特許 7432718 プリント回路基板自動レイアップシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-07

(45)【発行日】2024-02-16

(54)【発明の名称】プリント回路基板自動レイアップシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 13/00 20060101AFI20240208BHJP

   H05K 3/46 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

B25J13/00 Z

H05K3/46 Y

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2022526126

(86)(22)【出願日】2020-11-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-04

(86)【国際出願番号】 US2020058540

(87)【国際公開番号】W WO2021091825

(87)【国際公開日】2021-05-14

【審査請求日】2022-05-06

(31)【優先権主張番号】16/678,211

(32)【優先日】2019-11-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】ペヴスナー，ミハイル

(72)【発明者】

【氏名】ベネディクト，ジェームズ，イー．

(72)【発明者】

【氏名】サウスワース，アンドリュー，アール．

(72)【発明者】

【氏名】シュワンダ，ウェイド，エー．

【審査官】神山 貴行

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－１０４７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１６７８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２４６７３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０４０８１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０２９９１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００－２１／０２

Ｈ０５Ｋ ３／４６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プリント回路基板の層を固定具上に自動的に配置する装置であって、
ロボットデバイスを備え、前記ロボットデバイスは、
前記ロボットデバイスが載置されるテーブルの頂部表面に固定された基部と、
前記基部から上方に延びる直立柱と、
前記直立柱に回転可能に結合された可動アームと、
前記可動アームによって支持されたエンドエフェクタと、
を含み、前記可動アームは、前記直立柱によって画定された垂直軸を中心に回転するように構成され、さらに、ラミネートシートを取り上げるため前記可動アームがラミネートシート固定具上に配置される位置から、前記ラミネートシートを基板レイアップ固定具内に置くために前記可動アームが前記基板レイアップ固定具上に配置される位置まで、および、接着フィルムを取り上げるために前記可動アームが接着フィルム固定具上に配置される位置から、前記接着フィルムを前記基板レイアップ固定具内に置くために前記可動アームが前記基板レイアップ固定具上に配置される位置まで回転するように構成されており、
前記ロボットデバイスの前記可動アームは、ｘ軸方向およびｙ軸方向に移動するように構成されており、
前記可動アームは、円弧の半径を変化させ、前記垂直軸を中心に移動するように構成されており、前記可動アームによって支持されたエンドエフェクタをｚ軸方向に昇降させるように構成されており、
前記可動アームは、前記エンドエフェクタを受容してその上に前記エンドエフェクタを取り付けるように構成されたユーザフランジを含み、
前記エンドエフェクタは、水平面上に配置された固定プレートと、前記固定プレートに支持された真空ツールと、前記ユーザフランジおよび前記固定プレートに固定されたアクチュエータと、を含み、前記アクチュエータは、前記エンドエフェクタを衝突から保護するために前記固定プレートを前記ｚ軸方向に垂直に移動させるように構成されており、
前記真空ツールは、上部浮動プレートと、前記上部浮動プレートに固定された底部浮動プレートとを有し、前記上部浮動プレートおよび前記底部浮動プレートは、前記固定プレートに対して前記ｘ軸方向およびｙ軸方向に移動するように構成されており、前記上部浮動プレートと前記底部浮動プレートとは前記固定プレートを介して重なり合っている、
装置。

【請求項2】

前記ロボットデバイスは、選択的コンプライアンスアセンブリロボットアームである、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記エンドエフェクタは、前記ラミネートシート固定具から前記ラミネートシートを取り上げて前記ラミネートシートを前記基板レイアップ固定具上に配置し、前記接着フィルム固定具から前記接着フィルムを取り上げて前記接着フィルムを前記基板レイアップ固定具上に配置するように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記上部浮動プレートは、空気源に接続された複数のポートを含み、前記ポートは、前記底部浮動プレートを前記ラミネートシート、接着フィルム、および基板レイアップ固定具のうちの１つと位置合わせするときに、前記上部浮動プレートおよび前記底部浮動プレートと前記固定プレートとの間の少量の移動を容易にするために、前記上部浮動プレートと前記固定プレートとの間にエアクッションを提供する、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記底部浮動プレートは、前記ラミネートシートを前記底部浮動プレートに解放可能に固定するように構成された複数の吸着カップを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

各吸着カップは真空源に固定され、前記吸着カップに真空を適用することによって、前記底部浮動プレートが前記ラミネートシートを前記底部浮動プレートに解放可能に固定し、前記吸着カップへの真空を終了することによって、前記底部浮動プレートが前記ラミネートシートを前記底部浮動プレートから解放する、請求項５に記載の装置。

【請求項7】

前記吸着カップは、前記底部浮動プレートの底面の周囲に配置される、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記底部浮動プレートは、前記接着フィルムを前記底部浮動プレートに解放可能に固定するように構成された複数の真空ポートを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

各真空ポートは真空源に固定され、前記真空ポートに真空を適用することによって、前記底部浮動プレートが前記接着フィルムを前記底部浮動プレートに解放可能に固定し、前記真空ポートへの真空を終了することによって、前記底部浮動プレートが前記接着フィルムを前記底部浮動プレートから解放する、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

前記真空ポートは、前記底部浮動プレートの底面に均一に配置される、請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記ロボットデバイスを支持するように構成されたテーブルをさらに備え、前記ロボットデバイスの前記基部は前記テーブルに固定される、請求項１に記載の装置。

【請求項12】

プリント回路基板の層を固定具上に自動的に配置する装置であって、
ロボットデバイスを備え、前記ロボットデバイスは、
前記ロボットデバイスが載置されるテーブルの頂部表面に固定された基部と、
前記基部から上方に延びる直立柱と、
前記直立柱に回転可能に結合された可動アームと、
前記可動アームによって支持されたエンドエフェクタと、
を含み、前記可動アームは、前記直立柱によって画定された垂直軸を中心に回転するように構成され、さらに、ラミネートシートを取り上げるため前記可動アームがラミネートシート固定具上に配置される位置から、前記ラミネートシートを基板レイアップ固定具内に置くために前記可動アームが前記基板レイアップ固定具上に配置される位置まで、および、接着フィルムを取り上げるために前記可動アームが接着フィルム固定具上に配置される位置から、前記接着フィルムを前記基板レイアップ固定具内に置くために前記可動アームが前記基板レイアップ固定具上に配置される位置まで回転するように構成されており、
前記可動アームは、前記エンドエフェクタを受容してその上に前記エンドエフェクタを取り付けるように構成されたユーザフランジを含み、
前記エンドエフェクタは、水平面上に配置された固定プレートと、前記固定プレートに支持された真空ツールと、前記ユーザフランジおよび前記固定プレートに固定されたアクチュエータと、を含み、前記アクチュエータは、前記エンドエフェクタを衝突から保護するために前記固定プレートをｚ軸方向に垂直に移動させるように構成されており、
前記真空ツールは、上部浮動プレートと、前記上部浮動プレートに固定された底部浮動プレートとを有し、前記上部浮動プレートおよび前記底部浮動プレートは、前記固定プレートに対してｘ軸方向およびｙ軸方向に移動するように構成されており、前記上部浮動プレートと前記底部浮動プレートとは前記固定プレートを介して重なり合っている、
装置。

【請求項13】

前記上部浮動プレートは、空気源に接続された複数のポートを含み、前記ポートは、前記底部浮動プレートを前記ラミネートシート、接着フィルム、および基板レイアップ固定具のうちの１つと位置合わせするときに、前記上部浮動プレートおよび前記底部浮動プレートと前記固定プレートとの間の少量の移動を容易にするために、前記上部浮動プレートと前記固定プレートとの間にエアクッションを提供する、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

前記底部浮動プレートは、前記ラミネートシートを前記底部浮動プレートに解放可能に固定するように構成された複数の吸着カップを含む、請求項１２に記載の装置。

【請求項15】

各吸着カップは真空源に固定され、前記吸着カップに真空を適用することによって、前記底部浮動プレートが前記ラミネートシートを前記底部浮動プレートに解放可能に固定し、前記吸着カップへの真空を終了することによって、前記底部浮動プレートが前記ラミネートシートを前記底部浮動プレートから解放する、請求項１４に記載の装置。

【請求項16】

前記吸着カップは、前記底部浮動プレートの底面の周囲に配置される、請求項１４に記載の装置。

【請求項17】

前記底部浮動プレートは、前記接着フィルムを前記底部浮動プレートに解放可能に固定するように構成された複数の真空ポートを含む、請求項１２に記載の装置。

【請求項18】

各真空ポートは真空源に固定され、前記真空ポートに真空を適用することによって、前記底部浮動プレートが前記接着フィルムを前記底部浮動プレートに解放可能に固定し、前記真空ポートへの真空を終了することによって、前記底部浮動プレートが前記接着フィルムを前記底部浮動プレートから解放する、請求項１７に記載の装置。

【請求項19】

前記真空ポートは、前記底部浮動プレートの底面に均一に配置される、請求項１８に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願］
本出願は、本願と同日に出願されたＭｉｋｈａｉｌ Ｐｅｖｚｎｅｒ、Ａｎｄｒｅｗ Ｒ．Ｓｏｕｔｈｗｏｒｔｈ、Ｊａｍｅｓ Ｅ．ＢｅｎｅｄｉｃｔおよびＧｒｅｇｏｒｙ Ｇ．Ｂｅｎｉｎａｔｉによる「ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＦＯＲＭＩＮＧ ＣＨＡＮＮＥＬＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤＳ ＢＹ ＳＴＡＣＫＩＮＧ ＳＬＯＴＴＥＤ ＬＡＹＥＲＳ」と題する米国特許出願第１６／６７８，１８８号（代理人整理番号Ｒ２０３４－７０３４１９（１９－１２４５５））に関し、これはすべての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
[政府の権利］
該当なし。

【背景技術】

【0002】

無線周波数（ＲＦ）および電磁回路は、従来のプリント回路基板（ＰＣＢ）プロセスを使用して製造され得る。従来のＰＣＢ製造プロセスは、ラミネート、電気めっき、マスキング、エッチング、および他の複雑なプロセスステップを含み得、複数のステップ、高価なおよび／または危険な材料、複数回の反復、大規模な労働などを必要とし得、すべてがより高いコストおよびより遅いターンアラウンドタイムにつながる。

【0003】

今日、標準的なＰＣＢ製造プロセスでは、ＰＣＢ製造業者は、ラミネートラミネートシートおよび接着フィルムを固定具または何らかの他のデバイス上に手で置くことによって、基板レイアップ作業を手動で行い、その後、積み重ねられたシートおよびフィルムをラミネートする。図１は、ラミネートラミネートシートおよび接着フィルムを受容するために固定具１０を使用する、そのような手動の基板レイアップ作業を示す。ピックアンドプレース機械などの他のＰＣＢ製造プロセスでは自動化が存在するが、これらのタイプのプロセスで使用される機器は、基板レイアップ作業に関連する問題に対処していない。そのような問題には、静電放電、異物侵入、高公差基準の達成、および材料の損傷があるが、それらに限定されない。

【0004】

シート材料を取り上げることができる機械の実装形態は複数存在するが、そのいずれも、公差の大きい位置合わせピンを有する固定具上へのシートの正確な配置に対処していないか、またはＰＣＢ製造にとって重要な考慮事項である静電放電および表面損傷の懸念に対処していない。シート材料のための既存のピックおよび／またはプレース解決策には、静電放電および表面汚染を引き起こし得る電気接着ロボットグリッパがあるが、それに限定されない。別の解決策としては、シートメタルを取り上げるために使用される吸着カップ機構があるが、これは、ＰＣＢ表面を損傷する可能性があり、適切なラミネート接合グリッパを可能にするためには無傷のままであることが必要とされる。この機構は、シート材料の取扱いには実用的でない。

【発明の概要】

【0005】

本開示の一態様は、プリント回路基板の層を固定具上に自動的に配置する装置を対象とする。一実施形態では、装置は、表面に固定された基部と、基部から上方に延びる直立柱と、直立柱に回転可能に結合された可動アームとを含むロボットデバイスを備える。可動アームは、直立柱によって画定された垂直軸を中心に回転するように構成され、ラミネートラミネートシートを取り上げるために可動アームがラミネートラミネートシート固定具上に配置される位置から、ラミネートラミネートシートを基板レイアップ固定具内に置くために可動アームが基板レイアップ固定具上に配置される位置まで、および、接着フィルムを取り上げるために可動アームが接着フィルム固定具上に配置される位置から、接着フィルムを基板レイアップ固定具内に置くために可動アームが基板レイアップ固定具上に配置される位置まで回転するように構成される。

【0006】

装置の実施形態は、ロボットデバイスの可動アームを、ｘ軸およびｙ軸方向には移動するがｚ軸方向には剛性であるように構成することをさらに含み得る。可動アームは、円弧の半径を変化させ、垂直軸を中心に移動するように構成され、可動アームによって支持されたエンドエフェクタをｚ軸方向に昇降させるように構成され得る。ロボットデバイスは、選択的コンプライアンスアセンブリロボットアームであり得る。可動アームは、エンドエフェクタを受容してその上にエンドエフェクタを取り付けるように構成されたユーザフランジを含み得る。エンドエフェクタは、ラミネートシート固定具からラミネートシートを取り上げてラミネートシートを基板レイアップ固定具上に配置し、接着フィルム固定具から接着フィルムを取り上げて接着フィルムを基板レイアップ固定具上に配置するように構成され得る。エンドエフェクタは、ユーザフランジおよび固定プレートに固定されたアクチュエータを含み得、可動アームは、固定プレートをｚ軸方向に垂直に移動させるように構成される。固定プレートは、水平面上に配置され得、上部浮動プレートと、上部浮動プレートに固定された底部浮動プレートとを有する真空ツールを支持する。上部浮動プレートおよび底部浮動プレートは、固定プレートに対してｘ軸方向およびｙ軸方向に移動するように構成される。上部浮動プレートは、空気源に接続された複数のポートを含み得る。ポートは、底部浮動プレートをラミネートシート、接着フィルム、および基板レイアップ固定具のうちの１つと位置合わせするときに、上部浮動プレートおよび底部浮動プレートと固定プレートとの間の少量の移動を容易にするために、上部浮動プレートと固定プレートとの間にエアクッションを提供する。底部浮動プレートは、ラミネートシートを底部浮動プレートに解放可能に固定するように構成された複数の吸着カップを含み得る。各吸着カップは真空源に固定され得、吸着カップに真空を適用することによって、底部浮動プレートがラミネートシートを底部浮動プレートに解放可能に固定し、吸着カップへの真空を終了することによって、底部浮動プレートがラミネートシートを底部浮動プレートから解放する。吸着カップは、底部浮動プレートの底面の周囲に配置され得る。底部浮動プレートは、接着フィルムを底部浮動プレートに解放可能に固定するように構成された複数の真空ポートを含み得る。各真空ポートは真空源に固定され得、真空ポートに真空を適用することによって、底部浮動プレートが接着フィルムを底部浮動プレートに解放可能に固定し、真空ポートへの真空を終了することによって、底部浮動プレートが接着フィルムを底部浮動プレートから解放する。真空ポートは、底部浮動プレートの底面に均一に配置され得る。ラミネートシート固定具、接着フィルム固定具、および基板レイアップ固定具の各々は、ロボットデバイスのエンドエフェクタを固定具に移動させるときに固定具に対して底部浮動プレートを最初に位置決めするために設けられた少なくとも１つの位置合わせピンを有する平坦プレートを含む。少なくとも１つの位置合わせピンは、底部浮動プレートに設けられた開口部内に受容され得る。各固定具は、ラミネートシートに設けられたスロットを用いてラミネートシートを精密に位置決定するための複数の追加のピンをさらに含み得る。装置は、ロボットデバイスを支持するように構成されたテーブルをさらに含み得、ロボットデバイスの基部はテーブルに固定され、テーブルはロボットデバイスの相補的な構成要素を支持するように構成される。装置は、ロボットデバイスの動作を制御するためのコントローラをさらに含み得る。

【図面の簡単な説明】

【0007】

少なくとも１つの実施形態の様々な態様が、一定の縮尺で描かれることを意図しない添付の図を参照して以下に説明される。これらの図は、様々な態様および実施形態の例示およびさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するが、本開示の限定の定義として意図されるものではない。これらの図では、様々な図に示される各同一またはほぼ同一の構成要素は、同様の数字によって表され得る。明確にするために、すべての構成要素がすべての図においてラベル付けされているわけではない。図は以下の通りである。

【図1】手動プリント回路基板（ＰＣＢ）レイアッププロセスの図である。

【図2】ＰＣＢ自動レイアップ装置の斜視図である。

【図3】装置の正面図である。

【図4】装置の側面図である。

【図5】装置の上面図である。

【図6】装置のエンドエフェクタおよび固定具の斜視図である。

【図7】ラミネートシートを解放可能に固定するように構成されたエンドエフェクタの拡大図である。

【図8A】エンドエフェクタの固定プレートと真空ツールとの間に設けられたエアクッションの拡大図である。

【図8B】エンドエフェクタの吸着カップの拡大図である。

【図9】接着フィルムを解放可能に固定するように構成されたエンドエフェクタの底面斜視図である。

【図10】固定具の斜視図である。

【図11】固定具の位置合わせピンの拡大斜視図である。

【図12】装置のシートまたはフィルム固定具から離間したエンドエフェクタの断面側面図である。

【図13】シートまたはフィルム固定具に向かって移動したエンドエフェクタの断面側面図である。

【図13A】エンドエフェクタとシートまたはフィルム固定具とを位置合わせするために使用されるシートまたはフィルム固定具のピンの拡大断面図であり、ここでは、ピンはエンドエフェクタの開口部に部分的に受容されている。

【図14】シートまたはフィルム固定具にあるシートまたはフィルムを取り上げるためにシートまたはフィルム固定具に向かって完全に移動したエンドエフェクタの断面側面図である。

【図14A】エンドエフェクタとシートまたはフィルム固定具とを位置合わせするために使用されるシートまたはフィルム固定具のピンの拡大断面図であり、ここでは、ピンはエンドエフェクタの開口部に完全に受容されている。

【図15】シートまたはフィルム固定具から離れたエンドエフェクタの断面側面図である。

【図16】基板レイアップ固定具に向かって移動したエンドエフェクタの断面側面図である。

【図16A】エンドエフェクタと基板レイアップ固定具とを位置合わせするために使用される基板レイアップ固定具のピンの拡大断面図であり、ここでは、ピンはエンドエフェクタの開口部に部分的に受容されている。

【図17】基板レイアップ固定具に向かって移動したエンドエフェクタを示している、直交する側から見たエンドエフェクタの断面側面図である。

【図17A】エンドエフェクタと基板レイアップ固定具とを位置合わせするために使用される基板レイアップ固定具の他のピンの拡大断面図であり、ここでは、ピンはラミネートシートの開口部に部分的に受容されている。

【図18】ラミネートシートを基板レイアップ固定具内に配置するために、基板レイアップ固定具に向かって完全に移動したエンドエフェクタの断面図である。

【図19】装置の機能図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

様々な態様および実施形態は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、およびその改善された製造方法を対象とする。より具体的には、本開示の実施形態は、無線周波数（ＲＦ）回路カードアセンブリを製造することを対象とする。標準的なＰＣＢ製造プロセスでは、ＰＣＢ製造業者は、基板レイアップ作業を手動で行う。基板レイアップ作業は、所望の構造が得られるまで、固定具１０などの固定具上にラミネートシートおよび接着フィルム（ならびに他のタイプのシート）を交互に配置することを含む。積み重ねられた後、ラミネートシートおよび接着フィルムは、圧力および温度下で硬化されて、均一な厚さを有する一体的な最終製品が形成される。本明細書に開示される装置の実施形態は、基板レイアップ作業を達成するための自動化手段を提供する。

【0009】

さらに他の態様、例、および利点については以下で詳細に説明する。本明細書に開示される実施形態は、本明細書に開示される原理のうちの少なくとも１つと一致する任意の方法で、他の実施形態と組み合わされ得、「実施形態」、「いくつかの実施形態」、「代替的な実施形態」、「様々な実施形態」、「一実施形態」などへの言及は、必ずしも相互排他的ではなく、説明される特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを示すことが意図される。本明細書におけるそのような用語の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではない。本明細書で説明される様々な態様および実施形態は、説明される方法または機能のいずれかを実行するための手段を含み得る。

【0010】

本明細書で説明される方法および装置の実施形態は、以下の説明に記載されるかまたは添付の図面に示される構成要素の構造および配置の詳細に用途が限定されないことを理解されたい。方法および装置は、他の実施形態で実装することができ、様々な方法で実践または実行されることができる。特定の実装形態の例は、例示的な目的のためにのみ本明細書で提供されており、限定することは意図されない。また、本明細書で使用される表現法および専門用語は、説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではない。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「伴う（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」およびそれらの変形の使用は、その後に列挙される項目およびそれらの同等物ならびに追加の項目を包含することを意味する。「または／もしくは（ｏｒ）」への言及は、「または／もしくは」を使用して説明される任意の用語が、説明される用語のうちの１つ、２つ以上、およびすべてのうちのいずれかを示し得るように、包括的であると解釈され得る。前および後、左および右、頂部および底部、上部および下部、端、側方、垂直および水平などへ言及は、説明の便宜上のものであり、本システムおよび方法またはそれらの構成要素を任意の１つの位置的または空間的な位置付け（orientation）に限定するものではない。

【0011】

ラミネートおよび接着フィルムの層またはシートが、公差の大きい位置合わせピンを有するプラテンまたは固定具上に配置されるＰＣＢレイアップ製造のためのプロセスは、上で説明したように高度に手動のプロセスである。したがって、ラミネートおよび接着フィルム層のサイズおよび形状が、ＰＣＢ製造プロセスが完全に自動化されることを妨げる。さらに、標準的な真空源吸着カップを使用して可撓性接着フィルム層を取り上げると、層の変形が生じ、これにより、層を基板レイアップ固定具に正確に配置することができなくなる。本明細書に開示される接着フィルムピックツールは、これを克服するように設計されたものである。本明細書に開示される装置の実施形態は、様々な形状およびサイズを有するラミネートシートおよび接着フィルム（および他のタイプのシート材料）を、そのようなラミネートシートおよび接着フィルムを受容するように設計された固定具上に配置するように構成される。

【0012】

本開示の実施形態の装置は、ＰＣＢレイアップ作業を実行するための自動化手法を提供し、これは、位置合わせピンを有する固定具上へのシート材料の配置を伴う。いくつかの実施形態では、装置は、薄いシートＰＣＢラミネートおよび薄い可撓性接着フィルムを取り上げて、位置合わせピンを有するラミネーションプレスプラテン／固定具上にラミネートおよびフィルムを正確に位置決定して配置することができるツーリングおよび固定具を有するロボットシステムを具現化する。本明細書に開示される装置の実施形態は、ＰＣＢ製造を自動化する。

【0013】

本開示の装置の実施形態は、ラミネートシートを解放可能に固定するために固定プレートと真空ツールとの間にエアクッションを生成し、固定具のピック／プレースピン機構への正確な位置合わせを可能にすることができる低摩擦Ｘ－Ｙエンドエフェクタで構成されたピックツーリングデバイスを含む。一実施形態では、ピックツーリングデバイスは、ラミネートシートの敏感な中央領域をそのままの状態で残してマージン内でラミネートシートに接触する直径８ｍｍの真空カップのアレイを含む。任意のサイズの直径の真空カップを使用することができる。固定具は、ラミネートシートを正確に配置するためにピックツーリングデバイスに設けられた開口部内に受容される位置合わせピンを含む。別の実施形態では、ピックツーリングデバイスは、接着フィルムなどの薄い可撓性ラミネートおよびフィルムを解放可能に固定するためのピンホール真空グリッパを含む。真空は、ピックツーリングデバイスのバックプレートの穴のアレイを通してプルされる。

【0014】

図面、より具体的には図２を参照すると、ＰＣＢ自動レイアップ装置が全体を２０で示されている。装置２０は、ロボットシステムを用いて、ＰＣＢレイアップ作業を実行するための自動化手法を提供し、これは現在、標準的な製造プロセスにおいてＰＣＢ製造業者によって実行される手動プロセスである位置合わせピンを有する固定具上へのシート材料の配置を伴う。ロボットシステムの実施形態は、薄いシートＰＣＢラミネートおよび薄い可撓性フィルムを取り上げ、位置合わせピンを有するラミネーションプレスプラテン／固定具上にラミネートおよびフィルムを正確に位置決定して配置することができるツーリングおよび固定具を含む。上述のように、大きな位置合わせ公差を考慮すると、これは困難なタスクである。

【0015】

図示のように、装置２０は、全体を２２で示すロボットデバイスと、全体を２４で示す基部またはテーブルとを含み、基部またはテーブルは、ロボットデバイス２２およびロボットデバイス２２の構成要素を支持するように構成される。一実施形態では、テーブル２４は、各々が２８で示される４つの脚によって支持された平坦な水平頂部２６を含む。図示のように、各脚２８は、水平頂部２６が水平面に対して水平であることを保証するために脚の底部に設けられたレベラーを含む。テーブル２４は、テーブル２４上に設けられたロボットデバイス２２を動作させるために使用される機器を支持するために、水平頂部２６の下に設けられた内部支持体を含む。例えば、テーブル２４は、弁バンク３０および空気弁３２を支持するが、テーブル２４は、装置２０に関連する任意の数の構成要素を支持するように構成され得る。テーブル２４は、ステンレス鋼のような構造的に強い材料から製造され得る。テーブル２４は、ロボットデバイス２２およびロボットデバイス２２の構成要素を支持することができる任意の適切な構造、例えばベンチまたは可動カート、を具現化することができることに留意されたい。

【0016】

追加的に図３～図５を参照すると、ロボットデバイス２２は、テーブル２４の縁部に隣接するテーブル２４の水平頂部２６上に位置決めされる。図示の実施形態では、ロボットデバイス２２の位置決めにより、ロボットデバイス２２の前方および側方に空間が提供される。ロボットデバイス２２の一方側には、各々が３６で示されるラミネートシートのスタックを含むラミネートシートピックネスト固定具３４が位置している。ロボットデバイス２２の他方側には、各々が４０で示される接着フィルムのスタックを含む接着フィルムピックネスト固定具３８が位置している。ロボットデバイス２２の前方には、基板レイアップ固定具４２が位置しており、これは、例えば、ラミネートシート３６と接着フィルム４０との交互の層を受容するように構成される。ラミネートシート固定具３４、接着フィルム固定具３８および基板レイアップ固定具４２の構造は、装置２０の説明が進むにつれてより詳細に説明される。

【0017】

一実施形態では、ロボットデバイス２２は、テーブル２４の水平頂部２６に固定された基部４４と、基部４４から上方に延びる直立柱４６と、直立柱４６に回転可能に結合された全体を４８で示す可動アームとを含む。一実施形態では、ロボットデバイス２２の基部４４は、ロボットデバイス２２をテーブル２６上にしっかりと固定するために、ボルトによって水平頂部２６に固定される。可動アーム４８は、直立柱４６によって画定される垂直軸Ａを中心に回転するように構成される。図示の実施形態では、可動アーム４８は、可動アーム４８がラミネートシート固定具３４上に配置される位置から、可動アーム４８が接着フィルム固定具３８上に配置される位置まで回転することができる。その移動中、可動アーム４８は、基板レイアップ固定具４２上にも位置決めされ得る。

【0018】

一実施形態では、ロボットデバイス２２は、選択的コンプライアンスアセンブリ（または関節式）ロボットアームまたはＳＣＡＲＡなどの、商業ベンダーから購入することができるロボットであり、これは、ｘ軸およびｙ軸方向に移動可能な可動アームを含み、アームの端部にｚ軸およびシータ運動を含む。ロボットデバイス２２は、１つの場所から別の場所へ部品を移送するのに、また部品を積み降ろしするのに特に適している。ロボットデバイス２２の可動アーム４８は、円弧の半径を変化させ、垂直軸Ａを中心に移動することができ、可動アーム４８によって支持されたエンドエフェクタをｚ軸方向に昇降させることができる。

【0019】

ロボットデバイス２２の可動アーム４８は、全体を５２で示すエンドエフェクタを受容してその上にエンドエフェクタを取り付けるように構成されたユーザフランジ５０を含む。１つはラミネートシート３６を取り上げて解放するためのものであり、１つは接着フィルム４０を取り上げて解放するためのものである２つのエンドエフェクタが設けられている。一実施形態では、エンドエフェクタ５２は、ラミネートシート固定具３４からラミネートシート３６を取り上げ、ラミネートシート３６を基板レイアップ固定具４２上に配置するように構成される。別の実施形態では、以下でより詳細に説明するエンドエフェクタ５２ａは、接着フィルム固定具３８から接着フィルム４０を取り上げ、接着フィルム４０を基板レイアップ固定具４２上に配置するように構成される。このプロセスは、完全なラミネートが基板レイアップ固定具４２上に積み重ねられるまで繰り返される。層３６、４０の積み重ねが完了すると、ラミネート製品は、熱および圧力による硬化などのさらなる処理ステップに供される。

【0020】

図６を参照すると、一実施形態では、エンドエフェクタ５２は、固定プレート５６に固定された、本明細書では誘導空気圧アクチュエータ５４と呼ばれる誘導空気圧シリンダを含む。図示のように、誘導空気圧アクチュエータ５４は、ユーザフランジ５０に固定される。可動アーム４８は、ユーザフランジ５０および誘導空気圧アクチュエータ５４をｚ軸方向に移動させるためにｚ軸運動を提供するように構成されたｚ軸アクチュエータを含む。誘導空気圧アクチュエータ５４は、エンドエフェクタ５２への調整された空気供給によって空気ばねコンプライアンスを提供し、エンドエフェクタとピックまたはプレース固定具のいずれかとの間に大きな位置ずれがある場合に「衝突保護」を提供する。シリンダは、可動アーム４８およびエンドエフェクタ５２を損傷から保護するために圧縮するように構成される。

【0021】

固定プレート５６は、水平面上に配置され、上部浮動プレート５８と、上部浮動プレート５８に固定された底部浮動プレート６０とを有する真空ツールを支持する。この配置は、上部浮動プレート５８および底部浮動プレート６０が固定プレート５６に対してｘ軸およびｙ軸方向に移動するように構成されるようになっている。図示のように、各々が６２で示されるいくつかの締結具が、上部浮動プレート５８を底部浮動プレート６０に固定する。図７に示すように、締結具６２は、固定プレート５６に形成されている開口部６４を通って延びる。固定プレート５６に対する上部浮動プレート５８および底部浮動プレート６０の移動の限界は、固定プレート５６の開口部６４のサイズおよび締結具６２と開口部６４との間の遊びの量によって決定される。一実施形態では、上部浮動プレート５８および底部浮動プレート６０と固定プレート５６の間の移動または遊びの量は、水平面において約１～２ｍｍである。この制限された動きの重要性は、エンドエフェクタ５２およびエンドエフェクタ５２ａならびに固定具３４、３８、４２の説明が進むにつれて明らかになるであろう。

【0022】

エンドエフェクタ５２を示す図７および図８Ａを参照すると、上部浮動プレート５８は、空気源、例えば空気弁３２に接続された、各々が６６で示される複数のポートを含む。動作の間、ポート６６は、上部浮動プレート５８と固定プレート５６との間にエアクッションを提供し、底部浮動プレート６０を固定具３４、３８、４２のうちの１つと位置合わせするときに上部浮動プレート５８および底部浮動プレート６０と固定プレート５６との間の少量の移動を容易にする。この少量の移動は、以下に説明する方法でエンドエフェクタ５２を固定具３４、３８、または４２と位置合わせするときに特に重要である。空気源は、空気バルブ３２と流体連通し、テーブル２４の支持体に固定された空気タンクから引き出され、エンドエフェクタ５２に圧縮空気を提供することができる。

【0023】

図７および図８Ｂを参照すると、エンドエフェクタ５２の底部浮動プレート６０は、ラミネートシート３６または接着フィルム４０を底部浮動プレート６０に解放可能に固定するように構成された、６８で示される複数の吸着カップを含む。各吸着カップ６８は、エンドエフェクタ５２に真空を提供するためにテーブル２４の支持体に固定され得る、図１９に示される真空エジェクタ８８などの真空源に固定される。吸着カップ６８は、ラミネートシート３６の上面に設けられた回路パターンに悪影響を及ぼさないように、底部浮動プレート６０の底面の周囲に配置される。吸着カップ６８に真空を適用することによって、底部浮動プレート６０は、ラミネートシート３６を底部浮動プレート６０に解放可能に固定する。そして、吸着カップ６８への真空を終了することによって、底部浮動プレート６０は、ラミネートシート３６または接着フィルム４０を底部浮動プレート６０から解放する。したがって、エンドエフェクタ５２は、ラミネートシート材料を取り上げて所望の位置に配置することができる。

【0024】

接着フィルム４０を取り上げるように構成されたエンドエフェクタ５２ａを示す図９を参照すると、底部浮動プレート６０は、接着フィルムを底部浮動プレート６０に解放可能に固定するように構成された、各々が６９で示される複数の真空ポートをさらに含む。各真空ポート６９は、エンドエフェクタ５２ａに真空を提供するためにテーブル２４の支持体に固定され得る、図１９に示される真空エジェクタ８８などの真空源に固定される。ポート６９は、ラミネートシート３６の上面に設けられた回路パターンに悪影響を及ぼさないように、底部浮動プレート６０の底面に一連の行および列で均一に配置される。ポート６９に真空を適用することによって、底部浮動プレート６０は、接着フィルム４０を底部浮動プレート６０に解放可能に固定する。そして、ポート６９への真空を終了することによって、底部浮動プレート６０は、接着フィルム４０を底部浮動プレート６０から解放する。したがって、エンドエフェクタ５２ａは、ピックアップアンドプレースプロセス中に接着フィルムに対する変形を制限しながら、接着フィルムを取り上げて所望の位置に配置することができる。

【0025】

動作の間、エンドエフェクタ５２および５２ａは、それぞれ、ラミネートシート３６および接着フィルム４０を配置するときに、可動アーム４８のユーザフランジに交互に固定される。

【0026】

図１０を参照すると、基板レイアップ固定具４２が示されている。ラミネートシート固定具３４および接着フィルム固定具３８は、基板レイアップ固定具４２と同一ではないにしても同様に構造化され得ることに留意されたい。図示のように、基板レイアップ固定具４２は、エンドエフェクタ５２または５２ａを基板レイアップ固定具４２に移動させるときに、基板レイアップ固定具４２に対して底部浮動プレート６０を最初に位置決めするために設けられた、各々が７４で示される２つの位置合わせピンを有する平坦プレート７０を含む。この配置は、エンドエフェクタ５２または５２ａを基板レイアップ固定具４２上に配置するときに、位置合わせピン７４が、底部浮動プレート６０の長手方向の端部において底部浮動プレート６０に設けられた、７６で示される開口部内に受容されるようになっている。２つの位置合わせピン７４がそれぞれの開口部７６に入ると、位置合わせピン７４は、エンドエフェクタ５２または５２ａが比較的大まかに基板レイアップ固定具４２に対して中心に置かれることを可能にし、一方で、基板レイアップ固定具４２の、各々が７８で示される４つの追加のピンは、ラミネートシート３６に設けられた４つの位置合わせされたスロット８０（図１７Ａ）を用いてラミネートシート３６を精密に位置付ける。図１１は、厚さ０．００１５インチの接着フィルム４０の開口部を通って延びるピン７８の１つを示す。ラミネートシート固定具３４および接着フィルム固定具３８の各々について、平坦プレート上に配置されているラミネートシート３６および／または接着フィルム４０の周囲を画定するために複数の直立ピンが配置される。一実施形態では、２つのピンが平坦プレートの各角部に設けられる。平坦プレート上に配置された製品、例えばラミネートシートおよび／または接着フィルムは、ピンによって０．００８インチの公差内で正確に位置付けられ得る。

【0027】

図１２～図１８は、エンドエフェクタ５２が薄いシート、例えばラミネートシート３６を固定具、例えばラミネートシート固定具３４から取り上げて、ラミネートシート３６を移動させ、ラミネートシート３６を基板レイアップ固定具４２に配置する一連の動作を示す。図１２は、ラミネートシート固定具３４上に配置されたエンドエフェクタ５２を示す。エンドエフェクタ５２は、ラミネートシート固定具３４の上方で可動アーム４８を移動させることによって、ラミネートシート固定具３４の上方に位置決めされる。図１３および図１３Ａは、エンドエフェクタ５２をラミネートシート固定具３４と大まかに位置合わせするために位置合わせピン７４がそれぞれの開口部７６に受容されている状態で、ラミネートシート固定具３４上で下方に移動したエンドエフェクタ５２を示している。エンドエフェクタ５２の下方への移動を実現させるために、可動アーム４８を操作してエンドエフェクタ５２をｚ軸方向下方に移動させる。この時点で、空気源はポート６６に加圧空気を送るように制御され、それによって、上部浮動プレート５８と固定プレート５６との間にエアクッションを提供する。上部浮動プレート５８と固定プレート５６との間のエアクッションは、底部浮動プレート６０を基板レイアップ固定具４２と位置合わせするときに、上部浮動プレート５８および底部浮動プレート６０と固定プレート５６との間の少量の移動を容易にする。

【0028】

図１４および１４Ａは、ラミネートシート固定具３４と完全に係合したエンドエフェクタ５２を示す。図示のように、位置合わせピン７４は、それぞれの開口部７６内に完全に受容される。この時点で、真空は、底部浮動プレート６０の底面の周囲に配置された吸着カップ６８に真空を提供するように動作される。適用されると、吸着カップ６８によって作られる真空により、底部浮動プレート６０は、ラミネートシート３６を底部浮動プレート６０に解放可能に固定することができる。一旦固定されると、可動アーム４８を操作してエンドエフェクタ５２をｚ軸方向に上方に移動させることによって、エンドエフェクタ５２が上昇される。図１５は、エンドエフェクタ５２の底部浮動プレート６０に固定されたラミネートシート３６を有するラミネートシート固定具３４の上方に上昇されたエンドエフェクタ５２を示す。図示のように、ラミネートシート固定具３４は、固定具上でラミネートシートを中心に置くために、ラミネートシート３６の角部に配置されたピン７２を含む。

【0029】

エンドエフェクタ５２を上昇させている間、またはエンドエフェクタ５２を上昇させた後、可動アーム４８を移動させて、エンドエフェクタ５２を基板レイアップ固定具４２の上方に位置決めし、ラミネートシート３６を基板レイアップ固定具４２上に置く。図１６および図１６Ａは、エンドエフェクタ５２を基板レイアップ固定具４２と大まかに位置合わせするために位置合わせピン７４がそれぞれの開口部７６に受容されている状態で、基板レイアップ固定具４２上で下方に移動したエンドエフェクタ５２を示している。エンドエフェクタ５２の下方への移動を実現させるために、可動アーム４８を操作してエンドエフェクタ５２をｚ軸方向下方に移動させる。この時点で、空気源はポート６６に加圧空気を送るように制御され、それによって、上部浮動プレート５８と固定プレート５６との間にエアクッションを提供する。これは、底部浮動プレート６０を基板レイアップ固定具４２と位置合わせするときに、上部浮動プレート５８および底部浮動プレート６０と固定プレート５６との間の少量の移動を容易にする。

【0030】

図１７および図１７Ａは、基板レイアップ固定具４２と完全に係合したエンドエフェクタ５２を示す。位置合わせピン７４は、それぞれの開口部７６内に完全に受容される。加えて、図１７Ａに示すように、ピン７８は、ラミネートシート３６のそれぞれのスロット８０内に受容されて、ラミネートシート３６が基板レイアップ固定具４２によって受容されることを可能にする。この時点で、図１８に示されるように、吸着カップ６８への真空を無効にするために真空が遮断され、ラミネートシート３６を底部浮動プレート６０から解放する。

【0031】

一実施形態では、エンドエフェクタ５２は、ラミネートシート３６が基板レイアップ固定具４２内に平坦に配置されることを任意選択で使用することができる４つのタ保証するためにンピングシリンダ（図７に示す）を含むように構成され得る。これらのシリンダは、ラミネート層エンドエフェクタ５２にのみ存在し、接着フィルムエンドエフェクタ５２ａには存在しない。

【0032】

前述のプロセスは、例えば、エンドエフェクタ５２ａを用いて接着フィルム固定具３８から接着フィルム４０を除去し、基板レイアップ固定具４２上に接着フィルム４０を配置することと、エンドエフェクタ５２を用いてラミネートシート固定具３４からラミネートシート３６を除去し、基板レイアップ固定具４２にラミネートシート３６を配置することとによって、完成積層製品が製造されるまで交互に繰り返され得る。完成積層製品は、基板レイアップ固定具４２上に残り、自動化セルから取り出される。基板レイアップ固定具４２を交換し、ラミネートシート３６および接着フィルム４０を新しい基板レイアップ固定具に配置するプロセスを繰り返すことによって、追加の積層製品が組み立てられ得る。

【0033】

いくつかの実施形態では、接着フィルムエンドエフェクタ５２ａにおける唯一の全体的なｘ軸およびｙ軸コンプライアンスは、固定具内のピン７４に位置する同じ穴７６を含む。接着フィルムエンドエフェクタ５２ａは、接着フィルムを基板レイアップ固定具の４つのピン７８に精密に位置決めするために、接着フィルムに切り込まれたスロットを利用しない。むしろ、接着フィルムスロットは、それらが配置されるときにこれらのピン７８の周りで変形することが許容される（これは、接着フィルムの位置付け（ｌｏｃａｔｉｏｎ）には、ラミネートシートの位置付けよりも精度を必要とせず、そのためいくらかの変形が許容されるためである）。さらに、接着フィルムスロットがピン７８の周りでわずかに変形する能力のために、接着フィルムエンドエフェクタ５２ａは、ラミネート層エンドエフェクタ５２によって使用されるエアクッションに依存しないように構成され得る。

【0034】

図１９を参照すると、装置２０の機能図が提供されている。図示のように、装置２０は、可動アーム４８の動作を制御するためのコントローラ８２を含む。コントローラ８２は、ロボットアーム４８の動きを制御することに特化していることに留意されたい。図１９のプログラマブル論理コントローラ８３は、エンドエフェクタ５２または５２ａおよび誘導空気圧アクチュエータ５４を制御する。論理コントローラ８３は、エンドエフェクタ５２または５２ａへの空気および真空のための弁を制御し、取り上げ動作および配置動作のための全体的なプログラムを提供する。コントローラ８２は、プログラマブル論理コントローラ８３によって指示されると、ロボットアーム４８の動きを制御する。装置２０への電力は、イーサネットスイッチが機械上の様々なデバイス間で送られる信号を制御する電源８４によって提供される。プログラマブル論理コントローラ８３および電源８４は、弁バンク３０、空気弁３２、および吸着カップ６８に真空を提供するように構成された真空エジェクタ８８の動作を制御するように動作する。

【0035】

ラミネートシートおよび接着フィルムから製造されたＰＣＢを組み立てるプロセスは、ラミネートシート固定具にラミネートシートを提供することと、接着フィルムネスト固定具に接着フィルムを提供することとを含む。各ラミネートシートは、銅の層がシートにラミネートされている誘電材料の平坦なシートから製造され得る。任意の適切な誘電体材料を選択することができる。銅層をエッチングまたはミリングして、所望の電気パターンを形成することができる。各接着フィルムは、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）などの熱可塑性材料から製造され得る。

【0036】

プロセスは、ロボットデバイスを用いて、基板レイアップ固定具内にラミネートシートおよび接着フィルムを交互に配置することをさらに含む。具体的には、ロボットデバイスの可動アームは、エンドエフェクタが固定具の真上に配置されるように、ラミネートシート固定具上に配置される。ロボットデバイスは、単一のラミネートシートを解放可能に固定し、基板レイアップ固定具上でラミネートシートを移動させ、ラミネートシートを基板レイアップ固定具内に置くように動作される。次に、エンドエフェクタが固定具の真上に配置されるように、ロボットデバイスの可動アームを接着フィルム固定具上に配置される。ロボットデバイスは、単一の接着フィルムを解放可能に固定し、基板レイアップ固定具上で接着フィルムを移動させ、基板レイアップ固定具内に接着フィルムを置くように動作される。このプロセスは、積層製品全体が完成するまで続けられる。ラミネートシートおよび接着フィルムは、圧力および温度下で硬化されて、一体的な最終製品が形成される。

【0037】

いくつかの実施形態では、装置は、従来のＰＣＢ製造における接触時間短縮のためのイネーブラであり、ＲＦ回路カードアセンブリを製造するための完全に自動化された「ドライ」ＡＭＴ手法のためのイネーブラである。

【0038】

いくつかの実施形態では、ピックツールは低摩擦Ｘ－Ｙコンプライアンスを有し、固定プレートと真空ツールとの間のプラテンエアクッションを利用して、ピン機構をピック／プレースするための正確な位置合わせを可能にする。ピックツールは、敏感な中央領域をそのままの状態で残して３／４インチのマージン内でラミネート層に接触する直径８ｍｍの真空または吸着カップのアレイを含む。ピックネスト固定具は、ピックツールがネストから取り上げるときにピックツールを中心に置く２つのピンを含む。ピックツールを用いてラミネートシートをプレースネストに配置すると、プレースネスト内の位置合わせピンによりピックツーリングが大まかに位置決定され、基板レイアップ固定具内の４つのピンをラミネート層内の４つのスロットに精密に位置決定することができるように十分にツールを拘束する。

【0039】

装置の実施形態は、薄い可撓性フィルムが、フィルム内の４つのスロットに対応する４つの位置決定ピン上で接着フィルム固定具に装填されることを可能にする。ピックネスト固定具は、ピックツーリングがネストから取り上げるときにピックツーリングを中心に置く２つのピンを含む。ピックツーリングも、同じピンによって配置ネストに位置決定される。

【0040】

装置の実施形態は、薄い可撓性フィルムのためのピンホール真空グリッパを提供する。真空は、プレート内の穴のアレイを通してプルされる。

【0041】

装置の実施形態は、スロットによって製品の位置決定を開始する固定ピンを提供する。エアプラテンは摩擦を低減して製品のスロットへの損傷を防ぐ。

【0042】

装置の実施形態は、ＡＭＴプロセスがより大規模にかつはるかに迅速に実行されることを可能にする。

【0043】

このように少なくとも１つの実施形態のいくつかの態様を説明してきたが、様々な変更、修正、および改善が当業者に容易に想起されることを理解されたい。そのような変更、修正、および改善は、本開示の一部であることが意図され、本開示の範囲内にあることが意図される。したがって、前述の説明および図面は単なる例である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図13A】

【図14】

【図14A】

【図15】

【図16】

【図16A】

【図17】

【図17A】

【図18】

【図19】