JP4264694B2 - 固体カメラ及びこれを用いた部品実装装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路が形成されているベアチップ、チップ型の抵抗器、コンデンサー、それらのような電子部品、或いは機械的部品など(以下、単に「部品」と記す)を基板上に精密に実装するための固体カメラ及びこれを用いた部品実装装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
先ず、図7乃至図16を用いて、従来技術の固体カメラユニット、固体カメラ及びこれを用いた部品実装装置の構成、構造について説明する。
【0003】
図7は従来技術の一実施例の部品実装装置を上方から上面図、図8は図7に示した部品実装装置の矢印A側から見た側面図、図9は図7に示した部品実装装置の矢印B側から見た側面図、図10は図7乃至図9に示した従来例の部品実装装置における一構成であるボンディング装置などを概略的に示していて、同図Aはその部品及び基板の部品実装位置を認識する場合の状態を示す側面図、同図Bは部品を基板に実装位置に実装する場合の状態を示す側面図、図11は図10に示したボンディング装置に搭載されている固体カメラの構成を示していて、同図Aはその側面図、同図Bは同図Aに示した左半分の側面図、図12は従来例の部品実装装置の動作を説明するための動作分解図、図13は理想的な固体撮像素子を備えた固体撮像ユニットの側面図、図14は第1の従来技術の固体撮像ユニットの側面図、図15は第2の従来技術の固体撮像ユニットの側面図、そして図16は第3の従来技術の固体撮像ユニットの側面図である。
【0004】
なお、固体撮像素子とはCCD(Charge Coupled Deviceの略)、MOS(Metal−oxide Semiconductorの略)トランジスタなどを指し、以下、本明細書においては、固体撮像素子としてCCDを採り挙げて説明する。
また、部品として半導体ウェーハからダイシングして切り出された個々の半導体集積回路が形成されている素子、通常、ベアチップとかフリップチップと称され、一平面に複数の電極が導出されており、異なる2点に向きを示すマークが施されている部品を採り挙げて説明する。本明細書の従来例及び本発明の実施形態の装置においては、部品として「ベアチップ」を採り挙げて説明する。
更にまた、ベアチップを実装する基板としてはプリント回路基板、半導体ウェーハなどがあり、本明細書では総称して「基板」と記すことを予め断っておく。
【0005】
先ず、図7乃至図9を用いて、従来技術の一実施体様の部品実装装置の構成、動作を説明する。
【0006】
図7乃至図9において、符号1は全体として従来技術の1実施例の部品実装装置を指す。図示のものは、通常、フリップチップボンダーと称されており、基板W上に接続材料を介して各種ベアチップSを決められたパタ−ンで実装する装置であって、一般に、ベアチップSの位置合わせ機能、搭載機能、加熱、加圧機能を備えている。
その部品実装装置1は、図7乃至図9に示したように、以下のものから構成されている。即ち、基台10、トレイ装置20、部品反転装置30、ボンディング装置40、カメラ装置50、作業ステージ装置60、制御装置70などとから構成されている。
【0007】
基台10は基準面となる水平な定盤11を備え、内部に制御装置70や各種機構が組み込まれている。しかし、制御装置70は基台10の外部に設けて構成されているものもある。
【0008】
トレイ装置20は、Y軸21方向に位置調整できるYテーブル22を備え、そのYテーブ22上に所定の配列でベアチップSを整列、収容したトレイ23を固定する機能を備えている。収容するベアチップSの種類は1種類であってもよく、異なる複数種のものであってもよい。
【0009】
部品反転装置30は、回動装置31部分と部品吸着ノズル32部分とから構成されている。回動装置31は定盤11上に固定された定盤33上に構成されている。定盤33にはレール34(図7)が敷設されており、そのレール34上を、トレイ装置20及びボンディング装置40が存在するX軸方向に移動できるように回動装置31が搭載されている。この回動装置31には部品吸着ノズル32が回動できるように取り付けられている。
【0010】
この部品吸着ノズル32はスイングアーム35と、これに基端部が連結され、先端部にベアチップSを吸着するノズル37が取り付けられているスピンドル36とから構成されている(図7、図8)。
【0011】
部品反転装置30は、回動装置31を中心にして部品吸着ノズル32を回動、反転させ、そのノズル37によりトレイ23から吸着して取り出したベアチップSの表裏面を反転し、後記するボンディング装置40のボンディングツール41に受け渡す機能を果たす。
【0012】
ボンディング装置40は、図10に取り出し、拡大して示したように、定盤11上の平面に垂直に立てられた支柱41に支持され、前記基盤11に平行に配設されている支持板42と、この支持板42の支柱41側下面に垂直に取り付けられた支持板43と、この支持板43上に固定されたZステージ44に昇降できるように取り付けられ、ボンディングヘッド45、その下部に取り付けられている吸着ノズル46などとから構成されており、不図示のシリンダーの作動に下にボンディングヘッド45、吸着ノズル46がZ軸方向に昇降できるように構成されている。
【0013】
.また、このボンディングヘッド45は、部品反転装置30で反転させられたベアチップSを、上昇位置に在る場合の吸着ノズル46で吸着して受け取る機能と、後記する固体カメラ装置50と制御装置70の下に吸着、保持したベアチップSの姿勢を正した後、そのボンディングヘッド45及び吸着ノズル46を下降させて、ベアチップSを後記する作業ステージ装置60上の基板Wの所定の位置に接着材などを介して載置し、加圧、過熱して固定、実装する機能を備えている。
【0014】
固体カメラ装置50は、前記支持板42の先端部下面に垂直に取り付けられた支持板51と、この支持板51の先端部に水平に取り付けられた基台52と、この基台52に取り付けられ、X軸方向に移動できるXステージ53Aと、その下でY軸方向に移動できるように取り付けられたYステージ53Bとからなるカメラステージ53と、このYステージ53Bに固定されている固体カメラ54とから構成されており、固体カメラ54をX軸方向及びY軸方向に移動させることができ、吸着ノズル46とXYテーブル64B上の基板Wとの間に出入させて、固体カメラ54でベアチップSの電極面とそのベアチップSを実装しようとする基板Wの位置とを認識し、それらの位置情報データを制御装置70にフィードバックして吸着ノズル46を回動させ、或いは作業ステージ装置50のXYテーブル53をX軸方向及び或いはY軸方向に移動、制御するために用いられる。
【0015】
前記従来例の固体カメラ54の構成、構造は、図11に示したように、所定の長さを備え、断面が正方形或いは矩形のケース5410内に構成部品が内蔵されて構成されている。ケース5410の上下対称位置には光透過窓5411A、5411Bが形成されており、それら光透過窓5411A、5411B間のケース5410の中央部であり、ケース5410の長さ方向の中央部でもある位置にミラー5420が、図11Aでは45度の右上がりの傾斜角度で配設されていて、このミラー5420を中心にして左右対称的に同軸落射照明のためのハーフミラー5430A、5430Bが、そしてそれぞれのハーフミラー5430A、5430Bの外側に対物レンズ5450A、5450Bを備え、固体撮像素子としてCCDが内蔵されたビデオカメラ5460A、5460Bが同一光軸上に配設されている。これらのビデオカメラ5460A、5460Bは、それぞれの対物レンズ5450A、5450Bが、それぞれのハーフミラー5430A、5430Bに対向するように向けられて配設されている。これらのビデオカメラ5460A、5460Bの本体内には、また、CCDに投影された映像を処理する映像処理回路などが内蔵されているものである。
【0016】
また、作業ステージ装置60は、定盤11上に水平状態に配設された基台61と、この基台61と同一平面内でY軸62によりY軸方向に移動できるYステージ64Aと、その上でX軸63によりX軸方向に移動できるXステージ64Bとからなる基板ステージ64などとから構成されており、Xステージ64B上にベアチップSを実装しようとする基板Wを固定して、ボンディングヘッド45の下方に移動できるように構成されている。
【0017】
制御装置70は、マイクロコンピュータを備えていて、前記の機能の他、ベアチップSを実装するシーケンスに従ってトレイ装置20のXYテーブル23、部品反転装置30、ボンディング装置40、カメラ装置50、作業ステージ装置60など、部品実装装置1の一部分或いは全体を制御する機能を備えている。
次に、図12をも参照しながら、前記のように構成された部品実装装置1の動作を説明する。
【0018】
図12に示したように、部品反転装置30のノズル37がトレイ23の方に移動し、トレイ23から所定のベアチップSを吸着し、その後、そのスイングアーム35が回動装置31により反転して、その部品吸着ノズル32を回動、反転させ、ベアチップSの表裏面を反転させる。部品反転装置30はその状態でボンディング装置40の吸着ノズル46の方に移動する。この移動が完了した部品反転装置30は、ボンディングヘッド45の吸着ノズル46の下面で反転された状態でベアチップSを保持し、そのベアチップSを吸着ノズル46で真空吸着し、ベアチップSの吸着を止め、そのベアチップSをボンディング装置40に受け渡す。
【0019】
部品反転装置30がボンディング装置40の領域外へ移動したことを確認した後、固体カメラ装置50の固体カメラ54を吸着ノズル46と作業ステージ装置60に固定されている基板Wとの間に移動させる。固体カメラ54は、ハーフミラー5430Aに光を上方から入射させ、図11Bに示したように、45度の角度で水平光としてハーフミラー5430Aから出射させ、その光をミラー5420の上面側鏡面で全反射して光透過窓5411Aを通じて吸着ノズル46に吸着されているベアチップSの少なくとも2箇所のマークを照射し、その反射光が光透過窓5411Aを通してミラー5420で45度の角度で反射させた直線光をハーフミラー5430A、対物レンズ5450Aを介してビデオカメラ5460Aで撮影し、画像認識する。
【0020】
同様に、ハーフミラー5430Bに光を上方から入射させ、45度の角度で水平光としてハーフミラー5430Bから出射させ、その光をミラー5420の下面側鏡面で45度の角度で反射して光透過窓5411Bを通じて作業ステージ装置60上の基板Wの前記ベアチップSを実装する位置に付されている少なくとも2箇所のマークを撮影し、画像認識し、それら両者のマークの位置情報(ずれ情報)を制御装置70にフィ−ドバックデータとして伝送し、その制御信号の下にボンディング装置40及び又は作業ステージ装置60を制御し、吸着ノズル46を回動させ、或いは作業ステージ装置50のXYテーブル53を微細に移動させ、ベアチップSと基板W上の実装位置との位置を合わせる。
【0021】
次に、図10Bに示したように、固体カメラ54を吸着ノズル46と基板Wとの間から外方へ移動させ、ボンディングヘッド45、吸着ノズル46を下降させて、ベアチップSを基板Wの所定の位置に精密に実装させる。この場合、接着材を介してベアチップSを加圧、過熱し、基板Wに固定、実装する。
【0022】
【発明が解決しようとする課題】
従来、前記のようなCCDを内蔵したビデオカメラ(以下、「CCDビデオカメラ」と記す)5460A、5460BによるベアチップSの位置認識は、ベアチップSが数〜10数mm角の大きさの場合、その位置をベアチップSの一部分しか見えない倍率の対物レンズ5450と従来のCCDビデオカメラ(EIA/CCIR)を用い、固体カメラ54をチップサイズ程度動かして2ヶ所認識し、位置を求めていた。現状では、1mm角の視野で、3mm角〜20mm角のチップに対応している。
【0023】
この画像認識を、更に、高精度、高速化するために以下の方法が考えられるが、実用化に困難が残る。即ち、
1.固体撮像素子(CCD)Paとしてメガ単位の画素と大口径高分解能レンズLaを用い、カメラの移動をなくす方法が考えられる(図13)。
【0024】
このような高解像力に対応させようとすると、40万画素×400=16000万画素が必要となる。現状では200万画素〜400万画素が価格、性能面で実用的である。しかし、分解能が不足である。
【0025】
また、全画素を読み出すとなると、時間が掛かり過ぎるので、部分的な読み出しが必須となる。
2.大口径レンズLbを用い、比較的画素数の少ない複数の固体撮像素子Pbを敷き詰める方法が考えられる(図14)。
【0026】
このような固体撮像素子Pbでは、繋ぎ目で撮像できないエリアができる。
3.レンズLcの視野を20mm角程度にして、固体撮像素子Pcとして従来のCCDを用い、これをXY微動ステージに固定し、画素の1/20程度微動させて高分解能画像を作り出す方法が考えられる(図15)。
【0027】
しかし、この方法であると、撮影だけで400倍時間が掛かる課題が残る。
4.多分岐鏡筒による方法も考えられる(図16)。
【0028】
この方法は2枚の固体撮像素子Pd、Peを用い、一方の固体撮像素子Pdは垂直に、他方の固体撮像素子Peは水平に(固体撮像素子Pdに対して直角に)、それらの画素をずれた位置に配置し(図16B)、レンズLdとハーフミラーMで光路を2分割し、2項の方法でできない重なりを作り出して、繋ぎ目を無くす方法である。
【0029】
しかし、この方法は光を分割することになるので暗くなり、解像力も低下するという課題がある。
【0030】
従って、本発明では、前記のような課題を解決しようとするものであって、普及型の安価な固体撮像素子(CCD等)を用いて、撮像範囲が広域で、かつ被撮影物の画像を高精度に撮像することができる固体カメラ及びこれを用いた部品実装装置を得ることを目的とするものである。
【0031】
【課題を解決するための手段】
【0032】
本願の第1の発明の固体カメラは、上下対称位置に光透過窓を備えたケース内に、両面が反射面になっているミラー、一対のハーフミラー、一対の固体撮像素子移動型カメラユニットを内蔵し、該固体撮像素子移動型カメラユニットは、対物レンズのイメージサークル内に、撮像エリアが前記イメージサークルの面積より狭い固体撮像素子を配置し、前記対物レンズは固定し、前記固体撮像素子を前記対物レンズのイメージサークル内で移動させて、被写体の少なくとも2箇所の位置を撮影できるように構成され、
前記両光透過窓の中央に前記ミラーを45度の傾斜角を以って固定し、前記ミラーを中心にその両側に前記一対のそれぞれのハーフミラーを介して前記固体撮像素子移動型カメラユニットを水平な同一光軸上に、それらの対物レンズを前記ハーフミラーに対向さて固定し、
前記水平な光軸と直交する垂直方向上方又は下方から前記両側のハーフミラーにそれぞれ光を入射し、該ハーフミラーで前記水平な光軸方向に反射させるとともに、前記ミラーで垂直方向に反射した前記ハーフミラーからの光を前記両光透過窓を透過して上下に存在する被写体に照射し、前記被写体からの映像光を上下から前記ミラーに入射して該ミラーで前記水平な光軸方向に反射し、前記ハーフミラーを透過して両側の一対の前記固体撮像素子移動型カメラユニットに入射して撮影できるように構成して、前記課題を解決している。
【0033】
また、本願の第2の発明の固体カメラは、上下対称位置に光透過窓を備えたケース内に、中央部で直角に屈曲して屈曲部の上部が上方に斜め45度に傾き、屈曲部の下部が下方に斜め45度に傾く1個のミラー、一個のハーフミラー、一組の固体撮像素子移動型カメラユニットを内蔵し、該固体撮像素子移動型カメラユニットは、対物レンズのイメージサークル内に、撮像エリアが前記イメージサークルの面積より狭い固体撮像素子を配置し、前記対物レンズは固定し、前記固体撮像素子を前記対物レンズのイメージサークル内で移動させて、被写体の少なくとも2箇所の位置を撮影できるように構成され、
前記両光透過窓の中央部で、前記中央部で直角に屈曲され、それぞれの45度傾斜面の前記ミラーを前記各両光透過窓に対向させて固定し、前記ミラーの屈曲部側の中心に対向するように前記ハーフミラーを介して前記固体撮像素子移動型カメラユニットを水平な同一光軸上に、前記対物レンズを前記ハーフミラーに対向させて固定し、
前記水平な光軸と直交する垂直方向上方及び下方から前記ハーフミラーに光を入射し、該ハーフミラーで前記水平な光軸方向に反射させるとともに、前記ミラーで垂直方向に反射した前記ハーフミラーからの光を前記両光透過窓を透過して上下に存在する被写体に照射し、前記被写体からの映像光を上下から前記ミラーに入射して該ミラーで前記水平な光軸方向に反射し、前記ハーフミラーを透過して前記固体撮像素子移動型カメラユニットに入射して撮影できるように構成して、前記課題を解決している。
【0034】
更にまた、本発明の一実施形態の部品実装装置は、水平状態に配設され、同一平面内でX軸方向及び又はY軸方向に移動でき、上面に部品を実装しようとする基板を固定できる基板ステージと、その基板ステージの上方に配設され、前記平面に垂直なZ軸方向に昇降でき、下端部に吸着ノズルを備えたボンディングヘッド部と、その吸着ノズルと前記基板ステージとの間に介在でき、前記吸着ノズルに吸着された部品と前記基板との所定の位置を撮影する請求項4または請求項5に記載の固体カメラと、その固体カメラを前記吸着ノズルと前記基板ステージとの間へ出し入れできる移動ステージとを備えていることを具備せしめて、前記課題を解決している。前記移動ステージは吸着ノズルと基板ステージとの間の位置と前記両者間から外れた後退位置の2点間をシリンダーで移動させてもよい。
【0035】
従って、本発明の固体カメラの固体撮像素子移動型カメラユニットによれば、最低2箇所の位置を撮影させるのに、普及型の安価で軽量な撮像素子を用いるので、撮像範囲が広域で、かつ被写体の撮影を高速ででき、しかも画像を高精度に撮像することができる。
【0036】
そして、本発明の固体カメラの固体撮像素子移動型カメラユニットによれば、複数個、例えば、2個の撮像素子を用いれば、予め、2箇所の画像認識位置に移動しておけるので、更に、高速化でき、3個以上用いて配置すると、画像認識する場所を増やすことができ、画像の精度を向上させ、そして部分的な検査等も同時に行える。また、本発明の固体撮像素子移動型カメラユニットによれば、1倍以上の倍率の場合、撮像素子を動かす精度は倍率分落とすことができる。
【0037】
更にまた、本発明の第1実施形態の固体カメラ装置によれば、例えば、部品実装装置用のカメラ装置として用いた場合に、上下に存在する部品のマークと、これを実装しようとする基板の位置との撮像範囲を広域で、また、高速で同時に、そして高精度で撮影できる。また、本発明の第2実施形態の固体カメラ装置によれば、上下に存在する部品のマークとこれを実装しようとする基板の位置とを同時王子に撮影できないので時間は掛かるが、より一層安価に製作できる。
【0038】
そして更にまた、本発明の固体カメラ装置を部品実装装置に搭載する場合、その固体カメラ装置を取り付けるステージは一方向にだけ移動させるステージでよく、また、光学系を動かさずに部品(ベアチップ)と基板の位置関係を認識できるので、そのステージの精度は低いものでよく、部品実装装置を安価に製作できる。更に、部品実装時に、その固体カメラ装置を退避させる場合、前記ステージの退避するストロークは必要視野が十分にあれば、2点間移動にでき、前記ステージをシリンダーで駆動することができる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、図1乃至図6を用いて、本発明の固体撮像素子移動型カメラユニット、固体カメラ装置及びこれを用いた部品実装装置を説明する。
【0040】
図1は本発明の第1実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットを原理的に示していて、同図Aはその側面図、同図Bは撮像素子配置面、図2は本発明の第2実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットを原理的に示していて、同図Aはその側面図、同図Bは撮像素子配置面、図3は本発明の第3実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットを原理的に示していて、同図Aはその側面図、同図Bは撮像素子配置面、図4は本発明の固体撮像素子移動型カメラユニットを2組、組み込んで構成した第1実施形態の固体カメラを概念的に表した側面図、図5は本発明の固体撮像素子移動型カメラユニットを1組だけ組み込んで構成した第2実施形態の固体カメラを概念的に表した側面図、そして図6は本発明の固体カメラを搭載した本発明の一実施形態の部品実装装置を示していて、同図Aは部品と基板との位置認識時の側面図、同図Bは部品の基板への実装時の側面図である。
【0041】
先ず、図1乃至図3を用いて、本発明の各実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットの構成を説明する。なお、固体撮像素子移動型カメラユニットの定義は後記する。
【0042】
図1に本発明の第1実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットCUaを原理的に示した。この固体撮像素子移動型カメラユニットCUaは、対物レンズL、XYステージST、このXYステージSTの像側に固定されたCCDのような固体撮像素子Pを配列して構成されている。そして、この固体撮像素子移動型カメラユニットCUaには、ビデオ処理回路(不図示)などは外付けされており、ビデオ処理回路と固体撮像素子Pとは配線で接続して用いられるものである。
また、図示の場合の固体撮像素子移動型カメラユニットCUaは、対物レンズLが固体撮像素子Pを含むカメラ本体とあたかも一体の構造で構成されているかのように表したが、対物レンズLは固体撮像素子Pを含むカメラ本体に対して交換可能なレンズであってもよく、むしろ、固体撮像素子移動型カメラユニットCUaとしては、対物レンズLが固体撮像素子Pに対して交換可能な構造で構成されているのが一般的である。しかし、本発明においては、固体撮像素子移動型カメラユニットCUaが対物レンズLと一体的構造のものであるか、交換レンズ構造のものであるかは問わないことを予め断っておく。
この固体撮像素子移動型カメラユニットの構造形態及び前記ビデオ処理回路の接続構造は、後記する第2実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットCUbの場合も、第3実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットCUcの場合も同様である。
【0043】
この固体撮像素子移動型カメラユニットCUaは、対物レンズLが、ワーク(ベアチップSや基板の所定の位置)に対して、少なくとも位置認識、位置補正中は固定する。そして、この対物レンズLに対して固体撮像素子PをXYステージSTで移動させる。
【0044】
対物レンズLとしては、被写界(=オブジェクトサークル、以下、「被写界」と記す)が20mm角をカバーする大口径、高分解能レンズが既存の光学カメラで用いられているが、このような対物レンズLを用いることが好ましい。その倍率が3倍であるなら、像側は60mm角のイメージエリア(イメージサークルはφ85mm)が得られる。
【0045】
固体撮像素子Pはほぼチップサイズでパッケージ(CSW)された市販のものでよく、XYステージSTの像側に固定されている。このXYステージSTがイメージエリアを動くことにより、固体撮像素子Pでイメージエリアの全域を撮像することができる。撮像素子Lの撮像範囲を1mm角とすると、原理的には400回移動して撮影すれば、大変時間が掛かるが、20mm角の全体像を撮影することができる。
【0046】
XYステージSTの必要な精度としては、例えば、位置決め精度が1μm程度であれば、固体撮像素子Pの位置管理を行うことができる。
【0047】
このように被写体の撮像中、即ち、被写体の少なくとも位置認識、位置補正中は対物レンズLを固定し、固体撮像素子PとXYステージSTを移動させるカメラユニットを、本発明においては、「固体撮像素子移動型カメラユニット」と名付ける。
【0048】
次に、図2に示した本発明の第2実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットCUbは、1枚の対物レンズLに対して2台のXYステージST1、ST2を対角線上に所定の間隔を開けて配列し、それらXYステージST1、ST2の相対向するコーナーの像側にそれぞれ固体撮像素子Pを固定して構成した固体撮像素子移動型カメラユニットである。
【0049】
このように固体撮像素子移動型カメラユニットCUbを構成することにより、像側エリアEを拡大することも縮小することもできる。この固体撮像素子移動型カメラユニットCUbは2台のXYステージSTを同期させて、或いは単独で移動させて、2枚の固体撮像素子Pを像側エリアE内で移動させることができる。
また、図3に示した本発明の第3実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットCUcは、1台の基台Bと、その像側に複数個のXYステージSTを取り付け、それぞれのXYステージSTに固体撮像素子Pを固定して構成した固体撮像素子移動型カメラユニットである。XYステージSTのXY方向に移動させる機構の構造は複雑になるが、各固体撮像素子Pの移動量を少なくでき、2ヶ所以上を同時に撮像することができるので、一層高速で撮像することができる。
【0050】
次に、図4及び図5を用いて、前記固体撮像素子移動型カメラユニットを組み込んだ本発明の第1実施形態の固体カメラ及び第2実施形態の固体カメラを説明する。
【0051】
先ず、第1実施形態の固体カメラの構成を、図4を用いて説明する。この固体カメラ1000は、所定の長さを備え、断面が正方形或いは矩形のケース1110内に構成部品が内蔵されて構成されている。ケース1110の上下対称位置には光透過窓1111A、1111Bが形成されており、それら光透過窓1111A、1111B間のケース1110の中央部であり、ケース1110の長さ方向の中央部でもある位置にミラー1120が、図4では45度の右上がりの傾斜角度で配設されていて、このミラー1120を中心にして左右対称的に同軸落射証明のためのハーフミラー1130A、1130Bが、そしてそれぞれのハーフミラー1130A、1130Bの外側に対称的に、例えば、図1に示した第1実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットCUaを、それぞれの対物レンズLが、それぞれのハーフミラー1130A、1130Bに対向するように向けられて配設されている。そしてそれぞれの対物レンズLは同一光軸上に、そしてそれぞれの固体撮像素子Pはそれぞれの対物レンズLの視野角内に存在するように配列されている。
【0052】
このように構成された固体カメラ1000は、ハーフミラー1130Aの上方から光を入射させ、ハーフミラー1130Bは下方から光を入射させ、図11Bに示したように、45度の角度で水平光としてハーフミラー1130Aの上面から出射させ、ハーフミラー1130B側は45度の角度で水平光としてハーフミラー1130Bの下面から出射させ、それらの光をミラー1120の上面側鏡面及び下面側鏡面で全反射させて光透過窓1111A及び1111Bを通じて、それぞれの光透過窓1111A、1111Bに臨んで存在する被写体を照射する。被写体で反射した反射光は、それぞれ光透過窓1111A、1111Bを通してミラー1120で45度の角度で反射し、水平な直線光としてそれぞれのハーフミラー1130A、1130B、それぞれの対物レンズLを介してそれぞれの固体撮像素子移動型カメラユニットCUaの固体撮像素子Pに投影され、それらの固体撮像素子Pに投影された画像は外部のビデオ処理回路で認識、処理される。
【0053】
図5に示した本発明の第2実施形態の固体カメラ2000は、図1に示した1台の固体撮像素子移動型カメラユニットCUa、1枚の同軸落射証明のためのハーフミラー2130、中央で上下に屈曲させてそれぞれ上下45度に傾斜した鏡面を備えた1枚の“く”の字型ミラー2120Aをケース2110内に配設して構成したものである。ミラー2120Aの上下反射面の中央部に当たるケース2110の上下面には、光透過窓2111A、2111Bが形成されている。
【0054】
この固体カメラ2000は、固体撮像素子Pが1個或いは1組であるので、第1実施形態の固体カメラ装置CUaのように、同時に2個の被写体を撮影することができず、それぞれ別個に撮影しなければならないため撮影時間が掛かる。しかし、固体撮像素子移動型カメラユニットCUaとハーフミラー2130が1個で済み、構造は最も簡単で、安価に構成することができる。
【0055】
これらの固体カメラ1000或いは固体カメラ2000は本発明の部品実装装置に搭載して好適である。本発明の部品実装装置は、従来技術の部品実装装置1のトレイ装置20、部品反転装置30、ボンディング装置40、作業ステージ60を備えている他、図6に示したように、本発明の第1実施形態の固体カメラ1000がボンディング装置40と作業ステージ60との間に出入りできるように装着されている。
【0056】
本発明の部品実装装置におけるトレイ装置、部品反転装置、ボンディング装置、作業ステージの構成は、従来技術の部品実装装置1におけるトレイ装置20、部品反転装置30、ボンディング装置40、作業ステージ60の構成は同一であるので、同一の符号を付し、それらの説明は割愛する。
【0057】
本発明の部品実装装置が従来技術の部品実装装置1と異なる点は、固体カメラ装置50A部分である。従来技術の部品実装装置1における固体カメラ装置50では、Xステージ53AとYステージ53BとからなるXYステー53を用いて、このXYステージ53のYステージ53Bに固体カメラ54を搭載しているが、本発明の部品実装装置においては、基台52の下にXステージ53Aのみを取り付け、このXステージ53Aに、例えば、本発明の第1実施形態の固体カメラ1000を固定したものである。
【0058】
従って、この固体カメラ装置50Aにおける固体カメラ1000は、ボンディング装置40の吸着ノズル46とベアチップSを実装しようとする基板Wとの間に、X軸方向にみに移動する構造となっている。
次に、図6を用いて、この本発明の部品実装装置の動作を説明する。ボンディングヘッド45が上方の位置にある状態で、図12に示したように、部品反転装置30のノズル37がトレイ23から吸着して取り出したベアチップSを、その部品吸着ノズル32を回動、反転させ、ボンディング装置40の吸着ノズル46の下面で反転された状態のベアチップSを真空吸着で保持し、ノズル37のベアチップSの吸着を止め、そのベアチップSをボンディング装置40に受け渡す。
【0059】
部品反転装置30がボンディング装置40の領域外へ移動したことを確認した後、Xステージ64B及びYステージ64AをX軸方向及びまたはY軸方向に移動させて、吸着ノズル46の直下に基板ステージ64上に固定されている基板Wを位置させる。
【0060】
次に、Xステージ53Aを作動させて、固体カメラ1000をベアチップSと基板Wとの間に移動させる。
【0061】
そして固体カメラ1000で上側のベアチップS、下側の基板Wを撮影するに当たっては、固体カメラ1000の光透過窓1111A、1111Bを、それぞれベアチップS及び基板Wに合わせ、ハーフミラー1130Aの上方から光を入射させ、45度の角度で水平光としてハーフミラー1120で上方に反射させて光透過窓1111Aから出射させ、その光をベアチップSの位置合わせの基準となるパターン或いは少なくとも2箇所のマークを照射する。その反射光が光透過窓1120Aを通してミラー1120で45度の角度で反射させた直線光をハーフミラー1130A、対物レンズLを介して固体撮像素子Pで撮影し、画像認識する。
【0062】
同様に、ハーフミラー1130Bの上方から光を入射させ、45度の角度で水平光としてハーフミラー1130Bから出射させ、その光をミラー1120の下面側鏡面で45度の角度で反射して光透過窓1111Bを通じてベアチップSを実装しようとする部分の基板W上の位置合わせの基準となるパターン或いは少なくとも2箇所のマークを撮影し、画像認識し、それら両者のマークの位置情報(ずれ情報)を制御装置70にフィ−ドバックデータとして伝送し、制御装置70内のコンピュータで両者の位置情報を演算し、その結果の制御信号の下にボンディング装置40及び又は作業ステージ装置60を制御し、吸着ノズル46を回動させ、或いは作業ステージ装置50のXYテーブル53を微細に移動させ、ベアチップSと基板W上の実装位置との位置を合わせる。
【0063】
これらベアチップS及び基板Pを撮像するに当たっては、それぞれの対物レンズLを固定し、それぞれの固体撮像素子Pを動かして、ベアチップS側、基板W側の位置合わせの基準となるパターン或いはマーク等を含む部分を撮影し、それぞれの位置を認識する。これら位置合わせの基準となるパターン或いはマーク等はそれぞれのベアチップS、基板に2ヶ所あればよく、両者の位置合わせを行うことができる。これら2ヶ所の位置を固体撮像素子Pを動かして撮影する。
【0064】
この両者の位置合わせができると、次に、図6Bに示したように、Xステージ53Aを作動させて固体カメラ1000をベアチップSと基板Wとの間から外方へ後退させ、ボンディングヘッド45、吸着ノズル46を下降させて、ベアチップSを基板Wの所定の位置に実装する。この場合、接着材を介してベアチップSを加圧、過熱し、基板Wに固定する。
【0065】
このように本発明の第1実施形態の固体カメラ1000を搭載することにより、本発明の部品実装装置は、光学系を動かさずにベアチップSと基板Wとの位置関係を認識できるので、このXステージ53Aは精度の低いものでよく、また、固体カメラ1000をベアチップSと基板Wとの間から外方へ後退させるXステージ53Aのストロークは必要視野が十分にあれば、2点間移動のXステージでよく、シリンダーによる駆動ができることから、本発明の部品実装装置を安価に製作することができる。
【0066】
そして固体カメラ1000の構造の場合、光路が上下に組み合わせられていることにより、上下の撮像位置は独立して撮影できるので、従来に比べ被写体(ベアチップSと基板W)の上下の位置が大きく異なっていても、同時に取込みができ、ベアチップSの高速実装化を実現できる。
【0067】
また、本発明の固体カメラ1000の構造に、例えば、図2に示したような一対の固体撮像素子移動型カメラユニットCUbを組み込んで、本発明の部品実装装置に搭載した場合には、それぞれの固体撮像素子移動型カメラユニットCUbが2個の固体撮像素子Pを備えていることから、固体撮像素子Pの移動量が少なくて済み、それだけより一層高速で2個の被写体を同時に視認することができる。
【0068】
更に、本発明の固体カメラ1000の構造に、例えば、図3に示したような一対の固体撮像素子移動型カメラユニットCUcを組み込んで、本発明の部品実装装置に搭載した場合には、それぞれの固体撮像素子移動型カメラユニットCUcの固体撮像素子Pを移動させるXYステージSTの構造は複雑になるが、固体撮像素子Pの移動量を更に一層少なくでき、2箇所以上同時に撮像できるので、本部品実装装置はベアチップSの実装を更に一層高速化することができる。
【0069】
固体カメラ1000の代わりに、本発明の第2実施形態の固体カメラ2000を搭載した本発明の部品実装装置の場合は、基板WへのベアチップSの実装に時間は掛かるが、部品実装装置を最も廉価に製作することができる。
【0070】
以上、説明した実施形態の部品実装装置の説明においては、実装する部品として「ベアチップ」を採り挙げて説明したが、本発明の部品実装装置により実装する部品としては、「ベアチップ」に限定されるものではなく、パッケージされた半導体装置、チップ型の抵抗器、コンデンサーなど、また、電子部品のみならず、機械的部品であってもよいことを付言しておく。
【0071】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の固体撮像素子移動型カメラユニット及びこれを組み込んだ固体カメラによれば、
1.重たいレンズは固定し、軽量な固体撮像素子のみを移動させるので、高速化が可能となる
2.更に、固体撮像素子を2個用いれば、それらの固体撮像素子を2ヶ所の認識位置に予め移動しておけるので、更に高速化が可能となる。固体撮像素子を3個以上配置し、認識する場所を増やし、精度を向上させたり、部分的な検査等も同時に行える
4.1倍以上の倍率の場合、固体撮像素子を動かす精度は倍率分落とすことができる(例えば、5倍で対物側が1μmの精度であるなら、像側は5μm)。従って、高倍率、高精度ほど有利である。
【0072】
また、本発明の固体カメラによれば、
1.普及品の安価な固体撮像素子で、広域と高精度を両立させることができる
2.第1実施形態の固体カメラによれば、2個の被写体の認識する場所を同時に撮影できる
3.第2実施形態の固体カメラによれば、2個の被写体の認識する場所を個別に撮影しなければならないが、1個の固体撮像素子移動型カメラユニットで構成できるので、安価に製作できる。
【0073】
更に、本発明の部品実装装置によれば、
1.固体カメラを移動させるXステージは精度の低いものでよいことから、本発明の部品実装装置を安価に製作することができる
2.そのXステージの移動ストロークは必要視野が十分にあれば、2点間移動のものでよく、シリンダーによる駆動ができることから、本発明の部品実装装置を安価に製作することができる
3.第1実施形態の固体カメラの構造の場合、光路が上下に組み合わせられていることにより、上下の撮像位置は独立して撮影できるので、従来に比べ被写体(ベアチップと基板)の上下の位置が大きく異なっていても、同時に取込みができ、ベアチップの高速実装化を実現できる
4.複数個の固体撮像素子を組み込んだ移動型カメラユニットを搭載した場合には、それぞれの固体撮像素子の移動量を少なくでき、それだけより一層高速で2個の被写体を同時に視認することができる
5.第2実施形態の固体カメラを搭載した場合は、基板へのベアチップの実装に時間は掛かるが、最も廉価に製作することができる
など、数々の優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットを原理的に示していて、同図Aはその側面図、同図Bは撮像素子配置面である。
【図2】 本発明の第2実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットを原理的に示していて、同図Aはその側面図、同図Bは撮像素子配置面である。
【図3】 本発明の第3実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニットを原理的に示していて、同図Aはその側面図、同図Bは撮像素子配置面である。
【図4】 本発明の固体撮像素子移動型カメラユニットを2組、組み込んで構成した第1実施形態の固体カメラを概念的に表した側面図である。
【図5】 本発明の固体撮像素子移動型カメラユニットを1組だけ組み込んで構成した第2実施形態の固体カメラを概念的に表した側面図である。
【図6】 本発明の固体カメラを搭載した本発明の一実施形態の部品実装装置を示していて、同図Aは部品と基板との位置認識時の側面図、同図Bは部品の基板への実装時の側面図である。
【図7】 従来技術の一実施例の部品実装装置を上方から上面図である。
【図8】 図7に示した部品実装装置の矢印A側から見た側面図である。
【図9】 図7に示した部品実装装置の矢印B側から見た側面図である。
【図10】 図7乃至図9に示した従来例の部品実装装置における一構成であるボンディング装置などを概略的に示していて、同図Aはその部品及び基板の部品実装位置を認識する場合の状態を示す側面図、同図Bは部品を基板に実装位置に実装する場合の状態を示す側面図である。
【図11】 図10に示したボンディング装置に搭載されている固体カメラの構成を示していて、同図Aはその側面図、同図Bは同図Aに示した左半分の側面図である。
【図12】 従来例の部品実装装置の動作を説明するための動作分解図である。
【図13】 理想的な固体撮像素子を備えた固体撮像ユニットの側面図である。
【図14】 第1の従来技術の固体撮像ユニットの側面図である。
【図15】 第2の従来技術の固体撮像ユニットの側面図である。
【図16】 第3の従来技術の固体撮像ユニットの側面図である。
【符号の説明】
11…定盤、40…ボンディング装置、45…ボンディングヘッド、46…吸着ノズル、50A…固体カメラ装置、53A…Xステージ、60…作業ステージ装置、64…作業ステージ、64B…Xステージ、64A…Yステージ、1000…本発明の第1実施形態の固体カメラ、1110…ケース、1111A,1111B…光透過窓、1120,2120…ミラー、1130A,1130B,2130…ハーフミラー、2000…本発明の第2実施形態の固体カメラ、CUa…本発明の第1実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニット、CUb…本発明の第2実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニット、CUc…本発明の第3実施形態の固体撮像素子移動型カメラユニット、B…基台、L…対物レンズ、P…固体撮像素子、ST…XYステージ
Claims (8)
- 上下対称位置に光透過窓を備えたケース内に、両面が反射面になっているミラー、一対のハーフミラー、一対の固体撮像素子移動型カメラユニットを内蔵し、該固体撮像素子移動型カメラユニットは、対物レンズのイメージサークル内に、撮像エリアが前記イメージサークルの面積より狭い固体撮像素子を配置し、前記対物レンズは固定し、前記固体撮像素子を前記対物レンズのイメージサークル内で移動させて、被写体の少なくとも2箇所の位置を撮影できるように構成され、
前記両光透過窓の中央に前記ミラーを45度の傾斜角を以って固定し、前記ミラーを中心にその両側に前記一対のそれぞれのハーフミラーを介して前記固体撮像素子移動型カメラユニットを水平な同一光軸上に、それらの対物レンズを前記ハーフミラーに対向さて固定し、
前記水平な光軸と直交する垂直方向上方又は下方から前記両側のハーフミラーにそれぞれ光を入射し、該ハーフミラーで前記水平な光軸方向に反射させるとともに、前記ミラーで垂直方向に反射した前記ハーフミラーからの光を前記両光透過窓を透過して上下に存在する被写体に照射し、前記被写体からの映像光を上下から前記ミラーに入射して該ミラーで前記水平な光軸方向に反射し、前記ハーフミラーを透過して両側の一対の前記固体撮像素子移動型カメラユニットに入射して撮影できるように構成されていることを特徴とする固体カメラ。 - 前記固体撮像素子が複数個の固体撮像素子から構成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体カメラ。
- 前記固体撮像素子がXYステージに固定されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の固体カメラ。
- 上下対称位置に光透過窓を備えたケース内に、中央部で直角に屈曲して屈曲部の上部が上方に斜め45度に傾き、屈曲部の下部が下方に斜め45度に傾く1個のミラー、一個のハーフミラー、一組の固体撮像素子移動型カメラユニットを内蔵し、該固体撮像素子移動型カメラユニットは、対物レンズのイメージサークル内に、撮像エリアが前記イメージサークルの面積より狭い固体撮像素子を配置し、前記対物レンズは固定し、前記固体撮像素子を前記対物レンズのイメージサークル内で移動させて、被写体の少なくとも2箇所の位置を撮影できるように構成され、
前記両光透過窓の中央部で、前記中央部で直角に屈曲され、それぞれの45度傾斜面の前記ミラーを前記各両光透過窓に対向させて固定し、前記ミラーの屈曲部側の中心に対向するように前記ハーフミラーを介して前記固体撮像素子移動型カメラユニットを水平な同一光軸上に、前記対物レンズを前記ハーフミラーに対向させて固定し、
前記水平な光軸と直交する垂直方向上方及び下方から前記ハーフミラーに光を入射し、該ハーフミラーで前記水平な光軸方向に反射させるとともに、前記ミラーで垂直方向に反射した前記ハーフミラーからの光を前記両光透過窓を透過して上下に存在する被写体に照射し、前記被写体からの映像光を上下から前記ミラーに入射して該ミラーで前記水平な光軸方向に反射し、前記ハーフミラーを透過して前記固体撮像素子移動型カメラユニットに入射して撮影できるように構成されていることを特徴とする固体カメラ。 - 前記固体撮像素子が複数個の固体撮像素子から構成されていることを特徴とする請求項4に記載の固体カメラ。
- 前記固体撮像素子がXYステージに固定されていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の固体カメラ。
- 水平状態に配設され、同一平面内でX軸方向及び又はY軸方向に移動でき、上面に部品を実装しようとする基板を固定できる基板ステージと、
該基板ステージの上方に配設され、前記平面に垂直なZ軸方向に昇降でき、下端部に吸着ノズルを備えたボンディングヘッド部と、
該吸着ノズルと前記基板ステージとの間に介在でき、前記吸着ノズルに吸着された部品と前記基板との所定の位置を撮影する請求項1または請求項4に記載の固体カメラと、
該固体カメラを前記吸着ノズルと前記基板ステージとの間へ出し入れできる移動ステージと、
を備えていることを特徴とする部品実装装置。 - 前記移動ステージは前記吸着ノズルと基板ステージとの間の位置と前記両者間の位置から外れた後退位置との2点間をシリンダーで駆動されることを特徴とする請求項7に記載の部品実装装置。
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