工具接脚贴装系统的制作方法

本发明涉及一种工具接脚贴装系统、印刷机、贴片机、以及从平面铁磁支撑表面移除工具接脚的方法。

背景技术：

通常，工业丝网印刷机利用带角度的刮刀或刮板通过印刷丝网（有时被称为遮罩或模版）中的孔图案施加诸如焊膏或导电油墨之类的导电印刷介质，来将该导电印刷介质施加到诸如电路板之类的平面工件上。

为了确保高质量的印刷，必须对工件进行支撑，使得待印刷表面与印刷丝网平行，通常是水平的，其中工件支撑能够承受印刷操作期间施加在其上的压力，尤其是刮板所施加的向下压力，同时维持正确的工件对准。最简单的支撑类型是使用可以放置工件的平坦表面或压板。然而，在很多情况下，这种布置是不太可能的，特别是在工件的底面先前已经被印刷过并且配备有元件（例如，在所谓的“贴装”操作期间），并且该底面在应用于工件的顶面的印刷操作期间，需要被支撑的情况下。工件的底面上存在元件意味着工件不再是平坦的，此外，如果这些元件在印刷操作期间被“压扁”，则它们很容易被损坏。应当领会，在其他过程期间，例如，在贴装操作期间，工件也需要支撑。为此，使用了被称为“工具”的专业支撑解决方案。

当前存在两种常用工具选项，用于在印刷操作和贴装操作期间为印刷电路板（pcb）提供支撑。

1）专用工具块-这些块的上表面例如通过机械加工而具有三维轮廓的块，该三维轮廓被设计为容纳贴装在其上的特定pcb。这些专用工具块相对昂贵，特定于产品，并且当pcb设计发生改变时，很容易过时。

2）磁性工具接脚-这些磁性工具接脚为细圆柱，这些细圆柱被定位为在使用时与板接触，从而避免与底面上的任何元件（或其他精细或关键区域）接触。接脚为磁性接脚，即，接脚内包括永磁体或电磁体，以将接脚非永久性地附接到平坦的下方支撑板或“工具台”上，该支撑板或“工具台”可以方便地由诸如钢之类的导磁材料制成。通过示例，asm当前使用简易廉价的模制塑料工具接脚，其中每个接脚的底座中都具有单个钕永磁体（neodymiumpermanentmagnet）。

由于工具接脚可以重复用于多种工件，所以它们比专用工具块更便宜且更方便。在印刷机内，工具接脚通常手动贴装在工具台上（尽管开始引入了自动贴装系统），同时贴片机（例如asm所生产的贴片机）可以提供手动贴装选项和自动贴装选项。对于手动系统，操作员要以所需精度一致地贴装工具接脚既具有挑战性又耗时。自动贴装系统可以通过准确贴装工具接脚来节省时间并减少缺陷。图1示意性地示出了这种自动贴装系统的示例。该自动贴装系统使用“接脚拾取器”102，该“接脚拾取器”是一种可操作为从上方一次与一个或多个工具接脚101a、101b接合的装置，其中单独的工具接脚101a、101b位于工具台的支撑表面123上或储存库110中。接脚拾取器102可以在垂直方向或“z”方向上移动以与工具接脚101a、101b接合然后提升它们，并且可以在正交的“x”方向和“y”方向上移动以将工具接脚横向移动到期望位置中。然后，接脚拾取器102可以将工具接脚下降到工具台的支撑表面123上，该工具接脚磁性吸引到该支撑表面123上。如图所示，接脚拾取器102可相对于支撑台架（supportinggantry）120在z方向上移动，该接脚拾取器102从该支撑台架120悬挂下来，并且可在x方向上沿着台架120移动。y移动通过在y方向上移动台架120来提供。尽管图1中未示出，但是台架120可以支撑在印刷机或贴片机内。工具接脚101a、101b在支撑表面123上的贴装位置是根据待随后支撑的工件130来手动或自动选择的。所示的工件130包括衬底131，诸如板或半导体晶片，在该示例中，该衬底131的底面上具有阻碍支撑工件130的若干个特征件。如本领域技术人员所理解的，这些特征件可以包括元件132、通孔133等。支撑表面123上贴装的工具接脚101a、101b的位置和类型将取决于这些特征件的位置。在所示的示例中，在特征件之间的空间准许的地方使用相对较宽的工具接脚101a，而在特征件之间的空间较小的情况下则使用相对较细的工具接脚101b。

自动贴装系统难以在印刷机上实现的一个原因在于：在印刷机内，在不产生显着额外成本和增加复杂性的情况下，通常只有一个位置可供接脚拾取器安装在印刷机中，这就是相机台架（cameragantry）。该台架对于确保印刷机与pcb的对准精度至关重要，因此重要的是，自动贴装系统不要使台架承受过大机械应变，这可能会对精度产生负面影响。然而，把磁性工具接脚抬离支撑板会导致这种应变。不过，已经尝试了例如从gb2306904a中获知的这种“蛮力（brute-force）”方法，其中相对较强的电磁体用于夹紧工具接脚，并且通过“压倒”工具接脚与工作台之间的、由位于接脚的底座的永磁体产生的相对弱的力来迫使该工具接脚远离工作台。

在asm贴片机中，使用了专用工具接脚，每个专用工具接脚在底座中都包含电磁体，其中图2示意性地示出了这种工具接脚1的示例以及相关联的接脚拾取器2的横截面。工具接脚1包括相对较细的接脚本体3，该接脚本体3设置在底座4的顶部上，并且尺寸被设计为适配在接脚拾取器2的内部空心轴5内。空心轴6在整个工具接脚1的高度上延伸。环形或圆周止动器（circumferentialdetent）7设在接脚本体3的顶部附近，用于与设在接脚拾取器2中的滚珠闩锁（balllatch）8机械接合。电磁体9位于底座4内，因此在使用时，工具接脚1被磁性吸引到工具台的导磁支撑表面12上或放置有工具接脚1的储存库上。电磁体9具有用于向其线圈供应电流的电接口10。电接口10适于与对应接口配合，该对应接口由位于接脚拾取器2的最低端的弹簧加载的接触接脚11形成。

当贴装在支撑表面12上时，电磁体9确保工具接脚1牢固地固定到支撑表面12上。当期望移动工具接脚1时，移动接脚拾取器2以与工具接脚1接合，使得接脚本体3容纳在空心轴5内，并且滚珠闩锁8与止动器7机械地接合。同时，电接口10与接触接脚11之间建立电气接触。这使得电流脉冲能够被施加到电磁体9的线圈上，其用于使电磁体9无效，从而减小或完全消除工具接脚1与支撑表面12之间的磁吸引力。仅需要很小的升力就可以很容易地用接脚拾取器2来提升工具接脚1，该工具接脚1由滚珠闩锁8牢固地保持。

当更换工具接脚1时，从电磁体9移除电流以恢复高保持力。该高保持力超过了滚珠闩锁8与止动器7之间的机械耦合力，使得当提升接脚拾取器2时，工具接脚1仍保留在支撑表面12上。

在元件贴装操作期间，施加在pcb上的力很小，因此每个系统仅需要几个工具接脚。因此，这些工具接脚的复杂性以及由此产生的每个工具接脚的更高的成本是可以接受的，并且上文所描述的asm的系统功能强大且广受欢迎。然而，在印刷操作中，可能需要大量工具接脚（通常，工具组可能包括大约40个接脚），并且上文所描述的解决方案变得非常昂贵。

本发明力图克服这些问题，并且提供一种具有低复杂性和成本效益的系统，以使得能够自动贴装工具接脚，特别是不但能够在印刷机内，而且还能够在其他应用（诸如贴片机、焊膏检查（spi）机以及点胶机或喷射机等）中。

根据本发明，该目的通过一种包括接脚拾取器的系统来实现，与例如gb2306904a中描述的“蛮力”方法相反，该系统包括可致动装置，其用于减小每个工具接脚的磁性保持力，从而实现轻松拾取接脚，而不会在诸如相机台架之类的支撑结构上导致过多的机械应变。

这样，相对复杂的昂贵部件全部包含在接脚拾取器内，其中工具接脚仅包含相对简单的廉价部件。

为了便于理解，如在gb2306904a中所述的“蛮力”方法可以概括为：相对较弱的力fp持续作用在接脚与支撑表面之间，从而提升该接脚；在接脚与电磁体之间使用了具有相对于fp较强的力fe的电磁体，其中|fe|>|fp|。电磁力fe用于夹紧接脚，即，将接脚吸引到接脚拾取器上。当接脚拾取器被提升时，由于|fe|>|fp|，所以接脚也随之提升。

相比之下，对于本发明，接脚与支撑表面之间的力fp不是恒定的，而是当期望提升接脚时，通过有选择地施加第二磁场来选择性地来减小（即，fp→fp（减小））。接脚可以使用诸如机械闩锁之类的单独闩锁装置来可释放地附接到接脚拾取器上。当接脚拾取器被提升时，因为机械闩锁使用大于fp（已减小）的力来夹紧接脚，所以接脚也随之提升。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种工具接脚贴装系统，包括：

工具台，在使用时，其上侧具有平面铁磁支撑表面；

工具接脚，包括：

接脚本体，其一端具有用于在使用时支撑其上的工件的头部，并且其远端具有在使用时搁置在支撑表面上的底座，使得头部位于接脚本体的顶部处，以及

接脚磁体，其具有相关联的磁场，用于在使用时将工具接脚磁性吸引到支撑表面上；

接脚贴装工具，包括：

接合本体，其用于在接脚贴装操作期间与工具接脚接合，以及

导电线圈；

电源，其电连接到导电线圈；以及

控制装置，其用于控制电源，

其中控制装置能够操作为向导电线圈供电以产生磁场，该磁场使工具接脚与支撑表面之间的磁吸引减小。

根据本发明的第二方面，提供了一种印刷机，其包括根据第一方面所述的工具接脚贴装系统。

根据本发明的第三方面，提供了一种贴片机，其包括根据第一方面所述的工具接脚贴装系统。

根据本发明的第四方面，提供了一种从平面铁磁支撑表面移除工具接脚的方法，该工具接脚被位于该工具接脚中的接脚磁体磁吸引到该平面铁磁支撑表面上，该方法包括以下步骤：

i）提供接脚贴装工具，该接脚贴装工具包括接合本体和导电线圈；

ii）移动接合本体以与工具接脚接合；

iii）向导电线圈供电以产生磁场，该磁场使得工具接脚和支撑表面之间的磁吸引减小；以及

iv）将接合本体和接合的工具接脚移离支撑表面。

在所附权利要求书中对本发明的其他具体方面和特征进行陈述。

附图说明

现在，参考附图（未按比例绘制），对本发明进行描述，其中。

图1示意性地示出了已知自动贴装系统的剖视图。

图2示意性地示出了用于贴装机的已知工具接脚和接脚拾取器的剖视图。

图3a和图3b示意性地示出了根据本发明的第一实施例的使用分别处于分离配置和接合配置的径向接脚永磁体的工具接脚和接脚贴装工具的一部分的剖视图。

图4a和图4b示意性地示出了根据本发明的第二实施例的使用分别处于分离配置和接合配置的轴向接脚永磁体的工具接脚和接脚贴装工具的一部分的剖视图。

图5a至图5c示意性地示出了根据本发明的第三实施例的磁性闩锁顺序期间工具接脚和接脚贴装工具的一部分的剖视图。

附图标记说明：

1-工具接脚

2-接脚拾取器

3-接脚本体

4-底座

5-接脚拾取器轴

6-接脚轴

7-止动器

8-滚珠闩锁

9-磁体

10-电接口

11-接触接脚

12-支撑表面

20、40、60-工具接脚

21-接脚磁体（径向磁化）

22、42、62-接合本体

23-支撑表面

24、64-接脚本体

25-头部

26-底座

27、47-下部本体段

28、48-上部本体段

29-环形凹部

30、50-接脚磁体的磁场

31-止动器

32、52、67-导电线圈

33、53-轴

34-滚珠闩锁

35-上部圆筒

36、56-下部圆筒

37-磁通引导元件

38-磁场（当线圈通电时）

41-接脚磁体（轴向磁化）

50'-接脚磁体的减小的磁场

51-导电线圈的磁场

54-磁场相对区域

61-软磁体

65-容器

66-永磁体

101a、101b-工具接脚

102-接脚拾取器

110-储存库

120-台架

130-工件

131-衬底

132-元件

133-通孔。

具体实施方式

图3a和图3b示出了根据本发明的第一实施例的分别处于分离配置和接合配置的工具接脚20的剖视图，该工具接脚20具有径向磁化接脚永磁体21和接脚贴装工具的接合本体22。

图3a示出了可以在印刷操作期间定位（例如，搁置在工具台的支撑表面23上并且由其支撑）的工具接脚20，该支撑表面为平面并且由铁磁材料，并且因此是导磁材料（诸如例如，钢）形成。为了清楚起见，图3a和图3b仅示出了支撑表面23的一小部分，并且应当理解，实际上，它可以在足够大的区域上延伸，以位于一定尺寸范围的工件之下并且容纳许多工具接脚。工具接脚20包括接脚本体24，该接脚本体24在本实施例中由刚性导磁材料（诸如例如，钢）形成。可选地，接脚本体材料的磁导率（permeability）可以与支撑表面23的磁导率不同。接脚本体24的顶端是用于在使用时支撑其上的工件（未示出）的头部25，其下部远端为在使用时搁置在支撑表面23上的底座26，使得头部25位于接脚本体24的顶部处。底座26具有平坦端面，该平坦端面在使用时使磁路磁阻最小化。接脚本体24包括下部本体段27，其包括底座26；以及上部本体段28，其包括头部25；其中在该实施例中，下部本体段27的厚度大于上部本体段28的厚度。如下文所更详细地描述的，上部本体段28包括用于与接合本体22接合的止动器31。下部本体段27包括环形凹部29，其从底座26延伸并且穿过下部本体段27的几乎整个范围。应当指出，接脚本体24可以由导磁材料一体或整体地形成，或可替代地由诸如中心部件之类的多个导磁子部件形成，该中心部件包括上部本体段28、下部本体段27的位于环形凹部29的径向内侧的部分、以及形成下部本体段的位于环形凹部29的径向外侧的部分的轴环部件，该轴环部件与下部本体段27的顶端处的中心部件相结合。环形凹部29的上端容纳有呈对应环形形式的接脚磁体21。接脚磁体21为径向磁化的永磁体（诸如键合的ndfeb级材料），其具有图3a中以虚线示意性图示的相关联的磁场30。根据图3a可以看出，磁场30基本上局限于循环路径，该循环路径从接脚磁体21开始，穿过环形凹部29的径向外侧的接脚本体24，穿过支撑表面23的一部分，然后穿过环形凹部29的径向内侧的接脚本体24并且返回到接脚磁体21。这用于在工具接脚20与支撑表面23之间提供足够的磁吸引，以避免在印刷操作期间支撑工件时发生非必要的移动。

接脚贴装工具包括接合本体22，用于在接脚贴装操作期间与工具接脚20接合，并且接合本体22可以方便地由贴片机（未示出）或印刷机的台架（例如，由印刷机的相机台架、容纳在接合本体22内的由例如涂覆铜制成的导电线圈32、以及为了清楚起见未在图3a或图3b中示出的各种部分）支撑。这些部分包括电连接到导电线圈32的电源以及用于控制该电源并且因此可操作为向导电线圈32供电的控制装置。控制装置例如可以包括处理器、主板、可以位于远离接合本体22位置的经过适当编程的计算机等。另外，接合本体22与支撑台架之间可以设置垂直驱动器，该垂直驱动器用于沿垂直方向朝向或远离支撑表面23移动接合本体22。这可以以多种不同方式（例如，使用线性驱动器、滚珠丝杠布置或气动驱动器）来配置，所有这些方式本身在本领域中就是众所周知的。更进一步地，接脚贴装工具包括水平驱动器（未示出），该水平驱动器用于使接合本体22在平行于支撑表面23的平面内移动。附加地，可以向台架提供该水平驱动器，或可以构成为台架的一部分，并以各种方式（例如，使用线性驱动器、滚珠丝杠布置或气动驱动器）来配置该水平驱动器，所有这些方式本身在本领域中就是众所周知的。

所示的接合本体22通常为圆筒形，其具有在使用时从其下端向上延伸的圆形空心轴33，并且尺寸被设计为可容纳工具接脚20的上部本体段28。接合装置（在该实施例中，为机械闩锁，更具体地，滚珠闩锁34）设置在接合本体22中，以突出到轴33中，用于在接脚贴装操作期间与工具接脚20接合时与工具接脚20的止动器31闩锁接合，从而将工具接脚20限制在接合本体22上。该接合本体22具有两件式构造，其中上部圆筒35由诸如铝、碳纤维等之类的磁性惰性材料形成，该上部圆筒35机械连接到垂直驱动器和水平驱动器上，并因此连接到台架上。从上部圆筒35悬垂的下部圆筒36由导磁材料（诸如例如，钢）形成。导电线圈32安装在该下部圆筒36内的径向向内位置处，使得它在接合期间位于靠近接脚磁体21并且在接脚磁体21的垂直上方（参见图3b）。下部圆筒36的下端为环形形式的磁通引导元件37，其可以被设置为根据需要导引磁通量。如图所示，磁通引导元件37的尺寸被设计为在与工具接脚20接合期间适配在下部本体段27的最上端周围。应当指出，该磁通引导元件37仅是可选的，并且虽然它可以改善性能，但是对于实现本发明并非必需的。

图3b示出了接合本体22与工具接脚20接合，例如，在接合本体22已经通过水平驱动器移动以位于工具接脚20之上，然后通过垂直驱动器降低，使得轴33接收接脚本体24，直到滚珠闩锁34与止动器31接合为止。在这种接合配置中，工具接脚20与接合本体22之间的气隙（airgap）被设计为提供线圈电流与释放力的最佳折衷（参见下文）。当这样接合时，控制装置被操作为向导电线圈32供电以产生磁场，该磁场使得工具接脚20与支撑表面23之间的磁吸引减小。当向导电线圈32供电时，该导电线圈32产生磁场（以虚线示出），该磁场至少部分地抵消了接脚磁体21所产生的磁场。如果产生的磁场足够强，则它会“压倒”接脚磁体21的磁场30，使得磁通量有效地局限于下部圆筒36内。在图3b中，示出了所得磁场38，其极示意性地图示了所得磁通路径。可以看出，本实施例中重新导引磁通会导致底座26和支撑表面23的区域中的磁通量减小，使得它们之间的磁吸引相应减小。磁吸引的这种减小意味着可以例如通过使用垂直驱动器提升接合本体22来以减小的释放力或提升力将工具接脚20移离支撑表面23。

图4a和图4b示意性地示出了根据本发明的第二实施例的分别处于分离配置和接合配置的工具接脚40的剖视图，该工具接脚40具有轴向磁化接脚永磁体41和接脚贴装工具的接合本体42。该实施例具有特别的效用，其中需要具有相对较细的（例如，与图3a所示相比较）上部本体段48的工具接脚40。部件中的许多部件通常与先前参考图3a和图3b所描述的部件相似，因此本实施例中不再赘述。特别地，为了清楚起见，未示出机械闩锁机构。

可以例如由高能量的ndfeb形成的接脚磁体41，在本实施例中被轴向（即，平行于工具接脚40的垂直长度）磁化，以产生相关联的磁场50，其中磁通线垂直穿过局限于下部本体段47内的接脚磁体41，进入支撑表面23并且通过中心接脚本体44返回。

接合本体42包括由导磁材料形成的下部圆筒56，该下部圆筒56在其中形成中心轴53，用于在接合期间紧密地容纳上部本体段48。尽管为了清楚起见未示出，但是应当理解，如先前参考图3a所描述的其他部件还可以存在。导电线圈52在本实施例中安装在下部圆筒56下端中设置的环形凹部内。

如图4b所示，当接合本体42和工具接脚40接合时，导电线圈52被操作为使得其产生相关联的磁场51。可以看出，在导电线圈52与接脚磁体41之间的“相对”区域54中，磁场51和50是相反的，使得磁场51至少部分抵消了接脚磁体41的磁场50。换言之，与导电线圈52相关联的磁动力（magneto-motiveforce，mmf）在工具接脚40与接合本体42之间的边界处至少部分抵消了接脚磁体41的磁场。这导致工具接脚40的底座和支撑表面23的区域中的净磁场50'减小，从而减小了工具接脚40与支撑表面23之间的磁吸引。

图5a至图5c示意性地示出了根据本发明的第三实施例，在磁性闩锁过程中工具接脚60以及作为接脚贴装工具的一部分的接合本体62的剖视图。部件中的许多部件通常与先前参考图3a和图3b所描述的部件相似，因此本实施例中不再赘述。

图5a示出了默认状态下处于相互接合配置的接合本体62和工具接脚60，例如，一旦接合本体62已经移动到与工具接脚60的接合位置，该相互接合配置就会发生。支撑表面23上立着的工具接脚60在本实施例中包括大致呈圆筒形的接脚本体64，其例如由模制（例如，注塑）的静电耗散塑料材料形成，该接脚本体64的下端容纳软磁体61，诸如磁化钢。如图所示，软磁体的南极位于工具接脚60的下端，北极位于更靠近工具接脚60的上端的位置，并因此工具接脚60被磁性吸引到支撑表面23上。工具接脚60还包括硬磁体或永磁体66，其被保持在工具接脚60的最上端的圆筒形接脚本体64内。如图所示，永磁体66的北极位于最上端，而南极位于其较低端。

可以看出，软磁体61和硬磁体66一起构成了电永磁体（electropermanentmagnet，epm）。在默认状态下，虽然工具接脚60未与接合本体62接合并且还如图5a所示，但是工具接脚60被相对强烈地磁性吸引到支撑表面23上。

接合本体62包括大致呈杯状的容器65，其可以由导磁材料形成，该导磁材料的尺寸被设计为在接合期间将工具接脚60紧密地容纳在其中心轴内。容器65的轴包括导电线圈67，该导电线圈67被布置为在接合期间沿圆周环绕软磁体61的上部部分。

如果电脉冲通过控制装置被馈送到导电线圈67，则epm将切换到图5b所示的配置，其中相对于图5a所示的默认状态，软磁体61的极性被反转。在这种状态下，现在位于工具接脚60的底座的软磁体61的北极没有被磁性吸引到支撑表面23上，因此，减小了提升工具接脚60所需的释放力或提升力。然后，可以提升工具接脚60并且将其贴装在支撑表面23上的任何期望位置中。需要单独的闩锁装置（未示出）以使得能够发生提升。为了恢复工具接脚60与支撑表面23之间的磁吸引，通过控制装置向导电线圈67施加反向电流脉冲，其结果如图5c所示，软磁体61的极性恢复到图5a的默认状态。

上述实施例仅是示例性的，并且本发明范围内的其他可能性和备选方案对于本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，虽然上文所描述的实施例利用机械闩锁（诸如滚珠闩锁）使得接合本体能够提升工具接脚，但是为此也可以使用其他形式的机械闩锁，或实际上也可以使用非机械闩锁。作为一种简单的备选方案，可以在接合本体中而非工具接脚中设置止动器，则在工具接脚中设置滚珠闩锁以在使用时与止动器接合。作为可选机械闩锁的一个示例，可以在工具接脚或接合本体内设置倾斜螺旋弹簧等，以与工具接脚和接合本体中的另一者中的止动器接合。作为非机械闩锁的一个示例，通过在接合本体内提供合适的线圈配置或永磁体，如上文所描述的，至少一旦减小了工具接脚与支撑表面之间的磁吸引，则工具接脚与接合本体之间可能存在足够的磁吸引以达到提升工具接脚的目的。