JP3568501B2 - 荷重制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップ実装型電子部品をプリント配線基板上の所定位置に実装するフリップチップ実装型電子部品の実装装置に係り、特にその荷重制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置のフリップチップやベアチップ等と呼ばれるＩＣチップやＢＧＡと呼ばれるＬＳＩパッケージ等のフリップチップ実装型電子部品をプリント配線基板上の所定位置に実装するフリップチップ実装が知られている。それは、例えば、フリップチップ実装型電子部品の表面に設けられた金又は半田のようなバンプとプリント配線基板の表面に設けられた金又は半田のような電極パッドとが重ね合わせ、リフローまたは超音波振動によりフリップチップ型電子部品の表面に設けられたバンプとプリント配線基板の表面に設けられた電極パッドとを接合するものである。
【０００３】
以下、超音波振動接合を例にとって説明する。
図３は従来の加圧となる荷重を発生制御する超音波振動接合における荷重制御装置の主要ブロック図である。１は図示しないフリップチップ実装型電子部品の位置決め信号である第一位置決め信号、第二位置決め信号および第三位置決め信号を生成すること；この三種類の位置決め信号に対応して予め設定されている荷重値と実際に前記フリップチップ実装型電子部品に印加されている荷重値とを比較をし、一致するように正転または逆転のパルス数を生成すること；超音波振動を開始し、停止すること；一次接合時間と二次接合時間とを設定することを実行する制御部、２は制御部１からの三種類の位置決め信号および正転または逆転のパルス数に基づいてＺ軸サーボモータ４を駆動するために必要な数の正転または逆転のパルスを生成する数値制御部、３は数値制御部２からのパルスを受けてエンコーダとパルスモータとからなるＺ軸サーボモータ４を駆動する駆動部、５はＺ軸サーボモータ４に連結されたブロックを介して配設された前記フリップチップ実装型電子部品を吸着する吸着ヘッド（図示せず。）の上下運動により生じる荷重を検出する荷重検出センサであるロードセル、６はロードセル５からの信号を所定のレベルまで増幅するアンプ、７はアンプ６で増幅された荷重信号をデジタルの荷重データに変換するＡ／Ｄ変換器である。
【０００４】
図４（Ａ）は荷重値のプロファイルを示した図であり、また図４（Ｂ）は超音波振動の振幅のプロファイルを示した図である。荷重値のプロファイルで実線は目標とする荷重値のプロファイル、太点線は実際の荷重値のプロファイルである。図４において、第一荷重値は超音波振動を開始するために必要な荷重値、第二荷重値は超音波振動による主要接合である一次接合において接合開始により前記フリップチップ実装型電子部品のバンプが潰れていくがその時でも適正な荷重を確保するために必要な荷重値、第三荷重値は仕上接合である二次接合時に適正な荷重を確保するために必要な荷重値である。
【０００５】
次にこのような荷重制御部の動作について説明する。
制御部１から前記第一位置決め信号が出力され、数値制御部２はこの第一位置決め信号を受けて前記フリップチップ実装型電子部品を吸着した前記吸着ヘッドを現状の位置から下降させるために正転の必要なパルスを生成する。このようにして数値制御部２で生成された正転のパルスが駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４に印加される。Ｚ軸サーボモータ４はこの正転のパルスによって回転し、第一位置まで前記吸着ヘッドに吸着された前記フリップチップ実装型電子部品を下降させる。このパルスはＺ軸サーボモータ４のエンコーダで検出され、駆動部３を介して数値制御部２に送られ、所定数のパルスが出力されたとき数値制御部２は正転のパルスの出力を停止する。
【０００６】
ロードセル５は前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を常時検出し、この検出された荷重信号をアンプ６で所定の振幅まで増幅し、Ａ／Ｄ変換器７でデジタルの荷重データに変換し、制御部１にフィードバックする。制御部１では前記第一位置決め信号に対応して設定されている第一荷重値とこのフィードバックされた荷重データとを比較し、一致するように正転または逆転のパルス数が生成され、数値制御部２、駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４を正転または逆転させる。この時の荷重も前述のフィードバックループを介して荷重データとして制御部１にフィードバックされ、前記第一荷重値と荷重データが一致するまでフィードバック制御が繰り返され、その結果所定の第一位置に前記フリップチップ実装型電子部品が所定の前記第一荷重値で加圧挟持される。
【０００７】
この後、制御部１から超音波振動開始の制御が行われ、所定の振幅および周期で超音波振動が開始され一次接合が開始される。また、同時に制御部１から前記第二位置決め信号が出力され、数値制御部２はこの第二位置決め信号を受けて前記フリップチップ実装型電子部品を吸着した前記吸着ヘッドを前記所定の第一位置から下降させるために正転の必要なパルスを生成する。このようにして数値制御部２で生成された正転のパルスが駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４に印加される。Ｚ軸サーボモータ４はこの正転のパルスによって回転し、前記第二位置まで前記吸着ヘッドに吸着された前記フリップチップ実装型電子部品を下降させる。このパルス数はＺ軸サーボモータ４のエンコーダで検出され、駆動部３を介して数値制御部２に送られ、所定数のパルスが出力されたとき数値制御部２は正転のパルスの出力を停止する。
【０００８】
ロードセル５は前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を常時検出し、この検出された荷重信号をアンプ６で所定の振幅まで増幅し、Ａ／Ｄ変換器７でデジタルの荷重データに変換し、制御部１にフィードバックする。制御部１では前記第二位置決め信号に対応して設定されている第二荷重値とこのフィードバックされた荷重データとを比較し、一致するように正転または逆転のパルス数が生成され、数値制御部２、駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４を正転または逆転させる。この時の荷重も前述のフィードバックループを介して荷重データとして制御部１にフィードバックされ、前記第二荷重値とこの荷重データが一致するまでフィードバック制御が繰り返され、その結果所定の第二位置に前記フリップチップ実装型電子部品が所定の第二荷重値で加圧挟持される。こうして第二荷重値で加圧挟持して一次接合を行う。
【０００９】
次に制御部１から前記第三位置決め信号が出力され、数値制御部２はこの第三位置決め信号を受けて正転の必要なパルスを生成する。このようにして数値制御部２で生成された正転のパルスが駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４に印加される。Ｚ軸サーボモータ４はこの正転のパルスによって回転し、第三位置まで前記吸着ヘッドに吸着された前記フリップチップ型電子部品を下降させる。このパルス数はサーボモータのエンコーダで検出され、駆動部３を介して数値制御部２に送られ、所定数のパルスが出力されたとき数値制御部２は正転のパルスの出力を停止する。
【００１０】
ロードセル５が前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を常時検出し、この検出された荷重信号をアンプ６で所定の振幅まで増幅し、Ａ／Ｄ変換器７でデジタルの荷重データに変換し、制御部１にフィードバックする。制御部１では前記第三位置決め信号に対応して設定されている第三荷重値とフィードバックされた荷重データとを比較し、一致するように正転または逆転のパルス数が生成され、数値制御部２、駆動部３を介してサーボモータを正転または逆転させる。この時の荷重も前述のフィードバックループを介して荷重データとして制御部１にフィードバックされ、前記第三荷重値とこの荷重データが一致するまでフィードバック制御が繰り返され、その結果所定の第三位置に前記フリップチップ実装型電子部品が所定の前記第三荷重値で加圧挟持される。この間超音波振動は継続されており二次接合が開始される。この二次接合は制御部１で制御される時間継続し、一定時間経過後に超音波接合の全工程が終了する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成で加圧となる荷重を制御することとして、フリップチップ実装型電子部品を超音波振動により回路基板に接合すると接続信頼性が落ちるという欠点があった。
本願発明者は、上記欠点である接続信頼性の低下の原因を調査し、次のことが原因であることを突き止めた。すなわち、超音波振動開始時急速にフリップチップ実装型電子部品のバンプが潰れ、その結果フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重が急速に低下する。この荷重の低下はロードセル５で検出され、アンプ６、Ａ／Ｄ変換器７を介して制御部１にフィードバックされ、ここで設定された第二荷重値とフィードバックされた荷重データの比較が行われ、この第二荷重値となるようにパルスが制御部１から数値制御部２を介してＺ軸サーボモータ４に供給され、Ｚ軸サーボモータ４を駆動して前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を第二荷重値になるように構成されている。しかしながら、この間図４（Ａ）の荷重プロファイルの太点線で示すように目標とする応答時間より遅く２０ないし３０ｍｓを要し、この間は適正な荷重がない状態で超音波振動が前記フリップチップ実装型電子部品に印加されるのでこのフリップチップ実装型電子部品のバンプと回路基板のバンプ間に超音波振動が十分に伝わらないからである。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、フィードバック制御の応答時間を短くした制御系で荷重を制御できるフリップチップ実装装置における荷重制御装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明になる第１の荷重制御装置は、フリップチップ実装型電子部品をプリント配線基板上の所定位置に実装するフリップチップ実装型電子部品の実装装置において、前記フリップチップ実装型電子部品を前記プリント配線基板の所定位置に接合するとき、その接合段階に応じて予め設定された荷重で加圧挟持する手段と、この加圧荷重を検出する荷重検出手段と、この検出された荷重と前記設定された荷重とを比較して一致するように荷重をかけるようにするフィードバック制御手段であって、一次接合時のフィードバック制御応答速度が二次接合時のフィードバック制御応答速度より高速である制御手段と、を有することを特徴とするものである。
【００１３】
また、第１の荷重制御装置において、比較は、接合の段階に応じて予め設定された荷重と荷重検出手段で検出された荷重を比較するものであって、一次接合時には、ハードウェア比較器を用いることを特徴とするものである
。
【００１４】
また、本発明になるもう一つの荷重制御装置は、フリップチップ実装型電子部品をプリント配線基板上の所定位置に実装するフリップチップ実装型電子部品の実装装置において、前記フリップチップ実装型電子部品の位置決め信号である第一位置決め信号、第二位置決め信号および第三位置決め信号を生成すること；この三種類の位置決め信号に対応して予め設定されている荷重値と実際に前記フリップチップ実装型電子部品に印加されている荷重値とを比較をし、一致するように正転または逆転のパルス数を生成すること；一次接合時間とそれ以外とでＺ軸サーボモータに印加するパルスの発生源を切り換える切換信号を生成すること；超音波振動の開始信号、停止信号を生成すること；前記一次接合時間と二次接合時間とを設定することを実行する制御部と、この制御部からの三種類の位置決め信号および正転または逆転のパルス数に基づいて前記Ｚ軸サーボモータを駆動するために必要な数の正転または逆転のパルスを生成する数値制御部と、この数値制御部またはパルス生成部からのパルスを受けて駆動され、前記フリップチップ実装型電子部品を加圧挟持する原動力となる前記Ｚ軸サーボモータと、この加圧荷重を検出する荷重検出センサと、この荷重検出センサからの荷重信号を増幅するアンプと、このアンプからの荷重信号をデジタル荷重データに変換して前記制御部に送出するＡ／Ｄ変換器と、前記制御部からの第二位置決め信号に対応して予め設定された荷重値をしきい値として求め、このしきい値と前記アンプからの荷重信号とを比較回路で比較することによって、しきい値が荷重信号より小さいときは正転のパルスを、逆にしきい値が荷重信号より大きいときは逆転のパルスを生成する前記パルス生成部と、前記制御部からの前記切換信号により前記Ｚ軸サーボモータの駆動パルス源を前記一次接合時間には前記パルス生成部に、それ以外の時間は前記数値制御部に切り換える切換部と、を有することを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
本発明によれば、フィードバック制御をハードウェア比較器を用いて応答時間を２ないし３ｍｓとしたので、適正な荷重がかからない時間が極めて短い時間に短縮できるから、接合開始から極めて短時間で適正な荷重がフリップチップ実装型電子部品に印加されるのでこの部品のバンプと基板の電極パッド間に十分な振動が伝達される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の１実施形態を示す加圧となる荷重を発生制御する超音波振動接合における荷重制御装置の主要ブロック図である。図２は荷重のプロファイルを示した図である。荷重プロファイルで実線は目標とする荷重プロファイル、太点線は実際の荷重プロファイルである。
図１において、従来例と同じブロックには同一符号を付し、その説明を省略する。図２においても第一荷重値、第二荷重値および第三荷重値は従来例の図４に記載された同一名称のものと同様である。
【００１７】
図１において、１１は図示しないフリップチップ実装型電子部品の位置決め信号である第一位置決め信号、第二位置決め信号および第三位置決め信号を生成すること；この三種類の位置決め信号に対応して予め設定されている荷重値と実際に前記フリップチップ実装型電子部品に印加されている荷重値とを比較をし、一致するように正転または逆転のパルス数を生成すること；一次接合時間とそれ以外とでＺ軸サーボモータに印加するパルスの発生源を切り換える切換信号を生成すること；超音波振動の開始信号、停止信号を生成すること；前記一次接合時間と二次接合時間とを設定することを実行する制御部、１２は制御部１１からの第二位置決め信号に対応して予め設定された荷重値をしきい値として求め、このしきい値とアンプ６からの荷重信号とを比較回路で比較することによって、しきい値が荷重信号より小さいときは正転のパルスを、逆にしきい値が荷重信号より大きいときは逆転のパルスを生成する前記パルス生成部、１３は制御部１１からの前記切換信号によりＺ軸サーボモータ４の駆動パルス源を前記一次接合時間にはパルス生成部１２に、それ以外の時間は数値制御部２に切り換える切換部である。なお、パルス生成部１２における比較回路はハードウェア回路によって構成されている。
【００１９】
次にこのような荷重制御部の動作について説明する。
最初は、制御部１１からの前記切換信号によりＺ軸サーボモータ４に印加される駆動パルスは数値制御部２からのパルスを選択するように切換部１３で切り換えておく。この状態で制御部１１から前記第一位置決め信号が出力され、数値制御部２はこの第一位置決め信号を受けて前記フリップチップ実装型電子部品を吸着した前記吸着ヘッドを現状の位置から下降させるために正転の必要なパルスを生成する。このため数値制御部２で生成された正転のパルスが駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４に印加される。Ｚ軸サーボモータ４はこの正転のパルスによって回転し、第一位置まで前記吸着ヘッドに吸着された前記フリップチップ実装型電子部品を下降させる。このパルス数はＺ軸サーボモータ４のエンコーダで検出され、駆動部３を介して数値制御部２に送られ、所定のパルスが出力されたとき数値制御部２は正転のパルスの出力を停止する。
【００２０】
ロードセル５は前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を常時検出し、この検出された荷重信号をアンプ６で所定の振幅まで増幅し、Ａ／Ｄ変換器７でデジタルの荷重データに変換し、制御部１１にフィードバックする。制御部１１では前記第一位置決め信号に対応して設定されている第一荷重値とこのフィードバックされた荷重データとを比較し、一致するように正転または逆転のパルスが生成され、数値制御部２、切換部１３、駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４を正転または逆転させる。この時の荷重も前述のフィードバックループを介して荷重データとして制御部１１にフィードバックされ、設定荷重値とこの荷重データが一致するまでフィードバック制御が繰り返され、その結果所定の第一位置にフリップチップ実装型電子部品が所定の第一荷重値で加圧挟持される。
【００２１】
この後、制御部１１から超音波振動開始の制御が行われ、超音波振動が開始され一次接合が開始される。また、同時に制御部１１から第二位置決め信号に対応して予め設定されている第二荷重値がしきい値としてパルス生成部１２に出力されると同時に前記切換信号によりＺ軸サーボモータ４を駆動するパルスの信号源をパルス生成部１２側に切り換える。前述のようにロードセル５は常時荷重を検出しており、この検出荷重はアンプ６で所定の増幅がされてパルス生成部１２に入力され、ここで前記しきい値と比較される。この場合はしきい値の方が検出荷重値より大きいのでパルス生成部１２は正転のパルスを生成する。
【００２２】
したがってＺ軸サーボモータ４はこの正転のパルスによって回転し、第二位置まで前記吸着ヘッドに吸着された前記フリップチップ実装型電子部品を下降させる。ロードセル５は常時前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を検出しているのでパルス生成部１２では前記しきい値との比較が繰り返し行われており、前記しきい値との差の正負に応じて正転または逆転のパルスが生成され、Ｚ軸サーボモータ４を駆動して所定の第二荷重値になるまでこの制御ループを繰り返す。こうして前記フリップチップ実装型電子部品が所定の第二荷重値で加圧挟持される。この第二荷重値は予め決められた一次発振時間継続して印加される。このように一次接合の時は、荷重の検出と所定の第二荷重値にするフィードバック制御ループをハードウェアの比較回路によって第二荷重値に相当するしきい値と実際の荷重との比較をし、荷重変更の要因であるＺ軸サーボモータ４を駆動する正転または逆転のパルスを生成することとしているので目標とする荷重プロファイルに対して２〜３ｍｓ遅れの極めて時間遅れの少ない荷重プロファイルが得られる。
【００２３】
なお、この一次接合の間Ｚ軸サーボモータ４は前述のようにパルス生成部１２で生成されるパルスで駆動されるが、ロードセル５で検出された荷重信号は同時にＡ／Ｄ変換器７に入力され、ここでデジタルの荷重データに変換されて制御部１１に送られる。制御部１１では設定された第二荷重値と入力された荷重データとを比較しており、制御部１１は前記フリップチップ実装型電子部品が第二荷重値に適切に到達していることを認識している。こうして一次接合が完了する。
【００２４】
一次接合が完了すると制御部１１から前記切換信号によりサーボモータ４を駆動するパルスの信号源を数値制御部２側に切り換える。
制御部１１から前記第三位置決め信号が出力され、数値制御部２はこの第三位置決め信号を受けて正転の必要なパルスを生成する。このため数値制御部２で生成された正転のパルスが駆動部３を介してＺ軸サーボモータ４に印加される。Ｚ軸サーボモータ４はこの正転のパルスによって回転し、第三位置まで前記吸着ヘッドに吸着された前記フリップチップ実装型電子部品を下降させる。このパルスはＺ軸サーボモータ４のエンコーダで検出され、駆動部３を介して数値制御部２に送られ、所定数のパルスが出力されたとき数値制御部２は正転または逆転のパルスの出力を停止する。
【００２５】
ロードセル５が前記フリップチップ実装型電子部品に印加される荷重を常時検出し、この検出された荷重信号をアンプ６で所定の振幅まで増幅し、Ａ／Ｄ変換器７でデジタルの荷重データに変換し、制御部１１にフィードバックする。制御部１１では荷重設定値とフィードバックされた荷重データとを比較し、一致するように正転または逆転のパルス数が生成され、数値制御部２、切換部１３、駆動部３を介してサーボモータを正転または逆転させる。この時の荷重も前述のフィードバックループを介して荷重データとして制御部１１にフィードバックされ、予め設定されている第三荷重値とこの荷重データが一致するまでフィードバック制御が繰り返され、その結果所定の第三位置に前記フリップチップ実装型電子部品が所定の第三荷重値で加圧挟持される。この間超音波振動は継続されており二次接合が開始される。この二次接合は制御部１１で制御される時間継続し、一定時間経過後に超音波接合の全工程が終了する。
【００２６】
このように一次接合の時は、荷重の検出と所定の第二荷重値にするフィードバック制御ループを比較回路によって第二荷重値に相当するしきい値と実際の荷重との比較をし、荷重変更の要因であるＺ軸サーボモータ４を駆動する正転または逆転のパルスを生成することとしているので目標とする荷重プロファイルに対して２〜３ｍｓ遅れの極めて時間遅れの少ない荷重プロファイルが得られる。
【００２７】
なお、本実施例では超音波振動による接合について説明したが、本発明は本実施例にかぎられず、発明の趣旨にそう限り他のフリップチップ実装装置の荷重制御装置にも使用可能であることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、以上説明したように、一次接合時の荷重値設定のフィードバックループをハードウェアの比較回路で構成したのでフィードバックの応答を２ないし３ｍｓとすることができるから、適正な荷重がかからない時間が極めて短い時間に短縮できる。したがって、フリップチップ実装の接合開始から極めて短時間で適正な荷重がフリップチップ実装型電子部品に印加されるのでフリップチップ実装型電子部品のバンプとプリント配線基板の電極パッド間に十分な荷重が印加されるので十分な信頼性を確保できるフリップチップ実装装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態を示す荷重制御装置の主要ブロック図である。
【図２】本発明の荷重制御装置の荷重のプロファイルと超音波振動の振幅のプロファイルを示した図である。
【図３】従来の荷重制御装置の主要ブロック図である。
【図４】従来の荷重制御装置の荷重のプロファイルと超音波振動の振幅のプロファイルを示した図である。
【符号の説明】
１、１１ 制御部
２ 数値制御部
３ 駆動部
４ Ｚ軸サーボモータ
５ ロードセル
６ アンプ
７ Ａ／Ｄ変換器
１２ パルス生成部
１３ 切換部

Claims (3)

1. フリップチップ実装型電子部品をプリント配線基板上の所定位置に実装するフリップチップ実装型電子部品の実装装置において、
   前記フリップチップ実装型電子部品を前記プリント配線基板の所定位置に接合するとき、その接合段階に応じて予め設定された荷重で加圧挟持する手段と、
   この加圧荷重を検出する荷重検出手段と、
   この検出された荷重と前記設定された荷重とを比較して一致するように荷重をかけるようにするフィードバック制御手段であって、一次接合時のフィードバック制御応答速度が二次接合時のフィードバック制御応答速度より高速である制御手段と、
   を有することを特徴とする荷重制御装置。
2. 請求項１記載の比較は、接合の段階に応じて予め設定された荷重と荷重検出手段で検出された荷重を比較するものであって、一次接合時には、ハードウェア比較器を用いることを特徴とする請求項１記載の荷重制御装置。
3. フリップチップ実装型電子部品をプリント配線基板上の所定位置に実装するフリップチップ実装型電子部品の実装装置において、
   前記フリップチップ実装型電子部品の位置決め信号である第一位置決め信号、第二位置決め信号および第三位置決め信号を生成すること；この三種類の位置決め信号に対応して予め設定されている荷重値と実際に前記フリップチップ実装型電子部品に印加されている荷重値とを比較をし、一致するように正転または逆転のパルス数を生成すること；一次接合時間とそれ以外とでＺ軸サーボモータに印加するパルスの発生源を切り換える切換信号を生成すること；超音波振動の開始信号、停止信号を生成すること；前記一次接合時間と二次接合時間とを設定することを実行する制御部と、
   この制御部からの三種類の位置決め信号および正転または逆転のパルス数に基づいて前記Ｚ軸サーボモータを駆動するために必要な数の正転または逆転のパルスを生成する数値制御部と、
   この数値制御部またはパルス生成部からのパルスを受けて駆動され、前記フリップチップ実装型電子部品を加圧挟持する原動力となる前記Ｚ軸サーボモータと、 この加圧荷重を検出する荷重検出センサと、
   この荷重検出センサからの荷重信号を増幅するアンプと、
   このアンプからの荷重信号をデジタル荷重データに変換して前記制御部に送出するＡ／Ｄ変換器と、
   前記制御部からの第二位置決め信号に対応して予め設定された荷重値をしきい値として求め、このしきい値と前記アンプからの荷重信号とを比較回路で比較することによって、しきい値が荷重信号より小さいときは正転のパルスを、逆にしきい値が荷重信号より大きいときは逆転のパルスを生成する前記パルス生成部と、 前記制御部からの前記切換信号により前記Ｚ軸サーボモータの駆動パルス源を前記一次接合時間には前記パルス生成部に、それ以外の時間は前記数値制御部に切り換える切換部と、
   を有することを特徴とする荷重制御装置。

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