JP2010153510A - 素子実装装置及び素子実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被搭載素子と被搭載基板との加圧力を、直接測定することなく、簡易かつ高精度に制御する。
【解決手段】被搭載素子と被搭載基板との加圧工程において、搭載ヘッドの位置とＶＣＭ電流との関係を示すデータを取得し、搭載ヘッドが上限位置で保持される第１の区間と、ＶＣＭ電流の変化に伴って位置が変化する第２の区間と、第２の区間よりも位置の変化が小さい第３の区間の各々で取得したデータを直線近似し、第２の区間の近似直線と第３の区間の近似直線との交点から被搭載素子と被搭載基板とが接触した状態における搭載ヘッドの基準位置を特定し、第３の区間の近似直線に基づいて所望の加圧力に対する基準位置からの搭載ヘッドの変位量を求め、第２の区間の近似直線に基づいて搭載ヘッドの変位量から計算できる弾性案内の復元力を補償するようにＶＣＭ電流を規定することによって加圧力を制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、素子実装装置及び素子実装方法に関し、特に、アームに保持した素子を基板上に位置合わせした後に加圧して実装する素子実装装置及び素子実装方法に関する。

光半導体素子の実装においては、非常に高精度な位置合わせを必要とすることが多く、その精度がサブミクロンとなる場合もある。高精度な位置合わせが要求される実装では、被搭載素子と被搭載基板とを位置合わせした後、接合が完了するまで、位置ズレを抑えなければならない。その位置ズレ原因の一つが、高さ方向の変位動作である。高さ方向の変位動作は、平面方向に位置合わせした後、被搭載素子と被搭載基板とを密着させる際に必要となる。高さ方向に変位させる際、位置ズレの発生が小さい最も有用な手段の１つが、平行板バネで構成された弾性案内を使用した片持ち式の搭載アームである。

このような半導体素子の実装装置に関して、例えば、下記特許文献１には、半導体素子を基板に加圧するアームを平行板バネで構成した弾性案内に取り付け、アームの移動量を測長器で測定し、加圧量をボイスコイルモータで与え、コイルに流す電流を電流調節器で調節することにより加圧力の調節を行う素子実装装置が開示されている。

また、本願とは構造が異なるが、下記特許文献２には、装着ヘッドに装備され、電子部品を吸着する吸着ノズルと、吸着ノズルを移動可能に支持すると共に、吸着ノズルに加えられる押圧力を検知する検知手段と、検知手段を上下方向に沿って移動可能に支持する支持部材と、装着ヘッドに固定され、支持部材を介して、検知手段と前記吸着ノズルを上下動するＺ軸モータと、本体部が支持部材に固定され、移動部が検知手段に連結され、駆動により、検知手段と吸着ノズルを上下動させる駆動モータと、を備える電子部品圧着搭載装置が開示されている。

特開平７−８６３１７号公報 特開２００６−１８５９４１号公報

しかしながら、上述した弾性案内では、変位に応じて板バネ変形による復元力が発生する。この復元力は、被搭載素子と被搭載基板との高精度な加圧力の調整を阻害する。特に、光半導体素子の実装では、光半導体素子に加える加圧力が光モジュールの特性に影響するため、加圧力を安定させることが重要である。

上記加圧力を安定させるためには、弾性案内の復元力を考慮して所望の加圧力になるように駆動手段への供給電流を調整する必要がある。この問題に対して、特許文献２のように、加圧力を直接測定するための検知手段を配置する方法があるが、このような検知手段を搭載アームに設置すると低イナーシャ化の妨げになることになるため、片持ち式の搭載アームを使用する構造の素子実装装置に適用するのは困難である。そこで、被搭載素子と被搭載基板とが圧力が加わらずに接触した基準位置を特定し、その基準位置からの弾性案内の変位量を規定することが重要になる。

しかしながら、特許文献１の技術は、アームの加圧方向の変位を測長器で測定するだけであり、基準位置を正確に特定しておらず、また、加圧力の調節に際して弾性案内の復元力を考慮していないため、加圧力を高精度に制御することができないという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、その主たる目的は、平行板バネで構成された弾性案内を使用した片持ち式の搭載アームを使用する場合であっても、被搭載素子と被搭載基板との加圧力を、直接測定することなく、簡易かつ高精度に制御することができる素子実装装置及び素子実装方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、板バネを含む弾性案内と、前記弾性案内をＺ軸方向に移動させる駆動手段と、前記弾性案内のＺ軸方向の位置を検出する変位センサと、前記弾性案内に一端が固定され、他端で被搭載素子を保持する搭載アームと、被搭載基板を保持する搭載ステージと、前記変位センサで検出した前記弾性案内の位置を取得すると共に前記駆動手段に供給する電流を制御する制御部と、を少なくとも備える素子実装装置において、前記制御部は、前記被搭載素子及び前記被搭載基板が保持されている保持状態で、前記弾性案内の位置と前記駆動手段に供給する電流との関係を示すデータを取得し、前記弾性案内が上限位置で保持される第１の区間と、前記電流の変化に伴って前記位置が変化する第２の区間と、前記第２の区間よりも前記位置の変化が小さい第３の区間の各々に対して、前記データを直線近似し、前記第２の区間における前記データの近似直線と、前記第３の区間における前記データの近似直線との交点位置に基づいて、前記被搭載素子と前記被搭載基板とが接触した状態における前記弾性案内の基準位置を特定するものである。

本発明の素子実装装置及び素子実装方法によれば、平行板バネで構成された弾性案内を使用した片持ち式の搭載アームを使用する場合であっても、被搭載素子と被搭載基板との加圧力を、直接測定することなく、簡易かつ高精度に制御することができる。

その理由は、被搭載素子と被搭載基板との加圧工程において、搭載ヘッド（搭載アーム保持部）の位置とＶＣＭ電流との関係を示すデータを取得し、搭載ヘッドが上限位置で保持される（搭載ヘッドが上ストッパに接触している）第１の区間と、ＶＣＭ電流の変化に伴って位置が変化する（搭載ヘッドが浮遊している）第２の区間と、第２の区間よりも位置の変化が小さい（被搭載素子と被搭載基板とが接触している）第３の区間の各々に対して取得したデータを直線近似し、第２の区間における近似直線と第３の区間における近似直線との交点から被搭載素子と被搭載基板とが接触した状態における搭載ヘッドの基準位置を特定し、第３の区間の近似直線と第２の区間の近似直線とに基づいて所望の加圧力に対する前記基準位置からの前記弾性案内の変位による復元力を補償するようにＶＣＭ電流を規定することによって加圧力を制御しているからである。

背景技術で示したように、被搭載素子と被搭載基板とを位置合わせした後の位置ズレの発生を抑制する手段として、平行板バネで構成された弾性案内を使用した片持ち式の搭載アームを使用する方法が用いられている。このような弾性案内では、変位に応じて板バネ変形による復元力が発生することから、加圧力の制御に際して復元力を考慮する必要がある。そのための手法として、加圧力を直接測定する検知手段を用いる方法と、所望の加圧力に相当するように予め求めていた電流を付加する方法とがある。

しかしながら、特許文献２のような検知手段を片持ち式の搭載アームを使用する構造の素子実装装置に適用するのは困難である。また、特許文献１のように、アームの加圧方向の変位を測長器で測定するだけでは、基準位置を正確に特定することができない。

そこで、本発明では、加圧力を直接測定する検知手段を用いることなく、簡易な方法で基準位置を正確に特定して加圧力を高精度に制御できるようにする。具体的には、被搭載素子と被搭載基板との加圧工程において、搭載ヘッドの位置とＶＣＭ電流データを取得し、取得したデータを加圧状態ごとに直線近似する。そして、被搭載素子と被搭載基板の接触した点が、被搭載素子が被搭載基板に対して浮いた状態の特徴を表す近似直線と、被搭載素子と被搭載基板とが加圧されている状態の近似直線との境界にあることから、それらの近似直線の交点に基づいて、被搭載素子と被搭載基板とが接触する状態における搭載ヘッドの基準位置を特定し、被搭載素子と被搭載基板とが加圧されている状態の近似直線と被搭載素子が被搭載基板に対して浮いた状態の特徴を表す近似直線とに基づいて、所望の加圧力を付加した場合の前記基準位置からの前記弾性案内の変位による復元力を補償するようにＶＣＭ電流を決定する。

これにより、平行板バネで構成された弾性案内を使用した片持ち式の搭載アームを使用する場合であっても、被搭載素子と被搭載基板との加圧力を高精度に制御することができる。

上記した本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の第１の実施例に係る素子実装装置及び素子実装方法について、図１乃至図７を参照して説明する。

図１を参照すると、本発明の第１の実施例としての素子実装装置１が示されている。

素子実装装置１には、被搭載素子１３を保持する搭載ヘッドと、被搭載基板１４を保持する搭載ステージ１２が含まれている。

搭載ヘッドは、Ｚステージ２、弾性案内３、搭載アーム１１、弾性案内３をＺ軸方向に駆動する駆動手段（例えば、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１０）および図示しない制御部などで構成される。また、弾性案内３は、板バネ保持部４、平行板バネ５、搭載アーム保持部６、上ストッパ７、下ストッパ８、変位センサ９などで構成される。また、制御部は、変位センサ９に接続され、変位センサ９で検出した搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）のＺ軸方向の変位量を取得すると共に、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）１０に接続され、搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）をＺ軸方向に変位させるための電流の供給を制御する。

そして、搭載ヘッドは、真空吸着などによって被搭載素子１３を保持し、搭載ステージ１２に保持された被搭載基板１４に対して加圧を行う。

次に、図１の素子実装装置１の動作を説明する。なお、ＶＣＭ電流と搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）の変位の関係を示すデータの取得、当該データの直線近似、近似した直線に基づく搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）の位置の特定、所定の加圧力を生じさせるＶＣＭ電流の決定等の処理は制御部によって実行される。

図２を参照すると、ＶＣＭ１０に流す電流（ＶＣＭ電流）と搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）の変位の関係が示されている。

搭載アーム１１に被搭載素子１３を保持していない状態で、ＶＣＭ電流を変化させると、図２のプロット１のようなデータを取得できる。すなわち、搭載アーム保持部６が、上ストッパ７に接触した状態から、浮遊した状態、下ストッパ８に接触した状態の３つの状態の電流と、搭載アーム位置の関係を得ることができる。

浮遊状態では、ＶＣＭ電流によって発生するＶＣＭ推力と、弾性案内３を構成する平行板バネ５の復元力とがつりあう位置が取得される。ＶＣＭ推力はＶＣＭ電流に比例し、平行板バネ５の弾性変形量はＶＣＭ推力に比例するため、浮遊状態はＶＣＭ電流に比例し、図７の直線１として表現できる。

直線１の直線近似においては、取得した図２のプロット１を、図３のような３区間に分割する。その際、区間を分割した後に区間ごとに直線近似するのではなく、３直線を同時に最小二乗法でフィッティングすることが好ましい。すなわち、プロット１を３区間に分割して、それぞれの区間ごとに直線近似し、全区間での残差の２乗和を求める。これを繰り返して、最も残差の２乗和の小さかった分割パターンを使用する。

例えば、図４には、サンプリングが８点の場合の分割パターンが示されている。各区間に最低２点を含むように分割すると、分割パターンは６通りある。この中で、図５のような残差の２乗和が最も小さい分割パターンが最良のフィッティングおよび区間分割として選ばれる。さらに、サンプリングがＮ点の場合は、（Ｎ−５）×（Ｎ−４）／２通りの分割パターンとなる。

この直線近似においては、上ストッパ接触状態の直線および下ストッパ接触状態の直線は、傾きがほぼ０という条件が既知なので、フィッティングの条件として適用できる。また、上ストッパ接触と浮遊状態の境界および浮遊状態と下ストッパ接触の境界、すなわち搭載アーム１１が下降し始める点および下降が終了する点は、求められた直線の交点となるので、データのサンプリング間隔より詳細に求めることができる。

次に、搭載アーム１１に被搭載素子１３を保持し、搭載ステージ１２に被搭載基板１４を保持した状態で、ＶＣＭ電流を変化させると、図６のプロット２のようなデータを取得できる。すなわち、搭載アーム保持部６が、上ストッパ７に接触した状態から、浮遊した状態、被搭載素子１３と被搭載基板１４とが接触した状態（素子基板接触状態）の３つの状態の電流と、搭載アーム位置の関係を得ることができる。

片持ち式の搭載アーム１１で被搭載素子１３に荷重を加える場合、搭載アーム１１の弾性変形は無視できない。そのため、片持ち式の搭載アーム１１の根元に配置された変位センサ９で取得されるデータには、搭載アーム１１の弾性変形量も含まれる。搭載アーム１１の弾性変形は、被搭載素子１３に加えられる荷重に比例するため、図７の直線２のように取得される。直線２のフィッティングは、前記の直線１と同様に行えばよい。

このように、被搭載素子１３と被搭載基板１４との接触点は、図７において、直線１と直線２との交点として、データサンプリング間隔以下の高い精度で求めることができる。

なお、直線１は、搭載アーム１１に被搭載素子１３を保持していない状態（初期状態）で取得したデータに基づく近似直線を用いてもよいし、搭載アーム１１に被搭載素子１３を保持し、搭載ステージ１２に被搭載基板１４を保持した状態（保持状態）で取得したデータで浮遊状態が十分に近似できる場合は、保持状態で取得したデータに基づく近似直線を用いてもよい。後者の近似直線を用いる場合は、搭載アーム１１に被搭載素子１３を保持していない状態（初期状態）でのデータの取得及び直線近似は省略することが可能である。

被搭載素子１３と被搭載基板１４とを一定の圧力で高精度に加圧するために、被搭載素子１３と被搭載基板１４との接触点を基点としてＶＣＭ電流を決定する。すなわち、接触点でのＶＣＭ電流に所望の加圧力となるＶＣＭ推力相当の電流を加える。ただし、片持ち式の搭載アーム１１では、前記のように加圧によって搭載アーム１１が弾性変形するため、搭載アーム保持部６は前記の接触点よりも下降していることになる。そのため、搭載アーム１１の弾性変形量すなわち搭載アーム保持部６の下降量だけ、弾性案内３を構成する平行板バネ５から追加の復元力を受けることになる。しかしながら、直線２から所望の加圧力に対する搭載アーム保持部６の下降量を計算できるので、さらに直線１から搭載アーム保持部６の下降量に対する追加の復元力を求めることで、加圧力の損失を補償できる。

なお、本実施例は、弾性案内３を使用した片持ち式の搭載アーム１１について詳細に述べたが、搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）が、上ストッパ接触状態、浮遊状態、下ストッパ接触状態（又は素子基板接触状態）の３つの状態を持つ素子搭載装置であれば、いかなるものでも良い。

次に、本発明の第２の実施例に係る素子実装装置及び素子実装方法について、図８を参照して説明する。

第２の実施例は、図３のような取得データのフィッティングにおいて、計算高速化のために計算回数を減らすものである。図４のように全ての分割パターンを施行する場合、その分割パターンはサンプリング点数Ｎに対して、（Ｎ−５）×（Ｎ−４）／２通りとなる。例えば、サンプリング点数が１００点の場合、４５６０通りの３直線のフィッティングおよび残差の２乗和の計算をすることになる。サンプリング点数が１００点程度の場合、この処理は数秒で完了するが、さらにサンプリング点数を増やした場合や、実行時間が問題となる場合には、次のようにしてもよい。

図３において、上ストッパ接触状態や下ストッパ接触状態では、搭載アーム１１の機械的な振動が殆どなく１μｍ以下で安定している。そこで、図８に示すように、ＶＣＭ電流を変化させた際、搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）の位置が上ストッパ接触状態から一定値、例えば１０μｍ降下した位置のＶＣＭ電流を区間［１］の分割特徴点［１］とし、逆に搭載ヘッド（搭載アーム保持部６）の位置が下ストッパ接触状態から一定値、例えば１０μｍ上昇した位置のＶＣＭ電流を区間［３］の分割特徴点［３］とする。

区間［１］の範囲が分割特徴点［１］上にあるとき、区間［１］の範囲は最大となる。同様に、区間［３］の範囲が分割特徴点［３］上にあるとき、区間［３］の範囲は最大となる。フィッティングにおいては、求めた区間［１］の最大範囲および区間［３］の最大範囲から範囲を縮小する方向に区間の範囲を変化させればよい。こうすることで、区間分割のパターンを減らせば計算量を減らすことができ、計算を高速化できる。

なお、上記手法は一例であり、特徴点を求めて、その特徴点に基づいて区間分割し、計算量を減らす方法であれば、どのような方法でも良い。

また、上記各実施例では、本発明の手法を半導体素子の実装に適用する場合について記載したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、高い精度で加圧力を制御することが求められる任意の機器の実装に対して同様に適用することができる。

本発明は、片持ち式の搭載アームを使用する構造を持つ素子搭載装置及びその素子搭載装置を用いた素子実装方法に利用可能である。

本発明の第１の実施例に係る素子実装装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＭ電流と搭載ヘッドの変位の関係を示す図である。 図２のＶＣＭ電流と搭載ヘッドの変位の関係を３区間に分割した図である。 サンプリングが８点の場合の分割パターンを示す図である。 残差の２乗和が最も小さい分割パターンを示す図である。 本発明の第１の実施例に係るＶＣＭ電流と搭載ヘッドの変位の他の関係を示す図である。 図６のＶＣＭ電流と搭載ヘッドの変位の関係を３区間に分割した図である。 本発明の第２の実施例に係るＶＣＭ電流と搭載ヘッドの変位の関係を示す図である。

符号の説明

１ 素子実装装置
２ Ｚステージ
３ 弾性案内
４ 板バネ保持部
５ 平行板バネ
６ 搭載アーム保持部
７ 上ストッパ
８ 下ストッパ
９ 変位センサ
１０ ボイスコイルモータ
１１ 搭載アーム
１２ 搭載ステージ
１３ 被搭載素子
１４ 被搭載基板

Claims (8)

1. 板バネを含む弾性案内と、前記弾性案内をＺ軸方向に移動させる駆動手段と、前記弾性案内のＺ軸方向の位置を検出する変位センサと、前記弾性案内に一端が固定され、他端で被搭載素子を保持する搭載アームと、被搭載基板を保持する搭載ステージと、前記変位センサで検出した前記弾性案内の位置を取得すると共に前記駆動手段に供給する電流を制御する制御部と、を少なくとも備える素子実装装置において、
   前記制御部は、
   前記被搭載素子及び前記被搭載基板が保持されている保持状態で、前記弾性案内の位置と前記駆動手段に供給する電流との関係を示すデータを取得し、前記弾性案内が上限位置で保持される第１の区間と、前記電流の変化に伴って前記位置が変化する第２の区間と、前記第２の区間よりも前記位置の変化が小さい第３の区間の各々に対して、前記データを直線近似し、
   前記第２の区間における前記データの近似直線と、前記第３の区間における前記データの近似直線との交点位置に基づいて、前記被搭載素子と前記被搭載基板とが接触した状態における前記弾性案内の基準位置を特定する、ことを特徴とする素子実装装置。
2. 前記制御部は、
   更に、前記被搭載素子及び前記被搭載基板が保持されていない初期状態で前記データの取得及び直線近似を行い、
   前記初期状態の前記第２の区間における前記データの近似直線と、前記保持状態の前記第３の区間における前記データの近似直線との交点位置に基づいて、前記基準位置を特定する、ことを特徴とする請求項１に記載の素子実装装置。
3. 前記制御部は、
   前記保持状態の前記第３の区間における前記データの近似直線と、前記第２の区間における前記データの近似直線とに基づいて、所望の加圧力に対する前記基準位置からの前記弾性案内の変位による復元力を補償するように、前記駆動手段に供給する電流を決定する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の素子実装装置。
4. 前記制御部は、
   前記３つの区間における前記データと前記近似直線との誤差の総和が最小となるように近似を行う、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の素子実装装置。
5. 板バネを含む弾性案内と、前記弾性案内をＺ軸方向に移動させる駆動手段と、前記弾性案内のＺ軸方向の位置を検出する変位センサと、前記弾性案内に一端が固定され、他端で被搭載素子を保持する搭載アームと、被搭載基板を保持する搭載ステージと、を少なくとも備える素子実装装置における素子実装方法であって、
   前記被搭載素子及び前記被搭載基板が保持されている保持状態で、
   前記弾性案内の位置と前記駆動手段に供給する電流との関係を示すデータを取得する第１のステップと、
   前記弾性案内が上限位置で保持される第１の区間と、前記電流の変化に伴って前記位置が変化する第２の区間と、前記第２の区間よりも前記位置の変化が小さい第３の区間の各々に対して、前記データを直線近似する第２のステップと、
   前記第２の区間における前記データの近似直線と、前記第３の区間における前記データの近似直線との交点位置に基づいて、前記被搭載素子と前記被搭載基板とが接触した状態における前記弾性案内の基準位置を特定する第３のステップと、を少なくとも実行することを特徴とする素子実装方法。
6. 更に、前記被搭載素子及び前記被搭載基板が保持されていない初期状態で、前記第１及び第２のステップを実行し、
   前記第３のステップでは、前記初期状態の前記第２の区間における前記データの近似直線と、前記保持状態の前記第３の区間における前記データの近似直線との交点位置に基づいて、前記基準位置を特定する、ことを特徴とする請求項５に記載の素子実装方法。
7. 前記保持状態の前記第３の区間における前記データの近似直線と、前記第２の区間における前記データの近似直線とに基づいて、所望の加圧力に対する前記基準位置からの前記弾性案内の変位による復元力を補償するように、前記駆動手段に供給する電流を決定する第４のステップを更に実行する、ことを特徴とする請求項５又は６に記載の素子実装方法。
8. 前記第２のステップでは、前記３つの区間における前記データと前記近似直線との誤差の総和が最小となるように近似を行う、ことを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一に記載の素子実装方法。

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