(57)【要約】  ピックアンドプレースマシン（１０、２０１）は、配置のために、部品（３０４）を解放可能に把持するように構成された配置ヘッド（２０６）を含む。ロボットシステムは、配置ヘッド（２０６）に結合されて、配置ヘッド（２０６）と工作物（２０３）との間の相対運動を生成する。画像取得システム（３０５）は、部品（３０４）が配置される前に、意図された部品（３０４）配置（３５２）位置の少なくとも一つの画像を取得するように構成される。制御部（２９８）は、画像取得システム（３５０）に動作可能に結合され、制御部（２９８）は、少なくとも一つの配置前画像を処理して、意図された配置位置（３５２）にデポジットされた半田（３５４、３５６）に関連する基準値を生成するように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配置のために、部品を解放可能に把持するように構成された配置ヘッドと、
配置ヘッドに結合されて、配置ヘッドと工作物との間の相対運動を生成するロボットシステムと、
部品が配置される前に、意図された部品配置位置の少なくとも一つの画像を取得するように構成された画像取得システムと、
画像取得システムに動作可能に結合され、少なくとも一つの画像を処理して、意図された配置位置にデポジットされた半田ペーストに関連する基準値を生成するように構成された制御部と、
を含む、ピックアンドプレースマシン。
【請求項２】
基準値が、半田ペーストデポジットの幅である、請求項１記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項３】
基準値が、半田ペーストデポジットの長さである、請求項１記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項４】
基準値が、工作物上の半田ペーストデポジットの位置である、請求項１記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項５】
制御部が、半田ペーストデポジットの位置に基づいて、部品配置を調整するようにさらに構成される、請求項４記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項６】
部品配置の調整は、別に予めプログラムされた配置位置からの偏差を生成することを含む、請求項５記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項７】
部品配置の調整は、配置動作を中止することを含む、請求項５記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項８】
画像取得システムがストラクチャードイルミネータを含み、基準値が半田ペーストデポジットの高さである、請求項１記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項９】
制御部が、前記高さに基づいて、半田ペーストデポジットの量を算出するように構成される、請求項８記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１０】
算出された量が、事前の情報と比較されて、デポジットが許容可能であるかが判断される、請求項９記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１１】
ストラクチャードイルミネータが、レーザ照射を生成する、請求項８記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１２】
ストラクチャードイルミネータが、パターン化された強度の変動を有する照射を生成する、請求項８記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１３】
照射が、正弦波フリンジパターンである、請求項１２記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１４】
画像取得システムが、配置ヘッドに搭載される、請求項１記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１５】
ピックアンドプレースマシンを用いて、プリント回路基板上の半田ペーストデポジットを検査する方法であって、
プリント回路基板上の意図された配置位置の、少なくとも一つの配置前画像を得ることと、
半田ペーストデポジットに関連する、配置前画像の一部を抽出することと、
半田ペーストデポジットに関連する、少なくとも一つの基準値を算出することと、
を含む方法。
【請求項１６】
基準値が、半田ペーストデポジットの幅である、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
基準値が、半田ペーストデポジットの長さである、請求項１５記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１８】
基準値が、工作物上の半田ペーストデポジットの場所である、請求項１５記載のピックアンドプレースマシン。
【請求項１９】
少なくとも一つの基準値に基づいて、部品を配置する前に、部品の配置を調整することをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
配置のために、部品を解放可能に把持するように構成された配置ヘッドと、
配置ヘッドに結合されて、配置ヘッドと工作物との間の相対運動を生成するロボットシステムと、
工作物上の半田ペーストデポジットを光学的に検査するための手段と、
を含む、ピックアンドプレースマシン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
ピックアンドプレースマシンは、一般的に電子回路基板を製造するために用いられる。通常、未加工のプリント回路基板がピックアンドプレースマシンに供給され、次にこのマシンは部品供給部から電子部品をピッキングし、その部品を基板上に配置する。部品は、半田ペーストが溶けるかまたは接着剤が完全に硬化するその後のステップまで、半田ペーストまたは接着剤により、基板上に一時的に保持される。
【０００２】
［発明の背景］
ピックアンドプレースマシンの動作は興味深い。マシン速度がスループットに対応するため、ピックアンドプレースマシンが高速で動くほど、製造された基板はより安価になる。加えて、配置精度はきわめて重要である。多くの電気部品、たとえばチップコンデンサ及びチップ抵抗は比較的小さく、同じ程度に小さな配置位置に正確に配置しなければならない。他の部品は、より大きめのものでも、互いに比較的細かいピッチで間隔を置いた相当数のリード線または導体を有する。そのような部品もまた、各リード線が適切なパッド上に配置されることを確実にするために、正確に配置しなければならない。このように、マシンがきわめて高速で動作しなければならないだけでなく、部品もきわめて正確に配置しなければならない。
【０００３】
基板製造の質を向上させるために、一般的に、完全にまたは部分的に実装された基板は、配置作業後、半田リフローの前後両方で検査され、不適切に配置されたか、または欠落しているか、もしくは起こり得るさまざまなエラーかのいずれかである部品を特定する。このような動作を行う自動システムは、半田リフローの前に部品配置の問題を特定する助けとなるという点で、非常に有用であり、再加工の対象となるリフロー後に欠陥のある基板の、再加工または特定を実質的により簡単に行うことが可能となる。このようなシステムの一例は、Ｍｏｄｅｌ  ＫＳ  Ｆｌｅｘの商標名で市販され、ミネソタ州ゴールデンバレーのＣｙｂｅｒＯｐｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能である。このシステムを用いて、配列および回転エラー、欠落したまたははじき飛ばされた部品、パーツが長辺の縁に不適切に置かれた場合のビルボード、パーツが短辺の縁に不適切に置かれた場合のツームストーン、パーツがその通常の向きとビルボード又はツームストーンの向きとの間に向けられた場合の部分的なビルボード及びツームストーン、部品欠陥、正しくない極性、および誤った部品といった問題を特定することができる。リフロー前のエラーの特定は、多数の利点を提供する。再加工がより簡単になり、閉ループ製造制御を容易にし、エラーの生成と対処との間にある工程中の作業がより少なくなる。このようなシステムは大いに有用な検査を提供する一方で、プラントのフロアスペースの他、プログラミング時間、メンテナンスの手間等を費やす。
【０００４】
ピックアンドプレースマシン自体の内部にある配置後検査の利点を備えるための、一つの比較的最近の試みが、Ａｓａｉらの米国特許第６,３１７,９７２号に開示されている。この参考文献は、電気部品を取り付けるための方法を報告しており、その中では、部品配置前に取付位置の画像が得られ、部品配置後の取付位置の画像と比較して、部品レベルで配置動作を検査する。Ａｓａｉらの開示は、マシン内部の部品レベルの検査を使用して部品配置動作を検査するという一つの試みを明らかにしているものの、部品をピックアップするプロセスで、部品の向きのエラーもまた発生する可能性がある。このプロセスには、ピックアンドプレースマシンの全体の動作の質に対する課題および大きな要因が残されている。
【０００５】
半田ペーストを利用して、回路基板上に部品を一時的に保持し、後で回路基板に部品を電気的および機械的に結合することは、今日の電子アセンブリ作業にとって肝要である。たとえば、単一の部品の単一のパッドの半田ペーストが正しく配置されないと、部品と回路基板との間に必要な電気接触を生成できない場合がある。さらに、正しく配置された半田パッドであっても、単に量が多すぎる半田ペーストとともに配置されると、回路基板の２つの隣接した部分の間で、間違って電気接続を生成する場合があり、それによって、望ましくない短絡を起こす。またさらには、半田ペーストおよび／または部品パッドの特性が、最終的に半田が溶けて、永久的な接続を形成するまで、工作物上に部品を一時的に保持する半田ペーストの性能に影響することがある。
【０００６】
一般的に、スクリーン印刷作業中に、プリント回路基板全体に半田ペーストが塗布される。回路基板の半田パッドのネガ像を含むスクリーンを回路基板に近づけ、スクリーンを通して半田ペーストを根本的に押し出して、個々のデポジットを生成する。場合によっては、半田は、スクリーンの個々の開口内部で固着するか、あるいは引っかかることがある。このことが生じると、半田ペーストは、回路基板の所定の部分には全く存在しない場合がある。半田ペーストが正しくデポジットされることを確実にするために、場合によっては、組み立てラインで半田ペースト検査装置が用いられる。そのような半田ペースト検査装置の一例は、ＳＥ  ３００（商標）Ｕｌｔｒａの商品名で販売され、ミネソタ州ゴールデンバレーのＣｙｂｅｒＯｐｔｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより入手可能である。しかし、最先端で高度な半田ペースト検査装置であっても、依然として、かなり相当額の設備投資に加え、電子アセンブリプラントでの貴重なフロアスペースの占有を必要とする。専用の半田ペースト検査装置の使用を必要とせずに、半田ペースト検査機能を提供することは、電子アセンブリ技術の相当な利点となるであろう。
【０００７】
［発明の概要］
ピックアンドプレースマシンは、配置のために、部品を解放可能に把持するように構成された配置ヘッドを含む。ロボットシステムは、配置ヘッドに結合されて、配置ヘッドと工作物との間の相対運動を生成する。画像取得システムは、部品が配置される前に、意図された部品配置位置の少なくとも一つの画像を取得するように構成される。制御部は、画像取得システムに動作可能に結合され、制御部は、少なくとも一つの配置前画像を処理して、意図された配置位置にデポジットされた半田に関連する基準値を生成するように構成される。
【０００８】
［詳細な説明］
図１は、本発明の実施形態が適用可能である代表的なカーテシアンピックアンドプレースマシン２０１の概略図である。ピックアンドプレースマシン２０１は、搬送システムまたはコンベア２０２を介して、工作物、たとえば回路基板２０３を受け取る。その後、配置ヘッド２０６は部品供給部（図示せず）から、回路基板２０３上に搭載される一個以上の電気部品を得て、ｘ、ｙおよびｚの方向へ移動し、回路基板２０３上の適切な位置に適切な向きで部品を配置する。配置ヘッド２０６は、複数のノズル２０８、２１０、２１２を含み、複数の部品をピッキングすることができる。いくつかのピックアンドプレースマシンは、各ノズル上の部品位置及び向きを確認するために、部品を撮像するための固定カメラの上を移動する配置ヘッドを使用することができる。また、配置ヘッド２０６は、下向きのカメラ２０９を含んでも良く、一般的には、これを用いて、回路基板２０３上の基準マークの位置を見付け、回路基板２０３に対する配置ヘッド２０６の相対位置を容易に算出することができるようにされている。
【０００９】
図２は、本発明の実施形態がさらに適用可能である代表的なロータリータレットピックアンドプレースマシン１０の概略図である。マシン１０は、マシン２０１と類似したいくつかの部品を含み、同様の部品には同じ番号が付されている。タレットピックアンドプレースマシン１０では、回路基板２０３が、コンベアを介してｘ−ｙステージ（図示せず）上に載せられる。ノズル２１０は、メインタレット２０に取り付けられ、ロータリータレットの周囲に一定の角度間隔で配設される。各ピックアンドプレースサイクルの間、タレット２０は、隣接する配置ノズル２１０の間の角度間隔と等しい角度間隔を割り出しする。タレット２０が所定位置へ回転し、回路基板２０３がｘ−ｙステージによって位置を定められた後、配置ノズル２１０は所定のピッキングポイント１６において、部品供給部１４から部品３０４（図３に示す）を得る。この同じ間隔の間、別のノズル２１０は予めプログラムされた配置位置１０６で、回路基板２０３上に部品３０４を配置する。加えて、タレット２０がピックアンドプレース動作を中断する間、上向きのカメラ３０は別の部品３０４の画像を取得し、これによりその部品の配列情報が提供される。この配列情報を用いて、ピックアンドプレースマシン１０は、配置ノズル２１０が数ステップ後に部品３０４を配置するように位置を定められたとき、回路基板２０３の位置を定める。ピックアンドプレースサイクル完了後、タレット２０は次の角度位置を割り出し、回路基板２０３はｘ−ｙ方向に再度位置を定められて、配置位置を、配置位置１０６に対応する場所へ移動させる。
【００１０】
図３は、ピックアンドプレースマシンの配置ヘッド２０６のノズル２１０上に、一時的に保持された部品３０４の概略図である。好ましくは、画像取得システム３５０は、配置ヘッド２０６に結合されるか、あるいは一体化され、配置位置３５２の画像を、位置３５２上に部品３０４が配置される前に取得するように配設される。システム３５０は、システム３５０によって得られた画像を処理するための好適な制御部２９８に結合されるか、または内蔵される。制御部２９８は、ピックアンドプレースマシン全体向けの制御部にしてもよく、その場合、制御部２９８は、配置ヘッド２０６にさらに結合される。システム３５０は、組み込み型の部品検査ベースのシステムで現在用いられている任意の画像取得システムに従ったものであってよく、そのようなシステムは、米国特許出願第１０／２９１，０７４号、２００２年１１月８日出願、発明の名称ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ、第１０／９７０，３５５号、２００４年１０月２１日、発明の名称ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ、第１０／９７８，６８７号、２００４年１１月２１日、発明の名称ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＷＯＲＫＰＩＥＣＥ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ、第１０／９７９，７５０号、２００４年１１月２日、発明の名称ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＩＭＰＲＯＶＤ  ＳＥＴＵＰ  ＯＰＥＲＡＴＩＯＮ  ＰＲＯＣＥＤＵＲＥ、第１１／１３１，９２６号、２００５年５月１８日、発明の名称ＩＭＡＧＥ  ＡＮＡＬＹＳＩＳ  ＦＯＲ  ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥＳ  ＷＩＴＨ  ＩＮ  ＳＩＴＵ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮ、および第１１／１８５，９２０号、２００５年７月２０日、発明の名称ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮに開示されている。図３に図示されるように、位置３５２は、複数の半田ペーストデポジット３５４、３５６を含む。これらの半田ペーストデポジット３５４、３５６は、その上に部品３４０を配置する前に取得された位置３５２の任意の画像内で、画像取得システム３５０にて明確に見て取れる。たとえば、図４は、Ｒ２７と標記された特定の部品配置位置の配置前における画像の、一つの具体例としての図を提供している。Ｒ２７と標記されたチップ抵抗を受け取るために、一対の半田ペーストデポジットが見て取れる。任意の好適な画像解析または処理技法を用いて、対象となる個々の半田ペーストデポジットを、より高度な解析のために隔離させることができる。たとえば、図５は、チップ抵抗Ｒ２７を保持することになる、一対の半田ペーストデポジットのみを図示している具体例としての概略図である。図５は、半田ペーストの外観を識別するのに利用する任意の種類のアルゴリズムを用いて、どのようにして配置前画像の中に存在する他の形から半田ペーストを区分できるかについての、一つの具体例としての図示である。Ｒ２７用の半田ペーストデポジットは評価されることができ、任意の好適な基準値を算出することができる。たとえば、好適な基準値は、半田ペーストデポジットのサイズおよび形状を含む。加えて、または他の方法では、配置された部品の配置後画像を用いて、対象となる特定の半田ペーストデポジットの相違点を強調表示するか、あるいは検出することができる。たとえば、すべての半田ペーストデポジットが、配置前画像で見ることができる範囲内にある場合、配置された部品によって覆われたそれらの半田ペーストデポジットは、後に取得される配置後画像では見えなくなるであろう。したがって、配置前画像を配置後画像と対比させることにより、配置前画像に適用されたときに、対象となる半田ペーストデポジットを有効に区分する、対象となる領域を生成することができる。もちろん、他の技法を用いて、対象となる半田ペーストデポジットを区分するか、あるいは焦点を合わせることができる。
【００１１】
本発明の一つの実施形態では、配置位置の単一の配置前画像が取得される。この単一の配置前画像を用いて、半田ペーストに対する二次元画像解析を行うことができる。そのような解析は、半田ペーストの量が半田ペーストデポジットの長さおよび幅に影響する範囲で、半田ペーストが正しい場所に塗布されたか、および／または正しい量の半田ペーストが塗布されたかを判定するのに役立たせることができる。しかし、各画像が異なる視点からのものである複数の配置前画像が取得される場合があるということも予想される。たとえば、各システム３５０が異なる視点から位置３５２を観察している複数の画像取得システム３５０が用いられるかも知れない。複数の画像取得システムが各々の配置前画像を取得すると、２つまたはそれ以上の画像を用いて、既知の立体視処理技法によって、奥行情報を提供することができる。ピックアンドプレースマシンに組み込まれた部品検査に関連する奥行情報を提供するための、複数の画像取得システムの利用例は、米国特許出願第１０／２９１，０７４号、２００２年１１月８日出願、発明の名称ＰＩＣＫ  ＡＮＤ  ＰＬＡＣＥ  ＭＡＣＨＩＮＥ  ＷＩＴＨ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  ＩＮＳＰＥＣＴＩＯＮに見出すことができる。
【００１２】
他の方法では、複数の画像取得システムのそれぞれおよび／または両方は、配置位置３５２上にストラクチャードイルミネーションを提供することができるストラクチャードイルミネータを含むことができる。ストラクチャードイルミネーションの利用は、レーザ光の利用および／または光の利用を含み、その強度は、設定されたパターン、たとえば正弦波フリンジパターンに従って変動する。位置３５２上にストラクチャードライトを提供することは、単一の画像取得システムからの単一の配置前画像を用いて導き出すことができる奥行情報を考慮している。したがって、本発明の実施形態は、二次元の半田ペースト長さおよび幅に関してのみならず、高さに関する情報も導き出すことが可能になる。このように、デポジットされた半田ペーストの総量を算出して事前の情報と比較し、十分な半田ペーストがデポジットされていることのみならず、過剰な半田ペーストがデポジットされていないことも確実にする。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、半田ペースト検査は、部品が配置される直前に、リアルタイムで行われるため、個々の部品の配置は、個々の半田ペースト検査の結果に応じて変動させることができる。たとえば、一対の半田ペーストデポジットが、わずかに誤配置された、たとえば一方向に傾いている場合、部品の配置が同様に傾けられる、たとえば、わずかに誤配置された半田デポジットの真上に部品を載置することができる。このように、半田ペーストデポジット自体との電気的または機械的接続は、部品が、わずかに誤配置された半田ペーストデポジット上で、標準的な位置に配置された場合よりもはるかに堅固になる。したがって、本発明の実施形態は、さらなる相当な設備投資を必要とすること、またはピックアンドプレースマシンのスループット時間を、現在最先端の電子アセンブリマシンよりも増大させることなく、電子装置の堅牢性を実際に改善することができると考えられる。
【００１４】
図６は、本発明の実施形態の、電子アセンブリマシンを作動させる方法のフロー図である。方法５００はブロック５０２で開始し、ここで、ピックアンドプレースマシン内部の意図された配置位置の少なくとも一つの配置前画像が取得される。次に、ブロック５０４で、配置前画像から、半田ペースト画像が抽出される。前述のように、配置前画像から半田ペースト画像が抽出される方法は、任意の好適な形態を取ることができる。次に、ブロック５０６で、半田ペースト画像に関連する基準値が計算される。好適な基準値の例は、半田ペーストデポジットの位置、半田ペーストデポジットの長さ、半田ペーストデポジットの幅、半田ペーストデポジットの高さ、半田ペーストデポジットの量、またはそれらの任意の組合せを含む。ブロック５０８で、ブロック５０６で計算された基準値が報告される。そのような報告の例は、後の解析および／または検証のために、基準値を記憶５１０することを含む。さらに、基準値の報告は、好適な警報５１２を生成する形態を取ることができる。仮想線のブロック５１４で示されるように、部品の配置は、ブロック５０６で計算された基準値に基づいて調整することができる。このように、ブロック５１４に示されるように、部品の配置は、基準値に基づいて随意に調整される。そのような調整の例は、計算された基準値に基づいて、別にプログラムされた配置位置からの偏差を生成すること、および／または部品配置動作を一斉に中止することを含む。
【００１５】
好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者においては、本発明の本質および範囲から逸脱することなく、形態および細部に変更を加えてもよいことが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態を実施することができる、カーテシアンピックアンドプレースマシンの概略図である。
【図２】本発明の実施形態を実施することができる、タレットピックアンドプレースマシンの線図である。
【図３】ピックアンドプレースマシンの配置ヘッドのノズル上に一時的に保持された部品の概略図である。
【図４】特定の部品配置位置の配置前画像の具体例としての概略図である。
【図５】チップ抵抗を保持することになる一対の半田ペーストデポジットのみを図示する具体例としての図である。
【図６】本発明の実施形態の、電子アセンブリマシンを作動させる方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2009514234.tif 000009
2009514234.tif 000010
2009514234.tif 000011