JP3918418B2

JP3918418B2 - 導電性ボールの搭載装置および搭載方法

Info

Publication number: JP3918418B2
Application number: JP2000272821A
Authority: JP
Inventors: 真一中里
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP2002083836A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性ボールを吸着して所定位置に搭載する導電性ボールの搭載装置および搭載方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板や電子部品の電極に金属バンプを形成する方法として、半田ボールなどの導電性ボール（以下、単に「ボール」と略記。）を電極上に搭載して半田接合する方法が知られている。ボールの搭載には、搭載ヘッドによりボールを真空吸着する方法が広く用いられている。この方法は、搭載ヘッドの吸着ヘッドの下面に設けられた多数の吸着孔にボールを吸着させてこの吸着ヘッドを移動させ、真空吸着を解除することによりボールを所定位置に搭載するものである。
【０００３】
吸着ヘッドの下面にボールを吸着させる方法として、多数のボールを貯溜したボール槽に対して吸着ヘッドを下降させて吸着ヘッドの下面にボールを直接吸着保持させる方法に替えて、予め吸着ヘッドの吸着孔配列に対応した位置に凹部が形成された整列部材に導電性ボールを配列しておく方法が採用されるようになっている。この方法によれば、ボールピックアップ時に吸着ヘッドの各吸着孔に速やかに正しくボールを保持させることができるという長所を有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この整列部材に予めボールを整列させる方法には、ボール吸着動作において以下のような問題点があった。この方法において整列状態のボールを正しく速やかに吸着ヘッドに吸着させるためには、整列部材と吸着ヘッドの位置合わせ、すなわちボールを収容した整列部材の凹部と吸着ヘッドの吸着孔との位置合わせを精度よく行う必要がある。ところがこの位置合わせ時には吸着ヘッドの下面と整列部材の上面とを近接位置で対向させることから、この状態では位置合わせの正否を視認することができず、正確な位置合わせが困難であった。
【０００５】
そこで本発明は、吸着ヘッドと整列部材との位置合わせを適切に行い、ボール吸着動作における不具合を防止できる導電性ボールの搭載装置および搭載方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の導電性ボールの搭載装置は、導電性ボールを保持して所定位置へ搭載する導電性ボールの搭載装置であって、上面に１個の導電性ボールを収容可能な凹部を所定の配列で複数備えた整列部材と、導電性ボールを真空吸着により保持する吸着孔が前記配列に応じて形成された吸着ヘッドと、この吸着ヘッドによって前記整列部材の各凹部に収容された導電性ボールを吸着するボール吸着動作における吸着ヘッド内の圧力を経時的に計測する圧力計測手段と、前記ボール吸着動作時における吸着ヘッドの整列部材に対する相対位置を変化させて得られた複数の圧力計測結果に基づいて最適の前記相対位置を求めることにより、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせを自動的に行う吸着位置調整手段とを備えた。
【００１０】
請求項２記載の導電性ボールの搭載方法は、導電性ボールを保持して所定位置へ搭載する導電性ボールの搭載方法であって、上面に１個の導電性ボールを収容可能な凹部を所定の配列で複数備えた整列部材の各凹部に収容された導電性ボールを前記配列に応じて吸着孔が形成された吸着ヘッドによって真空吸着するボール吸着動作において、吸着ヘッドの整列部材に対する相対位置を変化させながら吸着ヘッド内の圧力を経時的に計測して得られた複数の圧力計測値の経時変化に基づいて最適の前記相対位置の最適位置を求めることにより、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせを自動的に行うようにした。
【００１１】
本発明によれば、凹部内に収容された整列状態の導電性ボールを吸着ヘッドによって真空吸着するボール吸着動作において、吸着ヘッドの整列部材に対する相対位置を変化させながら吸着ヘッド内の圧力を経時的に計測して得られた複数の圧力計測値の経時変化に基づいて最適の相対位置を求めることにより、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせを簡便にかつ精度よく行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の斜視図、図２は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の吸着ヘッドの吸着孔および整列部材の凹部の説明図、図３は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の制御系の構成を示すブロック図、図４は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置のボール吸着動作の説明図、図５は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の表示画面を示す図、図６は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の吸着位置判定処理における圧力変化計測プログラムのフロー図、図７は本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の吸着位置調整プログラムのフロー図である。
【００１３】
まず、図１を参照して導電性ボールの搭載装置の全体構造を説明する。図１において、基台１上には位置決めテーブル２が設けられており、位置決めテーブル２上には基板３が保持されている。位置決めテーブル２を駆動することにより基板３は所定位置に位置決めされる。位置決めテーブル２の側方には、導電性ボール６（以下、単に「ボール６」と略記。）を整列状態で供給するボール供給部４が配設されている。ボール供給部４にはボール６の整列治具５が配設されており、整列治具５はボール６を１個だけ収容する凹部７（図２も参照）が所定配列で設けられた整列部材５ａを備えている。整列部材５ａの周囲は、ボール６を貯溜する貯溜部５ｂとなっている。
【００１４】
整列治具５は傾斜機構８によって回転軸８ａの廻りに所定角度だけ回動可能となっており、この回動により整列治具５は水平位置から傾斜する。そしてこの傾斜により貯溜部５ｂ内のボール６を整列部材５ａ上に移動させ、整列部材５ａの凹部７内に収容することができるようになっている。
【００１５】
次にボール６を搭載する搭載機構１０について説明する。基台１の上方には、位置決めテーブル２及びボール供給部４を移動範囲として含む移動テーブル１１が配設されている。移動テーブル１１には移動プレート１１ａが水平移動可能に装着されている。移動プレート１１ａには４軸移動機構１２が結合されている。４軸移動機構１２には吸着ヘッド１３が装着されており、吸着ヘッド１３は４軸移動機構１２によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向への移動及びθ方向への回転移動が可能となっている。
【００１６】
図２（ａ）に示すように吸着ヘッド１３の下面には、ボール６を真空吸着して保持する多数の吸着孔１３ａが設けられている。前述の整列部材５ａの凹部７の配列は、この吸着ヘッド１３の吸着孔１３ａの配列に応じたものとなっており、吸着ヘッド１３を整列部材５ａに対して位置合わせして吸着ヘッド１３の下面を整列部材５ａの上面に所定隙間で位置させることにより、格子状に配列された多数の吸着孔１３ａはそれぞれが凹部７と対向する。そしてこの状態で吸着ヘッド１３の内部を真空吸引することにより、整列部材５ａの凹部７内に収容された状態のボール６を吸着孔１３ａに真空吸着して保持することができる。そしてボール６を保持した吸着ヘッド１３を基板３を保持した位置決めテーブル２上に移動させ、ここで吸着ヘッド１３を基板３に対して上下動させることにより、吸着ヘッド１３に保持されたボール６は基板３に搭載される。
【００１７】
このボール吸着動作において、迅速にもれなく各吸着孔１３ａにボール６を吸着するためには、吸着孔１３ａと凹部７との位置合わせを正確に行う必要がある。すなわち、吸着孔１３ａや凹部７の製作誤差による位置のばらつきや、吸着ヘッド１３と整列治具５ａとの位置合わせ誤差のため、位置合わせ状態においては図２（ｂ）に示すように吸着孔１３ａと凹部７とは位置が完全に一致せず、水平方向にずれた状態となる。
【００１８】
次に図３を参照して、ボールの搭載装置の制御系の構成について説明する。入出力部２０はインターフェースであり、入出力部２０には以下に説明する各部が接続されており、入出力部２０を介して各部間で信号の授受が行われる。吸着ヘッド１３は制御バルブ２２を介して真空吸引源に接続されており、制御バルブ２２を制御することにより、吸着ヘッド１３による吸着動作を制御することができる。
【００１９】
圧力計２３は吸着ヘッド１３内の圧力を検出する。吸着ヘッド１３によるボール吸着動作において、圧力計２３によって所定インターバルで吸着ヘッド１３内の圧力（真空度）を計測することにより、吸着ヘッド１３内の圧力を経時的に計測することができる。圧力計２３は、吸着ヘッド１３内の圧力を経時的に計測する圧力計測手段となっている。
【００２０】
処理部２６は演算処理手段であり、以下に説明する処理プログラム及びデータに基づいて各種処理を行う。第１の記憶部２７はプログラム記憶部であり、以下の各種プログラムを記憶する。圧力変化計測プログラム２７ａは、吸着ヘッド１３内部の圧力変化、すなわち真空吸引時の真空度の経時変化を計測するプログラムである。
【００２１】
吸着位置判定プログラム２７ｂは、吸着ヘッド１３によって整列部材５ａからボール６を吸着する吸着動作時における吸着ヘッド１３の吸着位置、すなわち整列部材５ａに対する相対位置の良否を判定する処理を行うプログラムである。また、吸着位置調整プログラム２７ｃは、最適な吸着位置、すなわち最も効率よく迅速に吸着動作を行うことができる吸着位置を自動的に求め、この最適吸着位置に吸着ヘッド１３を位置決めする処理を行うプログラムである。通常運転プログラム２７ｄは、ボールの搭載処理に必要な他の通常動作を行うプログラムである。
【００２２】
ここで図４を参照して上記吸着位置について説明する。図４（ａ）は、ボール吸着時に整列治具５の整列部材５ａ上に吸着ヘッド１３を下降させた状態を平面的に示すものである。この位置合わせは、吸着ヘッド１３の位置を代表的に示すために定義される中心点１３ａ（吸着ヘッド１３の下面の重心点で定義される。）を特定座標点（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）に、また吸着ヘッド１３の方向を示す方向線Ｌを特定角度θ０に合わせることによって行われる。
【００２３】
この位置合わせによって、整列部材５ａに設けられた多数の凹部と吸着ヘッド１３の下面の多数の吸着孔１３ｂとが、平均的に大きな偏りを生じることなく対向した状態になるような特定座標点および特定角度を求めることにより、最適な吸着位置が設定される。後述するように本実施の形態では、最適な吸着位置を求めるに際し、図４（ｂ）に示すように格子状に定ピッチで定められた候補点Ｐ（ｉ）について実際にボール吸着動作を行い、最も迅速に吸着が行えた吸着位置を最適吸着位置として選定するようにしている。
【００２４】
第２の記憶部２８はデータ記憶部であり、吸着位置判定しきい値２８ａや、吸着位置設定値２８ｂなどのデータを記憶する。吸着位置判定しきい値２８ａは、吸着ヘッド１３内部の圧力の経時変化に基づいて、当該吸着位置が予め設定された圧力の変化条件に合致しているか否かを判定するためのしきい値であり、後述するように圧力計測結果を示すグラフ上での領域を示すデータの形式で設定される。吸着位置設定値２８ｂは、吸着位置調整処理によって求められた吸着位置、すなわち前述の吸着ヘッド１３の中心点１３ｂの特定座標点（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）及び方向線Ｌの特定角度θ０の４つの座標値である。
【００２５】
この吸着位置設定値２８ｂにしたがって、４軸移動機構１２によって吸着ヘッド１３を駆動することにより、吸着ヘッド１３を整列部材５ａに対して吸着動作を行う上での最適位置に位置合わせすることができる。表示部２４はモニタであり、圧力計２３による圧力計測結果を表示するとともに、吸着位置判定処理や吸着位置調整処理などの実行時の案内・入力画面を表示する。表示部２４は、圧力計測値の経時変化を表示する表示手段となっている。入力部２５はマウスやキーボードなどの入力手段であり、各種処理時の操作入力やデータ入力を行う。
【００２６】
次に図５を参照して、吸着位置設定処理時に表示部２４のモニタ上に表示される画面について説明する。図５において、画面３０の上部には吸着実行３１、自動設定３２、更新３３、終了３４の各操作選択ボタンが設定されている。また画面３０の下部には、吸着位置表示欄３８が設けられている。吸着位置表示欄３８には、吸着ヘッド１３の位置を示す座標値（Ｘ，Ｙ，Ｚ，θ）が表示される。ここでは、その時点での吸着ヘッド１３の実際の位置を示す現在値３８ａと、吸着位置として設定されている位置を示す設定値３８ｂの２通りの値が表示される。
【００２７】
吸着実行ボタン３１を操作することにより、吸着ヘッド１３によるボール吸着動作が実行される。自動設定ボタン３２を操作すると、後述する吸着位置調整プログラムが実行され、吸着位置の自動設定が開始される。更新ボタン３３を操作することにより、吸着位置表示欄３８の現在値３８ａが設定値３８ｂとして置き換えられる。終了ボタン３４を操作することにより、画面表示を終了する。
【００２８】
操作盤３５には、吸着ヘッド１３の位置を手動操作によって移動させるインチング操作ボタンが設定されている。Ｘ移動ボタン３５ａ，３５ｂ、Ｙ移動ボタン３５ｃ，３５ｄ、Ｚ移動ボタン３５ｅ，３５ｆ、及びθ移動ボタン３５ｇ，３５ｈをそれぞれ操作することにより、当該軸方向、当該回転方向へのインチング動作が行われる。この操作盤３５は、手動によって吸着位置の微調整を行う場合などに使用される。
【００２９】
また画面３０には、判定結果を示すグラフ３６が表示される。このグラフ３６上では、時間を横軸に吸着ヘッド１３内の圧力を縦軸下向きにした座標上に、圧力計測結果の時間変化を示す曲線が表示される。そしてグラフ３６には吸着位置が良好であることを示すＯＫ判定ゾーンＡが表示される。この判定は、所定時間内に所定の圧力レベルまで到達したか否かによって行われるものであり、ＯＫ判定ゾーンＡを圧力変化の計測結果を示す曲線が横切れば、当該計測結果における圧力の到達度が良好であり、すなわち吸着位置が良好であると判定される。
【００３０】
そして判定結果は、グラフ３６内の判定結果表示枠３７内にＯＫ，ＮＧの区別によって表示される。したがって、処理部２６は吸着位置判定プログラム２７ｂを実行することにより、ボール吸着動作における吸着ヘッド１３の整列部材５ａに対する相対位置の適否を判定する位置合わせ判定手段となっている。
【００３１】
図５に示す例では、３回の計測結果に該当する３つの曲線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が表示されている。このうち、曲線Ｃ１，Ｃ２は緩やかな曲率を示して圧力変化が遅く、吸着ヘッド１３によるボール吸着動作において完全にボール６が吸着されて圧力（真空度）が所定レベルまで到達するのに時間を要していることを示している。したがってこれらの曲線Ｃ１，Ｃ２によって示される吸着位置は、ＮＧであると判定される。これに対し、曲線Ｃ３は短時間のうちに圧力が大きく変化し、曲線Ｃ３はＯＫ判定ゾーンＡを横切る形で描かれている。すなわち、短時間で完全吸着を示す圧力（真空度）レベルに到達しており、この場合にはＯＫ判定がなされる。
【００３２】
前述の手動操作時には、まず吸着実行ボタン３１を操作し、吸着ヘッド１３によってボール６の吸着動作を行わせる。このとき自動的に圧力計測が行われ、計測結果がグラフ３６に表示されるとともに判定結果が表示される。この結果を確認がＯＫならば、更新ボタン３３を操作する。判定結果がＮＧであれば操作盤３５によって吸着位置を微調整した上で吸着実行ボタン３１を選択し、再度圧力変化計測プログラムによる判定を行わせる。そしてＯＫを確認した上で同様に更新ボタン３３を操作する。これにより、吸着位置が更新される。その後、終了ボタン３４を選択することにより手動設定処理が終了する。
【００３３】
次に、吸着位置の設定のために行われる圧力変化計測プログラムについて図６のフロー図に沿って説明する。図６において、まず制御バルブ２２が開にされる（ＳＴ１）。次いで、圧力計２１によって吸着ヘッド１３内の圧力を計測し（ＳＴ２）、すなわちサンプリング周期毎に圧力計の指示値を読み取って記憶させ、この計測結果を画面に表示させる（ＳＴ３）。そして、吸着位置ＯＫ判定ゾーンＡ（図５参照）内にデータがあるか否か、すなわち圧力変化を示す曲線が当該ゾーンを横切っているか否かを判断する（ＳＴ４）。ここで、ＮＯであればその旨ＮＧ判定結果を表示し（ＳＴ６）、ＹＥＳであれば該ゾーンへの到達時間を記憶させる（ＳＴ５）。そしてＯＫの判定結果を表示して（ＳＴ６）、圧力変化計測プログラムを終了する。
【００３４】
次に、吸着位置調整プログラムについて図７を参照して説明する。この吸着位置調整は、吸着位置を移動させながら圧力変化計測を反復し、最も良好な結果が得られた吸着位置を最適吸着位置として自動的に設定するものである。ここでは、図４（ｂ）に示すように、格子状に定ピッチで設定された吸着位置の各候補点Ｐ（ｉ）について、吸着ヘッド１３の中心点１３ｂを候補点に合わせると共に、方向線Ｌを微小角度θだけ回転させながらボールの吸着実行、圧力計測を反復することが行われる。
【００３５】
図７において、吸着ヘッド１３を設定値で示される位置へ移動する（ＳＴ１１）。すなわち、その時点で吸着位置として設定されている吸着位置（図５の吸着位置表示欄３８参照）に吸着ヘッド１３の位置を合わせる。次いで、前述のフロー図に従い、圧力変化計測プログラムが実行される（ＳＴ１２）。これにより、当該吸着位置における圧力計測結果が表示されると共に、吸着位置ＯＫ判定ゾーンＡへの到達時間が記憶される。
【００３６】
この後、吸着状態にあるボールを離脱させるリセット動作が行われ（ＳＴ１３），この後吸着ヘッド１３をθ方向へ微小回転させる（ＳＴ１４）。そして、再び圧力変化計測プログラムが実行され（ＳＴ１５）、リセット動作が行われる（ＳＴ１６）。この後θ方向の計測が完了したか否かが判断され（ＳＴ１７）、ＮＯであれば（ＳＴ１４）以降のステップが繰り返し行われる。
【００３７】
そしてθ方向完了を確認したならば、全候補点Ｐ（ｉ）についての計測処理が完了したか否かを判断し（ＳＴ１８）、ＮＯであれば、吸着ヘッド１３を次の候補点に移動させて（ＳＴ１９）、（ＳＴ１２）以降の各ステップを反復する。（ＳＴ１８）にて全候補点についての計測終了が確認されたならば、吸着位置ＯＫ判定ゾーンＡへの到達時間が最も短かった吸着位置を示す現在値を設定値とする（ＳＴ２０）。そしてこの設定値に基づいて通常運転プログラム２７ｄを実行することにより、吸着ヘッド１３は整列部材５ａに対して位置合わせされる。したがって処理部２６は、吸着位置判定プログラム２７ｂを実行することにより、吸着ヘッド１３の整列部材５ａに対する位置合わせを自動的に行う吸着位置調整手段となっている。
【００３８】
このように、本実施の形態に示す吸着位置の設定は、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせにおいて、実際の吸着動作時における吸着ヘッド１３内の圧力（真空度）が所定レベルまで到達するのに要する時間を計測し、この計測結果を位置合わせ良否の代用指標として用いるものである。このような方法を採用することにより、目視によって確認することが困難な吸着ヘッドの位置合わせを、精度よくしかも作業者の手間を煩わせることなく自動的に行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、凹部内に収容された整列状態の導電性ボールを吸着ヘッドによって真空吸着するボール吸着動作において、吸着ヘッドの整列部材に対する相対位置を変化させながら吸着ヘッド内の圧力を経時的に計測して得られた複数の圧力計測値の経時変化に基づいて最適の相対位置を求めるようにしたので、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせを簡便にかつ精度よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の斜視図
【図２】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の吸着ヘッドの吸着孔および整列部材の凹部の説明図
【図３】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の制御系の構成を示すブロック図
【図４】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置のボール吸着動作の説明図
【図５】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の表示画面を示す図
【図６】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の吸着位置判定処理における圧力変化計測プログラムのフロー図
【図７】本発明の一実施の形態の導電性ボールの搭載装置の吸着位置調整プログラムのフロー図
【符号の説明】
３基板
５ａ整列部材
６ボール
７凹部
１３吸着ヘッド
１３ａ吸着孔
２３圧力計
２４表示部
２７ａ圧力変化計測プログラム
２７ｂ吸着位置判定プログラム
２７ｃ吸着位置調整プログラム

Claims

導電性ボールを保持して所定位置へ搭載する導電性ボールの搭載装置であって、上面に１個の導電性ボールを収容可能な凹部を所定の配列で複数備えた整列部材と、導電性ボールを真空吸着により保持する吸着孔が前記配列に応じて形成された吸着ヘッドと、この吸着ヘッドによって前記整列部材の各凹部に収容された導電性ボールを吸着するボール吸着動作における吸着ヘッド内の圧力を経時的に計測する圧力計測手段と、前記ボール吸着動作時における吸着ヘッドの整列部材に対する相対位置を変化させて得られた複数の圧力計測結果に基づいて最適の前記相対位置を求めることにより、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせを自動的に行う吸着位置調整手段とを備えたことを特徴とする導電性ボールの搭載装置。
導電性ボールを保持して所定位置へ搭載する導電性ボールの搭載方法であって、上面に１個の導電性ボールを収容可能な凹部を所定の配列で複数備えた整列部材の各凹部に収容された導電性ボールを前記配列に応じて吸着孔が形成された吸着ヘッドによって真空吸着するボール吸着動作において、吸着ヘッドの整列部材に対する相対位置を変化させながら吸着ヘッド内の圧力を経時的に計測して得られた複数の圧力計測値の経時変化に基づいて最適の前記相対位置の最適位置を求めることにより、吸着ヘッドの整列部材に対する位置合わせを自動的に行うことを特徴とする導電性ボールの搭載方法。