JP2003243440A - ボール供給装置とそれを用いたボール搬送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ホッパーに収納されている半田ボールを一列
に整列させ、確実に１個ずつ摘出すると供に、半田ボー
ルを吸着ノズルに吸着してピックアップし、自動的に所
定の位置に移動して載置することのできるボール供給装
置とそれを用いたボール搬送装置を提供する。 【解決手段】 ボール１を収納するホッパー２には、多
数の通気孔３ａの形成された開閉自在の蓋３が設けら
れ、下方に向かって漏斗状に容積が狭くなり、先端には
ボール１が一列に通過する筒状直線部２ａが形成され、
筒状直線部２ａ直下には任意の隙間Ｌを隔てゝ、ボール
１を単独に収納する凹所４ａの形成されたセパレータ４
がスライドテーブル５上に載置され、別途設ける駆動装
置６によって間歇的にボール１を１個ずつ取出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パッケージ
において、半導体基板のメタライズ配線にＩＣ素子を搭
載し、電子部品を相互に接続する際の半田ボールの自動
供給装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体パッケージに内蔵されるＩ
Ｃ素子の集積度が高くなり、薄い絶縁基板の表裏にメタ
ライズされているプリント回路にＩＣ素子を配置する
際、半田ボールが用いられるようになって来た。すなわ
ち、所定位置に半田ボールを載置し、後に半導体パッケ
ージ全体がファーネス（加熱路）内を通過する際、半田
ボールが溶融してＩＣ素子をプリント回路上に表面実装
する。

【０００３】半田ボールの取出しをピンセット等の手動
に頼ると、作業能率と精度が低下するので自動的にピッ
クアップする手段が実用化されている。特開平１１−１
７６８７７号公報には、図５に示すようなリペア用ピッ
クアップ１００が開示されている。図５において、リペ
ア用ピックアップ１００の動作を（イ）、（ロ）、
（ハ）の３工程に分けて説明する。

【０００４】まず、工程（イ）において、１０２は半田
ボール１０１が収納されているバケットである。リペア
用ピックアップ１００の下方には、鉛直下方に伸びるキ
ャビラリー１０３が設けられ、先端には吸引口１０４が
形成されて中央部から空気が吸引されている。リペア用
ピックアップ１００は、別途設けるハンドリング装置
（図示略）によって矢印Ｘの如く上下して、吸引口１０
４に半田ボール１０１を１個だけピックアップする。

【０００５】次の工程（ロ）において、リペア用ピック
アップ１００は、別途設けるハンドリング装置（図示
略）によって矢印Ｙの如くエアーブロー装置１０５の設
置される位置に移動する。半田ボール１０１の汚れや帯
電する静電気によって、キャビラリー１０３周辺及び吸
引口１０４に吸着された半田ボール１０１に付着する他
の半田ボール１０１は、エアーブロー装置１０５から噴
射される気流によって除去される。

【０００６】そして工程（ハ）において、リペア用ピッ
クアップ１００は、別途設けるハンドリング装置（図示
略）によって矢印Ｚの如く上下し、ＢＧＡ（ボールグリ
ットアレイ）等の電極回路１０６の所定の位置に移動
し、半田ボール１０１を載置することができる。

【０００７】この従来技術によれば、リペア用ピックア
ップに付着した余分の半田ボールは、複雑な振動装置に
よって振り落とさなくても、エアーブロー装置による空
気の吹き付けで払い落とすことができる。また、吸引口
に吸着されている半田ボールは、ボールの径が小さくて
もエアーブロー装置から吹き付ける空気によって吸引口
に押付けられ確実に保持される。さらに、エアーブロー
装置は、構造が単純で経済的にもメリットがあると説明
されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来技術
では、余分にピックアップした半田ボールをエアーブロ
ー装置によって除去する際に飛散する半田ボールを回収
する手段が必要となる。また、所定の位置に半田ボール
を載置する際に一時的に空気の吸入を停止しても、半田
ボールの汚れや帯電する静電気によって半田ボールが吸
引口から開放されない怖れもある。さらに、バケットに
収納されている半田ボールの残量が減少するに従い、的
確に吸引口に半田ボールを吸着することが困難になるこ
とも予測される。

【０００９】そこで、本発明は半田ボールを収納するホ
ッパーの下方に、半田ボールを一列に整列させる機構を
備え、確実に１個ずつ摘出するセパレータを設け、セパ
レータ上の半田ボールを吸着ノズルによってピックアッ
プし、所定の位置に移動した所で、半田ボールを強制的
に開放するボール供給装置とそれを用いたボール搬送装
置を提案することを課題とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】ボールを収納するホッパ
ーには、多数の通気孔の形成された開閉自在の蓋が設け
られ、下方に向かって漏斗状に容積が狭くなり、先端に
はボールが一列に通過する筒状直線部が形成され、筒状
直線部直下には任意の隙間Ｌを隔てゝ、ボールを単独に
収納する凹所の形成されたセパレータがスライドテーブ
ル上に載置され、別途設ける駆動装置によって間歇的に
ボールを１個ずつ取出す。従って、仮に静電気などの帯
電によりボール同士が付着することがあっても、セパレ
ータによって確実に１個ずつ分離することができる。

【００１１】蓋を貫通しホッパーの内壁に沿って先端が
筒状直線部の直前に到るブローノズルを配置し、外部よ
り気体を供給してホッパーの漏斗状部分に集合するボー
ルがブリッジするのを事前に防止する。

【００１２】漏斗状部分に集合するボールがブリッジす
るのを防ぐのには、ブローノズルから外部より供給され
た空気やガスによってボールが移動する空間が必要とな
る。従って、ホッパーの上部にはボールの適量を検出す
る第１のセンサーと、ホッパーの下部にはボールの残量
とブリッジの発生を検出する第２のセンサーを配置す
る。

【００１３】次に、ボール供給装置から間歇的にセパレ
ータに取出したボールに対面し、真空圧と空気圧の切替
弁の備えられた配管に後部が接続され、且つ、搬送ロボ
ットによって上下及び左右に移動自在に移動し、搬送ロ
ボットに保持された吸着ノズルの真空圧によってボール
を吸着し、所定の位置に移動したところで空気圧によっ
てボールを開放する。

【００１４】さらに、ボールの吸着されている吸着ノズ
ルの配管系に所定の真空圧が発生していることを認識す
る第３のセンサーを設け、吸着ノズルにボールの吸着さ
れていることを確認して、所定位置へのボールの載置ミ
スを未然に防ぐ。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施例を
添付する図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発
明のボール供給装置の構成概念図である。

【００１６】図１において、２はボール１を収納するホ
ッパーである。ボール１の形態は、球状であれば材質に
は拘らないが、寸法は比較的小粒であることが好まし
い。ホッパー２の開口部は、ボール１の直径より小さい
多数の通気孔３ａの設けられた開閉自在の蓋３により塞
がれる。ホッパー２は、下方に向かって漏斗状に容積が
狭くなり、先端にはボール１が一列に通過する筒状直線
部２ａが形成されている。筒状直線部２ａの直下には、
隙間Ｌを隔てゝセパレータ４が第１のスライドテーブル
５上に載置されている。

【００１７】セパレータ４の上面には、ボール１を単独
に収納する凹所４ａが形成され、セパレータ４はスライ
ドテーブル５上において、エアーシリンダに代表される
駆動装置６によって、ａ点から任意に定める距離Ｗ１の
位置ｂ点まで矢印Ａの如く直線移動する。駆動装置６と
しては、回転運動を直線運動に変換するステップモータ
やクランク機構であってもよい。駆動装置６は、別途発
信される指令信号によって間歇的に作動する。また、隙
間Ｌは、ボール直径ｄの１／４つまりＬ＝０〜０．２５
ｄであることが好ましい。

【００１８】ホッパー２の上部には、収納されるボール
１の上限を検出する第１のセンサー７が設置されてい
る。第１のセンサー７としては、光を検出する光ビーム
の投光器８と受光器９で構成してもよく、ホッパー２の
丸窓２ｂ内に設ける。丸窓２ｂのホッパー内壁側には、
ボール１との干渉を避ける透明な樹脂窓１０を設けるの
が好ましい。

【００１９】ホッパー２の下部には、収納されるボール
１の残量を検出する第２のセンサー１１が設置されてい
る。第２のセンサー１１の形態は、第１のセンサー７と
同様の光センサーである投光器１２と受光器１３を用い
るのが好ましい。第２のセンサー１１によって、ホッパ
ー２内のボール１が消費されたことが検出されゝば、ボ
ール供給装置は自動停止する。

【００２０】一方、ホッパー２の内壁に沿って、蓋３を
貫通し外部から気体を供給するブローノズル１４が筒状
直線部２ａの直前まで伸びている。ブローノズル１４
は、後述するボール１のブリッジ状態を解除する機能を
果たすものである。ボール１のブリッジの発生を検出し
た受光器１３は、信号を演算装置１５に発信し、気体の
供給弁１６を制御し、気流によって強制的にボール１を
舞い上がらせる。供給される気体は、ボール１の材質に
よって任意に選択する。例えば、酸化を嫌う場合は窒素
ガス、静電気を嫌う場合はイオンエアー、静電気と酸化
を嫌う場合はイオン窒化ガスなどを供給する。

【００２１】図２に、ボール１が筒状直線部２ａの直前
で競り合ってブリッジを発生した時のホッパー２内部の
断面図を示す。第２のセンサー１１である受光器１３が
１００％の受光量を捕捉すると演算装置１５は、図３に
示すように、供給弁１６を開いて気体の供給源１７から
ブローノズル１４に気体を噴流させ、ブリッジしている
ボール１を舞い上がらせてブリッジ状態を解除する。

【００２２】ホッパー２の蓋３にボール１の直径より小
さい多数の通気孔３ａを設けたのは、気体を排出するた
めである。また、第１のセンサー７でボール１の上限を
検出したのは、ボール１の舞い上がる空間を確保するた
めである。従って、過剰にボール１を投入したことが検
出されゝば、余剰のボール１は排除する必要がある。ボ
ール１が舞い上がって第１のセンサー７の受光器９の視
野にボール１が入ったとしても、第１のセンサー７は定
められた受光量に到達しなければ反応しないように設定
されている。

【００２３】さらに図３の状態は、筒状直線部２ａの上
部に全くボール１が存在しなくなった時にも発生する。
従って、予め定める時間を経過しても見かけ上ブリッジ
状態が解除されない場合は、ボール１が消費されたもの
として演算装置から装置の停止信号を発信させる。或は
ブリッジ状態の解除手段として、受光器１３の検出に無
関係に予め定めるタイミングで定期的にブローノズル１
４から気体を噴流させ、第２のセンサー１１はボール１
の残量検出のみに用いてもよい。

【００２４】図１に示すボール供給装置にボール搬送装
置を用いるに当たり、これ等の装置が実際に実施される
技術分野の例をあげて説明する。半導体パッケージに内
蔵されるＩＣ素子を絶縁基板にメタライズされているプ
リント回路の特定の位置に搭載する際、半田ボールを用
いるのは周知の技術である。以下に、光半導体パッケー
ジを例にとって説明する。

【００２５】図６に、光半導体パッケージ２００の構成
図を示す。図６において筐体２０１の内部には、第１の
絶縁基板２０２と第２の絶縁基板２０３の間に、熱ポン
プであるペルチェ素子２０４を挟んで配置する。第１の
絶縁基板２０２の上に放熱基板２０５を重ねて半導体搭
載エリアを造り、光信号や電気信号を相互に変換するＰ
Ｄ素子２０６やＬＤ素子２０７、ペルチェ素子２０４の
制御温度を監視するサーミスタ素子２０８、光の光軸を
矯正するレンズ２０９等を搭載する。これらの各種半導
体素子は、セラミックス端子２１０に被着されたプリン
ト回路２１１にボンデイングワイヤにて接続されてい
る。一方、筐体２０１の窓部２０１ａには、光の通過方
向を制御するアイソレータ２１２が取付けられ、コネク
タ２１３にガイドされた光ファイバー２１４からＬＤ素
子２０７に光信号が照射される。

【００２６】図６のような光半導体パッケージは、製造
個数の増加に伴なって手動から自動組立に移行した。放
熱基板２０５の上に搭載するＰＤ素子２０６、ＬＤ素子
２０７、サーミスタ素子２０８等の各種半導体素子を、
プリント回路２１１の所定の位置に対応して設置するの
に、本発明のボール搬送装置は有効に機能する。

【００２７】半田ボールの組成としては、仮組立された
光半導体パッケージがファーネスを通過する際、先に溶
着されているペルチェ素子２０４の定着を妨げない、低
融点のＳｎ−Ｂｉ系の半田が好ましい。また、ボール直
径は０．２〜２ｍｍ、重さは０．３〜５ｍｇが好まし
く、この範囲であればブローノズル１４から噴出する空
気圧は、０．５Ｐａ近傍で充分である。

【００２８】図４に、ボール搬送装置の概念図を示す。
図１のボール供給装置において、スライダ４の凹所４ａ
に捉えた半田ボール１は、スライドテーブル５上をｂ点
まで移動して吸着ノズル２０の先端にピックアップされ
る。吸着ノズル２０は、別途設ける制御装置の指令信号
によって作動する搬送ロボット２１に保持され、後端部
に真空圧と空気圧を供給するフレキシブルチューブ２２
が接続されている。半田ボール１の直上に移動した吸着
ノズル２０は、搬送ロボット２１によって矢印Ｂの如く
上下し、真空源２３に連絡する切替弁Ａ２４と空圧源２
５に連絡する切替弁Ｂ２６を交互に開閉して半田ボール
１を吸引する。切替弁Ｂ２６が閉弁し、切替弁Ａ２４が
開弁している状態で、第３のセンサー２７としての周知
の圧力計に所定の真空圧が発生していれば、吸着ノズル
２０の先端に半田ボール１が吸着されていることにな
る。

【００２９】次に、搬送ロボット２１は矢印Ｃの如く旋
回し、半田ボール１はｂ点から任意に定める距離Ｗ２の
ｃ点まで移動する。さらに、搬送ロボット２１は矢印Ｄ
の如く上下して、例えば図６の放熱基板２０５の所定位
置に、切替弁Ｂ２６を開弁し、切替弁Ａ２４を閉弁して
半田ボール１を載置する。空圧源２５の圧力が過大であ
ると半田ボール１が移動する恐れがあるので、空気圧は
０．０５Ｐａ近傍が好ましい。また、半田ボール１の移
動を防ぐため放熱基板２０５の表面にアクリル樹脂係の
糊を塗布する方法もある。

【００３０】半田ボール１のｂ点からｃ点までの移動
は、搬送ロボット２１の代わりにスライドテーブルやタ
ーンテーブルを用いてもよい。また、吸着ノズル２０と
切替弁Ａ２４及び切替弁Ｂ２６との接続は、フレキシブ
ルチューブ２２を用いずに、真空源２３及び空圧源２５
を含めて一体の筐体に纏めてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明のボール供給装置は、比較的小粒
のボールを一粒ずつ抽出するために、一旦、漏斗状のホ
ッパーに収納して先端にボールが一列に通過する筒状直
線部を形成し、落下してくるボールを凹所の形成された
セパレータにて分離したから、ボールの汚れや静電気に
よってボール同士が付着することがあっても、セパレー
タによって確実に１個ずつ分離することができる。ま
た、ホッパーの上部に備える第１のセンサーでボールの
過剰な投入を防ぎ、下部に備える第２のセンサーでボー
ルの残量と筒状直線部の直前に発生し易いブリッジを検
出して、ブローノズルに外部より気体を噴流させボール
を再整列させたから、セパレータによる分離を確実にす
ることができる。

【００３２】このボール供給装置を用いて分離された半
田ボールを、搬送ロボットに保持された吸着ノズルによ
って真空圧にて吸着する際、真空圧の発生を検出し、所
定の位置に移動して空気圧を作用させて半田ボールを強
制的に開放したから、半導体部品の自動組立に適する半
田ボールの載置ミスが未然に防止されたボール搬送装置
が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のボール供給装置の構成概念図である。

【図２】本発明のホッパー内におけるボールのブリッジ
発生状態図である。

【図３】本発明のホッパー内におけるボールのブリッジ
解除状態図である。

【図４】本発明のボール搬送装置の概念図である。

【図５】従来技術のボールのリペア用ピックアップの動
作工程図である。

【図６】周知技術である光半導体パッケージの構成図で
ある。

【符号の説明】

１ ボール ２ ホッパー ２ａ 筒状直線部 ３ 蓋 ３ａ 通気孔 ４ セパレータ ４ａ 凹所 ５ スライドテーブル ６ 駆動装置 ７ 第１のセンサー ８、１２ 投光器 ９、１３ 受光器 １０ 樹脂窓 １１ 第２のセンサー １４ ブローノズル １５ 演算装置 １６ 制御弁 １７ 気体の供給源 ２０ 吸着ノズル ２１ 搬送ロボット ２２ フレキシブルチューブ ２３ 真空源 ２４ 切替弁Ａ ２５ 空圧源 ２６ 切替弁Ｂ ２７ 第３のセンサー

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ボールを収納するホッパーには、多数の
   通気孔の形成された開閉自在の蓋が設けられ、下方に向
   かって漏斗状に容積が狭くなり、先端には前記ボールが
   一列に通過する筒状直線部が形成され、前記筒状直線部
   直下には任意の隙間Ｌを隔てゝ、前記ボールを単独に収
   納する凹所の形成されたセパレータがスライドテーブル
   上に載置され、別途設ける駆動装置によって間歇的に前
   記ボールを１個ずつ取出すことを特徴とするボール供給
   装置。
2. 【請求項２】 前記蓋を貫通し前記ホッパーの内壁に沿
   って先端が前記筒状直線部の直前に到るブローノズルを
   配置し、外部より気体を供給することを特徴とする請求
   項１に記載のボール供給装置。
3. 【請求項３】 前記ホッパーの上部に、収納される前記
   ボールの適量を検出する第１のセンサーが配置されてい
   ることを特徴とする請求項１または２に記載のボール供
   給装置。
4. 【請求項４】 前記ホッパーの前記筒状直線部の直前
   に、収納される前記ボールの残量を検出する第２のセン
   サーが配置されていることを特徴とする請求項１ないし
   ３に記載のボール供給装置。
5. 【請求項５】 請求項１に記載のボール供給装置から間
   歇的に前記セパレータに取出した前記ボールに対面し、
   真空圧と空気圧の切替弁の備えられた配管に後部が接続
   され、且つ、搬送ロボットによって上下及び左右に移動
   自在に移動し、前記搬送ロボットによって保持された吸
   着ノズルの真空圧によって前記ボールを吸着し、所定の
   位置に移動したところで空気圧によって前記ボールを開
   放することを特徴とするボール搬送装置。
6. 【請求項６】 前記ボールの吸着されている前記吸着ノ
   ズルの配管系に所定の真空圧が発生していることを認識
   する第３のセンサーの設けられていることを特徴とする
   請求項５に記載のボール搬送装置。