JP2004006553A

JP2004006553A - 対象物当接装置、対象物当接方法、電子部品装着装置および電子部品装着方法

Info

Publication number: JP2004006553A
Application number: JP2002161192A
Authority: JP
Inventors: Kazuji Azuma; 東　和司; Takahiro Yonezawa; 米沢　隆弘; Shinzo Eguchi; 江口　信三; Yoshihisa Oido; 大井戸　良久; Kazuyuki Tomita; 富田　和之
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】電子部品装着装置において簡単な構成で電子部品を所定の姿勢に精度よく保持する。
【解決手段】電子部品装着装置において装着ヘッド１３に複数の圧電素子３１を設ける。事前に装着ヘッド１３の吸着ノズル１３４にダミー部品を保持してダミー部品とステージ１１とを当接させて圧電素子３１からの出力を検出し、出力値に基づいてステージ１１に対する吸着ノズル１３４の下面１３４ａの傾きを検出する。さらに、圧電素子３１に電圧を与えて吸着ノズル１３４の姿勢を調整する。その後、吸着ノズル１３４に電子部品９２を保持し、ステージ１１に基板９１を保持して電子部品９２を基板９１に装着する。これにより、簡単な構成で電子部品を所定の姿勢に精度よく保持して装着を行うことができる。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物同士を精度よく当接させる技術に関し、好ましくは、電子部品を基板に装着する技術に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子部品の小型化および高性能化に伴い、電子部品を回路基板（以下、「基板」という。）に装着する際に、基板に対する電子部品の水平方向の位置の精度のみならず、基板の表面と電子部品の電極面との間の平行度（以下、単に「基板と電子部品との間の平行度」という。）を高くすることが求められている。
【０００３】
従来、基板と電子部品との間の平行度を高めるために、電子部品を保持する装着ヘッドに平行度調整用のねじを複数設け、作業者が測定器具を使用しながら平行度調整用ねじを回すことにより、基板を保持するステージに対して装着ヘッドの吸着ノズルの姿勢の調整を行ってきた。しかしながら、手作業による調整には多くの時間と手間とを要することとなる。
【０００４】
そこで、特開平１１−２６９９４号公報には、吸着ノズルの調整作業を自動化するために、装着ヘッドに複数の圧電素子を設けるとともに吸着ノズルの姿勢を非接触にて測定する測定機器を設けた電子部品装着装置が開示されている。この電子部品装着装置では、測定結果に基づいて圧電素子に与える電圧を求めて電圧を制御することにより、吸着ノズルの姿勢を自動的に調整するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特開平１１−２６９９４号公報に係る電子部品装着装置では、非接触で吸着ノズルの姿勢を測定することが前提となっているため、測定を行うための機器が別途設けられる。一方、圧電素子は外部からの力に応じて電圧を発生するという特徴を有している。そこで、本発明は圧電素子等の歪み部材の特徴を有効に利用するために接触式にて吸着ノズル等の保持部の姿勢を検出するという新たな手法を提供することを主たる目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、第１対象物を第２対象物に当接させる対象物当接装置であって、第１対象物を保持する第１保持部と、第２対象物を保持する第２保持部と、前記第１保持部と前記第２保持部との相対的位置関係を変更することにより第１対象物を第２対象物に当接させる位置変更機構と、電気的に歪みが制御されることにより前記第１保持部の姿勢を変更する複数の歪み部材と、前記位置変更機構により前記第１保持部と前記第２保持部とを直接または間接的に当接させて前記複数の歪み部材からの出力を検出し、前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御する制御部とを備える。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の対象物当接装置であって、前記複数の歪み部材の個数が３である。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の対象物当接装置であって、前記複数の歪み部材のそれぞれが圧電素子である。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、第１対象物を第２対象物に当接させる対象物当接方法であって、ａ）　第１保持部と第２保持部とを直接または間接的に当接させる工程と、ｂ）　前記第１保持部に設けられた複数の歪み部材からの出力を検出する工程と、ｃ）　前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御して前記第１保持部の姿勢を調整する工程と、ｄ）　第１対象物を保持する前記第１保持部を第２対象物を保持する前記第２保持部に対して相対的に移動して前記第１対象物を前記第２対象物に当接させる工程とを有する。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の対象物当接方法であって、前記ｄ）工程の前に、前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返す工程をさらに有する。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の対象物当接方法であって、前記ｄ）工程の後に、前記第１保持部が前記第１対象物の保持を解除する工程をさらに有する。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、電子部品を基板に装着する電子部品装着装置であって、電子部品を保持する部品保持部と、基板を保持するステージと、前記部品保持部と前記ステージとの相対的位置関係を変更することにより電子部品を基板に装着させる位置変更機構と、電気的に歪みが制御されることにより前記部品保持部の姿勢を変更する複数の歪み部材と、前記位置変更機構により前記部品保持部と前記ステージとを直接または間接的に当接させて前記複数の歪み部材からの出力を検出し、前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御する制御部とを備える。
【００１３】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の電子部品装着装置であって、前記部品保持部が、電子部品を吸引吸着する吸着面を有する。
【００１４】
請求項９に記載の発明は、電子部品を基板に装着する電子部品装着方法であって、ａ）部品保持部とステージとを直接または間接的に当接させる工程と、ｂ）　前記部品保持部に設けられた複数の歪み部材からの出力を検出する工程と、ｃ）　前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御して前記部品保持部の姿勢を調整する工程と、ｄ）　電子部品を保持する前記部品保持部を基板を保持する前記ステージに対して相対的に移動して前記電子部品を前記基板に当接させる工程と、ｅ）　前記部品保持部による前記電子部品の保持を解除する工程とを有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一の実施の形態に係る電子部品装着装置１の概略構成を示す図である。電子部品装着装置１は基板９１を吸引吸着により保持するステージ１１、ステージ１１を水平面内にて移動させるステージ移動機構１２、電子部品９２を吸引吸着により保持する装着ヘッド１３、および、装着ヘッド１３を昇降移動させるヘッド昇降機構１４を有する。ステージ１１および装着ヘッド１３はそれぞれエジェクタ１５ａ，１５ｂに接続され、エジェクタ１５ａ，１５ｂによるステージ１１および装着ヘッド１３の吸引動作が全体制御部２により制御される。
【００１６】
また、全体制御部２はステージ移動機構１２、装着ヘッド１３およびヘッド昇降機構１４にも接続され、ステージ１１の位置、装着ヘッド１３の姿勢（正確には、装着ヘッド１３の下部の姿勢）、および、装着ヘッド１３の上下移動を制御する。
【００１７】
図２は装着ヘッド１３およびステージ１１を示す斜視図であり、図３は断面図である。以下、これらの図を参照しながら装着ヘッド１３の構造について説明する。装着ヘッド１３は、大きく分けて上から順に、支持部材１４１に連結される連結部１３１、電圧と歪とを相互変換する圧電素子（ピエゾ）３１が取り付けられた圧電素子取付部１３２、ノズル取付部１３３、および、ノズル取付部１３３に取り付けられる吸着ノズル１３４を有する。
【００１８】
支持部材１４１はエジェクタ１５ｂ（図１参照）へと連絡する配管を兼ねており、装着ヘッド１３の内部には吸着ノズル１３４の下面１３４ａの吸引口１３４Ｈ（図３に図示）から支持部材１４１へと連絡する流路が形成されている。連結部１３１と圧電素子取付部１３２との間は、図３に示すようにくびれ部１３Ｎとなっており、連結部１３１に対して圧電素子取付部１３２から下方の部位が矢印Ａにて示すようにくびれ部１３Ｎを中心として僅かに回動可能とされる。ノズル取付部１３３内には、吸着する電子部品９２の種類に応じて吸着ノズル１３４を交換するための着脱機構が設けられる。
【００１９】
図４はくびれ部１３Ｎの位置における装着ヘッド１３の断面を示す図である。図４に示すようにくびれ部１３Ｎを中心として３つの圧電素子３１が圧電素子取付部１３２に設けられ、各圧電素子３１は全体制御部２に電気的に接続される。各圧電素子３１の上端は図３に示すように連結部１３１の下面に当接する状態とされ、全体制御部２が各圧電素子３１に電圧を付与して連結部１３１と圧電素子取付部１３２との間の３カ所の距離が決定されると、吸着ノズル１３４の吸着面である下面１３４ａとステージ１１の上面１１ａとの間の平行度（すなわち、電子部品９２と基板９１との間の平行度）が高精度に調整される。
【００２０】
図５は３つの圧電素子３１に与えられる電圧を設定する際の電子部品装着装置１の動作の流れを示す図である。電圧設定は電子部品９２を基板９１に装着する前の準備作業として行われる。
【００２１】
電圧設定では、まず、全体制御部２の電圧付与回路２３（図４参照）によりデフォルトの設定電圧が各圧電素子３１に与えられる（ステップＳ１１）。一方、予め吸着ノズル１３４にはダミー部品が保持されており、装着ヘッド１３がヘッド昇降機構１４により下降してダミー部品がステージ１１に当接する（ステップＳ１２）。
【００２２】
ダミー部品がステージ１１に当接した瞬間に各圧電素子３１が出力する電圧は全体制御部２の検出回路２１（図４参照）にて検出される（ステップＳ１３）。当接により各圧電素子３１に作用する力を示す出力値はダミー部品の下面がステージ１１の上面１１ａに対して傾斜している方向および傾斜の程度に依存することから、全体制御部２は演算回路２２にて出力値を演算処理してダミー部品のおよその傾きを求め、さらに、ダミー部品の傾きを補正するために各圧電素子３１に与えられるべき設定電圧を算出する（ステップＳ１４）。
【００２３】
そして、求められた設定電圧と現在の（当接前の）設定電圧とが比較され、いずれかの圧電素子３１に対して求められた設定電圧が現在の設定電圧に対して所定のしきい値以上異なる場合には、各圧電素子３１に対する設定電圧が求められた設定電圧へと変更される（ステップＳ１５，Ｓ１６）。
【００２４】
設定電圧の変更が行われた場合、電圧付与回路２３により各圧電素子３１に設定電圧が再度付与され（ステップＳ１１）、ダミー部品の当接動作および設定電圧の算出が再度行われる（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。以上の動作が設定電圧の変更が不要となるまで繰り返されることにより（ステップＳ１５）、ステージ１１に対して吸着ノズル１３４を適正な姿勢とするための設定電圧が求められる。すなわち、装着ヘッド１３に保持される電子部品９２の下面とステージ１１に保持される基板９１の上面との間の平行度を高精度に調整するための設定電圧が求められる。
【００２５】
図６は電圧設定後に電子部品装着装置１が電子部品９２を基板９１に装着する動作の流れを示す図である。装着動作では、まず、事前に求められた設定電圧が各圧電素子３１に付与され（ステップＳ２１）、吸着ノズル１３４が適正な姿勢へと変更（調整）される。その後、電子部品９２および基板９１が電子部品装着装置１に搬入され、電子部品９２が吸着ノズル１３４の下面１３４ａに吸引吸着され、基板９１がステージ１１の上面１１ａに吸引吸着される（ステップＳ２２）。
【００２６】
ここで、図示を省略するカメラにより電子部品９２の下面の電極パターンおよび基板９１上の回路パターンが撮像され、ステージ移動機構１２により基板９１上の装着領域が電子部品９２の真下に位置するようにステージ１１の移動（すなわち、電子部品９２と基板９１との位置合わせ）が行われる（ステップＳ２３）。なお、位置合わせにおいて装着ヘッド１３を支持部材１４１を中心に回動させて電子部品９２の向きの調整がさらに行われてもよい。
【００２７】
位置合わせが完了すると、装着ヘッド１３がヘッド昇降機構１４により下降し、電子部品９２が基板９１に当接する（ステップＳ２４）。このとき、装着ヘッド１３に設けられた超音波発振部が能動化され、電子部品９２の電極に形成されたバンプと基板９１上の電極とが固着される。その後、全体制御部２がエジェクタ１５ｂを制御することにより吸着ノズル１３４の吸引口１３４Ｈからの吸引が停止して装着ヘッド１３による電子部品９２の保持が解除され、装着ヘッド１３が上昇する（ステップＳ２５）。
【００２８】
全体制御部２がエジェクタ１５ａを制御することによりステージ１１による吸引吸着も解除され、装着済みの基板９１は装置外のアーム等により電子部品装着装置１から搬出される（ステップＳ２６）。そして、電子部品９２の装着を行う次の基板９１が存在する場合にはステップＳ２２〜Ｓ２６が繰り返されて電子部品９２の装着が実行され、最後の基板９１への電子部品９２の装着が完了すると、電子部品装着装置１の装着動作が終了する（ステップＳ２７）。
【００２９】
以上のように、電子部品装着装置１では圧電素子３１の出力に基づいてステージ１１に対する吸着ノズル１３４の相対的姿勢（すなわち、ステージ１１の上面１１ａと吸着ノズル１３４の下面１３４ａとの間の平行度）が検出されるとともに圧電素子３１に電圧を付与することにより吸着ノズル１３４の姿勢が高い精度にて調整される。換言すれば、圧電素子３１は吸着ノズル１３４の姿勢を測定する機器としての機能と吸着ノズル１３４の姿勢を調整するアクチュエータとしての機能とを実現する。したがって、これらの２つの機能を実現するために測定機器とアクチュエータとを個別に設ける必要がなく、電子部品装着装置１の構造を簡素化することができる。
【００３０】
また、電子部品装着装置１では圧電素子３１の個数（取り付け箇所）を３とすることにより（正確には、同一直線状には並ばない３カ所とすることにより）、圧電素子３１の制御の簡素化も実現される。なぜならば、圧電素子３１をくびれ部１３Ｎの周囲に４つ以上設けることも可能であるが、この場合、圧電素子３１間の相互作用を考慮しつつ圧電素子３１に付与すべき電圧を求める必要が生じるからである。
【００３１】
なお、吸着ノズル１３４の姿勢を自動調整することにより、吸着ノズル１３４が交換された場合であっても速やかに装着動作を開始することも実現される。
【００３２】
以上、本発明に係る一の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００３３】
例えば、上記実施の形態において吸着ノズル１３４の姿勢を調整する技術は、２つの対象物を２つの保持部にて保持して当接させる際に、装置構造を簡素化しつつ一方の保持部に対する他方の保持部の相対的姿勢の精度を高める技術に利用することができる。
【００３４】
電子部品９２や基板９１は電子部品装着装置１において機械的に保持されてもよく、静電吸着等の他の手法により保持されてもよい。また、電子部品９２を基板９１に装着して固着させる手法は他の手法であってもよい。例えば、基板９１に予め異方性導電樹脂を付与し、電子部品９２が装着されるとともに基板９１に向けて押圧され、さらに、装着ヘッド１３に設けられたヒータにより加熱されて樹脂が硬化されるという装着（および固定）手法に電子部品装着装置１が使用されてもよい。
【００３５】
上記実施の形態ではヘッド昇降機構１４により装着ヘッド１３をステージ１１に対して移動させて電子部品９２が基板９１上に装着されるが、装着ヘッド１３とステージ１１との相対的位置関係が他の機構（例えば、ステージ１１を昇降させる機構）を用いて変更されることにより、装着（すなわち、当接）が行われてもよい。
【００３６】
また、上記実施の形態では、吸着ノズル１３４がダミー部品を保持した状態で間接的にステージ１１に当接させて圧電素子３１への設定電圧の算出が行われるが、上記実施の形態のように吸着ノズル１３４の先端が平らな吸着面である場合には吸着ノズル１３４をステージ１１に直接当接させてもよい。逆に、吸着ノズル１３４がダミー部品（または、電子部品９２）を保持し、ステージ１１がダミー基板（または、基板９１）を保持した状態で、吸着ノズル１３４とステージ１１との間接的な当接が行われてもよい。
【００３７】
上記実施の形態では、電圧と歪とを互いに変換する圧電素子により簡単な構造で吸着ノズル１３４の姿勢の変更が行われるが、電気的に歪みを制御することができ、かつ、歪みに応じて電気的な出力が得られる他の部材が利用されてもよい。例えば、超磁歪素子にコイルを巻き付けたものを圧電素子３１に代えて使用することも可能である。この場合、コイルへの電流が制御されることにより吸着ノズル１３４の姿勢の変更が実現される。また、装着ヘッド１３とステージ１１とが直接または間接的に当接した際には超磁歪素子の歪みによりコイルに電気的信号が発生し、この出力に基づいてコイルに流すべき電流を求めることも可能となる。
【００３８】
上記実施の形態では電圧設定において吸着ノズル１３４とステージ１１とを間接的に当接させる工程が繰り返されるが、吸着ノズル１３４の傾きを精度よく算出することができるのであるならば、吸着ノズル１３４とステージ１１との当接は１回のみであってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、第２対象物に対して第１対象物を高い精度にて所定の姿勢とした上で第１対象物と第２対象物とを当接させることができる。また、相対的姿勢の検出および調整を複数の歪み部材により実現することができるため、装置の構造を簡素化することができる。特に、電子部品を高い精度にて基板に装着する電子部品装着装置において装置構造の簡素化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子部品装着装置の概略構成を示す図
【図２】装着ヘッドおよびステージを示す斜視図
【図３】装着ヘッドおよびステージを示す断面図
【図４】装着ヘッドの断面図
【図５】圧電素子に与えられる電圧を設定する際の電子部品装着装置の動作の流れを示す図
【図６】電子部品装着装置が電子部品を基板に装着する動作の流れを示す図
【符号の説明】
１　電子部品装着装置
２　全体制御部
１１　ステージ
１４　ヘッド昇降機構
３１　圧電素子
９１　基板
９２　電子部品
１３４　吸着ノズル
１３４ａ　下面
Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１，Ｓ２４，Ｓ２５　ステップ

Claims

第１対象物を第２対象物に当接させる対象物当接装置であって、
第１対象物を保持する第１保持部と、
第２対象物を保持する第２保持部と、
前記第１保持部と前記第２保持部との相対的位置関係を変更することにより第１対象物を第２対象物に当接させる位置変更機構と、
電気的に歪みが制御されることにより前記第１保持部の姿勢を変更する複数の歪み部材と、
前記位置変更機構により前記第１保持部と前記第２保持部とを直接または間接的に当接させて前記複数の歪み部材からの出力を検出し、前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御する制御部と、
を備えることを特徴とする対象物当接装置。
請求項１に記載の対象物当接装置であって、
前記複数の歪み部材の個数が３であることを特徴とする対象物当接装置。
請求項１または２に記載の対象物当接装置であって、
前記複数の歪み部材のそれぞれが圧電素子であることを特徴とする対象物当接装置。
第１対象物を第２対象物に当接させる対象物当接方法であって、
ａ）　第１保持部と第２保持部とを直接または間接的に当接させる工程と、
ｂ）　前記第１保持部に設けられた複数の歪み部材からの出力を検出する工程と、
ｃ）　前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御して前記第１保持部の姿勢を調整する工程と、
ｄ）　第１対象物を保持する前記第１保持部を第２対象物を保持する前記第２保持部に対して相対的に移動して前記第１対象物を前記第２対象物に当接させる工程と、
を有することを特徴とする対象物当接方法。
請求項４に記載の対象物当接方法であって、
前記ｄ）工程の前に、前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返す工程をさらに有することを特徴とする対象物当接方法。
請求項４または５に記載の対象物当接方法であって、
前記ｄ）工程の後に、前記第１保持部が前記第１対象物の保持を解除する工程をさらに有することを特徴とする対象物当接方法。
電子部品を基板に装着する電子部品装着装置であって、
電子部品を保持する部品保持部と、
基板を保持するステージと、
前記部品保持部と前記ステージとの相対的位置関係を変更することにより電子部品を基板に装着させる位置変更機構と、
電気的に歪みが制御されることにより前記部品保持部の姿勢を変更する複数の歪み部材と、
前記位置変更機構により前記部品保持部と前記ステージとを直接または間接的に当接させて前記複数の歪み部材からの出力を検出し、前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御する制御部と、
を備えることを特徴とする電子部品装着装置。
請求項７に記載の電子部品装着装置であって、
前記部品保持部が、電子部品を吸引吸着する吸着面を有することを特徴とする電子部品装着装置。
電子部品を基板に装着する電子部品装着方法であって、
ａ）　部品保持部とステージとを直接または間接的に当接させる工程と、
ｂ）　前記部品保持部に設けられた複数の歪み部材からの出力を検出する工程と、
ｃ）　前記出力に基づいて前記複数の歪み部材の歪みを電気的に制御して前記部品保持部の姿勢を調整する工程と、
ｄ）　電子部品を保持する前記部品保持部を基板を保持する前記ステージに対して相対的に移動して前記電子部品を前記基板に当接させる工程と、
ｅ）　前記部品保持部による前記電子部品の保持を解除する工程と、
を有することを特徴とする電子部品装着方法。