JP2015230973A - 半田塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度に半田塗布量を制御できる半田塗布装置を提供する。【解決手段】ノズル１１から基板４０上に半田ペーストを吐き出し塗布する半田塗布装置１００であって、基板の高さを検出する第１の非接触変位検出手段２１（２２）と、ノズルから吐き出され基板上に塗布された半田の表面の変位を検出する第２の非接触変位検出手段２３（２４）と、ノズルの位置とノズルからの吐出動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、第１の非接触変位検出手段からの検出信号に基づき、ノズルと基板との間の間隔を一定に保ちつつ、ノズルからの半田の吐出を開始し、第２の非接触変位検出手段からの検出信号が目標値を示す時に半田の吐出が終了するように、ノズルからの吐出動作を制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、半田塗布装置に関する。

従来、プリント回路基板などの基板上に半導体装置や抵抗，コンデンサなどの電子部品を搭載（固着）して所望の電子回路を実現するために、例えば、ペースト収納筒の先端に設けられたノズルから半田ペーストを吐出させながら、ノズルと基板を上下ならびに前後左右に相対的に移動させて、基板上の所定の配線パッド位置に半田ペーストを塗布することが行なわれている。
特許文献１にも言及されるように基板上の所定の配線パッド位置に半田ペーストを塗布するには、半田ペーストの高速塗布と固着に必要な量の定量塗布が必須である。また、電子機器は多様化しており、必然的に半導体装置や抵抗，コンデンサなどの電子部品も多様化されている。つまり、基板上へ電子部品を固着するに必要な半田ペースト塗布量は電子部品により様々であって、塗布所要量が多い部品もあれば、少ない部品もある。

特許文献１において、半田ペーストを吐出するためのエアピストンの上下動速度は、ノズルと基板の上下ならびに前後左右への相対的な移動速度と比較して遥かに高速であるため、基板の配線パッド上に半田ペーストを線状に塗布する線引塗布が困難であり、点状の半田ペーストを塗布する打点塗布しか行なえないことが指摘されている。
そして、半田ペーストの塗布所要量が異なる電子部品に対しても、半田ペーストを高速で塗布することを課題として特許文献１に記載の発明にあっては、非接触変位検出手段でノズルと基板との間の間隔を維持しつつ、該ノズルと該基板の前後左右の相対的移動を行ない、その間に、同一配線パッド上に所望回数半田ペーストの打点塗布を行なう手段を設けた。ノズル径を基板上の最小ピッチの電子部品に対応する大きさのものとすることにより、ノズルを交換することなくあらゆる表面実装用の電子部品に対応できるとするものである。

特開平１０−００５６５５号公報

しかし以上の従来技術にあっては、以下のような課題がある。
半田の特性（特に粘性など）は、外気温・湿度に大きく左右される。従って、使用する度に特性（特に粘性など）が変化し、その結果、ノズルからの吐出量に変化が生じる。
吐出量に変化が生じる為、理想的な定量塗布（量と大きさ（径））を実現することが難しい。
これは、特許文献１に記載の発明でも、同じことである。即ち打点塗布の１回の塗布量に変化が生じれば、電子部品ごとに決まった所定回数の吐出量も変化するため、理想的な打点塗布による定量塗布を実現することが難しい。
さらに特許文献１に記載の発明にあっては、ノズル径を基板上の最小ピッチの電子部品に対応する大きさのものとする必要があるため、最小ピッチのことなる基板に変更した場合、その都度、ノズルの交換が必要となり、作業効率の低下の原因となるという問題もある。
一方、鉛フリー半田などは塗布形状の保持力が強く、温度・湿度の影響を受けにくい。 本発明者らは、一定条件下でノズルから基板上への所定の半田を吐出した場合、温度・湿度の影響により吐出量が変化しても、基板上に塗布された半田の形状に定型性（相似性）があることに着目して本発明を構成するに至ったものである。

すなわち、本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、高精度に半田塗布量を制御できる半田塗布装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ノズルから基板上に半田ペーストを吐き出し塗布する半田塗布装置であって、
前記基板の高さを検出する第１の非接触変位検出手段と、
前記ノズルから吐き出され前記基板上に塗布された半田の表面の変位を検出する第２の非接触変位検出手段と、
前記ノズルの位置と前記ノズルからの吐出動作を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記第１の非接触変位検出手段からの検出信号に基づき、前記ノズルと前記基板との間の間隔を一定に保ちつつ、前記ノズルからの半田の吐出を開始し、
前記第２の非接触変位検出手段からの検出信号が目標値を示す時に半田の吐出が終了するように、前記ノズルからの吐出動作を制御することを特徴とする半田塗布装置である。

請求項２記載の発明は、前記第１の非接触変位検出手段及び前記第２の非接触変位検出手段をレーザー変位センサーとする請求項１に記載の半田塗布装置である。

請求項３記載の発明は、前記第２の非接触変位検出手段であるレーザー変位センサーにより、投光レーザーを前記ノズルの中心軸と基板上の被塗布表面との交点を目標に当該中心軸及び被塗布表面に対して傾斜した所定の角度で照射して半田の表面の変位を検出する請求項２に記載の半田塗布装置である。

ノズルと基板との間の間隔を一定に保ちつつノズルから基板上に半田を吐出すると、基板上の半田は一定の形状を保って増大する。一定の形状を保って増大するので、半田塗布量（塗布径）と、半田の表面の変位量との間には一定の関係が成立する。本発明では、半田の表面の変位は第２の非接触変位検出手段が検出する検出信号が対応する。
したがって、本発明によれば、第１の非接触変位検出手段からの検出信号に基づき、ノズルと基板との間の間隔を一定に保ちつつ、ノズルからの半田の吐出を開始し、第２の非接触変位検出手段からの検出信号が目標値を示すときに半田の吐出が終了するように、ノズルの吐出動作を制御するので、当該目標値に対応するところの目標の半田塗布量（塗布径）の塗布を実現することができる。
以上のように本発明によれば、高精度に半田塗布量を制御することができる。

本発明の一実施形態に係る半田塗布装置の主要部正面図である。 本発明の一実施形態に係る半田塗布装置の主要部斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半田塗布装置の主要部斜視図である。 本発明の一実施形態に係る半田塗布装置の主要要素と基板の模式図であり、（a）は塗布前を、(b)は塗布中を示す。 本発明の一実施形態に係り、基板上で増大する半田の表面の変位を検出する原理を説明するための参照図である。 本発明の一実施形態に係り、吐出圧力の時間変化とこれに対応した半田測定径の時間変化の一例を示すグラフである。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔装置構成〕
図１〜図３に示すように本実施形態の半田塗布装置１００は塗布ヘッドユニット１を備えている。塗布ヘッドユニット１は、第１Ｚ軸アクチュエータ３１によって基台に対して上下動するように支持されているとともに、水平軸アクチュエータによって水平移動するように支持されている。
塗布ヘッドユニット１には、ノズル１１を備えノズル１１から半田を吐出するディスペンサー１０と、４つのレーザー変位センサー２１，２２，２３，２４と、第２Ｚ軸アクチュエータ３２とが搭載されている。
４つのレーザー変位センサー２１，２２，２３，２４は、基板の高さを検出する第１の非接触変位検出手段としてのレーザー変位センサー２１，２２と、ノズル１１から吐き出され基板上に塗布された半田の表面の変位を検出する第２の非接触変位検出手段としてのレーザー変位センサー２３，２４とからなる。
レーザー変位センサー２１は基板に対して垂直にレーザーを照射するように設置されている。レーザー変位センサー２２は斜め下方にレーザーを照射するように設置されている。レーザー変位センサー２３，２４は、互いにノズル１１を挟んで逆側に配置され、斜め下方にレーザーを照射するように設置されている。特に、レーザー変位センサー２３，２４は、原点に照射するように設置されている。ノズルの交換時等においてノズル１１の中心軸がこの原点を通るように予め微調整される。
第１Ｚ軸アクチュエータ３１の作動により、塗布ヘッドユニット１の全体が上下動、従って、ノズル１１及びセンサー２１，２２，２３，２４が一体的に上下動する。第２Ｚ軸アクチュエータ３２は、センサー２１，２２，２３，２４から独立してノズル１１を上下動させる。ノズルの交換時のキャリブレーションとしてノズル１１の先端が原点に一致するときの第２Ｚ軸アクチュエータ３２の制御値が図示しない制御装置に記憶される。
なお、本発明を実施するためには、レーザー変位センサー２１，２２のうちいずれか一方を省略してもよく、レーザー変位センサー２３，２４のうちいずれか一方を省略してもよい。なお、対になったレーザー変位センサー２３，２４は、ノズル１１の中心軸の検出に利用できる。また、斜めに照射するレーザー変位センサー２２は、ノズル１１の直下の基板表面の高さを測定できる。レーザー変位センサー２１，２２のうちレーザー変位センサー２１のみを使用する場合であって、ノズル直下位置とレーザー変位センサー２１の照射点とで基板の高さが異なる可能性があるときは、レーザー変位センサー２１を基板上の塗布点の上方に配置して基板表面の高さを測定した後、当該塗布点の上方にノズルを移動させることで測定可能である。

〔塗布プロセス〕
制御装置は、レーザー変位センサー２１，２２，２３，２４の検出信号の入力を受けるとともに、ディスペンサー１０及び各アクチュエータその他を制御して以下の塗布プロセスを実行する。以下、レーザー変位センサー２３を用いる場合とする。
図４及び図５を参照する。図４は、ノズル１１、レーザー変位センサー２１，２２、レーザー変位センサー２３及び基板４０を模式的に描いたものである。図５は、基板４０の被塗布表面４１と、原点Ｐと、増大過程における半田の垂直断面外形Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を描いたものである。

まず、レーザー変位センサー２１、２２によって基板４０の被塗布表面４１の高さを検出し、レーザー変位センサー２３の照射点が原点Ｐに一致したときのノズル１１の先端と被塗布表面４１とのギャップが所定の値になるように第２Ｚ軸アクチュエータ３２を制御してノズル１１の上下方向位置を調整し、第１Ｚ軸アクチュエータ３１を制御してユニット１を下降させて実際にレーザー変位センサー２３の照射点を原点Ｐに一致させる。すなわち、制御装置は、第１の非接触変位検出手段２１，２２からの検出信号に基づき、ノズル１１と基板４０との間の間隔を一定に保つとともに、ノズル１１の中心軸Ｃと基板４０上の被塗布表面４１との交点を、レーザー変位センサー２３の照射点とする。この状態を保って、ノズル１１からの半田Ｓの吐出を開始する。このとき、第２の非接触変位検出手段であるレーザー変位センサーに２３により、投光レーザーＬをノズル１１の中心軸Ｃと基板４０上の被塗布表面４１との交点を目標に中心軸Ｃ及び被塗布表面４１に対して傾斜した所定の角度で照射して、半田Ｓの表面の変位を検出する。これにより、ノズル１１からの吐出の進行により増大する基板４０上の半田Ｓの表面の変位をリアルタイムで検出することができる。

図５に示すように、ノズル１１からの吐出の進行により基板４０上の半田がＳ１→Ｓ２→Ｓ３と増大する。ここでは、直径Ｄ＝３．０ｍｍの塗布径を目標の塗布径として説明する。予め使用する半田ペーストに対し、塗布径Ｄとレーザー変位センサー２３の検出信号との対応関係を調べておき制御装置に入力しておく。図５に示すようにレーザー変位センサー２３からの投光レーザーＬが原点Ｐに向けて照射される。塗布量０（塗布径Ｄ＝０）のときの反射光Ｌ０がレーザー変位センサー２３に受光される時の検出信号に基づく変位量の表示値を０．０ｍｍとする。塗布が始まり半田がＳ１→Ｓ２→Ｓ３と増大する。半田の外形がＳ１で反射光がＬ１、半田の外形がＳ２で反射光がＬ２、半田の外形がＳ３で反射光がＬ３というように変化していき、その過程においてレーザー変位センサー２３から検出信号が所定のサンプリング周期で出力される。目標の塗布径３．０ｍｍに相当する半田の外形Ｓ３の時の変位量の表示値が１．５ｍｍであるとする。ここでは、表示値は半径相当値を採用している。この場合、制御装置は変位量の表示値が１．５ｍｍで半田の吐出が終了するようにノズル１１からの吐出動作を制御する。このようにして制御装置は第２の非接触変位検出手段からの検出信号が目標値（上記表示値で１．５ｍｍ）を示す時に半田の吐出が終了するようにノズルからの吐出動作を制御する。これを高効率かつ高精度に実施するには、吐出の開始から次第に吐出圧力を増大させていき（増圧制御）、目標値の直前で吐出圧力を下降させて目標値を含む許容範囲（以下「目標許容範囲」という）で吐出が止まるように制御する。参考として図６に吐出圧力の時間変化とこれに対応した半田測定径の時間変化の一例のグラフを示す。

なお、設定時間内に目標許容範囲に達しない場合、アラームを発生させて塗布を中止するように処理することが好ましい。ノズル詰まりなどの不具合が発生しているおそれがあるからである。

（誤検出検出制御）
また、次の誤検出検出制御を併せて実施することが好ましい。
すなわち、レーザー変位センサー２３で半田の表面の変位を検出中に、半田自体が持つ光沢やその光沢によって引き起こされる乱反射により、レーザー変位センサー２３が本来の検出値より多い値を検出することがある。そのため、検出値を信用するには誤検出かどうかをチェック、すなわち、誤検出を検出する必要がある。又、半田材料自体の粘性が想定よりも柔らかくなった場合、吐出量が急激に増加するため、上記の増圧制御を適用して塗布を行っている場合などに目標値よりも多く塗布されてしまう現象が生じ得るが、これを防止するためにもこの誤検出検出制御が有効である。

誤検出検出制御を併せて実施する場合の塗布プロセスは以下の通りである。
（ステップ１）レーザー変位センサー２３の塗布目標設定値を取り込む。これは、上記の例で目標値１．５ｍｍに相当する。
（ステップ２）誤検出検出リミット（１〜１０％）の値を算出する。この１〜１０％の値は別途設定可能である。例えば、目標値１．５ｍｍのとき、誤検出検出リミットを１０％に設定すると、誤検出検出リミットの値は、０．１５ｍｍとなる。
（ステップ３）サンプリング周期（１０〜１００ｍｓ)を決定する。この１０〜１００ｍｓの値は別途設定可能である。
（ステップ４）上述したようにノズル１１と基板４０との間の間隔を一定に保ち、ノズル１１の中心軸Ｃと基板４０上の被塗布表面４１との交点を、レーザー変位センサー２３の照射点として、ノズル１１からの半田Ｓの吐出を開始する。吐出開始と同時にレーザー変位センサー２３の検出信号のサンプリングを開始する。
（ステップ５）サンプリング周期に従ってレーザー変位センサー２３の検出値を取り込む。
（ステップ６）サンプリング毎に検出値が「誤検出検出リミット」以上に増加したか否かを判断する。
（ステップ７）ステップ６で増加していなければ誤検出無し、増加していた場合は誤検出又は塗布量増加過多と判断し塗布を停止する。 誤検出無が無ければ上述したように目標許容範囲内で吐出が止まるように制御する。
（ステップ８）ステップ７で誤検出を検出してから３００ｍｓ(固定値）経過後、レーザー変位センサー２３の検出値が目標許容範囲の下限より下回っていたら圧力を初期のパラメータ値に戻し再度塗布を開始する。ここで、圧力を初期のパラメータ値に戻すとは、図６の例で０．２ＭＰａに戻すことに相当する。
（ステップ９）ステップ７で誤検出を検出してから３００ｍｓ(固定値）経過後、検出値が目標許容範囲内か上回っていたら塗布完了とみなし終了する。

表１は、目標値が１．５ｍｍ、誤検出検出リミットが１０％で誤検出検出リミットの値が０．１５ｍｍ、サンプリング周期が２０ｍｓに設定された場合に、誤検出無しで進行した０〜１００ｍｓまでの例を示す。表１を例に説明する。
開始から２０ｍｓ後、レーザー変位センサー２３の検出値が０．１ｍｍを示し、サンプリングの一周期前に対しての増加量が０．１ｍｍであり、誤検出検出リミット０．１５ｍｍ未満であるので、塗布過程が進行する。
同様に、４０ｍｓ後、６０ｍｓ後、８０ｍｓ後、１００ｍｓ後、一周期前に対しての増加量が誤検出検出リミット０．１５ｍｍ未満であるので、塗布過程が進行し、その後も同様に進行すればレーザー変位センサー２３の検出値が目標許容範囲に達した時に塗布を終了する。目標許容範囲としは、例えば許容幅として０．２ｍｍを設定し、上に設定して１．５〜１．７ｍｍとする場合や、上下に設定して１．４〜１．６ｍｍとする場合などがある。

表２は、同じく目標値が１．５ｍｍ、誤検出検出リミットが１０％で誤検出検出リミットの値が０．１５ｍｍ、サンプリング周期が２０ｍｓに設定された場合に、誤検出があった０〜３８０ｍｓまでの例を示す。表２を例に説明する。
開始から２０ｍｓ後、レーザー変位センサー２３の検出値が０．１ｍｍを示し、サンプリングの一周期前に対しての増加量が０．１ｍｍであり、誤検出検出リミット０．１５ｍｍ未満であるので、塗布過程が進行する。
同様に、４０ｍｓ後、一周期前に対しての増加量が誤検出検出リミット０．１５ｍｍ未満であるので、塗布過程が進行する。
６０ｍｓ後、一周期前に対しての増加量０．４ｍｍであり、誤検出検出リミット０．１５ｍｍ以上であるので、塗布を停止する。
それから３００ｍｓ経過後の３６０ｍｓ後、レーザー変位センサー２３の検出値が０．３４ｍｍであり、目標許容範囲を下回っているので、初期のパラメータ値に戻し再度塗布を開始する。なお、表２において、３６０ｍｓ後における増加量は、誤検出時（６０ｍｓ後）の一周期前（４０ｍｓ後）に対してのものを記載する。仮に、３６０ｍｓ後のレーザー変位センサー２３の検出値が目標許容範囲内かそれを上回っていたら塗布完了とみなし終了する。なお、各塗布点について目標許容範囲内で終了したか、目標許容範囲外で終了したかを製造履歴データとして記録する。
３８０ｍｓ後、一周期前に対しての増加量が誤検出検出リミット０．１５ｍｍ未満であるので、塗布過程が進行し、その後も同様に進行すれば、レーザー変位センサー２３の検出値が目標許容範囲に達した時に塗布を終了する。

１ 塗布ヘッドユニット
１０ ディスペンサー
１１ ノズル
２１，２２ レーザー変位センサー（第１の非接触変位検出手段）
２３，２４ レーザー変位センサー（第２の非接触変位検出手段）
３１ 第１Ｚ軸アクチュエータ
３２ 第２Ｚ軸アクチュエータ
４０ 基板
４１ 被塗布表面
１００ 半田塗布装置
Ｃ ノズルの中心軸
Ｄ 塗布径（直径）
Ｌ 投光レーザー
Ｌ０‐Ｌ３ 反射光
Ｐ 原点
Ｓ 半田
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 半田の垂直断面外形

Claims (3)

1. ノズルから基板上に半田ペーストを吐き出し塗布する半田塗布装置であって、
   前記基板の高さを検出する第１の非接触変位検出手段と、
   前記ノズルから吐き出され前記基板上に塗布された半田の表面の変位を検出する第２の非接触変位検出手段と、
   前記ノズルの位置と前記ノズルからの吐出動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記第１の非接触変位検出手段からの検出信号に基づき、前記ノズルと前記基板との間の間隔を一定に保ちつつ、前記ノズルからの半田の吐出を開始し、
   前記第２の非接触変位検出手段からの検出信号が目標値を示す時に半田の吐出が終了するように、前記ノズルからの吐出動作を制御することを特徴とする半田塗布装置。
2. 前記第１の非接触変位検出手段及び前記第２の非接触変位検出手段をレーザー変位センサーとする請求項１に記載の半田塗布装置。
3. 前記第２の非接触変位検出手段であるレーザー変位センサーにより、投光レーザーを前記ノズルの中心軸と基板上の被塗布表面との交点を目標に当該中心軸及び被塗布表面に対して傾斜した所定の角度で照射して半田の表面の変位を検出する請求項２に記載の半田塗布装置。

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