JP2011044652A - 部品実装装置及び部品実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液状接合材を用いる場合でも、部品を基板上に適切に実装することができる部品実装装置及び部品実装方法の提供。
【解決手段】液状接合材が塗設された基板を搭載するステージと、前記基板に接合する部品を当該基板に対向させた状態で保持する保持部と、前記保持部を前記基板に向かって移動させるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、を少なくとも備える部品実装装置において、前記アクチュエータを駆動する電流値の変化に基づいて、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したか否かを判定する液面接触判定部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、部品実装装置及び部品実装方法に関し、特に、液状接合材を用いて基板上に部品を実装する部品実装装置及び部品実装方法に関する。

従来、半導体接合技術では、半導体部品を実装基板に搭載した後、半導体部品と実装基板をそれぞれ加熱し、接合部の半田バンプを溶融させて接合させる。その際、半導体部品が実装基板に接触したことを検知する方法として、半導体部品を下降させる位置を観測し、その変化を捉える方法が用いられている。

このような半導体接合技術としては、例えば、下記特許文献１には、半導体部品の接合面を実装基板の実装面に対向させた状態で保持する保持部と、半導体部品を実装基板に搭載する方向に保持部を移動するアクチュエータと、保持部の位置を検出する位置センサと、この位置センサからの位置信号に基づき、アクチュエータを位置制御する制御部と、半田材を加熱して溶融させる加熱部とを備え、制御部は、アクチュエータの駆動電流をあらかじめ設定された制限値内に制御して、保持部を半導体部品と実装基板とが半田材を介して接触する位置に移動し、半田材を溶融させて、半導体部品を実装基板に接合する半導体製造装置が開示されている。

特開２００２−１３４５６３号公報

半導体部品が実装基板に接触するときは、半導体部品上に形成された半田バンプと実装基板上に形成された半田バンプとが接触する。その際、双方の半田バンプは固体状であるため、接触と共に半導体部品の下降が止まる。

しかしながら、接合材として、接着剤や溶融半田等の液状のものを用いる場合、半導体部品が接合材に接触したことを検出できないため、半導体部品を基板に必要以上に押圧してしまい、製品の品質に問題が生じてしまう場合がある。

また、特許文献１では、半田バンプが接触した後、半導体部品と実装基板をそれぞれ加熱し、接合部の半田バンプを溶融させて液状になったところで、半田バンプを規定量だけ押しつぶすようなプロセスを追加している。しかしながら、この方法も固体状の半田バンプを接触させることを前提にしているため、液状接合材を用いると、半導体部品を基板に必要以上に押圧してしまい、製品の品質に問題が生じてしまう場合がある。また、個々の半導体部品を実装基板に搭載する度に加熱・冷却が必要になるため、実装プロセスに時間がかかるという問題もある。

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、液状接合材を用いる場合でも、部品を基板上に適切に実装することができる部品実装装置及び部品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、液状接合材が塗設された基板を搭載するステージと、前記基板に接合する部品を当該基板に対向させた状態で保持する保持部と、前記保持部を前記基板に向かって移動させるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、を少なくとも備える部品実装装置において、前記アクチュエータを駆動する電流値の変化に基づいて、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したか否かを判定する液面接触判定部を備えるものである。

本発明の部品実装装置及び部品実装方法によれば、液状接合材を用いる場合でも、部品を基板上に適切に実装することができる。

その理由は、部品を一定速度で降下させているときに、液状接合材の表面に接触すると、反力が作用してアクチュエータの駆動電流が変化することを利用して、アクチュエータの電流値の変化に基づいて、部品が液状接合材の表面に接触したか否かを判定するからである。

これにより、部品を基板に必要以上に押圧することがなく、製品の品質劣化を未然に防止することができる。また、接着剤や溶融半田等の液状接合材の利用が可能となるため、部品搭載毎の加熱・冷却が不要となり、実装プロセスに要する時間を大幅に削減することができる。

本発明の一実施例に係る部品実装装置（接合装置）の構成を模式的に示す図である。 部品の位置と作用する反力とアクチュエータの電流値との相関を示すモデル図である。 試料が液体に浸かった状態でつりあっている時に作用する力を説明する図である。

背景技術で示したように、半導体部品を実装基板に実装する場合、半導体部品と実装基板とを固体状の半田材を介して接触させた後、半田材を溶融させて接合する方法が用いられる。しかしながら、この方法は、固体状の半田材を利用する場合の方法であるため、接着剤や溶融半田等の液状接合材を用いる場合は、半導体部品が液状接合材に接触したことを検出できないため、半導体部品を実装基板に必要以上に押圧してしまい、製品の品質劣化を招いてしまう。

そこで、本発明では、半導体部品を垂直方向に移動させるアクチュエータ（例えば、リニアモータ）を一定速度で駆動（動き始めた後は一定の駆動電流で駆動）し、垂直方向の推力を制御する。そして、半導体部品が液状接合材の液面に接触すると、液状接合材から受ける浮力と表面張力によって垂直方向に反対の力（反力）が発生してアクチュエータに負荷がかかり、その負荷に打ち勝ってアクチュエータを一定速度で駆動するためにアクチュエータの駆動電流が変化する（アクチュエータの駆動電流が大きくなる）ことから、アクチュエータの電流値をモニタリングし、この電流値の変化に基づいて、半導体部品が液状接合材の液面に接触したか否かを判定し、半導体部品を実装基板上に適切に実装できるようにする。

上記した本発明の一実施の形態についてさらに詳細に説明すべく、本発明の一実施例に係る部品実装装置及び部品実装方法について、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本実施例の部品実装装置（接合装置）の構成を模式的に示す図であり、図２は、部品の位置と液状接合材からの反力とアクチュエータの電流値との相関を示す図である。また、図３は、試料が液体に浸かった状態でつりあっている場合に生じる力を説明する図である。

図１に示すように、本実施例の部品実装装置（接合装置）は、２つの部材（本実施例では半導体部品４及び実装基板６とする。）を、接着剤や溶融半田等の液状接合材５を介して実装する装置である。この部品実装装置（接合装置）は、アクチュエータ１、位置センサ２、搭載ノズル３、位置決めステージ７、制御部８、速度検出部９、液面接触判定部１０、電流検出部１１、各部に電力を供給する電源（図示せず）などで構成される。

位置決めステージ７は、実装基板６を接合位置に移動する。搭載ノズル３（保持部）は、半導体部品４の接合面を実装基板６の実装面に対向させた状態で保持する。アクチュエータ１は、ＶＣＭ（ボイスコイルモータ）等のリニアモータからなり、半導体部品４を実装基板６に搭載する方向（垂直方向とする。）に保持部を移動する。

位置センサ２は、リニアエンコーダ等からなり、保持部の位置を検出する。速度検出部９は、位置センサ２が検出した位置に基づいて保持部の垂直方面の速度を算出する。電流検出部１１は、アクチュエータ１の電流値をモニタリングする。液面接触判定部１０は、電流検出部１１で検出した電流値に基づいて、半導体部品４が液状接合材５の液面に接触したかどうかを判定する。

制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリ等を含むデジタル信号処理装置であり、プログラム制御によって、位置センサ２からの位置情報（及び速度検出部９からの速度情報）に基づきアクチュエータ１の駆動を制御すると共に、位置決めステージ７の位置を制御する。

なお、図１は本実施例の部品実装装置の一例であり、その構成や制御は適宜変更可能である。例えば、ここでは位置決めステージ７を用いて水平方向の位置合わせを行う構成としたが、保持部側で位置合わせを行ってもよい。

また、図１では、速度検出部９、液面接触判定部１０、電流検出部１１を独立させた構成としたが、これらは制御部８によって実行されるプログラムとして構成してもよい。

次に、上記構成の部品実装装置を用いて半導体部品４を実装基板６に実装する方法について説明する。

まず、位置決めステージ７上に実装基板６を載置し、搭載ノズル３に半導体部品４を吸着保持させる。次に、制御部８は、位置決めステージ７を制御して、搭載ノズル３に保持された半導体部品４の直下に実装基板６を移動させる。制御部８は、位置センサ２が検出した搭載ノズル３の位置情報（及び速度検出部９が検出した搭載ノズル３の速度情報）に基づいてアクチュエータ１を制御し、搭載ノズル３を実装基板６に向かって垂直方向に降下させる。その際、制御部８は、規定の速度以上の推力が発生しないように搭載ノズル３を一定速度で降下させる。

そして、半導体部品４と実装基板６とが液状接合材５を介して接触する位置に移動すると、大気中で推移させているときよりも反力の大きい液状接合材５に触れた段階でアクチュエータ１が受ける抵抗が上がり（アクチュエータ１に作用する力が大きくなり）、アクチュエータ１を駆動する電流値が変化する。液面接触判定部１０は、電流検出部１１からアクチュエータ１の電流値を取得し、その電流値と予め定めた閾値とを比較し、電流値が閾値以上となったら、半導体部品４が液状接合材５の液面に接触したと判定する。

その後、制御部８は、アクチュエータ１を制御し、搭載ノズル３を予め設定した量だけさらに下降させ、半導体部品４と実装基板６とを接合する。

上記液面接触判定部１０の判定方法について、図２を参照して具体的に説明する。図２の反力変化は、一般的な表面張力測定法を利用して、実装部品（半導体部品４）を液体のハンダ（液状接合材５）に浸した時におきる、浮力と表面張力の鉛直方向の成分の合力の測定値であり、実験工程として、実装部品はハンダに侵食するまで下降し、全て浸る前に下降を止めて位置をキープしている。

（１）は、半導体部品４が垂直方向に一定速度で下降している段階であり、この段階では、半導体部品４の位置は徐々に変化するが、半導体部品４が液状接合材５の液面に接触するまでは、液状接合材５からの反力は変化せず、アクチュエータ１の電流値も変化しない。

（２）、（３）は、半導体部品４が液状接合材５の液面に接触した段階であり、空気の粘性は液体（液状接合材５）の粘性より小さいために抵抗が大きくなり、半導体部品４を一定速度で降下させるためにアクチュエータ１に流す電流が変化し始める。

（４）は、液状接合材５の反力が作用している状態であり、反力が徐々に大きくなるが、アクチュエータ１の電流値は略一定の値で保持される。図３は、固体を液体に浸けた場合に生じる力を説明する図であり、固体には、液面に対して垂直な方向に重量ｍｇ及び浮力ｆが働き、固体の液面に対する接触角θの向きに表面張力ｒが働く。浮力ｆと表面張力の鉛直方向の成分の合力をＦとすると、Ｆとｍｇがつりあうと固体は液面で浮いた状態で静止する。（４）の状態では、Ｆ（反力）＝ｆ−ｒｃｏｓθｊ（ｊは実装部品の液面に対する接触長（実装部品の周長）となり、ハンダの濡れが開始するまでは表面張力よりも浮力の変化が優位に働き、浮力の増加に伴い、反力が上向きに増加する。

（５）〜（７）は、半導体部品４が液状接合材５の液面に接触したことを認識後、制御部８の制御により、半導体部品４の位置を一定量だけ下降させている状態であり、位置がキープされるとアクチュエータ１の電流値は小さくなり、略一定の値で保持される。なお、（５）は、表面張力が増加していく中で、浮力が表面張力に打ち消され反力がゼロになった状態である。

このように、本実施例では、反力により、アクチュエータ１の駆動電流が変化することに着目し、電流値が閾値以上となったときに半導体部品４が液状接合材５の液面に接触したと判定することにより、半導体部品４を実装基板６に必要以上に押圧することがなくなり、製品の品質劣化を未然に防止することができる。また、接着剤や溶融半田等の液状接合材５の利用が可能となるため、部品搭載毎の加熱・冷却が不要となり、実装プロセスに要する時間を大幅に削減することができる。

なお、本発明は上記実施例の記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、その構成や制御方法は適宜変更可能である。

例えば、上記実施例では、液状接合材５として接着剤を用いる場合の例を示したが、液状接合材５として半田を用いる場合は、位置決めステージ７や搭載ノズル３に加熱手段を設け、半田を溶融させた後、上述した制御を行えばよい。

また、上記実施例では、半導体部品４を実装基板６に実装する装置について記載したが、液面接触判定部１０は、半導体部品４が液状接合材５の液面に接触したことを判定できることから、部品に一定量の液状接合材５を塗設する装置としても利用することができる。

本発明は、液状接合材を用いて部品と基板を接合する部品実装装置、特に、半導体実装装置に利用可能である。

１ アクチュエータ
２ 位置センサ
３ 搭載ノズル
４ 半導体部品
５ 液状接合材
６ 実装基板
７ 位置決めステージ
８ 制御部
９ 速度検出部
１０ 液面接触判定部
１１ 電流検出部

Claims (6)

1. 液状接合材が塗設された基板を搭載するステージと、前記基板に接合する部品を当該基板に対向させた状態で保持する保持部と、前記保持部を前記基板に向かって移動させるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動を制御する制御部と、を少なくとも備える部品実装装置において、
   前記アクチュエータを駆動する電流値の変化に基づいて、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したか否かを判定する液面接触判定部を備える、ことを特徴とする部品実装装置。
2. 前記保持部の位置を検出する位置センサと、前記アクチュエータの電流値を検出する電流検出部と、を更に備え、
   前記制御部は、前記位置センサで検出した位置に基づいて、前記アクチュエータを一定速度で駆動し、
   前記液面接触判定部は、前記電流検出部で検出した前記アクチュエータの電流値が予め定めた閾値以上となった時に、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したと判定する、ことを特徴とする請求項１に記載の部品実装装置。
3. 前記制御部は、前記液面接触判定部が、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したと判定した後、前記保持部を前記基板に向かって所定量移動させて、前記部品を前記基板に接合する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の部品実装装置。
4. 液状接合材が塗設された基板をステージに搭載し、アクチュエータを用いて、前記基板に接合する部品を保持する保持部を前記基板に向かって移動させ、前記部品を前記基板に接合する部品実装方法であって、
   前記アクチュエータを駆動する電流値の変化に基づいて、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したか否かを判定する、ことを特徴とする部品実装方法。
5. 前記アクチュエータの電流値と予め定めた閾値とを比較し、前記電流値が前記閾値以上となった時に、前記部品が前記液状接合材の液面に接触したと判定する、ことを特徴とする請求項４に記載の部品実装方法。
6. 前記部品が前記液状接合材の液面に接触したと判定した後、前記保持部を前記基板に向かって所定量移動させて、前記部品を前記基板に接合する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の部品実装方法。

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