JP2017227318A - 補助空圧機能付きボイスコイルモーター - Google Patents

Abstract

【課題】被加圧体に対して加圧するための機構に使用する加圧駆動装置で、数ｇの超低圧から数十ｋｇ以上の高圧までの広レンジと、高精度、及び高速加圧を１つの加圧駆動装置で提供する。【解決手段】基本構成は加圧室６、自重保持加圧室７、ＶＣＭユニット１８から構成される。ＶＣＭユニットは、ＶＣＭボビン１２にＶＣＭコイル１１を形成し接着する。ＶＣＭヨーク９には、中空形状のＶＣＭ磁石１０が接着されている。コイルに電流を流すことで推力を発生する。ＶＣＭボビンには、シャフト３が取り付けられ、反対側に空圧制御をするためのダイヤフラム３が、ブッシャー５により取り付けられている。加圧室と自重保持加圧室は、ダイヤフラムで分離密閉されており、加圧バルブ２からエアーを充填させることで、シャフトに結合されているＶＣＭボビン、及び治具取り付け部材１３に圧力が伝わる。【選択図】図１

Description

半導体同士、半導体とプリント基板、またはＦＰＣ基板とプリント基板など、主に、電子機器部品のプリント基板端子部への接合搭載用の装置に使用される加圧用駆動装置に関するものである。

半導体などをプリント基板に実装する装置の加圧ユニットは、接合材の種類によって圧力の大きさや精度が違っており、接合材料に対応した装置が必要になる。例えば、ハンダ材料であるマイクロバンプ接合では、数グラムから数十グラムの圧力を加えて加熱接合が行われるが、他の接合、例えば、ＡＣＦやＡＣＰ接合では、圧力が数Ｋｇから数十Ｋｇといった高い圧力が必要になってくる。

圧力が数十Ｋｇの推力の加圧ユニットを持つ装置では、一般にシリンダーやモーターが使用されるが、加圧移動軸として使用されるボールねじや、シリンダー内のピストン摺動により、数ｇ〜数十ｇの低圧対応は出来ない。

数ｇ〜数十ｇまでの超低圧領域の加圧は、従来ＶＣＭ（ボイスコイルモーター）による電流制御が用いられているが、最大でも５Ｋｇまでの推力のため、高圧の対応は出来ない。

プリント基板への実装はマウンタが主流な実装になっているが、ベアチップの半導体や、ＦＰＣを直接実装する方式の対応は出来ていない。実現するには、接合対象に最適な接合方式が必要になってくるため、１台の接合装置で、数ｇ〜数十Ｋｇといった超低圧〜高圧まで対応可能な実装装置が必要である。

特開２００２−４３３３６号公報 特開２００１−２２５２００号公報 特開２００８−５７６６３号公報

従来のシリンダーによる加圧では、シリンダー軸の摺動抵抗変化や、圧力変動により数十ｇの加圧変動は避けられない。

モーターでの加圧方式は、加圧軸であるボールねじの摺動抵抗があるため、数ｇ以下の制御は出来ない。

ＶＣＭによる圧力制御は、定電流で行うことにより、数ｇでの加圧制御が可能ではあるが、加圧力は最大でも５Ｋｇまでのものに限られており、それ以上の圧力については、コイルや磁石が大きくなり、コスト的も問題がある。

様々な接合方式を使った基板実装への量産対応や試作対応のために、装置の低コスト化や、生産性向上の面から、数ｇ〜数十Ｋｇを数ｇの精度で加圧実装するための装置を実現できる加圧駆動装置が必要である。

図１に基本構成を示す。ＶＣＭヨーク９，ＶＣＭコイル１１，ＶＣＭボビン１２，ＶＣＭ磁石１０から構成されるＶＣＭユニット１８の上に、自重保持加圧室７及び加圧室６で構成することを特徴とする。（請求項１，２）

図２において、ＶＣＭボビン１２にはシャフト３が取り付けられており，シャフト先端には、ダイヤフラム１が取り付けられている。加圧バルブ２と自重保持バルブ４にエアーを充填することで、シャフト３に圧力が加わる構造を特徴とする。（請求項１，２）ダイヤフラム１は図１４の様に、ピストン５４に替えた構造でも良い。（請求項８）

自重保持加圧室７は、メタルシール８とダイヤフラム１により密閉され、自重保持バルブ４からエアーを充填することで、治具取り付け部材１３以下の構成部品の重量を、軽減又はゼロ補償することを可能にする。この機能により、ＶＣＭユニット１８が重量を保持する推力は軽減、もしくは０になる。

上記のエアーによる重量軽減又は、ゼロ補償は、例えば、バネによる補償も可能ではあるが、バネの延びや、環境温度変化により補償は変動する。エアーの場合、精密レギュレター１６を使用することで、調整した後の自重保持圧力は、一定で変動しない。

加圧室６には、加圧バルブ２にエアーを充填することにより、加圧室６内部の圧力が自重保持加圧室７以上の圧力になったときに、ダイヤフラム３に固定されたシャフト３と、シャフト３に固定されたＶＣＭコイル１１及び治具取り付け部材１３は下降する。この時、この下に加圧対象物があれば、加圧室６から、自重保持加圧室７の上向きの圧力を引いた圧力で加圧される。

加圧室６のエアー圧力により、ＶＣＭシャフト３には自重保持加圧室圧力を引いた圧力が加わり、目標とする圧力（エアー設定圧力４４）に近づいた時に、シャフト３に結合されたＶＣＭコイル１１に電流を流し、エアーによる圧力と、ＶＣＭコイル１１で作られた圧力が合成されて、シャフト３及び治具取り付け部材１３に加わる。

ＶＣＭユニット１８による圧力は、最大推力の１／６５５３６の分解能で出力され、例えば、最大推力が１Ｋｇの場合は、０．０１５ｇの圧力精度を持つ。エアー圧力とＶＣＭ推力の併用では、加圧力はエアー圧力にＶＣＭ推力が加算されるが、ＶＣＭユニット１８の制御推力が高分解能のため、エアーのみの制御よりも、高精度の圧力制御が可能になる。

図３は圧力を縦軸、時間を横軸とした場合の特性で、エアー設定圧力４４をエアーで加圧し、目標圧力であるＶＣＭ設定圧力４３は、ＶＣＭの加圧量と、エアー加圧量を加算して生成する。

ＶＣＭユニット１８は、例えば、図７のように圧力センサー２３が、治具取り付け部材９以下に設置されている場合、ＶＣＭユニット１８を制御するコントローラー１７は、圧力センサー２３の値が設定圧になるように加圧制御を、最大推力の１／６５６５３６の分解能で加圧するため、高圧設定でありながら、高精度に設定圧力で加圧することが可能である。

図４は請求項４にある制御方式である。 エアー設定圧力４４は、コントローラー１７から比例電磁弁１５をＰＩＤ制御することにより、図８に示す様に、ＰＩＤ制御無しの場合に比べて高速に昇圧することが出来る。

請求項５に記載のように、エアー設定圧力４４に到達後、シャフト３に直結したＶＣＭユニット１８を、コントローラー１７が制御し、高精度に設定圧力であるＶＣＭ設定圧力４３に到達させ、加圧力を高精度で維持し続ける。

請求項６に記載のように、自重保持圧力制御は、精密レギュレター１６にて供給され、ダイヤフラム位置の変動や環境温度変動に関係なく、常に一定圧力である。

図５は一般的なＶＣＭの構造で、ＶＣＭヨーク９，ＶＣＭ磁石１０、ＶＣＭコイル１１、ＶＣＭボビン１２から構成される。図６は請求項２に記載されているように、本発明のＶＣＭでは、ダイヤフラム１をシャフト３に結合させるため、ＶＣＭコイル１１の中心に、ＶＣＭボビン１３よりシャフト３を固定し、ＶＣＭ磁石１０を中空形状の円柱磁石にすることで構成されている。

以上の構造により以下に記述する効果がある。
・数ｇから数十Ｋｇまでの加圧を、１台の加圧ユニットで実現出来る。
・低圧は数ｇ、高圧荷重も十数ｇの高精度で加圧可能である。
・シリンダーエアー加圧に比べて、昇圧の高速化を実現出来る。
・低圧、高圧兼用加圧ユニットの使用で、装置のコストダウンが可能である。
・ＶＣＭの設定のみの調整のため、利便性がある。
・駆動部の摩擦が無いため、無塵埃化と、潤滑油を使用しないため、滅菌化が可能である。
・発熱が小さく小型化が可能である。

本発明の断面図 本発明の外観図 本発明の圧力特性図 本発明の制御系統図 従来のＶＣＭ構造 本発明のＶＣＭ構造 実施例外観図 空圧制御の違い特性図 実施例制御系統図 実施例特性図 プリント基板への実装例 ＬＥＤチップの一括圧着実装例 ＬＥＤチップの個片実装例 本発明の断面図で、ピストン使用の構造

補助空圧機能付きボイスコイルモーターを使用した圧着装置ユニットの実装例を図７に記述する。圧着装置ユニットの取り付けベース３３には、補助空圧機能付きボイスコイルモーターと、移動軸受け２２とリニヤセンサー２６が設置されている。リニヤセンサー２６はリニヤセンサーベース取り付け２７により固定されている。

圧着前の待機状態では、治具取り付け部材１３以下圧着ツールヒーター２９までの取り付け部品は、リニヤセンサーゲージ２５と、リニヤセンサー２６により±１μｍの精度で位置制御が行われ、一定位置に静止している。図９のリニヤセンサー配線３１と圧力センサー３２は、コントローラー１７に接続されている。

被圧着物３０と圧着ツールヒーター２９の間隔は十数ｍｍである。圧着動作を開始すると、リニヤセンサーゲージ２５と、リニヤセンサー２６による位置制御が行われ、被圧着物３０に接触するまで、ＶＣＭコイル１１、ＶＣＭボビン１２、及び治具取り付け部材１３以下圧着ツールヒーター２９までの部分が下降する。

図１０は被圧着物を加圧する時の位置制御特性と圧力制御特性である。
図１０の特性図で、被圧着物３０に対して接触検出３６が行われると、コントローラー１７から比例電磁弁制御配線２１で結線された比例電磁弁１５により、エアー設定圧４４を目標圧力としたＰＩＤ制御で、加圧室６を高速に昇圧する。エアー設定圧４４に達成すると、ＶＣＭ加圧制御４２が開始され、ＶＣＭ設定圧４３までコントローラー１７は、ＶＣＭ駆動配線２０にて電流駆動を実行する。コントローラー１７は、ＶＣＭ設定圧４３と圧力センサー２３の差を、ＰＩＤ制御にて０になるように電流駆動を実行する。ＶＣＭ設定圧４３達成後も、加圧設定時間４５の期間は制御が継続される。

加圧設定時間４５完了後、ＶＣＭは圧力制御から位置制御に切り替わり、無荷重で静止する。そのときコントローラー１７は、フィードバックセンサーを圧力センサー２３からリニヤセンサー２６に切り替える。

その後、待機位置４６に上昇のため、上昇位置制御期間４０に移り、ＶＣＭは上昇して待機位置４６で静止する。

図１１の様に、プリント基板上にＩＣチップを実装する場合、ＩＣチップの種類や接合方式で、様々な接合圧力が必要になる。又、図１２の様なＬＥＤ実装では、量産時のＬＥＤの多数個一括接合の場合と、図１３のような試作時の個片接合の場合があり、場合によって加圧力が、数十ｇ〜数十Ｋｇの差がでるが、本発明によりすべての圧力を含む実装装置が１台で実現できる。

更に、モーターを使用していないため、発塵が無くクリーン化に対応出来ることと、潤滑油を使用しないことから滅菌化が可能、又騒音が小さく、且つ発熱が少なく小型化出来ることから、医療分野での応用にも適している。

１ ダイヤフラム
２ 加圧バルブ
３ ＶＣＭシャフト
４ 自重保持バルブ
５ ブッシャー
６ 加圧室
７ 自重保持加圧室
８ メタルシール
９ ＶＣＭヨーク
１０ ＶＣＭ磁石
１１ ＶＣＭコイル
１２ ＶＣＭボビン
１３ 治具取り付け部材
１４ 元圧レギュレター
１５ 比例電磁弁
１６ 自重保持圧レギュレター
１７ コントローラー
１８ ＶＣＭ（ボイスコイルモーター）ユニット （９〜１２で構成）
１９ エアー配管
２０ ＶＣＭ駆動配線
２１ 比例電磁弁制御配線
２２ 移動軸受け
２３ 圧力センサー
２４ 移動軸
２５ リニヤセンサーゲージ
２６ リニヤセンサー
２７ リニヤセンサーベース取り付け
２８ 圧着ツール取り付けベース
２９ 圧着ツールヒーター
３０ 被圧着物
３１ リニヤセンサー配線
３２ 圧力センサー配線
３３ 圧着ヘッド取り付けベース
３４ 位置制御特性
３５ 荷重制御特性
３６ 接触検出
３７ 下降位置制御期間
３８ エアー加圧期間
３９ 圧力センサーフィードバック期間
４０ 上昇位置制御期間
４１ エアー加圧量
４２ ＶＣＭ加圧量
４３ ＶＣＭ設定圧力（目標設定圧力）
４４ エアー設定圧力
４５ 加圧設定時間
４６ 待機位置
４７ ＣＯＣ マイクロバンプハンダ接合 圧力＝数ｇ
４８ 導電性接着剤 圧力＝十数Ｋｇ
４９ 数個Ａｕバンプ 圧力＝数ｇ
５０ 数千個ハンダバンプ 圧力＝十数ｇ
５１ ＦＰＣ 導電性接着剤 圧力＝数十Ｋｇ
５２ ＬＥＤ基板
５３ ＬＥＤチップ
５４ ピストン

Claims (8)

1. ＶＣＭ（ボイスコイルモーター）ボビン１２に取り付けられたシャフト３の先端に、ダイヤフラム１を取り付け，密閉した加圧室６と自重保持加圧室７を設け、加圧バルブ２と、自重保持バルブ４によりエアーを充填し、シャフト３を軸方向に加圧し、更に、シャフト３に取り付けられたＶＣＭの推力に、エアー空圧を加算して、軸方向の圧力を生成する構造を特徴とする。
2. 請求項１で、ＶＣＭボビン１２にシャフト３を設け、ＶＣＭヨーク９側に中空の円筒形のＶＣＭ磁石１０を設け、シャフト３が貫通出来るようにしたＶＣＭの構造。
3. 請求項１で、ダイヤフラム１の下部に自重保持加圧室７を設け、自重保持バルブ４からエアーを充填することにより、治具取り付け部材１３以下の部材を含む重量を軽減、又は補償する推力を持つ構造。
4. 請求項１で、ダイヤフラム１の上部に加圧室６を設け、加圧バルブ２から比例電磁弁１５により、設定圧に近い補助加圧を行うと同時に、ＶＣＭユニット１８により推力を発生させて、その圧力を補助加圧に加算し、精密に設定圧力に到達した後、連続制御を行うことを特徴とする加圧制御方式。
5. 請求項４で、低圧設定の場合はＶＣＭユニット１８のみで加圧制御を行い、高圧の場合は加圧室６にエアーを加圧バルブ２にて充填させ加圧し、更にＶＣＭユニット１８にて加圧制御を行うことを特徴とする制御方式。
6. 請求項３で、自重保持加圧室７へのエアー充填は、精密レギュレター１６を設け外部温度変化やシャフト３の移動に関係なく、一定の圧力を供給することを特徴とする構造。
7. 請求項１，４，５で加圧室６に加圧バルブ２から充填されるエアーは、比例電磁弁１５を、コントローラー１７によって制御することを特徴とする制御方式。
8. 請求項１で、ダイヤフラム１は、図１４の様にピストン５４で代替えする構造も含む。

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