Vorzugsweise befindet sich am Arm 2 ein Verstellknopf 5, mit dessen Hilfe eine Verstellung zur Erzeugung ei ner scharfen Abbildung des durch die Videokamera 1 er faßten Bildes (Kante 12 bzw. 13 und Kontaktpad-Reihen 10-1, 10-2 etc.) erfolgen kann. Das Verschwenken um die Achse 3 der Videokamera 1 erfolgt vorzugsweise mit ei nem Antrieb 4, bei dem es sich zweckmäßigerweise um ei nen Elektromotor handelt, der über einen Riemenantrieb oder ein Getriebe oder dergleichen die Drehung des Ar mes 2 um die Achse 3 bewirkt. Beispielsweise werden die Positionen I und II dadurch erreicht, daß Anschläge (nicht dargestellt) erreicht werden wobei dann jeweils die Videokamera 1 zur Erzeugung einer Aufnahme in der Position I bzw. II ausgelöst und die Drehrichtung des Motors 4 umgekehrt wird.Preferably, there is an adjustment button 5 on the arm 2 , with the aid of which an adjustment for generating a sharp image of the image captured by the video camera 1 (edge 12 or 13 and contact pad rows 10-1 , 10-2 etc.) is carried out can. The pivoting about the axis 3 of the video camera 1 is preferably carried out with a drive 4 , which is expediently egg NEN electric motor, which causes the rotation of the arm 2 about the axis 3 via a belt drive or a gear or the like. For example, positions I and II are achieved in that stops (not shown) are reached, in which case video camera 1 is triggered to generate a picture in positions I and II and the direction of rotation of motor 4 is reversed.

In den Fig. 4 bis 7 ist schließlich dargestellt, welche unterschiedlichen Positionen am Bauteil 8 durch die Videokamera 1 angefahren werden können. Die Fig. 4 zeigt den Fall der Fig. 1, bei dem die Videokamera 1 in um 180° versetzten Positionen I und II gegenüberlie gende Kanten 12, 13 des Bauteiles 8 erfaßt.Finally, FIGS. 4 to 7 show which different positions on component 8 can be moved to by video camera 1 . Fig. 4 shows the case of Fig. 1, in which the video camera 1 in positions 180 and 180 ° offset I and II opposite edges 12 , 13 of the component 8 is detected.

Die Fig. 5 zeigt einen Fall, bei dem zusätzlich zu den gegenüberliegenden Kanten 12 und 13 des Bauteiles 8 in Zwischenpositionen III und IV auch die senkrecht dazu verlaufenden Kanten 14 und 15 des Bauteiles 8 erfaßt werden, wobei die Plazierung durch Auswertung der Bil der der Positionen I und II sowie durch Auswerten der Bilder der Positionen III und IV erfolgt. Fig. 5 shows a case in which in addition to the opposite edges 12 and 13 of the component 8 in intermediate positions III and IV, the perpendicular edges 14 and 15 of the component 8 are detected, the placement by evaluating the images of the Positions I and II and by evaluating the images of positions III and IV.

Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel, bei dem nicht zwei sich gegenüberliegende Kanten 12, 13 (Fig. 4) sondern zwei senkrecht zueinander verlaufende Kanten 13, 14 durch Verschwenken der Videokamera I um 90° zwischen den Po sitionen I und III aufgenommen werden. Fig. 6 shows an example in which not two opposite edges 12 , 13 ( Fig. 4) but two mutually perpendicular edges 13 , 14 are recorded by pivoting the video camera I by 90 ° between the positions I and III.

Schließlich zeigt die Fig. 7 einen Fall, bei dem die Videokamera 1 zwischen zwei Positionen V und VI um 180° verschwenkt wird, in denen sie jeweils eine Aufnahme des Eckbereiches des Bauteiles 8 erzeugt. Die Aufnahme und Auswertung der anderen beiden Eckbereiche ist eben falls möglich.Finally, FIG. 7 shows a case in which the video camera 1 is pivoted through 180 ° between two positions V and VI, in each of which it produces a picture of the corner region of the component 8 . The recording and evaluation of the other two corner areas is also possible if possible.

Vereinfacht ist es auch denkbar, nur eine Seite eines Bauteiles 8 mit einer optischen Einrichtung 1 abzubil den und das Bauteil 8 derart zu verschieben, daß seine abgebildete Kante parallel und symmetrisch zu den sichtbaren Pad-Reihen angeordnet ist, insbesondere beidseitig gleichmäßig über die Enden der Pad-Reihen übersteht. Zu diesem Zweck können auf die abgebildete Kante Rasterlinien abgebildet werden, die das Ausrich ten der Kante zu den Pad-Reihen erleichtert.Simplified, it is also conceivable to abbilil only one side of a component 8 with an optical device 1 and to shift the component 8 such that its illustrated edge is arranged parallel and symmetrically to the visible rows of pads, in particular evenly on both sides over the ends of the Pad rows survive. For this purpose, grid lines can be mapped onto the illustrated edge, which makes it easier to align the edge with the rows of pads.

Claims

1. Method for placing a component ( 8 ) on a printed circuit board ( 9 ) by aligning the contact elements ( 11 ) arranged on the side of the component ( 8 ) facing the printed circuit board ( 9 ) to the corresponding contact pads ( 10-1 , 10 -2.. , 10-5 ) of the printed circuit board ( 9 ), characterized in that at least one optical device ( 1 ) is provided, which is at an oblique angle (α) to the plane of the printed circuit board ( 9 ) of at least one Position (I) from an image ( 12 ', 13 ') of one side ( 12 , 13 ) of the component les ( 8 ) and a partial area, which is perpendicular to the circuit board ( 9 ) seen below the component ( 8 ), and that the component ( 8 ) held in a positioning head ( 7 ) can be pushed in such a way that the depicted partial area is aligned with the depicted side of the component ( 8 ).

2. The method according to claim 1, characterized in that images are generated from at least two positions (I, II) and that the component ( 8 ) is displaced such that the images generated in the two positions (I, II) refer to each other the edged component edges and rows of pads are the same if the component ( 8 ) is aligned with the printed circuit board ( 9 ).

3. The method according to claim 2, characterized in that a single optical device ( 1 ) is used, the one with in order to paint in the direction of Nor to the circuit board ( 9 ) axis ( 3 ) ver pivotable arm ( 2 ) by a drive ( 4 ) is pivoted between the two positions (I, II).

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that a video camera ( 1 ) is used as the optical device.

5. The method according to claim 2 to 4, characterized in that the optical device ( 1 ) by the drive ( 4 ) is pivoted back and forth by 180 °, so that they opposite edges ( 12 , 13 ) of the component ( 8 ) recorded.

6. The method according to claim 2 to 4, characterized in that the optical device ( 1 ) by the drive ( 4 ) in 90 ° steps is pivoted through 360 ° so that it images all four edges ( 12 , 13 , 14 , 15 ) of the component ( 8 ).

7. The method according to claim 2 to 4, characterized in that the optical device ( 1 ) by the drive ( 4 ) is pivoted through 90 ° back and forth, so that it images two adjacent edges ( 13 , 14 ) of the component ( 8 ) generated.

8. The method according to claim 2 to 4, characterized in that the optical device ( 1 ) is pivoted back and forth by 180 ° so that it generates images of diagonally opposite corner regions of the component ( 8 ).

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the component ( 8 ) in a positioning nierkopf ( 7 ) is held, its pivoting about the z-axis perpendicular to the circuit board ( 9 ), and / or its displacement in the direction of the contact pad rows ( 10-1 , 10-2 .., 10-5 ) of the printed circuit board ( 9 ) and / or its displacement perpendicular to the contact pad rows ( 10-1 , 10-2 . ., 10-5 ) enables.

10. A device for carrying out the method according to egg nem of claims 1 to 9, characterized in that it has an arm ( 2 ) about an axis ( 3 ) which is perpendicular to the normal to the printed circuit board ( 9 ), on the latter free end of the optical device ( 1 ) is attached such that it creates an image at an oblique angle (α) to the circuit board ( 9 ), and that a drive ( 4 ) for pivoting the arm ( 2 ) is provided.

11. The device according to claim 10, characterized in that the drive ( 4 ) has the shape of an electric motor, which is connected to the arm ( 2 ) by a belt drive or a transmission.

12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that stops ( 20 ) are provided, which determine the positions when pivoting the arm ( 2 ) positions (I, II) of the optical device ( 1 ) and that when a Stop ( 20 ) the direction of rotation of the drive ( 4 ) is reversed.

13. Device according to one of claims 10 to 12, there characterized in that the attacks a Ver Define swivel range of 180 °.