JP3606196B2

JP3606196B2 - ボール搭載装置およびボール搭載装置における搭載ヘッドの位置調整方法

Info

Publication number: JP3606196B2
Application number: JP2000381888A
Authority: JP
Inventors: 真一中里; 忠彦境
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: JP2002185115A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田ボールなどの導電性を有するボールを基板やチップなどのワークに搭載するボール搭載装置およびボール搭載装置における搭載ヘッドの位置調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半田ボールなどの導電性を有するボールを基板やチップなどのワークに搭載するボールの搭載装置として、ボール整列具を用いるものが知られている（例えば特開平９−８２７４８号公報）。このものは、ボール整列具上にボールを予め整列させておき、これらのボールを搭載ヘッドの吸着孔に真空吸着してピックアップして基板などのワークに搭載するものであり、ボール整列具にはワークのパッドに対応する位置にボール位置決め部としての孔部が形成されている。このような方法によれば、ボールを速やかに搭載ヘッドによりピックアップしてワークに搭載できるので、タクトタイムを短縮し、作業能率を上げられる等の利点がある。
【０００３】
上記方法において、ボール整列具上の多数個のボールを搭載ヘッドにより確実に吸着してピックアップするためには、搭載ヘッドの下面の吸着孔とボール整列具の孔部を正確に合致させたうえで、搭載ヘッドをボール整列具に対して相対的に上下動させねばならない。このため、従来は、例えばボール整列具に位置決め用のピンを立設するとともに、搭載ヘッドの下面にピン孔を形成する方法が知られている。この方法は、搭載ヘッドがボールをピックアップするためにボール整列具へ向って下降するときに、ピンをピン状に嵌入させることにより搭載ヘッドとボール整列具の相対的な位置を調整し、これにより搭載ヘッドの下面の吸着孔とボール整列具の孔部を合致させて、孔部に収納されたボールを吸着孔に真空吸着するようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ワークに搭載されるボールの直径は益々小さくなっており、直径７０μｍ以下のものもあらわれている。搭載ヘッドはこのように微小なボールを多数個（多い場合は１００個以上）一括してピックアップし、ワークに搭載しなければならない。
【０００５】
このようにボールの直径が微小化すると、ボール整列具に対する搭載ヘッドの位置精度も益々厳しくなり、上記のようにピンやピン孔による位置調整方法では吸着孔と孔部の位置を十分に合致させることは困難であり、ピックアップミスが多発しやすいという問題点があった。
【０００６】
したがって本発明は、ボール整列具のボール位置決め部と搭載ヘッドの下面の吸着孔を正確に合致させてボールをピックアップすることができるボール搭載装置およびボール搭載装置における搭載ヘッドの位置調整方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のボール搭載装置は、複数個のボール位置決め部が設けられたボール整列具と、ボール整列具に整列されたボールを下面の吸着孔に吸着してワークに搭載する搭載ヘッドと、ボール整列具と前記搭載ヘッドを相対的に移動させる相対移動手段と、前記搭載ヘッドが前記ボール整列具で整列したボールを吸着する際のボール整列具と搭載ヘッドの相対的な位置関係を記憶する吸着位置記憶部と、前記相対的な位置関係に基づいて前記相対移動手段を制御することにより前記ボール整列具の上方に前記搭載ヘッドを位置決めする制御部と、前記ボール整列具上に配設されるボール仮置用の仮置部材と、前記搭載ヘッドによって前記仮置部材上に仮置きされたボール及びボール整列具を観察する光学装置と、前記光学装置で観察した画像を表示する表示部とを備えたものである。
【０００８】
上記構成において、搭載ヘッドにより仮置部材に仮置きされたボールを光学装置により観察し、ボールのずれを求めることにより、搭載ヘッドの吸着孔がボール整列具のボール位置決め部に合致するように、搭載ヘッドの位置を調整することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置の斜視図、図２は本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置の制御系のブロック図、図３は本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール整列具の平面図、図４は本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール整列具の断面図、図５は本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール搭載方法の説明図、図６は本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール整列具の平面図、図７は本発明の一実施の形態におけるボール整列具の部分拡大断面図、図８は本発明の一実施の形態におけるボールとボール位置決め部の拡大画像図、図９は本発明の一実施の形態における表示装置の画面図、図１０は本発明の一実施の形態における搭載ヘッドのθ方向の位置ずれの計算方法を示す説明図である。
【００１０】
まず、図１を参照してボール搭載装置の全体構造を説明する。図１において、基台１上にはワークの位置決め部２とボールの供給部３が設けられている。位置決め部２にはボールの搭載対象物であるワークとしての基板２２が位置決めされている。なお、ボールの搭載対象物となるワークとしては、基板以外にも、チップやウェハなどがある。
【００１１】
ボールの供給部３は薄箱型の受台から成り、その両側部は大量のボール４が貯溜されるボール貯溜部３ａ、３ｂとなっており、その略中央部にはボール整列具５が設けられている。ボール整列具５はプレートから成り、ボール位置決め部としての孔部６がマトリクス状に多数個形成されている。孔部６は、ボール４を１個だけ嵌入させて収容する大きさであり、その位置は基板２２のパッド（図示せず）に対応する位置に形成されており、このパッド上にボール４が搭載される。７はボールの供給部３に傾斜運動をさせる駆動手段である。ボールの供給部３を左右に傾斜させることによりボール貯溜部３ａとボール貯溜部３ｂの間をボール４は転動し、その途中で、ボール整列具５の孔部６にボール４は入って位置決めされる。すなわち駆動手段７は、孔部６にボール４を１個ずつ収納するためのボール供給手段となっている。
【００１２】
基台１の側方には移動テーブル８が設けられている。移動テーブル８には可動ユニット９が装着されており、可動ユニット９の先端部には搭載ヘッド１０が装着されている。したがって移動テーブル８の駆動により、搭載ヘッド１０は位置決め部２とボールの供給部３の間を水平方向（Ｘ方向）に移動する。
【００１３】
搭載ヘッド１０の下面には、ボール４の吸着孔２３が多数形成されている（図５（ａ））。この吸着孔２３は、基板２２のパッドやボール整列具５の孔部６に対応するように形成されている。可動ユニット９の内部には、搭載ヘッド１０を上下動させる機構やθ回転（水平回転）させる機構、Ｙ方向へ水平移動させる機構等が備えられている。移動テーブル８、可動ユニット９は搭載ヘッド１０をボール整列具５に対して相対的に移動させる相対移動手段となっている。勿論、ボール整列具５を搭載ヘッド１０に対して移動させてもよい。１１は光学装置としてのカメラである。カメラ１１は移動テーブル（図示せず）に駆動されて、ボールの供給部３上などをＸ方向やＹ方向へ相対的に水平移動し、孔部６や仮置部材（後述）上に仮置きされたボール４などを観察する。
【００１４】
次に、図２を参照して制御系を説明する。入出力部１２にはカメラ１１、機構制御部１３、表示部１４、入力部１５が接続されている。機構制御部１３は、移動テーブル８、可動ユニット９による搭載ヘッド１０とボール整列具５の相対的な位置制御や、本ボール搭載装置に備えられたモータ、シリンダなどのアクチュエータの制御等を行う。入力部１５は、例えばキーボードやマウスなどである。
【００１５】
入出力部１２はバス１６に接続されている。バス１６にはＣＰＵなどの制御部１７、第１の記憶部１８、第２の記憶部１９などが接続されている。第１の記憶部１８は、搭載ヘッド１０によりボール仮置用のシート（後述）上にボールを試し載せ（仮置き）して吸着位置の確認を行う吸着位置確認プログラムや、ボールをワークに搭載する通常運転プログラム等が記憶されている。また第２の記憶部１９は吸着位置記憶部となっており、搭載ヘッド１０がボール整列具５で整列したボールを吸着するための相対的な位置関係を定める吸着位置データなどが記憶されている。制御部１７は、各プログラムの実行や後述する搭載ヘッド１０とボール整列具５の位置調整作業などを制御する。また制御部１７は、装置の運転に必要な演算なども行う。
【００１６】
図３および図４において、ボール整列具５の上面にはボールの仮置部材としてのシート２０が配設されている。このシート２０は、カメラ１１により透視可能な透明部材が望ましく、またその上に搭載（仮置き）するボール４を軽く付着させて固定できる粘着シートなどの粘着面を有するものが望ましい。図４において、孔部６はボール整列具５の上面に多数凹設されている。孔部６の底部は吸引孔２１に連通しており、孔部６にボール４を吸着するために真空吸引手段（図外）に真空吸引される。
【００１７】
図９は、カメラ１１で観察した画像を表示する表示部１４の画面表示の一例を示している。Ｗ１、Ｗ２はカメラ１１で撮像されたシート２０上のボール４の画像を表示する第１ウィンドウと第２ウィンドウであり、左側の第１ウィンドウＷ１には図６の左端中央のボール４ａの拡大画像が表示されており、また右側の第２ウィンドウＷ２には図６の右端中央のボール４ｂの拡大画像が表示されている。２６は吸着位置確認のために行う試し搭載（ボールの仮置き）をスタートさせる操作ボタンであり、操作ボタン２６を押すとボール４を保持している搭載ヘッド１０は吸着位置データで示される位置、すなわちシート２０がセットされたボール整列具５の上方へ移動してボール４をシート２０に仮置きし、次いで搭載ヘッド１０が退避した後、カメラ１１がシート２０上のボール４を撮像し、その画像を第１ウィンドウＷ１、第２ウィンドウＷ２に表示する。
【００１８】
２７は調整完了の操作ボタンであり、操作ボタン２７を押すと画面表示を通常運転プログラム用の画面表示に切り換える。Ｗ３は吸着位置データの値を表示する第３ウィンドウである表示欄、２４、２５は表示欄Ｗ３に表示された吸着位置データの値を増減させる操作ボタンである。表示欄Ｗ３のＸＹθのデータの１つを選択して操作ボタン２４を押すと、その値は増加し、操作ボタン２５を押すと減少する。操作ボタン２４、２５による修正は、第２の記憶部１９の吸着位置データにただちに反映される。操作ボタン２４、２５は、吸着位置データの修正入力を行う入力手段となっている。
【００１９】
このボール搭載装置は上記のような構成より成り、次に図５〜図９を参照して、搭載ヘッド１０のボール整列具５に対する相対的な位置調整を行う方法を説明する。この動作は、吸着位置確認プログラムを実行することにより行われるものであり、ボールをワークに搭載する通常運転に先立って行うものである。
【００２０】
まず図５（ａ）に示すように、移動テーブル８を駆動して搭載ヘッド１０を水平移動させ、下面の吸着孔２３にボール４を吸着した搭載ヘッド１０をボール整列具５の上方に位置させる。この位置は、吸着位置データとして仮入力されたデータによって定められる位置であり、搭載ヘッド１０とボール整列具５の位置が正しく合致すると予想される位置、より詳しくは、設計上、搭載ヘッド１０の下面の吸着孔２３とボール整列具５の孔部６が完全に合致されると予想される位置である。またこの場合、ボール４は搭載ヘッド１０の下面のすべての吸着孔２３に吸着して保持する必要はなく、比較的少数のボール４を互いになるべく距離を大きくおいて吸着させる。図５（ａ）に示す例では、搭載ヘッド１０の下面の左右両側部の２列の吸着孔２３にのみ、ボール４を吸着保持しており、左右のボール４の距離Ｌをなるべく大きくしている。これは後述するθ方向（水平回転方向）の位置ずれをより正確に求めるためである。なお図５（ａ）に示す少数のボール４は、吸着位置確認プログラムを実行する前にオペレータが手作業により搭載ヘッド１０に吸着させる。
【００２１】
次に搭載ヘッド１０に上下動作を行わせることにより、ボール４をシート２０上に搭載（仮置き）する。図５（ｂ）はシート２０の左右両側部にボール４を搭載した状態を示している。この場合、シート２０の上面が粘着性を有していれば、搭載されたボール４が不要に動いてその位置がずれるのを防止できる。図６は、ボール４を搭載したボール整列具５を平面視した状態を示しており、また図７は部分拡大断面を示している。図６において、ボール４はべた黒で示している。図６や図７に示すように、ボール４は孔部６の真上に位置しておらず、孔部６からやや位置ずれしている。図中、Ｃ１はボール整列具５のセンター、Ｃ２は搭載ヘッド１０のセンターであり、センターＣ１とセンターＣ２は合致せずに位置ずれしている。この位置ずれは、搭載ヘッド１０のボール整列具５に対する相対的な位置ずれ、すなわち吸着位置の位置ずれに他ならない。
【００２２】
次いで図５（ｂ）に示すようにカメラ１１をボール整列具５の上方に移動させ、ボール整列具５の平面画像（ボール４と孔部６の相対的な位置を示す拡大画像）を入手する。この拡大画像は、図９に示すように表示部１４のウィンドウＷ１、Ｗ２内に表示される。図８はこの拡大画像を示している。図８において、ボール４の直径ｄは既知であり（例えば６０μｍ）、したがってＸ方向の位置ずれΔｘは約２５μｍ、Ｙ方向の位置ずれΔｙは約３０μｍであることが目分量により目視的に判る。図中、Ｏ１はボール４のセンター、Ｏ２は孔部６のセンターである。勿論、この位置ずれΔｘ、Δｙは画像解析により厳密に求めてもよいが、実際上は、上記のように目視的におおよその値を求めてもよい。
【００２３】
図９の第１ウィンドウＷ１と第２ウィンドウＷ２の画像から、ボール４は孔部６から位置ずれしていることが判る。この位置ずれは、搭載ヘッド１０とボール整列具５が相対的に位置ずれしていることに起因する。本実施の形態では、ボール４と孔部６との位置ずれが第１ウィンドウＷ１において、それぞれおおよそ、Δｘ＝−２５μｍ、Δｙ＝−３０μｍ、第２ウィンドウＷ２においてΔｘ＝−３０μｍ、Δｙ＝＋２５μｍであることが上述した目視により判明する。
【００２４】
次に、ボール４と孔部６の位置ずれより、ボール整列具５と搭載ヘッドの位置ずれ（吸着位置データの補正値）を求める方法を説明する。Ｘ方向及びＹ方向の位置ずれは、第１ウィンドウＷ１におけるボール４ａと孔部６の位置ずれと第２ウィンドウＷ２におけるボール４ｂと孔部６の位置ずれの平均値となる。本実施の形態では、Ｘ方向の位置ずれΔＸが−２５μｍと−３０μｍの平均で２８μｍ（小数点以下四捨五入）、Ｙ方向の位置ずれΔＹは−３０μｍ、＋２５μｍの平均で−３μｍ（小数点以下四捨五入）となる。
【００２５】
図１０はθ方向の位置ずれΔθを求める方法を示している。図中、Ｌはボール４ａとボール４ｂのＸ方向の距離であり、これは搭載ヘッド１０の寸法から既知である。またボール４ａとボール４ｂのＹ方向の距離は３０μｍ＋２５μｍ＝５５μｍである。したがってθ方向の位置ずれΔθは、（数１）から簡単に求められる。
【００２６】
【数１】

【００２７】
この位置ずれΔθは、可動ユニット９に内蔵されたモータにより搭載ヘッド１０をθ回転させることにより補正される。
【００２８】
以上のようにして計算した吸着位置データの補正値を考慮して、表示欄Ｗ３の「現在値」で示される吸着位置データの修正を操作ボタン２４、２５を操作して行う。これにより第２記憶部１９の吸着位置データが修正される。このように表示部１４は、光学装置（カメラ１１）で観察したボールとボール整列具５の孔部６の画像を表示するとともに、吸着位置データを修正するためのデータ入力を受け入れる表示欄Ｗ３を表示する機能を備えている。
【００２９】
以上のようにして、Ｘ、Ｙ、θの吸着位置データを修正したならば、再度、図５〜図１０を参照して説明した動作をやり直す。このやり直しは、Ｘ、Ｙ、θの位置ずれが許容値以下になるまで繰り返す。そして調整が終了したならば、「調整完了」のボタン２７を押す。またシート２０はボール整列具５上から取り除く。以上により表示欄Ｗ３中の「現在値」が正式に確定した吸着位置（搭載ヘッド１０がボール整列具５上で上下動作を行って、吸着孔２３に孔部６中のボール４を吸着してピックアップする位置）となり、これにしたがって基板２２にボール４を搭載する通常運転を開始する。
【００３０】
なお上記実施の形態では、ボール整列具とシート上のボールの画像をカメラにより同時に取り込んでいるが、シート上にボールを搭載（仮置き）する前に、予めカメラによりボール整列具を観察してその画像データを入手しておき、その後、シート上にボールを仮置きしてその画像データを入手するようにしてもよく、装置の運転方法は自由に決定できる。また上記実施の形態では、搭載ヘッドをボール整列具に対して水平移動させてその位置を調整するようにしているが、ボール整列具を搭載ヘッドに対して水平移動させることにより、搭載ヘッドの位置を相対的に調整するようにしてもよい。
【００３１】
また、カメラ１１で入手した孔部６と仮置部材（シート２０）上に仮置きされたボール４の画像より、ボール４と孔部６の位置ずれを検出する画像認識手段と、画像認識手段で検出したボール４と孔部６の位置ずれより、ボール整列具５と搭載ヘッド１０との相対的な位置ずれを計算する位置ずれ演算手段と、位置ずれ演算手段で求めた位置ずれに基づいて、吸着位置データを補正する補正手段を設けてもよい。これら画像認識手段、位置ずれ演算手段、補正手段を備えることにより、吸着位置データの補正作業を自動的に行うことができる。
【００３２】
図１１はこの場合のボール搭載装置の機能ブロック図である。画像認識処理部（画像認識手段）３１は、カメラで入手した孔部６と仮置部材（シート２０）上に仮置きされたボール４の画像よりボール４と孔部６の位置ずれΔｘ、Δｙを画像認識で検出して出力する。位置ずれ演算処理部（位置ずれ演算手段）３２は、画像認識処理部３１から出力された位置ずれΔｘ、Δｙより、ボール整列具５と搭載ヘッド１０との相対的な位置ずれΔＸ、ΔＹ、Δθを演算する。吸着位置データ補正処理部（補正手段）３３は、位置ずれ演算処理部３２で求めた相対的な位置ずれΔＸ、ΔＹ、Δθに基づいて、第２の記憶部１９に記憶されている吸着位置データを補正する。画像認識処理部３１、位置ずれ演算処理部３２、吸着位置データ補正処理部は、制御部１７（図２）がこれらの処理が記述されたプログラムを実行することにより実現される。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、搭載ヘッドとボール整列具の位置ずれを調整し、搭載ヘッドをボール整列具に正しく合致させて、ボール整列具上のボールを搭載ヘッドの吸着孔に吸着してピックアップすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置の斜視図
【図２】本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置の制御系のブロック図
【図３】本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール整列具の平面図
【図４】本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール整列具の断面図
【図５】本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール搭載方法の説明図
【図６】本発明の一実施の形態におけるボール搭載装置のボール整列具の平面図
【図７】本発明の一実施の形態におけるボール整列具の部分拡大断面図
【図８】本発明の一実施の形態におけるボールとボール位置決め部の拡大画像図
【図９】本発明の一実施の形態における表示装置の画面図
【図１０】本発明の一実施の形態における搭載ヘッドのθ方向の位置ずれの計算方法を示す説明図
【図１１】本発明の他の実施の形態におけるボール搭載装置の機能ブロック図
【符号の説明】
４ボール
５ボール整列具
６孔部（ボール位置決め部）
１０搭載ヘッド
１１カメラ（光学装置）
１４表示部
１７制御部
２０シート（仮置部材）
２３吸着孔
３１画像認識処理部
３２位置ずれ演算処理部
３３吸着位置データ補正処理部

Claims

複数個のボール位置決め部が設けられたボール整列具と、ボール整列具に整列されたボールを下面の吸着孔に吸着してワークに搭載する搭載ヘッドと、前記ボール整列具と前記搭載ヘッドを相対的に移動させる相対移動手段と、前記搭載ヘッドが前記ボール整列具で整列したボールを吸着する際のボール整列具と搭載ヘッドの相対的な位置関係を記憶する吸着位置記憶部と、前記相対的な位置関係に基づいて前記相対移動手段を制御することにより前記ボール整列具の上方に前記搭載ヘッドを位置決めする制御部と、前記ボール整列具上に配設されるボール仮置用の仮置部材と、前記搭載ヘッドによって前記仮置部材上に仮置きされたボール及びボール整列具を観察する光学装置と、前記光学装置で観察した画像を表示する表示部とを備えたことを特徴とするボール搭載装置。
前記仮置部材が、前記ボール位置決め部を透視可能な透明部材であることを特徴とする請求項１記載のボール搭載装置。
前記仮置部材が、ボールを付着させる粘着面を有することを特徴とする請求項１または２記載のボール搭載装置。
前記表示部に表示された前記ボール位置決め部と前記仮置部材上に仮置きされたボールの位置のずれを修正するために、前記相対的な位置関係の修正入力を行う入力手段を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボール搭載装置。
前記光学装置で入手したボール位置決め部と仮置部材上に仮置きされたボールの画像より、このボール位置決め部とボールの位置ずれを検出する画像認識手段と、前記画像認識手段で検出した位置ずれより前記ボール整列具と前記搭載ヘッドの相対的な位置ずれを計算する位置ずれ演算手段と、前記位置ずれ演算手段で求めた位置ずれに基づいて吸着位置データを補正する補正手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のボール搭載装置。
複数個のボール位置決め部が設けられたボール整列具と、ボール整列具に整列されたボールを下面の吸着孔に吸着してワークに搭載する搭載ヘッドとを備えたボール搭載装置における搭載ヘッドの位置調整方法であって、前記ボール整列具上に仮置部材を配置し、前記搭載ヘッドにより前記仮置部材上にボールを仮置きし、仮置きされたボールを光学装置により観察してボール位置決め部とボールの画像を入手し、この画像に基づいて搭載ヘッドがボール整列具で整列したボールを吸着する際のボール整列具と搭載ヘッドの相対的な位置関係を設定することを特徴とするボール搭載装置における搭載ヘッドの位置調整方法。