离轴照明组件及方法

专利名称：离轴照明组件及方法
技术领域：
本发明涉及用于分配材料的装置和处理，更具体地涉及通过丝网或模板印 刷机将焊膏印刷到电子基板(例如，印刷电路板)上的装置和处理。
背景技术：
在通常的表面贴装电路板制造操作中，使用模板印刷机将焊膏印刷到电路 板上。通常，在焊膏可以沉积在其上的具有金属焊盘的图案或具有一些其他导
电表面的电路板被自动进给到模板印刷机，并且被称为基准(fiducials)的电 路板上的一个或多个小孔或标记被用于在焊膏印刷到电路板上之前恰当地校 准电路板和模板或印刷机的丝网。在电路板被校准之后，将该板升至模板(或 者在某些配置中，模板降至电路板)，焊膏被分配到模板上，刮片(或刮板) 在模板上来回运动以将焊膏通过在模板上形成的缝隙(aperture)压到板上。
在一些现有的模板印刷机中，分配头将焊膏传递到第一和第二刮片之间， 其中在印刷冲程中使用刮片之一来在模板上运动或滚动焊膏。第一和第二刮片 用于交替将板在模板的缝隙上连续地通过焊膏的滚轴以印刷每个连续的电路 板。刮片通常与模板具有预定的角度以对于焊膏向下施加压力来使焊膏通过模 板的缝隙。在其它现有模板印刷机中，使用分配头来在印刷沖程中从模板上刮 掉多余的焊膏。
在焊膏沉积在电路板之后，在特定情况下为了检查焊膏在电路板的焊盘上 的沉积的精度，应用成像系统来拍摄电路板和/或模板的区域的图像。成像系 统的另一个应用涉及前述在印刷之前模板和电路板的校准，以记录模板与电路 板的电子焊盘的缝隙。在Freeman的US专利号RE34615和5060063中公开了 这样的成像系统，这两个专利都由本发明的受让人拥有并且被并入本文作为参 考。在2005年11月10日申请的名称为"IMAGING SYSTEM AND METHOD FOR A STENCIL PRINTER"的专利申请No. 11/272,192中揭示了一种改进的 成像系统，该专利由本发明的受让人所拥有并且被并入本文作为参考。
需要在基板(例如，电路板)上的焊膏的一致成型以促进视觉系统的最佳 二维成像性能以及基于这些图像的随后的检查，不考虑几何结构、定义、或祐L 成像的沉积的通常质量的改变。定义明确的焊膏沉积具有几乎垂直的侧面以及 与光学观测轴(即，通常与电路板的平面正交的轴)正交的、相对平坦的顶部 表面。单独使用轴上照明可以相对一致地对具有通常正交方向的、良好质地的 膏表面进行成像。通过轴上照明，来自焊膏沉积物的顶部表面的散射光的最强 分量被沿着光学观测路径向后引导并由成像系统收集。
相反地，当轴上照明照在通常不与入射角正交的表面时，来自该表面的散 射光的最强分量被从光学或轴上观测路径引导散开或离轴，而不由成像系统收 集。特定地，显示出拙劣形状的焊膏的倾斜侧面和不规则顶部表面没有被有效 照明，从而仅使用轴上照明来观测变得更加困难。

发明内容
在阅读下面的附图、具体描述和权利要求之后，将更完全地理解本发明。 本发明的一个方面集中于一种用于将焊膏沉积到电子基板的表面上的模 板印刷机。模板印刷机包括框架和连接到框架的模板。模板具有多个在模板中 形成的缝隙。模板印刷机进一步包括连接到框架的分配头。该模板和该分配头 被构造和布置以将焊膏沉积到电子基板上。模板印刷机进一步被构造并布置以
捕获电子基板的图像的成像系统。该成像系统包括照相机组件；适于产生沿 着第一轴的光的轴上照明组件，第一轴与电子基板的表面垂直，及适于产生沿 着第二轴的光线的离轴照明组件，第二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸。控 制器被连接到成像系统来控制成像系统的运动以捕获图像。
模板印刷机的实施例可以包括成像系统的轴上照明组件的提供，成像系统 的轴上照明组件具有适于在轴上照明组件、电子基板及照相机组件之间引导光 的光学路径。成像系统包括适于支撑离轴照明组件的安装托架。离轴照明组件 包括由安装托架支撑的光产生模块，在某些实施例中光产生模块可以包括至少 一个发光二极管。离轴照明组件还包括配置用于引导光线的透镜，该透镜由安 装托架固定。透镜包括一个或多个折射表面，该折射表面适于沿着指定路径引 导来自光产生模块的光。照相机组件包括照相机和适于将图像引导到照相机的 透镜组件。光学路径包括分束器和反射镜。轴上照明组件包括至少一个发光二
极管。在某些实施例中，成像系统被构造并布置以捕获区域内的电子基板的焊 盘上的焊膏的图像。控制器包括处理器，该处理器被编程来执行电子基板的结 构识别以确定电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
本发明的另一方面集中于一种用于捕获电子基板的表面的图像的成像系 统。成像系统包括机壳和连接到机壳的照相机组件。照相机组件适于捕获电子 基板的图像。轴上照明组件被连接到机壳，该轴上照明组件适于产生沿着第一 轴的光的轴上照明组件，第一轴与电子基板的表面垂直。离轴照明组件被连接 到机壳，离轴照明组件适于产生沿着第二轴的光线的离轴照明组件，第二轴相 对于第一轴呈一定角度地延伸。
成像系统的实施例可以包括适于在轴上照明组件、电子基板及照相机组件 之间引导光的光学路径。成像系统的机壳包括适于支撑离轴照明组件的安装托 架。离轴照明组件包括由安装托架支撑的光产生模块。在某些实施例中，光产 生模块包括至少一个发光二极管。离轴照明组件还包括配置用于引导光线的透 镜，该透镜由安装托架固定。该透镜包括一个或多个折射表面，该折射表面适 于引导来自光产生模块的光以产生光线。光学路径包括至少一个分束器以及反 射镜。照相机组件可以包括照相机和适于将图像引导到照相机的透镜组件。轴 上照明组件包括至少 一个发光二极管。成像系统被构造并布置以捕获电子基板 的焊盘上的焊膏的图像。
本发明的又一方面集中于一种用于将焊膏分配到电子基板的表面上的方
法。该方法包括将电子基板传送到模板印刷机；执行印刷操作以将焊膏印刷 到电子基板的表面上；使用轴上光照亮电子基板的至少一个区域，该轴上光沿 着第一轴延伸，第一轴与电子基板的表面垂直；使用离轴光照亮电子基板的至 少一个区域，离轴光沿着第二轴延伸，第二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸； 以及捕获电子基板的至少 一个区域的图像。
方法的实施例可以进一步包括将电子基板定位到印刷位置；以及将模板定 位到电子基板上。捕获电子基板的至少一个区域的图像可以使用成像系统。方 法可以进一步包括将成像系统从捕获第 一 区域的图像的第 一位置运动到捕获 第二区域的图像的第二位置。另夕卜，方法可以进一步包括执行电子基板的至少 一个区域的结构识别序列，以确定电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。在某
些实施例中，方法进一步包括使用离轴光照亮电子基板的至少一个区域，离轴 光沿着第三轴延伸，第三轴相对于第一轴呈一定角度地延伸。
本发明的另一方面集中于一种用于将焊膏沉积到电子基板的表面上的模 板印刷机。该模板印刷机包括框架和连接到框架的模板。在一个实施例中，模 板具有多个在模板中形成的缝隙。分配头被连接到框架，该模板和该分配头被 构造和布置以将焊膏沉积到电子基板上。成像系统被构造并布置以捕获电子基
板的图像。成像系统包括照相机组件；适于产生沿着第一轴的光的轴上照明 组件，第一轴与电子基板的表面垂直。轴上照明组件包括适于在轴上照明组件、 电子基板及照相机组件之间反射光的光学路径。成像系统进一步包括用于产生 沿着第二轴的光线的部件，第二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸。控制器被 连接到成像系统，该控制器被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获图像。 模板印刷机的实施例可以进一步包括用于产生光线的、包括离轴照明组件 的部件。成像系统还应包括适于支撑离轴照明组件的安装托架。离轴照明组件 包括由安装托架支撑的光产生模块，并且在某些实施例中，光产生模块包括发 光二极管。离轴照明组件包括配置用于引导光线的透镜，该透镜由安装托架固 定并且包括至少一个适于引导来自光产生模块的光以产生光线的表面。在其它 实施例中，照相机组件包括照相机和适于将图像引导到照相机的透镜组件。


在附图中，相同的参考标记指全部不同视图中的相同或相似的部件。下面 说明的附图不必是按比例的，而重点是说明特定的原理。
图l是本发明实施例的模板印刷机的前视图2是本发明实施例的成像系统的示意图3是图2说明的成像系统的照相机和透镜組件的放大的示意图4是加入本发明实施例的离轴照明组件的本发明实施例的成像系统的 示意图5是加入与图4示出的离轴照明组件相同的离轴照明组件的本发明另一 实施例的成t^系统的示意图6是图4示出的离轴照明组件的剖面示图； 图7A是离轴照明组件的安装托架的底平面示图7B是沿着图7A的线7B-7B的离轴照明组件的剖面示图； 图8A是离轴照明组件的pcb基板的顶平面示图8B是沿着图8A的线8B-8B获得的pcb基板的剖面示图，示出离轴照
明组件的发光二极管；
图9A是本发明的实施例的透镜的顶平面示图9B是沿着图9A的线9B-9B获得的透镜的剖面示图10A是离轴照明组件的底平面示图10B是沿着图IOA的线10B-10B获得的剖面示图11是图6示出的离轴照明组件的一部分的放大的剖面示图12是表示由基板上的轴上照明组件和离轴照明组件产生的光；
图13A-13D分别是离轴照明组件的发光二极管的前示图、顶示图、底示
图及侧示图14是本发明实施例的将焊膏分配到电子基板的电子焊盘上的方法的流 程图15是本发明实施例的用于执行结构识别方法的成像系统的示意图； 图16是基板的示意表示；及
图17是具有在基板上沉积的焊膏的基板的示意表示。
具体实施例方式
为了示意的目的，将参考用于将焊膏印刷到电路板的模板印刷机来描述本 发明的实施例。本领域的普通技术人员应该意识到本发明的实施例不用于限制 将焊膏印刷到电路板上的模板印刷机，而使可以用于其他将电子器件连接至电
路板上而需要各种材料的分配的应用中，这些材料例如的胶、密封剂、底层填 料以及其他装配材料。因此，这里的焊膏的任意参考考虑使用这样的其他材料。 而且，这里可替换地使用术语"丝网"和"模板"来描述印刷机中用于定义要 被印刷到基板上的图案的装置。
图1示出根据本发明的一个实施例的通常以IO表示的模板印刷机的前视 图。模板印刷机10包括支撑模板印刷机的部件的框架12，模板印刷机包括位 于模板印刷机的机拒16内的控制器14、模板18以及用于沉积焊膏的通常以 20表示的分配头。分配头20在控制器14的控制下通过台架系统(gantry system)
(未示出)能够沿着正交的轴运动，以使得在电路板上印刷焊膏。
模板印刷机IO还包括传送机系统，该传送机系统具有用于将电路板26传
送到模板印刷机10中的印刷位置的轨道22、 24。模板印刷机10具有位于当 电路板处于分配位置时的电路板26下面的支撑组件28(例如，销、凝胶膜(gel membrane)等)。支撑组件28用于将电路板26升高离开轨道22、 24来当要 印刷时接触或4妄近于模板18。
在一个实施例中，分配头20被配置用于接收至少一个焊膏盒30，在印刷 操作过程中焊膏盒30对分配头提供焊膏。在一个实施例中，以公知的方式将 焊膏盒30连接到充气气管(pneumatic air hose )的一端。充气气管的另一端被 连接到在模板印刷机10的框架12内容纳的压缩机，在控制器14的控制下对 焊膏盒30提供压缩空气以将焊膏挤入分配头20及模板18上。还可以使用将 焊膏沉积到才莫4反18上的其它配置。例如，在另一实施例中，除了空气压力， 或代替空气压力，还可以使用例如活塞等机械装置来将焊膏从焊膏盒30挤入 分配头20。在又一实施例中，具有使用应用专用软件的适当操作系统(例如， Microsoft@DOS或Window@NT)的个人计算机被使用来实现控制器14以控制 如本文所述控制模板印刷机10的操作。
模板印刷机10如下进行操作。使用运输轨道22、 24将电路板26载入到 模板印刷机中的印刷位置。然后沿Z方向将分配头20放下，直到分配头与模 板18接触。在第一印刷冲程分配头完全经过模板18以通过模板18的缝隙挤 压焊膏并将焊膏挤压到电路板26上。 一旦分配头20已经完全经过模板18, 就通过模板印刷机10的运输轨道22、 24传送电路板26，从而第二个、随后 的电路板可以被载入模板印刷机。为了在第二电路板上印刷，分配头20可以 在第二印刷冲程与在第一电路板中使用的方向相反的方向运动经过模板18。
除了图1之外，参考图2,通常以32表示本发明实施例的成像系统。如 所示出的，成像系统32被布置在模板18和电路板26之间，模板18和电路板 26依此由支撑组件28(图l)支撑。成像系统32被连接到台架系统34(图1 )， 其是用于运动分配头20的台架的一部分或可以在模板印刷机10内被分离地设 置。在焊膏印刷机内的检测的技术中用于运动成像系统32的台架系统34的构 架是公知的。该布置是这样的，成像系统32可以位于模板18的下面、电路板
26的上面以分別捕获电路板或模板的预定区域的图像。在其它实施例中，当 将成像系统32定位于印刷套的外部时，成像系统32可以位于模板18和电路 板26的上面或下面。
如图2所示，在一个实施例中，成像系统包括光学组件，该光学组件具有 两个照相机36、 38， 一美殳以40、 42表示的两个透镜、两个照明装置44、 46、 两个分束器48、 50，以及反光镜组件52。在某个实施例中，照相机和透镜组 件可以被合起来配置为照相机组件。这样的组件以及成像系统还可以被称为视 频探测器。框架54支撑成像系统32的部件。照相机36、 38可以在构造上互 相相同，每个照相机是那种可以从马萨诸塞州的剑桥市的Opteon公司以型号 CHEAMDPCACELA010100购买的数字CCD照相机。下面将参考图3提供照 相机36、 38的进一步说明。
在一个实施例中，照明装置44、 46可以是一个或多个发光二极管(白光 二极管)，该发光二极管能够在各个分束器48或50上产生强的光。照明装置 44 、 46可以是由密歇根州的底特律市的Nichia公司以型号 NSPW310BSB1B2/ST销售的类型。分束器48、 50和具有零分束的双反光镜的 反光镜组件52在现有技术中是公知的。在其它实施例中，氙和卣素灯可以被 用于产生需要的光。也可以使用光导纤维来将光从遥远的光源传送到应用的 点。
分束器48、 50被设计来沿着垂直轴A向电路板26和模板18分别反射各 个照明装置44、 46产生的一部分光，而且进一步使由电路板和模板反射的一 部分光通向反射镜组件52。如这里使用的，照明装置44和分束器48可以被 称为轴上照明组件，其被配置来引导光实质上沿着或平行于轴A的方向，轴A 一般与电路板26的平面垂直。为了捕获电路板的预定区域的图像，来自电路 板26的反射光通过分束器48向后传送并传送到反射镜组件52,在反射镜组 件52该反射光^^皮改变方向到透镜组件40。
依靠分束器48、 50和反射镜组件52在照明装置44、 46及各个照相机36、 38之间定义光学路径对于本领域技术人员是已知的。如所示出的，通过分束 器48、 50向各个目标(即，电路板26和模板18)反射的光实质上沿着或平 行于轴A延伸，轴A通常与目标的平面正交。在一个实施例中，除了反射镜
是完全反射镜(由于提供两个照相机36、 38)并且不允许部分光通过之外， 分束器48、 50和反射镜组件52产生的光学路径的构造与在美国专利 No.5，060，063中揭示的路径实质上相似。
参考图3，说明照相机36和透镜组件40。如上所述，照相机38与照相机 36在构造上可以相同。另外，透镜组件42的构造与透镜组件40在构造上可 以相同。因此，照相机36和透镜组件40的下面的说明通常分别适用于照相机 38和透镜组件42,并且如上所述，该种组件可以被称为照相机组件或视频探 测器。如示意性示出的，透镜组件40包括机壳56、在机壳内设置的一对透镜 58、 60以及在透镜之间设置的光圈(未示出)。透镜58、 60共同提供透镜组 件40的焦阑性能。集合的透镜组件40还可以被称为"透镜"，这里其被特定 地称为焦阑透镜组件。
该布置是这样的从反射镜组件52反射的光被直接引导到透镜组件40。 一旦在透镜组件40中，光通过透镜58、通过光圈(未示出)、通过第二透镜 60，并到达照相机36的光敏区域，在该区域形成图像。在一个实施例中，照 相机的CCD读取器可以包括电子快门。部分地由于焦阑透镜组件，照相机36 被设计为观看全部预定的区域而不展示图像四周或附近的失真。
如图3所示，照相机36由机壳56支撑，照相机36可以被螺纹地连接至 透镜组件40的机壳56。透镜组件40的机壳56和照相机36的机壳62互相在 轴向校准，使得由线64以放射性形式指示的图像被正确导向照相机。将透镜 组件40的机壳54适当地固定于成像系统的框架54。
该布置是这样的当拍摄电路板26的图像时，照明装置44向各个分束器 48产生强的光。分束器48将光反射到电路板26,然后被反射回反射镜组件 52。反射镜组件52引导光通过透镜组件40并到达照相机36，照相机36捕获 电路板26的预定区域的图像。例如，该图像可以被电子存储或实时使用使得 图像可以由控制器14处理和分析以检测故障焊料沉积或校准电路板26和模板 18。
类似地，当拍摄模板18的图像时，照明装置46产生被引导到各个分束器 50的光束。然后该光被引导到模板18并通过分束器50反射回反射镜组件52。 然后，该光被引导到焦阑透镜组件42并到达捕获模板18的预定区域的图像的
照相机38。 一旦被捕获，就可以为了检测的目的(例如，检测模板中的被堵 塞的缝隙)，由控制器14分析模板18的区域，或为了校准的目的，将模板18 的区域与电路板26的区域相比较。下面将参考结构识别程序的描述更具体的 说明成像系统32的检测性能。
如上所述，关于捕获电路板的区域的图像，照明装置44被配置以沿着或 平行于轴A引导光，轴A与电路板的平面正交。从而，照相机38适于仅捕获 从电路板26上的表面反射的光的图像，该表面与发射到电路板的光的方向垂 直。当将光从光学路径反射开时，不规则的、圆形的或有刻面的表面(即和电 路板的平面具有角度的焊膏沉积的表面)倾向于变得不太突出。
现在转向图4,存在一般以70表示的本发明实施例的离轴照明组件，在 最底下的分束器48上或在其邻近处安装该离轴照明组件。如下面将更具体说 明的，离轴照明组件70被配置以通常沿着或平行于轴B引导光线，轴B和由 轴上照明装置产生的光的轴A具有角度(例如，30度到60度之间)地延伸。 离轴照明组件70被设计以补充由轴上照明装置提供的直接的照明，从而提供 间接的光以更清楚的看到电路板上的圆形和有刻面的或其它不规则表面。如所 示出的，离轴照明组件70被设置在使用两个照相机36、 38的成像系统32上。 然而，如图5所示，离轴照明组件70可以被设置在仅使用一个照相机36的成 像系统34中，并且其也落入本发明的范围中。无论使用单独的或两个照相机 装置，控制器14都适于控制成像系统34的运动以捕获电路板26的图像。
在某些实施例中，离轴照明组件70的一个方面是该组件可以被配置以具 有非常低的或窄的外形以安装在分束器48和基板(例如，电路板26)之间的 空间内。离轴照明组件70被设计来以非常近的工作距离将光引导到电路板26 上，同时保持对入射的局部角度以及穿过目标区域的光的分配与平衡的控制。 离轴照明组件70被进一步设计以主要通过衍射引导光。
如图6所示，并且另外参考图7A、 7B、 8A和8B，离轴照明组件70包括 矩形形状的安装托架72,安装托架72具有适于保护离轴照明组件的可操作部 件的四个侧轨72a、 72b、 72c、 72d。在一个实施例中，安装托架72可以是由 合适的轻型材料(例如，铝)制成的。可以提供其它可选择的轻型材料，例如 塑料或合适的金属合金。通过例如窝头螺丝(未示出)的合适的固定装置穿过
连接孔71将安装托架72连接到分束器48正下方的成像系统32的框架54。 安装托架72不仅支撑离轴照明组件70的部件，而且进一步用作吸热设备以吸 收离轴照明组件产生的热量。将pcb (印刷电路板)基板74固定为向下面对 安装托架72的表面以对离轴照明组件70提供电能，下面将更具体地说明其特 定构造。
安装托架72可以进一步包括狭槽75以使光(如对于3D三角测量使用的 光)以一个角度通过并到达需要成像的区域。安装托架72还可以经由紧密公 差有线通道81为经由连接到离轴照明组件的进料线提供应变消除(stain relief) 以最小化短路的可能性，该紧密公差有线通道81具有pcb基板上的倒角的减 緩。
在某些实施例中，离轴照明组件70包括体现发光二极管的光产生模块， 以76表示每一个光产生模块，将参考图13更具体的说明光产生模块的构造。 发光二极管76被固定(例如锡焊)到pcb基板74的面向底部的表面，并且如 图8A、 8B、 IOA、 10B及ll最佳示出的，将发光二极管76沿着安装托架72 的轨道的长度方向均勻隔开。pcb基板74与电源(未示出)电联系以对发光 二极管76提供电能。沿着与光学路径的垂直轴A垂直的通常水平平面设置发 光二极管76。发光二极管76沿着水平平面互相校准，但不校准电路板26。下 面将更具体地说明将发光二极管76产生的光引导向电路板26的方式。
离轴照明组件70进一步包括固定到覆盖发光二极管76的安装托架72的 透镜78。例如，以80表示的开口在透镜78的四个角形成以使用在安装托架 和透镜之间设置的pcb基板74例如通过平头螺丝钉(未示出)将透镜固定到 安装托架72。如上所述，安装托架72进一步包括多个进料线连接孔81以向 pcb基板74提供电联系。透镜78是透明的或半透明的，并且在某些实施例中 是由丙烯酸树脂玻璃制成的。例如，透镜78可以由透明的丙烯酸树脂制成以 减少物体的闪耀。当使用透明的丙烯酸树脂时，保持引导光的透镜78的衍射 的特性和能力。当由丙烯酸树脂材料制成透镜时，透镜可以被注模，其中需要 至少1°的斜度(draft )。
透镜78包括四个洞，以82表示的每一个洞提供用于发光二极管76的沿 着透镜的每一个侧面的长度的空间。洞82也在图10A、 10B和ll中被示出。
图10A示出在安装托架72的轨道上的发光二极管的定位。布置是这样的安 装托架72、 pcb基板74、发光二极管76及透镜共同定义矮的外形组件，该组 件适于分束器48和电路板26之间提供的相对小的空间内。在某些实施例中， 全部组件具有大约7mm的厚度，离轴照明组件70和电路板26之间的微小间 距大约是5mm。除了将光以指定的角度引导到电^各板26的预定区域，透镜78 还被设计来封住并保护发光二极管76和pcb基板74。
特别参考图9A和9B,透镜78的每一个洞82具有折射表面84，其适于 引导来自发光二极管76的光通过折射表面84和86并到达电路板26。特定地， 引导到折射表面84和86的光通常沿着或平行于轴B被折射到基板(电路板 26)的预定区域从而提供关于观察轴A的离轴照明。如所示出的，每一个洞 82按大小制造以在洞内充裕地接受发光二极管。折射表面84向与pcb基板74 的下侧匹配的透镜78的表面86倾斜。在一个实施例中，折射表面84的折射 指数大约是1.49。可以使通过折射表面84和86引导的光沿着平行路径前行以 提供不变的照明角度，或者可以使通过折射表面84和86引导的光沿着用于区 域位置决定的角度的扇形路径前行。如所示出的，透镜78具有大约3mm的厚 度。
如图ll所示，在一个实施例中，由离轴照明组件70产生的光沿着通常窄 扇形图形前行。可以更改折射表面84和86的角度以改变光传播的角度，可以 进一步处理透镜表面以包括多个角度、刻面和/或曲率。例如，可以以同心或 弯曲的Fresnel形切面布置发光二极管76和折射表面84，或可以以线形、棱 柱形来布置。沿通常向上方向传播的、由每一个发光二极管76产生的光的一 部分被在发光二极管的前面的pcb基板74的下部设置的反射表面88反射开。 例如，反射表面88可以是pcb基板74的棵材料(bare material )。在其它实施 例中，反射表面88可以由遮光板材料(mask material)或墨制成。在某些其 它实施例中，反射材料可以是棵铜或镀金铜、或具有镀金铜的线(trace)或垫 (pad)。使用镀金铜，对于一致的反射性能防止氧化。在其它实施例中，反射 表面88可以是分别应用了箔、乙烯树脂、纸或这些材料的组合。例如，可以 通过使用胶或压敏材料连接反射表面88。可选择地，如果需要，可以通过变 黑的表面吸收发光二极管76产生的杂光。
关于示出的实施例，透镜78的折射表面84关于垂直轴大概是55° 。每 一个发光二极管76产生大致椭圆圆锥体形的光。从而，引导到折射表面84 和反射表面88的光适于被引导到印刷电路板26的目标或预定区域上。如果需 要，可以通过反射或由变黑的表面吸收而改变发光二极管76产生的任何杂光 的方向。
应该理解，在本发明的这些益处下，本领域技术人员可以以多种方式布置 发光二极管76。例如，虽然全部

了矩形配置，但是当然其它形状的 配置也考虑。在一个实施例中，包括绕着环形定位的发光二极管的圆形安装托 架可以被设置，并且其也落入本发明的范围内。在另一实施例中，安装托架可 以是椭圆形的。然而，离轴照明组件70的矩形(例如，正方形)提供最小的 物理尺寸，并且还向需要成像的预定区域提供最佳离轴角度的光。还应该理解， 根据成像系统使用两个照相机(见图4 )或一个照相机(见图5 )，可以配置第 二离轴照明组件以照亮模板18。
参考图11,示出引导到电路板26上的发光二极管76产生的扇形光90。 由绕着安装托架72设置的每一个发光二极管76产生扇形光90以在电路板26 上扩散离轴光。从折射表面84和86和反射表面88引导的光提供扇形光90， 扇形光90 —般沿着或实质上平行于轴B延伸，以和观察轴A和轴上照明组件 70产生的光具有某个角度设置轴B。离轴照明组件70产生的扇形光90更好 地照亮了焊膏的不规则表面或其它在电路板26上沉积的物质。图12说明离轴 照明组件产生的扇形光90和轴上照明组件产生的轴上光。
图13A-13D分别说明在离轴照明组件70中使用的单个发光二极管76的 前视图、顶视图、底视图和侧视图。如所示出的，每一个发光二极管76包括 输出面92和电接触器94。输出面92是通过其发光的表面。电接触器94被固 定(例如，通过锡焊)到在pcb基板中形成的电路线(circuit trace)上并与电 路线电联系。在一个实施例中，发光二极管76密歇根州的底特律市的Nichia 公司以型号NASW008B销售的类型，其具有有1500mcd的平均亮度的U2和 VI等级的亮度。
现在转向图14， 一般以IOO指出用于将焊膏分配到电路板的电子焊盘的 方法。如所示出的，在102,例如经由传送机系统将印刷电路板传送到模板印
刷机。参考图1,经由传送轨道将电路板传送到印刷套(printnest)。 一旦被传 送，将电路板定位在支撑组件的顶部上的印刷套内，然后使用成像系统将电路 板与模板精确地校准，并通过支撑组件将电路板升高从而将电路板保持在印刷 位置。然后，在104,将分配头降低以啮合模板从而在电路板上沉积焊膏。一 旦完成印刷，就可以检测电路板和/或模板。当电路板被传送到印刷套区域或 从印刷套区域传送出时可以同时并独立地执行模板检测。
特定地，在106,通过使用轴上光照亮预定区域来对电路板(或模板)的 预定区域进行成像。同时，在108，可以使用离轴光照亮该预定区域。 一旦电 路板(或模板)被充分照亮，在110，照相机就捕获该区域的图像。
随后，对电路板或模板的随后的区域进行成像。通过从第一预定区域运动 到第二预定区域来执行对电路板的多个预定区域的成像。在控制器的指导下， 例如为了检查的目的，成像系统继续运动到其它预定区域以捕获图像。在其它 实施例中，替代捕获电路板的图像，或除了捕获电路板的图像之外，该方法可 以包括捕获模板的区域的图像。
在一个实施例中，可以使用成像系统32以执行结构识别方法，例如授予 Prince的美国专利No. 6,738,505揭示的名称为"METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING SOLDER PASTE DEPOSITS ON SUBSTRATES"中的方法， 本发明的受让人拥有该专利并且将该专利并入本文作为参考。授予Prince的美 国专利No. 6,891,967，名称为"SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING DEFECTS IN PRINTED SOLDER PASTE"(本发明的受让人也拥有该专利，并 且该专利也被并入本文作为参考)延伸了美国专利No. 6,738,505的教导。详 细地，这些专利教导了结构识别系统，用于确定焊膏是否被恰当地沉积在位于 电路板上的预定区间，例如，铜接触焊盘。
参考图15，在一个实施例中，显示丝网印刷机30，用于检查具有沉积在 其上的物质202的基板200。基板200可以体现为印刷电路板(例如，电路板 12)、晶片或相似的平面，并且物质202可以体现为焊膏或其他粘性材料，例 如胶、密封剂、底层填料以及其他适于将电子器件连接到印刷电路板或晶片的 金属焊盘的组装材料。如图16和17所示，基板200具有有兴趣的区间204 和接触区间206。例如，基板200进一步包括轨道(trace ) 208和孔( vias ) 210,
其用于相互连接装配到基板上的器件。图16表示没有物质沉积在任何接触区
间206的基板200。图17表示具有分布在接触区间206上的例如焊膏沉积的 物质202的基板200，。在基板200上，接触区间206分布在指定的有兴趣的 区间204。
图17示出与接触区域206不重合的焊膏沉积物202。如所示出的，每一 个焊膏沉积物202都部分地接触一个接触区域206。为了确保良好的电接触并 且为了防止邻近接触区域(例如，铜接触焊盘)之间的搭桥，应该在特定的公 差内将焊膏沉积物才交准各个接触区域。美国专利No. 6,738,505和No.
作为结果，通常提高了基板的生产收益。
图17表示焊膏沉积202和接触区间206的误校准。如图所示，每一个焊 膏沉积202部分接触接触区间206之一。为了确保良好的电接触以及防止例如 铜接触焊盘的相邻接触区间之间的桥接，焊膏沉积应该在特定的容差内与各个 接触区间校准。在美国专利第6738505号和6891967号中公开的类型的结构识 别方法检测在接触区间的误校准的焊膏沉积，并且结果通常提高基板的制造产 量。
参考图15，在一个实施例中，用于焊膏结构识别的方法包括使用成像系 统32来捕获具有沉积在其上的物质202的基板200的图像。成像系统32可以 配置为发送实时模拟或数字信号212至恰当的数字通信端口或专用的帧接收 器214。数字端口可以包括公知的USB、以太网或Firewire(正EE 1394)的类 型。实时信号212对应于其上沉积了物质的基板200的图像。 一旦接收，该端 口或帧接收器214创建可以显示在监视器218上的图像数据216。在一个实施 例中，图像数据216被划分为预定数目的像素,每个像素具有从0到255灰阶 的亮度值。在一个实施例中，信号212表示基板200和沉积在其上物质202 的的实时图像信号。然而，在另一个实施例中，如果需要，图像被存储在本地 存储器并且根据请求发送至控制器14。
该端口或帧接收器214电连接至包括处理器220的控制器。处理器220计 算物质202的图像216中的结构的统计变化。物质202的图像216中的结构变 化的计算独立于基板200上的非物质背景特征的相对亮度，由此使得处理器
220能够确定基板上物质的位置，并且比较物质的位置和期望的位置。在一个 实施例中，如果期望的位置和物质202的实际位置之间的比较出现超过预定阈 值的误校准，处理器220反应为自适应的手段来减小或消除误差，并且可以通 过控制器触发告警或弹出基板。控制器14电连接至模板印刷机10的驱动马达 222来帮助模板18和基板的校准以及涉及印刷过程的其他动作。
控制器14是控制环224的一部分，控制环224包括模板印刷机10的驱动 马达222、成像系统32、帧接收器214及处理器220。如果物质202与接触区 域206不重合，则控制器14发送信号来调整模板18的校准。
控制器14是控制循环224的部分，控制循环224包括模板印刷机10的驱 动马达222、成像系统32、帧接收器214以及处理器220。如果物质202与接 触区间206误校准，控制器14发送信号来调整模板18的校准。
因此，应该注意到，本发明的成像系统32特別适合在如执行结构识别方 法需要的各种条件下捕获均一地被照明的图像，并且提供有效的实时、闭环控 制。并且，由于由离轴照明系统提供的附加的光能够更加缩短曝光时间，因此 成像系统能够更快速的对感兴趣的区域(预定区域)进行成像，从而能够更快 速地分析数据。
在操作过程中，当在基板上沉积物质时，沉积的物质的图像被捕获。在一 个实施例中，物质是焊膏，基板是印刷电路板。具有物质的基板的图像可以被 实时捕获或者从控制器14的存储器提取。图像被发送到控制器14的处理器 220，其中检测图像中的结构变化。这些结构变化用于确定基板上物质的位置。 处理器220被编程来比较物质的特定位置和基板的预定位置。如果变化在预定 界限内，处理器220可以反应为自适应的手段来细化处理。如果变化在预定界 限之外，可以应用恰当的恢复手段，例如弹出基板、终止过程或触发告警。如 果检测到故障，控制器14被编程以执行这些功能的一个或多个。
在一个实施例中，模板18和/或电路板26可以相对于成像系统32以分别 拍摄模板和电路板的图像。例如，模板18可以远离印刷套平移(translate)并 且在静止的成像系统32的上面或下面运动。相似地，电路板26可以穿梭往复 地远离印刷套并且在成像系统32上面或下面运动。然后成像系统32的照相机 (例如，照相机36)可以以上述方式拍摄模板和/或电路板的图像。
在另一个实施例中，成像系统可以应用于设计用于在例如印刷电路板的基 板上分配例如焊膏、胶、密封剂、底层填料以及其他组装材料的粘性或半粘性
材料的分配头。这样的分配头是Speedline技术公司销售的、商标为 CAMALOT⑧的类型。
应该注意到，通过增加更多的离轴照明增加了反射率，从而拙劣形状的焊 膏的不规则或非直角的表面的相对亮度沉积。通过增加离轴照明，来自这些表 面的分散光的最强分量更倾向于被引导到光学观察路径，在该路径中，该光可 以被成像系统32搜集并使用以生成图像。离轴照明组件提供的增加效率的照 明减少了获取图像需要的时间。
离轴照明发明的实施例的离轴照明组件70 ^t设计来补充轴上照明的不 足，其中离轴照明倾向于强调不规则的、成角的、有刻面或不能构成理想焊膏 表面的其它问题，单独使用轴上照明不能有效照明或充分照射该表面。本发明 的实施例的组件70具有矮的外形，从而足够小到能安装在现有的视觉探测器 硬件和电路板或需要照明的其它表面之间的可用的有限空间内。应该注意，必 须提供充分的另外的间隙，以确保具有非平面的几何形状或在其上安装有部件 的电路板上的检测系统的运动不会发生碰撞。离轴照明组件能够以非常近的工 作距离将光引导到电路板或其它表面，而且保持对入射的局部角度以及穿过目 标区域的光的分配和平^f紆的控制。
作为结果，本发明实施例的离轴照明组件70的供给提高了二维焊膏检测 的能力，特别是存在决非理想的焊膏沉积几何形状的情况下。在某些应用中， 该情况可以存留并几乎稳定，而不产生不利地影响随后的处理的重大的缺陷。 然而，拙劣限定的悍膏沉积物通常表示重大缺陷的存在，并且如果没有检查出 来，可能最终导致灾难性的电路板缺陷。离轴照明组件被特定地设计以提供检 查该种缺陷的能力。
在其它实施例中，应该看到，离轴照明组件70可以-陂用于将离轴照明引 导到模板18。特定地，与组件70相同的离轴照明组件可以以在分束器48上 安装组件70的相同方式被配置或装配在分束器50上。
虽然参考特定实施例已经示出并描述了本发明，但本领域的技术人员将理
解，不脱离仅限于随后的权利要求的本发明的范围，可以进行在形式上和细节 上的各种改变。
权利要求
1. 一种用于将焊膏沉积到电子基板的表面上的模板印刷机，该模板印刷机包括:框架；连接到框架的模板，该模板具有多个在模板中形成的缝隙；连接到框架的分配头，该模板和该分配头被构造和布置以将焊膏沉积到电子基板上；被构造并布置以捕获电子基板的图像的成像系统，该成像系统包括:照相机组件，适于产生沿着第一轴的光的轴上照明组件，第一轴与电子基板的表面垂直，及适于产生沿着第二轴的光线的离轴照明组件，第二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸；以及连接到成像系统的控制器，该控制器被构造和布置来控制成像系统的运动以捕获图像。
2. 根据权利要求1所述的模板印刷机，其中，成像系统的轴上照明组件 进一步包括适于在轴上照明组件、电子基板及照相机组件之间引导光的光学路 径。
3. 根据权利要求2所述的模板印刷机，其中，成像系统包括适于支撑离 轴照明组件的安装托架。
4. 根据权利要求3所述的模板印刷机，其中，离轴照明组件包括由安装 托架支撑的光产生模块。
5. 根据权利要求4所述的模板印刷机，其中，光产生模块包括至少一个 发光二极管。
6. 根据权利要求4所述的模板印刷机，其中，离轴照明组件包括配置用 于引导光线的透镜，该透镜由安装托架固定。
7. 根据权利要求6所述的模板印刷机，其中，透镜包括一个或多个折射 表面，该折射表面适于沿着指定路径引导来自光产生模块的光。
8. 根据权利要求2所述的模板印刷机，其中，照相机组件包括照相机和 适于将图像引导到照相机的透镜组件。
9. 根据权利要求2所述的模板印刷机，其中，光学路径包括分束器和反 射镜。
10. 根据权利要求1所述的模板印刷机，其中，轴上照明组件包括至少一 个发光二极管。
11. 根据权利要求1所述的模板印刷机，其中，成像系统被构造并布置以 捕获区域内的电子基板的焊盘上的焊膏的图像。
12. 根据权利要求1所述的模板印刷机，其中，控制器包括处理器，该处 理器被编程来执行电子基板的结构识别以确定电子基板的焊盘上的焊膏沉积 的精度。
13. —种用于捕获电子基板的表面的图像的成像系统，该成像系统包括 机壳；连接到机壳的照相机組件，该照相机组件适于捕获电子基板的图像； 连接到机壳的轴上照明组件，该轴上照明组件适于产生沿着第一轴的光，第一轴与电子基板的表面垂直；以及连接到机壳的离轴照明组件，离轴照明组件适于产生沿着第二轴的光线，第二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸。
14. 根据权利要求13所述的成像系统，进一步包括适于在轴上照明组件、 电子基板及照相机组件之间引导光的光学路径。
15. 根据权利要求14所述的成像系统，其中，成像系统的机壳包括适于 支撑离轴照明组件的安装托架。
16. 根据权利要求15所述的成像系统，其中，离轴照明组件包括由安装 托架支撑的光产生模块。
17. 根据权利要求16所述的成像系统，其中，光产生模块包括至少一个 发光二极管。
18. 根据权利要求16所述的成像系统，其中，离轴照明组件包括配置用 于引导光线的透镜，该透镜由安装托架固定。
19. 根据权利要求18所述的成像系统，其中，透镜包括一个或多个折射 表面，该折射表面适于引导来自光产生模块的光以产生光线。
20. 根据权利要求15所述的成像系统，其中，光学路径包括至少一个分 束器和反射镜。
21. 根据权利要求14所述的成像系统，其中，照相机组件包括照相机和 适于将图像引导到照相机的透镜组件。
22. 根据权利要求14所述的成像系统，其中，轴上照明组件包括至少一 个发光二极管。
23. 根据权利要求14所述的成像系统，其中，成像系统被构造并布置以 捕获电子基板的焊盘上的焊膏的图像。
24. —种用于将焊膏分配到电子基板的表面上的方法，该方法包括 将电子基板传送到模板印刷机；执行印刷操作以将焊膏印刷到电子基板的表面上；使用轴上光照亮电子基板的至少一个区域，该轴上光沿着第一轴延伸，第 一轴与电子基板的表面垂直；使用离轴光照亮电子基板的至少一个区域，该离轴光沿着第二轴延伸，第 二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸；以及捕获电子基板的至少 一个区域的图像。
25. 根据权利要求24所述的方法，进一步包括 将电子基板定位到印刷位置；以及 将模板定位到电子基板上。
26. 根据权利要求24所述的方法，其中，捕获电子基板的至少一个区域 的图像使用成像系统。
27. 根据权利要求26所述的方法，进一步包括将成像系统从捕获第一区 域的图像的第 一位置运动到捕获第二区域的图像的第二位置。
28. 根据权利要求24所述的方法，进一步包括执行电子基板的至少一个 区域的结构识别序列，以确定电子基板的焊盘上的焊膏沉积的精度。
29. 根据权利要求24所述的方法，进一步包括使用离轴光照亮电子基板 的至少一个区域，离轴光沿着第三轴延伸，第三轴相对于第一轴呈一定角度地 延伸。
30. —种用于将焊膏沉积到电子基板的表面上的模板印刷机，该模板印刷 机包括框架；连接到框架的模板，该模板具有多个在模板中形成的缝隙； 连接到框架的分配头，该模板和该分配头被构造和布置以将焊膏沉积到电 子基板上；被构造并布置以捕获电子基板的图像的成像系统，该成像系统包括 照相机组件，适于产生沿着第一轴的光的轴上照明组件，第一轴与电子基板的表面垂 直，该轴上照明组件包括适于在轴上照明组件、电子基板及照相机组件之间 反射光的光学路径，及用于产生沿着第二轴的光线的部件，第二轴相对于第一轴呈一定角度地 延伸；以及连接到成像系统的控制器，该控制器被构造和布置来控制成像系统的运动 以捕获图像。
31. 根据权利要求30所述的模板印刷机，其中，用于产生光线的部件包 括离轴照明组件。
32. 根据权利要求31所述的模板印刷机，其中，成像系统包括适于支撑 离轴照明组件的安装托架。
33. 根据权利要求32所述的模板印刷机，其中，离轴照明组件包括由安装托架支撑的光产生模块。
34. 根据权利要求33所述的模板印刷机，其中，光产生模块包括发光二 极管。
35. 根据权利要求34所述的模板印刷机，其中，离轴照明组件包括配置 用于引导光线的透镜，该透镜由安装托架固定。
36. 根据权利要求35所述的模板印刷机，其中，透镜包括至少一个适于 引导来自光产生模块的光以产生光线的表面。
37. 根据权利要求30所述的模板印刷机，其中，照相机组件包括照相机 和适于将图像引导到照相机的透镜组件。
全文摘要
本发明提供一种用于将焊膏沉积到电子基板的表面上的模板印刷机。模板印刷机包括框架和连接到框架的模板。模板具有多个在模板中形成的缝隙。模板印刷机进一步包括连接到框架的分配头。该模板和该分配头被构造和布置以将焊膏沉积到电子基板上。模板印刷机进一步包括被构造并布置以捕获电子基板的图像的成像系统。该成像系统包括照相机组件；适于产生充分沿着第一轴的光的轴上照明组件，第一轴通常与电子基板的表面垂直；及适于产生充分沿着第二轴的光线的离轴照明组件，第二轴相对于第一轴呈一定角度地延伸。控制器被连接到成像系统来控制成像系统的运动以捕获图像。
文档编号G01N21/956GK101384897SQ200780005638
公开日2009年3月11日 申请日期2007年2月1日 优先权日2006年2月1日
发明者大卫·P.·普林斯 申请人:斯皮德莱恩技术公司