JP4288196B2

JP4288196B2 - 電子部品の実装装置

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Publication number: JP4288196B2
Application number: JP2004095797A
Authority: JP
Inventors: 雅彦古野
Original assignee: Tamura Corp
Current assignee: Tamura Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2004319993A

Description

本発明は、電子部品を基板上に接合する電子部品の実装装置に関する。

従来、電子部品を基板上に実装する方法として、はんだ粉末と融材などからなるソルダペーストをスクリーン印刷機により基板の電極上に転写し、マウンタにて電子部品の端子を、ソルダペーストが塗布された基板の電極上に搭載した後、リフロー炉にて加熱し、ソルダペーストを溶融するとともに、電子部品の端子と基板の電極間を電気的かつ機械的に接合する実装方法が、現在も電気・電子機器製品の製造に用いられている。

一方、電子機器、半導体デバイスの小型化、高機能化のために接合部は微細化し、融材による電気的な損傷や熱歪による信頼性低下が問題となっている。

このような背景に基づき、融材を用いない実装方法や、加熱しない常温接合方法が提案されている。

例えば融材を用いない実装方法としては、プラズマによるはんだ表面のハロゲン化処理による実装方法がある（例えば、特許文献１参照）。

また、加熱しない常温接合方法としては、接合面をエネルギ波照射により活性化した後に、常温にて接合する実装方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２０００−１９００８５号公報（第３−４頁、図１）特開２００１−３５１８９２号公報（第３−４頁、図１）

上記の融材を用いないハロゲン化処理やエネルギ波照射による表面活性化処理による実装方法では、次のような問題がある。

先ず、ハロゲン化処理に関する特許文献１の方法では、融材を使用しない実装方法として発明の内容が開示されているが、プラズマにより励起されたハロゲンは強い活性を有する。

すなわち、ハロゲン類の塩素は強い腐蝕性を持つために、装置の気密性や排ガスの処理など留意すべき点が多く、毒性の高いガスの使用は問題がある。

また、特許文献１には、ＣＦ_４ガスの使用が記載されているが、ＣＦ_４やＳＦ_６などのガスは地球温暖化係数が非常に大きく、また非常に安定なガスであるために、その排ガス処理は地球環境保護の上で必須であり、コストの高い実装方法となる。

さらに、ハロゲン類は、接合後の電気的信頼性を損なうために、洗浄工程が必須とされる。また、加熱を必要とし、部品の損傷を抑えるためには長時間の荷重印加が必要であり、生産効率が悪い。

一方、特許文献２に記載の方法は、接合金属表面に対するエネルギ波照射による清浄化で酸化物や不純物を除去するとともに、接合金属表面を活性化させることで、加熱することなしに金属端子部分を拡散接合させる技術に基づくものである。

しかし、この方法は、基本的に電極部分を塑性変形させないため、電子部品に設けられた端子表面と基板側の端子表面とが平滑かつコプラナリティがない状態を必要とし、その制御は非常に困難を極める。

さらに、エネルギ波照射には真空処理技術を用いる点から、コストの高い装置が必要となり、汎用的ではない。

また、接合材料も非加熱では金に限られ、銅との接合には加熱を必要とする。さらに、軟質はんだ合金には適用できない。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、従来のハロゲン化処理方法やエネルギ波照射による表面活性化処理方法が抱えていた種々の問題を解決できる電子部品の実装装置を提供することを目的とするものである。

請求項１に記載された発明は、電子部品を保持する電子部品保持機構と、電子部品を搭載する基板を保持する基板保持機構と、電子部品の電極部に形成された金属端子と基板に形成された金属端子とを位置決めする位置決め機構と、電子部品および基板の各金属端子の表面の酸化物を湿式処理で除去する湿式処理機構と、基板に対し相対的に鉛直方向にのみ移動して電子部品および基板の各金属端子間に荷重を印加するとともにその荷重を制御して電子部品および基板の各金属端子を固相拡散により金属接合する荷重制御機構とを具備し、湿式処理機構が、処理液で金属端子の表面の酸化物を湿式処理して除去した後に有機溶剤で洗浄・置換するものであり、位置決め機構が、有機溶剤の存在下で電子部品の金属端子と基板の金属端子とを位置決めするものであり、荷重制御機構が、有機溶剤の存在下で電子部品および基板の各金属端子間に印加される荷重を制御するものであるとした電子部品の実装装置であり、電子部品保持機構により電子部品を保持するとともに、基板保持機構により基板を保持し、位置決め機構により電子部品および基板の各金属端子を位置決めし、湿式処理機構により、電子部品および基板の各金属端子の表面の酸化物を湿式処理で除去し、荷重制御機構により、基板に対し電子部品を相対的に鉛直方向にのみ移動して電子部品および基板の各金属端子間に荷重を印加するとともに、その荷重を制御して電子部品および基板の各金属端子を金属接合するので、特に、基板に対し電子部品を相対的に鉛直方向にのみ移動して荷重を制御することで、固相拡散を十分に促進させ、融材の使用や加熱の必要がなく、電気的信頼性を確保できるとともに、熱歪による電子部品の信頼性低下を防ぐことができ、また一方向への荷重印加であるため、金属端子間の機械的強度の劣化や非接触または接触不良を防止することができ、さらに、湿式処理機構が、処理液による酸化膜除去と、有機溶剤による処理液の洗浄・置換とを、部品搭載部以外でも行えるもので、次いで位置決め機構および荷重制御機構により有機溶剤の存在下での金属接合工程に入ることが可能であり、処理液の接合後の後洗浄が不要となる。

請求項２に記載された発明は、請求項１記載の電子部品の実装装置における湿式処理機構が、電子部品保持機構の一側に配置され電子部品および基板の金属端子に向って処理液を供給する処理液供給部と、電子部品保持機構の他側に配置され電子部品および基板の金属端子を経た余剰の処理液を回収する処理液回収部とを具備した実装装置であり、電子部品保持機構を介して処理液供給部と処理液回収部とを配置したので、湿式処理をした後に直ちに金属接合工程に入ることができ、生産効率を向上できる。

請求項１記載の発明によれば、電子部品保持機構により電子部品を保持するとともに、基板保持機構により基板を保持し、位置決め機構により電子部品および基板の各金属端子を位置決めし、湿式処理機構により、電子部品および基板の各金属端子の表面の酸化物を湿式処理で除去し、荷重制御機構により、基板に対し電子部品を相対的に鉛直方向にのみ移動して電子部品および基板の各金属端子間に荷重を印加するとともに、その荷重を制御して電子部品および基板の各金属端子を金属接合するので、特に、基板に対し電子部品を相対的に鉛直方向にのみ移動して荷重を制御することで、固相拡散を十分に促進させ、融材の使用や加熱の必要がなく、電気的信頼性を確保できるとともに、熱歪による電子部品の信頼性低下を防ぐことができる。また一方向への荷重印加であるため、金属端子間の機械的強度の劣化や非接触または接触不良を防止することができる。さらに、湿式処理機構の処理液による酸化膜除去後に、処理液が有機溶剤により洗浄・置換されるので、再酸化を防ぎ、直ちに位置決め機構および荷重制御機構により有機溶剤の存在下での金属接合工程に入ることができ、かつ処理液の接合後の後洗浄を不要にできる。

請求項２記載の発明によれば、電子部品保持機構を介して処理液供給部と処理液回収部とを配置したので、湿式処理をした後に直ちに金属接合工程に入ることができ、生産効率を向上できる。

以下、本発明を図１乃至図３に示された一実施の形態を参照しながら詳細に説明する。

図２は、電子部品を基板に実装するための一連の電子部品実装関連設備を示し、電子部品および基板を湿式処理するための処理液を収容した処理液槽11と、隔離ゲート12と、電子部品を基板に実装するための電子部品実装装置13と、隔離ゲート14と、電子部品および基板に残留した処理液を洗浄除去するための洗浄槽15と、電子部品および基板を乾燥させるための乾燥機16とが、連続的に配置されている。

処理液槽11と電子部品実装装置13との間、電子部品実装装置13と洗浄槽15との間、洗浄槽15と乾燥機16との間には、電子部品および基板を移設するための搬送機構（図示せず）が設置されている。

電子部品実装装置13には、電子部品と基板とを位置決めするための位置決め機構23が設置され、この位置決め機構23に対して、処理液と洗浄液とを供給するので、この位置決め機構23には、処理液槽11に処理液を戻す循環機構（図示せず）と、洗浄槽15に洗浄液を戻す循環機構（図示せず）とがそれぞれ設けられている。

隔離ゲート12，14は、処理液槽11と洗浄槽15との間で、処理液および洗浄液が相互に混入することを防止するもので、位置決め機構23に処理液が供給されるときは隔離ゲート14が閉じられ、位置決め機構23に洗浄液が供給されるときは隔離ゲート12が閉じられる。

乾燥機16は、加熱式でも、減圧式でも良い。

図１は、電子部品実装装置13を示し、基板21を保持する基板保持機構22が、Ｘ−Ｙ位置決めステージを有する位置決め機構23により、平面方向すなわちＸ−Ｙ方向へ移動可能に設けられている。

この基板21に対向させて電子部品24を保持する電子部品保持機構25が、荷重制御機構26の下部に設置されている。

基板21および電子部品24に対して湿式処理機構27が設置されている。この湿式処理機構27は、電子部品保持機構25の一側に処理液供給部28が配置され、電子部品保持機構25の他側に、処理液供給部28から基板21および電子部品24の金属端子に供給されこれらを経た余剰の処理液29を回収する処理液回収部30が配置されている。

位置決め機構23は、図３（ａ）に示されるように電子部品24の電極部に形成された金属端子24aと、この電子部品24を搭載する基板21に形成された金属端子21aとを位置決めするものである。

荷重制御機構26は、図３（ｂ）に示されるように基板21に対し電子部品24を相対的に鉛直方向にのみ移動して、位置決めされた電子部品24の金属端子24aと基板21の金属端子21aとの間に鉛直方向のみの荷重を印加するとともに、その荷重を制御して電子部品24の金属端子24aと基板21の金属端子21aとを金属接合するものである。

湿式処理機構27は、図３（ａ）に示されるように対向配置された基板21および電子部品24の金属端子21a，24aの表面の酸化物を湿式処理で除去するものである。

なお、湿式処理機構27の処理液供給部28および処理液回収部30は、洗浄液を供給する洗浄液供給部および洗浄液を洗浄槽15に回収する洗浄液回収部を兼ねても良いし、洗浄液供給部および洗浄液回収部は別途設けても良い。

また、湿式処理機構27は、処理液による酸化膜除去と、有機溶剤による処理液の洗浄・置換とを、部品搭載部以外でも行えるようにすると良く、処理液で金属端子21a，24aの表面の酸化物を湿式処理して除去した後に、酢酸エチルなどの有機溶剤で処理液を洗浄・置換すると良い。

この場合、位置決め機構23は、有機溶剤の存在下で電子部品24の金属端子24aと基板21の金属端子21aとを位置決めするものであり、また、荷重制御機構26は、有機溶剤の存在下で電子部品24および基板21の各金属端子24a，21a間に印加される荷重を制御するものである。

この実装装置で取扱われる基板21および電子部品24の少なくとも一方は、有機材料、セラミックス材料、半導体材料、これらの複合体の中の少なくともいずれかから選択されたものである。

電子部品24には、半導体デバイスだけでなく、回路形成されたサブアッセンブリ基板も含まれる。

また、金属接合される電子部品24の金属端子24aおよび基板21の金属端子21aは、突起状に形成されたバンプであり、これらの金属接合される金属端子24a，21aの少なくとも一方は、軟質はんだ合金と、錫、鉛、インジウム、インジウム合金などの低剛性金属との中の少なくともいずれかから選択されたものである。

次に、このような電子部品の実装装置を用いて行う電子部品の実装方法を説明する。

先ず、図１に示された電子部品保持機構25により電子部品24を保持するとともに、基板保持機構22により基板21を保持し、位置決め機構23により、図３（ａ）に示されるように電子部品24の電極部に形成された金属端子24aと、基板21に形成された金属端子21aとの水平方向の位置決めをし、湿式処理機構27の処理液供給部28から基板21および電子部品24の金属端子21a，24aに処理液を供給しながら、余剰の処理液29を処理液回収部30で回収することにより、基板21および電子部品24の金属端子21a，24aの表面を湿式処理して、これらの金属端子21a，24aの表面の酸化物を除去する。

この湿式処理は、無機酸の溶液、有機酸の溶液および還元性作用を有する塩の溶解液の中の少なくともいずれかから選択された処理液でなされる。

例えば、この湿式処理用の溶液としては、(1) 塩酸、燐酸、硫酸、硝酸、過酸化水素、臭化水素酸などの無機酸およびこれらの混合物または希釈液、(2) 蟻酸、酢酸、シュウ酸（室温で固体であるシュウ酸は、水やアルコールに溶解して使用する）などの有機酸およびこれらの混合物、(3) ジメチルアミン塩酸塩やジエチルアミン塩酸塩などの塩を水またはアルコールに溶解させたもの、(4) 塩化亜鉛などのハロゲンを含有する金属塩を溶解した溶解液、(5) 塩化アンモニウムなどのハロゲンを含有する塩を溶解した溶解液、(6) 上記薬液の混合溶液を用いる。

また、前記湿式処理としては、上記のように無機酸の溶液、有機酸の溶液および還元性作用を有する塩の溶解液の中の少なくともいずれかから選択された処理液で酸化膜を除去した後に、酢酸エチルなどの有機溶剤により処理液を洗浄・置換するようにしても良い。

この場合、湿式処理機構27は、処理液による酸化膜除去後に、有機溶剤により処理液を洗浄・置換するので、再酸化を防いで、直ちに位置決め機構23および荷重制御機構26により有機溶剤の存在下での金属接合工程に入ることが可能であり、かつ処理液の接合後の後洗浄が不要となる。

次いで、図１に示された荷重制御機構26により、図３（ｂ）に示されるように基板21に対し電子部品24を相対的に鉛直方向にのみ移動して、電子部品24の金属端子24aと基板21の金属端子21aとを突合せ、さらに金属端子21a，24a間に鉛直荷重を印加するとともにその荷重を制御することで、これらの金属端子21a，24aを金属接合する。

この金属接合時に、金属端子21a，24aを非加熱もしくは融点以上に加熱しない。すなわち、常温のままで加熱しないか、または金属端子21a，24aの融点未満の加熱で抑える。多少温度をかけることにより、固相拡散を促進させることができる。また、この金属接合時に、フラックスなどの融材を用いない。

さらに、この金属接合した後に、図２に示された洗浄槽15により基板21および電子部品24を洗浄し、乾燥機16により乾燥する。

その上で、図３（c）に示されるように基板21と電子部品24との間にアンダーフィル材31を充填し、基板21と電子部品24との間の機械的強度および電気的絶縁性を確保する。

このアンダーフィル材31の充填は、熱膨張係数の著しく異なる基板21と電子部品24との実装方法において、その熱膨張係数のミスマッチに起因する熱歪に対する実装信頼性を確保するために、基板21と電子部品24との間にアンダーフィル材31を注入硬化して、機械的強度の補強を行う。

このアンダーフィル材31は、熱硬化性樹脂すなわち熱硬化性のエポキシ材料が望ましいが、紫外線硬化型の材料でも可能である。

電子部品（半導体デバイス）24をフリップチップ接合により樹脂基板21上に実装する場合、アンダーフィル材31の主材料となるエポキシ樹脂の弾性率は小さく熱膨張係数も大きいことから、単独では機械的強度の補強が難しいため、シリカなどのフィラーを添加し、物性値を半導体側に合せるよう調整されたものが望ましい。

また、アンダーフィル材31の供給方法は先入れと後入れに分かれ、例えば、５mm角程度の小さな半導体デバイスの場合で、熱歪による機械的ストレスが小さく、また金バンプを用い端子数の少ないデバイスの実装にはフィラーを含まないアンダーフィル材を基板上に予め塗布しておく先入れ方法も取られるが、１０mm以上の半導体デバイスの場合、熱歪による機械的ストレスが大きいため、フィラーを含有したアンダーフィル材31が使用される。

この場合、先入れ法では、アンダーフィル材31中のフィラーが金属端子21a，24a間の金属接合部に噛み込み、接合信頼性が低下することから、電子部品24を基板21に実装した後に、その間隙にアンダーフィル材31を注入する後入れ法が望ましい。アンダーフィル材31は電子部品24と基板21との間隙が極めて小さい場合でも毛細管現象により電子部品24と基板21間に流入していく。

そして、電子部品24と基板21間にアンダーフィル材31が供給された後、このアンダーフィル材31を150℃程度に加熱して硬化すると、電子部品24と基板21とを強固に接着して機械的補強効果を発揮する。

このように、接合を妨げる金属端子21a，24aの表面の酸化物を湿式処理により除去した後に、基板21および電子部品24の金属端子21a，24aを突合せて荷重を印加することで、固相拡散により、融材を使用せずかつ加熱する必要のない金属接合が可能となり、従来のハロゲン化処理方法やエネルギ波照射による表面活性化処理方法が抱えていた種々の問題を解決できる。

例えば、強い活性を有する場合の問題点、地球環境保護の上でコスト高となる点、洗浄工程を必要とする点、生産効率が悪い点、制御が困難である点、コストの高い装置を必要とし汎用的でない点、接合材料が金に限られる点などを解決できる。

また、金属接合される電子部品24の金属端子24aおよび基板21の金属端子21aの少なくとも一方は、突起状すなわちバンプ状に形成されたので、基板21および電子部品24の各金属端子21a，24aを突合せて荷重を印加したときに、塑性変形により金属端子間の高い接合信頼性が得られる。

また、基板21および電子部品24の各金属端子21a，24aの少なくとも一方が、軟質はんだ合金や、錫、鉛、インジウム、インジウム合金などの低剛性金属の場合は、接合を妨げる金属端子21a，24aの表面の酸化物を湿式処理により除去した後に、基板21および電子部品24の金属端子21a，24aを突合せて荷重を印加することで、固相拡散による金属接合を確実にできる。

また、無機酸の溶液、有機酸の溶液および還元性作用を有する塩の溶解液の中の少なくともいずれかから選択された処理液でなされる湿式処理により、金属端子21a，24aの表面の酸化物を確実に除去できる。

さらに、この湿式処理において、上記のような処理液で酸化物除去処理された金属端子21a，24aの表面を、さらに予め有機溶剤で洗浄・置換処理をしておくことで、後洗浄が不要となり、図２に示された洗浄槽15を省略できる効果がある。

また、金属端子21a，24aを融点以上に加熱しないので、熱歪による信頼性低下を防止できる。

また、金属端子21a，24aの金属接合が、融材すなわちフラックスを用いない非融材状態でなされることで、融材による電気的な損傷を防止できる。

また、電子部品実装後に基板21と電子部品24との隙間にアンダーフィル材31を充填するので、電子部品実装前にアンダーフィル材を塗布する方法より、電子部品と基板の金属端子間へのアンダーフィル材の噛み込みを防止でき、高い接合信頼性を確保できる。

また、基板21および電子部品24の少なくとも一方が、有機材料、セラミックス材料、半導体材料、これらの複合体のいずれであっても、これらの基板21および電子部品24の各金属端子21a，24a間の固相拡散による金属間結合が可能である。

また、電子部品保持機構25により電子部品24を保持するとともに、基板保持機構22により基板21を保持し、位置決め機構23により基板21および電子部品24の各金属端子21a，24aを位置決めし、湿式処理機構27により、基板21および電子部品24の各金属端子21a，24aの表面の酸化物を湿式処理で除去し、荷重制御機構26により、基板21に対し電子部品24を相対的に鉛直方向にのみ移動して基板21および電子部品24の各金属端子21a，24a間に荷重を印加するとともに、その荷重を制御して基板21および電子部品24の各金属端子21a，24aを金属接合するので、特に、基板21に対し電子部品24を相対的に鉛直方向にのみ移動して荷重を制御することで、固相拡散を十分に促進させ、融材の使用や加熱の必要がなく、電気的信頼性を確保できるとともに、熱歪による電子部品24の信頼性低下を防ぐことができる。また一方向への荷重印加であるため、金属端子21a，24a間の機械的強度の劣化や非接触または接触不良を防止することができる。

さらに、電子部品保持機構25を介して処理液供給部28と処理液回収部30とを配置したので、湿式処理をした後に直ちに金属接合工程に入ることができ、生産効率を向上できる。

特に、湿式処理機構27の処理液による酸化膜除去後に、処理液が有機溶剤により洗浄・置換される場合は、再酸化を防いで、直ちに位置決め機構23および荷重制御機構26により有機溶剤の存在下での金属接合工程に入ることができ、かつ処理液の接合後の後洗浄を不要にできる。

次に、図４乃至図７を参照しながら、上記実装方法により基板21上に電子部品24を実装した結果物のダイシア強度などに関する実測データを示す。

図４は、1/10に希釈した塩酸でエッチング処理した金属端子21a，24aに関して、エッチング時間とダイシア強度との関係を表わすデータである。金属端子21a，24a間の金属接合時の鉛直荷重は、１バンプ当り112.5ｇである。この場合、４００端子を有する１０mm角のシリコンチップを使用した場合の荷重は４５kgである。

図５は、1/10に希釈した塩酸で１０分間エッチング処理した後の金属端子21a，24aに関して、実装荷重と、ダイシア強度および電気的接合性との関係を表わすデータである。

図６は、有機酸を使用した例であり、1/10に希釈した蟻酸でエッチング処理した場合の、エッチング時間とダイシア強度および電気的接合性との関係を表わすデータである。金属端子21a，24a間の金属接合時の鉛直荷重は、１バンプ当り112.5ｇである。

図７は、有機酸の種類による効果の相違、すなわち電離定数に依存する効果の相違を示す、エッチング時間とダイシア強度および電気的接合性との関係を表わすデータである。金属端子21a，24a間の金属接合時の鉛直荷重は、１バンプ当り112.5ｇである。

蟻酸と酢酸とを、共に同条件の、加熱なしの２３℃でエッチング処理した場合の電気的接合性の相違は、蟻酸の電離定数が、2.05×10^−４であり、酢酸の電離定数が1.86×10^−５である。

電離定数が１桁違い、これが効いている。加熱するなどの手段をとれば改善することは明らかである。

本発明に係る電子部品の実装装置の一実施の形態を示す正面図である。同上実装装置が組込まれた電子部品実装関連設備を示す正面図である。同上実装装置による実装方法の一実施の形態を示す説明図であり、（ａ）は基板および電子部品の各金属端子を位置決めした状態、（ｂ）は各金属端子を金属接合した状態、（ｃ）は基板と電子部品との隙間にアンダーフィル材を充填した状態を示す。本発明に係る希釈した塩酸でエッチング処理した場合の、エッチング時間とダイシア強度との関係を表わすデータである。希釈した塩酸でエッチング処理した後の実装荷重とダイシア強度および電気的接合性との関係を表わすデータである。有機酸でエッチング処理した場合の、エッチング時間とダイシア強度および電気的接合性との関係を表わすデータである。有機酸の種類による効果の相違を示す、エッチング時間とダイシア強度および電気的接合性との関係を表わすデータである。

21 基板
21a 金属端子
22 基板保持機構
23 位置決め機構
24 電子部品
24a 金属端子
25 電子部品保持機構
26 荷重制御機構
27 湿式処理機構
28 処理液供給部
29 処理液
30 処理液回収部

Claims

電子部品を保持する電子部品保持機構と、
電子部品を搭載する基板を保持する基板保持機構と、
電子部品の電極部に形成された金属端子と基板に形成された金属端子とを位置決めする位置決め機構と、
電子部品および基板の各金属端子の表面の酸化物を湿式処理で除去する湿式処理機構と、
基板に対し相対的に鉛直方向にのみ移動して電子部品および基板の各金属端子間に荷重を印加するとともにその荷重を制御して電子部品および基板の各金属端子を固相拡散により金属接合する荷重制御機構とを具備し、
湿式処理機構は、処理液で金属端子の表面の酸化物を湿式処理して除去した後に有機溶剤で洗浄・置換するものであり、
位置決め機構は、有機溶剤の存在下で電子部品の金属端子と基板の金属端子とを位置決めするものであり、
荷重制御機構は、有機溶剤の存在下で電子部品および基板の各金属端子間に印加される荷重を制御するものである
ことを特徴とする電子部品の実装装置。
湿式処理機構は、
電子部品保持機構の一側に配置され電子部品および基板の金属端子に向って処理液を供給する処理液供給部と、
電子部品保持機構の他側に配置され電子部品および基板の金属端子を経た余剰の処理液を回収する処理液回収部と
を具備したことを特徴とする請求項１記載の電子部品の実装装置。