JP4541216B2 - 電子部品実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品実装方法に関するものである。

近年電子部品の小型化や実装密度の高度化に伴って、基板の電極に電子部品を実装する際の位置精度も高度化している。例えば、近年普及が著しい携帯電話などの小型機器では、０．６ｍｍ×０．３ｍｍ程度の微小サイズの電子部品が０．１ｍｍ程度の狭ピッチで多数実装される。このような電子部品の実装に際しては、きわめて高い実装位置精度が求められる。

ところで、上述のような微小サイズの電子部品の実装においては、実装品質の管理に特段の考慮が求められる。すなわち製造された実装基板は、種々の使用状態において不具合なく使用できるよう、品質が保証されなければならないため、実装後の基板に対して機能検査が行われる。そして検査の結果不良と判定されたものは補修の対象となるが、従来よりこの補修作業は主に手作業で行われ、検査によって特定された不良部品を取り外したのちに、新たに正常な部品を実装する作業が行われる。

しかしながら、上述の微小部品が高密度で実装された実装基板では、実装基板として完成した後に不良と判定されたものに対して上述の補修作業を行うことがきわめて難しい。このため、実装完成後の検査によって不良と判定されたものの大部分は、廃棄処理を余儀なくされる場合が多く、高集積度で高価な電子部品を無駄にすることとなっていた。

そしてこのような無駄を排除するため、従来は実装作業における不具合の発生を極力減少させることを目的として定期的に実装ラインの稼働を停止し、装置各部の点検や試し基板による調整を行って、位置決め補正値などの制御パラメータをその都度装置の状態に応じて更新するキャリブレーション作業を行っていた。このような作業は、装置停止状態で行われるため当然のことながら装置稼働率を低下させると共に、作業者に取っては繁雑な調整作業を伴う手間と時間を要する作業であることから、実装過程での品質管理をより精細にかつ効率よく行うことによって手間と資材の無駄を排除することが望まれていた。

そこで本発明は、実装過程での品質管理をより精細に効率よく行うことができる電子部品実装方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の電子部品実装方法は、複数の電子部品実装用装置を連結して構成された電子部品実装システムによって基板に電子部品を実装する電子部品実装方法であって、印刷装置により前記基板に形成された電極に半田を印刷し、次に半田印刷後の基板を印刷検査装置に搬入し、この印刷検査装置によって各電極部位ごとに、基板の認識マークを基準とした座標値として画像認識によって１対の半田ペーストの重心位置を示す半田位置データを求め、求められた半田位置データから設計データ上の正規位置に対する半田位置の位置ずれ量の座標値を統計処理することにより、印刷位置の位置ずれ傾向を示す偏差を求め、この半田位置の偏差データを下流側の電子部品搭載装置に各装置の稼動中において随時フィードフォワードし、次に半田印刷検査後の基板を電子部品搭載装置に搬入し、この電子部品搭載装置によって搭載ヘッドに指令される制御パラメータをフィードフォワードされた半田位置の偏差データに基づき修正した上で電子部品を印刷された半田上に搭載する。

本発明によれば、電子部品実装過程における印刷工程、半田位置検出工程、搭載工程、部品位置検出工程、半田接合工程の各工程実行時において、半田位置データおよび部品位置データに基づいて、印刷装置および電子部品搭載装置を制御する制御パラメータをインライン状態で更新することにより、実装過程における品質管理をより精細に効率よく行うことができる。

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における電子部品実装システムの構成を示すブロック図、図２は本発明の一実施の形態における外観検査装置の構成を示すブロック図、図３は本発明の一実施の形態におけるスクリーン印刷装置の構成を示すブロック図、図４は本発明の一実施の形態における電子部品搭載装置の構成を示すブロック図、図５は本発明の一実施の形態におけるリフロー装置の構成を示すブロック図、図６は本発明の一実施の形態における電子部品実装システムの制御系のブロック図、図７は本発明の一実施の形態における基板の外観検査の説明図、図８は本発明の一実施の形態における電子部品実装方法における位置ずれ検出結果の説明図である。

まず図１を参照して電子部品実装システムについて説明する。図１において電子部品実装システムは、基板検査装置Ｍ１、印刷装置Ｍ２、印刷検査装置Ｍ３、電子部品搭載装置Ｍ４、搭載状態検査装置Ｍ５、リフロー装置Ｍ６および実装状態検査装置Ｍ７の各装置を連結して成る電子部品実装ライン１を通信ネットワーク２によって接続し、全体を管理コンピュータ３によって制御する構成となっている。

基板検査装置Ｍ１は、基板に形成された電極の検査を行う。印刷装置Ｍ２は、基板の電極上の電子部品接合用の半田ペーストをスクリーン印刷する。印刷検査装置Ｍ３（第１の検査装置）は、印刷後の基板における印刷状態を検査する。電子部品搭載装置Ｍ４は、半田ペーストが印刷された基板に電子部品を搭載する。搭載状態検査装置Ｍ５（第２の検査装置）は、電子部品搭載後の基板上における電子部品の有無や位置ずれを検査する。リフロー装置Ｍ６（半田接合手段）は電子部品搭載後の基板を加熱して、電子部品を基板に半田接合する。実装状態検査装置Ｍ７（第３の検査装置）は、半田接合後の基板上における電子部品の実装状態を検査する。

次に各装置の構成について説明する。まず図２を参照して、基板検査装置Ｍ１、印刷検査装置Ｍ３、搭載状態検査装置Ｍ５および実装状態検査装置として用いられる外観検査装置について説明する。図２において、位置決めテーブル１０上には基板保持部１１が配置されており、基板保持部１１には基板４が保持されている。基板保持部１１の上方にはカメラ１３が撮像方向を下向きにして配設されており、周囲に設けられた照明部１２を点灯した状態で、カメラ１３は基板４を撮像する。このとき、テーブル駆動部１４を制御して位置決めテーブル１０を駆動することにより、基板４の任意位置をカメラ１３の直下に位置させて撮像することができる。

撮像によって取得した画像データは画像認識部１７によって画像処理され、所定の認識結果が出力される。検査処理部１６は、認識結果に基づいて検査対象項目ごとに合否判定を行うとともに、所定項目については検出値をフィードバックデータ、フィードフォワードデータとして出力する。出力されたデータは通信部１８、通信ネットワーク２を介して、管理コンピュータ３や他装置に転送される。検査制御部１５は、テーブル駆動部１４、カメラ１３、照明部１２を制御することにより、検査動作を制御する。

次に図３を参照して印刷装置Ｍ２の構成について説明する。図３において、位置決めテーブル２０上には基板保持部２１が配設されている。基板保持部２１は基板４をクランパ
２１ａによって両側から挟み込んで保持する。基板保持部２１の上方には、マスクプレート２２が配設されており、マスクプレート２２には基板４の印刷部位に対応したパターン孔（図示せず）が設けられている。テーブル駆動部２４によって位置決めテーブル２０を駆動することにより、基板４はマスクプレート２２に対して水平方向および垂直方向に相対移動する。

マスクプレート２２の上方にはスキージ部２３が配置されている。スキージ部２３は、スキージ２３ｃをマスクプレート２２に対して昇降させるとともにマスクプレート２２に対して所定押圧力（印圧）で押し付ける昇降押圧機構２３ｂ、スキージ２３ｃを水平移動させるスキージ移動機構２３ａより成る。昇降押圧機構２３ｂ、スキージ移動機構２３ａは、スキージ駆動部２５により駆動される。基板４をマスクプレート２２の下面に当接させた状態で、半田ペースト５が供給されたマスクプレート２２の表面に沿ってスキージ２３ｃを所定速度で水平移動させることにより、半田ペースト５は図示しないパターン孔を介して基板４の上面に印刷される。

この印刷動作は、テーブル駆動部２４、スキージ駆動部２５を印刷制御部２７によって制御することによって行われる。この制御に際しては、印刷データ記憶部２６に記憶された印刷データに基づいて、スキージ２３ｃの動作や基板４とマスクプレート２２との位置合わせが制御される。表示部２９は印刷装置の稼動状態を示す各種の指標データや、印刷動作状態の異常を示す異常報知を表示する。通信部２８は通信ネットワーク２を介して管理コンピュータ３や電子部品実装ライン１を構成する他装置との間でのデータ授受を行う。

次に図４を参照して電子部品搭載装置の構成について説明する。図４において位置決めテーブル３０上には基板保持部３１が配設されており、基板保持部３１は印刷検査装置Ｍ３から搬送された基板４を保持する。基板保持部３１の上方には、ヘッド駆動機構３３によって移動する搭載ヘッド３２が配設されている。搭載ヘッド３２は電子部品を吸着するノズル３２ａを備えており、搭載ヘッド３２は図示しない供給部から電子部品をノズル３２ａによって吸着保持して取り出す。そして搭載ヘッド３２を基板４上に移動させて、基板４に対して下降させることにより、ノズル３２ａに保持した電子部品を基板４に搭載する。

ヘッド駆動機構３３、位置決めテーブル３０はそれぞれ搭載ヘッド駆動部３５、テーブル駆動部３４によって駆動される。前記搭載動作において、搭載データ記憶部３６に記憶された搭載データ、すなわち基板４上での電子部品の実装座標に基づいて、搭載制御部３７によってテーブル駆動部３４、搭載ヘッド駆動部３５を制御することにより、搭載ヘッド３２による基板４への電子部品搭載位置を制御することができる。すなわち、搭載制御部３７からの制御指令値が、搭載位置を制御する制御パラメータとなっている。

表示部３９は電子部品搭載装置Ｍ４の各種の稼動状態を表す指標データや搭載動作状態の異常を示す異常報知を表示する。通信部３８は通信ネットワーク２を介して管理コンピュータ２や電子部品実装ライン１を構成する他装置との間でデータ授受を行う。

次に図５を参照してリフロー装置の構成について説明する。図５において、基台４０上に設けられた加熱室４２内には、基板４を搬送する搬送路４１が水平に配設されている。加熱室４２内は複数の加熱ゾーンに仕切られており、各加熱ゾーンは、それぞれ温調機能を有する加熱手段４３を備えている。加熱手段４３を駆動して各加熱ゾーンを所定の温度条件に加熱した状態で、半田ペースト上に電子部品が搭載された基板４を上流側から順次加熱ゾーンを通過させることにより、半田ペースト中の半田成分が加熱溶融する。これにより電子部品は基板４に半田接合される。

このリフロー過程において、加熱データ記憶部４６に記憶された加熱データ、すなわちリフロー過程における温度プロファイルを実現するための制御パラメータである温度指令値に基づいて加熱制御部４７によって各加熱手段４３を制御することにより、所望の温度プロファイルが設定される。表示部４９はリフロー装置Ｍ６の稼動状態を表す指標データや、所定の温度条件からの偏差が許容範囲を超え加熱動作状態が異常であることを示す異常報知を表示する。通信部４８は通信ネットワーク２を介して管理コンピュータ３や電子部品実装ライン１を構成する他装置との間でデータ授受を行う。

次に図６を参照して電子部品実装システムの制御系の構成について説明する。ここでは、電子部品実装過程における品質管理を目的としたデータ授受機能を説明する。図６において、全体制御部５０（全体制御手段）は管理コンピュータ３によって実行される制御処理範囲のうちの品質管理機能を担うものであり、通信ネットワーク２を介して電子部品実装ラインを構成する各装置から転送されるデータを受信し、予め定められた判定アルゴリズムに基づいて必要な判定処理を行い、処理結果を各装置に指令データとして通信ネットワーク２を介して出力する。

すなわち図２に示す外観検査装置を用いた基板検査装置Ｍ１、印刷検査装置Ｍ３、搭載状態検査装置Ｍ５および実装状態検査装置Ｍ７にそれぞれ備えられた基板検査処理部１６Ａ、印刷検査処理部１６Ｂ、搭載状態検査処理部１６Ｃおよび実装状態検査処理部１６Ｄは、それぞれ通信部１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃおよび１８Ｄを介して通信ネットワーク２に接続されている。また印刷装置Ｍ２、電子部品搭載装置Ｍ４およびリフロー装置Ｍ６に備えられた各部（図３，４，５参照）は、それぞれ通信部２８，３８，４８を介して通信ネットワーク２と接続されている。

これにより、いずれかの検査工程において抽出されたデータに基づいて上流側装置の制御パラメータを修正・更新するフィードバック処理や、下流側装置の制御パラメータを修正、更新するフィードフォワード処理が、各装置の稼動中に随時可能な構成となっている。

この電子部品実装システムは上記の様に構成されており、以下電子部品実装方法および実装過程において行われるキャリブレーション、すなわち制御パラメータの修正・更新処理について説明する。まず図示しない基板供給部から供給される基板４は、基板検査装置Ｍ１（図２参照）に搬入される。ここで基板４をカメラ１３によって撮像して画像認識することにより、図７（ａ）に示すように基板４に形成された電極６が各電極部位（１）〜（ｎ）ごとに認識される。これにより、各電極部位における１対の電極６の重心位置を示す位置データ（電極位置データ）が、基板４の認識マーク４ａを基準とした座標値ｘＬ（ｉ），ｙＬ（ｉ）として求められ、基板検査処理部１６Ａに送られる。

基板検査処理部１６Ａは各電極部位ごとに求められた複数の座標値に基づいて検査処理を行う。すなわち座標値を統計処理することにより、当該基板が使用可能か否かの合否判断を行うとともに、基板ごとに電極の位置ずれ傾向を判断する。そして図８（ａ）に示すように、実際の電極位置の設計データ上の正規位置に対する位置ずれ量が、許容範囲のばらつき範囲内で特定方向に偏っている場合には、この偏差Δ１を数値データとして求める。

そして下流側装置においてこの偏差分だけ制御パラメータを修正するフィードフォワード処理を行う。このフィードフォワード処理のための偏差データは、通信部１８Ａを介して通信ネットワーク２に転送され、全体制御部５０によって下流側の印刷装置Ｍ２、電子部品搭載装置Ｍ４に対して補正指令値として出力される。

次に、基板４は印刷装置Ｍ２に搬入されて基板保持部２１に保持される。この基板４に対して半田ペースト５が印刷される。このとき、上述のフィードフォワード処理によって印刷データ記憶部２６には電極位置の偏差データに基づく補正指令値が記憶されており、位置決めテーブル２０を駆動して基板４をマスクプレート２２に対して位置合わせする際には、この補正指令値に基づいて位置決めテーブル２０の移動量が補正される。これにより、電極が基板４の認識マーク４ａに対する正規位置から位置ずれを生じている場合にあっても、印刷装置Ｍ２においては電極６上の正しい位置に半田ペーストが印刷される。

次に、半田ペースト印刷後の基板４は印刷検査装置Ｍ３に搬入される。ここでは、同様の外観検査装置によって、図７（ｂ）に示すように各電極部位（１）〜（ｎ）ごとに、１対の電極６上に印刷された半田ペースト５の重心位置を示す位置データ（半田位置データ）が、認識マーク４ａを基準とした座標値ｘＳ（ｉ），ｙＳ（ｉ）として画像認識によって求められる。そして認識結果は印刷検査処理部１６Ｂによって同様に検査処理され、印刷結果の合否判断および印刷位置の位置ずれ傾向が判断される。そして図８（ｂ）に示すように正規位置に対する位置ずれ量の偏差Δ２を求め、この偏差データは通信部１８Ｂを介して通信ネットワーク２に転送される。

ここで印刷検査によって得られた偏差データは、フィードバック処理およびフィードフォワード処理の双方に用いられる。すなわち、印刷装置Ｍ２において当該基板４への印刷動作に用いられた制御パラメータと、検査によって検出された印刷位置とを比較することにより、印刷装置Ｍ２に起因して生じた位置ずれを求めることができる。そしてこの位置ずれ分だけ印刷装置Ｍ２の制御パラメータを修正するキャリブレーションを行うことにより、印刷動作における位置ずれ量を減少させることができる。また印刷位置の偏差データは、下流側の電子部品搭載装置Ｍ４にフィードフォワードされる。

さらに、各電極６上に印刷された半田ペーストの撮像データに基づいて、各電極部位ごとに半田部分（図７（ｂ）に示す電極６上の黒色部分）の面積を演算することにより、各電極部位ごとの半田印刷量が検出される。そして検出された半田印刷量が許容範囲を超えてばらついている場合には、印刷条件の設定が不良であると判定され、その旨表示される。

印刷条件には、スキージ２３ｃをマスクプレート２２上で移動させるスキージ速度やスキージ２３ｃをマスクプレート２２に押し付ける印圧値、さらにはスキージング後に基板４をマスクプレート２２の下面から引き離す版離れ速度などがあり、これらの印刷動作制御上の数値データが、制御パラメータとして設定される。

次に、半田印刷後の基板４は、電子部品搭載装置Ｍ４に搬入され、ここで半田ペースト５が印刷された電極６上に電子部品７の搭載が行われる。このとき、搭載ヘッド３２によって基板４に電子部品を搭載する際には、テーブル駆動部３４および搭載ヘッド駆動部３５に指令される制御パラメータを、フィードフォワードされた偏差Δ２だけ修正した上で搭載動作を行う。これにより、半田ペースト５の印刷位置が全体的に偏っている場合においても、電子部品７は印刷された半田ペースト５に対して位置ずれを生じることなく精度よく搭載される。

次に、電子部品が搭載された基板４は搭載状態検査装置Ｍ５に搬送され、ここで電子部品の搭載状態を検査するための外観検査が行われる。すなわち図７（ｃ）に示すように、各電極部位（１）〜（ｎ）ごとに搭載された電子部品７の重心位置を示す位置データ（部品位置データ）を、認識マーク４ａを基準とした座標値ｘＰ（ｉ），ｙＰ（ｉ）として求める。

そして認識結果は搭載状態検査処理部１６Ｃによって検査処理され、搭載状態の合否判断および搭載位置の位置ずれ傾向が判断され、図８（ｃ）に示すように正規位置に対する位置ずれ量の偏差Δ３が求められる。そしてこの偏差データは同様に通信ネットワーク２に転送される。ここでは、搭載位置の偏差データは電子部品搭載装置Ｍ４にフィードバックされ、偏差Δ３だけ制御パラメータを修正するキャリブレーションが行われる。

また、電極６上に電子部品７が搭載されていない場合や、搭載されていても正常な姿勢でなく立ち姿勢となっている場合や、回転方向が大きくずれているような場合には、画像認識時にその状態が検出され、搭載動作状態の異常と判定されてその旨表示される。

上記位置データおよび搭載動作状態の異常データは、電子部品が収容されていた部品供給部の各パーツフィーダごとに、および電子部品を保持するノズルごとに統計処理される。さらには、電子部品搭載装置Ｍ４として、ロータリ式の搭載装置のように複数の移載ヘッドを有し、個々の移載ヘッドに備えられた複数のノズルが回転可能で、電子部品を異なる実装角度で実装する場合には、個々のノズルについて実装角度ごとに統計処理される。これにより、制御パラメータの修正を行う際には、統計処理によって求められた適正な修正量に従って、対象ごとにきめ細かいキャリブレーションを行うことができる。

この後、電子部品が搭載された基板４はリフロー装置Ｍ６に搬入され、ここで所定の温度プロファイルに従って基板４を加熱することにより、半田ペースト５中の半田成分が溶融し、電子部品７は電極６に半田接合される。リフロー後の基板４は、実装状態検査装置Ｍ７に搬入され、ここで最終的な電子部品の実装状態が検査される。すなわち外観検査によって電子部品７の有無や姿勢・位置の異常の有無が検査される。ここで検出される項目のうち、リフロー過程における加熱状態の不良に起因するものについては、リフロー装置Ｍ６にフィードバックされ、加熱データ記憶部４６の制御パラメータの修正が行われる。

上記説明したように、本実施の形態に示す電子部品実装方法は、電子部品接合用の電極に半田を印刷する印刷工程と、印刷された半田の位置を検出し半田位置データとして出力する半田位置検出工程と、半田が印刷された電極に電子部品を搭載する搭載工程と、搭載された電子部品の位置を検出し位置検出結果を部品位置データとして出力する部品位置検出工程と、搭載された電子部品を基板に半田接合する半田接合工程とを含み、各工程実行時において半田位置データおよびまたは部品位置データに基づいて、印刷装置、電子部品搭載装置を制御する制御パラメータを更新して、印刷動作や搭載動作のキャリブレーションを行うものである。

これにより、従来は電子部品実装ラインの稼動を停止した状態で、試し基板を用いて行っていたオフラインのキャリブレーションを行うことなく、各装置を稼動させたままインラインのキャリブレーションを行うことができる。したがって、機構部品の経時変化や環境温度の変化などの変動要因が存在する場合にあっても、これらの変動要因に起因する印刷位置精度や搭載位置精度の低下を、常にキャリブレーションによって防止することができる。

このようにインラインで検出したデータに基づいてキャリブレーションを行うことにより、従来は不可避であった不良基板の発生を大幅に削減することができるとともに、オフラインのキャリブレーション作業を排して、実装設備の稼動率を向上させることが可能となる。

本発明によれば、電子部品実装過程における印刷工程、半田位置検出工程、搭載工程、
部品位置検出工程、半田接合工程の各工程実行時において、半田位置データおよび部品位置データに基づいて、印刷装置および電子部品搭載装置を制御する制御パラメータをインライン状態で更新するようにしたので、実装過程における品質管理をより精細に効率よく行うことができ、基板に電子部品を実装する電子部品実装方法として有益である。

本発明の一実施の形態における電子部品実装システムの構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態における外観検査装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態におけるスクリーン印刷装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態における電子部品搭載装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態におけるリフロー装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態における電子部品実装システムの制御系のブロック図 本発明の一実施の形態における基板の外観検査の説明図 本発明の一実施の形態における電子部品実装方法における位置ずれ検出結果の説明図

符号の説明

１ 電子部品実装ライン
２ 通信ネットワーク
３ 管理コンピュータ
４ 基板
Ｍ１ 基板検査装置
Ｍ２ 印刷装置
Ｍ３ 印刷検査装置
Ｍ４ 電子部品搭載装置
Ｍ５ 搭載状態検査装置
Ｍ６ リフロー装置
Ｍ７ 実装状態検査装置

Claims (1)

1. 複数の電子部品実装用装置を連結して構成された電子部品実装システムによって基板に電子部品を実装する電子部品実装方法であって、印刷装置により前記基板に形成された電極に半田を印刷し、次に半田印刷後の基板を印刷検査装置に搬入し、この印刷検査装置によって各電極部位ごとに、基板の認識マークを基準とした座標値として画像認識によって１対の半田ペーストの重心位置を示す半田位置データを求め、求められた半田位置データから設計データ上の正規位置に対する半田位置の位置ずれ量の座標値を統計処理することにより、印刷位置の位置ずれ傾向を示す偏差を求め、この半田位置の偏差データを下流側の電子部品搭載装置に各装置の稼動中において随時フィードフォワードし、次に半田印刷検査後の基板を電子部品搭載装置に搬入し、この電子部品搭載装置によって搭載ヘッドに指令される制御パラメータをフィードフォワードされた半田位置の偏差データに基づき修正した上で電子部品を印刷された半田上に搭載することを特徴とする電子部品実装方法。

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