JP2011171343A - 部品実装装置および部品実装方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】印刷ズレ量に応じて部品の実装位置を適切に調整することで半田不良の発生を防止しつつ部品を基板に良好に実装する。
【解決手段】基板1に形成された電極1aに対してペースト状の半田2がX軸方向にΔXだけずれて印刷されており、X軸方向の印刷ズレ量ΔXが比較的大きく、補正許容範囲Xaを超えている。この場合、半田2が印刷された位置よりも基板電極1aに近く、かつ基板電極1aの位置から前記補正許容範囲内で前記印刷された位置側に離間した所定の位置に部品3を実装すると、リフロー処理時に半田2aが基板3上をぬれ広がるのを抑制でき、隣接する基板電極1a’とブリッジを起こすことを防ぐことができる。また、部品電極3aと基板1との間に挟まれた半田2は溶融して電極3a側に流動して電極1a全体に広がってセルフアライメント効果が得られ正しい位置への半田付けが行われる。
【選択図】図2

Description

この発明は、電極に半田が印刷された基板に対して部品を実装する部品実装装置および部品実装方法に関するものである。
電子部品を実装した基板(以下「部品実装基板」という)を製造するために、基板に形成された電極、いわゆる基板電極に半田を印刷装置により印刷する印刷工程と、半田が印刷された基板に対して部品実装装置により部品を実装する実装工程と、部品が実装された基板をリフロー炉に通過させるリフロー工程とがこの順序で実行される。これらの工程のうち印刷工程では、基板電極パターンに対応する開口部が形成されたマスクと、基板とが正確に位置合せされられた状態でペースト状の半田がマスクの開口部を介して基板の表面に印刷される。このように印刷工程では基板に対するマスクの位置合せが行われており、基板電極に対する半田の位置ズレ、つまり印刷ズレ量がゼロとなるように計画されている。しかしながら、実際の印刷工程において印刷ズレ量をゼロにすることは非常に困難である。
ところで、リフロー工程においては、基板の基板電極と電子部品の外殻に形成された電極やリード等のいわゆる部品電極に挟まれた半田が溶融して流動する。その際に、半田流動により電子部品が基板電極の中心位置側に移動する、いわゆるセルフアライメント効果により電子部品の実装位置が補正されることがある。そこで、例えば特許文献1に記載の発明では、印刷ズレ状態からセルフアライメント効果の大小を判定し、その判定結果に応じて電子部品の実装位置を切り替えている。より詳しくは、セルフアライメント効果が大きいときには半田印刷位置を基準として電子部品を実装する一方、セルフアライメント効果が小さいときには基板の電極位置を基準として電子部品を実装する。
特開2007−110170号公報(図20、図21)
この特許文献1に記載の発明では、セルフアライメント効果が小さいとき、例えば基板に形成された電極から大きくはみ出して半田が印刷された場合には、セルフアライメント効果は小さいと判定し、基板の電極位置を基準として電子部品を実装している。このため、後述するようにリフロー処理によって電極からはみ出た半田が溶融して電子部品の端面に付着し、さらに当該端面に沿って大きくぬれ上がて半田不良が発生することがあった。
この発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、印刷ズレ量に応じて部品の実装位置を適切に調整することで半田不良の発生を防止しつつ部品を基板に良好に実装することができる部品実装装置および部品実装方法を提供することを目的とする。
この発明にかかる部品実装装置は、基板に形成された電極に半田が印刷された基板に対して部品を実装する部品実装装置であって、上記目的を達成するため、部品を基板に実装するヘッドユニットと、ヘッドユニットの動作を制御して電極に対する半田の印刷ズレ量に応じて部品を実装する位置を調整する制御部とを備え、制御部は、印刷ズレ量が半田の溶融により発現されるセルフアライメント効果により部品の実装位置を電極側に補正可能な補正許容範囲内である場合には、半田が印刷された位置を基準として部品を実装する一方、印刷ズレ量が補正許容範囲を超える場合には、半田が印刷された位置よりも電極に近く、かつ電極の位置から前記補正許容範囲内で前記印刷された位置側に離間した所定の位置を基準として部品を実装することを特徴としている。
この発明にかかる部品実装方法は、基板に形成された電極に半田が印刷された基板に対して部品を実装する部品実装方法であって、上記目的を達成するため、電極に対する半田の印刷ズレ量を求める工程と、印刷ズレ量を、半田の溶融により発現されるセルフアライメント効果により部品の実装位置を電極側に補正可能な補正許容範囲と対比する工程と、印刷ズレ量が補正許容範囲内である場合には、半田が印刷された位置を基準として部品を実装する一方、印刷ズレ量が補正許容範囲を超える場合には、半田が印刷された位置よりも電極に近く、かつ電極の位置から前記補正許容範囲内で前記印刷された位置側に離間した所定の位置を基準として部品を実装する工程とを備えたことを特徴としている。
このように構成された発明(部品実装装置および部品実装方法)では、基板に形成された電極に対する半田の印刷ズレ量に応じて部品を実装する位置が調整される。より具体的には、印刷ズレ量がセルフアライメント効果により部品の実装位置を電極側に補正可能な補正許容範囲内である場合には、半田が印刷された位置を基準として部品は実装される。このようにセルフアライメント効果を利用することで部品が基板に良好に実装される。一方、印刷ズレ量が補正許容範囲を超える場合、つまりアライメント効果が期待できない場合には、半田が印刷された位置よりも電極に近く、かつ電極の位置から前記補正許容範囲内で前記印刷された位置側に離間した所定の位置を基準として部品は実装される。これにより、リフロー処理時に基板上を隣接する電極に向かってぬれ広がる半田の量を減らすことで半田不良の発生を防止しつつ、基板の電極の位置を基準とした正しい位置に部品を実装することが可能となる。なお、その詳細については、後で具体例を例示しながら詳述する。
以上のように、電極に対する半田の印刷ズレ量がセルフアライメント効果により部品の実装位置を電極側に補正可能な補正許容範囲内か否かに基づき部品実装を行う位置基準を調整しているため、半田不良の発生を防止しつつ、基板の電極の位置を基準とした正しい位置に部品を実装することができる。
基板に部品を実装した部品実装基板の生産システムを示すブロック図である。 比較的大きな印刷ズレが発生しているときの、部品実装処理での位置合せ態様とリフロー処理後の半田状態との関係を模式的に示す図である。 部品情報と印刷ズレ量に応じた部品実装の態様を示す模式図である。 部品情報と印刷ズレ量に応じた部品実装の態様を示す模式図である。 本発明にかかる部品実装装置の一実施形態を示す平面図である。 図5に示す実装機の主要な電気的構成を示すブロック図である。 部品実装基板を生産する前に印刷装置で実行されるプログラム編集処理を示すフローチャートである。 部品実装基板を生産する前に制御装置で実行されるプログラム編集処理を示すフローチャートである。 印刷装置による印刷処理を示すフローチャートである。 実装機による部品実装処理を示すフローチャートである。 実装機による部品実装処理を示すフローチャートである。
<印刷ズレ量とセルフアライメント効果との関係>
本発明にかかる部品実装装置および部品実装方法の実施形態を詳述する前に、従来より一般的に使用されている部品実装基板の生産システムで発生する印刷ズレについて説明するとともに、その印刷ズレ量とセルフアライメント効果との関係について考察する。
図1は基板に部品を実装した部品実装基板の生産システムを示すブロック図である。この生産システムでは、基板に形成された電極、いわゆる基板電極に半田を印刷する印刷装置10と、印刷装置10により印刷された基板を検査して印刷ズレ量を求める印刷検査装置20と、半田が印刷された基板に部品を実装する実装機(本発明の「部品実装装置」に相当)30と、部品が実装された基板に対してリフロー処理を施すリフロー炉40とが設けられている。これら装置10、20、30、40はローカルエリアネットワークLANに接続されている。また、このローカルエリアネットワークLANには、生産システム全体を制御する制御装置(サーバーPC)50が接続されている。そして、制御装置50と各装置10、20、30、40の間で印刷プログラム、基板プログラムや印刷ズレ量などの各種情報がローカルエリアネットワークを介して通信可能となっている。なお、この生産システムでは、有線LANにより制御装置50と各装置10、20、30、40の間での通信を行っているが、通信方式や態様はこれに限定されるものではない。
このように構成された生産システムでは、制御装置50で作成された印刷プログラムにしたがって印刷装置10により基板に対してペースト状の半田が印刷される。すなわち、印刷装置10では、基板搬入部により搬入された基板が基板移動ステージでクランプされ、マスクの直下の所定位置に位置合わせされた後、この基板に対して半田印刷が実行される。この半田印刷時に、基板電極に対して半田がずれて印刷されることがある。そこで、図1の生産システムでは、印刷処理後でかつ実装処理前に印刷検査装置20により検査を行い、部品実装を行う部位毎に印刷ズレ量を求めている。
印刷ズレ量が比較的小さい場合には、特許文献1にも記載されているように、セルフアライメント効果を用いることにより部品を基板電極に対して良好に半田付けすることができる。この場合、半田印刷位置を基準として部品を基板に実装すると、その実装処理後に行われるリフロー処理によって基板電極と部品の外殻に形成された電極やリード等のいわゆる部品電極に挟まれた半田が溶融して流動し、部品はセルフアライメント効果により基板電極中心位置に移動する。このように、印刷ズレ量が半田の溶融により発現されるセルフアライメント効果により部品の実装位置を基板電極側に補正可能な補正許容範囲内にある場合には、半田印刷位置を基準として部品を基板に実装するのが好ましい。
一方、印刷ズレ量が補正許容範囲を超える場合には、半田印刷位置を基準としたり、基板電極位置を基準として部品実装を行うと、次のような問題が発生することがある。以下、印刷ズレが一定方向Xにのみ発生している場合を例示しながら上記基準で部品実装処理およびリフロー処理を行った場合について説明する。
図2は、比較的大きな印刷ズレが発生しているときの、部品実装処理での位置合せ態様とリフロー処理後の半田状態との関係を模式的に示す図である。ここでは、同図に示すように、基板1に形成された基板電極1aに対してペースト状の半田2がX軸方向にΔXだけずれて印刷されており(半田2の厚みはマスク厚とほぼ同じH0)、隣接する基板電極1a’には達しないものの(ΔXb>0)X軸方向の印刷ズレ量ΔXが比較的大きく、補正許容範囲の最大値Xa(後で説明する部品情報に含まれる補正許容値Xa)を超えている。この場合、例えば同図(a)に示すように、印刷ズレ量ΔXの半田印刷位置を基準として部品電極3aを一致させるように部品3の位置ずらし量ΔX1を印刷ズレ量ΔXと同じにし、位置をずらして部品3を基板1に搭載した後(部品3の搭載時に部品3に作用させる正圧や部品3の自重により、部品3と基板1の間の半田2の厚みはH0より小さくなる)リフロー処理を施すと、溶けた半田2の一部が基板電極1a表面をぬれて図左方に広がり、この広がった半田2の表面張力で部品電極3aを図左方に引き寄せようとするが、印刷ズレ量ΔXが大きいため、溶融半田のぬれ広がりが基板電極1aの同図左端まで達せず、表面張力が作用しても部品電極3aが基板電極1aに完全に一致するまで、部品3を同図左方に移動させることができない。一方、部品3を基板1上に搭載時、部品3と基板1の間の半田2の厚みがH0より小さくなることにより、部品3より図右方にはみ出す半田2aは、リフロー処理によって溶けてさらに右方に広がろうとするが、僅かに図左方に移動する部品3に引き寄せられるので、隣接する基板電極1a’には到達しない(半田2aから隣接する基板電極1a’までの距離ΔXb>0)。すなわち、リフロー処理後において半田ブリッジと言う半田不良を発生することはないが、部品3を基板の電極位置を基準とした正しい位置に実装できていない、と言う実装位置不良が発生してしまう。
また、例えば同図(b)に示すように、基板電極位置を基準として部品3の部品電極3aを基板1に搭載した後にリフロー処理を施すと、部品3を基板の電極位置を基準とした正しい位置に実装できていない、と言う実装位置不良が発生することはないが、次のような問題が発生してしまう。すなわち、基板電極位置基準とした場合、印刷された半田2のうち基板電極1aからはみ出た半田2に、部品3を基板1上に搭載時、部品3と基板1の間の半田2の厚みがH0より小さくなることに起因して部品3より図右方にはみ出す半田が加わる。このようにして基板電極1aからはみ出た半田2aは、部品電極3aと接触する面積はほぼゼロまたは極端に少なく、基板電極1aからはみ出た半田2aのほとんどがフリーな状態で流動可能となっている。一方、リフロー処理を施しても部品3は移動しないので、流動可能な半田2aは図左方に移動することがない。このため、フリーな状態で流動可能な半田2aが隣接する基板電極1a’に達してしまう。すなわち、半田ブリッジとなり半田不良が発生してしまう。
これらに対し、同図(c)に示すように、半田2が印刷された印刷ズレ量ΔXの位置よりも基板電極1aに近く、かつ装着時に部品3の位置をずらす量ΔX1を補正許容値Xa(=補正許容範囲の最大値Xa)にして部品3を実装すると、基板電極1aと部品電極3aの間に挟まれる半田2が、リフロー処理において溶けて両電極1a、3aに対してぬれて図左方に広がり、この広がった半田2の表面張力で部品電極3aを図左方に引き寄せ、基板電極1aに対する部品電極3aの位置ずらし量が同図(a)より小さい補正許容値Xaであるので、部品3の部品電極3aが基板電極1aに完全に一致するまで部品3が図左方に移動し、リフロー処理後において部品3を基板1の電極位置を基準とした正しい位置に実装できる。また、印刷された半田2のうち部品3からはみ出た半田2に、部品3を基板1上に搭載時、部品3と基板1の間の半田2の厚みがH0より小さくなることに起因して部品3より図右方にはみ出す半田が加わって形成される、部品3からはみ出た半田2aは、リフロー処理によって溶けてさらに右方に広がろうとするが、図左方に移動する部品3に引き寄せられるので、隣接する基板電極1a’には到達しない(ΔXb>0)ので、半田ブリッジ等の半田不良が発生することはない。
なお、図2(b)に示すように、リフロー処理前において部品3からはみ出た半田2aがリフロー処理によって流動可能になり、基板電極1a’に達し基板電極1a’への重なり長がΔXcとなる場合には、部品3の実装位置を補正許容範囲内において基板電極位置基準からΔXcを越える所定の位置まで離間させることにより、基板電極1aに対する部品電極3aの位置ずらし量が小さい補正許容範囲にあるので、リフロー処理によって部品3の部品電極3aが基板電極1aに完全に一致するまで部品3が図左方に移動し、部品3を基板1の電極位置を基準とした正しい位置に実装できる。そして、この部品3の移動量がΔXcを越えるので、リフロー処理前において部品3からはみ出た半田2aは、溶けた状態において図左方に移動する部品3に引き寄せられて隣接する基板電極1a’には到達せず、半田ブリッジを起こさない。
なお、上記においてはX軸方向に印刷ズレが発生する場合について考察したが、X軸方向と直交するY軸方向(図2の紙面に対して垂直な方向)に印刷ズレが発生する場合、またX軸方向およびY軸方向の2次元面内で印刷ズレが発生する場合も上記と同様に考察することができる。すなわち、部品の方向(部品電極3aが2つ並ぶことになる長手方向(図3のYA方向)や幅方向(図3のXA方向))により影響を受ける。
部品電極3aが2つ並ぶことになる長手方向(図3のYA方向)においては、半田2が溶融時に基板電極3a上をぬれ広がり、基板電極3aと部品電極との間で働く半田2の表面張力が2箇所で作用するので、セルフアライメント効果が得られ易く、補正許容範囲は幅方向(図3のXA方向)よりも広い。
また、補正許容範囲は部品3の大きさによっても影響を受ける。例えば比較的大型の部品3については自重も大きくなるのでセルフアライメント効果が得られ難い。また、例えば図3に示すように、制御装置50に記憶されている部品情報に、半田印刷位置を基準として部品実装を行うことを許可するまたは禁止することを示す「半田基準フラグ」を設けるのが望ましい。また、部品毎に補正許容範囲として、部品方向XAにおける印刷ズレのアライメント限界値「補正許容値Xa」および部品方向YAにおける印刷ズレのアライメント限界値「補正許容値Ya」を部品情報に追加記憶しておくのが望ましい。すなわち、部品実装前に部品情報中の「半田基準フラグ」が「1」に設定されて半田印刷位置基準での部品実装が許可され、しかも印刷ズレ量が補正許容範囲内である(X軸方向の印刷ズレ量ΔXが補正許容値Xa以下であり、Y軸方向の印刷ズレ量ΔYが補正許容値Ya以下である)場合には、図3(a)に示すように、半田印刷位置を基準とし、アライメント効果を利用して部品実装位置を補正することができる。一方、同図(b)に示すように、「半田基準フラグ」が「1」に設定されて半田印刷位置基準での部品実装が許可されているものの、印刷ズレ量が補正許容範囲を超えている(同図(b)ではY軸方向の印刷ズレ量ΔYが補正許容値Yaを超えている)場合には、補正許容範囲の位置、すなわち補正許容値Yaの位置を基準として部品実装を行うことで半田不良を効果的に防止することができる。
また、同一部品3でありながら基板1への取付方向が異なる場合には、部品3の座標系(XA、YA)を実装機30の座標系(X、Y)に対応させて印刷ズレ量が補正許容範囲内であるか否かを判定すればよい。例えば図4に示すように部品3を90゜回転させて基板1に実装する場合、X軸方向の印刷ズレ量ΔXが部品3の「補正許容値Ya」以下であるか否か、またY軸方向の印刷ズレ量が部品3の「補正許容値Xa」以下であるか否かに基づきアライメント効果が得られるか否かを判定することができる。
このように印刷ズレ量とセルフアライメント効果との間には上記した関係が存在するため、印刷ズレ量が補正許容範囲内であるか否かを判定した上で半田位置基準または許容位置基準で部品実装を行うのが望ましい。また、補正許容範囲は部品3の種類や基板1への実装方向に応じて適正化するのが望ましい。
そこで、次に説明する実施形態では、上記考察に基づき印刷ズレ量が補正許容範囲内であるか否かを判定した上で半田位置基準または許容位置基準で部品実装を行う。ただし、次の実施形態では印刷検査装置20により印刷ズレ量を求めるのではなく、印刷装置10で検出される補正値に基づき印刷ズレ量を求めている。つまり、次に説明する実施形態では印刷検査装置20を含まない生産システムにより部品実装基板を生産する。
<実施形態>
図5は本発明にかかる部品実装装置の一実施形態たる実装機を示す平面図である。また、図6は図5に示す実装機の主要な電気的構成を示すブロック図である。この実装機30では、基台311上に基板搬送機構302が配置されており、印刷装置10によりペースト状の半田が印刷された印刷済基板1を所定の搬送方向Xに搬送可能となっている。より詳しくは、基板搬送機構302は、基台311上において基板1を図5の右側から左側へ搬送する一対のコンベア321、321を有している。そして、コンベア321、321は基板1を搬入し、所定の実装作業位置(同図に示す基板1の位置)で停止させ、図略の保持装置で基板1を固定し保持する。そして部品供給部304から供給される電子部品3(図2〜図4参照)がヘッドユニット306に搭載された実装ヘッド361により基板1に移載される。このとき、ヘッドユニット306に取り付けられた部品認識カメラ307が実装ヘッド361による電子部品3の保持状態を画像認識し、その認識結果が実装機30全体を制御するコントローラ(制御部)340に出力される。一方、コントローラ340は画像認識結果および基板プログラムに基づき移載動作を制御して後述するように印刷ズレ量に応じた位置基準で基板1への電子部品3の実装を行う。そして、基板1に実装すべき部品の全部について実装処理が完了すると、基板搬送機構302は基板1を搬出する。
このように構成された基板搬送機構302の前方側(+Y軸方向側)および後方側(−Y軸方向側)には、上記した部品供給部304が配置されている。これらの部品供給部304は多数のテープフィーダ304aを備えている。また、各テープフィーダ304aには、電子部品3を収納・保持したテープを巻回したリール(図示省略)が配置されており、電子部品3をヘッドユニット306に供給可能となっている。すなわち、各テープには、集積回路(IC)、トランジスタ、コンデンサ等の小片状のチップ電子部品3が所定間隔おきに収納、保持されている。そして、テープフィーダ304aがリールからテープをヘッドユニット306側に送り出すことによって該テープ内の電子部品3が間欠的に繰り出され、その結果、ヘッドユニット306の実装ヘッド361による電子部品3のピックアップが可能となる。
このヘッドユニット306は電子部品3を実装ヘッド361により吸着保持したまま基板1に搬送するとともに、ユーザより指示された位置に移載するものである。そして、前方側でX軸方向に一列に配列された6個の実装ヘッド361Fと、後方側でX軸方向に一列に配列された6個の実装ヘッド361Rとの合計12個の実装ヘッド361を有している。
ヘッドユニット306では、鉛直方向Zに延設された実装ヘッド361Fが6本、X軸方向(基板搬送機構302による基板1の搬送方向)に等ピッチで列状に設けられている。また、実装ヘッド361Fに対して後方側(−Y軸方向側)にも、前列と同様に構成された後列が設けられている。つまり、鉛直方向Zに延設された実装ヘッド361Rが6本、X軸方向に等ピッチで列状に設けられている。
また、各実装ヘッド361の先端部には部品吸着ノズル(図示省略)が装着されるとともに、各部品吸着ノズルに対しては、図略の電動切替弁を介して同負圧発生装置、同正圧発生装置、及び大気のいずれかに連通可能とされており、コントローラ340により負圧発生装置からの負圧吸着力を部品吸着ノズルに与えることで、該部品吸着ノズルの下方端部(先端部)が電子部品3の上面を吸着して部品保持が可能となっている。逆にコントローラ340により部品吸着ノズルへ正圧発生装置からの正圧を供給すると、実装ヘッド361による電子部品3の吸着保持が解除されるとともに、正圧により電子部品3を瞬時に基板1に実装する。そして、電子部品3の実装後、部品吸着ノズルは大気開放とされる。このようにヘッドユニット306ではコントローラ340による負圧吸着力及び正圧供給の制御により電子部品3の着脱が可能となっている。
また、各実装ヘッド361はヘッドユニット306に対してZ軸モータ381を駆動源とするノズル昇降駆動機構により昇降(Z軸方向の移動)可能に、かつR軸モータ382を駆動源とするノズル回転駆動機構によりノズル中心軸回りに回転可能となっている。これらの駆動機構のうちノズル昇降駆動機構は吸着もしくは装着を行う時の下降位置と、搬送や撮像を行う時の上昇位置との間で実装ヘッド361を昇降させるものである。一方、ノズル回転駆動機構は部品吸着ノズルを、電子部品3の実装方向への合致のためやR軸方向の吸着ズレの補正のため等、必要に応じて回転させるための機構であり、回転駆動により電子部品3を実装時における所定のR軸方向に位置させることが可能となっている。
さらに、ヘッドユニット306は、これらの実装ヘッド361で吸着された電子部品3を部品供給部304と基板1との間で搬送して基板1に実装するため、基台311の所定範囲にわたりX軸方向及びY軸方向(X軸及びZ軸方向と直交する方向)に移動可能となっている。すなわち、ヘッドユニット306は、X軸方向に延びる実装ヘッド支持部材363に対してX軸に沿って移動可能に支持されている。また、実装ヘッド支持部材363は、両端部がY軸方向の固定レール364に支持され、この固定レール364に沿ってY軸方向に移動可能になっている。そして、このヘッドユニット306は、X軸モータ365によりボールねじ366を介してX軸方向に駆動され、実装ヘッド支持部材363はY軸モータ367によりボールねじ368を介してY軸方向へ駆動される。
このようにヘッドユニット306は実装ヘッド361に吸着された電子部品3を部品供給部304から目的位置まで搬送可能となっている。そして、本実施形態では、部品搬送中に実装ヘッド361における電子部品3の吸着保持状態を順次撮像して画像認識するために、部品認識カメラ307がヘッドユニット306に取り付けられている。また、ヘッドユニット306には、部品認識カメラ307のほかに基板認識カメラ308が取り付けられている。この基板認識カメラ308は実装作業位置上にある基板1に付された複数のフィデューシャルマークを撮影して基板位置、基板方向を画像認識する機能を有している。また、ヘッドユニット306をフィーダ304aの部品供給位置上方に移動させることで基板認識カメラ308によりフィーダ304aにより送給されてくる部品やテープの部品収納部などを上方から撮像可能となっている。
このように構成された実装機30には、実装機全体を制御するコントローラ340が設けられている。このコントローラ340は、演算処理部341と、ハードディスクドライブなどの記憶部342と、モータ制御部343と、画像処理部344と、サーバー通信制御部345とを備えている。この演算処理部341はCPU等により構成されており、記憶部342に予め記憶されている基板プログラムにしたがって実装機各部を制御して印刷ズレ量に応じた位置基準で部品実装を行う。また、記憶部342には、実装機30により行う基板プログラムが記憶可能となっている。なお、この基板プログラムは制御装置50のコントローラ520で作成されたり、別のプログラム作成装置で作成されたものである。
モータ制御部343には、X軸モータ365、Y軸モータ367、Z軸モータ381およびR軸モータ382が電気的に接続されており、各モータを駆動制御する。また、これらのモータ365、367、381、382にはモータの回転状況に応じたパルス信号を出力するエンコーダ(図示省略)がそれぞれ付設されている。各エンコーダから出力されるパルス信号はコントローラ340に取り込まれる構成となっており、これらの信号を受けた演算処理部341が各軸モータ365、367、381、382の回転量に関する情報を取得し、モータ制御部343と共に各軸モータ365、367、381、382を制御して、部品吸着ノズルを基台11上の任意の位置に移動できる構成となっている。
また、画像処理部344には部品認識カメラ307および基板認識カメラ308が電気的に接続されており、これら各カメラ307,308出力される撮像信号がそれぞれ画像処理部344に取り込まれる。そして、画像処理部344では、取り込まれた撮像信号に基づいて、部品画像の解析並びに基板画像の解析がそれぞれ行われる。これにより部品吸着ノズルに対する電子部品3の種別、吸着状況、吸着位置、吸着方向を画像認識し、吸着ノズルに対する電子部品3の適否、吸着良否、吸着ズレを検出し、さらに、基板位置、基板方向を画像認識する。また、部品や部品収納部と部品供給位置との位置関係を認識可能となっており、これにより部品供給位置に対する部品等の位置ズレを検出したり、部品供給位置に部品が送給されるのを検出することができる。
この実装機30では、表示/操作ユニット350が設けられて基板プログラムや部品情報などを表示する。また、表示/操作ユニット350は、作業者がコントローラ340に対して各種データや指令などの情報を入力するためにも使用される。さらに、実装機30には、制御装置50との間で基板プログラムや部品情報などの各種データの授受を行うためにサーバー通信制御部345が設けられている。
なお、制御装置50は上記のように基板プログラムを作成することができるコントローラ510を有しており、このコントローラ510は基板プログラム以外に印刷プログラムなどを作成することができ、また生産システム全体を制御する。このコントローラ510には、CPU等により構成される演算処理部511と、ハードディスクドライブなどの記憶部512と、通信制御部513とが設けられている。また、記憶部512には、上記した基板プログラム、印刷プログラムおよび部品情報などが記憶されている。そして、次に説明するように基板プログラムおよび印刷プログラムにしたがって部品実装基板の生産が実行される。なお、同図中の符号520は演算処理部511により作成された印刷プログラム、基板プログラムや部品情報などを表示したり、作業者がコントローラ510に対して各種データや指令などの情報を入力するための表示/操作ユニットである。
次に、上記のように構成された実装機30を含む生産システム(印刷装置10+実装機30+リフロー炉40+制御装置50)により部品実装基板を生産する動作について図7ないし図11を参照しつつ説明する。
図7は部品実装基板を生産する前に印刷装置で実行されるプログラム編集処理を示すフローチャートである。また、図8は部品実装基板を生産する前に制御装置で実行されるプログラム編集処理を示すフローチャートである。また、図9は印刷装置による印刷処理を示すフローチャートである。さらに、図10および図11は実装機による部品実装処理を示すフローチャートである。
上記生産システムにより部品実装基板を生産する場合、その生産前に印刷装置10および制御装置50により当該部品実装基板の生産に適合させるためのプログラム編集処理が実行される。まず、印刷装置10に設けられたコントローラ(図示省略)が図7に示すプログラム編集処理を実行する。すなわち、このコントローラは印刷装置10の各部を以下のように制御して印刷プログラムを編集する。まずステップS11で、制御装置50の記憶部512に記憶されている印刷プログラムのうち上記部品実装基板に対応する印刷プログラムを読み出し、コントローラ内に設けられた記憶部(図示省略)に読み込む。また、印刷装置10では、基板1に形成された電極パターンに対応する開口部を有するマスクがマスク保持部に固定されているが、その固定位置が予め設定した位置からずれて固定されることがある。そこで、マスク認識カメラによってマスク下面に付されたフィデューシャルマークを撮像し、その撮像画像に基づき実装機30のX軸方向、Y軸方向およびR軸方向にそれぞれ対応する印刷装置10のX軸方向、Y軸方向およびR軸方向におけるマスクの固定ズレ量ΔX1、ΔY1、ΔR1を算出する。固定したマスクに対し基板1を移動して位置合わせして印刷する印刷装置10においては、この位置合わせにおけるマスクの固定ズレを補償する基板1の移動量、すなわち「マスク固定ズレ補正値」は、、X軸方向、Y軸方向およびR軸方向の各方向に対してマスクの固定ズレ量と同じΔX1、ΔY1、ΔR1となる。(ステップS12)。
そして、マスク全体をマスク認識カメラによって撮像する(ステップS13)。こうして得られたマスク撮像結果、つまりマスク全体画像には、フィデューシャルマークとマスク開口部が含まれているため、当該マスク撮像結果からフィデューシャルマークを基準とした各マスク開口部の中心位置およびサイズなどの情報を算出し、これらのデータを印刷プログラムに保存する(ステップS14)。こうして印刷プログラムに対する編集が完了すると、編集された印刷プログラムを制御装置50の記憶部512に戻す。
一方、制御装置50では、図8に示すように、コントローラ510が図8に示すプログラム編集処理を実行する。すなわち、印刷装置10による編集後の印刷プログラムを記憶部512から作業用のメモリ空間に読み込むとともに、記憶部512に記憶されている基板プログラムのうち上記部品実装基板に対応する基板プログラムを読み出し、作業用メモリ空間に読み込む(ステップS21)。そして、基板プログラムに設定されている部品の搭載座標に対応するマスク開口部の、マスクのフィデューシャルマークを基準とした中心位置およびサイズ情報を印刷プログラムから抽出する(ステップS22)。それに続いて、基板のフィデューシャルマークを基準とした部品の搭載座標とマスクのフィデューシャルマークを基準としたマスク開口部の位置とから、部品の搭載座標に対するマスク開口部のオフセットΔX0、ΔY0を算出する。このマスクに対する開口加工の誤差に起因するオフセットΔX0、ΔY0を、実装機30のX軸方向およびY軸方向におけるマスク開口オフセットΔX0、ΔY0として搭載座標に関連付けて保存する(ステップS23)。このような処理(ステップS22、S23)を全搭載座標に対して行う(ステップS24で「YES」と判定される)と、このように編集した基板プログラムを記憶部512に書き込む(ステップS25)。
こうして印刷プログラムおよび基板プログラムの編集が完了すると、印刷装置10は制御装置50の記憶部512から所望の編集済の印刷プログラムを読み込み(ステップS31)、印刷装置10のコントローラが印刷プログラムにしたがって印刷装置10の各部を制御して図9に示す印刷処理を実行する。この印刷装置10では、電極パターンが形成された基板1が所定の基板固定位置に搬入されて固定されると、基板固定位置で基板1を固定した際に、基板1の位置ズレが発生することがあるため、基板認識カメラにより基板1のフィデューシャルマークを撮像し、撮像された画像に基づき印刷装置のX軸方向、Y軸方向およびR軸方向における基板1の固定ズレ量ΔX2、ΔY2、ΔR2を求める。固定したマスクに対し基板1を移動して位置合わせして印刷する印刷機においては、基板1の固定ズレを補償する位置合わせにおける基板1の移動量、すなわち「基板固定ズレ補正値」は、、X軸方向、Y軸方向およびR軸方向の各方向に対して基板1の固定ズレ量ΔX2、ΔY2、ΔR2を正負反転させた、−ΔX2、−ΔY2、−ΔR2として算出することができる(ステップS32)。
そして、印刷プログラムに設定されている、印刷装置10のX軸方向、Y軸方向およびR軸方向におけるマスク固定ズレ補正値ΔX1、ΔY1、ΔR1および基板固定ズレ補正値−ΔX2、−ΔY2、−ΔR2、および制御装置50の記憶部512に記憶されている印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3(基板1を移動してマスクとの位置合わせをするので、印刷位置合わせ補正値はΔX3、ΔY3、ΔR3となる。なお、最初の基板1への印刷時における初期値は、ΔX3、ΔY3、ΔR3の全てが0とする。)を加算して、基板1をX軸方向、Y軸方向およびR軸方向に移動させてマスク下面のフィデューシャルマークと基板のフィデューシャルマークとが一致するように基板1をマスクに対して位置決めする。また、マスクに対する基板1の位置決め開始と同時に、基板1をマスクに向けて上昇させ、マスクに対する基板1の位置決めが完了した状態で、基板1をマスク下面に密着させる。その後、マスク上面にペースト状の半田を供給し、印刷荷重、移動速度を制御しつつ、スキージをY軸方向に移動させる。これにより、マスクの開口部を通じて基板1に形成された電極上に半田を印刷する(ステップS33)。
また本実施形態では、マスクに位置合わせ確認用の開口を設けており、印刷後の基板1を基板認識カメラ1で撮像し、基板1上の位置合わせ確認用の開口による印刷半田の位置から、印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3を求め、これを印刷位置合せ補正値ΔX3、ΔY3、ΔR3としてローカルエリアネットワークを介して実装機30のコントローラ340に転送する(ステップS34)。
基板1に対する印刷処理が完了すると、基板1を下降移動させるとともに、マスクに対する基板1の位置決めのために移動させた分だけ戻して元の位置に戻す。そして、基板1の固定を解除した後、コンベアなどの基板搬送機構により印刷済の基板1を実装機30に向けて搬出する(ステップS35)。
印刷済の基板1が送られてきた実装機30では、コントローラ340が記憶部342に記憶されている基板プログラムを選択し(ステップS41)、その基板プログラムにしたがて実装機30の各部を制御して図10および図11に示す部品実装処理を実行する。印刷装置10から搬送されてきた基板1については予め決められた待機位置で待機させておき、実装機30での部品実装処理が可能となると、基板搬送機構302により待機していた部品未実装の基板1を搬入し、所定の実装作業位置(図5に示す基板1の位置)で停止させ、図略の保持装置で基板1を固定し保持する(ステップS42)。この基板固定時に、基板1の位置ズレが発生することがあるため、基板認識カメラ308により基板1のフィデューシャルマークを撮像し、撮像された画像に基づき実装機30のX軸方向、Y軸方向およびR軸方向における基板1の固定ズレ量ΔX4、ΔY4、ΔR4を「基板固定ズレ補正値」として算出する(ステップS43)。
次のステップS44では、印刷装置10から転送される部品の各搭載座標に対する各マスク開口部のオフセットΔX0、ΔY0と印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3とを受信してコントローラ340の記憶部342に記憶する。なお、この実施形態では、各マスク開口部のオフセットΔX0、ΔY0と印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3を印刷装置10から実装機30に直接転送しているが、制御装置50の記憶部を経由して転送するように構成してもよく、この場合、制御装置50の記憶部が各マスク開口部のオフセットΔX0、ΔY0と印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3のバッファとして機能し、印刷装置10および実装機30は適当なタイミングで各マスク開口部のオフセットΔX0、ΔY0と印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3を送受信することができる。
こうして部品実装の準備が完了すると、基板1に実装すべき部品群のうち初回装着グループに属する部品に関する部品情報などを制御装置50から読み込む(ステップS45)。この部品情報とは基板1に実装するための各種情報であり、図3および図4に示すように部品寸法などの他に半田基準フラグ、さらには部品方向XAの補正許容値Xaおよび部品方向YAのYA補正許容値Yaが含まれている。なお、この段階で既に実装機30に部品情報などが記憶部342に記憶されている場合には、それらの情報を用いる。
次のステップS46では、現在の装着グループで実装される部品に関する部品情報に設定された補正許容値Xa、Yaを読み込む。さらに次のステップS47では、ヘッドユニット306を部品供給部304に移動させ、実装ヘッド361の先端部に装着された部品吸着ノズルにより電子部品3を吸着する。そして、部品認識カメラ307により部品吸着ノズルによる部品3の吸着状態を撮像し、その撮像結果に基づきX軸方向、Y軸方向およびR軸方向における吸着ズレ量ΔX5、ΔY5、ΔR5を求め、これを正負反転させた、−ΔX5、−ΔY5、−ΔR5を「吸着ズレ補正値」として算出する(ステップS48)。
ここで、基板プログラムに設定された部品搭載座標Xp、Yp、Rpにしたがってヘッドユニット306をそのまま駆動制御して基板1に搭載すると、上記した基板固定ズレおよび部品吸着ズレの影響により部品吸着ノズルに吸着している電子部品3を基板1に形成された電極と異なる位置に搭載してしまう。そこで、部品搭載座標Xp、Yp、Rpに対し、ステップS43で算出した固定ズレ補正値ΔX4、ΔY4、ΔR4と、ステップS48で算出した吸着ズレ補正値−ΔX5、−ΔY5、−ΔR5とをそれぞれ加算して部品搭載座標Xp、Yp、Rpを補正する(この補正計算を「座標計算A」という)。このように補正された部品搭載座標Xp、Yp、Rpに部品3を搭載することで電子部品3のリード3aを基板1に形成された電極1aに位置合せすることができる。つまり、座標計算Aにより得られる部品搭載座標Xp、Yp、Rpに部品3を搭載することは電極位置基準で部品3を基板1に実装することを意味している。
ここで、電極1aに対して半田2が正確に印刷されて印刷ズレ量がゼロの場合には、座標計算Aにより得られる部品搭載座標Xp、Yp、Rpに部品3を搭載するのが望ましい。しかしながら、印刷ズレを全く生じさせずに印刷処理を行うことは難しい。そこで、本実施形態においては、部品情報に含まれている「半田基準フラグ」に「1」がセットされて半田印刷位置基準での部品実装が許可されているか否かを判定する(ステップS50)。この判定結果が「YES」、つまり半田基準フラグがONとなっている場合には、次に説明する一連の処理(ステップS51〜S58)を実行して部品搭載座標Xp、Yp、Rpをさらに補正した上で部品搭載を実行する(ステップS59)。一方、この判定結果が「NO」、つまり半田基準フラグがOFFとなっている(部品情報の「半田基準フラグ」に「0」がセットされている)場合には、ステップS49の座標計算Aにより得られる部品搭載座標Xp、Yp、Rpに部品3を搭載する、つまり電極位置基準で部品3を基板1に搭載する(ステップS59)。
上記一連の処理のうちステップS51では、ステップS49の座標計算Aにより求めた算出座標(実装機30の基台311に設定された座標系における部品搭載位置)Xp、Yp、Rpに対し、マスク開口オフセットΔX0、ΔY0と、印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3とを考慮して座標(実装機30の基台311に設定された座標系における該当部品の半田付けに関わる印刷された半田パターンの中心位置)Xq、Yq、Rqを算出する。つまり、次式
Xq=Xp+ΔX0+ΔX3
Yq=Yp+ΔY0+ΔY3
Rq=Rp+ΔR3
にしたがって座標Xq、Yq、Rqを求める。
ステップS52では、ステップS51で求めた算出座標のX軸座標XqとステップS49で求めた部品搭載座標のX軸座標Xpとの差分(=ΔX0+ΔX3)を求め、この差分の絶対値が部品情報に設定された補正許容値Xa以上であるか否かを判定する。このように本実施形態では、X軸座標XqとX軸座標Xpとの差分を求めることで印刷ズレ量を求め、これが補正許容値Xaを超える、つまり印刷ズレが比較的大きくアライメント効果が期待できない場合(図2参照)には、ステップS49で求めた部品搭載座標のX軸座標Xpに補正許容値Xaを加算(差分値が負の場合は減算)して部品搭載座標を補正する(ステップS53)。この場合、後述するステップS59を実行することで部品3は図2(c)に示すようにX軸方向において許容位置基準で基板1に実装される。
一方、印刷ズレ量が補正許容値Xa以下である、つまりセルフアライメント効果が得られる場合には、ステップS49で求めた部品搭載座標のX軸座標Xpに、ステップS51で算出されたX軸座標Xqを入力して書き換える(ステップS54)。この場合、後述するステップS59を実行することで部品3はX軸方向において半田印刷位置基準で基板1に実装される。
また、Y軸方向についてもX軸方向と同様にして部品搭載座標のY軸座標Xpを補正する(ステップS55〜S57)。すなわち、ステップS51で求めた算出座標のY軸座標YqとステップS49で求めた部品搭載座標のY軸座標Ypとの差分の絶対値、つまりY軸方向における印刷ズレ量が補正許容値Ya以上であるか否かを判定する(ステップS55)。そして、Y軸方向における印刷ズレ量が補正許容値Yaを超える、つまり印刷ズレが比較的大きくアライメント効果が期待できない場合には、ステップS49で求めた部品搭載座標のY軸座標Ypに補正許容値Yaを加算(差分値が負の場合は減算)して部品搭載座標を補正する(ステップS56)。一方、同印刷ズレ量が補正許容値Ya以下である、つまりセルフアライメント効果が得られる場合には、ステップS49で求めた部品搭載座標のY軸座標Ypに、ステップS51で算出されたY軸座標Yqを入力して書き換える(ステップS57)。
なお、R軸方向については印刷ズレ量の大小にかかわらず、ステップS49で求めた部品搭載座標のR軸座標Rpに、ステップS51で算出されたR軸座標Rqを入力して書き換える(ステップS58)。
このように半田基準フラグが「1」に設定されて半田印刷位置基準での部品実装が許可されている場合には印刷ズレ量に応じて補正された部品搭載座標に、また半田基準フラグが「0」に設定されている場合にはステップS49で算出された部品搭載座標に、部品吸着ノズルを移動させた後、部品吸着ノズルに吸着保持される部品を基板1に装着する(ステップS59)。このような部品装着が全部品について完了しない(ステップS60で「NO」と判定される)間、次の装着グループの情報を読み込んだ(図10のステップS61)後、ステップS46に戻って部品実装を繰り返して行う。
そして、基板1への全部品の装着が完了すると、部品実装済の基板1を基板搬送機構302により実装機30から搬出し(ステップS62)、次のリフロー炉40によりリフロー処理を施す。
以上のように、印刷ズレ量が補正許容範囲内(X軸方向で補正許容値Xaより小、Y軸軸方向で補正許容値Yaより小)である場合には、半田印刷位置基準で部品3を実装しており、部品実装処理後にリフロー処理を行うことでセルフアライメント効果が効果的に発現されて部品3を基板に良好に実装することができる。また、印刷ズレ量が補正許容範囲を超え(X軸方向で補正許容値Xaより大、Y軸方向で補正許容値Yaより大)てアライメント効果が期待できない場合には、許容限界位置(X軸方向では補正許容値Xaの位置、Y軸軸方向では補正許容値Yaの位置)を基準として部品3を基板1に搭載しているため、上記したように半田不良の発生を防止しつつ部品3を基板1に良好に実装することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば上記実施形態では、印刷位置合せ時の位置ずれ量ΔX3、ΔY3、ΔR3に加え、マスク画像に基づき求めたマスク開口オフセットΔX0、ΔY0を考慮して印刷ズレ量を求めているが、いずれか一方のみを考慮して印刷ズレ量を求めてもよい。また、生産システムに印刷検査装置20を組み込み、印刷検査装置20によって検出される印刷ズレ量を利用してもよい。なお、マスク画像に基づき求めたマスク開口オフセットΔX0、ΔY0のみを考慮して印刷ズレ量を求める場合には、図9におけるステップS34を省略し、カメラ撮像の時間等を節約することができる。
また、上記した実施形態のように、印刷ずれが補正許容範囲以上ある場合、部品実装する部品3の位置を補正許容値とすること、あるいは補正許容範囲内において基板電極位置基準から所定の位置まで離間させることにより、基板電極1aと部品電極3aの間に挟まれる半田2が、リフロー処理において溶けて両電極1a、3aに対してぬれて図左方に広がり、この広がった半田2の表面張力で部品電極3aを図左方に引き寄せ、部品3の部品電極3aが基板電極1aに一致するまで部品3が図左方に移動し、リフロー処理後において部品3を基板1の電極位置を基準とした正しい位置に実装できる。また、リフロー前において部品3からはみ出た半田2aは、リフロー処理によって溶けてさらに右方に広がろうとするが、図左方に移動する部品3に引き寄せられるので、隣接する基板電極1a’には到達しないので、半田ブリッジ等の半田不良が発生することはない。
また、本発明の適用対象は上記構成の実装機に限定されるものではなく、基板に部品を実装する部品実装装置全般に適用することができる。また、本発明を適用可能な部品実装装置は生産システムに組み込まれるものに限定されるものではなく、単独で作動する実装機に対しても本発明を適用することができる。
1…基板
1a…電極
2…半田
3…(電子)部品
30…実装機(部品実装装置)
306…ヘッドユニット
340…コントローラ(制御部)
341…演算処理部(制御部)

Claims (5)

  1. 基板に形成された電極に半田が印刷された基板に対して部品を実装する部品実装装置であって、
    前記部品を前記基板に実装するヘッドユニットと、
    前記ヘッドユニットの動作を制御して前記電極に対する前記半田の印刷ズレ量に応じて前記部品を実装する位置を調整する制御部とを備え、
    前記制御部は、
    前記印刷ズレ量が前記半田の溶融により発現されるセルフアライメント効果により前記部品の実装位置を前記電極側に補正可能な補正許容範囲内である場合には、前記半田が印刷された位置を基準として前記部品を実装する一方、
    前記印刷ズレ量が前記補正許容範囲を超える場合には、前記半田が印刷された位置よりも前記電極に近く、かつ前記電極の位置から前記補正許容範囲内で前記印刷された位置側に離間した所定の位置を基準として前記部品を実装する
    ことを特徴とする部品実装装置。
  2. 前記所定の位置として前記補正許容範囲の最大値である補正許容値の位置を設定するようにした請求項1に記載の部品実装装置。
  3. 前記制御部は前記部品の種類に応じて前記補正許容範囲を設定する請求項1または2に記載の部品実装装置。
  4. 前記制御部は前記部品における方向に応じて前記補正許容範囲を設定する請求項1ないし3のいずれか一項に記載の部品実装装置。
  5. 基板に形成された電極に半田が印刷された基板に対して部品を実装する部品実装方法であって、
    前記電極に対する前記半田の印刷ズレ量を求める工程と、
    前記印刷ズレ量を、前記半田の溶融により発現されるセルフアライメント効果により前記部品の実装位置を前記電極側に補正可能な補正許容範囲と対比する工程と、
    前記印刷ズレ量が前記補正許容範囲内である場合には、前記半田が印刷された位置を基準として前記部品を実装する一方、前記印刷ズレ量が前記補正許容範囲を超える場合には、前記半田が印刷された位置よりも前記電極に近く、かつ前記電極の位置から前記補正許容範囲内で前記印刷された位置側に離間した所定の位置を基準として前記部品を実装する工程と
    を備えたことを特徴とする部品実装方法。
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