JP3856375B2

JP3856375B2 - 実装装置およびその制御方法

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Publication number: JP3856375B2
Application number: JP2002025279A
Authority: JP
Inventors: 朗山内; 勝美寺田
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003229442A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被接合物同士を接合する実装装置およびその制御方法に関し、とくに、低加圧力領域から高加圧力領域まで精度よく所望の加圧力を制御することが可能な実装装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップを基板に、あるいはウエハー同士等を接合する実装装置においては、被接合物同士の相対位置関係を所定の精度内に納め、一方の被接合物を保持したヘッドを他方の被接合物に向けて駆動し、所定の加圧力をもって、かつ、必要に応じて加熱を伴って、両被接合物を接合するようにしている。
【０００３】
このような実装装置においては、一般に、一方の被接合物を他方の被接合物との接合方向に送る送り機構と、接合時に要求される加圧力を発揮させる加圧手段とが設けられている。送り機構は、たとえばサーボモータで駆動される。加圧力の制御は、この送り機構で直接制御する（たとえば、サーボモータのトルクを制御して加圧力を制御する）場合と、送り機構とは別の加圧力付与手段を設け、その手段の出力を制御する場合とがある。前者の方法ではさらに、ロードセル等の圧力検知センサを介在させ、その検知信号をフィードバックすることにより所定の加圧力に精度よく制御できることが知られている。また、後者の方法としては、静圧空気軸受を備えたシリンダ手段（エアベアリングシリンダ）を設け、該エアベアリングシリンダにより低加圧力を制御できるようにした方法、装置が提案されている（特開２０００−３５３７２５）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような従来装置では、いずれも、低加圧力から高加圧力までの広い範囲にわたって精度よく加圧力を制御することは困難であった。たとえば、エアベアリングシリンダにより低加圧力を制御可能とした装置では、数ｇ程度の微小加圧力領域までコントロール可能となるものの、そのシリンダ性能から、高加圧力（たとえば、数Ｎ〜数百Ｎ、さらには数千Ｎまでの高加圧力）を出力することはできず、結局、所望の高加圧力には制御できなかった。
【０００５】
一方、ロードセル等の圧力検知センサを介在させ送り機構を介してサーボモータ等の駆動源を制御する装置では、ガイド部に発生する摺動抵抗や、サーボモータのトルクコントロール分解能から、微小加圧力領域におけるコントロールは不可能であった。また、比較的低い加圧力領域の制御を行う場合においても、一般にロードセルで検出できる領域が決まっていることから、高加圧力領域（たとえば、５Ｎ〜２．５×１０³Ｎ）と低加圧力領域（たとえば、１０×１０^-3Ｎ〜５Ｎ）では別々のロードセルを選定することが必要になる。したがって、高加圧力領域用のロードセルを選定すると低加圧力領域での制御が不可能になり、低加圧力領域用のロードセルを選定すると、高加圧力領域での制御が不可能になるとともに、耐圧性がないことからも高加圧力領域では使用できないこととなっていた。このように、従来装置では、低加圧力領域（特に微小加圧力領域）から高加圧力領域までの広い範囲にわたって加圧力を精度よく制御することは困難であった。
【０００６】
そこで本発明の課題は、上記のような従来技術における限界に着目し、低加圧力領域（特に微小加圧力領域）から高加圧力領域までの広い範囲にわたって精度よく加圧力を制御することが可能な実装装置およびその制御方法を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の課題は、高加圧力領域においても、接合部を所定の位置精度に保ち、高精度の実装が可能な実装装置およびその制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る実装装置は、被接合物同士を接合する実装装置であって、一方の被接合物を保持する手段と、該保持手段を被接合物の接合方向に低加圧力をもって加圧可能な、ピストン摺動部にエアスライドガイドを備えたエアベアリングシリンダからなる低摺動抵抗シリンダ手段と、該低摺動抵抗シリンダ手段のピストンを介して伝達される加圧力を検知可能な圧力検知手段と、前記低摺動抵抗シリンダ手段を介して前記保持手段を被接合物の接合方向に送るとともに高加圧力をもって加圧可能な送り機構と、前記送り機構の駆動源とを、この順に同軸上で直列に配置し、かつ、前記低摺動抵抗シリンダ手段のピストンと前記圧力検知手段を、互いに離間、当接可能に配置したことを特徴とするものからなる。
【００１０】
上記圧力検知手段としては、たとえば、ロードセルを用いることができる。低加圧力領域では低摺動抵抗シリンダ手段で制御できるので、高加圧力領域制御用に用いるロードセルとしては、比較的高圧仕様のものを選定すればよい。
【００１１】
上記低摺動抵抗シリンダ手段のピストンと圧力検知手段は、互いに離間、当接可能に配置される。たとえば、低加圧力領域では離間させて低摺動抵抗シリンダ手段のみにより低加圧力を制御できるようにし、高加圧力領域では当接させて、低摺動抵抗シリンダ手段による加圧力制御機能を停止させて低摺動抵抗シリンダ手段を加圧力伝達手段として利用し、送り機構から圧力検知手段を介して加圧力を付与し、その加圧力を検知して所定値に制御されるようにすればよい。
【００１２】
本発明に係る実装装置の制御方法は、上記のような実装装置において、低加圧力領域においては、前記送り機構により前記保持手段の位置を制御するとともに、前記低摺動抵抗シリンダ手段のみにより前記保持手段に付与する加圧力を制御し、高加圧力領域においては、前記送り機構をトルク制御に切り替え、該トルクにより前記低摺動抵抗シリンダ手段のピストンを介して前記保持手段に付与する加圧力を制御することを特徴とする方法からなる。
【００１３】
この制御方法においては、低加圧力領域から高加圧力領域まで、加圧力をリニアに制御することが好ましい。このような制御特性をもたせれば、低加圧力領域から高加圧力領域まで、連続的に精度よく加圧力を変更することも可能になり、そのときの接合条件に応じて、最適な加圧力に容易に制御できるようになる。
【００１４】
上記のような本発明に係る実装装置およびその制御方法では、低加圧力領域においては、低摺動抵抗シリンダ手段のみにより被接合物の保持手段に付与する加圧力を制御でき、低摺動抵抗シリンダ手段では高い摺動抵抗は発生しないから、その加圧力は低加圧力領域内にて精度よく所望の値に制御される。また、高加圧力領域においては、低摺動抵抗シリンダ手段のピストンと圧力検知手段を当接させて、低摺動抵抗シリンダ手段による加圧力制御機能を停止させて低摺動抵抗シリンダ手段を単に加圧力伝達手段として利用し、送り機構から伝達されてくる加圧力を圧力検知手段により検知しつつその加圧力を保持手段へと伝達することができる。したがって、高加圧力の伝達が可能になる。圧力検知手段により検知された加圧力をフィードバックし、それが所定の値となるように制御することにより、目標とする高加圧力に精度よく制御することが可能となる。この高加圧力制御においては、ガイド機構等における摺動抵抗は加圧力に比べれば小さく、実質的に無視できるため、必要とする圧力制御精度は問題なく確保される。その結果、低加圧力領域から高加圧力領域までの広い範囲にわたって、高精度の加圧力制御が可能になる。
【００１５】
また、低摺動抵抗シリンダ手段として、エアベアリングシリンダからなる極めて摺動抵抗の低い（実質的に零抵抗の）シリンダ手段を用いるので、数十×１０^-3Ｎ程度の微小加圧力領域までの高精度加圧力制御が可能になる。
【００１６】
また、保持手段、低摺動抵抗シリンダ手段、圧力検知手段、送り機構を同軸上に配置したので、加圧によるモーメントや被接合物の接合面方向への分力の発生を防止できるから、加圧実装時に、被接合物間の平行度や、被接合物の位置ずれの発生を回避でき、高加圧力に制御する場合にあっても、高い実装精度を確保できるようになる。
【００１７】
さらに、低摺動抵抗シリンダ手段による低加圧力制御領域から、それに続く圧力検知手段、送り機構による高加圧力制御領域まで、リニアな制御特性を発揮できるようにしておけば、要求される加圧力が広い範囲にわたって変更される場合にあっても、容易に条件を変更して対応できるようになる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施態様に係る実装装置１を示している。図１においては、被接合物として、一方はチップ２で他方は基板３である場合を例示している。チップ２は、被接合物保持手段としての、ヘッド部４の下部に設けられた、ヒータを内蔵したヒートツール５の下面に保持されており、基板３はステージ６上に保持されている。本実施態様では、ステージ６はＸ、Ｙ方向（水平方向）および／または回転方向（θ方向）に位置調整できるようになっており、ヒートツール５はＺ方向（上下方向）に位置調整できるようになっており、これら調整により、接合前に両被接合物の平行度等を含む相対位置関係が調整、制御されるようになっている。ヘッド部４には、ヒートツール５に保持されたチップ２とステージ６に保持された基板３との間の平行度を調整可能な機構が組み込まれていてもよい。
【００１９】
なお、上記において、チップ２とは、たとえば、ＩＣチップ、半導体チップ、光素子、表面実装部品、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、基板３と接合させる側の全てのものをいう。また、基板３とは、たとえば、樹脂基板、ガラス基板、フィルム基板、チップ、ウエハーなど、種類や大きさに関係なく、チップ２と接合される側の全てのものを指す。
【００２０】
また、上記のようなステージ６、ヒートツール５は、一般には、平行移動および／または回転自在に装着されるが、必要に応じて、それらと昇降とを組み合わせた形態に装着してもよい。さらに、チップ２と基板３の位置合わせに関して、チップ２と基板３の位置合わせ後にツール５を下降させる装置形態であってもよい。
【００２１】
ヘッド部４には、該ヘッド部４をチップ接合方向に低加圧力をもって加圧可能な低摺動抵抗シリンダ手段としてのエアベアリングシリンダ７が連結されている。エアベアリングシリンダ７には、ピストン８に対し加圧側のエア圧を供給する加圧ポート９と、ピストン８に上昇側（バランス側）のエア圧を供給するバランスポート１０が設けられているとともに、ピストン８を空気の静圧により極めて低い摺動抵抗にて摺動方向に案内するエアスライドガイド１１が設けられている。このエアベアリングシリンダ７は、エアスライドガイド１１による極めて低い摺動抵抗（実質的に零抵抗）にて、加圧ポート９とバランスポート１０からのエア圧制御により、低加圧力領域において精度よく加圧力を制御できるようになっている。
【００２２】
エアベアリングシリンダ７の上端は、スライドボール機構等からなり回転（自転）が阻止された高精度ガイド１２のスライドメンバー１３の下端に連結されており、高精度ガイド１２は、ボールネジ軸１４とそれに螺合するナット１５を備えた送り機構１６に接続されている。スライドメンバー１３の下端には、圧力検知手段としての圧力センサ１７（たとえば、比較的高圧検知用のロードセル）が設けられている。エアベアリングシリンダ７のピストン８の上端は、この圧力センサ１７に対して離間、当接可能に配置されており、当接した場合には、送り機構１６、高精度ガイド１２を介して伝達されてきた加圧力を、ピストン８を介してヘッド部４に伝達できるように構成されている。この加圧力伝達時には、圧力センサ１７により直接的に伝達加圧力が検知される。
【００２３】
送り機構１６のボールネジ軸１４の上部は、スラスト荷重を受けることが可能な軸受１８に回転自在に支持されている。ボールネジ軸１４の上端部には、カップリング１９を介して、ボールネジ軸１４回転用の駆動源２０の出力軸が連結されており、本実施態様では、駆動源２０はサーボモータから構成されている。駆動源２０の制御により、送り機構１６を介してヘッド部４の上下方向（Ｚ軸方向）の位置が制御される。また、上述の如く、エアベアリングシリンダ７のピストン８の上端と圧力センサ１７とが当接されている場合には（あるいはピストン８がシリンダ内の一定の位置に固定されている場合には）、駆動源２０の制御により、送り機構１６、高精度ガイド１２、圧力センサ１７、エアベアリングシリンダ７を介してヘッド部４へと加圧力を伝達できるようになっている。
【００２４】
本実施態様では、駆動源２０、送り機構１６、高精度ガイド１２、圧力センサ１７、エアベアリングシリンダ７、ヘッド部４が同軸２１上に配置されている。とくに、実質的に、送り機構１６、圧力センサ１７、エアベアリングシリンダ７、ヘッド部４は、この順に同軸２１上に直列に配置されている。
【００２５】
このように構成された本実施態様に係る実装装置１においては、低加圧力領域においては、低摺動抵抗シリンダ手段としてのエアベアリングシリンダ７のピストン８と圧力センサ１７との間に隙間を保ち、エアベアリングシリンダ７のみによりヘッド部４に所定の低加圧力を付与できる。これにより、ヒートツール５に保持されたチップ２に対し、基板３への極めて低い微小加圧力まで精度よく制御できる。とくに空気の静圧を利用したエアスライドガイド１１でピストン８の摺動部を支持しているから、実質的に零に近い低摺動抵抗とすることができ、加圧ポート９、バランスポート１０への供給エア圧を電空変換レギュレータ等で制御することにより、加圧力としては、たとえば５×１０^-2Ｎ〜５Ｎ程度の低加圧力領域で±１×１０^-2Ｎと極めて高精度に制御可能となる。
【００２６】
一方、高加圧力領域（たとえば、５Ｎ〜２．５×１０³Ｎの範囲）においては、バランスポート１０から高エア圧を供給することにより、あるいは、送り機構１６によりヘッド部４を下降させ、チップ２が基板３に当接した状態でさらにある一定量Ｚ軸方向に下降させることにより、エアベアリングシリンダ７のピストン８の上端を圧力センサ１７に当接させた状態に保持できる。この状態で、駆動源２０を、たとえばトルク制御することにより、駆動源２０からの加圧力を、送り機構１６、高精度ガイド１２、圧力センサ１７を介して、エアベアリングシリンダ７のピストン８に伝達し、該ピストン８を介して、ヘッド部４、さらにはヒートツール５に保持されているチップ２へと伝達することができる。また、ピストン８と圧力センサ１７を近接させた状態で駆動源２０を位置制御からトルク制御へ切り替えれば自然と圧力センサ１７が設定圧力になるまでＺ軸は下降し、ピストン８と圧力センサ１７が当接される。この場合、シリンダ加圧力に駆動源２０のトルク制御圧がプラスされる状態となり、トルク制御圧を増加させていけば、低加圧力領域からのリニアな圧力制御が可能となる。
【００２７】
この高加圧力領域における力の伝達経路は、すべて機械的に接続された経路となり、その途中に介在されている圧力センサ１７では、伝達中の加圧力を正確に検知できることになる。検知された圧力をフィードバックし、その検知信号に基づいて駆動源２０（たとえば、サーボモータ）のトルクを制御することにより、加圧力は精度よく目標とする値に制御される。この高加圧力領域においては、高精度ガイド１２において数十×１０^-2Ｎ程度の摺動抵抗が生じるが、高加圧力領域においては無視できるレベルである。圧力センサ１７は高精度ガイド１２より被接合物側に設ける方が摺動抵抗の影響を受けずに高精度に検出できるため望ましい。このように、高加圧力領域においても、極めて高精度に加圧力が制御される。
【００２８】
また、この高加圧力領域の制御用に使用される圧力センサ１７は、比較的高圧検知用のものが選定されるから、耐圧上も全く問題を生じない。その結果、極めて微小な加圧力から高加圧力領域までの広い範囲にわたって、目標とする加圧力に精度よく制御することが可能となる。
【００２９】
また、上記低加圧力領域から高加圧力領域までの制御特性として、たとえば図２に示すようなリニアな特性を持たせれば、特に低加圧力領域における制御特性と高加圧力領域における制御特性を連続的に接続した特性とすれば、微小加圧力から高加圧力までの広い範囲にわたって、一層精度よく目標とする加圧力に制御することが可能となる。また、このようなリニアな制御特性により、たとえば、同一の装置で、実装の仕様や被接合物の種類等に応じて加圧力の設定を変更する場合においても、容易に条件変更でき、かつ、いずれの設定条件においても、高精度の加圧力制御を確保できる。
【００３０】
また、ヘッド部４、エアベアリングシリンダ７のピストン８、圧力センサ１７、送り機構１６を同軸２１上に配置しておけば、高加圧力領域においても加圧によるモーメントや被接合物の接合面方向への分力の発生を防止できるから、加圧実装時に、被接合物間の平行度や、被接合物の位置ずれの発生を回避でき、高い実装精度を達成できる。たとえば、高加圧力領域においても数ミクロンからサブミクロン台の高精度実装が可能になる。
【００３１】
さらに本実施態様では、サーボモータからなる送り機構１６の駆動源２０も前記同軸２１上に配置されているので、駆動源２０と送り機構１６はベルトのような弾性体を介さずに接続されることになり、位置精度、圧力精度ともにより高精度が望めるようになる。
【００３４】
また、上記実施態様において、低摺動抵抗シリンダ手段７のエアスライドガイド１１部分の横断面は、たとえば図３に示すように構成されており、摺動部における回転方向の動きが規制されるようになっている。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る実装装置およびその制御方法によれば、被接合物保持手段、低摺動抵抗シリンダ手段、圧力検知手段、送り機構、送り機構の駆動源を直列に配置し、低加圧力領域においては低摺動抵抗シリンダ手段により、高加圧力領域においては圧力検知手段と送り機構を用いて加圧力を制御することにより、低加圧力領域から高加圧力領域までの広い範囲にわたって精度よく加圧力を制御することが可能となり、高精度の実装が可能になるとともに、一台の装置で容易に広い範囲にわたる加圧力の要求に対応できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る実装装置の縦断面図である。
【図２】図１の装置における加圧力制御特性の一例を示す特性図である。
【図３】図１のエアベアリングシリンダ（低摺動抵抗シリンダ手段）のエアスライドガイド部分の拡大横断面図である。
【符号の説明】
１実装装置
２チップ
３基板
４ヘッド部
５ヒートツール
６ステージ
７低摺動抵抗シリンダ手段としてのエアベアリングシリンダ
８ピストン
９加圧ポート
１０バランスポート
１１エアスライドガイド
１２高精度ガイド
１３スライドメンバー
１４ボールネジ軸
１５ナット
１６送り機構
１７圧力検知手段としての圧力センサ
１８軸受
１９カップリング
２０駆動源
２１同軸

Claims

被接合物同士を接合する実装装置であって、一方の被接合物を保持する手段と、該保持手段を被接合物の接合方向に低加圧力をもって加圧可能な、ピストン摺動部にエアスライドガイドを備えたエアベアリングシリンダからなる低摺動抵抗シリンダ手段と、該低摺動抵抗シリンダ手段のピストンを介して伝達される加圧力を検知可能な圧力検知手段と、前記低摺動抵抗シリンダ手段を介して前記保持手段を被接合物の接合方向に送るとともに高加圧力をもって加圧可能な送り機構と、前記送り機構の駆動源とを、この順に同軸上で直列に配置し、かつ、前記低摺動抵抗シリンダ手段のピストンと前記圧力検知手段を、互いに離間、当接可能に配置したことを特徴とする実装装置。
低加圧力領域においては、前記送り機構により前記保持手段の位置を制御するとともに、前記低摺動抵抗シリンダ手段のみにより前記保持手段に付与する加圧力を制御し、高加圧力領域においては、前記送り機構をトルク制御に切り替え、該トルクにより前記低摺動抵抗シリンダ手段のピストンを介して前記保持手段に付与する加圧力を制御することを特徴とする、請求項１に記載の実装装置の制御方法。
前記低加圧力領域から高加圧力領域まで、加圧力をリニアに制御する、請求項２の実装装置の制御方法。