JP2007158141A - 電子部品装着装置および電子部品装着方法 - Google Patents

Abstract

【課題】保持ツールを交換する際に、保持ツールを再現性よくホーンに固定する。
【解決手段】電子部品装着装置では、一端に超音波振動子が固定されたホーン５１の他端側の部位に挿入孔５１１が形成される。形状記憶合金にて形成される環状のツール固定部材５４は、挿入孔５１１内に配置されるとともに保持ツール５３が圧入され、加熱による形状復元作用によりツール固定部材５４の当接部位５４３ａ，５４３ｂが挿入孔５１１の内側面５１２に当接してホーン５１に対して保持ツール５３が固定される。これにより、保持ツール５３を交換する際に、保持ツール５３を再現性よくホーン５１に固定することができ、電子部品の振動特性を一定に保って質の高い接合を安定して行うことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、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。

ところで、電子部品装着装置では、電子部品を吸着保持する保持ツールの保持面が電子部品との摩擦により摩耗したり、保持面に異物が付着する等により、保持面が理想的な状態から変化して、保持面に吸着された電子部品が回路基板に対して傾いてしまうことがある。このような場合、保持面を研磨することにより保持面の再生や異物の除去が行われる。また、研磨により保持ツールが所定の長さ以下となると、保持ツールの交換が行われる。保持ツールの交換は、回路基板への装着対象の電子部品の種類が変更される際にも行われる場合がある。

なお、特許文献１では、半導体チップの電極上に金ボールを形成するバンプボンディング装置において、一端に超音波振動子が固定されるとともに中心軸に沿って伸びるホーンの他端側の端部に、端面からホーンの中心軸に沿って伸びるスリットにて分割される２つの対称形状の部位を形成し、これらの部位の間にてツールを偏りなく挟持する手法が開示されている。
特開２００４−１３４５６３号公報

ところで、電子部品装着装置において、特許文献１の手法を応用することにより、ホーンの先端にて２つの対称形状の部位により保持ツールを挟持する場合であっても、保持ツールがホーンとほぼ線接触（または、点接触）している状態で支持されるため、保持ツールの交換の前後にて保持ツールとホーンとの間の接触状態の再現性が低くなり、電子部品の振動特性にばらつきが生じて質の高い接合を安定して行うことが困難となってしまう。

また、ホーンに孔を形成し、保持ツールを当該孔に圧入することにより保持ツールをホーンに強固に固定することも考えられるが、ホーンが過度に変形してしまうと電子部品の振動特性に影響が生じてしまう。さらに、ホーンと保持ツールとを一体的に形成することも考えられるが、保持ツールの交換時にホーンを含む部材の全体を交換しなければならず、電子部品の装着に係るコストの増大を招いてしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、保持ツールを交換する際に、保持ツールを再現性よくホーンに固定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部品保持部と、前記部品保持部を介して前記電子部品を回路基板に向けて押圧する押圧機構と、前記部品保持部を介して前記電子部品に所定の振動方向の超音波振動を付与する超音波振動子とを備え、前記部品保持部が、一端に前記超音波振動子が固定されたホーンと、前記ホーンの他端側の部位に形成された挿入孔に挿入され、先端にて電子部品を保持する保持ツールと、形状記憶合金にて形成されるとともに前記挿入孔の内側面と前記保持ツールとの間に配置され、温度変化による形状復元作用により、少なくとも前記挿入孔の内側面に当接して前記ホーンに対して前記保持ツールを固定するツール固定部材とを備える。

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、前記ツール固定部材の前記保持ツールへの固定が、前記形状復元作用から独立している。

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、前記ツール固定部材が、貫通孔に前記保持ツールが圧入される環状の部材であり、前記ツール固定部材の外側面の複数の当接部位のみが前記挿入孔の前記内側面に当接することにより前記ツール固定部材が前記ホーンに固定される。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の電子部品装着装置であって、前記複数の当接部位が、前記貫通孔の中心軸を含むとともに前記振動方向に垂直な面に関して面対称である。

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、前記ツール固定部材の前記貫通孔が、内側面上の前記振動方向に関して互いに対向する位置に、前記中心軸に平行に伸びる同形状の２つの溝を有し、前記ツール固定部材が、前記２つの溝のそれぞれの縁にて前記保持ツールと当接する。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の電子部品装着装置であって、前記貫通孔の前記中心軸に垂直な面による前記ツール固定部材の断面の外形が、前記振動方向に長い楕円である。

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、電子部品の回路基板への装着時に前記保持ツールを加熱する加熱部をさらに備え、前記加熱部により、前記ツール固定部材が、形状を復元する温度まで加熱される。

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、電子部品の回路基板への装着が繰り返される間、前記加熱部により、前記ツール固定部材の温度が前記形状復元作用を生じる温度に維持される。

請求項９に記載の発明は、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、ａ）一端に超音波振動子が固定されたホーンの他端側の部位に形成された挿入孔に、電子部品保持用の保持ツールを挿入し、温度変化で変形する形状記憶合金にて形成されたツール固定部材を前記挿入孔の内側面と前記保持ツールとの間に配置することにより前記ホーンに対して固定された前記保持ツールにて電子部品を保持する工程と、ｂ）前記ホーンおよび前記保持ツールを介して前記電子部品を回路基板に向けて押圧する工程と、ｃ）前記超音波振動子により前記ホーンおよび前記保持ツールを介して前記電子部品に所定の振動方向の超音波振動を付与することにより、前記電子部品を前記回路基板に固定する工程とを備える。

本発明によれば、保持ツールを交換する際に、保持ツールを再現性よくホーンに固定することができる。

また、請求項３の発明では、ツール固定部材の部品点数を減少させることができ、請求項４および５の発明では、電子部品の振動特性を向上することができる。

また、請求項６の発明では、電子部品の振動特性を容易に向上することができ、請求項７の発明では、電子部品の装着に用いられる加熱部を用いて、保持ツールをホーンに固定する際における加熱を容易に行うことができる。

また、請求項８の発明では、電子部品の回路基板上への装着を行っている間に、ツール固定部材をホーンに強固に固定することができる。

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を示す正面図であり、図２は電子部品装着装置１の平面図である。電子部品装着装置１は、発光ダイオード（ＬＥＤ）チップ等の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１は、回路基板９を保持する基板保持部２を備え、基板保持部２の上方（図１中に示す（＋Ｚ）側）には、基板保持部２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ユニット３が設けられ、基板保持部２の（−Ｘ）側には、部品装着ユニット３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２と部品供給部４との間には、部品供給部４により部品装着ユニット３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、部品装着ユニット３の装着ヘッド５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１では、これらの機構が制御部１０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２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１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。

部品装着ユニット３は、部品装着部３１および部品装着部３１をＸ方向に移動する装着部移動機構３２を備え、部品装着部３１は、電子部品を保持しつつ回路基板９に装着する装着ヘッド５を有する。部品装着部３１には、装着ヘッド５を昇降する昇降機構３３が設けられる。なお、装着ヘッド５の詳細については後述する。

図１および図２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部品装着部３１の装着ヘッド５に供給する供給コレット４２１（図１参照）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に接合される電極部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。なお、本実施の形態では、電子部品の電極部は、電極パターン上に金（Ａｕ）にて形成された突起バンプであるが、実装される電子部品によっては電極部はメッキバンプ等であってもよく、電極パターン自体であってもよい。また、バンプは電子部品の電極パターン上に設けられる代わりに、回路基板９の電極上に設けられてもよい。

撮像部６０は、装着部移動機構３２による部品装着部３１（特に、装着ヘッド５）の移動経路上であって部品装着部３１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、装着ヘッド５に保持された電子部品を（−Ｚ）側から撮像する。

図３は、装着ヘッド５近傍を拡大して示す図である。図３の装着ヘッド５は、図３中のＸ方向に平行な中心軸Ｊ１に沿って伸びるホーン５１を有し、ホーン５１の一端には超音波振動子５２が固定される。また、ホーン５１の他端側の部位（実際には、他端側の端部から僅かに内側の部分）には、図３中のＺ方向に平行な中心軸Ｊ２を中心とする挿入孔５１１が形成され、挿入孔５１１にはＺ方向に沿う棒状の保持ツール５３が挿入される。ホーン５１の内部には、中心軸Ｊ１に沿って加熱部である棒状のヒータ３６１が設けられる。内部に電熱線を有するヒータ３６１は電流供給部３６２に接続され、ヒータ３６１により保持ツール５３が所定の温度に加熱される。ホーン５１はヘッド支持部３４を介してシャフト３５に取り付けられており、昇降機構３３（図１参照）によりシャフト３５がＺ方向に移動することにより、装着ヘッド５が回路基板９や研磨面７１１に対して相対的に昇降する。

保持ツール５３は、好適な振動特性および振動伝達特性を有するステンレス鋼により形成されており、後述する電子部品の装着時に、たわみ振動が生じない長さ（Ｚ方向の長さ）とされている。保持ツール５３の中心部には、電子部品８の吸引吸着に利用される真空吸引用の吸引路５３２が形成されており、吸引路５３２は、保持ツール５３の（＋Ｚ）側の端部（すなわち、上端部）において、チューブ３５２を介してヘッド支持部３４およびシャフト３５に形成された吸引路３５１に接続される。吸引路３５１は図示省略のポンプに接続されており、吸引吸着により保持ツール５３の柱状の先端部５３１にて電子部品８が保持される。電子部品８の装着の際には、Ｘ方向に振動する超音波振動が、超音波振動子５２によりホーン５１および保持ツール５３を介して先端部５３１に保持される電子部品８に付与される。以下の説明において、Ｘ方向を振動方向とも呼ぶ。

図４は、ホーン５１、ツール固定部材５４および保持ツール５３を示す分解断面図であり、図３中の中心軸Ｊ２を含むＸ軸に垂直な断面を示している。また、図５は、ホーン５１の挿入孔５１１の内部を示す図であり、（＋Ｚ）側から（−Ｚ）方向を向いて挿入孔５１１を見た様子を示している。なお、図５では挿入孔５１１から内側（中心軸Ｊ２側）のみを図示している。

挿入孔５１１の中心軸Ｊ２に垂直な断面は円形とされており、図４に示すように、挿入孔５１１の保持ツール５３側（（−Ｚ）側）の部分では、内側面５１２の直径が小さくされ、内側面５１２の直径が変化する位置において中心軸Ｊ２に垂直な方向に広がる環状の支持面５１３が形成されている。挿入孔５１１の内部には、中心軸Ｊ２を中心とする貫通孔５４１を有する環状のツール固定部材５４（いわゆる、ブシュ）が保持ツール５３とは反対側から挿入される。ツール固定部材５４は、例えばニッケル−チタン合金等の形状記憶合金にて形成され、図５に示すように、ツール固定部材５４の中心軸Ｊ２に垂直な面による断面の外形は、ホーン５１が伸びる振動方向（Ｘ方向）に僅かに長く、かつ、中心軸Ｊ２の位置を中心とする楕円とされる。ツール固定部材５４では、外側面上において最も（＋Ｘ）側の部位および最も（−Ｘ）側の部位（図５中にて符号５４３ａ，５４３ｂを付す部位であり、以下、「当接部位５４３ａ，５４３ｂ」と呼ぶ。）のみが挿入孔５１１の内側面５１２に当接してツール固定部材５４がホーン５１の挿入孔５１１内にて固定される。ツール固定部材５４の断面形状は、Ｚ方向のいずれの位置においても同じであり、ツール固定部材５４の外側面上の２つの当接部位５４３ａ，５４３ｂは、中心軸Ｊ２を含むとともに振動方向に垂直な面に関して面対称となっている。また、ツール固定部材５４は（−Ｚ）側の端面が挿入孔５１１内の支持面５１３に当接して、ツール固定部材５４の（−Ｚ）方向への移動が制限される。

図５に示すツール固定部材５４の貫通孔５４１の内側面上において、振動方向に関して互いに対向する２つの位置（すなわち、貫通孔５４１の内側面上の最も（＋Ｘ）側の位置および最も（−Ｘ）側の位置）には、中心軸Ｊ２に平行に両端面まで伸びる２つの溝５４２がそれぞれ形成される。各溝５４２は中心軸Ｊ２に平行な方向に伸びる円筒面の一部であり、２つの溝５４２は同形状、かつ、中心軸Ｊ２を含むＸ方向に垂直な面に関して対象となっている。

図４に示す円柱状の保持ツール５３の（＋Ｚ）側の固定端部５３３では、直径が他の部位よりも小さくされ、他の部位との間で直径が変化する位置においてＺ方向に垂直な方向に広がる環状の当接面５３４が形成されている。保持ツール５３の固定端部５３３は、挿入孔５１１内のツール固定部材５４の貫通孔５４１にホーン５１の（−Ｚ）側から圧入される。図５に示すように貫通孔５４１の中心軸Ｊ２に垂直な断面形状は、Ｙ方向の長さがＸ方向よりも僅かに長い楕円となっており、保持ツール５３の（＋Ｙ）側および（−Ｙ）側のそれぞれにおいて、保持ツール５３の外周面と貫通孔５４１の内側面との間には微小な間隙が存在する。保持ツール５３の固定端部５３３の外周面は、２つの溝５４２の４個の縁の部位に当接し、これらの部位のそれぞれから、符号８１を付す矢印にて示す方向（ほぼ中心軸Ｊ２に向かう方向）の力の作用を受けて保持ツール５３とツール固定部材５４とが強固に固定される。保持ツール５３と貫通孔５４１との間の当接位置は、中心軸Ｊ２を含むＸ方向に垂直な面に関して対象となっている。また、図４の保持ツール５３の当接面５３４はホーン５１の（−Ｚ）側の部位に当接し、保持ツール５３の（＋Ｚ）側への移動が制限される。なお、挿入孔５１１の支持面５１３よりも（−Ｚ）側の直径は、保持ツール５３の固定端部５３３の直径よりも大きくされ、保持ツール５３の固定端部５３３とホーン５１とは接触しない。

以上のように、装着ヘッド５では、ホーン５１、保持ツール５３およびツール固定部材５４により、電子部品を保持する部品保持部５０が構成され、超音波振動子５２からの超音波振動が部品保持部５０を介して電子部品に付与される。なお、部品保持部５０には、他の構成が追加されてもよい。

ここで、保持ツール５３のホーン５１への固定において重要な役割を果たすツール固定部材５４を作製する作業について図６を参照しつつ説明する。ツール固定部材５４を作製する際には、まず、ニッケル−チタン合金等の形状記憶効果を有する材料（形状記憶合金）が準備され（ステップＳ１１）、この材料が加工されて加工部材が作製される（ステップＳ１２）。

図７は作製された加工部材６４を示す平面図である。図７に示すように、加工部材６４は環状とされ、中心軸Ｊ３を中心とする貫通孔６４１を有する。加工部材６４の中心軸Ｊ３に垂直な断面の外形は楕円とされ、その長軸の長さ（長径）Ｄ１は、短軸の長さ（短径）Ｄ２の１．０５倍以上１．０８倍以下とされる。このとき、長径Ｄ１はホーン５１の挿入孔５１１の直径よりも大きくされ、短径Ｄ２は挿入孔５１１の直径よりも小さくされる。また、貫通孔６４１の内側面上において長軸の方向に関して互いに対向する位置には中心軸Ｊ３に平行に伸びる同形状の２つの溝６４２が形成される。図７の加工部材６４は、所定の温度に加熱されることにより、その形状（図７に示す形状）が記憶される（ステップＳ１３）。なお、予め所定の形状が記憶された加工部材を図７に示す形状に加工することにより、図７の形状が記憶された加工部材が作製されてもよい。

続いて、加工部材６４の貫通孔６４１に保持ツール５３の固定端部５３３よりも僅かに小さい直径の棒部材（後述の図８中にて符号９８を付して示し、直径をＦ１にて示している。）が挿入され、この状態で、次の加工部材６４の変形が行われる（ステップＳ１４）。

図８は変形後の加工部材６４を示す図である。加工部材６４の変形は、専用の金型（図８中に符号９９を付して二点鎖線にて示す。）を用いてプレス加工により行われ、図８に示す加工部材６４の外形の長径Ｄ３がホーン５１の挿入孔５１１の直径よりも僅かに小さくされる。ただし、図８の加工部材６４においても長径Ｄ３は短径Ｄ４よりも僅かに大きい。このとき、加工部材６４の変形前の長径Ｄ１に対する長径の変形量（すなわち、（Ｄ１−Ｄ３））の割合は、この形状記憶合金における復元可能な変形範囲内である８％以下とされる。そして、加工部材６４から棒部材９８が抜き取られることにより、ツール固定部材５４が完成する。なお、ツール固定部材５４では、形状復元作用が生じる温度が例えば、１５０〜２００℃とされる。

図９は、電子部品装着装置１における電子部品の回路基板９への装着に係る動作の流れを示す図である。ここで、電子部品装着装置１では、保持ツールが所定の量だけ摩耗した場合や装着対象の電子部品の種類が変更される場合に、予め取り付けられている保持ツールを取り外した後に、新たな保持ツール５３をホーン５１に固定すること（すなわち、保持ツール５３の交換）が行われる。図９では、保持ツール５３の交換を行い、その後、電子部品を実際に回路基板９上に装着する一連の動作の流れを示している。

電子部品装着装置１では、まず、保持ツールおよびツール固定部材（使用済みの保持ツールおよびツール固定部材）がホーン５１から抜き取られ（ステップＳ２１）、その後、図１０に示すように、ホーン５１の挿入孔５１１に新たに使用する保持ツール５３が中心軸Ｊ２に沿って挿入される。そして、保持ツール５３とは反対側から、新たに使用するツール固定部材５４が挿入孔５１１に挿入されることにより、ツール固定部材５４の貫通孔５４１が塑性変形しつつツール固定部材５４が固定端部５３３（図４参照）に嵌め込まれて保持ツール５３に固定され、挿入孔５１１の内側面と保持ツール５３との間に配置される（ステップＳ２２）。また、ツール固定部材５４の中心軸Ｊ２に垂直な楕円の断面において、長軸の方向が振動方向に沿うように挿入孔５１１内にて向きが調整される。

続いて、図３に示すヒータ３６１によりホーン５１を介してツール固定部材５４が所定の温度（例えば、２００℃であり、以下、「処理温度」という。）まで加熱されることにより、ツール固定部材５４が形状の復元を開始し、図５に示すようにツール固定部材５４の外側面上の当接部位５４３ａ，５４３ｂが挿入孔５１１の内側面５１２に当接する。このとき、ツール固定部材５４の外側面において、（＋Ｘ）側の部分が（＋Ｘ）方向に移動し、（−Ｘ）側の部分が（−Ｘ）方向に移動するため、各当接部位５４３ａ，５４３ｂが挿入孔５１１の内側面５１２に対して面接触しつつ、図５中に符号８２ａ，８２ｂを付す矢印にて示す方向の力を作用させる。また、図５に示す状態においても保持ツール５３とツール固定部材５４との固定が維持されるため、当接部位５４３ａ，５４３ｂと挿入孔５１１の内側面５１２との間で高い密着性を確保しつつ、保持ツール５３がツール固定部材５４を介してホーン５１に対して強固に固定され、保持ツール５３の交換が完了する（ステップＳ２３）。保持ツール５３の交換後も、図３のヒータ３６１による保持ツール５３の加熱が継続され、保持ツール５３が処理温度にて保たれる。

保持ツール５３の交換が完了すると、次に電子部品の回路基板９への実装が行われる。電子部品の実装では、まず、図１の部品供給部４においては、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１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１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１中に二点鎖線にて示す受渡位置に位置する部品装着部３１の装着ヘッド５とが対向する。

続いて、昇降機構３３により装着ヘッド５が僅かに下降し、電子部品の上面が装着ヘッド５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、装着ヘッド５が供給コレット４２１から電子部品を受け取って先端部５３１（図３参照）にて吸着保持する（ステップＳ２４）。電子部品の供給が完了すると、昇降機構３３により装着ヘッド５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、部品装着部３１が撮像部６０の真上へと移動し、撮像部６０により装着ヘッド５の先端部５３１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１０に送られ、制御部１０では画像データに基づいて部品装着部３１が制御され、装着ヘッド５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。なお、制御部１０により、電子部品の姿勢が補正不可能な状態である（すなわち、吸着エラーが生じている）と判断された場合には、電子部品の装着動作が中止されて装着ヘッド５が図示省略の部品回収機構の上方へと移動し、電子部品が部品回収機構により回収される。

部品装着部３１は、装着部移動機構３２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。装着ヘッド５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、押圧機構である昇降機構３３により電子部品が、基板保持部２に保持される回路基板９に対して押圧される（ステップＳ２５）。装着ヘッド５では、図４の保持ツール５３の当接面５３４がホーン５１の（−Ｚ）側の部位に当接しているため、電子部品を保持ツール５３を介して高荷重にて回路基板９に押圧することができる。続いて、この状態で（すなわち、電子部品の回路基板９への押圧に並行して）、図３に示す超音波振動子５２によりホーン５１および保持ツール５３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、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（ステップＳ２６）。

このとき、振動方向（Ｘ方向）に関して対称となる位置にて図５のツール固定部材５４の外側面が挿入孔５１１の内側面５１２に当接してホーン５１とツール固定部材５４とが振動方向に関して強固に固定され、かつ、貫通孔５４１の内側面上にて振動方向に関して互いに対向する同形状の２つの溝５４２の縁にてツール固定部材５４と保持ツール５３とが強固に固定されるため、電子部品８の振動特性を一定に保って質の高い接合を行うことができる。

電子部品８の装着が終了すると、吸引を停止した装着ヘッド５が昇降機構３３により電子部品８から離れて上昇し、続いて、先端部５３１（正確には、先端部５３１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５３１の研磨は、先端部５３１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（ステップＳ２７）、装着ヘッド５が研磨部７の上方へと移動し、先端部５３１が研磨部材７１に押圧されつつ超音波振動子５２により振動が付与されることにより、先端部５３１の研磨が行われる（ステップＳ２８）。

先端部５３１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（ステップＳ２７）、電子部品の装着を継続するか否かが確認され、継続する場合には（ステップＳ２９）、部品装着部３１が受渡位置へと移動し、取り出された電子部品が装着ヘッド５の先端部５３１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（ステップＳ２４〜Ｓ２８）。電子部品装着装置１では、電子部品の装着動作を繰り返す間においても、ヒータ３６１による保持ツール５３の加熱が継続され、保持ツール５３が処理温度にて保たれる。そして、必要な個数の電子部品が回路基板９上に装着されると、電子部品の装着動作が終了する（ステップＳ２９）。

ここで、図１１に比較例として示すように、ホーン９１の先端部において超音波振動子９２の振動方向に垂直な方向から２つの部位９１１，９１２にて保持ツール９３を挟持する（いわゆる、割締め構造の）部品保持部では、保持ツールの交換時に保持ツール９３を挟持するための固定用のネジ９４を常時同じトルクにて締め付けたとしても、保持ツール９３はホーン９１の部位９１１，９１２とほぼ線接触した状態で支持されるため、保持ツールを交換する度に保持ツール９３とホーン９１との接触状態が変化してしまう。その結果、保持ツール９３の先端の振幅や軌跡が保持ツールの交換の度に変動し、質の高い接合を安定して行うことができなくなる。また、固定用のネジ９４を用いる割締め構造ではホーン９１に変形が生じ、振動特性に影響が生じる場合がある。

これに対し、電子部品装着装置１では、形状記憶合金にて形成されるとともに保持ツール５３に固定されるツール固定部材５４が設けられ、温度変化による形状復元作用によりツール固定部材５４の当接部位５４３ａ，５４３ｂが挿入孔５１１の内側面５１２に密着するように当接してホーン５１に対して保持ツール５３が固定される。これにより、保持ツール５３を交換する際に、保持ツール５３を再現性よくホーン５１に固定することができ、電子部品の振動特性を一定に保って質の高い接合を安定して行うことができる。また、部品保持部５０では、図１１のホーン９１のように先端部に特別な加工を行ったり、固定用のネジ９４を挿入する必要がないため、保持ツール５３の固定に要する部材の小型化を図りつつ、これらの部材による電子部品の振動特性への影響を低減することができる。さらに、保持ツール５３の交換作業の簡素化も図られる。

図１１の比較例では、振動方向に垂直な方向に関して保持ツール９３がホーン９１により挟持されるのみであるため、超音波振動子９２からの超音波振動を保持ツール９３に適切に伝達できない場合があり、この場合、電子部品の振動特性が低減してしまう。これに対し、電子部品装着装置１では、ツール固定部材５４の断面の外形を振動方向に長い楕円とすることより、振動方向に垂直な面に関して対称となる位置にてツール固定部材５４の外側面が挿入孔５１１の内側面５１２に当接するため、図１１の比較例に比べて電子部品の振動特性を向上することが容易に実現される。

さらに、電子部品装着装置１では、電子部品の回路基板９への装着が繰り返される間、ヒータ３６１によりツール固定部材５４の温度が形状復元作用を生じる温度に維持されることにより、電子部品の回路基板９上への装着を行っている間に、ツール固定部材５４がホーン５１に強固に固定された状態を維持することができる。

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。

上記実施の形態における部品保持部５０の構造は一例であって、装着対象の電子部品の種類等に応じて適宜変更されてよい。例えば、図１２．Ａに示すように、中心軸Ｊ１に垂直な断面の外形が矩形のホーン５１ａに保持ツール５３およびツール固定部材５４が取り付けられた部品保持部５０ａが用いられてもよい。また、図１２．Ｂに示す部品保持部５０ｂのように、ホーン５１ｂの超音波振動子とは反対側の端部の部位において、ホーン５１ｂの本体５１０から着脱可能なブロック部材５１０１が設けられ、ブロック部材５１０１にツール固定部材５４および保持ツール５３ｂが挿入される挿入孔５１１ａが形成されてもよい。図１２．Ｂの部品保持部５０ｂは、例えば、大型のＬＥＤチップの装着に用いられ、電子部品が比較的大きな力にて回路基板９に向けて押圧される場合であっても、たわみが生じないように保持ツール５３ｂの長さが短くなっている。なお、大型のＬＥＤチップの装着に用いられる保持ツールでは先端面の大きさは、例えば、直径１ｍｍ（先端面が矩形とされる場合には、１ｍｍ四方）程度とされる。さらに、図１３に示すように、保持ツール５３ｃの先端部５３１ｃが、ホーン５１ｃの挿入孔５１１内に位置するような部品保持部５０ｃが用いられてもよい。この場合、保持ツール５３ｃを挿入孔５１１内に挿入した際に、先端部５３１ｃとは反対側の端部がホーン５１ｃよりも上方に位置するように固定端部５３３ｃを長くすることにより、保持ツールの交換時における保持ツール５３ｃの取り外しが容易になる。

また、上記実施の形態では、環状のツール固定部材５４に保持ツール５３が圧入されることから、ツール固定部材５４の保持ツール５３への固定がツール固定部材５４の形状復元作用から独立している（すなわち、ツール固定部材５４の形状復元作用の影響を受けない）が、ツール固定部材の保持ツール５３への固定をツール固定部材の形状復元作用により行うことも可能である。例えば、ホーン５１の挿入孔５１１内において、保持ツール５３の振動方向の両側（（＋Ｘ）側および（−Ｘ）側）に２つのブロック状の部材がツール固定部材としてそれぞれ設けられる。これらの部材は形状記憶合金にて形成され、加熱されて形状を復元することにより、各部材が振動方向の両側に伸びて、保持ツール５３の外側面と挿入孔５１１の内側面との双方に当接し、保持ツール５３がホーン５１に固定される。すなわち、形状記憶合金の形状復元作用によりツール固定部材の保持ツール５３への固定、および、ツール固定部材のホーン５１への固定の双方が実現される。

このように、電子部品装着装置１では、形状記憶合金にて形成されるツール固定部材が、ホーン５１の挿入孔５１１の内側面５１２と保持ツール５３との間に配置された状態で加熱され、少なくとも挿入孔５１１の内側面５１２に当接してホーン５１に対して固定されるのであるならば、保持ツール５３をホーン５１に対して再現性よく固定することが可能なツール固定部材を様々な構造にて実現することができる。ただし、ツール固定部材の部品点数を減少させて保持ツール５３の交換を容易に行うには、ツール固定部材を保持ツール５３が挿入される環状の１つの部材とすることが好ましい。

保持ツール５３が圧入されるツール固定部材５４の貫通孔５４１の形状は、例えば図１４．Ａに示す貫通孔５４１ａのように断面がＸ方向に長い楕円としたり、図１４．Ｂに示す貫通孔５４１ｂのように断面がＹ方向に長い楕円とすることも可能である。電子部品の振動特性の向上を図るという観点では、ツール固定部材の貫通孔の内側面上において振動方向に関して互いに対向する位置に、貫通孔に沿って伸びるとともに同形状の２つの溝を形成し、２つの溝の縁にて保持ツールを強固に固定することが好ましい。

上記実施の形態では、電子部品の装着に用いられる加熱部を用いて保持ツール５３をホーン５１に固定する際における加熱が容易に行われるが、電子部品装着装置１では、必ずしも加熱を伴う超音波接合が行われる必要はない。この場合、保持ツール５３の交換時におけるツール固定部材５４の加熱は外部のヒータを用いて行われる。

電子部品装着装置１により装着される電子部品８はＬＥＤチップ以外に、例えば、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、回路基板９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。

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。

電子部品装着装置を示す正面図 電子部品装着装置を示す平面図 装着ヘッド近傍を拡大して示す図 部品保持部を示す分解断面図 ホーンの挿入孔の内部を示す図 ツール固定部材を作製する作業の流れを示す図 作製途上のツール固定部材を示す平面図 作製途上のツール固定部材を示す平面図 電子部品の回路基板への装着に係る動作の流れを示す図 装着ヘッドを示す斜視図 比較例の装着ヘッドを示す斜視図 部品保持部の他の例を示す斜視図 部品保持部のさらに他の例を示す斜視図 部品保持部のさらに他の例を示す分解断面図 ツール固定部材の他の例を示す平面図 ツール固定部材のさらに他の例を示す平面図

符号の説明

１ 電子部品装着装置
８ 電子部品
９ 回路基板
３３ 昇降機構
５０，５０ａ〜５０ｃ 部品保持部
５１，５１ａ〜５１ｃ ホーン
５２ 超音波振動子
５３，５３ｂ，５３ｃ 保持ツール
５４ ツール固定部材
３６１ ヒータ
５１１，５１１ａ 挿入孔
５１２ 面
５４１，５４１ａ，５４１ｂ 貫通孔
５４２ 溝
５４３ａ，５４３ｂ 当接部位
Ｊ２ 中心軸
Ｓ２２〜Ｓ２６，Ｓ２９ ステップ

Claims (9)

1. 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部品保持部と、
   前記部品保持部を介して前記電子部品を回路基板に向けて押圧する押圧機構と、
   前記部品保持部を介して前記電子部品に所定の振動方向の超音波振動を付与する超音波振動子と、
   を備え、
   前記部品保持部が、
   一端に前記超音波振動子が固定されたホーンと、
   前記ホーンの他端側の部位に形成された挿入孔に挿入され、先端にて電子部品を保持する保持ツールと、
   形状記憶合金にて形成されるとともに前記挿入孔の内側面と前記保持ツールとの間に配置され、温度変化による形状復元作用により、少なくとも前記挿入孔の内側面に当接して前記ホーンに対して前記保持ツールを固定するツール固定部材と、
   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、
   前記ツール固定部材の前記保持ツールへの固定が、前記形状復元作用から独立してい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、
   前記ツール固定部材が、貫通孔に前記保持ツールが圧入される環状の部材であり、前記ツール固定部材の外側面の複数の当接部位のみが前記挿入孔の前記内側面に当接することにより前記ツール固定部材が前記ホーンに固定されることを特徴とする電子部品装着装置。
4. 請求項３に記載の電子部品装着装置であって、
   前記複数の当接部位が、前記貫通孔の中心軸を含むとともに前記振動方向に垂直な面に関して面対称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、
   前記ツール固定部材の前記貫通孔が、内側面上の前記振動方向に関して互いに対向する位置に、前記中心軸に平行に伸びる同形状の２つの溝を有し、
   前記ツール固定部材が、前記２つの溝のそれぞれの縁にて前記保持ツールと当接することを特徴とする電子部品装着装置。
6. 請求項４または５に記載の電子部品装着装置であって、
   前記貫通孔の前記中心軸に垂直な面による前記ツール固定部材の断面の外形が、前記振動方向に長い楕円であ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、
   電子部品の回路基板への装着時に前記保持ツールを加熱する加熱部をさらに備え、
   前記加熱部により、前記ツール固定部材が、形状を復元する温度まで加熱されることを特徴とする電子部品装着装置。
8. 請求項７に記載の電子部品装着装置であって、
   電子部品の回路基板への装着が繰り返される間、前記加熱部により、前記ツール固定部材の温度が前記形状復元作用を生じる温度に維持されることを特徴とする電子部品装着装置。
9. 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、
   ａ）一端に超音波振動子が固定されたホーンの他端側の部位に形成された挿入孔に、電子部品保持用の保持ツールを挿入し、温度変化で変形する形状記憶合金にて形成されたツール固定部材を前記挿入孔の内側面と前記保持ツールとの間に配置することにより前記ホーンに対して固定された前記保持ツールにて電子部品を保持する工程と、
   ｂ）前記ホーンおよび前記保持ツールを介して前記電子部品を回路基板に向けて押圧する工程と、
   ｃ）前記超音波振動子により前記ホーンおよび前記保持ツールを介して前記電子部品に所定の振動方向の超音波振動を付与することにより、前記電子部品を前記回路基板に固定する工程と、
   を備えることを特徴とする電子部品装着方法。