JP4007327B2 - 作業ツールの昇降装置 - Google Patents

Description

本発明は、ボンディングツールなどの作業ツールを昇降させる作業ツールの昇降装置に関するものである。

半導体チップを基板にボンディングするダイボンディング装置においては、半導体チップを保持するボンディングツールの昇降動作が高速・高頻度で反復される。このボンディングツールの昇降においては、高速動作に加えて半導体チップを基板に押しつける際の荷重を精細に制御することが求められるため、ツール昇降機構には摺動抵抗が小さく安定した動作が可能な、転動式の案内機構が用いられている。

以下従来装置において用いられているボンディングツールの昇降機構について、図面を参照して説明する。図９は、従来のダイボンディング装置におけるボンディングツールの昇降機構の動作説明図である。図９（ａ）において、ホルダ１には外筒部２が装着されている。外筒部２の内部には、下端部にボンディングツール５が設けられた昇降シャフト４が、円筒状の案内機構３を介して昇降自在に保持されている。案内機構３は、複数のボールを筒状のボールリテーナによって保持した構成となっている。外筒部２の上下両端には、案内機構３が外筒部２から外れないよう、ストッパ２ａ、２ｂが装着されている。

ボンディングツール５によるボンディング動作においては、図９（ｂ）に示すように、ボンディングツール５は下降位置Ｌと上昇位置との間の昇降を反復し、昇降シャフト４が昇降ストロークＳ１だけ昇降する際には、案内機構３はボールが転動することにより案内機構３は昇降ストロークＳ１の半分のガイドストロークＳ２だけ昇降する。ここで外筒部２の長さは、昇降シャフト４が下降位置Ｌにある状態において案内機構３がストッパ２ａと干渉しないよう、長さ方向に余裕寸法Ａを見込んだ寸法設定となっている。

しかしながら、この昇降動作においては案内機構３のボールは転動するのみならず僅かに下方への滑りを生じ（マイクロスリップ現象）、高頻度で昇降を反復する過程で案内機構３は正規位置から徐々に下降する。そしてこの案内機構３の下降により当初確保されていた余裕寸法Ａが失われると、図９（ｃ）に示すように、案内機構３の下端部がストッパ２ａに干渉して、昇降シャフト４の円滑な昇降動作が阻害されるようになる。

このような転動式の直動ガイド機構における転動ガイド部の滑りに対しては、従来より幾つかの方法により対策がなされている（例えば特許文献１参照）。この特許文献に示す例では、プレス装置の金型の昇降案内機構においてボールを保持するボールリテーナの下降を防止するため、ガイドポストに装着されたボールリテーナに対してスプリングによって常に上方への付勢力を付与する方式を用いている。
特開２００１−１２１２２６号公報

しかしながら、ボンディング装置において上述の先行技術例のようにボールリテーナをスプリングによって上方に付勢する方式を採用しようとすれば、ボンディング装置のツール昇降機構に付勢用のスプリングを組み込む必要があり、機構コンパクト化の要請に反することとなる。さらにこの問題に加えて、スプリングによる付勢力のために転動案内機構の摺動抵抗が変動しやすく、高精度のボンディング荷重の制御が困難になるという問題があり、ボンディング装置のような高精度・高速動作が求められる機構には、上述先行技術
例に示す対策は適用が困難であった。このように、従来のボンディング装置に用いられるボンディングツールなど、高速・高精度の荷重制御が求められる昇降機構において、安定した動作を確保することが困難であるという問題点があった。

そこで本発明は、安定した動作を確保することができる作業ヘッドの昇降装置を提供することを目的とする。

本発明の作業ツールの昇降装置は、作業ツールを有し昇降駆動手段によって昇降動作を行う昇降部と、この昇降部を昇降自在に保持する支持部と、保持器に保持された複数の転動部材を有し前記転動部材を前記昇降部と前記支持部との間で挟んで転動させることにより前記支持部に対する前記昇降部の昇降動作を案内する案内機構とを備え、前記昇降部に前記保持器の下端部に当接して前記案内機構を上方へ押し上げる押上部を設けた。

また本発明の作業ツールの昇降装置は、下端部に作業ツールを有し昇降駆動手段によって昇降動作を行うシャフトと、このシャフトを挿入した状態で昇降自在に保持する外筒と、筒状の保持器に保持された複数のボールを有しこれらのボールを前記外筒とシャフトとの間に挟んで転動させることにより前記シャフトの昇降動作を案内する案内機構とを備え、前記シャフトに前記保持器の下端部に当接して案内機構を上方へ押し上げる押上部を設けた。

本発明によれば、昇降部に案内機構を上方へ押し上げる押上部を備えることにより、昇降動作を反復する過程において滑りにより徐々に下降する案内機構を上方へ押し上げることができ、案内機構が下降して他部品と干渉することに起因する動作異常を防止して、安定した動作を確保することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の断面図、図２は本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置における案内機構の断面図、図３、図４、図５、図６は本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の動作説明図である。

まず図１を参照して作業ツールの昇降装置の構造を説明する。ここでは電子部品を基板にボンディングにより実装するボンディング装置において、作業ツールとしてのボンディングツールを昇降させる昇降機構について示している。図１において、１１はボンディングヘッドに設けられてボンディングヘッドとともに移動する保持部材であり、保持部材１１には細長形状の円筒部材である外筒部１２が垂直方向に挿通して固着されている。

外筒部１２の内部には、昇降シャフト１４（シャフト）が案内機構１３を介して上下方向にスライド自在に装着されている。昇降シャフト１４は上下で径が異なる段付き形状であり、下半部は外径が外筒部１２の内径よりもわずかに小さい径大部１４ａとなっている。径大部１４ａの下端部には、ボンディング対象の電子部品を吸着保持して基板にボンディングするボンディングツール１５が設けられている。

ボンディングツール１５の下面には部品保持用の吸着孔１４ｃが開孔しており、吸着孔１４ｃは昇降シャフト１４を貫通して設けられた吸引孔１４ｂおよび昇降シャフト１４の上端部に結合されたシャフトヘッド１８を介して真空吸引源２２に接続されている。シャフトヘッド１８には連結ピン１９を介して駆動ロッド２０が結合されており、駆動ロッド２０は昇降駆動手段２１によって上下方向に駆動される。昇降駆動手段２１を駆動するこ
とにより、昇降シャフト１４はボンディングツール１５とともに一体的に昇降する。

外筒部１２の上部にはフランジ付円筒形状のスリーブ１６が上下方向にスライド自在に嵌着されており、スリーブ１６の外周にはフランジ部１６ａおよび保持部材１１の上面によって上下を挟まれたスプリング１７が装着されている。フランジ部１６ａはシャフトヘッド１８の下面に当接しており、昇降駆動手段２１によってシャフトヘッド１８を押し下げた状態では、スプリング１７はフランジ部１６ａを介してシャフトヘッド１８を上方に付勢する。

昇降駆動手段２１は荷重制御が可能となっており、昇降駆動手段２１によってによって昇降シャフト１４を下降させる際には、ボンディングツール１５によって電子部品を基板に押圧する荷重を制御することができるようになっている。そしてボンディングツール１５の上昇動作は、スプリング１７の付勢力によってシャフトヘッド１８を押し上げることによって行われる。また外筒部１２の長さ寸法および径大部１４ａの上端部位置の設定において、昇降シャフト１４が昇降駆動手段２１による最下降位置まで下降した場合でも、外筒部２の内部から径大部１４ａが完全に抜け落ちないように、寸法設定がなされている。

案内機構１３は、図２に示すように、円筒状のボールリテーナ１３ａに設けられたボール保持孔に、鋼やセラミックなどより成るボール１３ｂを保持させた構成となっている。昇降シャフト１４が外筒部１２の内部で上下にスライドする際には、昇降シャフト１４の外周面と外筒部１２の内周面との間にボール１３ｂが挟まれて転動することにより、案内機構１３は昇降シャフト１４の昇降動作を案内する。外筒部１２の上端部にはストッパ１２ａが設けられており、これにより案内機構１３の上方への離脱が防止される。

上記構成において、昇降シャフト１４は作業ツールとしてのボンディングツール１５を有し、昇降駆動手段２１によって昇降動作を行う昇降部となっている。また保持部材１１および外筒部１２は、この昇降部を昇降自在に保持する支持部を構成する。そして案内機構１３は、保持器であるボールリテーナ１３ａに保持された複数の転動部材であるボール１３ｂを有し、ボール１３ｂを昇降シャフト１４と外筒部１２の間で挟んで転動させることにより、外筒部１２に対する昇降シャフト１４の昇降動作を案内する。

次に昇降動作について図３〜図６を参照して説明する。図３（ａ）は、ボンディングツール１５が上昇状態で待機する上昇位置Ｌ１にあり、案内機構１３が正規高さ位置、すなわち案内機構１３を構成するボールリテーナ１３ａの下端部が所定の高さ位置である所定位置Ｌ３にあって、径大部１４ａの上端部とボールリテーナ１３ａの下端部との間に正常状態における余裕寸法Ａが確保された状態を示している。

ボンディング動作においてボンディングツール１５を下降位置Ｌ２まで下降させると、図３（ｂ）に示すように、ボンディングツール１５がツール昇降ストロークＳ１だけ下方に移動するとともに、案内機構１３は、ボール１３ｂが外筒部１２の内周面と昇降シャフト１４の外周面に接触して転動することにより、ツール昇降ストロークＳ１の１／２のガイドストロークＳ２だけ下降する。そしてボンディングツール１５が上昇して上昇位置Ｌ１に復帰する際には、案内機構１３はツール昇降ストロークＳ１の１／２のガイドストロークＳ２だけ上昇して所定位置Ｌ３に戻る。ボンディングツール１５による電子部品のボンディング動作においては、このような昇降動作が反復して行われる。

案内機構１３の昇降動作の反復において、ボール１３ｂは完全に転動状態で移動するのではなく、僅かに下方への滑りを生じながら転動する。このため案内機構１３は昇降動作の反復の都度わずかづつ下方へ滑り、ボンディングツール１５が上昇位置Ｌ１に上昇した
状態における案内機構１３の下端部の高さ位置は、当初の所定位置Ｌ３から徐々に下降し、予め見込まれていた余裕寸法Ａが徐々に失われれる。

そして図３（ａ）に示す余裕寸法Ａが全て失われると、図４、図５に示すように、ボールリテーナ１３ａの下端部が径大部１４ａの上端部に当接するに至る。そしてこの当接状態のままボンディングツール１５の昇降動作を継続すると、ボール１３ｂは正常な転動を行うことができず滑り摩擦状態で摺動し、昇降シャフト１４の円滑な昇降動作が阻害される。

このため、本実施の形態に示す作業ツールの昇降装置においては、昇降駆動手段２１によって、案内機構１３を所定位置Ｌ３まで戻すための押上動作を所定のインターバルで実行するようにしている。図６に示すように、ボンディングツール１５を上昇位置Ｌ１よりも上方に設定された押上位置Ｌ４まで上昇させることにより、径大部１４ａの上端部によって案内機構１３の下端部を所定位置Ｌ３まで押し上げる動作を行う。

すなわち、上記構成においては、昇降部としての昇降シャフト１４に保持器であるボールリテーナ１３ａの下端部に当接して案内機構１３を上方へ押し上げる押上部としての径大部１４ａを設けた構成となっている。そして昇降駆動手段２１は、少なくともボンディングツール１５を上昇状態で待機させる上昇位置Ｌ１と、上昇位置Ｌ１よりも上方に設定され案内機構１３を所定位置Ｌ３に戻すための押上位置Ｌ４とに、昇降シャフト１４を移動させる押上動作を行う。

この押上動作は、装置始動時、昇降動作を所定サイクル実行する度、メンテナンス時など、予め設定されたインターバル毎に作業者による操作を必要とせずに、自動的に実行される。これにより、ボンディングツール１５の昇降を反復する過程で案内機構１３の微小なすべり、いわゆるマイクロスリップによって失われた余裕寸法Ａを所定インターバルで回復することができ、案内機構１３と他部品との干渉に起因する動作異常が発生しない。したがって摺動抵抗が小さいという優れた特性を有する転動式の案内機構を安定して動作させることができ、ボンディングツールのような高速・高精度の荷重制御が求められる用途に適した作業ツールの昇降装置が実現される。

また上記構成では、昇降シャフト１４が昇降駆動手段２１により最下降位置まで下降した場合でも、径大部１４ａの上端は外筒部１２の内部に位置するようになっていることから、案内機構１３が外筒部１２から下方に抜け落ちることがない。したがって従来機構において必要とされた案内機構の抜け止め用のストッパを外筒部１２の下端部に設ける必要がなく、機構の簡略化が実現されている。

これにより、外筒部１２内へ昇降シャフト１４や案内機構１３を組み込む際に、予め昇降シャフト１４に案内機構１３を嵌め合わせた状態で、昇降シャフト１４を外筒部１４の下端部から挿入する組み立て手順が可能となる。このため、昇降シャフト１４の高さ方向における案内機構１３の位置を、極力下方に、すなわちボンディングツール１５に極力近接させて設定することができ、ボンディング動作においてボンディングツール１５に負荷される荷重を昇降シャフト１４で支持する上で、良好な荷重支持条件を実現することが可能となっている。

（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２のボンディング装置の正面図、図８は本発明の実施の形態２のボンディング装置における作業ツールの昇降機構の動作説明図である。

まず図７を参照して作業ツールの昇降装置としてのボンディング装置３０の構造を説明
する。基台３１上の中央部にはステージ３２が配設されており、ステージ３２の両側部には支持部である門型の支持フレーム３３が立設されている。支持フレーム３３の内側面には、昇降部である昇降ヘッド３５を昇降自在に支持する昇降ガイド部３７が設けられており、昇降ヘッド３５は下面に作業ツールとしてのボンディングツール３６を備えている。

昇降ヘッド３５は支持フレーム３３の上部に設けられた昇降駆動手段３４と結合されており、昇降駆動手段３４を駆動することにより、昇降ヘッド３５の下面のボンディングツール３６はステージ３２上に載置された基板（図示省略）に対して昇降動作を行う。これによりボンディングツール３６は、上昇状態で待機する上昇位置Ｌ１１と、下降位置Ｌ１２および上昇位置よりも上方に設定され後述する案内機構３８を所定の高さ位置に戻すための押上位置Ｌ１４とに移動する。

昇降ガイド部３７は支持フレーム３３の一部を構成する第１の部材３３ａと、昇降ヘッド３５の一部を構成する第２の部材３５ａとの間に、図８に示す案内機構３８を介在させた構造となっている。図８に示すように、案内機構３８は、板形状の保持器であるローラリテーナ３８ａに設けられた保持孔に、転動部材であるローラ３８ｂを保持させた構成となっている。第１の部材３３ａの上下端にはそれぞれストッパ４０ａ、４０ｂが、また第２の部材３５ａの上下端にはそれぞれ押上部４１ａ、ストッパ４１ｂが設けられている。押上部４１ａは実施の形態１における径大部１４ａと同様に、案内機構３８を押し上げる機能を有している。

上記構成において、昇降ヘッド３５は作業ツールとしてのボンディングツール３６を有し、昇降駆動手段３４によって昇降動作を行う昇降部となっている。また支持フレーム３３は、この昇降部を昇降自在に保持する支持部を構成する。そして案内機構３８は、保持器であるローラリテーナ３８ａに保持された複数の転動部材であるローラ３８ｂを有し、ローラ３８ｂを昇降部の一部である第２の部材３５ａと支持部の一部である第１の部材３３ａとの間で挟んで転動させることにより、第１の部材３３ａに対する第２の部材３５ａの昇降動作を案内する。そして、ローラリテーナ３８ｂの下端部に当接して案内機構３８を上方へ押し上げる押上部４１ａを、昇降部の一部である第２の部材３５ａに設けた構成となっている。

図８（ａ）は、正常状態における昇降ガイド部３７の動作状態を示している。すなわち昇降ヘッド３５が上昇位置にある状態では、（イ）に示すように、ローラリテーナ３８ａは第１の部材３３ａ、第２の部材３５ａのいずれに対しても高さ方向の中間位置に存在し、ローラリテーナ３８ａの下端部は、実施の形態１における所定位置Ｌ３と同様に、案内機構３８が他部品と干渉しないための余裕寸法が確保された所定位置Ｌ１３のレベルにある。

ボンディング動作において昇降ヘッド３５が昇降すると、（ロ）に示すように第２の部材３５ａが（イ）の状態からツール昇降ストロークＳ１１だけ下降する。これにより、案内機構３８はツール昇降ストロークＳ１１の半分のガイドストロークＳ１２だけ下降する。そして昇降ヘッド３５が上昇してボンディングツール３６が上昇位置Ｌ１１に復帰する際には、案内機構３８はツール昇降ストロークＳ１１の半分のガイドストロークＳ２だけ上昇してローラリテーナ３８ｂの下端部は所定位置Ｌ１３に戻る。

この昇降ヘッド３５の昇降動作を反復すると、実施の形態１におけるボール１３ｂと同様に、ローラ３８ｂのマイクロスリップ現象によって案内機構３８が徐々に下降し、やがて図８（ｂ）に示すように、ローラリテーナ３８ａに保持された最下端のローラ３８ｂがストッパ４０ａに当接するようになる。そしてこの状態のまま昇降ヘッド３５の昇降動作を継続すると、ローラ３８ｂが正常な転動を行うことができず、昇降ヘッド３５の円滑な
昇降が阻害される。

このような不具合を防止するため、実施の形態１と同様に、昇降ヘッド３５によってボンディングツール３６を昇降させるボンディング動作を反復する過程において、昇降駆動手段３４によって、案内機構３８を所定位置Ｌ１３まで戻すための押上動作を所定のインターバルで実行するようにしている。すなわち図８（ｃ）に示すように昇降駆動手段３４によって昇降ヘッド３５の第２の部材３５ａを上昇させて、押上部４１ａをローラリテーナ３８ｂの下端部に当接させる。そしてボンディングツール３６が押上位置Ｌ１４に到達する高さレベルまで第２の部材３５ａを上昇させることにより、ローラリテーナ３８ａの下端部を当初の所定位置Ｌ１３まで戻す。

この押上動作は、実施の形態１と同様に装置始動時、昇降動作を所定サイクル実行する度、メンテナンス時など、予め設定されたインターバル毎に作業者による操作を必要とせずに、自動的に実行される。これにより、昇降ヘッド３５の昇降を反復する過程で案内機構３８のマイクロスリップによって失われた余裕寸法を所定インターバルで回復することができ、これにより、図８（ｂ）に示すローラ３８ｂとストッパ４０ａとの干渉による動作異常を生じることがない。

本発明の作業ツールの昇降装置は、案内機構が下降して他部品と干渉することに起因する動作異常を防止して、安定した動作を確保することができるという効果を有し、ダイボンディング装置においてボンディングツールを昇降させる昇降装置に利用可能である。

本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の断面図 本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置における案内機構の断面図 本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の動作説明図 本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の動作説明図 本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の動作説明図 本発明の実施の形態１の作業ツールの昇降装置の動作説明図 本発明の実施の形態２のボンディング装置の正面図 本発明の実施の形態２のボンディング装置における作業ツールの昇降機構の動作説明図 従来のダイボンディング装置におけるボンディングツールの昇降機構の動作説明図

符号の説明

１１ 保持部材
１２ 外筒部
１３ 案内機構
１３ａ ボールリテーナ
１３ｂ ボール
１４ 昇降シャフト
１４ａ 径大部
１５ ボンディングツール
２１ 昇降駆動手段
３３ 支持フレーム
３３ａ 第１の部材
３４ 昇降駆動手段
３５ 昇降ヘッド
３５ａ 第２の部材
３６ ボンディングツール
３７ 昇降ガイド部
３８ 案内機構
３８ａ ローラリテーナ
３８ｂ ローラ

Claims (8)

1. 作業ツールを有し昇降駆動手段によって昇降動作を行う昇降部と、この昇降部を昇降自在に保持する支持部と、保持器に保持された複数の転動部材を有し前記転動部材を前記昇降部と前記支持部との間で挟んで転動させることにより前記支持部に対する前記昇降部の昇降動作を案内する案内機構とを備え、前記昇降部に前記保持器の下端部に当接して前記案内機構を上方へ押し上げる押上部を設けたことを特徴とする作業ツールの昇降装置。
2. 前記昇降駆動手段は、少なくとも前記作業ツールを上昇状態で待機させる上昇位置と、前記上昇位置よりも上方に設定され前記案内機構を所定の高さ位置に戻すための押上位置とに前記昇降部を移動させることを特徴とする請求項１記載の作業ツールの昇降装置。
3. 前記転動部材がボールであることを特徴とする請求項１記載の作業ツールの昇降装置。
4. 前記転動部材がローラであることを特徴とする請求項１記載の作業ツールの昇降装置。
5. 下端部に作業ツールを有し昇降駆動手段によって昇降動作を行うシャフトと、このシャフトを挿入した状態で昇降自在に保持する外筒部と、筒状の保持器に保持された複数のボールを有しこれらのボールを前記外筒部とシャフトとの間に挟んで転動させることにより前記シャフトの昇降動作を案内する案内機構とを備え、前記シャフトに前記保持器の下端部に当接して案内機構を上方へ押し上げる押上部を設けたことを特徴とする作業ツールの昇降装置。
6. 前記押上部が、前記シャフトに形成された径大部であることを特徴とする請求項５記載の作業ツールの昇降装置。
7. 前記シャフトが前記昇降駆動手段により最下降位置まで下降した場合でも、前記押上部の上端は前記外筒部の内部に位置することを特徴とする請求項５または６記載の作業ツールの昇降装置。
8. 前記昇降駆動手段は、少なくとも前記作業ツールを上昇状態で待機させる上昇位置と、前記上昇位置よりも上方に設定され前記案内機構を所定の高さ位置に戻すための押上位置とに前記昇降部を移動させることを特徴とする請求項５記載の作業ツールの昇降装置。
   

Images