JP2005340780A - 電子部品装着装置および電子部品装着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着装置において、超音波振動の付与による電子部品の振幅を精度良く制御する。
【解決手段】電子部品装着装置１は、電子部品８を保持する吸着ノズル１１、吸着ノズル１１を介して電子部品８に超音波振動を付与する超音波振動子１３、回路基板９を保持する基板保持部２、および、回路基板９に電子部品８を押圧する押圧機構を備える。吸着ノズル１１の先端部には、吸着ノズル１１の加速度を検出する加速度センサが取り付けられる。電子部品装着装置１では、電子部品８が回路基板９に押圧されつつ超音波振動が付与されて実装される間、加速度センサからの出力から求められた吸着ノズル１１の振幅に基づいて超音波振動子１３の振幅がフィードバック制御される。この結果、超音波振動の付与による電子部品８の振幅を精度良く制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する技術に関する。

従来より、プリント基板等の回路基板に電子部品を装着する装置では、部品保持部に保持された電子部品の電極と回路基板の電極とを接合する様々な方法が利用されており、電子部品を短時間で、かつ、比較的低温にて接合することができる方法の１つとして超音波を利用する接合方法（以下、「超音波接合」という。）が知られている。超音波接合では、回路基板に押圧された電子部品に超音波振動を付与することにより振動させ、電子部品の電極（例えば、バンプが形成されている。）と回路基板の電極とを電気的に接合する。

このような超音波接合を行う電子部品の装着装置では、電子部品の接合状態を検査しつつ実装する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、レーザ変位計を用いて計測した装着時のバンプの沈み込み量に基づいて接合の良否判定を行う技術が開示されている。また、電子部品の振動の特性（振幅や周波数）が接合状態に大きな影響を与えるため、特許文献１では、レーザドップラー振動計により電子部品の振幅と振動速度を計測して基準波形と比較することにより、超音波振動が正常に付与されたか否かを検知する技術が開示されている。
特開平１１−２９７７６１号公報

ところで、このような装着装置では、超音波発生装置への入力電流と電子部品の振動の振幅との相関関係を予め求めて、入力電流を相関関係のみに基づいて制御することにより（いわゆる、オープンループ制御により）電子部品の振幅を調整することが行われているが、上記相関関係は電子部品に対する荷重条件や電子部品の大きさ等によって実際には変化する。また、部品保持部の装置への取り付け時や超音波発生装置との連結時等における僅かな取り付け誤差によっても上記相関関係は変化する可能性があり、装着装置毎に（あるいは、同一の装置でもメンテナンスの前後において）異なってしまう。

したがって、超音波発生装置への入力電流をオープンループ制御しても、実際に電子部品の振幅が所望の値になっているとは限らず、電子部品の振幅を精度良く制御することができず、電子部品と回路基板との接合品質の向上に限界がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、超音波振動の付与による電子部品の振幅を精度良く制御することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、超音波を利用して電子部品を回路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保持部と、前記保持部に保持された電子部品を回路基板に向けて押圧する押圧機構と、前記保持部を介して電子部品に超音波振動を付与する超音波振動子と、前記保持部の変位、速度または加速度を検出するセンサと、前記センサからの出力に基づいて前記超音波振動子の振幅をフィードバック制御する制御部とを備える。

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、前記センサが、前記保持部に取り付けられた加速度センサである。

請求項３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、前記センサが、前記保持部にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光に基づいて前記保持部の速度を検出する。

請求項４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、前記保持部が接地された導体部を備え、前記センサが、前記導体部に近接するプローブと、前記導体部と前記プローブとの間の静電容量を検出して前記保持部の変位に変換する変換部とを備える。

請求項５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、前記センサが、前記保持部に向けて照射されるレーザ光の反射光の受光位置、または、前記レーザ光の受光範囲における前記保持部による遮光位置に基づいて前記保持部の変位を検出する。

請求項６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、前記保持部が、磁石または磁化される部位を備え、前記センサが、前記磁石または前記磁化される部位による磁界の強度に基づいて前記保持部の変位を検出する、または、前記強度の変化に基づいて前記保持部の速度を検出する。

請求項７に記載の発明は、請求項１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、前記制御部が、前記保持部の振幅の時間的変化を実質的に示すプロファイルに従って前記超音波振動子を制御する。

請求項８に記載の発明は、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着方法であって、保持部に保持された電子部品を押圧機構により回路基板に向けて押圧する工程と、超音波振動子により前記保持部を介して前記電子部品に超音波振動を付与する工程と、前記保持部の変位、速度または加速度をセンサにて検出しつつ、前記センサからの出力に基づいて制御部により前記超音波振動子の振幅をフィードバック制御する工程とを備える。

本発明では、超音波振動の付与による電子部品の振幅を精度良く制御することができる。また、請求項７の発明では、電子部品の回路基板に対する接合品質を向上することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電子部品装着装置１の要部を示す図である。電子部品装着装置１は、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する装置であり、図１では、電子部品を装着する装着ヘッドの下端部近傍を示す。装着ヘッドの下端部には、半導体ベアチップである電子部品８を保持する保持部である吸着ノズル１１、吸着ノズル１１を保持するホーン１２、および、ホーン１２に取り付けられた超音波振動子１３が設けられ、これらの構成がホーン支持部１４を介してシャフト１５に取り付けられる。また、装着ヘッドの下方には、回路基板９を保持する基板保持部２が設けられる。

図２は、吸着ノズル１１の先端部近傍を拡大して示す図である。吸着ノズル１１は、中心部に真空吸引用の吸引路１１１を備え、先端に形成された吸引口から吸引を行うことによって電子部品８を吸着して保持する。吸着ノズル１１の先端部には、吸着ノズル１１の加速度を検出する圧電型の加速度センサ１６が取り付けられる。加速度センサ１６は、電子部品８の極近傍に設けられるため、加速度センサ１６により計測される吸着ノズル１１の加速度は、電子部品８の実際の加速度にほぼ等しい。

電子部品８の回路基板９と対向する面の電極上には金（Ａｕ）で形成されたボールバンプ（メッキバンプ等でもよく、以下、単に「バンプ」という。）８１が設けられ、基板保持部２に保持される回路基板９上には電極９１がバンプ８１と対向して設けられる。

図３．Ａは、電子部品装着装置１の各構成を制御する制御部３、並びに、制御部３に制御される装着ヘッドの押圧機構１７、超音波振動子１３および加速度センサ１６を示すブロック図である。電子部品装着装置１では、制御部３によりこれらの構成が制御されて電子部品８の回路基板９に対する装着が行われる。制御部３には、電子部品８の装着時に電子部品８に付与されるべき振動の振幅の時間的変化に基づいて求められた、超音波振動子１３により吸着ノズル１１に付与されるべき振動の振幅の時間的変化を示すプロファイルデータ３１が予め記憶されている。

図３．Ｂは電子部品装着装置１が電子部品８を回路基板９に装着する動作の流れを示す図である。電子部品装着装置１により電子部品８が回路基板９に装着される際には、吸着ノズル１１に保持された電子部品８が基板保持部２に保持された回路基板９の上方に移動し、電子部品８のバンプ８１と回路基板９の電極９１とのアライメントが行われた後にシャフト１５が下降して電子部品８のバンプ８１と回路基板９の電極９１とが接触し、押圧機構１７により電子部品８が回路基板９に向けて押圧される（ステップＳ１１）。そして、電子部品８が所定の荷重で加圧された状態で、制御部３からの信号により超音波振動子１３が能動化されてホーン１２および吸着ノズル１１を介して電子部品８に超音波振動が付与され（ステップＳ１２）、電子部品８のバンプ８１が回路基板９の電極９１に電気的に接合され、装着と同時に実装（すなわち、接合）が行われる。

電子部品装着装置１では、電子部品８に超音波振動が付与される間、吸着ノズル１１の先端部に取り付けられた加速度センサ１６により検出された吸着ノズル１１の加速度が制御部３に送られる。制御部３では、加速度センサ１６からの出力に基づいて吸着ノズル１１の振幅が求められ、求められた振幅とプロファイルデータ３１とが合致するように（すなわち、プロファイルデータ３１に従って）、超音波振動子１３の振幅がフィードバック制御される（ステップＳ１３）。超音波振動子１３の周波数としては２０〜１５０ｋＨｚの範囲のものが利用される。なお、プロファイルデータ３１は、吸着ノズル１１に付与されるべき振動の振幅の時間的変化を実質的に示していればよく、例えば、加速度センサ１６により計測されるべき加速度の時間的変化が示されていてもよい。

超音波振動子１３の振幅の制御は様々な方法で行われてよく、例えば、電源から超音波振動子１３に供給される電力、電流または電圧の最大値等が制御されることにより超音波振動子１３の振幅が制御されてよい。すなわち、制御部３では、吸着ノズル１１の振幅を制御するためのパラメータとして超音波振動子１３の振幅が利用されるが、制御部３における演算においては、必ずしも超音波振動子１３の振幅が求められる必要はなく、電源からの電流の最大値等が求められてもよい。

また、超音波振動子１３では、振幅の制御に加えて周波数を微調整する制御が行われてもよく、この場合、超音波振動子１３に電力を供給する電源として、超音波振動子１３のインピーダンスを測定し、測定結果に基づいて供給電流の周波数が、超音波振動子１３、ホーン１２、吸着ノズル１１および電子部品８等で構成される振動系の共振周波数に等しくなるように制御される周波数自動追尾型の電源が用いられてもよい。また、加速度センサ１６からの出力に基づいて、例えば、超音波振動子１３に供給される電流が一定である場合に電子部品８の振幅（すなわち、加速度センサ１６の取り付け位置における吸着ノズル１１の振幅）が最大となるように周波数が制御されてもよい。

図４は、装着ヘッドの下端部近傍の構成の他の例を示す図である。図４では、図１の加速度センサ１６に代えてレーザ振動計１６ａが設けられる。レーザ振動計１６ａは、吸着ノズル１１の先端部（電子部品８の極近傍の部位）にレーザ光を照射し、吸着ノズル１１からの反射光に基づいてドップラー効果を利用して吸着ノズル１１の先端部の速度を検出する。レーザ振動計１６ａからのレーザ光は、電子部品８の極近傍に照射されるため、レーザ振動計１６ａにより計測される吸着ノズル１１の速度は、電子部品８の実際の速度にほぼ等しくなる。

図４に示す電子部品装着装置１では、電子部品８の回路基板９に対する装着時に、レーザ振動計１６ａにより検出された吸着ノズル１１の速度から求められた吸着ノズル１１の振幅が、制御部３（図３．Ａ参照）に予め記憶されているプロファイルデータ３１に合致するように、超音波振動子１３の振幅が制御部３によりフィードバック制御される。

また、電子部品装着装置１では、加速度センサ１６やレーザ振動計１６ａの代わりに、吸着ノズル１１の（主として水平方向の）変位を検出するレーザ変位センサやリニア変位センサ等が設けられてもよく（後述の第２の実施の形態参照）、この場合、吸着ノズル１１の変位の変化から求められた吸着ノズル１１の振幅、および、プロファイルデータ３１に基づいて超音波振動子１３の振幅がフィードバック制御される。

以上に説明したように、電子部品装着装置１では、吸着ノズル１１の先端の変位、速度または加速度から求められた吸着ノズル１１の先端の振幅（すなわち、電子部品８の実際の振幅）に基づいて、超音波振動子１３の振幅をフィードバック制御することにより、超音波振動の付与による電子部品８の振幅を精度良く制御することができる。換言すれば、電子部品８の振幅が計測されてこの振幅がフィードバック制御される。また、プロファイルデータ３１に従って超音波振動子１３を制御することにより、電子部品８の振幅をより精度良く制御することができる。その結果、電子部品８の回路基板９に対する接合品質を向上することができる。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る電子部品装着装置１ａを示す正面図であり、図６は電子部品装着装置１ａの平面図である。電子部品装着装置１ａは、微細な電子部品を反転した後に、プリント基板等の回路基板９上への電子部品の装着と電極の接合（すなわち、実装）とを同時に行う、いわゆる、フリップチップ実装装置である。

電子部品装着装置１ａは、回路基板９を保持する基板保持部２ａを備え、基板保持部２ａの上方（図５中に示す（＋Ｚ）側）には、基板保持部２ａに保持された回路基板９に電子部品を装着する部品装着部５が設けられ、基板保持部２ａの（−Ｘ）側には、部品装着部５に電子部品を供給する部品供給部４が設けられる。また、基板保持部２ａと部品供給部４との間には、部品供給部４により部品装着部５に供給された電子部品を撮像する撮像部６０が設けられ、回路基板９の（＋Ｘ）側には、部品装着部５の装着機構５３において電子部品に当接する先端部を研磨する研磨部７が設けられる。電子部品装着装置１ａでは、これらの機構が制御部３ａにより制御されることにより、回路基板９に対する電子部品の装着が行われる。

基板保持部２ａは、回路基板９を保持するステージ２１、および、ステージ２１を図５中のＹ方向に移動するステージ移動機構２２を備える。研磨部７はステージ２１の（＋Ｘ）側に取り付けられており、ステージ移動機構２２によりステージ２１と一体的にＹ方向に移動する。研磨部７は、平らで水平な研磨面７１１を有するシート状の研磨部材７１、および、研磨部材７１を保持する研磨部材保持部７２を備える。

部品装着部５は、装着ヘッド５１および装着ヘッド５１をＸ方向に移動する装着ヘッド移動機構５２を備え、装着ヘッド５１は、電子部品を保持しつつ回路基板９に装着する装着機構５３を有する。装着ヘッド５１には、装着機構５３を昇降する昇降機構５４が設けられる。なお、第１の実施の形態に係る図１の構成は、装着機構５３に対応する。

図７は、装着機構５３近傍を拡大して示す図である。装着機構５３はＸ方向におよそ沿って伸びる保持部本体５３２を有し、保持部本体５３２の一端には超音波振動子５３１が取り付けられる。保持部本体５３２の他端側には保持ツール５３３が着脱可能に取り付けられ、保持ツール５３３は電子部品８を吸着保持する先端部５３４を有する。保持部本体５３２は保持ツール５３３が超音波振動子５３１よりも（−Ｚ）側に位置するように所定の傾斜角にてブロック５３５に取り付けられ、ブロック５３５はシャフト５３６に固定される。図７に示す状態において、先端部５３４は保持部本体５３２から下方へと柱状に突出する。保持ツール５３３（先端部５３４を含む。）はステンレス鋼等の導体にて形成され、保持部本体５３２を介して電気的に接地される。昇降機構５４（図５参照）によりシャフト５３６がＺ方向に移動することにより、装着機構５３が回路基板９や研磨面７１１に対して相対的に昇降する。

また、装着機構５３は、静電容量式の近接センサ５５をさらに有し（図５および図６において図示省略）、近接センサ５５は先端部５３４の（−Ｘ）側に近接して設けられるプローブ５５１、および、先端部５３４とプローブ５５１との間の静電容量を検出してこの静電容量をプローブ５５１に対する先端部５３４の変位へと変換する変換部５５２を有する。プローブ５５１は図示省略のプローブ支持部を介してブロック５３５に固定される。

図５および図６に示すように、部品供給部４は、所定の位置に電子部品を配置する部品配置部４１、部品配置部４１から電子部品を取り出して保持する供給ヘッド４２、供給ヘッド４２をＸ方向に移動する供給ヘッド移動機構４３、および、供給ヘッド４２を回動および僅かに昇降する回動機構４４を備える。部品配置部４１は、多数の電子部品が載置される部品トレイ４１１、部品トレイ４１１を保持するステージ４１２、並びに、部品トレイ４１１をステージ４１２と共にＸ方向およびＹ方向に移動するトレイ移動機構４１３を備える。供給ヘッド４２は、吸着により保持した電子部品を装着ヘッド５１の装着機構５３に供給する供給コレット４２１（図５参照）を備える。供給コレット４２１は、先端に形成された吸引口から吸引を行うことによって電子部品を吸着して保持する。

部品供給部４では、回路基板９に装着される予定の多数の電子部品が、回路基板９に接合されるバンプが形成された側の面（実装後の状態における下面であり、以下、「接合面」という。）を（＋Ｚ）側に向けて（すなわち、回路基板９に装着される向きとは反対向きに）部品トレイ４１１上に載置されている。

撮像部６０は、装着ヘッド移動機構５２による装着ヘッド５１（特に、装着機構５３）の移動経路上であって装着ヘッド５１の移動と干渉しない位置（本実施の形態では移動経路の真下）に設けられ、装着機構５３に保持された電子部品を（−Ｚ）側から撮像する。

次に、図３．Ｂに準じて電子部品装着装置１ａが電子部品８を回路基板９に装着する動作について説明を行う。電子部品装着装置１ａでは、まず、多数の電子部品が接合面を（＋Ｚ）側に向けて載置された部品トレイ４１１が、予め図５中の（−Ｘ）側に位置している供給ヘッド４２の下方にてトレイ移動機構４１３により移動し、電子部品の接合面が供給コレット４２１により吸着保持される。次に、供給ヘッド４２が反転しつつ供給ヘッド移動機構４３により（＋Ｘ）方向へと移動し、図５中に二点鎖線にて示す位置に位置する。このとき、供給コレット４２１と、図５中に二点鎖線にて示す受渡位置に位置する装着ヘッド５１の装着機構５３とが対向する。

続いて、昇降機構５４により装着機構５３が僅かに下降し、電子部品の上面が装着機構５３により吸引吸着されるとともに供給コレット４２１による吸引が停止され、装着機構５３が供給コレット４２１から電子部品を受け取って先端部５３４（図７参照）にて吸着保持する。電子部品の供給が完了すると、昇降機構５４により装着機構５３が僅かに上昇し、供給ヘッド４２が、元の位置へと退避する。供給ヘッド４２の退避と並行して、装着ヘッド５１が撮像部６０の真上へと移動し、撮像部６０により装着機構５３の先端部５３４に保持される電子部品が撮像される。撮像部６０からの出力である画像データは制御部３ａに送られ、制御部３ａでは画像データに基づいて装着ヘッド５１が制御され、装着機構５３がＺ方向に伸びる軸を中心に回動して電子部品の姿勢が補正される。

装着ヘッド５１は、装着ヘッド移動機構５２によりさらに（＋Ｘ）方向へと移動し、回路基板９上の電子部品の装着予定位置の上方に位置する。装着機構５３は回路基板９に向けて下降して接合面に形成されたバンプと回路基板９上の電極とが接触し、昇降機構５４により電子部品が、基板保持部２ａに保持される回路基板９に対して押圧される（ステップＳ１１）。この状態で、図７に示す超音波振動子５３１により保持部本体５３２および保持ツール５３３を介して超音波振動が電子部品８に付与されることにより（ステップＳ１２）、電子部品８のバンプが回路基板９の電極に対して電気的に接合され、電子部品８の装着と同時に接合（すなわち、実装）が行われる。

このとき、電子部品装着装置１ａでは先端部５３４とプローブ５５１との間に生じる静電容量が変換部５５２にて検出され（実際には、静電容量は電圧として間接的に検出される。）、振動する先端部５３４と固定されたプローブ５５１との間の距離に変換される。すなわち、近接センサ５５により非接触にて先端部５３４のＸ方向の変位が検出される。また、先端部５３４のプローブ５５１と対向する部位と電子部品８とは近接するため、先端部５３４の変位は電子部品８の実際の変位にほぼ等しくなる。あるいは、先端部５３４の変位に定数を乗じるだけで精度よく電子部品８の変位を求めることができる。近接センサ５５では通常０．０１〜５０マイクロメートルの変位が検出可能とされる。なお、保持部本体５３２が実際に接地されていなくても、保持ツール５３３が実質的に接地されている状態であれば、先端部５３４の変位は検出可能である。

電子部品装着装置１ａでは、近接センサ５５により求められた先端部５３４のＸ方向の変位から先端部５３４のＸ方向の振幅が導かれ、制御部３ａに予め記憶されているプロファイルデータに合致するように（正確には、Ｘ方向に関して超音波振動子１３により保持ツール５３３に付与されるべき振動の振幅の時間的変化を示すプロファイルデータに合致するように（以下同様））、超音波振動子５３１の振幅が制御部３ａによりフィードバック制御される（ステップＳ１３）。これにより、電子部品８の振幅が精度良く制御され、電子部品８が高い接合品質にて回路基板９に装着される。

電子部品８の装着が終了すると、吸引を停止した装着機構５３が昇降機構５４により電子部品８から離れて上昇し、続いて、先端部５３４（正確には、先端部５３４の電子部品８に当接する面）の研磨が必要か否かが確認される。先端部５３４の研磨は、先端部５３４に凝着した電子部品８の基板の成分を除去するために行われる。研磨が必要であると判断された場合には、装着機構５３が研磨部７の上方へと移動し、先端部５３４が研磨部材７１に押圧されつつ超音波振動子５３１により振動が付与されることにより、先端部５３４の研磨が行われる。

先端部５３４の研磨が終了すると、あるいは、研磨が不要であると判断された場合には、装着ヘッド５１が受渡位置へと移動し、取り出された電子部品が装着機構５３の先端部５３４にて吸着保持され、回路基板９に電子部品を装着する動作が繰り返される。このとき、個々の電子部品の表面状態や回路基板９の表面状態の影響が変化した場合であっても、電子部品装着装置１ａでは近接センサ５５からの出力に基づいて超音波振動子５３１の振幅がフィードバック制御されることにより、電子部品の振幅が精度良く制御される。

図８は、近接センサ５５の他の配置例を示す図である。図８では、プローブ５５１が保持ツール５３３の（−Ｘ）側の面（保持ツール５３３の先端部５３４よりも上方の部位）に対向するようにして配置される。保持ツール５３３は変形に対する強度が比較的高いため、保持部本体５３２の伸びる方向（すなわち、超音波振動子５３１により付与される超音波振動が作用する方向であり、以下、「振動方向」ともいう。）に関して、近接センサ５５により非接触にて取得される保持ツール５３３の変位は電子部品８の実際の変位とほぼ等しく、あるいは、精度よく比例する。そして、電子部品８の回路基板９に対する装着時には、保持ツール５３３の振動方向の変位から保持部本体５３２の傾斜角を考慮して導かれる保持ツール５３３のＸ方向の振幅が、制御部３ａに予め記憶されているプロファイルデータに合致するように超音波振動子５３１の振幅がフィードバック制御され、電子部品８が回路基板９に装着される。

図９は、装着機構５３の構成の他の例を示し、他の種類のセンサを利用する例について説明するための図である。図９の装着機構５３に設けられるセンサ５６は、先端部５３４に向けてレーザ光を出射する光出射部５６１、および、照射される光の位置を検出するＰＳＤ（Position Sensitive Detector）を有する受光部５６２を備える。光出射部５６１および受光部５６２は図９の紙面に垂直な方向に並んで配置される。先端部５３４において光出射部５６１からのレーザ光が照射される部位は鏡面の平面とされ、受光部５６２がレーザ光の先端部５３４からの反射光を受光することにより、先端部５３４のＸ方向の位置が検出される。

電子部品８の回路基板９への装着時は、光出射部５６１からのレーザ光は常に先端部５３４へと照射され、レーザ光の反射光の受光部５６２における受光位置に基づいて先端部５３４のＸ方向の変位が非接触にて高速に検出される。このとき、前述のように、先端部５３４の変位は電子部品８の実際の変位にほぼ等しく、あるいは、精度よく比例することとなる。そして、先端部５３４の変位から導かれる先端部５３４の振幅が、制御部３ａに予め記憶されているプロファイルデータに合致するように、超音波振動子５３１の振幅が制御部３ａによりフィードバック制御され、電子部品８が回路基板９に装着される。なお、図９の装着機構５３において、光出射部５６１および受光部５６２のもう１つの組合せが設けられ、この組合せにより先端部５３４のＺ方向の変位も取得され、先端部５３４の挙動が平面的に検出されてもよい。

図１０は、ＰＳＤを有するセンサの他の例を示す図である。図１０のセンサ５６ａでは、光出射部５６１ａが先端部５３４に近づくに従って光束断面が水平方向に漸次広がるレーザ光（ライン状のレーザ光）を出射し、受光部５６２は、先端部５３４の光出射部５６１ａとは反対側に先端部５３４から僅かに離れて配置される。図１０の装着機構５３において、仮に、先端部５３４が存在しない場合には、光出射部５６１ａからのライン状のレーザ光の全体が、受光部５６２における一定の受光範囲に照射される。実際には、先端部５３４によりレーザ光の一部が遮光されるため、センサ５６ａでは受光部５６２でのレーザ光の受光範囲における先端部５３４による遮光位置に基づいて先端部５３４のＸ方向の変位が非接触にて検出される。そして、センサ５６ａの出力に基づいて超音波振動子５３１の振幅がフィードバック制御され、電子部品８が回路基板９に装着される。なお、図１０の装着機構５３においても、光出射部５６１ａおよび受光部５６２のもう１つの組合せが設けられ、先端部５３４の変位が平面的に検出されてもよい。

図１１は、装着機構５３の構成のさらに他の例を示し、さらに他の種類のセンサを利用する例について説明するための図である。図１１の装着機構５３では、保持ツール５３３の（−Ｘ）側の面にシャフト５７１が取り付けられ、シャフト５７１には、例えば鉄等の強磁性体の金属にて形成されるコア５７２が設けられる。図１１の装着機構５３に設けられるセンサ５８は、それぞれがシャフト５７１を非接触にて囲む３個のコイル５８１、および、各コイル５８１に接続された変換部５８２を有する。以下の説明において、３個のコイル５８１のうち中央のコイル（図１１中において符号５８１ａを付すコイル）を一次コイルと呼び、一次コイル５８１ａの両側にそれぞれ位置する２つのコイル５８１を二次コイルと呼ぶ。なお、超音波振動が付与されていない状態において、コア５７２は一次コイル５８１ａに対向する位置に配置される。

図１１の装着機構５３では、変換部５８２から一次コイル５８１ａに交流電流が付与されることにより、極性が周期的に反転するようにコア５７２が磁化され、２つの二次コイル５８１に誘導電圧が発生して変換部５８２へと出力される。超音波振動子５３１により保持ツール５３３が振動すると、コア５７２が変位することにより、２つの二次コイル５８１に及ぶ磁界の強度に差が生じる。したがって、２つの二次コイル５８１にて発生する電圧にも差が生じ、変換部５８２ではこの差に基づいて保持ツール５３３の振動方向の変位量が検出される。このように、センサ５８は磁化されるコア５７２による磁界の強度に基づいて保持ツール５３３の変位を非接触にて検出する差動トランス式の磁気変位センサとされる。前述のように、保持ツール５３３は変形に対する強度が比較的高いため、図１１の装着機構５３では、振動方向に関して検出される保持ツール５３３の変位は電子部品８の実際の変位とほぼ等しく、あるいは、精度よく比例することとなる。そして、保持ツール５３３の振動方向の変位から保持部本体５３２の傾斜角を考慮して導かれる保持ツール５３３のＸ方向の振幅が、制御部３ａに予め記憶されているプロファイルデータに合致するように、超音波振動子５３１の振幅が制御部３ａによりフィードバック制御され、電子部品８が回路基板９に装着される。

図１２は、磁気を利用するセンサの他の例を示す図である。図１２の装着機構５３では、保持ツール５３３の（−Ｘ）側の面に磁石（例えば、磁化されたテープ状の部材）５７３が取り付けられ、センサ５８ａは、磁石５７３に対向して配置されるコイル５８３、および、コイル５８３に接続された変換部５８２ａを有する。超音波振動により保持ツール５３３が振動すると、磁石５７３による磁界のコイル５８３の位置における強度が変化してコイル５８３にて誘導電圧が発生する。誘導電圧は時間に対する磁界の強度の変化の割合に対して線形に変化するため、変換部５８２ａにてこの電圧が測定されることにより、磁界の強度の変化の割合が求められる。そして、磁石５７３とコイル５８３との間の距離と、コイル５８３の位置における磁石５７３による磁界の強度とが線形に変化すると仮定して振動方向に関して保持ツール５３３の時間に対する位置の変化の割合（すなわち、速度）が検出される。このように、図１２のセンサ５８ａでは、磁石５７３による磁界の強度の変化に基づいて保持ツール５３３の速度が非接触にて検出される。そして、センサ５８ａにより求められた保持ツール５３３の振動方向の速度から保持部本体５３２の傾斜角を考慮しつつ保持ツール５３３のＸ方向の振幅が求められ、この振幅が制御部３ａに予め記憶されているプロファイルデータに合致するように、超音波振動子５３１の振幅が制御部３ａによりフィードバック制御され、電子部品８が回路基板９に装着される。

なお、図１２の装着機構５３において、コイル５８３にて発生する誘導電圧の積分値（エネルギー）を求めることにより、保持ツール５３３の変位を磁石５７３による磁界の強度に基づいて検出することも可能である。また、図１２のセンサ５８ａにおいて、磁石５７３が補助コイルおよび補助コイルにより磁化されるコアを有する電磁石とされてもよい。

以上に説明したように、図７ないし図１２のいずれの装着機構５３を有する電子部品装着装置１ａにおいても、非接触にて保持ツール５３３（の先端部５３４）の変位または速度を検出するセンサが設けられることにより、電子部品８の振動特性に影響を与えることなく電子部品８の振幅が実質的に取得される。そして、この振幅に基づいて超音波振動子５３１の振幅がフィードバック制御されることにより、電子部品や基板の表面状態がばらつく場合や、保持ツール５３３が交換されて交換前後の先端部５３４の形状が僅かに異なる場合等であっても、超音波振動の付与による電子部品８の振幅を精度良く制御することができる。また、プロファイルデータに従って超音波振動子５３１を制御することにより、電子部品８の回路基板９に対する接合品質を向上するとともに、複数の電子部品装着装置１ａが設けられる場合に装置間での接合品質のばらつきを抑制することもできる。

電子部品装着装置１ａでは要求される接合精度等に応じて、図７ないし図１２の装着機構５３のいずれのものが用いられてもよいが、図９ないし図１２のセンサ５６，５６ａ，５８，５８ａのいずれかを用いる場合には、図７および図８の近接センサ５５に比べて安価であるため、電子部品装着装置１ａの製造コストの削減を図ることができる。なお、電子部品装着装置１ａに図４のレーザ振動計１６ａが設けられ、先端部５３４にレーザ光を照射しつつ、レーザ光の反射光に基づいて先端部５３４の速度が非接触にて検出されてもよい。

また、図５の電子部品装着装置１ａにおいて、図１３に示すように保持ツール５３３に加速度センサ５９が取り付けられて、電子部品装着装置１ａの小型化が図られてもよい。前述のように、保持ツール５３３は変形に対する強度が比較的高いため、加速度センサ５９により電子部品８の加速度が実質的に取得され、超音波振動の付与による電子部品８の振幅を精度良く制御することができる。また、加速度センサ５９を設ける場合には、絶対的な加速度が求められ、他のセンサのように固定部に対する振動絶縁を考慮する必要がないため、装着機構５３の設計を容易に行うことができる。なお、加速度センサ５９では例えば０．５〜２０００ｋｍ／ｓ^２の範囲の加速度が検出可能である。

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、様々な変更が可能である。

例えば、装着時の電子部品８は、上記実施の形態による吸引による吸着のほか、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。また、ホーン１２は図１に示す形状には限定されず、様々な形状とされてよい。

電子部品装着装置１，１ａでは、吸着ノズル１１の変位、速度または加速度を検出するセンサとして、超音波帯域において利用可能な他の各種センサが用いられてよい。

上記第１の実施の形態において、電子部品８の実際の加速度（振幅）にできるだけ等しい値を検出するという観点からは、加速度センサ１６は吸着ノズル１１の先端部に取り付けられることが最も好ましいが、計測部位の加速度から電子部品８の加速度を精度良く検出できるのであれば、先端部以外の他の部位に取り付けられてもよい。また、レーザ振動計１６ａやレーザ変位センサによる場合には、吸着ノズル１１に保持された電子部品８にレーザが照射されて電子部品８の速度や変位が検出されてもよく、この検出値に基づいて超音波振動子１３の振幅がフィードバック制御されてよい。

上記第２の実施の形態においても同様に、センサによる変位、速度または加速度の検出位置は、電子部品８の極近傍である電子部品８を保持する部位、すなわち、保持ツール５３３または先端部５３４上とされることが好ましいが、高精度な計測が可能であるならば、検出位置は保持部本体５３２の他の部位とされてもよい。

電子部品装着装置１，１ａ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）フィルタやカメラモジュール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、バンプ８１は、電子部品８の電極上に設けられる代わりに、回路基板９の電極９１上に設けられてもよい。

本発明は、半導体発光素子、他の半導体ベアチップ、さらには他の種類の電子部品を、超音波を利用して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。

電子部品装着装置の装着ヘッドの下端部近傍を示す図 吸着ノズルの先端部近傍を拡大して示す図 制御部および制御部に接続される構成を示すブロック図 電子部品を回路基板に装着する動作の流れを示す図 装着ヘッドの下端部近傍を示す図 電子部品装着装置を示す正面図 電子部品装着装置を示す平面図 装着機構近傍を示す図 近接センサの他の配置例を示す図 装着機構の他の例を示す図 ＰＳＤを有するセンサの他の例を示す図 装着機構のさらに他の例を示す図 磁気を利用するセンサの他の例を示す図 装着機構のさらに他の例を示す図

符号の説明

１，１ａ 電子部品装着装置
２，２ａ 基板保持部
３，３ａ 制御部
８ 電子部品
９ 回路基板
１１ 吸着ノズル
１３，５３１ 超音波振動子
１６，５９ 加速度センサ
１６ａ レーザ振動計
１７ 押圧機構
３１ プロファイルデータ
５４ 昇降機構
５５，５６，５６ａ，５８，５８ａ センサ
５３２ 保持部本体
５３３ 保持ツール
５３４ 先端部
５５１ プローブ
５５２ 変換部
５７２ コア
５７３ 磁石
Ｓ１１〜Ｓ１３ ステップ

Claims (8)

1. 超音波を利用して電子部品を回路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保持部と、
   前記保持部に保持された電子部品を回路基板に向けて押圧する押圧機構と、
   前記保持部を介して電子部品に超音波振動を付与する超音波振動子と、
   前記保持部の変位、速度または加速度を検出するセンサと、
   前記センサからの出力に基づいて前記超音波振動子の振幅をフィードバック制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする電子部品装着装置。
2. 請求項１に記載の電子部品装着装置であって、
   前記センサが、前記保持部に取り付けられた加速度センサであることを特徴とする電子部品装着装置。
3. 請求項１に記載の電子部品装着装置であって、
   前記センサが、前記保持部にレーザ光を照射し、前記レーザ光の反射光に基づいて前記保持部の速度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に記載の電子部品装着装置であって、
   前記保持部が接地された導体部を備え、
   前記センサが、
   前記導体部に近接するプローブと、
   前記導体部と前記プローブとの間の静電容量を検出して前記保持部の変位に変換する変換部と、
   を備えることを特徴とする電子部品装着装置。
5. 請求項１に記載の電子部品装着装置であって、
   前記センサが、前記保持部に向けて照射されるレーザ光の反射光の受光位置、または、前記レーザ光の受光範囲における前記保持部による遮光位置に基づいて前記保持部の変位を検出することを特徴とする電子部品装着装置。
6. 請求項１に記載の電子部品装着装置であって、
   前記保持部が、磁石または磁化される部位を備え、
   前記センサが、前記磁石または前記磁化される部位による磁界の強度に基づいて前記保持部の変位を検出する、または、前記強度の変化に基づいて前記保持部の速度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１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、
   前記制御部が、前記保持部の振幅の時間的変化を実質的に示すプロファイルに従って前記超音波振動子を制御することを特徴とする電子部品装着装置。
8. 超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着方法であって、
   保持部に保持された電子部品を押圧機構により回路基板に向けて押圧する工程と、
   超音波振動子により前記保持部を介して前記電子部品に超音波振動を付与する工程と、
   前記保持部の変位、速度または加速度をセンサにて検出しつつ、前記センサからの出力に基づいて制御部により前記超音波振動子の振幅をフィードバック制御する工程と、
   を備えることを特徴とする電子部品装着方法。

Images