用于将电子元件安装在印刷电路板上的伸缩式真空管 【技术领域】
本发明整体上涉及到光学定位系统，尤其涉及到用于将集成电路安装到印刷电路板上或将集成电路从印刷电路板上拆卸下来的气热焊接/脱焊系统。
【发明背景】
新型电子元件的制造一般涉及到将集成电路这样的电子元件连接到印刷电路板上。首先将这些集成电路放置在电路板上的所需位置上，然后利用受热气体将其焊接到位。由于下述的原因，需要对这种定位和焊接操作进行精确的控制。
集成电路芯片一般包括一组从芯片背部向下延伸的小球或焊柱和/或从芯片的周边向下延伸的小型引线。当装配电子系统时，各个电子元件被顺序放置在一个印刷电路板上，以使向下伸出的引线定位在印刷电路板上的所需位置上；然后将其焊接到位。一般情况下，这种电子元件的放置操作是由能够将元件下移到合适位置上的自动定位系统来完成的。不同的电子元件具有不同的厚度。厚度不仅随电子元件的类型的不同而改变，而且对于某种特定的元件而言，其厚度也是变化的。例如，新型集成电路芯片的厚度可在小至0.5毫米、大至4.0毫米的范围内变化。
因此，当利用自动安装系统安装这些厚度不同的元件时，就需要将元件地厚度纳入考虑范围内。这一点可通过使从元件的底面和侧面伸出的小球或引线和元件定位在同一高度位置上(即，与印刷电路板的表面精确接触)来完成。例如，如果集成电路芯片较厚，那么在将集成电路芯片安装到印刷电路板上时，加工头就不必向下移动很多。相反，如果集成电路芯片较薄，那么当将集成电路芯片的引线安装到印刷电路板上时，加工头就需要移动得略远一些。
不幸的是，尽管现有的元件对准和安装系统可用于通过目测将一个元件沿X和Y方向(即前后方向和左右方向)精确定位在印刷电路板的上方，但是这种对位系统一般不能通过目测将一个元件精确定位在Z方向(即垂直方向)上。这是由于这种对位系统依赖于一个能够观察到元件和印刷电路板的重叠图像的光学定位系统。这种图像能够沿X和Y方向对位，但不能沿Z方向对位。因此，当安装电子元件时，就不能利用这些图像直接观测到加工头向下移动的垂直(即Z)距离。这样，就必须将每个电子元件在安装时元件定位头所移过的垂直(即Z)距离预先编入安装系统中。
可以知道：随着集成电路芯片变得越来越小、越来越薄，焊球矩阵变得越来越复杂，将集成电路芯片精确安装到印刷电路板表面上的操作也变得越来越困难。例如，对于现代集成电路芯片而言，其焊球矩阵已经小到1毫米2。这种焊球矩阵的“间距”(即相邻两个焊球之间的距离)已经小到0.3毫米。这样，由于各个小型焊球呈矩阵状排列，因此将集成电路芯片精确定位在能够不损坏芯片上的微型元件的准备高度位置上就需要一种能够非常精确地控制垂直移动的系统。
【发明内容】
在优选的方案中，本发明提供一种用于将具有不同厚度的多个元件定位在一个元件平台上的系统，该系统包括：一个机架；一个与机架相连接的加工头，该加工头可沿垂直方向移动；一个可容纳在加工头内的伸缩式真空管；一个夹持部件，该部件能够通过操作在真空管已经至少部分安装在加工头内之后相对加工头将真空管牢固保持在一个固定位置上。该夹持部件最好包括一个安装在加工头内的套爪和套管组件。
在其它优选的方案中，本发明提供一种用于将一个元件定位在一个目标表面上的方法，该方法包括：将一个加工头定位在该元件的上方，该加工头设置有一个向下伸出的伸缩式真空管；向下移动加工头，直到真空管与元件的上表面相接触并将真空管推入位于加工头内的缩回位置上；在真空管已被推入加工头内的缩回位置上之后，相对加工头将该真空管保持在一个固定位置上；将加工头提升起来，从而将元件及真空管提升起来；将加工头定位在目标表面的上方；向下移动加工头，以使元件的底面定位在与目标表面相接触的位置上；将该元件从真空管内释放出来。在真空管已经被推入位于加工头内的缩回位置上之后，最好通过移动设置在加工头内的套爪组件上的套管使该真空管相对加工头被固定保持在一个固定位置上。
在优选的方案中，这些元件包括(但并非局限于)电子元件，尤其是集成电路芯片。在优选方案中，元件平台包括印刷电路板。
本发明的一个优点在于：提供了一种能够容易地将具有不同厚度的电子元件定位在印刷电路板上的系统。具体而言，这种放置方法不必考虑各个电子元件的准备厚度仅通过用一个伸缩式真空管来固定这些元件的方式就能够完成。而且，当将各个元件定位在印刷电路板上时，不论元件多厚，保持着元件的加工头仅需要向下移动相同的距离。该优点可根据元件厚度的不同通过使保持着元件的真空管以不同的距离缩入加工头内而得以实现。
本发明的另一优点在于：真空管无需对元件施加一个非常大的下压力就能够将这些元件抓起，以进行安装。这种压力应该被消除掉，因为这种压力将会损坏位于芯片底侧的脆弱的焊球矩阵。该优点是由于下述原因产生的：在抓取元件时，真空管缩入到加工头内。
这样，本发明有利于快速安装元件，从而提高整体装配速度和效率。
【附图说明】
图1A为本发明的一个透视图，其中光学系统在元件安装之前处于缩回状态下；
图1B为本发明的一个透视图，其中光学系统在元件安装之前处于伸出状态下；
图1C为本发明的一个透视图，其中光学系统在元件安装时处于缩回状态下；
图2A为本发明的一个侧视图，该图与图1A相对应；
图2B为本发明的一个侧视图，该图与图1B相对应；
图2C为本发明的一个侧视图，该图与图1C相对应；
图3A为本发明的一个正视图，该图与图1A和1B相对应；
图3B为本发明的一个正视图，该图与图1C相对应；
图4A至4C示出了为进行安装而抓取电子元件时的顺序步骤，具体如下所述；
图4A为本发明在抓取电子元件前的侧视图，图中示出了一个可移动的加工头(该加工头内安装有一个可移动的真空管)定位在电子元件的上方；
图4B为一个侧视图，图中示出了图4A所示的加工头已经下移到能够抓取电子元件的位置上；
图4C是一个侧视图，图中示出了图4B所示的加工头在被提升后导致电子元件也被提升起来的状态；
图5A为一个左右对比图，图中示出了本发明的活动式加工头定位在能够将不同厚度的电子元件提升起来的位置上；
图5B为一个左右对比图，图中示出了本发明的活动式加工头将不同厚度的电子元件提升起来的状态；
图6A为本发明之加工头的剖视图，图中示出了处于伸出状态下的真空管；
图6B为本发明之加工头的剖视图，图中示出了处于缩回状态下的真空管。
对最佳实施例的详细说明
现参照附图，本发明提供一种用于将一个电子元件20定位在一个印刷电路板30或其它垫片或基片上的一个最佳(即目标)位置31处的对位系统10。元件20被一个从活动式加工头25向下延伸的真空管26保持在合适位置上。类似地，印刷电路板30被一个活动式元件平台35保持在合适位置上。
对位系统10包括一个机架15，在该机架15上连接有加工头25和元件平台35。根据本发明，加工头25和元件平台35可独立地沿X和Y方向定位。
在优选的方案中，真空管26可围绕其纵向轴线旋转，从而能够使元件和电路板沿另一维度对位(即，在定位前，元件20能够转动到一个位于元件平台30上方的优选位置上)。
电子元件20最好包括一个集成电路芯片，在该集成电路芯片的底侧或边缘上设置有一组焊球引线21。但是，应该知道：电子元件20并非局限于集成电路芯片，而是包括所有种类的电子或非电子元件。此外，加工头25最好包括一个气热焊接/脱焊加工头，但并非局限于此。相反，加工头25可包括任何种类的元件定位头或物质(例如凝胶体/胶水)涂覆头。
根据本发明，利用伸缩式光学系统40将电子元件20定位在印刷电路板30的一个目标位置31上。伸缩式光学系统40可在一个“推入”或“缩回”位置(如图1A和2A所示)和“拉出”或“伸出”位置(如图1B和2B所示)之间滑动。如图2B所示，该伸缩式光学系统40最好包括一个内置照相机42和一个分光器44(以点划线示出)。
首先，在元件定位前，如图1B和2B所示，部件40被“拉出”。此时，照相机42通过分光器42以下述方式观察到一个图像：使该照相机能够同时看到元件20上的引线和印刷电路板30上的目标区域31。当光学部件40处于“拉出”状态下时，加工头25(沿X和Y方向)移动，从而使元件20大体位于目标区域31的上方。这种移动包括“粗调”定位。
沿X和Y方向人工移动加工头25可按照下述方式进行。加工头25可沿杆27滑动定位。这样，加工头25就可以沿杆27在X方向上滑动定位。类似地，定位臂29可沿杆28滑动，这样臂29就能够沿Y方向前后滑动定位。加工头25的这种X和Y向移动包括加工头25和目标区域31的“粗调”对位。如图1A所示，操作人员最好可将按钮34推至允许加工头25(沿杆27)移动的位置上，或将按钮37推至允许定位臂29(沿杆28)移动的位置上。这样，操作人员最好通过分别按下按钮34和37而使加工头25分别沿X或Y方向定位(同时防止其沿另一方向移动)。当通过手动操作使加工头首先沿X方向、然后沿Y方向(或先沿Y方向、然后沿X方向)定位时，本发明的这种可选特征还有利于使元件精确对位。
在加工头25定位后，元件平台35就会按照下述方式(沿X和Y方向)移动：使印刷电路板30与元件20精确对准。这种移动包括“微调”对位步骤。在优选的方案中，可以手动调节的旋钮36和38可用于转动微调定位螺钉，从而使元件平台35移动。例如，旋钮36可用于沿X向移动元件平台35，旋钮38可用于沿Y向移动元件平台35。可被旋钮36和38转动的定位螺钉最好包括“微米”调节螺钉。例如，在优选的方案中，这种定位螺钉的合适螺距可以为每英寸20至100转。在由本申请人提出的本发明之一个示例性实例中，采用了一种螺距为每英寸48转的定位螺钉。这种微米级的螺钉能够通过手动操作使元件20和目标区域31沿X和Y方向精确对准。在由本发明提供的本发明之一个示例性实施例中，元件平台35的尺寸被设计成能够处理一个8″×10″型印刷电路板30的结构形式。为实现精确的对位，元件平台35只需将印刷电路板30移动一个很小的距离(具体而言，约为±1/4英寸)。
如上所述，如图2B所示，照相机42通过分光器44拍摄图象，该分光器44同时显示处元件20和印刷电路板30的位置。在元件20已经与印刷电路板30的目标区域31精确对准后，光学系统40就会缩回(即：“被回推”到图1A和2A所示的位置上)。此后，如图1C和2C所示，就可以将加工头25下移(即：沿Z方向向下移动)，从而使元件20恰好定位在印刷电路板30的上方。在优选的方案中，这种下移是由能够沿Z方向精确移动的步进电机来控制的。这样，由于加工头25能够以机械方式精确下移，因此就可以确保元件20定位在一个合适的高度位置上，从而使其引线21恰好接触到印刷电路板30。
此时，加热器24(包围着真空管26)释放出热气，这些热气将对元件20进行加热，从而将引线组21焊接到印刷电路板30的最佳目标位置31上。此外，热气还向上流过预热器37(设置在元件平台35的下方)，从而直接对印刷电路板30的下表面进行加热。用预热器37对印刷电路板30的底面进行加热的优点在于：可将电路板加热到一个恰好低于焊料熔点的温度下。因此，仅有少量的热能通过加热器24从元件20的上方作用于加工头25上并将电子元件20焊接到位。如果位于元件平台35下方的预热器37没有向上施加热作用，那么就需要利用加工头25来施加更多的热量。不幸的是，这样就会增大电路板的热振动，从而导致局部加热，这样就会使电路板卷曲。
图4A至4C示出了将电子元件从第一位置(例如元件托架)抓起的连续步骤。此后，电子元件可被放置在一个元件平台或设置在元件平台上的结构(例如印刷电路板)上。
参照图4A，在图中，加工头25定位在电子元件20的上方。元件20定位在表面50上。表面50可表示最初安放有多个元件的任何表面。例如，表面50可表示一个容纳有多个类似的电子元件的托架，这些电子元件将被连接到印刷电路板上。加工头25可向下移动到图4B所示的位置上，加工头25在该位置上与真空管26相接触并将保持在元件20上。根据本发明，真空管26至少部分可以缩入加工头25内。因此，当加工头25向下移动到图4B所示的最终下移位置上时，真空管26至少部分缩入加工头内。当抓取元件时，真空管26通过缩入就可以避免向下推挤该元件。对元件顶部进行向下的推挤将会损坏脆弱的焊球或从元件底面向下伸出的引线。
在真空管26已经缩回后，(即，当加工头25停止向下移动时)，真空管26就会锁定在不能使加工头25移动的位置上。如下所述，真空管26能够通过一个套爪部件保持在加工头25内的一个固定位置上。但是，应该理解：本发明涵盖了所有适合于将真空管26保持在加工头25内的一个固定位置上的系统。
如图4C所示，在真空管26被固定到加工头25内的一个固定位置上时，加工头25可以上移一个距离D1，这样就能够将电子元件20提升到距表面50有一距离D1的位置上。此后，加工头25可定位在元件平台的一个目标位置的上方。这种定位方式可通过移动加工头、移动元件平台，或者最好通过移动加工头和元件平台而得以实现。
此后，加工头25就可以下移到一个能够使元件20恰好定位在印刷电路板30(该印刷电路板被一个元件平台35保持到位)之顶部的位置上(与图4A相似)。此时，真空管26将元件20松开，接着，用加工头25将元件20焊接到元件平台30的合适位置上。
本发明的一个重要优点在于：其可以用于容易地抓取具有不同厚度的元件，而且不论各个元件的厚度如何，都能够将这些元件精确定位在一个印刷电路板(或其它表面或平台)上，具体如下所述。
参照图5A和5B，在图中，加工头25正在抓取具有不同厚度的元件(例如一个薄型元件20A和一个厚型元件20B)。图5A示出了与图4B相同的步骤(即，当加工头25已经向下移动到能够使真空管26锁定在元件20上，从而抓住元件20的位置上)。类似地，图5B示出了与图4C相同的步骤(即，当加工头25已经被提升起来，从而将元件提升起来时)。
如下所述，在最初抓取元件20时，加工头25最好以一个足以使真空管26至少部分缩入加工头25内的距离向下移动。如图5A所示，当加工头25已经定位在能够将较薄的元件20提升起来的位置上时，真空管26仅以一个较小的距离容纳在加工头25内。相反，当加工头25已经定位在能够将较厚的元件20B提起的位置上时，真空管26将进一步缩入加工头25内。这一点尤其有利，具体如下所述。
在真空管26已经抓住元件(20A或20B)之后，真空管26将被锁定在合适的位置上(在该位置上，真空管26不能相对加工头25移动)。此时，加工头25以距离D1向上移动(图5B)。可以看到，这种上升将使元件20A或20B被提升到一个使其底面(及从该底面伸出的引线21)位于表面50上方的位置上并被保持在表面50上方的相同高度上(D1)。
因此，当元件20A或20B定位在一个元件平台30或其它表面上时，仅需要将加工头25向下移动相同的距离(D1)，就能够将各个元件(20A或20B)的引线21放置在与元件平台的顶部直接接触的位置上。例如，如果表面50与印刷电路板30定位在相同的高度位置上，那么当将各个元件(20A或20B)的引线21定位在印刷电路板20上时，仅需要将加工头下移相同的距离D1。这样，当将厚度不同的元件放置在印刷电路板的表面上时，就可以将这些或厚或薄的元件向下精确移动相同的距离。
如上所述，当加工头25首先向下移动到能够抓取元件的位置上时，而且在真空管26与元件20的上表面相互接触之后，真空管26最好部分容纳在加工头25内。
根据本发明，提供一种用于将真空管26可靠锁定在加工头25内的一个固定位置上的示例性系统。参照图6A和6B，该系统设置有一个可移动的套筒和套爪组件60。图6A示出了处于伸出位置上的真空管26。在图6A所示的加工头25已经下移到合适位置上(真空管26抓住元件20(未示出))时，真空管26将被向上以距离D2推入加工头25内。
如图6B所示，在真空管26缩回后，套管61(最好通过弹簧的偏压)向上移动，以使套爪61收缩到一起，从而将真空管26保持在一个固定位置上。套爪旋纽63最好从加工头25的前部伸出，这样，操作人员就能够通过简单地转动旋纽63就可以手动旋转真空管26。这样，该部件的另一优点就在于：元件20能够被人工(围绕一个穿过真空管26纵向延伸的轴线)转动到一个最佳的位置上，这样就可以将其安放在一个元件平台30上。(见图1A中的旋纽63)。
图6A示出了套管61受到向下的推压，这样套爪62就不会“夹持”在真空管26上，这样就限制了它的移动。
该系统的另一优点在于：本发明能够检测到真空管26已经开始收缩，而且知道真空管26已经与元件20相互接触。