細距電子元件放置方法及設備的製作方法
2023-12-07 20:05:31
專利名稱：細距電子元件放置方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於在印刷電路板上精確放置細距電子元件的方法和設備，特別涉及用於在印刷電路板上精確放置細距電子元件以進行重新加工或修理的方法和設備。背景和發明綜述細距電子元件設計為安裝在印刷電路板上的小空間內。一種細距電子元件是四列扁平封裝件(QFP)，一種具有從主體四個側面伸出的導線的矩形元件。QFP可具有208根在0.020英寸的間距上間隔開的導線，導線間的間隔為0.010英寸。其它的型式有球柵陣列(BGA)和柱柵陣列(CGA)元件，其分別具有用於與印刷電路板接觸的位於主體底面上的許多球或柱。
由於導線或引線間隔非常小，細距電子元件不能用手容易地放置在印刷電路板上。當印刷電路板上已經組裝了其它元件或裝置時，在重新加工或修理時放置細距電子元件就更加困難了。元件間的間距可以小到0.035英寸，這使得重新加工元件的操作更加困難。
可以利用帶有複雜視覺系統的自動或半自動機器在印刷電路板上放置細距電子元件。也可使用利用拆分光學視覺系統的手動裝置。但是對於少量組裝或者修理或者重新加工來說，這兩種機器是極其昂貴的。此外，手動機器不具有釺焊膏印刷能力，所以必須為該目的提供另外的設備。
釺焊膏篩選法是在印刷電路板上提供適量焊料可選方法。在原始組裝工作中，型板放置在整修電路板上，同時焊料塗抹在整個箔型上。在處理或重新加工時，組裝在電路板上的元件使型板印刷變得複雜，元件會與型板的放置產生幹涉。
本發明提供了克服該技術中的缺點的方法和設備。該方法和設備可用於小量生產或樣品製作，用於放置單個元件和塗抹釺焊膏。本發明還可在重新加工或修理時用於替換組裝有元件的印刷電路板上的單個元件。
本發明的設備包括一模板，其可精確地確定元件的安裝位置和釺焊膏型板的位置。模板做成具有與用其定位的元件大體相同的空間覆蓋面積，從而可容易地放置在組裝有元件的印刷電路板上。
模板包括用於使電子元件對準的裝置，接收元件插腳引線的許多凹陷或孔，以及用於對準模板上的型板的裝置，最好是與型板邊緣上的凹口對正的小凸出部分。
根據本發明，模板包括用於利用膠帶將模板固定在印刷電路板上的窗口和在中間部分形成的支架。支架提供了模板上的膠帶粘接位置。窗口允許粘在模板上的膠帶附著在印刷電路板上。通過把模板固定在周邊輪廓內的區域內，模板就可容易地放置在組裝有元件的電路板上。支架凹入到模板上表面的下面，這樣粘在模板上的膠帶就不會與在模板上進行對準的元件幹涉。
根據替代實施例，模板包括由凹入的支架連接的板，板限定元件插腳引線型的對角。模板通過把膠帶交叉粘在支架上來固定在印刷電路板上的由模板四角限定的矩形輪廓內。與前面的實施例一樣，支架凹入以使膠帶比模板的上表面低。
型板包括用於在印刷電路板上塗釺焊膏的孔和用於將型板與模板對準的凹口。
當對準後，利用一雙頭拾取裝置將元件和型板從模板上提升起來。根據一優選實施例，拾取裝置使用真空拾取頭。作為另外一種選擇，可使用其它可提升並保持元件及型板的裝置，例如，磁拾取裝置，夾緊拾取裝置或利用粘合劑的拾取裝置。附圖簡要描述通過結合附圖參考下面的詳細描述可以更好地理解本發明，其中
圖1所示為根據本發明的用於BGA元件的對準模板的俯視圖；圖2所示為用於QFP元件的對準模板的俯視圖；圖3所示為BGA模板的替代實施例；圖4所示為QFP模板的替代實施例；圖4A是根據本發明的模板的另一替代實施例；圖5所示為位於印刷電路板上用於定位電子元件的模板的剖面圖；圖6所示為BGA或CGA釺焊膏型板的俯視圖；圖7所示為QFP釺焊膏型板的俯視圖8所示為帶有提升架的焊料型板的透視圖；圖9所示為根據本發明的包括雙頭拾取裝置的設備的示意圖。
詳細描述在圖1和圖2的替代實施例中表示了根據本發明的裝置，該裝置用於在印刷電路板上精確放置細距電子元件，其包括一對準模板。模板可放置在印刷電路板上的電子元件用的箔型位置上，用於把電子元件和釺焊膏型板與箔型對準。圖1中的模板20是用於球柵陣列(BGA)的，圖2中的模板40是用於四列扁平封裝(QFP)件的。本發明的原理和優點對於每種模板都是相同的，並通過下面的描述得到理解。
如下面更詳細解釋的，根據本方法，模板放置在印刷電路板上以覆蓋電子元件用的箔型，電子元件放置在模板上，從而與箔型對準。然後通過一加索引提升裝置把元件從模板上提起來，把焊料型板放置在模板上並與箔型對準。然後還是通過一加索引提升裝置把型板從模板上提升起來。把模板從印刷電路板取下並把型板重新放置到對準的位置，當通過型板向箔型上塗釺焊膏時，通過提升裝置壓下型板。然後取下型板，並把元件重新放置到其對準的位置。然後可以加熱元件和電路板以把元件焊接到位置上。
圖5是放置在印刷電路板10上的BGA模板20的剖面圖。BGA電子元件14放置在模板20上。
模板20、40包括平臺22、42，平臺提供了基本平面的上表面23、43，電子元件放置在該上表面上以對準定位。上表面23、43包括對準裝置，對準裝置在BGA模板20中是以相應於箔型精確形成的圖樣布置的許多圓孔或凹陷24。如圖5中所示，孔24允許元件的球的下曲面放入。用於柱柵陣列(CGA)元件的模板與BGA模板相似，並具有相似圖樣的孔。但是因為CGA元件的柱實際上插入到孔中，所以與BGA模板的孔相比，CGA模板中的孔要相應地大一些，以為柱提供空間並提供一些間隙。除了孔的尺寸以外，應該理解對BGA模板的描述也適用CGA模板。在QFP模板40中，對準裝置是以相應於箔型精確形成的圖樣布置的許多矩形封閉凹進部分或凹陷44，其接收QFP的導線。
模板20、40還包括檢視孔26、46，用於把模板精確定位在印刷電路板上的箔型位置上。利用裸眼或通過放大裝置將檢視孔與印刷電路板上的箔型對準。至少提供兩個檢視孔以精確定位，模板最好至少包括四個檢視孔。在QFP模板40中，檢視孔位於表面43的四個角上，最好位於每個直線凹進部分陣列的端部。在BGA模板20中或CGA模板中，圍繞上表面23的周邊提供了許多檢視孔26。
模板20、40還包括用於在模板上對準釺焊膏型板的裝置(表示在圖6和7中)。對準裝置包括從平臺22、42向上突出的小凸出部分28、48。至少兩個小凸出部分，最好四個小凸出部分位於模板的外周邊緣上。小凸出部分28、48與型板中的凹口接合以在模板上對準型板，這將在下面進一步描述。可取的是，小凸出部分不與平臺完全垂直，使得小凸出部分之間的距離在遠離平臺的地方變寬，這會促進型板在小凸出部分之間的定位。
模板20、40包括位於模板周邊輪廓內的窗口30、50。在窗口30、50的相對邊上有支架32、52。支架32、52凹入到低於上表面23、43。窗口30、50提供了把模板固定在模板周邊輪廓內的印刷電路板上的裝置。這樣，根據本發明的模板不需要超過模板周邊輪廓的額外空間，使其適於與組裝有元件的印刷電路板一起使用。膠帶18(表示在圖5中)伸展跨過窗口30、50並粘到支架32、52上。可以在支架32、52和上表面23、43之間限定的邊緣34、54處修剪膠帶。最好支架凹陷量至少要相應於膠帶的厚度，通常約為0.002英寸。
膠帶支架32、52允許膠帶位於模板20、40的上表面23、43下面，這樣膠帶就不會與在模板上對準的電子元件14幹涉。
帶有橫跨窗口30、50的膠帶的模板20、40可容易地放置在印刷電路板上，並進行移動以將檢視孔26、46與印刷電路板上的箔型對準。當模板正確對準後，通過窗口30、50壓膠帶以把模板固定在位置上(如圖5中所示)。最好使用高粘性膠帶，其不會在電路板上留下殘餘物。當然，還可使用其它形式的膠帶，但在取下模板後和塗焊料之前需要清潔印刷電路板。
如可從圖5中看到的，窗口30、50允許模板20、40以最小的周邊輪廓或覆蓋面積形成。超過檢視孔和對準孔的邊緣的尺寸保持最小，其足以支承孔並提供模板上的小凸出部分28、48和元件間的間隙。其結果是，模板20、40僅比用模板定位的元件稍大一點。這允許把模板放置在組裝有元件的電路板上。
圖3和4表示了模板的替代實施例，該模板也符合在模板的周邊輪廓內提供固定裝置的原則。在圖3中，通過與圖1對比可以理解，BGA模板120包括平臺122、124，平臺限定了箔型的對角。與圖1模板20的支架相似，連接平臺122、124的橋接件126凹入到低於平臺的上表面。平臺122、124包括型板對準小凸出部分130、檢視孔132和功能為如上所述的對準孔或凹陷134。
圖4表示一種替代QFP模板140，其包括限定QFP箔型的對角的平臺142、144。平臺142、144通過橋接件146連接，橋接件凹入到低於平臺的上表面。用於對準元件的凹陷150的圖樣形成在平臺上，並且包括了用於把模板與印刷電路板上的箔型對準的檢視孔152。用於使模板140上的型板定位和對準的小凸出部分156從平臺142、144向上突出。
基於橋接設計的另一個替代模板180表示在圖4A中。所示模板180帶有用於QFP元件的對準圖樣，但是當然也可做成用於其它元件。平臺182、184限定箔型的側邊並通過橋接件186連接。其它的變化對於該技術領域的普通技術人員是可想像得到的。
模板120、140可固定到印刷電路板上的最小表面區域內。如從圖中可以看到的，一塊膠帶可以交叉固定在橋接件126、146上並向下粘到模板120、140周邊輪廓內的印刷電路板上。
模板20、40(120、140)由可形成薄板結構的耐用材料構成，如不鏽鋼。模板可便利地通過例如衝壓工序、化學蝕刻或雷射加工形成。
模板20、40(120、140)還用於定位釺焊膏型板，使其與印刷電路板上的箔型對準。圖6表示的是用於BGA或CGA元件的型板60。圖7表示的是用於QFP元件的型板70。型板60、70由薄的耐用材料製造，例如金屬，最好是不鏽鋼以防止腐蝕。
型板60、70包括平面62、72，平面具有用於向印刷電路板塗釺焊膏的許多孔64、74。孔64、74的形狀和孔布置的圖樣與印刷電路板上的用於電子元件導線或插腳引線的箔型相對應。型板60、70還包括在型板周邊上的凹口66、76，用於與模板上的小凸出部分28、48、130、156(圖1-4)配合。當型板60、70放置到模板上時，凹口66、76接收模板中的小凸出部分以對準模板上的型板。
型板60、70還包括位於周邊上的擋板68、78，以防止在塗釺焊膏過程中釺焊膏流過型板邊緣流到印刷電路板上。擋板68、78形成在型板60、70的至少兩個側邊上，根據需要也形成在其它的側邊上。
型板60、70的中心區域是實心的，即不帶型板印刷孔，用作提升裝置的接觸區，提升裝置最好是真空頭裝置，其結合圖9有更詳細的描述。如圖7中所示，對於QFP元件，其中導線從元件的側邊橫向伸出，可以使用較大的中心區域。然而對於BGA或CGA元件，型板印刷孔可能佔據中心區域的相當大一部分，並且可能佔據整個中心區域以連接球或柱。這給提升裝置頭留下很小的接觸區域空間或者沒留接觸區域空間。即使有接觸區域，在提升裝置頭周圍只有很小的用於塗焊料的間隙。在這種情況下，可以在型板上連接一個框架為提升裝置提供接觸裝置。圖8所示為附著有框架90的BGA/CGA型型板60。框架90包括通過附著在擋板68上的腿94支撐在型板20上的上平面92。還可使用其它用於接觸提升裝置的合適的框架或結構。例如，如果使用夾緊提升裝置而不是真空頭裝置，那麼可以在型板上附著被夾頭夾持的簡單的柱裝置。
型板60、70的形狀最好做成在底側，即面向印刷電路板的一側稍稍凹入彎曲。根據該方法，在型板印刷過程中，型板通過提升裝置放置在並保持貼靠在印刷電路板上。通過由提升裝置施加的向下的壓力，這種輕微的凹入彎曲迫使型板的整個底面與印刷電路板接觸。這保證焊料塗孔也箔型正確對準，這樣釺焊膏就會通過型板孔正確塗抹。
圖9示意性地表示了根據本發明的設備和方法。印刷電路板10支撐在底座100上，底座是平直的穩定平臺。定位銷110(僅示出一個)安裝在底座100上，並插入到在印刷電路板上通常提供的定位孔112中。銷110可安裝在底座100上任何便利的位置上以對應定位孔112，用於把印刷電路板保持在固定的位置上。一模板放置在印刷電路板10上，並利用模板中的檢視孔與箔型對準。膠帶18已經如前所述粘到模板20、40上，通過窗口30、50(或跨過橋接件126、146)壓膠帶以將模板固定在印刷電路板10上的正確對準的位置上。如將會注意到的，由於固定裝置允許的小覆蓋面積，所以根據本發明的模板可以無困難地放置在組裝有元件的電路板上。
然後把一電子元件14放置在模板上並進行操縱，使導線、球或柱(統稱為「插腳引線」)落入到對準凹陷或孔(圖5中所示)中。元件將在孔或凹陷中就位並且不易從中離開，產生元件已經對準的觸覺指示。此外，當對準時，在元件周圍的均勻邊界上也可觀察到視覺指示。
當電子元件在模板上對準時，提升裝置120的第一頭122下降到與元件接觸，以固定元件進行提升。最好使用真空頭裝置。作為另外一種選擇，拾取頭可以利用夾緊裝置、磁拾取裝置或簡單的粘性接觸頭。儘管所示提升裝置120的頭122、124為並排的，但這只是為了表示方便。提升裝置120的兩個頭最好在模板上居中。然後按照加索引的路徑，即元件可按其精確地返回到同一位置的路徑，把元件從模板上提升起來。然後把型板60、70放置在模板上並與小凸出部分對準，這樣模板就把型板與箔型對準了。然後一拾取頭124下降到型板60、70上並沿一帶索引路徑將其從模板上提升起來。
此時，型板和電子元件都被保持在印刷電路板的上方。從印刷電路板10上取下模板。該步驟可能需要把印刷電路板10從底座100上取下來，在這種情況下定位銷110保證印刷電路板能夠重新放置在正確的位置上。
取下模板，印刷電路板在其適當位置。然後通過提升裝置120把型板重新放置在印刷電路板上的對準的位置上。使第二拾取頭124向型板提供輕微的向下壓力，使得在塗釺焊膏的過程中不會產生移動。提升裝置可包括鎖止裝置，以把第二拾取頭固定在位置上以施加輕微的壓力。然後通過型板印刷孔塗釺焊膏，利用抹刀或橡皮滾子迫使膏劑穿過孔並使膏劑保持孔的厚度。進行目視檢查以確認焊料已經塗到所有的孔上。然後用快速提升運動取下型板以使型板與釺焊膏斷開並使釺焊膏留在箔型上。把型板放在一邊準備清洗。
然後通過提升裝置120使元件下降到對準的位置，插腳引線被固定在精確對準的膏劑墊中。釋放拾取頭並將其從元件上移開。然後可加熱電路板和元件以通過任何便利的方法將插腳引線焊接在電路板上。
儘管通過優選原理、結構和步驟描述了本發明，但該技術領域的普通技術人員將會認識到，可以與所述不同的方式實施本發明，在不偏離如後附權利要求限定的本發明的範圍的情況下，可以使用各種替代物和等效物。
權利要求
1.用於在印刷電路板上精確放置細距元件的裝置，包括一對準模板，其具有用於把模板與印刷電路板圖樣對準的許多檢視孔，一個用於把模板粘到印刷電路板上的窗口，和用於把元件與模板對準的對準裝置；一焊料型板，其具有許多按與元件插腳引線圖樣對應的圖樣布置的型板印刷孔和用於把型板與模板對準的裝置。
2.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，模板包括支架，支架形成在窗口的相對邊上並凹入到低於模板的上表面。
3.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，模板的外周尺寸大體與電子元件的外周尺寸對應。
4.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，模板上的對準裝置包括許多按與電子元件的插腳引線圖樣對應的圖樣布置的凹進部分。
5.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，模板上的對準裝置包括許多按與電子元件的插腳引線圖樣對應的圖樣布置的孔。
6.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，模板還包括型板對準裝置。
7.根據權利要求6中所述的裝置，其特徵在於，型板對準裝置包括至少兩個從模板上表面向上突出的小凸出件，其中，用於把型板與模板對準的裝置包括在型板外邊緣上形成的用於與該至少兩個小凸出件接合的凹口。
8.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，型板具有在底面上凹入的彎曲部分。
9.根據權利要求1中所述的裝置，其特徵在於，型板包括支撐在型板上方的框架，該框架可由提升裝置接合。
10.根據權利要求1中所述的裝置，還包括用於提升電子元件並將其精確放回原處的裝置。
11.根據權利要求10中所述的裝置，其特徵在於，所述用於提升的裝置是真空頭拾取裝置，其具有用於按固定路徑移動被提升元件的加索引裝置。
12.根據權利要求1中所述的裝置，還包括用於提升焊料型板並將其精確放回原處的裝置。
13.根據權利要求12中所述的裝置，其特徵在於，所述用於提升的裝置是真空頭拾取裝置，其具有用於按固定路徑移動被提升元件的加索引裝置。
14.根據權利要求1中所述的裝置，還包括雙頭真空拾取裝置，該裝置具有用於提升電子元件和焊料型板並將其精確放回原處的加索引裝置。
15.用於在印刷電路板上精確放置細距電子元件的裝置，包括一對準模板，其具有用於把模板與印刷電路板圖樣對準的許多檢視孔，一個用於把模板粘到印刷電路板上的窗口，凹入到低於模板上表面並布置在窗口的相對邊上的支架，和用於把元件與模板對準的對準裝置。
16.根據權利要求15中所述的裝置，還包括焊料型板，型板具有許多按與元件插腳引線圖樣對應的圖樣布置的型板印刷孔和用於把型板與模板對準的裝置。
17.用於在印刷電路板上精確放置細距電子元件的裝置，包括一對準模板，其具有兩個平臺，每個平臺具有許多用於把模板與印刷電路板圖樣對準的檢視孔，連接平臺的橋接件，其中橋接件凹入到低於平臺上表面，和用於把元件與平臺對準的對準裝置。
18.根據權利要求17中所述的裝置，其特徵在於，平臺限定箔型的對角。
19.根據權利要求17中所述的裝置，其特徵在於，平臺限定箔型的對邊。
20.根據權利要求17中所述的裝置，還包括焊料型板，型板具有許多按與元件插腳引線圖樣對應的圖樣布置的型板印刷孔和用於把型板與模板對準的裝置。
21.用於在印刷電路板上精確放置細距元件以進行釺焊膏焊接的方法，包括如下步驟把模板放置在印刷電路板上與元件位置對準；用膠帶把模板固定在印刷電路板上，其中膠帶粘在模板上並從模板的窗口伸出；把元件放置在模板上與元件對準裝置對準；按照第一固定路徑把元件提升起來；把釺焊膏型板放置在模板上與型板對準裝置對準；按照第二固定路徑把型板提升起來；取下模板；沿第二固定路徑使型板下降到印刷電路板上的對準位置；通過型板向印刷電路板上塗釺焊膏；從印刷電路板上取下型板；沿第一固定路徑使元件下降到印刷電路板上的對準位置。
22.根據權利要求21中所述的方法，還包括這樣的步驟，即跨過窗口把膠帶粘到模板上，並在窗口相對邊上的支架處修剪膠帶。
全文摘要
一種用於對準細距電子元件(14)和用於釺焊膏型板印刷的設備,其包括一用於對準電子元器件(14)和對準焊料型板(60,70)的模板(20,40)。模板(20,45)具有窗口(30,50),窗口的相對邊上帶有支架。膠帶橫過窗口(30,50)粘到支架上,用於將模板(20,40)固定在印刷電路板(10)上的希望的位置上。模板(20,40)還包括直立的小凸出部分,直立的小凸出部分與型板邊緣中的凹口(66,76)接合用於對準型極(60,70)。利用雙頭真空提升裝置(120)將對準的元件(14)和對準的型板(60,70)從模板上提升起來。當從印刷電路板(10)上取下模板(20,40)後,將型板重新放到對準的位置用以塗抹焊料。取下型板(60,70)並放置電子元件(14)以進行焊接。
文檔編號H05K3/12GK1259268SQ98805790
公開日2000年7月5日 申請日期1998年6月4日 優先權日1997年6月5日
發明者P·V·厄本, B·L·本蘇珊, T·A·戈登 申請人:庫帕實業公司