JP2016184760A - 電子部品接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品保持部の押圧力と移動量を高い精度で制御できる電子部品接合方法を提供すること。
【解決手段】電子部品の電極と基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合する電子部品接合方法において、前記電子部品および前記基板を加熱すると共に、前記電子部品から前記基板に対して所定の荷重が一定に付加された状態で、前記電子部品の下方への移動量を検出することにより、前記金属の溶融の有無を判断し、溶融と判断された場合に前記電子部品の下降を停止してその位置を保持した状態で、冷却動作を開始し、前記金属の熱収縮に併せて前記電子部品保持部が下降するように前記低速移動機構を駆動し、荷重センサにより検出される荷重が一定になるように前記電子部品保持部を金属の熱収縮に追従させる熱収縮追従動作を行うこと。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電子部品を基板等に接合する電子部品接合方法に関する。

たとえば、特許文献１に開示されるように、電子部品の電極と基板の電極とを熱溶融させた半田によって接合（実装）する装置が、従来より知られている。かかる装置は、電子部品保持部に保持した電子部品の電極を基板の電極に押圧するとともに、電子部品および基板を加熱して、電極に積層された半田を溶融させ、電極同士を半田接合する。この接合に当たって、電子部品の電極と基板の電極との間に過度の押圧力が掛かると、電極が傷つられてしまう虞もある。また、半田が溶融した後も押圧を続けると、溶融した半田が押し潰され流れ出てしまい、隣接する電極同士が流れ出た半田で短絡してしまう虞がある。そのため、電子部品の電極と基板の電極との間の押圧力を適正にすると共に、半田の溶融状態に合せて電子部品の基板への移動の制御が行われる。

特開２０１１−２５４０３２号

しかしながら、電極に積層される半田の厚さは数十μｍ程度であるため、電子部品接合方法においては、電子部品保持部の押圧力および移動量の制御に高い精度を求められる。そこで、本発明は、電子部品保持部の押圧力と移動量を高い精度で制御できる電子部品接合方法を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の第１の観点によると、電子部品の電極と基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合する電子部品接合方法であって、電子部品を保持する電子部品保持部を基板に向けて昇降移動する電子部品昇降機構を有し、電子部品を、基板から離間した位置から電子部品の電極と基板の電極とが接触する位置まで移動させ、電子部品の電極と基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合し、電子部品昇降機構が、電子部品の電極と基板の電極との間の距離が所定の距離になるまで電子部品保持部を高い速度で移動させる高速移動機構と、電子部品の電極と基板の電極との間の距離が所定の距離になった後に高い速度よりも低い速度で移動させる低速移動機構とを有する電子部品接合装置を用いて、電子部品および基板を加熱すると共に、電子部品から基板に対して所定の荷重が一定に付加された状態で、電子部品の下方への移動量を検出することにより、金属の溶融の有無を判断し、溶融と判断された場合に電子部品の下降を停止してその位置を保持した状態で、冷却動作を開始し、金属の熱収縮に併せて電子部品保持部が下降するように低速移動機構を駆動し、荷重センサにより検出される荷重が一定になるように電子部品保持部を金属の熱収縮に追従させる熱収縮追従動作を行うことを特徴とする電子部品接合方法が提供される。

さらに、低速移動機構はピエゾ駆動部であることが好ましい。

さらに、電子部品保持部に保持された電子部品に対して、基板が配置される側から作用する荷重を検出し、検出される荷重が一定になるように、ピエゾ駆動部を駆動させて電子部品保持部を移動させ、冷却動作後における金属の熱収縮に追従させてピエゾ駆動部に対して電子部品保持部が下降するようにピエゾ印加信号を印加させることが好ましい。

本発明は、電子部品保持部の押圧力と移動量を高い精度で制御できる電子部品接合方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態である電子部品接合装置の概略の構成を示す図である。 電子部品接合装置の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。 図１に示すＡ部分の拡大図である。 本発明の実施形態である電子部品接合装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態である電子部品接合装置の動作中のピエゾ印加信号、荷重センサ信号、ノイズ信号、変位センサ信号、荷重補正信号の変化を示す説明図である。 電子部品保持部を所定位置まで高速下降動作させる際の該所定位置および電子部品と基板との間隔を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電子部品接合装置の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。 荷重センサ信号の例を示す図である。 図８に示される荷重センサ信号の周波数成分を解析した結果を示す図である。 図８に示される荷重センサ信号から１３０Ｈｚおよび３３０Ｈｚの信号を除去した信号を示す図である。 図８に示される荷重センサ信号から１３０Ｈｚの信号を除去した荷重センサ信号を示す図である。 図８に示される荷重センサ信号から３３０Ｈｚの信号を除去した荷重センサ信号を示す図である。

（本実施形態の電子部品接合装置１）
以下、本発明の実施の形態にかかる電子部品接合装置１ついて図面を参照しながら説明する。以下の説明において、矢示Ｘ１方向を電子部品接合装置１の上方、矢示Ｘ２方向を下方とし、また、矢示Ｙ１方向を左方、矢示Ｙ２方向を右方として説明する。そして、図面に向かって手前側が、電子部品接合装置１を操作するオペレータの立ち位置となる前方として説明する。

（電子部品接合装置１の全体構成）
図１は、電子部品接合装置１の全体構成を概略的に示す図である。図２は、電子部品接合装置１の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。図３は、図１に示すＡ部分の拡大図である。図１に示すように電子部品接合装置１は、電子部品昇降機構２と、基板載置部３とを有し、また、図２に示すように、制御部４を有する。図３に示すように、基板載置部３には基板Ｐが載置され、また、電子部品昇降機構２には基板Ｐに対して接合される電子部品Ｍが保持される。電子部品Ｍは、半導体チップ、トランジスタ、ダイオード等を含むものである。

（電子部品昇降機構２）
電子部品昇降機構２は、ベース板５と、高速移動機構６と、低速移動機構としてのピエゾ駆動部７と、電子部品保持部８とを有する。ベース板５は、床面等に設置される図示を省略するフレームあるいは筐体に対して取り付けられている。

（高速移動機構６）
高速移動機構６は、モータ９と、ボールねじ１０と、ボールねじナット１１とを有している。ボールねじ１０は、カップリング（連結部）１２を介してモータ９の出力軸１３に結合されている。ボールねじナット１１は、第１移動部１４に固定されている。また、ボールねじナット１１は、ボールねじ１０にねじ結合している。第１移動部１４は、ベース板５に固定される第１ガイド部１５を介してベース板５に取り付けられている。第１ガイド部１５は、第１移動部１４を上下方向に移動可能にガイドする。つまり、上述の構成を有する高速移動機構６は、モータ９の駆動により第１移動部１４を上下方向に移動することができる。

高速移動機構６は、変位センサ１６を有し、第１移動部１４の上下方向の移動量、すなわち、高速移動機構６による電子部品保持部８の上下方向の移動量を検出することができる。変位センサ１６は、たとえば、リニアエンコーダーにより構成することができる。

（第２移動部１８）
第１移動部１４には、ロードセル１７を介して第２移動部１８が支持されている。また、第１移動部１４と第２移動部１８との間には付勢手段としてのバネ３０が備えられている。バネ３０は、第１移動部１４に反力をとり、第２移動部１８を下方に付勢している。第２移動部１８は、第１移動部１４に固定される第２ガイド部１９を介して第１移動部１４に取り付けられている。第２ガイド部１９は、第２移動部１８を上下方向に移動可能にガイドする。つまり、第２移動部１８は、第２ガイド部１９を介して第１移動部１４に対して上下方向に移動可能に支持されている。第２ガイド部１９は、たとえば、クロスローラーガイドを用いる構成とすることができる。この構成とすることにより、第２移動部１８を第１移動部１４に対して高い剛性で保持させることができる。第２ガイド部１９は、エアスライドガイドを用いることもできる。この構成とした場合には、クロスローラーガイドを用いた場合に比べて、高精度かつ低い摺動抵抗で第２移動部１８を第１移動部１４に対して上下方向に移動可能に支持することができる。

第２移動部１８に下方から押し上げ力が作用すると、第２移動部１８は第１移動部１４に対して相対的に上方に変位し、ロードセル１７により、第２移動部１８に作用する押し上げ力を測定することができる。

第２移動部１８には、上方（第１移動部１４側）から順に、ノイズ検出センサ２０と、荷重センサ２２と、変位センサ２１と、ピエゾ駆動部７と、セラミックヒータ２３と、電子部品保持部８とが取り付けられている。また、ノイズ検出センサ２０と、荷重センサ２２と、ピエゾ駆動部７とは、電子部品保持部８の移動方向、すなわち上下方向に沿って配列されている。

（ピエゾ駆動部７）
ピエゾ駆動部７は、図示を省略するピエゾ素子を有し、このピエゾ素子に印加されるピエゾ印加信号Ｖ１（図５参照）に応じて電子部品保持部８を下方に向けて移動する。ピエゾ駆動部７は、ピエゾ素子の変形量をそのまま電子部品保持部８に伝える構成であってもよいし、ピエゾ素子の変形量を変位量拡大機構を介して拡大して電子部品保持部８に伝える構成であってもよい。

（変位センサ２１）
変位センサ２１は、電子部品保持部８の変位量を検出するセンサである。検出精度は概ね０．０１μｍレベルであり、たとえば、静電容量式変位センサを用いることができる。静電容量式変位センサは、第２移動部１８に対して変位しない図示外の固定電極と、ピエゾ駆動部７により変位する電子部品保持部８の変位量に対応して変位する図示外の変位電極とが対向して備えられ、この２つの電極の相対的な動きに起因する静電容量の変化を利用して電子部品保持部８の変位量を計測するセンサである。

（荷重センサ２２、ノイズ検出センサ２０）
荷重センサ２２は、電子部品保持部８に対して下方から掛る荷重を検出するセンサである。検出精度は概ね０．０１〜５Ｎレベルであり、たとえば、ピエゾ素子を用いることができる。ノイズ検出センサ２０は、荷重センサ２２に作用するノイズを検出するセンサであり、検出精度は荷重センサ２２と同等であり、荷重センサ２２と同等のセンサを用いることが好ましい。

（電子部品保持部８）
電子部品保持部８は、電子部品Ｍを吸着することができる。つまり、電子部品保持部８の下面には、不図示の吸引機構により負圧とされる不図示の孔部が設けられ、この孔部に発生する負圧により電子部品Ｍを吸着できる構成となっている。

（セラミックヒータ２３）
セラミックヒータ２３は、電子部品保持部８に保持される電子部品Ｍの電極（以下、電子部品電極と記載する）Ｍ１（図６参照）を熱し、この電子部品電極Ｍ１に形成されている半田層（以下、部品側半田層と記載する）Ｍ２（図６参照）を溶融させることができる。

第２移動部１８には、モータ２４が備えられている。ノイズ検出センサ２０から下方の電子部品保持部８までの部材は一体的に移動される構成であり、モータ２４の駆動により、電子部品保持部８を水平面内で回転させることができる。

（基板載置部３）
基板載置部３は、基板Ｐが載置されるステージ２５と、ステージ２５を介して基板Ｐの電極部（以下、基板電極と記載する）Ｐ１を加熱するヒータ２６とを有する。基板載置部３は、左右方向（Ｙ１−Ｙ２方向）および前後方向に移動させることができる図示を省略する可動ステージ機構を有し、ステージ２５およびヒータ２６は、この可動ステージ機構上に組み付けられている。つまり、ステージ２５およびヒータ２６は左右方向および前後方向に移動することができる。

制御部４（図２参照）は、信号処理を行うＣＰＵおよびメモリ等を有するコンピュータである。メモリには、電子部品接合装置１の制御を行うための制御プログラムおよび制御データ等が記憶されている。図２に示すように、制御部４は、変位センサ１６、ロードセル１７、変位センサ２１、および荷重センサ２２等からの信号に基づき、モータ９、ピエゾ駆動部７、セラミックヒータ２３およびヒータ２６等の動作を制御する。

図６に示すように、電子部品保持部８の先端に保持される電子部品Ｍは、表面に部品側半田層Ｍ２が形成される複数の電子部品電極Ｍ１が設けられている。また、ステージ２５に載置される基板Ｐには、表面に半田層（以下、基板側半田層と記載する）Ｐ２が形成される複数の基板電極Ｐ１が設けられている。電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とは、一対一で接続可能に配置されている。電子部品電極Ｍ１の部品側半田層Ｍ２の層厚および基板電極Ｐ１の基板側半田層Ｐ２の層厚は共に数十μｍ程度である。そのため、部品側半田層Ｍ２と基板側半田層Ｐ２とを溶融させ、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とを電気的に接続する際に、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とが接触し電子部品電極Ｍ１あるいは基板電極Ｐ１を傷つけたり、溶融した半田が隣接する電子部品電極Ｍ１の間、あるいは基板電極Ｐ１の間を短絡させないように、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１との間隔を高い精度で管理する必要がある。

電子部品接合装置１は、上述の構成を備えると共に、図４，５を参照して説明する接合動作を行うことで、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１との間隔を高い精度で管理することができる。図４は、電子部品接合装置１の動作のフローを示す図である。図５は、ピエゾ印加信号Ｖ１、荷重センサ信号Ｖ２、ノイズ信号Ｖ３、変位センサ信号Ｖ４および荷重補正信号Ｖ５の変化の状態を模式的に示す図である。

ピエゾ印加信号Ｖ１は、ピエゾ駆動部７に印加される電圧信号である。荷重センサ信号Ｖ２は、荷重センサ２２に作用する荷重に応じて出力される電圧信号である。ノイズ信号Ｖ３は、ノイズ検出センサ２０に作用するノイズに応じて出力される電圧信号である。変位センサ信号Ｖ４は、変位センサ２１から、ピエゾ素子の変位量、すなわち、電子部品保持部８の変位量に応じて出力される電圧信号である。荷重補正信号Ｖ５は、荷重センサ信号Ｖ２をノイズ信号Ｖ３により補正した電圧信号である。すなわち、荷重補正信号Ｖ５は、荷重センサ信号Ｖ２からノイズ成分を除去した電圧信号である。

制御部４は、荷重センサ２２により検出された荷重センサ信号Ｖ２からノイズ検出センサ２０により検出されたノイズ信号Ｖ３に基づきノイズを除去した荷重補正信号Ｖ５を生成し、この荷重補正信号Ｖ５に基づき、電子部品保持部８に対して下方から作用する荷重を測定する。

（電子部品接合装置１の動作）
以下に電子部品接合装置１の動作について説明する。図１は、電子部品保持部８が、電子部品昇降機構２により下降を開始される前の待機位置に配置されている状態を示している。この状態において、電子部品Ｍの各電子部品電極Ｍ１と各基板Ｐの基板側半田層Ｐ２とは、それぞれ互いに前後および左右方向における位置合わせが行われた状態となっている。この位置合わせは、図示を省略する可動ステージによるステージ２５の前後左右への移動と、モータ２４による電子部品保持部８の水平面内の回転により行うことができる。

（ステップＳ１０）
制御部４は、モータ９を駆動し、電子部品保持部８を図１に示す待機位置から下方に向けて高速で移動させる高速下降動作を実行する（ステップＳ１０）。モータ９の回転によりボールねじ１０が回転させられる。ボールねじ１０にねじ結合するボールねじナット１１が第１移動部１４に固定されている。そのため、ボールねじ１０の回転にボールねじナット１１がリードされ、第１移動部１４が下方向に移動し、電子部品保持部８も第１移動部１４の下降に併せて下降する。下降速度は、後述するピエゾ駆動部７による電子部品Ｍの下降速度に比べて高速であり、たとえば、５００ｍｍ／秒である。

（ステップＳ２０，Ｓ３０）
制御部４は、変位センサ１６によって降下位置を検出し、電子部品保持部８を所定位置Ｓ（図６参照）まで下降させる（ステップＳ２０，Ｓ３０）。この所定位置Ｓは、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板側半田層Ｐ２とが接触しない位置であって、できるだけ近い位置である。モータ９は、作業の効率を上げるため、電子部品Ｍをできるだけ高速で下降できるように高トルクで駆動される。そのため、高トルクで駆動されるモータ９により下降される電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１が、基板Ｐの基板電極Ｐ１に衝突すると、電子部品Ｍあるいは基板Ｐを損傷させてしまう虞がある。そこで、電子部品接合装置１は、電子部品保持部８を所定位置Ｓまでは高速で下降させ、所定位置Ｓからさらに電子部品保持部８を下降する動作は、後述するように、ピエゾ駆動部７の駆動力により低負荷で行うこととしている（ステップＳ４０，Ｓ５０）。

図６に示すように、所定位置Ｓは、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１が基板Ｐの基板電極Ｐ１よりも、距離Ｄ１（たとえば、１００μｍ）だけ上方に配置される位置である。この所定位置Ｓは、次のようにして接合動作の開始に先立って設定される。

電子部品保持部８に電子部品Ｍを保持し、ステージ２５に載置された基板Ｐに向けて下降させ、電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に接触させる。制御部４は、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触したか否かを、ロードセル１７の出力信号に基づき検出し、接触したときの位置を変位センサ１６により測定する。変位センサ１６により測定される接触位置は、電子部品Ｍを下降させる前の初期位置からの電子部品保持部８の移動距離、あるいは基板Ｐの基板電極Ｐ１のステージ２５からの高さとして検出することができる。そして、接触位置に基づき、それより距離Ｄ１だけ上方の位置を所定位置Ｓとして設定し、制御部４のメモリに記憶する。複数枚、たとえば、３，４枚の基板Ｐについて電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触する位置を測定し、その平均値に基づいて所定位置Ｓを設定することが好ましい。

なお、バネ３０は、たとえば、５０ｋｇで第２移動部１８を下方に付勢している。したがって、電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に確実に押圧させた状態で、電子部品電極Ｍ１の基板電極Ｐ１への接触をロードセル１７により検出することができる。バネ３０の付勢力は、ピエゾ駆動部７の駆動力に比べて極めて大きい。そのため、ピエゾ駆動部７の駆動力により低負荷で電子部品保持部８を下降させる際には、第２移動部１８は第１移動部１４に対して移動しない。したがって、変位センサ２１および荷重センサ２２による変位や荷重の検出精度の低下を防ぐことができる。

ピエゾ駆動部７が電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に押圧する押圧力に対してバネ３０が第２移動部１８を下方に付勢する押圧力は、たとえば、５００から１５００倍程度とすることで、電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に確実に押圧させた状態で、ロードセル１７による電子部品電極Ｍ１の基板電極Ｐ１への接触を検出することができると共に、変位センサ２１および荷重センサ２２による変位や荷重の検出精度の低下を防ぐことができる。ピエゾ駆動部７が電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に押圧する押圧力に対してバネ３０が第２移動部１８を下方に付勢する押圧力を、７００から１２００倍とすることで、より好適にロードセル１７による電子部品電極Ｍ１の基板電極Ｐ１への接触を検出することができると共に、変位センサ２１および荷重センサ２２による変位や荷重の検出精度の低下を防ぐことができる。

制御部４は、電子部品保持部８を所定位置Ｓまで下降させ（ステップＳ２０においてＹｅｓ）、モータ９の駆動を停止する（ステップＳ３０）。なお、制御部４は、ＰＩＤ制御にて電子部品保持部８を所定位置Ｓまで下降させる。ＰＩＤ制御を行うことで、所定位置Ｓに電子部品保持部８を精度よく移動させることができる。電子部品保持部８が所定位置Ｓに下降された状態（ステップＳ３０）では、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１とは、接触はしていないが、きわめて接近した距離として、上述のように、距離Ｄ１の間隔を開けて配置されている。

電子部品保持部８が所定位置Ｓに配置されている状態から電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に接触させる動作は、後述するようにピエゾ駆動部７による電子部品保持部８の微少な移動を低負荷で行う。したがって、距離Ｄ１は、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触しない範囲でできるだけ狭い方が、電子部品保持部８を所定位置Ｓから電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とが接触する位置まで移動させるための工程時間を短縮できる。しかしながら、モータ９による電子部品保持部８の移動制御の精度、電子部品接合装置１の温度等の環境による公差の変化、および電子部品Ｍおよび基板Ｐの個体差等を考慮すると、距離Ｄ１が小さすぎると、モータ９による電子部品保持部８を下降させる際に、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触してしまう虞がある。したがって、距離Ｄ１は、小さい方が好ましいものの、上述の電子部品保持部８の移動制御の精度、電子部品接合装置１の公差の変化、および電子部品Ｍおよび基板Ｐの個体差等を踏まえて、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とが接触しない距離とすることが好ましい。

（ステップＳ４０，Ｓ５０）
続いて、制御部４は、図５の時間Ｔ＝０以降に示すように、ピエゾ駆動部７にピエゾ印加信号Ｖ１を印加し、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触する位置を検出するサーチ動作を実行する（ステップＳ４０，Ｓ５０）。ピエゾ印加信号Ｖ１の大きさに応じて電子部品保持部８が変位し、この変位量は変位センサ２１により変位センサ信号Ｖ４として検出される。

制御部４は、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触したか否かを、荷重補正信号Ｖ５に基づき判断する。荷重補正信号Ｖ５は、上述したように、荷重センサ２２の荷重センサ信号Ｖ２からノイズ検出センサ２０により検出されるノイズ信号Ｖ３を除去（キャンセル）した電圧信号である。つまり、荷重補正信号Ｖ５は、電子部品保持部８に下方から作用する荷重を示す信号である。

図５に示すように、時間Ｔ＝０からピエゾ印加信号Ｖ１の電圧を徐々に高くしていく。ピエゾ駆動部７は、ピエゾ印加信号Ｖ１の大きさに応じた変位量で電子部品保持部８を下方に移動させる。そして、電子部品電極Ｍ１が基板側半田層Ｐ２に接触すると、電子部品保持部８に下方から荷重が作用するため、時間Ｔ＝ｔ１に示すように荷重補正信号Ｖ５に立ち上がり部が発生する。制御部４は、荷重補正信号Ｖ５が所定の電圧ＶＡとなったときに、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触したと判断する（ステップＳ５０においてＹｅｓ）。なお、制御部４は、荷重補正信号Ｖ５が所定の電圧ＶＡとなるように、ＰＩＤ制御にて電子部品保持部８を移動させる。

（ステップＳ６０）
ここで、図５の時間Ｔ＝ｔ１に示すように、荷重補正信号Ｖ５が所定電圧ＶＡになったときの変位センサ信号Ｖ４の電圧ＶＢは、電子部品保持部８がモータ９の駆動により所定位置Ｓに下降された後、ピエゾ駆動部７によりさらに下方に移動された距離に対応する電圧である。この距離は、電子部品保持部８が所定位置Ｓに移動されたときの電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１との実際の間隔（距離）であり、サーチ動作（ステップＳ４０，Ｓ５０）において、電子部品保持部８が下降されるサーチ距離である。このサーチ距離に対応する変位センサ信号Ｖ４の電圧をサーチ距離対応電圧ＶＢとして制御部４に備えられるメモリに記憶する（ステップＳ６０）。

そして、次回の電子部品Ｍと基板Ｐとを接合する際のサーチ動作（ステップＳ４０）においては、該サーチ距離の範囲で所定の距離まで電子部品保持部８の下降速度を速くする。すなわち、変位センサ信号Ｖ４が、サーチ距離対応電圧ＶＢに対して所定の電圧になるまでは、ピエゾ印加信号Ｖ１の増加速度を速くし、電子部品保持部８の下降速度を速くする。これにより、サーチ動作（ステップＳ４０，Ｓ５０）を行う時間の短縮を図ることができる。

たとえば、変位センサ信号Ｖ４が、サーチ距離対応電圧ＶＢの４０％に到達するまでは、ピエゾ印加信号Ｖ１の増加速度を速くする。電子部品接合装置１の温度等による較差の変化や基板Ｐの湾曲等により、電子部品保持部８が所定位置Ｓに移動したときの電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１との実際の間隔は変化する。そのため、ピエゾ印加信号Ｖ１の増加速度を速くする該所定の距離をあまり長くすると、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とが衝突してしまう虞がある。該所定の電圧は、サーチ距離対応電圧ＶＢの３０％以上７０％以下とすることで、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１とが衝突する可能性を十分低くすることができ、加えて、サーチ動作（ステップＳ４０）を行う時間の短縮を効果的に図ることができる。

なお、該サーチ距離は、所定位置Ｓに反映させてもよい。つまり、接合動作の開始に先立って所定位置Ｓは設定されるが、電子部品接合装置１の公差の変化、および電子部品Ｍおよび基板Ｐの個体差等により、電子部品保持部８を所定位置Ｓに移動させたときの距離が距離Ｄ１にならない場合がある。

電子部品保持部８を所定位置Ｓに移動させたときの距離が距離Ｄ１よりも長くなっている場合は工程時間が長くなる点で好ましくなく、逆に短くなっている場合は、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に過剰な押圧力で接触し、電子部品Ｍあるいは基板Ｐを損傷させてしまう虞がある。これに対し、電子部品保持部８がモータ９の駆動により所定位置Ｓに下降させてからピエゾ駆動部７により移動された距離（該サーチ距離）に基づき、所定位置Ｓを更新することで、工程時間の短縮化あるいは電子部品電極Ｍ１の基板電極Ｐ１への過剰な押圧力での接触を防止できる。

荷重補正信号Ｖ５が所定の電圧ＶＡとなったとき、すなわち、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触したと判断されたとき、図５の時間Ｔ＝ｔ１〜ｔ２間に示すように、ピエゾ印加信号Ｖ１を一旦低下させる。これにより、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１に接触した時に、電子部品保持部８のオーバーシュートが防止でき、電子部品電極Ｍ１および基板電極Ｐ１が損傷してしまうことを防止できる。

（ステップＳ７０，Ｓ８０，Ｓ９０，Ｓ１００）
制御部４は、電子部品電極Ｍ１と基板電極Ｐ１との接触（ステップＳ５０においてＹｅｓ）に併せて、セラミックヒータ２３およびヒータ２６の加熱を開始する。そして、制御部４は、電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に接触させた状態で、図５の時間Ｔ＝ｔ２〜ｔ３に示すようにピエゾ印加信号Ｖ１を徐々に大きくし、電子部品電極Ｍ１から基板電極Ｐ１に対して所定の荷重（たとえば、０．５Ｎ）を付加する（ステップ７０）。電子部品電極Ｍ１から基板電極Ｐ１に対して所定の荷重が付加されたか否かは、荷重補正信号Ｖ５に基づいて判断する。たとえば、荷重補正信号Ｖ５が電圧ＶＣになったときに、電子部品電極Ｍ１から基板電極Ｐ１に対して所定の荷重が付加されたと判断する。

この所定の荷重は、電子部品Ｍおよび基板Ｐに対して損傷を与えない大きさであると共に、後述するように、電子部品電極Ｍ１および基板電極Ｐ１が溶融したときに、この溶融を電子部品保持部８の下方への変位として変位センサ２１により検出できる大きさである。そして、制御部４は、電子部品電極Ｍ１の基板電極Ｐ１に対する荷重が所定の荷重（荷重補正信号Ｖ５が電圧ＶＣ）に到達したと判断したら（ステップＳ７０においてＹｅｓ）、図５の時間Ｔ＝ｔ３〜ｔ４に示すようにその所定の荷重が保持されるようにピエゾ印加信号Ｖ１を制御する（ステップＳ８０）。すなわち、荷重補正信号Ｖ５が電圧ＶＣに保持されるように、ピエゾ印加信号Ｖ１を制御する（ステップＳ８０）。これに合わせて、所定の荷重となったと判断されたときの電子部品保持部８の位置（以下、所定荷重時位置と記載する）における変位センサ信号Ｖ４の値を所定荷重時電圧ＶＤとしてメモリに記憶する（ステップＳ８０）。なお、制御部４は、荷重補正信号Ｖ５が電圧ＶＣとなるように、ＰＩＤ制御にて電子部品保持部８を移動させる。

セラミックヒータ２３およびヒータ２６の発熱により、部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が加熱され溶融が開始する。部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が溶融すると、電子部品電極Ｍ１が基板電極Ｐ１を押圧する際の反力が低減する。一方、電子部品保持部８の押圧力は一定に保持されている（ステップＳ８０）。そのため、電子部品保持部８は下方に移動する（沈み込む）。部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が溶融されたか否かは、押圧力が一定に保持（ステップＳ８０）された電子部品保持部８の下方への移動量（沈み込み量）が所定値（たとえば、１μｍ）を超えたか否かにより判断（ステップＳ１００）することができる。

具体的には、制御部４は、荷重補正信号Ｖ５が電圧ＶＣに保持されるようにピエゾ印加信号Ｖ１を制御しながら、電子部品保持部８の所定荷重時位置（所定荷重時電圧ＶＤに対応する位置）から移動距離（電子部品保持部８の沈み込み量）を変位センサ信号Ｖ４の変化量に基づき測定する（ステップＳ９０）。そして、この移動距離（電子部品保持部８の沈み込み量）が所定距離（たとえば、１μｍ）に到達したか否かを判断する（ステップＳ１００）。この判断は、変位センサ信号Ｖ４が所定荷重時電圧ＶＤから所定の電位差ΔＶ４だけ増加し沈込電圧ＶＥになったときに、電子部品保持部８の沈み込み量が所定距離に到達したと判断する（ステップＳ１００においてＹｅｓ）。電位差ΔＶ４は、所定の沈み込み量に相当する電位差として予め設定され制御部４のメモリに記憶されている。

（ステップＳ１１０）
部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が溶融と判断された場合（ステップＳ１００においてＹｅｓ）には、制御部４は、図５の時間Ｔ＝ｔ４〜ｔ５に示すように電子部品保持部８の下降を停止しその位置（部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が溶融したと判断されたときの電子部品保持部８の位置）を保持する（ステップＳ１１０）。つまり、部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が溶融と判断されたた場合には（ステップＳ１００）、ピエゾ印加信号Ｖ１の電圧をその時の電圧に保持する（ステップＳ１１０）。

（ステップＳ１２０）
制御部４は、電子部品保持部８の下降を停止しその位置を保持（ステップＳ１１０）した状態で、溶融した部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２の冷却動作を開始する（ステップＳ１２０）。この冷却動作（ステップＳ１２０）は、セラミックヒータ２３およびヒータ２６への通電をオフとするとともに、ステージ２５に備えられる冷却パイプ２７に空気を流し電子部品Ｍおよび基板Ｐを冷却する。これにより、溶融した部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が冷却され固化を開始する。

（ステップＳ１３０，Ｓ１４０）
ところで、溶融した半田は冷却する際に熱収縮する。そのため、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１とが、熱収縮する半田に引っ張られ破損してしまう虞がある。そこで、制御部４は、冷却する半田の熱収縮に併せて電子部品保持部８が下降するようにピエゾ駆動部７を駆動し、電子部品保持部８を半田の熱収縮に追従させる熱収縮追従動作を行う（ステップＳ１４０）。熱収縮追従動作（ステップＳ１４０）は、荷重センサ２２により検出される荷重（荷重補正信号Ｖ５）が一定になるように、ピエゾ駆動部７を駆動し電子部品保持部８を移動させる。溶融した部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２は、冷却され熱収縮するので、ピエゾ駆動部７には、電子部品保持部８をやや下降させるようにピエゾ印加信号Ｖ１が印加される。

熱収縮追従動作（ステップＳ１４０）は、冷却動作（ステップＳ１２０）直後に実行せず、溶融した部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２が所定の温度に冷却されているか否かを判断し（ステップＳ１３０）、所定の温度に冷却された後（ステップＳ１３０においてＹｅｓ）に、実行することが好ましい。これは次の理由による。

半田は溶融状態の場合、温度変化による熱収縮の割合が小さく、また、極めて微小な力で変形してしまう恐れがある。そのため、半田が溶融状態のときは、ピエゾ印加信号Ｖ１を一定に保持し（ステップＳ１１０）、電子部品保持部８が移動しないようにする。したがって、熱収縮追従動作（ステップＳ１４０）は、半田が固まり始める寸前のタイミングを捉えて行う。ステップＳ１３０における所定温度は、半田が固まり始める直前の温度であり、たとえば、２２０℃である。図５に示す時間Ｔ＝ｔ４〜ｔ５の間は、冷却動作が開始されても、熱収縮追従動作（ステップＳ１４０）は実行されない。

（ステップＳ１５０，Ｓ１６０）
そして、制御部４は、電子部品保持部８を熱収縮追従動作させながら部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２の半田の温度を検出する（ステップＳ１５０）。制御部４は、半田が十分に固まる温度になったことが検出されたら（ステップＳ１５０においてＹｅｓ）、電子部品保持部８の電子部品Ｍの吸引を解除し、モータ９を駆動し電子部品保持部８を上方に移動させる（ステップＳ１６０）。以上で接合動作を完了し、ステージ２５から電子部品Ｍが接合された基板Ｐを取り除く。

なお、部品側半田層Ｍ２および基板側半田層Ｐ２の半田の温度は、図示外の温度検出センサにより、たとえば、電子部品保持部８の温度を検出し、この検出温度に基づき、半田の温度を推測することができる。また、半田の温度を検出（推測）する代わりに、冷却時間により熱収縮追従動作（ステップＳ１４０）の開始や、電子部品保持部８を上方に移動させる動作（ステップＳ１６０）の開始を行ってもよい。

（本実施の形態の主な効果）
上述したように、電子部品接合装置１は、電子部品Ｍを保持する電子部品保持部８を基板Ｐに向けて昇降動する電子部品昇降機構２を有し、電子部品Ｍを、基板Ｐから離間した位置から電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１とが接触する位置まで移動させ、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１とを熱溶融可能な金属としての半田を介して接合することができる。電子部品昇降機構２は、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１との間の距離が、所定の距離Ｄ１になるまで電子部品昇降機構２を高い速度で移動させる高速移動機構６と、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１との間の距離が所定の距離Ｄ１になった後、高い速度よりも低い速度で移動させる低速移動機構としてのピエゾ素子を駆動源とするピエゾ駆動部７とを有する。

このように電子部品接合装置１を構成し、ピエゾ駆動部７を用いることで、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１とが所定距離Ｄ１になった後の電子部品保持部８の移動量や荷重量の制御の精度を高いものとすることができる。

電子部品接合装置１は、電子部品保持部８に保持された電子部品Ｍに対して、基板Ｐが配置される側から作用する荷重を検出する荷重センサ２２と、この荷重センサ２２に作用するノイズを検出するノイズ検出センサ２０と、このノイズ検出センサ２０により検出されるノイズ信号Ｖ３に基づき荷重センサ２２により検出される荷重センサ信号Ｖ２からノイズを除去するノイズ信号除去手段としての制御部４とを有する。

ピエゾ駆動部７を用いることで、電子部品保持部８の移動量や荷重量の制御の精度が高いものとなる一方で、荷重センサ２２がノイズの影響を受けることで、ピエゾ駆動部７の制御の精度が低下してしまう。そこで、ノイズ検出センサ２０を備え、このノイズ検出センサ２０により検出されるノイズ信号Ｖ３に基づき、荷重センサ２２により検出される荷重センサ信号Ｖ２からノイズを除去することで、ピエゾ駆動部７の制御の精度を向上させることができる。

ノイズ検出センサ２０と、荷重センサ２２と、ピエゾ駆動部７とは、電子部品保持部８の移動方向に沿って配列されている。

ピエゾ駆動部７と荷重センサ２２とが電子部品保持部８の移動方向に沿って配列されていることで、電子部品保持部８に作用する荷重を検出する荷重センサ２２の検出精度を向上させることができる。たとえば、電子部品保持部８の移動方向に対して、ピエゾ駆動部７と荷重センサ２２との配列方向が斜めである場合には、電子部品保持部８に作用する荷重が荷重センサ２２に十分に伝わらない虞があり、荷重センサ２２の検出精度が低下する虞がある。これに対し、ピエゾ駆動部７と荷重センサ２２とを電子部品保持部８の移動方向に沿って配列されていることで、荷重センサ２２の検出精度を向上させることができる。

荷重センサ２２は、電子部品保持部８の移動方向から作用する荷重を検出する。したがって、電子部品保持部８の移動方向から荷重センサ２２に加わるノイズをできるだけ除去することが好ましい。したがって、ノイズ検出センサ２０を荷重センサ２２に対して電子部品保持部８の移動方向に沿って配列することで、荷重センサ２２に作用するノイズに近いノイズをノイズ検出センサ２０により検出し易くなる。これにより、電子部品保持部８に作用する荷重を検出する荷重センサ２２の検出精度を向上させることができる。

高速移動機構６は、第１移動部１４を移動させる。ピエゾ駆動部７は、第１移動部１４に対して上下方向に移動可能に取り付けられる第２移動部１８に取り付けられる。第２移動部１８は、付勢手段としてのバネ３０により下方に付勢された状態でロードセル１７を介して第１移動部１４に支持されている。

バネ３０は、第２移動部１８を下方に、たとえば、５０ｋｇで押圧している。一方、ピエゾ駆動部７が電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に押圧する押圧力は、たとえば、０．５Ｎ前後である。つまり、バネ３０が第２移動部１８を下方に押圧する押圧力は、ピエゾ駆動部７が電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に押圧する押圧力に比べて極めて大きい。

そのため、電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に確実に押圧させた状態で、ロードセル１７による電子部品電極Ｍ１の基板電極Ｐ１への接触を検出することができると共に、変位センサ２１および荷重センサ２２による変位や荷重の検出精度の低下を防ぐことができる。バネ３０が、第２移動部１８を下方に付勢（押圧）する力の大きさは、ピエゾ駆動部７が電子部品電極Ｍ１を基板電極Ｐ１に押圧した場合でも、第２移動部１８が第１移動部１４に対して移動しない（不動とできる）大きさである。

電子部品接合装置１は、電子部品Ｍの電子部品電極Ｍ１と基板Ｐの基板電極Ｐ１とを熱溶融可能な金属である半田（部品側半田層Ｍ２，基板側半田層Ｐ２）を介して接合する電子部品接合方法において、電子部品Ｍおよび基板Ｐを加熱すると共に、電子部品Ｍから基板Ｐに対して所定の荷重が一定に付加された状態（ステップ８０）で、電子部品Ｍの下方への移動量を検出（ステップＳ９０，Ｓ１００）することにより、半田の溶融の有無を判断する。

（他の実施の形態）
電子部品接合装置１は、図７に示すように所定周波数信号除去手段としてのバンドストップフィルタ４０を備え、荷重センサ２２から出力される荷重センサ信号から所定周波数の信号として電子部品接合装置１の固有振動の周波数の信号を除去する構成としてもよい。

本願発明の発明者は、解析により、荷重センサ信号のノイズ成分の多くが電子部品接合装置１の固有振動に起因するものであることをつきとめた。具体的には、図８に示される荷重センサ信号Ｖ２の周波数成分を解析した結果、図９に示される周波数成分が検出された。図９に示すように、荷重センサ信号Ｖ２（図８）には１３０Ｈｚおよび３３０Ｈｚの周波数成分が多い。一方、電子部品接合装置１の固有振動を解析したところ、１３０Ｈｚおよび３３０Ｈｚ付近に固有振動があることが判った。

そこで、図７に示すようにバンドストップフィルタ４０を用いることにより、図８に示される荷重センサ信号Ｖ２から１３０Ｈｚおよび３３０Ｈｚの信号を除去したところ、図１０に示す荷重センサ信号Ｖ６のように、荷重センサ２２の実際の荷重に好適に沿った荷重センサ信号を得ることができた。図１１は、図８に示される荷重センサ信号Ｖ２から１３０Ｈｚの信号を除去した荷重センサ信号Ｖ２−１を示す図である。図１２は、図８に示される荷重センサ信号Ｖ２から３３０Ｈｚの信号を除去した荷重センサ信号Ｖ２−２を示す図である。なお、荷重センサ信号から除去される信号の周波数は、電子部品接合装置の構造や使用されるモータ等により異なり、上記の１３０Ｈｚおよび３３０Ｈｚは一例である。

なお、バンドストップフィルタ４０にノッチフィルタを用いることで、電子部品接合装置１の固有振動の周波数である１３０Ｈｚおよび３３０Ｈｚだけを精度よく除去することができる。荷重センサ信号から除去する周波数の信号としては、上記のように、電子部品接合装置１の固有振動の周波数の信号の他、電子部品接合装置１が設置される環境で発生する固有振動の周波数の信号を対象とすることもできる。

１ … 電子部品接合装置
２ … 電子部品昇降機構
４ … 制御部（ノイズ信号除去手段）
６ … 高速移動機構
７ … ピエゾ駆動部（低速移動機構）
８ … 電子部品保持部
１４ … 第１移動部
１７ … ロードセル
１８ … 第２移動部
２０ … ノイズ検出センサ
２２ … 荷重センサ
３０ … バネ（付勢手段）
４０ … バンドストップフィルタ（所定周波数信号除去手段）
Ｖ２ … 荷重センサ信号（荷重信号）
Ｖ３ … ノイズ信号
Ｍ … 電子部品
Ｍ１ … 電子部品電極（電子部品の電極）
Ｍ２ … 部品側半田層
Ｐ … 基板
Ｐ１ … 基板電極（基板の電極）
Ｐ２ … 基板側半田層

Claims (3)

1. 電子部品の電極と基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合する電子部品接合方法において、
   前記電子部品を保持する電子部品保持部を前記基板に向けて昇降移動する電子部品昇降機構を有し、前記電子部品を、前記基板から離間した位置から前記電子部品の電極と前記基板の電極とが接触する位置まで移動させ、前記電子部品の電極と前記基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合し、前記電子部品昇降機構が、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の距離が所定の距離になるまで前記電子部品保持部を高い速度で移動させる高速移動機構と、前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の距離が前記所定の距離になった後に前記高い速度よりも低い速度で移動させる低速移動機構とを有する電子部品接合装置を用いて、
   前記電子部品および前記基板を加熱すると共に、前記電子部品から前記基板に対して所定の荷重が一定に付加された状態で、前記電子部品の下方への移動量を検出することにより、前記金属の溶融の有無を判断し、
   溶融と判断された場合に前記電子部品の下降を停止してその位置を保持した状態で、冷却動作を開始し、前記金属の熱収縮に併せて前記電子部品保持部が下降するように前記低速移動機構を駆動し、荷重センサにより検出される荷重が一定になるように前記電子部品保持部を金属の熱収縮に追従させる熱収縮追従動作を行う、
   ことを特徴とする電子部品接合方法。
2. 請求項１に記載の電子部品接合方法において、
   前記低速移動機構はピエゾ駆動部であることを特徴とする電子部品接合方法。
3. 請求項２に記載の電子部品接合方法において、
   前記電子部品保持部に保持された前記電子部品に対して、前記基板が配置される側から作用する荷重を検出し、検出される荷重が一定になるように、前記ピエゾ駆動部を駆動させて前記電子部品保持部を移動させ、前記冷却動作後における前記金属の熱収縮に追従させて前記ピエゾ駆動部に対して前記電子部品保持部が下降するようにピエゾ印加信号を印加させる、
   ことを特徴とする電子部品接合方法。

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