JP2005019957A - 電子部品装着装置および電子部品装着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ベアチップ等の電子部品を基板に装着する電子部品装着装置において、電子部品に加えられる荷重を正確に測定することが可能な電子部品装着装置を提供する。
【解決手段】電子部品装着装置１０では、圧電素子３１〜３３を有する荷重センサ３０が、移動ブロック２０のシャフト１３と保持ヘッド１５ａの間に設けられる。荷重センサ３０は、移動ブロック２０のガイドとして機能するスライダ１１およびガイドレール１２の摺動部よりも電子部品１に近い位置にあるため、スライダ１１とガイドレール１２の摺動抵抗の影響を受けることなく、電子部品１の装着の際に電子部品１に加えられる荷重をより精度良く測定することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば半導体のベアチップ、電子回路のパッケージ等の電子部品を基板に装着するための電子部品装着装置に関する。

従来から、バンプ付半導体ベアチップ等の電子部品を基板に装着する際、電子部品に荷重を加えてバンプを基板上の電極に押し付けて接合する方法が採られている。この方法によれば、各バンプに加えられる荷重値を一定の範囲内に管理する必要があるため、ロードセル等の荷重センサを用いて、電子部品に加えられている荷重を測定しながら電子部品の装着が行われている。

従来の電子部品装着装置の構成を図１に示す。従来の電子部品装着装置１００では、Ｚ方向に移動する移動ブロックが第１移動ブロック１１０と第２移動ブロック１２０に分割され、第２移動ブロック１２０に設けられたナット部１２１が、モータ１５０により回転駆動される送りねじ１５１と噛み合わされている。また、第１移動ブロック１１０と第２移動ブロック１２０とがばね１２２で引き合うように連結され、第１移動ブロック１１０と第２移動ブロック１２０との間に荷重センサであるロードセル１３０が設けられている。第１移動ブロック１１０の側面にはスライダ１１１が設けられており、Ｚ方向に設けられたガイドレール１１２上を摺動する。

第１移動ブロック１１０の下端部には、その中心軸がＺ方向に配置されたシャフト１１３、および、電子部品１０１を負圧により吸着保持するための保持ヘッド１１５が順に設けられている。また、保持ヘッド１１５の下方には、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能なテーブル１４０が設けられており、基板１０２がテーブル１４０上に載置されている。ロードセル１３０の出力は制御部１６０に入力され、制御部１６０はロードセル１３０の出力をモニタしながら、モータ１５０の駆動を制御する。

電子部品１０１を基板１０２上に装着するときは、モータ１５０を所定方向に回転駆動して第２移動ブロック１２０および第１移動ブロック１１０をＺ方向に下降させる。電子部品１０１が基板１０２と接触すると、ロードセル１３０により検出される荷重が徐々に増加し、電子部品１０１が加圧される。このとき、例えば、電子部品１０１を一定の荷重で加圧しながら超音波を印加することにより、電子部品１０１の底部に設けられたバンプ１０１ａが基板１０２上の配線パターンに結合され、実装される。その後、保持ヘッド１１５を電子部品１０１から離し、第２移動ブロック１２０および第１移動ブロック１１０をＺ方向に上昇させる。

なお、従来の電子部品装着装置に関する先行技術として、特許文献１は、第１移動ブロックと第２移動ブロックとをばねで連結する代わりに、エアシリンダを介して第１移動ブロックと第２移動ブロックとを連結した電子部品装着装置を開示している。また、特許文献２は、移動ブロックをＺ方向に移動させるために、モータおよびねじ送り機構の代わりにボイスコイルモータを用い、ボイスコイルモータによりＺ方向に駆動されるシャフトに保持ヘッドが取り付けられた電子部品装着装置を開示している。さらに、特許文献２では、ロードセルのような荷重センサを用いずに、ボイスコイルモータに印加する電流から加圧力を推定している。

特許文献３は、保持ヘッド側の複数箇所に設けられた荷重センサにより接合時の圧力を検出し、圧力値が均一になるように保持ヘッドの下面の傾きを調整することにより、電子部品と基板表面とを平行とする電子部品装着装置を開示している。

特許文献４は、テーブル上にバンプを上方に向けて載置された電子部品にテープ基板を押圧して接合するボンディング装置において、テープ基板を保持するボンディングツールの複数箇所に設けられた歪ゲージにより検出された加圧力に基づいて、ボンディングツールの加圧面と電子部品の接合面とが平行になるようにテーブルの傾斜を調整する電子部品装着装置を開示している。また、特許文献５は、テーブルの複数箇所に設けられた荷重センサの出力に基づいて、ステージの傾斜を調整する電子部品装着装置を開示している。さらに、特許文献５では、ボンディングツールに設けられた他の荷重センサの出力に基づいてフィードバック制御を行うことにより、ボンディングツールの加圧力を加圧パターンと一致させる技術も開示されている。
特開平１０−１６３２７３号公報 （図１、段落００１７） 特開平８−２０３９６６号公報 （図１、段落００２５） 特開平１１−２９７７６４号公報 特開平４−９４５５３号公報 特開平４−２２３３４９号公報

ところで、図１に示す従来の電子部品装着装置１００では、ロードセル１３０は第１移動ブロック１１０と第２移動ブロック１２０との間に位置し、ロードセル１３０よりも（−Ｚ）側（下側）にスライダ１１１およびガイドレール１１２が設けられている。スライダ１１１がガイドレール１１２上を摺動する際、ある程度の摺動抵抗（例えば３０ｇ重程度）が発生することは避けられず、ロードセル１３０により検出される荷重にはこの摺動抵抗による誤差が含まれる。従って、ロードセル１３０により検出された荷重に基づいてモータ１５０の駆動を制御すると、電子部品１０１に加えられる荷重にばらつきが生じる。実際に電子部品１０１に加えられる荷重が必要な荷重よりも小さすぎると、電子部品１０１と基板１０２との接合に十分な強度が得られず、接触不良等が生じる可能性がある。逆に、実際に電子部品１０１に加えられる荷重が必要な荷重よりも大きすぎると、電子部品１０１の底部のバンプ１０１ａが潰れたり、或いは電子部品１０１自体が破損する可能性がある。

また、電子部品１０１が基板１０２の表面に対して傾いている場合、電子部品１０１の底部の各バンプ１０１ａに均一に荷重が加えられず、一部のバンプについて接触不良が生じたり、一部のバンプが潰れる可能性がある。

移動ブロックのＺ方向の移動の際の摺動抵抗を低減させるために、例えば空気軸受を使用することも考えられる。しかしながら、電子部品に加えられる荷重が小さいときは（例えば３００ｇ重程度）空気軸受により支え得るが、一定の限界を超える荷重が加えられるときには空気軸受を使用することはできない。このような問題は、特許文献１の電子部品装着装置においても同様である。

特許文献２の電子部品装着装置では、ボイスコイルモータによりＺ方向に駆動されるシャフトに保持ヘッドを取り付けて移動させるので、図１の場合と同様に摺動抵抗が発生する。また、電子部品に加えられる荷重を間接的に測定するため、上記のように、電子部品と基板との間の接触不良、バンプの潰れ、電子部品自体の破損の可能性がある。

特許文献３ないし特許文献５の電子部品装着装置でも同様に、電子部品に加えられる荷重が傾き調整等の機構を介して間接的に測定されるため、電子部品に実際に加えられている荷重を正確に測定することが困難である。このため、荷重センサからの出力に基づいて行われる電子部品の基板表面に対する傾きを精度良く調整することが難しく、精度向上による電子部品の装着異常の防止に限界がある。また、荷重の測定精度を向上させるためには荷重センサを装置の複数箇所に離して設ける必要があり、装着位置の近傍にて荷重を検出することが困難である。

本発明は、上記従来例の問題点を解決するためになされたものであり、移動ブロックが移動する際の摺動抵抗による誤差の影響をなくし、電子部品に実際に加えられている荷重を正確に測定することが可能な電子部品装着装置を提供することを目的としている。

請求項１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、電子部品の装着方向に駆動される移動ブロックと、電子部品を保持する剛性の高い一体的なブロックである保持ヘッドと、前記移動ブロックと前記保持ヘッドとの間に設けられ、前記保持ヘッドを支持する荷重センサと、前記移動ブロックを前記装着方向に移動可能にガイドするガイド機構と、前記移動ブロックの前記装着方向への駆動を行う駆動機構とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子部品装着装置であって、装着時に電子部品に加えられるべき前記装着方向に略平行な方向の荷重値の時間に対する変化を示す荷重プロファイルを予め記憶する記憶部と、前記荷重プロファイルに従って前記移動ブロックの駆動を制御する制御部と、前記荷重センサにより検出される前記装着方向に略平行な方向の垂直荷重の値と前記荷重プロファイルとを比較して、電子部品の装着異常を検出する装着異常検出部とをさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電子部品装着装置であって、前記保持ヘッドの前記装着方向に略平行な方向の変位量を検出する変位センサをさらに備え、前記装着異常検出部が、前記変位センサにより検出された装着開始から終了までの前記保持ヘッドの変位量と、予め前記記憶部に記憶されている基準変位量とを比較して、電子部品の装着異常を検出する。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記荷重センサは圧電素子である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電子部品装着装置であって、前記荷重センサは、前記装着方向に略平行な方向の垂直荷重および前記装着方向に略垂直でかつ互いに略直交する２方向の水平荷重を受けて電圧を発生する３つの圧電素子を有する。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の電子部品装着装置であって、前記装着異常検出部が、前記荷重センサにより検出される前記２方向の水平荷重の値を座標値とする２次元空間上の位置と、前記記憶部に予め記憶されている前記２次元空間上の許容範囲とを比較して、電子部品の装着異常を検出する。

請求項７に記載の発明は、請求項４ないし６のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記圧電素子は、圧電セラミックスまたは水晶である。

請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記電子部品は半導体のベアチップである。

請求項９に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記電子部品は、所定の荷重が加えられた状態で、加熱されることにより熱硬化性樹脂を介して基板に接合される。

請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし８のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記電子部品は、所定の荷重が加えられた状態で、超音波を印加されることにより基板に接合される。

請求項１１に記載の発明は、請求項１ないし１０のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、前記荷重センサが、前記保持ヘッドが取り付けられる取り付け面と、前記取り付け面に平行であり、前記移動ブロックに取り付けられるもう１つの取り付け面とを有する。

請求項１２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、基板保持部により基板を保持する工程と、電子部品の装着方向に駆動される移動ブロックに荷重センサを介して取り付けられた剛性の高い一体的なブロックである保持ヘッドにより電子部品を保持する工程と、ガイド機構に沿って前記移動ブロックを前記装着方向に駆動して前記電子部品を前記基板に装着する工程と、前記電子部品を装着する工程と並行して、前記荷重センサにより前記装着方向に略平行な方向の垂直荷重を検出する工程とを備える。

本発明によれば、移動ブロックと保持ヘッドとの間に設けられた荷重センサにより電子部品に加えられる荷重を測定するため、移動ブロックをガイドするためのガイド機構による摺動抵抗等の影響を受けることなく、電子部品の装着の際に電子部品に加えられる荷重をより精度良く測定することができる。請求項４の発明では、電子部品に加えられる荷重をさらに精度良く測定することができる。

請求項２の発明では、垂直荷重から電子部品の装着異常を精度良く検出することができる。請求項３の発明では、水平荷重の偏りから電子部品の装着異常を精度良く検出することができる。請求項６の発明では、電子部品の変位量から電子部品の装着異常を精度良く検出することができる。

請求項１１の発明では、荷重センサを容易に一定の姿勢で着脱することが実現される。

本発明は、荷重センサを保持ヘッドの近傍に設けてガイド機構の摺動抵抗の影響を排除することにより、電子部品に加えられる荷重を正確に測定し得る電子部品装着装置に関する。以下、本発明の一の実施の形態に係る電子部品装着装置について、図面を参照しつつ説明する。

図２は、本発明の一の実施の形態に係る電子部品装着装置１０の構成を示す図であり、電子部品装着装置１０は、半導体ベアチップである電子部品１を回路配線が形成された基板２上に装着する。

電子部品装着装置１０では、Ｚ方向に移動する移動ブロック２０に設けられたナット部２１が、モータ５０により回転駆動される送りねじ５１と噛み合わされている。移動ブロック２０の側面にはスライダ１１が設けられており、Ｚ方向を向くガイドレール１２上を摺動する。スライダ１１およびガイドレール１２は、移動ブロック２０を電子部品１の装着方向に移動可能にガイドするためのガイド機構となっている。また、モータ５０、送りねじ５２および移動ブロック２０のナット部２１は、移動ブロック２０を電子部品１の装着方向に駆動するための駆動機構を構成する。

移動ブロック２０の下端部には、その中心軸がＺ方向に配置されたシャフト１３、電子部品１に加えられる荷重を測定するための圧電素子を有する荷重センサ３０、超音波振動子１４が取り付けられたブロック１４１、および、電子部品１を負圧により吸着保持するための保持部１５が順に設けられている。保持部１５、ブロック１４１および保持部１５とブロック１４１との間の部材は、剛性の高い一体的なブロックである保持ヘッド１５ａとして組み立てられている。保持部１５には、真空ポンプ（図示せず）に接続された配管１６が接続されており、保持部１５の下面に形成された吸引口から吸引を行うことにより、電子部品１を吸着する。シャフト１３の（＋Ｘ）側には、保持ヘッド１５ａのＺ方向（電子部品１の装着方向）の変位量を検出する変位センサである光学式（光干渉方式）のリニアスケール７０が設けられる。リニアスケール７０および荷重センサ３０の出力は制御部６０に入力される。

保持ヘッド１５ａの下方には、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能なテーブル４０が設けられており、基板２はテーブル４０上に載置されて保持される。なお、電子部品１を供給する機構および電子部品１と基板２の相対的な位置を検出するためのカメラ等は図示を省略している。

荷重センサ３０および保持ヘッド１５ａの取り付け構造を図３に示す。超音波振動子１４が取り付けられたブロック１４１および荷重センサ３０には、ボルト３５が貫通する貫通穴１４ａおよび３０ａが設けられており、ブロック１４１と移動ブロック２０のシャフト１３との間に荷重センサ３０を挟むように、ブロック１４１および荷重センサ３０がボルト３５によりシャフト１３に取り付けられている。すなわち、実質的に荷重センサ３０のみにより支持されるようにして保持ヘッド１５ａが取り付けられる。また、保持部１５は、図示しないボルトによりブロック１４１に取り付けられている。

荷重センサ３０では、平板状の３枚の圧電素子３１，３２，３３がＺ方向（電子部品１の装着方向）に積層されており、例えば、最上層の圧電素子３１は、電子部品１の装着方向と略平行な方向（図２に示すＺ方向であり、必ずしも重力方向と合致していなくてもよい。）の荷重（基板２に対して垂直な方向の荷重であり、以下、「垂直荷重」という。）を受けて電圧を発生するように、圧電素子の分極方向が定められている。同様に、中間層および最下層の圧電素子３２および３３は、それぞれ電子部品１の装着方向に略垂直でかつ互いに略直交する２方向（Ｘ方向およびＹ方向）の荷重（以下、「水平荷重」という。）を受けて電圧を発生するように圧電素子の分極方向が定められている。

荷重センサ３０は、保持ヘッド１５ａが直接的に取り付けられる取り付け面３０ｂと、取り付け面３０ｂに平行であり、移動ブロック２０のシャフト１３に取り付けられるもう１つの取り付け面３０ｃとを有する。これにより、１つのボルト３５にて容易に一定の姿勢で荷重センサ３０をシャフト１３に対して着脱することが実現される。

図４は、電子部品１を基板２上に装着する際の電子部品装着装置１０の動作の流れを示す図である。電子部品１を基板２上に装着する際には、まず、テーブル４０上に基板２が載置されて保持され（ステップＳ１１）、保持部１５が供給機構から電子部品１を受け取って真空吸着により保持する（ステップＳ１２）。続いて、電子部品１が基板２上の装着位置の上方に移動し、保持部１５に保持される電子部品１と基板２との相対位置のアライメントが行われる（ステップＳ１３）。

次に、モータ５０が所定方向に回転駆動して移動ブロック２０と共に保持部１５が（−Ｚ）方向に下降し（ステップＳ１４）、電子部品１が基板２と接触する。電子部品１と基板２との接触は、荷重センサ３０の出力に基づいて、図２に示す制御部６０の接触検出部６１によって精度良く検出される（ステップＳ１５）。なお、電子部品１と基板２との接触検出の要求精度が比較的高くない場合には、リニアスケール７０により検出される電子部品１のＺ方向（装着方向）における変位量とモータ５０に供給される電流（モータのトルク）との関係から接触が検出されてもよい。また、保持ヘッド１５ａが所定の距離だけ下降したことがモータ５０のエンコーダからの出力により検知され、電子部品１と基板２とが接触したものとみなされてもよい。

図５は、装着時に電子部品１に加えられるべき垂直荷重の時間に対する変化を示す荷重プロファイル６０１を示す図であり、荷重プロファイル６０１は制御部６０の記憶部６２に予め記憶されている。図５に示す荷重プロファイル６０１は、装着開始から時刻ｔ１まで徐々に荷重が増加し、時刻ｔ１から所定の時間だけ一定荷重による加圧が行われ、さらに時刻ｔ２まで荷重が増加した後、時刻ｔ２から所定の時間だけ一定荷重による加圧が行われることを示す。なお、荷重プロファイル６０１の形状は、電子部品１や基板２の種類、装着方法等に合わせて様々に変更される。

ステップＳ１５において電子部品１と基板２との接触が検出されると、制御部６０により移動ブロック２０の駆動が荷重プロファイル６０１に従って制御され、電子部品１に対する加圧が開始される（ステップＳ１６）。そして、荷重センサ３０により検出される荷重が徐々に増加し、電子部品１が所定の荷重で加圧された状態で、制御部６０からの信号により超音波振動子１４が能動化されて電子部品１に超音波が印加され、電子部品１の底部に設けられたバンプ１ａが基板２上の配線パターンに結合され、装着と同時に実装が行われる（ステップＳ１７）。

その後、配管１６を介して保持部１５からブローを行うとともに配管１６に備えられた弁（図示せず）を開放し、保持部１５を電子部品１から離す。そして、モータ５０を逆方向に回転駆動して移動ブロック２０（および保持ヘッド１５ａ）を（＋Ｚ）方向に上昇させて電子部品１の実装が完了する（ステップＳ１８）。

電子部品装着装置１０では、電子部品１を基板２に装着する際（ステップＳ１６，Ｓ１７）に電子部品１に加えられる荷重や電子部品１の変位に何らかの異常が生じた場合には、荷重センサ３０およびリニアスケール７０からの出力に基づいて、制御部６０により電子部品１の装着異常が検出される。図６は、電子部品装着装置１０における電子部品１の装着異常を検出する動作の流れを示す図である。以下、図６および他の図面を参照しながら、電子部品１の装着工程と並行して行われる異常検出動作について説明する。

まず、電子部品１と基板２との接触が検出されて電子部品１に対する加圧が開始されると、荷重センサ３０により電子部品１に加えられる荷重が検出されて制御部６０へと送られ（ステップＳ２１）、圧電素子３１により検出される垂直荷重が記憶部６２に記憶されている荷重プロファイル６０１と比較されて、図５に示す荷重プロファイル６０１の許容範囲（荷重プロファイル６０１の上下に位置する線６０２１により挟まれる範囲）６０２内であるか否かが確認される（ステップＳ２２）。また、電子部品１と基板２との接触検出と同時に、リニアスケール７０による保持ヘッド１５ａの変位量の測定も開始される。

制御部６０の装着異常検出部６３（図２参照）により垂直荷重が荷重プロファイル６０１の許容範囲６０２外であると判断されると、電子部品装着装置１０に設けられた警告ランプ６４が点灯されることにより電子部品１の装着異常の検出が作業者へ通知される（ステップＳ３０）。例えば、スライダ１１やガイドレール１２の摺動異常等が生じている場合には、検出される垂直荷重が荷重プロファイル６０１の許容範囲６０２外の小さい値となることがある。この場合、電子部品１の基板２に対する押圧不足によりバンプ１ａと基板２との接合不良が生じる可能性があり、このような装着異常が装着異常検出部６３により検出される。

垂直荷重が荷重プロファイル６０１の許容範囲６０２内であると判断されると、次に、圧電素子３２および３３により検出される水平荷重が、記憶部６２に予め記憶されている水平荷重の許容範囲と比較される。図７は、電子部品１に加えられる水平荷重の許容範囲６０３を、Ｘ方向およびＹ方向の荷重をそれぞれＸ軸およびＹ軸とする２次元空間６０４上に示す図である。許容範囲６０３は、線６０３１に囲まれた２次元空間６０４の原点を中心とする円または楕円（電子部品１の形状等に合わせて他の形状とされる場合もある。）の領域であり、荷重プロファイル６０１に基づいて、原点を中心として拡大または縮小される。図７中に実線にて示す線６０３１は、図５に示す荷重プロファイル６０１の時刻ｔ１における許容範囲６０３を示しており、電子部品１に対する加圧が進み、加圧状態が荷重プロファイル６０１の時刻ｔ２の状態となると、時刻ｔ２における荷重プロファイル６０１が示す垂直荷重の値等に基づいて、二点鎖線にて示す位置まで拡大される。

制御部６０の装着異常検出部６３では、荷重センサ３０により検出されたＸ方向およびＹ方向の水平荷重の値を座標値とする位置が許容範囲６０３と比較され（ステップＳ２３）、許容範囲６０３外である場合には、警告ランプ６４が点灯されることにより電子部品１の装着異常の検出が作業者へ通知される（ステップＳ３０）。ステップＳ２３において装着異常が検出される場合として、例えば、保持部１５による吸着ミスや異物の噛み込み等により電子部品１が基板２に対して傾いて保持されている場合、あるいは、一部のバンプ１ａと基板２との間に異物の噛み込みが生じた場合等が考えられる。

図８〜図１０は、保持部１５に保持される電子部品１の近傍を示す図である。図８〜図１０に示すように、電子部品１と保持部１５若しくは基板２との間、または、基板２とテーブル４０との間において、電子部品１の中心から見て（＋Ｘ）側に異物８０の噛み込みが生じている場合には、電子部品１の（＋Ｘ）側のバンプ１ａが、（−Ｘ）側のバンプ１ａよりも先に（図９に示す場合は、異物８０を介して）基板２と接触し、この状態から電子部品１に対する加圧が開始される。このとき、（＋Ｘ）側のバンプ１ａに荷重が集中することにより、荷重センサ３０により検出される水平荷重の２次元空間６０４における位置が、原点から（＋Ｘ）側にずれて許容範囲６０３外となる。この場合、電子部品１の底部の各バンプ１ａに均一に荷重が加えられず、（＋Ｘ）側のバンプ１ａが荷重集中により潰れたり、（−Ｘ）側のバンプ１ａと基板２との間で接合不良が生じたり、さらには、不均一な加圧により電子部品１自体が破損する可能性があり、このような水平荷重の偏りを原因とする装着異常が装着異常検出部６３により検出される。

電子部品装着装置１０では、異物８０の噛み込み等により電子部品１に加えられる水平荷重を示す空間６０４における位置が、（＋Ｘ）方向のみならず、他の方向に偏っている場合も許容範囲６０３から外れることとなり、装着異常検出部６３により装着異常が検出される。

装着異常検出部６３により水平荷重が許容範囲６０３内と判断されると、制御部６０により電子部品１の装着が終了したか否かが確認され（ステップＳ２４）、終了していない場合には、ステップＳ２１に戻って荷重の測定および装着異常の検出（ステップＳ２１〜Ｓ２３）が、電子部品１の装着（荷重プロファイル６０１に従って行われる電子部品１に対する加圧）が終了するまで繰り返される（ステップＳ２４）。

電子部品１の装着が終了すると、電子部品１の装着開始（電子部品１と基板２との接触検出時）から終了（電子部品１に対する加圧の終了）までの保持ヘッド１５ａの変位量がリニアスケール７０により検出されて制御部６０に送られ（ステップＳ２５）、予め記憶部６２に記憶されている基準となる変位量（以下、「基準変位量」という。）と比較される（ステップＳ２６）。

検出された変位量が、基準変位量に予め関係づけられている許容範囲外である場合には、装着異常検出部６３により警告ランプ６４が点灯されることにより電子部品１の装着異常の検出が作業者へ通知されて装着異常の検出動作が終了する（ステップＳ３０）。例えば、電子部品１のバンプ１ａが装着時に倒れる等して電子部品１が基板２に必要以上に近接した場合には、検出される変位量が許容範囲外の大きい値を取り、このような装着異常が装着異常検出部６３により検出される。

また、リニアスケール７０により検出された変位量が基準変位量の許容範囲内である場合には、電子部品１の基板２に対する装着（および実装）が正常に終了したと判断され、装着異常の検出動作が終了する。以上のように、電子部品装着装置１０では、荷重センサ３０およびリニアスケール７０による検出結果が、記憶部６２に予め記憶されている許容範囲と比較されることによって、電子部品１の装着異常が装着異常検出部６３により検出される。なお、電子部品装着装置１０では、ステップＳ２２，Ｓ２３において装着異常が検出された場合であっても、装着異常の程度が軽微である場合には、電子部品１の装着動作は続行され、一連の装着動作が終了するまで荷重センサ３０およびリニアスケール７０による荷重および変位の検出が継続されて装着異常を検出する各ステップ（ステップＳ２２，Ｓ２３，Ｓ２６）における測定結果が取得される。

図１１は、荷重センサ３０および保持ヘッド１５ａの取り付け構造の他の例を示す図である。図１１では、図３に示す構造と比べてブロック１４１に代えてヒータを有するヒートブロック１４２が取り付けられ、電子部品１としてＩＣである半導体ベアチップが保持部１５に保持される。保持部１５およびヒートブロック１４２により、剛性の高い一体的なブロックとして保持ヘッド１５ａが組み立てられている。他の構成は図３と同様であり、同符号を付している。荷重センサ３０の構造および取付方法も図３と同様であり、ボルト３５により荷重センサ３０およびヒートブロック１４２がシャフト１３に対して容易に着脱可能とされている。また、シャフト１３の（＋Ｘ）側には、保持ヘッド１５ａのＺ方向の変位を計測するリニアスケール７０が設けられる。

電子部品１の装着に際して、基板２上には予め熱硬化性の異方性導電性樹脂のフィルム（ＡＣＦ(Anisotropic Conductive Film)）（以下、「ＡＣＦ」という。）２ａが貼り付けられており、ヒートブロック１４２により保持部１５が予め加熱されている。したがって、電子部品１が保持部１５に保持されると、保持部１５を介して電子部品１が加熱される。そして、保持部１５が下降することにより、ＡＣＦ２ａを介して電子部品１が基板２上に押圧され、ＡＣＦ２ａ内の導電性微粒子が潰れることにより電子部品１の電極１ｂと基板２上の電極とが電気的に接合される。接合と同時に、ＡＣＦ２ａは電子部品１を介して加熱されて硬化し、電子部品１が基板２に固着される。接合が終了すると、保持部１５が吸着を解除して上昇する。

次に、荷重センサ３０用の圧電素子に適する材料について説明する。表１は、圧電素子の材料と諸定数との関係を示す。

例えば水晶の場合、誘電率および圧電歪定数が低く、感度が低いものの、キュリー点が高く、安定性に優れる。従って、図１１に示す場合のようにヒータを用いて接合が行われ、かつ、測定精度が要求される場合には、水晶を用いることが好ましい。一方、ジルコン・チタン酸鉛（Ｐｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ_３）等の圧電セラミックスの場合、水晶に比べてキュリー点が低いものの、誘電率や圧電歪定数等が高く、応答性に優れる。また、任意の形状に加工しやすく、量産性に優れるという特徴を有する。以上のことから、荷重センサ３０として要求される精度、応答性、コスト等に応じて、水晶および圧電セラミックスの中から最適なものが適宜選択される。

以上に説明したように、電子部品装着装置１０では、荷重センサ３０が剛性の高い一体的なブロックである保持ヘッド１５ａに直接取り付けられるため、荷重センサ３０により検出される荷重値は電子部品１に加えられている荷重と等価とみなすことができる。特に、電子部品１の装着方向であるＺ方向において、荷重センサ３０が、スライダ１１とガイドレール１２の摺動部よりも保持ヘッド１５ａ側に配置されているため、荷重センサ３０により検出される荷重値は、スライダ１１とガイドレール１２の摺動抵抗の影響を受けない。そのため、従来の電子部品装着装置と比較して、より実際に電子部品１に加えられている実荷重に近い測定値を得ることができ、電子部品１の装着の際に電子部品１に加えられる荷重をより精度良く測定することができる。

また、電子部品１の装着方向に重ねて設けられた圧電素子３２および３３を利用して水平荷重を検出することにより、さらに、圧電素子３２および３３に重ねて設けられた圧電素子３１を利用して垂直荷重を検出することにより、荷重センサ３０の水平方向のサイズを小さくし、電子部品１に加えられる３方向の荷重を電子部品１の装着位置の近傍にて検出することができる。その結果、電子部品１に加えられる荷重をさらに精度良く測定することが可能とされる。

電子部品装着装置１０では、電子部品１に加えられる垂直荷重と荷重プロファイル６０１とを比較することにより、また、電子部品１に加えられる水平荷重の偏りや、装着時の電子部品１の変位量の異常を検出することにより、電子部品１の装着時の装着異常を精度良く検出することができる。そして、装着異常が検出された基板２を、不良品として量産工程から除去することにより、完成品としての電子機器の不良発生を未然に防止することができる。

電子部品装着装置１０では、荷重センサ３０により検出される垂直荷重の測定値と荷重プロファイル６０１との比較結果に基づいて、保持ヘッド１５ａを駆動して電子部品１を基板２に押圧するモータ５０のフィードバック制御が制御部６０により行われてもよい。上述のように、電子部品装着装置１０では、電子部品１に加えられる垂直荷重を精度良く測定することができるため、モータ５０に対して精度の良い制御を行うことができ、電子部品１に加えられる垂直荷重のばらつきを数ｇ重以下とすることも可能となる。その結果、電子部品１と基板２の接合不良、電子部品１の底部のバンプ１ａや電極１ｂの破損、あるいは、電子部品１自体の破損等を防止することができる。

電子部品装着装置１０では、２次元空間６０４においてＸ方向およびＹ方向の水平荷重の値を座標値とする位置が、２次元空間６０４の原点を中心とする円または楕円の領域である許容範囲６０３と比較される。すなわち、Ｘ方向およびＹ方向の荷重ベクトルの合成ベクトルに対して許容範囲６０３が定められているため、Ｘ方向およびＹ方向の荷重の偏りを総合的に勘案して装着異常の検出を行うことができる。また、許容範囲６０３を楕円とすることにより、電子部品１の形状、あるいは、Ｘ方向の圧電素子３２とＹ方向の圧電素子３３との感度差等に対応して楕円の長径と短径とを変更し、許容範囲６０３を適切に設定することができる。

圧電素子を用いた荷重センサは、ストレインゲージを用いたロードセルよりも荷重測定可能な範囲が広い。また、圧電素子の材料である水晶および圧電セラミックスは共に、ロードセルを構成する金属の弾性体よりも剛性が高くかつ変形量も小さいため、弾性変形のヒステリシスはほとんどない。このため、電子部品１に加えられる荷重をさらに精度良く測定することができる。さらに、圧電素子を用いた荷重センサは、ロードセルを用いる場合に比べて応答速度も速いため、電子部品１と基板２との接触をより精度良く検出することができ、また、高速で電子部品の装着を行う場合にも電子部品１に加えられる荷重を精度良く測定することができる。したがって、荷重センサ３０として圧電素子３１〜３３を用いることによって、より汎用性の高い電子部品装着装置１０を実現することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、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。

例えば、移動ブロック２０の移動をガイドする機構としてボールスプラインが用いられてもよい。この場合、中心軸を中心にボールスプライン全体を回動させることにより、電子部品の向きが変更可能とされてもよい。

また、上記実施の形態では、荷重センサとして圧電素子を用いたが、荷重の大きさや荷重検出精度によっては従来と同様にロードセルが用いられてもよい。その場合でも、荷重センサにより検出される荷重には、ガイド機構の摺動抵抗等による誤差成分が含まれないため、実際に電子部品に加えられている実荷重に近い測定値を得ることができ、電子部品の装着の際に電子部品に加えるべき荷重をより精度良く制御することができる。

電子部品装着装置１０は、様々な電子部品の様々な実装に利用することができる。例えば基板上のはんだバンプに電子部品装着装置１０を用いて電子部品を装着（仮接合）しておき、次の工程ではんだをリフローにより溶融および固化させて電子部品と基板を接合させてもよい。また、熱硬化性樹脂フィルムが貼付された基板上に電子部品を仮圧着しておき、加圧および加熱を別途行う本圧着に電子部品装着装置１０が使用されてもよい。

電子部品装着装置１０により装着される電子部品は、例えば、ＬＥＤチップや半導体レーザ等の半導体発光素子、パッケージされたＩＣ、抵抗やコンデンサといった微細チップ等の半導体、あるいは、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルタ等の半導体以外の電子部品であってもよく、基板は、ガラス、半導体等の樹脂以外の材料により形成されたものであってもよい。また、装着時の電子部品は、上記実施の形態による負圧による吸着のほか、機械的なチャックや静電チャックにより保持されてもよい。

本発明は、電子部品を回路基板に装着する電子部品装着装置に利用可能である。

従来の電子部品装着装置の構成を示す正面図 本発明の一の実施の形態に係る電子部品装着装置の構成を示す正面図 保持ヘッドおよび荷重センサの取り付け構造を示す断面図 電子部品の装着動作の流れを示す図 荷重プロファイルを示す図 電子部品の装着異常を検出する動作の流れを示す図 電子部品に加えられる水平荷重の許容範囲を示す図 電子部品の近傍を示す図 電子部品の近傍を示す図 電子部品の近傍を示す図 保持ヘッドおよび荷重センサの取り付け構造の他の例を示す断面図

符号の説明

１ 電子部品
２ 基板
２ａ ＡＣＦ
１０ 電子部品装着装置
１１ スライダ
１２ ガイドレール
１３ シャフト
１５ 保持部
１５ａ 保持ヘッド
２０ 移動ブロック
２１ ナット部
３０ 荷重センサ
３０ｂ，３０ｃ 取り付け面
３１〜３３ 圧電素子
４０ テーブル
５０ モータ
５１ 送りねじ
６０ 制御部
６２ 記憶部
６３ 装着異常検出部
７０ リニアスケール
８０ 異物
６０１ 荷重プロファイル
６０３ 許容範囲
Ｓ１１〜Ｓ１８，Ｓ２１〜Ｓ２６，Ｓ３０ ステップ

Claims (12)

1. 電子部品を基板に装着する電子部品装着装置であって、
   電子部品の装着方向に駆動される移動ブロックと、
   電子部品を保持する剛性の高い一体的なブロックである保持ヘッドと、
   前記移動ブロックと前記保持ヘッドとの間に設けられ、前記保持ヘッドを支持する荷重センサと、
   前記移動ブロックを前記装着方向に移動可能にガイドするガイド機構と、
   前記移動ブロックの前記装着方向への駆動を行う駆動機構と、
   を備えることを特徴とする電子部品装着装置。
2. 請求項１に記載の電子部品装着装置であって、
   装着時に電子部品に加えられるべき前記装着方向に略平行な方向の荷重値の時間に対する変化を示す荷重プロファイルを予め記憶する記憶部と、
   前記荷重プロファイルに従って前記移動ブロックの駆動を制御する制御部と、
   前記荷重センサにより検出される前記装着方向に略平行な方向の垂直荷重の値と前記荷重プロファイルとを比較して、電子部品の装着異常を検出する装着異常検出部と、
   をさらに備えることを特徴とする電子部品装着装置。
3. 請求項２に記載の電子部品装着装置であって、
   前記保持ヘッドの前記装着方向に略平行な方向の変位量を検出する変位センサをさらに備え、
   前記装着異常検出部が、前記変位センサにより検出された装着開始から終了までの前記保持ヘッドの変位量と、予め前記記憶部に記憶されている基準変位量とを比較して、電子部品の装着異常を検出することを特徴とする電子部品装着装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
   前記荷重センサは圧電素子であることを特徴とする電子部品装着装置。
5. 請求項４に記載の電子部品装着装置であって、
   前記荷重センサは、前記装着方向に略平行な方向の垂直荷重および前記装着方向に略垂直でかつ互いに略直交する２方向の水平荷重を受けて電圧を発生する３つの圧電素子を有することを特徴とする電子部品装着装置。
6. 請求項５に記載の電子部品装着装置であって、
   前記装着異常検出部が、前記荷重センサにより検出される前記２方向の水平荷重の値を座標値とする２次元空間上の位置と、前記記憶部に予め記憶されている前記２次元空間上の許容範囲とを比較して、電子部品の装着異常を検出することを特徴とする電子部品装着装置。
7. 請求項４ないし６のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
   前記圧電素子は、圧電セラミックスまたは水晶であることを特徴とする電子部品装着装置。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
   前記電子部品は半導体のベアチップであることを特徴とする電子部品装着装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
   前記電子部品は、所定の荷重が加えられた状態で、加熱されることにより熱硬化性樹脂を介して基板に接合されることを特徴とする電子部品装着装置。
10. 請求項１ないし８のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
    前記電子部品は、所定の荷重が加えられた状態で、超音波を印加されることにより基板に接合されることを特徴とする電子部品装着装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の電子部品装着装置であって、
    前記荷重センサが、
    前記保持ヘッドが取り付けられる取り付け面と、
    前記取り付け面に平行であり、前記移動ブロックに取り付けられるもう１つの取り付け面と、
    を有することを特徴とする電子部品装着装置。
12. 電子部品を基板に装着する電子部品装着方法であって、
    基板保持部により基板を保持する工程と、
    電子部品の装着方向に駆動される移動ブロックに荷重センサを介して取り付けられた剛性の高い一体的なブロックである保持ヘッドにより電子部品を保持する工程と、
    ガイド機構に沿って前記移動ブロックを前記装着方向に駆動して前記電子部品を前記基板に装着する工程と、
    前記電子部品を装着する工程と並行して、前記荷重センサにより前記装着方向に略平行な方向の垂直荷重を検出する工程と、
    を備えることを特徴とする電子部品装着方法。

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