JP4060818B2 - 電子部品のボンディング方法及びボンディング装置 - Google Patents

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この発明は、リードフレームなどの基板に電子部品をボンディングするボンディング方法及びボンディング装置に関する。
たとえば、電子部品としての半導体チップをリードフレームなどの基板にボンディングする場合、ノズル体の下端に上記チップを吸着保持し、このチップを上記基板に押圧することでボンディングする。
ボンディング時に、ノズル体がチップを基板に押圧する押圧力(ボンディング荷重)が小さいとボンディング不良となり、大き過ぎるとチップにダメージを与え、割れや欠けを生じるということがある。したがって、上記押圧力はチップや基板の厚さなどに応じて最適値に設定する必要がある。
そこで、従来は上記チップが基板にボンディングされる実装面の高さを予め検出してボンディング装置にティーチングし、そのティーチングに基いて上記チップを上記基板に所定の押圧力でボンディングするようにしている。
ティーチングのために実装面の高さを検出する場合、上記ノズル体を所定の速度で下降させ、このノズル体の先端に吸着されたチップを実装面に当接させる。上記ノズル体は上下駆動される駆動体に、上下方向に移動可能かつ下降方向に弾性的に付勢されて設けられている。
上記チップが上記実装面に当接すると、そのことが圧力センサによって検出される。圧力センサは、チップが実装面に当接してノズル体が弾性的に上昇すると、圧力センサに気体を供給するための管路が開放され、この管路内の圧力が低下する。したがって、圧力センサが検出する気体の圧力が低下したときの上記駆動体の下降位置から上記実装面の高さを検出することが可能となっている。
実装面の高さを検出する手段としては、気体の圧力を利用した圧力センサの他に、ノズル体の先端と実装面とのギャップを電気的に検出するギャップセンサやノズル体の先端と実装面との電気的導通によって検出する導通センサなどがある。このような従来技術は特許文献1に示されている。
しかしながら、これらのセンサは、圧力センサに比べて検出精度が比較的高い反面、極めて高価であるばかりか、塵埃の付着などによって精度が大きく低下するため、メンテナンスを頻繁に行なわなければならないということがあり、実用性で圧力センサに劣るということがある。
ところで、圧力センサの場合、ノズル体を下降させてチップが実装面に当たり、ノズル体が駆動体に対して相対的に上昇したときに、そのことを気体の圧力変化によって検出する。そのため、チップが実装面に当たってから管路内の気体圧力が低下し、そのことを圧力センサが検出するまでに遅れが生じることが避けられない。したがって、チップが実装面に当たったことを圧力センサが検出した時点では、ノズル体が設けられた駆動体はチップが実装面に接触した位置よりもさらに下降してしまうことになる。
そこで、上記駆動体を十分に緩やかな速度で下降させ、上記圧力センサによってチップが実装面に当接した時の上記駆動体の高さ位置を検出できるようにしている。
実公平1−40196号公報
しかしながら、駆動体の下降速度を緩やかにしても、チップが実装面に当たってからそのことを圧力センサが検出するまでに時間差が生じることが避けられない。
また、実装面の高さをティーチングするために、駆動体の下降速度を緩やかにして実装面の高さを検出するようにすると、実装面の高さを検出するために要する時間が上記下降速度に応じて長くなるから、生産性の低下を招くということがある。
とくに、1枚の基板に数mmのチップを行列状に数百個ボンディングするマトリックスボンディングの場合、数百の実装面の高さをそれぞれ検出してティーチングしなければならないから、それらの検出に極めて多くの時間が掛かるということになる。
この発明は、電子部品の実装面をティーチングする際、その実装面の高さ位置の検出を能率よく行なうことができるようにした電子部品のボンディング方法及びボンディング装置を提供することにある。
この発明は、駆動体にノズル体を下降方向に弾性的に付勢して設け、このノズル体に保持された電子部品をボンディングする前に、この電子部品がボンディングされる実装面の高さを検出し、その検出された高さに基いて上記電子部品をボンディングするボンディング方法において、
上記駆動体を第1の速度で下降させて上記実装面の高さを検出する際に、検出遅れによって生じる上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触した時点よりも上記駆動体が下降する最大下降位置を検出し、ついで、この最大下降位置から上記駆動体を上記第1の速度よりも遅い第2の速度で上昇させて上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触したときの駆動体の高さ位置を実装面の高さとして検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングし、
つぎに電子部品をボンディングする際には、上記駆動体が上記検出された実装面の高さよりもわずかに高い第1の切換え位置に下降するまで上記第1の速度よりも速い第3の速度で上記駆動体を下降させた後、上記第1の切換え位置から検出遅れによって生じる上記実装面の高さよりも低い最大下降位置まで上記第1の速度で下降させたならば、この最大下降位置から上記実装面の高さよりもわずかに低い第2の切換え位置まで上記第2の速度よりも速い第4の速度で上昇させた後、上記第2の切換え位置から上記第2の速度で上昇させて新たな実装面の高さを検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングすることを特徴とする電子部品のボンディング方法にある。
電子部品のボンディングが3回以上繰り返して行なわれるとき、上記実装面の高さの検出は、1回前のティーチング時に検出された最大下降位置と実装面の高さに基いて行なうことが好ましい。
電子部品のボンディングが3回以上繰り返して行なわれるとき、上記実装面の高さの検出は、1回目のティーチング時に検出された最大下降位置と実装面の高さに基いて行なうことが好ましい。
上記実装面の高さ位置の検出は、上記ノズル体又はノズル体に保持された電子部品が実装面に接離する際に生じる気体の圧力変化で行なうことが好ましい。
この発明は、電子部品がボンディングされる実装面の高さを検出してその高さに基いて上記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置において、
上下方向に駆動される駆動体と、
この駆動体に上下方向に移動可能に設けられるとともに下降方向に弾性的に付勢され下端に上記電子部品が保持されるノズル体と、
上記駆動体を上下方向に駆動する駆動手段と、
上記駆動体が下降方向に駆動されて上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に当接して上記駆動体に対して相対的に上昇したときに、そのことを気体の圧力を変化させて検出する検出手段と、
上記駆動手段の駆動を制御するとともに上記検出手段の検出に基いて上記実装面を算出する制御手段とを具備し、
上記制御手段は、
上記駆動体を第1の速度で下降させて上記実装面の高さを検出する際に検出遅れによって生じる上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触した時点よりも上記駆動体が下降する最大下降位置を検出し、ついで、この最大下降位置から上記駆動体を上記第1の速度よりも遅い第2の速度で上昇させて上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触したときの駆動体高さ位置を上記実装面の高さとして検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングし、
つぎに電子部品をボンディングする際には、上記駆動体が上記検出された実装面の高さよりもわずかに高い第1の切換え位置に下降するまで上記第1の速度よりも速い第3の速度で上記駆動体を下降させた後、上記第1の切換え位置から検出遅れによって生じる上記実装面よりも低い最大下降位置まで上記第1の速度で下降させたならば、この最大下降位置から上記実装面の高さよりもわずかに低い第2の切換え位置まで上記第2の速度よりも速い第4の速度で上昇させた後、上記第2の切換え位置から上記第2の速度で上昇させて新たな実装面の高さを検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングすることを特徴とする電子部品のボンディング装置にある。
この発明によれば、実装面の高さ位置の検出精度を低下させることなく、ティーチング時の実装面の高さ位置の検出を能率よく行なうことが可能となる。
以下、この発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。
図1はこの発明のボンディング装置の概略的構成を示し、同図中1は駆動体である。この駆動体1は図示しないリニアガイドに上下方向にスライド可能に支持されている。駆動体1の基端部にはねじ軸2が螺合され、このねじ軸2は駆動手段としての駆動源3によって回転駆動される。それによって、上記駆動体1は上記駆動源2によって上下方向に駆動されるようになっている。
上記駆動体1の先端部にはノズルホルダ5が設けられている。このノズルホルダ5にはノズル体6が上下方向にスライド可能に保持されている。上記ノズルホルダ5の上端面には保持体7が立設されている。この保持体7の上端に設けられた係止片8と上記ノズル体6の上端面との間には、このノズル体6を下降方向に弾性的に付勢する付勢手段としてのばね9が設けられている。このばね8によってボンディング力が付与される。なお、付勢手段としてはばね9に代わりボイスコイルモータなどであってもよい。
上記ノズルホルダ5の上端部には舌片11が側方に延出され、この舌片11には厚さ方向に貫通する接続孔12が形成されている。ノズル体6には上記接続孔12の上端開口に対向する位置に閉塞部13が設けられている。この閉塞部13は、ノズル体6がばね9によって下方に付勢されることで、上記接続孔12の上端開口を閉塞する。また、兵側部13が舌片11に当接することで、ノズル体6の高さ方向の位置が決定される。
上記接続孔13の下端開口には気体としての圧縮空気が供給される配管14が接続されている。この配管14の中途部には配管14内の気体の圧力を検出する圧力センサ15が設けられている。この圧力センサ15の検出信号は制御装置17に入力される。この制御装17は圧力センサ15の検出信号及び予め設定された設定パターンに基づいて上記駆動体1を後述するように上下駆動する。それによって、上記ノズル体6の下端に吸着保持された電子部品としてのチップ21をリードフレームなどの基板22に所定の押圧力でボンディングすることができるようになっている。なお、基板22はボンディングステージ23にたとえば吸着などの手段によって保持されている。
つぎに、上記構成のボンディング装置によってチップ21を基板22にボンディングする手順に付いて説明する。
チップ21を基板22にボンディングするに先立って、制御装置17においては基板22のチップ21がボンディングされる箇所、つまり実装面の高さに関するティーチング作業が行なわれ、そのティーチングされた位置に基いてチップ21が基板22の実装面に実装される。たとえば、基板22に数百個のチップ21を行列状にマルチボンディングする場合、各チップ21がそれぞれボンディングされる全ての実装面の高さ位置に関してティーチング作業が行なわれる。ティーチングされた高さ位置に基いてボンディング時の押圧力を設定すれば、基板22を保持するボンディングステージ23の保持面に凹凸があったり、ボンディングステージ23の水平精度が悪くても、それぞれのチップ21をそれぞれの実装面に同じ押圧力でボンディングすることが可能となる。
図3は基板2における最初のチップ21がボンディングされる実装面の高さのティーチング時の駆動体1、ノズル体6の下降曲線、配管14内の圧力及び圧力センサ15の出力を示している。ノズル体6をXY方向に駆動してチップ21を吸着保持した状態のノズル体6が所定のチップ21を実装する実装面の上方に位置するよう位置決めした後、ノズル体6を同図中Zβ1で示す実装面の高さ位置よりも十分に高い位置から比較的緩やかな速度で下降させる。このときの下降速度を速度Vとする。なお、このとき、実装面Zβ1の高さ位置は未知である。
駆動体1を下降させることで、ノズル体6の先端に吸着されたチップ21が基板22の実装面に当たると、ノズル体6が駆動体1に対してばね9の付勢力に抗して相対的に上昇する。それによって、ノズル体6の閉塞部13によって閉塞された接続孔12の上端が開放されるから、配管14内の気体圧力が低下し、その圧力が図3にSで示すしきい値になると、そのことを圧力センサ15が検出する。その状態を図2(a)に示す。
圧力センサ15からの検出出力は、上述したようにチップ21が基板22に当たった時点よりも時間的に遅れが生じる。この遅れを図3にDで示す。そのため、圧力センサ15の検出信号が制御装置17に入力され、その検出信号によって駆動体1の下降が停止させられるときには、駆動体1の下降位置は、同図にZα1で示すようにチップ21が基板22の実装面に当たったときの駆動体1の位置よりも下方になっている。このZα1の高さ位置を最大下降位置とする。
圧力センサ15の検出信号によって駆動体1の下降を停止させたならば、制御装置17によって最大下降位置にある駆動体1を上昇させる。このときに駆動体1の上昇速度は下降時の速度Vに比べて十分に遅い速度Vとする。
駆動体1を速度Vで上昇させていくにつれてばね9の復元力によってノズル体6が駆動体1に対して相対的に下降する。そして、チップ21が実装面に接触した高さである、実装面の高さまで駆動体1が上昇すると、図2(b)に示すようにノズル体6の閉塞部13が接続孔12の上端開口を閉塞するから、配管14内の圧力が上昇し、その圧力がしきい値Sになると、そのことが圧力センサ15によって検出される。このときの駆動体1の高さ位置が実装面の高さ位置Zβ1として検出される。
駆動体1を最大下降位置Zα1から上昇させるときの速度Vは、下降時の速度Vに比べて十分に遅い速度に設定されているから、圧力センサ15による検出遅れを生じることなく、駆動体1の高さ位置である、実装面の高さ位置Zβ1を検出することができる。
このようにして、圧力センサ15が実装面の高さ位置Zβ1を検出し、その検出信号が制御装置17に入力されると、駆動体1の上昇が停止する。そして、制御装置17には駆動体1の最大下降位置Zα1と実装面の高さ位置Zβ1とが記憶される。つまり、高さ位置Zβ1がティーチングされることになる。
このようにして、下降速度Vで駆動体1を下降させて基板22に実装される、最初(1回目)のチップ21の実装面の高さ位置Zβ1と、そのときの駆動体1の最大下降位置Zα1とを検出して制御装置17は記憶し、ボンディング時にその記憶した高さ位置Zβ1に基いてチップ21を基板22に当接させて押圧する押圧力を設定し、実装面にチップ21がボンディングされることになる。それによって、最初のチップ21を最適な押圧力で基板22にボンディングすることが可能となる。
図4は、隣接するつぎのボンディング位置にチップ21をボンディングする、2回目のティーチング時の駆動体1、ノズル体6の下降曲線、配管14内の圧力及び圧力センサ15の検出出力を示している。ノズル体6にチップ21を吸着保持した状態で、駆動体1を最初のティーチング時の下降速度Vに比べて十分に速い第3の速度Vで、最初のティーチング時に検出された実装面の高さ位置Zβ1よりも数mm、たとえば1〜3mm程度高い位置まで下降させる。この高さ位置を第1の切換え位置Zγ1とする。
駆動体1を第1の切換え位置Zγ1まで下降させたならば、この駆動体1の下降速度を最初のティーチング時と同じ下降速度V1に切換えて下降させる。圧力センサ15の検出には応答遅れがあるから、チップ21が基板22の実装面に当たっても、その時点より遅れて駆動体1の下降が停止される。それによって、駆動体1はチップ21が実装面に当たったときの位置よりも低い位置にある。このときの実装面の高さ位置をZβ2とし、駆動体1の下降位置を最大下降位置Zα2とする。ただし、この時点では実装面の高さ位置Zβ2は未知数である。
駆動体1を最大下降位置Zα2まで下降させたならば、この駆動体1を最初のティーチングの上昇速度Vに比べて速い第4の速度Vで上昇させる。駆動体1は第4の速度Vで第2の切換え位置Zδ1まで上昇させる。第2の切換え位置Zδ1は、Zα2よりも最初のティーチング時に検出した最大下降位置Zα1と実装面の高さ位置Zβ1との高さの差の4分の3の高さ分上方位置に設定する。この4分の3の高さの設定は、ティーチング時における最大下降位置と実装面の高さ位置のバラツキ度合によって実験的に設定したものであり、ばらつきが少なければ5分の4或いはそれ以上高い位置であってもよい。
このように、第2の切換え位置Zδ1まで駆動体1を第4の速度Vで上昇させたならば、この駆動体1の上昇速度を1回目のティーチング時の上昇速度と同じ速度Vに変更する。そして、配管14内の圧力がしきい値Sに上昇し、そのことを圧力センサ15が検出したときの駆動体1の高さ位置を、2回目のティーチングによって検出された実装面の高さ位置Zβ2とする。
そして、実装面の高さ位置Zβ2と最大下降位置Zα2とを制御装置17は記憶し、この2番目のチップ21のボンディング時には、実装面の高さ位置Zβ2に基いてボンディング時の押圧力を設定してチップ21を基板22に実装する。これにより、2番目のチップ21も最初のチップ21と同じ押圧力でボンディングすることができる。
つぎに、n回目のティーチングを行なうときには、(n−1)回目の最大下降位置Zαn−1と、実装面の高さ位置Zβ(n−1)に基いて第1の切換え位置Zγnと第2の切換え位置Zδnを決定し、そこに至るまでの下降及び上昇時の第3の速度Vと第4の速度Vを、それぞれ第1の速度V及び第2の速度Vよりも速くする。
それによって、駆動体1を下降させ始めてから、実装面の高さ位置を検出するまでのサイクル時間を、第1の速度Vと第3の速度Vとの時間差及び第2の速度Vと第4の速度Vの時間差の分だけ速くすることができるから、サイクルタイムの短縮化を図ることができる。つまり、実装面のティーチングの能率向上を図ることができ、とくに1枚の基板22に数百のチップ21を行列状にボンディングするマルチボンディングの場合には極めて有効である。
しかも、第1の切換え位置Zγnから最大下降位置Zαnまでは1回目のティーチング時と同じ速度Vであるから、駆動体1が圧力センサ15の応答遅れによって1回目の実装面Zβ1を検出するときに比べ下降し過ぎるのを防止できる。同様に、第2の切換え位置Zδnから実装面の高さ位置Zβnを検出するまでの速度も1回目のティーチング時と同じ速度Vであるから、実装面の高さ位置Zβnを常に一定の精度で検出することが可能となる。
上記一実施の形態では、n回目のティーチングを行なうときに、(n−1)回目の最大下降位置Zα(n−1)の高さと実装面の高さ位置Zβ(n−1)とをもとに第1の切換え位置Zγnと第2の切換え位置Zδnを求めたが、第1の切換え位置Zγnと第2の切換え位置Zδnとは、1回目のティーチング時に求めた最大下降位置Zα1の高さと実装面の高さ位置Zβ1とを基準にして2回目〜n回目までの第1の切換え位置Zγ(2〜n)と第2の切換え位置Zδ(2〜n)とを求めるようにしてもよい。
また、ティーチング時にノズル体の先端にチップを吸着保持して行なうようにしたが、チップを吸着しない状態で、ノズル体の先端面を基板に押し当てて行なうようにしてもよい。
また、基板22にチップ21をボンディングするにあたっては、すべてのチップ21に対応する実装面の高さ位置をそれぞれ予め求め、その後にボンディング動作を行なうようにしてもよいし、個々に実装面の高さ位置を求めた時点でボンディングを行なうようにしてもよい。
また、ボンディングされる全てのチップ21に対応する実装面の高さ位置をそれぞれ求める例で説明したが、より生産性を重視するのであれば、たとえば全てのチップ21を数個毎のチップ群に分け、チップ群毎に、その中の1個のチップ21に対応する実装面の高さを求め、求めた実装面の高さ位置をそのチップ群で共通して用いて押圧力を設定するようにしてもよい。
この発明の一実施の形態を示すボンディング装置の概略的構成図。 (a)は駆動体が最大下降位置まで下降したときのノズルホルダに対するノズル体のスライド位置の説明図、(b)は駆動体が最大下降位置からボンディング位置まで上昇したときのノズルホルダに対するノズル体のスライド位置の説明図。 1回目のティーチング時にけるノズル体の下降曲線、配管内の圧力変化及び圧力センサの出力の関係を示す図。 2回目のティーチング時におけるノズル体の下降曲線、配管内の圧力変化及び圧力センサの出力の関係を示す図。
符号の説明
1…駆動体、3…駆動源、5…ノズルホルダ、6…ノズル体、12…接続孔、13…閉塞部、15…圧力センサ、17…制御装置、21…チップ、22…基板。

Claims (5)

  1. 駆動体にノズル体を下降方向に弾性的に付勢して設け、このノズル体に保持された電子部品をボンディングする前に、この電子部品がボンディングされる実装面の高さを検出し、その検出された高さに基いて上記電子部品をボンディングするボンディング方法において、
    上記駆動体を第1の速度で下降させて上記実装面の高さを検出する際に、検出遅れによって生じる上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触した時点よりも上記駆動体が下降する最大下降位置を検出し、ついで、この最大下降位置から上記駆動体を上記第1の速度よりも遅い第2の速度で上昇させて上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触したときの駆動体の高さ位置を実装面の高さとして検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングし、
    つぎに電子部品をボンディングする際には、上記駆動体が上記検出された実装面の高さよりもわずかに高い第1の切換え位置に下降するまで上記第1の速度よりも速い第3の速度で上記駆動体を下降させた後、上記第1の切換え位置から検出遅れによって生じる上記実装面の高さよりも低い最大下降位置まで上記第1の速度で下降させたならば、この最大下降位置から上記実装面の高さよりもわずかに低い第2の切換え位置まで上記第2の速度よりも速い第4の速度で上昇させた後、上記第2の切換え位置から上記第2の速度で上昇させて新たな実装面の高さを検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングすることを特徴とする電子部品のボンディング方法。
  2. 電子部品のボンディングが3回以上繰り返して行なわれるとき、上記実装面の高さの検出は、1回前のティーチング時に検出された最大下降位置と実装面の高さに基いて行なうことを特徴とする請求項1記載の電子部品のボンディング方法。
  3. 電子部品のボンディングが3回以上繰り返して行なわれるとき、上記実装面の高さの検出は、1回目のティーチング時に検出された最大下降位置と実装面の高さに基いて行なうことを特徴とする請求項1記載の電子部品のボンディング方法。
  4. 上記実装面の高さ位置の検出は、上記ノズル体又はノズル体に保持された電子部品が実装面に接離する際に生じる気体の圧力変化で行なうことを特徴とする請求項1記載の電子部品のボンディング方法。
  5. 電子部品がボンディングされる実装面の高さを検出してその高さに基いて上記電子部品をボンディングする電子部品のボンディング装置において、
    上下方向に駆動される駆動体と、
    この駆動体に上下方向に移動可能に設けられるとともに下降方向に弾性的に付勢され下端に上記電子部品が保持されるノズル体と、
    上記駆動体を上下方向に駆動する駆動手段と、
    上記駆動体が下降方向に駆動されて上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に当接して上記駆動体に対して相対的に上昇したときに、そのことを気体の圧力を変化させて検出する検出手段と、
    上記駆動手段の駆動を制御するとともに上記検出手段の検出に基いて上記実装面を算出する制御手段とを具備し、
    上記制御手段は、
    上記駆動体を第1の速度で下降させて上記実装面の高さを検出する際に検出遅れによって生じる上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触した時点よりも上記駆動体が下降する最大下降位置を検出し、ついで、この最大下降位置から上記駆動体を上記第1の速度よりも遅い第2の速度で上昇させて上記ノズル体又はノズル体が保持する電子部品が上記実装面に接触したときの駆動体高さ位置を上記実装面の高さとして検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングし、
    つぎに電子部品をボンディングする際には、上記駆動体が上記検出された実装面の高さよりもわずかに高い第1の切換え位置に下降するまで上記第1の速度よりも速い第3の速度で上記駆動体を下降させた後、上記第1の切換え位置から検出遅れによって生じる上記実装面よりも低い最大下降位置まで上記第1の速度で下降させたならば、この最大下降位置から上記実装面の高さよりもわずかに低い第2の切換え位置まで上記第2の速度よりも速い第4の速度で上昇させた後、上記第2の切換え位置から上記第2の速度で上昇させて新たな実装面の高さを検出し、この検出された実装面の高さに基いて上記電子部品をボンディングすることを特徴とする電子部品のボンディング装置。
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