JP4700060B2 - 電子部品装着ヘッド、電子部品装着装置および電子部品装着方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する技術に関する。

従来、プリント基板等の回路基板に電子部品を装着する装置では、電子部品の電極と回路基板の電極とを接合する様々な方法が利用されており、電子部品を短時間で、かつ、比較的低温にて実装することができる方法の１つとして超音波を利用する接合方法（以下、「超音波接合」という。）が知られている。超音波接合では、超音波振動により回路基板に押圧された電子部品を振動させ、電子部品の電極（例えば、バンプが形成されている。）と回路基板の電極とを電気的に接合する。

このような超音波接合を行う電子部品の装着装置では、電子部品に対する超音波振動の付与と並行して電子部品または回路基板の電極を加熱することにより、接合強度を高めて実装の質を向上することが行われている。このような加熱は、通常、電子部品が装着される側とは反対側から回路基板を加熱することにより行われる。

一方、回路基板全体を高温に加熱することは好ましくないため、例えば、特許文献１では、半導体チップを実装時に加熱して接合強度を高める技術が開示されている。特許文献１では、接合ヘッドに設けられたレーザ吸収体にレーザ光を照射することにより発熱させ、当該レーザ吸収体からの熱が接合ヘッドに吸着された半導体チップに熱伝導プレートを介して伝達される。

特開２００３−２５８０３７号公報

ところで、特許文献１の装置では、接合ヘッドの外部にレーザ発振器やレーザ光を接合ヘッドへと導く光ファイバが設けられ、接合ヘッドの内部には、レーザ光を導くミラーやレーザ吸収体、熱伝導プレート等、様々な部品が設けられるため、接合ヘッドや装置の構造が複雑化して装置コストが上昇してしまう。

装置の構造を簡素化するという観点からは、電子部品を保持する部品保持部に加熱部として、例えば電熱式のヒータを設け、熱伝導により部品保持部および電子部品を加熱することが好ましいと考えられる。しかしながら、ヒータに代表されるような加熱部の寿命は比較的短いため、ヒータを部品保持部に交換不能に固定すると、部品保持部を長期間使用することができなくなってしまう。逆に、ヒータを交換可能に取り付けた場合、ヒータの交換時に取付位置の僅かなずれやヒータの僅かな質量差等により、部品保持部を介して電子部品に付与される超音波振動の特性が変化してしまい、所望の接合強度を得ることができなくなってしまう恐れがある。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、電子部品を加熱しつつ回路基板に対して超音波接合する場合において、電熱式のヒータを交換しても電子部品に付与される超音波振動の特性を一定に維持して電子部品の装着を行うことができる電子部品装着装置および方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着装置において、
電子部品を保持する部品保持部と、
上記部品保持部が取り付けられる支持部と、
上記部品保持部に対して非接触の状態にて上記支持部に固定され、輻射熱を付与することにより、上記部品保持部により保持された状態の電子部品を加熱する加熱部と、
上記部品保持部を介して上記電子部品に超音波振動を付与する超音波振動子と、
上記支持部および上記部品保持部を介して上記電子部品を上記回路基板に向けて押圧する押圧機構とを備え、
上記部品保持部に、上記加熱部が挿入される穴部が形成され、
上記穴部の内側表面に接触しないように上記穴部に挿入された状態の上記加熱部が上記支持部により保持されている、電子部品装着装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記穴部が、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動方向に垂直な方向に形成された貫通穴であり、
上記加熱部が、上記貫通穴の両側から上記支持部により保持される、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記部品保持部は、
上記穴部が形成され、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動方向に平行に延在する振動伝達部材と、
上記振動伝達部材の一端に取り付けられ、上記電子部品を保持する保持ツールとを備え、
上記振動伝達部材において、上記振動伝達部材の中心軸に対して上記穴部の中心軸が垂直に交わるとともに、上記穴部が、上記穴部の上記中心軸および上記振動伝達部材の上記中心軸を含む面に対して面対称である、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記加熱部は電熱式のヒータであり、
上記ヒータの表面と上記穴部の内側表面との間に、７．５μｍ以上１００μｍ以下の間隙が設けられている、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記部品保持部は、
上記加熱部が挿入される上記穴部が形成されるとともに、その一方の端部に上記超音波振動子が取り付けられ、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動方向に平行に延在する振動伝達部材と、
上記振動伝達部材の他端に取り付けられ、上記電子部品を保持する保持ツールとを備え、
上記振動伝達部材において上記穴部が上記他方の端部近傍に配置され、上記加熱部が上記他方の端部近傍に配置されている、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記支持部が、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動のノーダル部のみにて上記部品保持部を支持する、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、上記部品保持部の温度、または、上記部品保持部に保持された電子部品の温度を上記部品保持部に非接触の状態にて測定する温度計をさらに備える、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、上記部品保持部に形成された穴部に挿入され、上記部品保持部の温度を上記部品保持部に非接触の状態にて測定する熱電対をさらに備える、第１態様に記載の電子部品装着装置を提供する。

本発明の第９態様によれば、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着装置にて使用される電子部品装着ヘッドであって、
電子部品を保持する部品保持部と、
上記部品保持部が取り付けられる支持部と、
上記支持部に固定され、かつ上記部品保持部に形成された穴部の内側表面に接触しないように上記穴部に挿入され、上記部品保持部に対して非接触の状態にて輻射熱を付与することにより、上記部品保持部により保持された状態の上記電子部品を加熱する加熱部と、
上記部品保持部を介して上記電子部品に超音波振動を付与する超音波振動子とを備える、電子部品装着ヘッドを提供する。

本発明の第１０態様によれば、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着方法において、
部品保持部を支持する支持部に固定され、かつ上記部品保持部に形成された穴部の内側表面に接触しないように上記穴部に挿入された加熱部から、電子部品を保持する上記部品保持部に対して非接触の状態にて輻射熱を付与して、上記部品保持部を介して上記電子部品を加熱し、
それとともに、上記部品保持部を介して上記電子部品に超音波振動を付与しながら、上記電子部品を上記回路基板に向けて押圧して、上記電子部品を上記回路基板に装着する、電子部品装着方法を提供する。

本発明によれば、電子部品を加熱しつつ回路基板に対して超音波接合する場合において、加熱部（例えば電熱式のヒータ等）を交換しても電子部品に付与される超音波振動の特性を一定に維持することができる。すなわち、本発明においては、輻射熱を付与することで、電子部品を加熱する加熱部が、超音波振動子から伝達される超音波振動を電子部品に伝達する部品保持部と非接触の状態にて、支持部により支持されるという構成が採用されている。このような構成が採用されていることにより、加熱部の支持部への支持（すなわち交換可能な支持）と、部品保持部による超音波振動の伝達とを、非接触の関係でもって互いに影響を与えることがないようにすることができる。従って、電子部品に付与される超音波振動の特性を安定化することができ、超音波接合により電子部品の回路基板への装着を確実に行うことができる。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電子部品装着装置１の構成を示す正面図であり、図２は電子部品装着装置１の平面図である。電子部品装着装置１は、微細な電子部品を反転した後に、プリント基板等の回路基板９上に超音波を利用して電子部品を装着するとともに電極の接合を同時に行う（すなわち、電子部品を実装する）、いわゆる、フリップチップ実装装置である。

図１および図２に示すように、電子部品装着装置１は、回路基板９を保持する基板保持部２を備え、基板保持部２の（＋Ｚ）側には、基板保持部２に保持された回路基板９に電子部品を装着する装着機構３が設けられる。また、基板保持部２の（−Ｘ）側には、装着機構３に電子部品を供給する部品供給部４が設けられる。基板保持部２と部品供給部４との間には、部品供給部４により装着機構３に供給された電子部品を撮像する撮像部５、並びに、電子部品を回収する部品回収機構６１，６２が設けられる。電子部品装着装置１では、これらの機構が図１に示す制御部１０により制御されることにより、回路基板９に対する電子部品の装着が行われる。

基板保持部２は、回路基板９を保持するステージ２１、並びに、ステージ２１を図１および図２中のＹ方向に移動するステージ移動機構２２を備える。装着機構３は、電子部品装着ヘッド３１、電子部品装着ヘッド３１をＸ方向に移動する装着ヘッド移動機構３２、電子部品装着ヘッド３１をＺ方向に移動する（すなわち、昇降する）昇降機構３４（図１参照）を備える。なお、本第１実施形態において、Ｘ方向とＹ方向は、水平面内において互いに直交する方向であり、Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向と直交する方向、すなわち鉛直方向である。また、Ｘ、Ｙ及びＺ方向における「＋」方向は、図示矢印で示す方向であり、「−」方向は、矢印とは逆向きの方向を表す。

図３および図４は、電子部品装着ヘッド３１を拡大して示す正面図および左側面図である。図３および図４では、電子部品装着ヘッド３１に保持される電子部品９１も併せて図示する（図６、図８および図９についても同様）。図３に示すように、電子部品装着ヘッド３１は、電子部品９１を保持する部品保持部３３、部品保持部３３の（＋Ｘ）側の端部に配置されるとともに部品保持部３３を介して電子部品９１に超音波振動を付与する発振部である超音波振動子３５、部品保持部３３が取り付けられる支持部３６、および、部品保持部３３の（−Ｘ）側の端部近傍に配置される加熱部の一例である電熱式のヒータ３７を備える。

電子部品装着ヘッド３１は、また、図４に示すように、部品保持部３３に保持された電子部品９１の温度を、部品保持部３３に対して非接触にて測定するファイバ型の放射温度計３８を、部品保持部３３の（＋Ｙ）側にさらに備える。放射温度計３８は、支持部３６に取り付けられており、部品保持部３３に対して相対的に固定されている。なお、図３では、図の理解を容易にするため、放射温度計３８の図示を省略している。

図３に示すように、支持部３６は、部品保持部３３を（＋Ｙ）側および（−Ｙ）側から支持する保持部支持部材３６１を備え、保持部支持部材３６１は超音波振動子３５による部品保持部３３の振動のノーダル部（すなわち、節部）３３５のみにて部品保持部３３に接続される。

部品保持部３３は、大略Ｘ方向に延在する柱状の駆動伝達部材の一例であり、超音波振動子３５が取り付けられるホーン３３２、および、ホーン３３２の（−Ｘ）側の端部に着脱可能に取り付けられるとともに電子部品９１を吸着して保持する保持ツール３３１を備える。保持ツール３３１は、電子部品９１の装着において好適な振動特性および振動伝達特性を有するステンレス鋼により形成されており、中心部に電子部品９１の吸引吸着に利用される真空吸引用の吸引路を備える。

略四角柱状の部品保持部３３のホーン３３２の中心軸３３０は、超音波振動子３５に近づく（すなわち、（＋Ｘ）側に向かう）に従って僅かに（＋Ｚ）側に上がる方向へと伸びている。超音波振動子３５による部品保持部３３の振動方向、すなわちホーン３３２の振動方向は中心軸３３０に平行とされる。換言すれば、部品保持部３３のホーン３３２は、超音波振動子３５による振動方向に平行に伸びる略四角柱状となっている。図１に示す電子部品装着装置１では、基板保持部２に保持される回路基板９の主面がＸＹ平面に平行であるため、部品保持部３３の振動方向は回路基板９の主面に対して僅かに傾いていることとなる。なお、本第１実施形態では、超音波振動子３５による部品保持部３３の振動の振幅は、約１μｍとされる。

図３および図４に示す部品保持部３３には、ホーン３３２をＹ方向に貫通する貫通穴（すなわち、超音波振動子３５による部品保持部３３の振動方向に垂直な貫通穴）である穴部３３３が形成されており、穴部３３３の中心軸３３４に垂直な断面は円形とされる。また、穴部３３３の中心軸３３４は、図３に示すように、部品保持部３３の中心軸３３０に対して垂直に交わる。

穴部３３３には、略円柱状のヒータ３７が、その中心軸を穴部３３３の中心軸３３４と一致させつつ挿入される。ヒータ３７は、穴部３３３の両側（すなわち、（＋Ｙ）側および（−Ｙ）側））から支持部３６のヒータ支持部材３６２により保持されることにより、穴部３３３の内側面に対して非接触の状態にて、支持部３６に対して相対的に固定されている。ヒータ支持部材３６２は、断熱部材により形成されている。また、ヒータ支持部材３６２によるヒータ３７の保持を解除することが可能となっており、ヒータ３７は交換可能な構成が採用されている。

本第１実施形態では、ヒータ３７の外径および穴部３３３の径は例えばそれぞれ、３．１ｍｍおよび３．３ｍｍとされる。すなわち、穴部３３３の中心軸３３４を中心とする径方向において、ヒータ３７の表面と穴部３３３の内側面との間に間隙が設けられ、この間隙の大きさは１００μｍとされる。図３および図４では、図示の都合上、当該距離を実際よりも大きく描いている。

図３および図４に示す電子部品装着ヘッド３１では、ヒータ３７が通電されることにより、ヒータ３７から部品保持部３３に対して非接触の状態にて輻射熱が付与され、部品保持部３３（すなわち、ホーン３３２および保持ツール３３１）を介して、保持ツール３３１に保持された電子部品９１が加熱される。

電子部品９１に対して輻射熱を効率良く付与するという観点からは、ヒータ３７と部品保持部３３とは近接していることが好ましく、ヒータ３７の表面と穴部３３３の内側面との間の距離は１００μｍ以下とされることが好ましい。また、ヒータ３７を穴部３３３の内側面に接触させることなく取り付けるという観点からは、ヒータ３７の表面と穴部３３３の内側面との間の距離は、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｂ０４０１「寸法公差及びはめあい」のＨ７の上限値（１２μｍ）に部品保持部３３の超音波振動の振幅（１μｍ）を加えた値の半分（６．５μｍ）に対して、非接触のための余裕（１μｍ）をさらに加えた値以上、すなわち、７．５μｍ以上とされることが好ましい。

なお、直径が異なるヒータ３７が利用される場合や部品保持部３３の振幅が異なる場合には、穴部３３３の径、および、ヒータ３７の表面と穴部３３３の内側面との間の距離は適宜変更される。この場合も、ヒータ３７の表面と穴部３３３の内側面との間の距離は、１００μｍ以下とされることが好ましく、ＪＩＳ（Ｂ０４０１）のＨ７の上限値に部品保持部３３の振動の振幅を加えた値の半分に対して、非接触のための余裕（１μｍ）をさらに加えた値以上とされることが好ましい。

図１および図２に示すように、部品供給部４は、所定の位置に電子部品を配置する部品配置部４１と、部品配置部４１から電子部品を取り出して保持する供給ヘッド４２と、供給ヘッド４２をＸ方向に移動する供給ヘッド移動機構４３と、供給ヘッド４２を回動および僅かに昇降する回動機構４４とを備える。部品配置部４１は、多数の電子部品が載置される部品トレイ４１１と、部品トレイ４１１を保持するステージ４１２と、部品トレイ４１１をステージ４１２と共にＸ方向およびＹ方向に移動するトレイ移動機構４１３とを備える。

図１に示すように、供給ヘッド４２は、吸着により保持した電子部品を電子部品装着ヘッド３１の部品保持部３３（図３参照）に供給する供給コレット４２１を備える。供給コレット４２１は、中心部に真空吸引用の吸引路を備え、先端に形成された吸引口から吸引を行うことによって電子部品を吸着して保持する。

図１および図２に示す部品供給部４では、回路基板９に装着される予定の多数の電子部品が、回路基板９に接合される電極部が形成された側の面（実装後の状態における下面であり、以下、「接合面」という。）を（＋Ｚ）側に向けて（すなわち、回路基板９に装着される向きとは反対向きに）部品トレイ４１１上に載置されている。なお、本第１実施形態では電子部品の電極部は、電極パターン上に金（Ａｕ）で形成された突起バンプであるが、実装方法、あるいは実装される電子部品によっては電極部がメッキバンプ等であってもよく、電極パターン自体であってもよい。また、バンプは、電子部品の電極パターン上に設けられる代わりに、回路基板９の電極上に設けられてもよい。

撮像部５は、装着ヘッド移動機構３２による電子部品装着ヘッド３１（特に、部品保持部３３）の移動経路上であって電子部品装着ヘッド３１の移動と干渉しない位置（本実施の形態では移動経路の真下）に設けられ、部品保持部３３に保持された電子部品を（−Ｚ）側から撮像する。基板保持部２と撮像部５との間に設けられる部品回収機構６１も、電子部品装着ヘッド３１（特に、部品保持部３３）の移動経路上であって電子部品装着ヘッド３１の移動と干渉しない位置に配置され、必要に応じて部品保持部３３が保持する電子部品を回収する。また、ステージ４１２の（＋Ｘ）側に取り付けられる部品回収機構６２は、トレイ移動機構４１３によりステージ４１２と一体的にＸ方向およびＹ方向に移動され、必要に応じて供給コレット４２１が保持する電子部品を回収する。

図５Ａおよび図５Ｂは、電子部品装着装置１による電子部品の装着の流れを示すフローチャートである。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、Ｇ１及びＧ２は、それぞれのフローチャート間における図面上の関連先を示す符号である。電子部品装着装置１により回路基板９に電子部品が装着される際には、まず、多数の電子部品が接合面を（＋Ｚ）側に向けて載置された部品トレイ４１１が、予め図１中の（−Ｘ）側に位置している供給ヘッド４２の下方にてトレイ移動機構４１３により移動し、電子部品の接合面が供給コレット４２１により吸着保持される（ステップＳ１１）。次に、供給ヘッド４２が反転しつつ供給ヘッド移動機構４３により（＋Ｘ）方向へと移動し、図１中に二点鎖線にて示す受渡位置に位置する（ステップＳ１２）。電子部品装着装置１では、電子部品装着ヘッド３１が図１中に二点鎖線にて示す受渡位置に予め位置しており、供給コレット４２１と電子部品装着ヘッド３１の保持ツール３３１（図３参照）とが対向する。

続いて、昇降機構３４により電子部品装着ヘッド３１が僅かに下降し、電子部品の上面が部品保持部３３により吸引吸着されるとともに供給コレット４２１による吸引が停止され、部品保持部３３が供給コレット４２１から電子部品を受け取って保持ツール３３１の先端に吸着保持する。図３に示す電子部品装着ヘッド３１では、ヒータ３７に対する通電が予め行われて部品保持部３３が加熱されており、部品保持部３３による電子部品９１の保持と同時に、部品保持部３３を介して電子部品９１に対する加熱が開始される（ステップＳ１３）。

電子部品９１の供給が完了すると、図１に示す昇降機構３４により電子部品装着ヘッド３１が僅かに上昇し、供給ヘッド４２は元の位置へと退避する。供給ヘッド４２の退避と並行して、電子部品装着ヘッド３１が撮像部５の真上へと移動し、撮像部５により部品保持部３３に保持される電子部品９１（図３参照）が撮像される（ステップＳ１４）。

撮像部５からの出力である画像データは制御部１０に送られ、取得された電子部品９１の画像データと、予め記憶されている電子部品９１の画像データとが比較されて電子部品９１の姿勢（すなわち、電子部品９１の位置および向き）が検出される。そして、検出結果に基づいて電子部品９１の姿勢が補正される（ステップＳ１５）。なお、制御部１０により、電子部品９１の姿勢が補正不可能な状態である（すなわち、吸着エラーが生じている）と判断された場合には、電子部品９１の装着動作が中止されて電子部品装着ヘッド３１が部品回収機構６１の上方へと移動し、部品保持部３３からのエアのブロー等により部品保持部３３から分離された電子部品９１が部品回収機構６１により回収される。

続いて、電子部品装着ヘッド３１が、装着ヘッド移動機構３２により（＋Ｘ）方向へと移動し、回路基板９上の電子部品９１の装着予定位置の上方（以下、「装着位置」と呼ぶ。）に位置する（ステップＳ１６）。電子部品装着ヘッド３１では、ステップＳ１３における電子部品９１の保持から電子部品９１の加熱が継続して行われており、電子部品装着ヘッド３１が装着位置に位置すると、図４に示す放射温度計３８により電子部品９１の温度が測定される（ステップＳ１７）。放射温度計３８からの出力は制御部１０（図１参照）に送られ、制御部１０において電子部品９１の温度が所定の温度（本実施の形態では約２００℃であり、以下、「設定温度」という。）に等しくなっているか否かが確認される（ステップＳ１８）。

電子部品９１の温度が設定温度に等しい場合は、図１に示す昇降機構３４により電子部品装着ヘッド３１が回路基板９に向けて下降し、電子部品９１の接合面に形成された電極部を回路基板９上の電極へと接触させる。そして、図３に示す超音波振動子３５から部品保持部３３、すなわちホーン３３２及び保持ツール３３１を介して電子部品９１に超音波振動を付与しつつ、昇降機構３４により電子部品９１が回路基板９に対して押圧される。これにより、電子部品９１が回路基板９に対して電気的に接合され、電子部品９１の装着と同時に電気的接合（すなわち、実装）が行われる（ステップＳ１９）。その後、電子部品９１に対する吸引を停止した電子部品装着ヘッド３１が昇降機構３４により電子部品９１から離れて上昇し、電子部品９１の装着が完了する。電子部品装着装置１では、昇降機構３４が、電子部品装着ヘッド３１（すなわち、支持部３６および部品保持部３３）を介して電子部品９１を回路基板９に対して押圧する押圧機構の役割を果たす。

一方、外乱の影響等により電子部品９１の温度が設定温度と異なっている場合（正確には、設定温度を基準とする許容範囲に含まれない温度となっている場合）には、電子部品９１の装着が中断されるとともに警報ランプの点滅等により温度異常が作業者に通知され（ステップＳ１８１）、放射温度計３８からの出力に基づいてヒータ３７の出力（すなわち、ヒータ３７の温度）が制御部１０により調整される（ステップＳ１８２）。そして、ステップＳ１７に戻って放射温度計３８により電子部品９１の温度が再度測定されて設定温度に等しいか否かが確認され、電子部品９１の温度が設定温度に等しくなると、電子部品９１の装着が再開される（ステップＳ１７〜Ｓ１９）。なお、ヒータ３７の出力の調整は、放射温度計３８の測定結果に基づいて手動により行われてもよい。

以上に説明したように、電子部品装着装置１では、部品保持部３３に対して非接触状態にて固定されるヒータ３７からの輻射熱により、電子部品９１が部品保持部３３を介して加熱される。したがって、部品保持部３３を介して電子部品９１に付与される超音波振動の特性を変化させることなく、ヒータ３７を部品保持部３３に対して容易に着脱することができる。換言すれば、電熱式のヒータ３７を交換しても電子部品９１に付与される超音波振動の特性を一定に維持することができる。その結果、電子部品装着ヘッド３１の他の構成に比べて寿命が短いヒータ３７を交換することにより、回路基板９に対する電子部品９１の高い接合信頼性（すなわち、実装の質）を維持しつつ、電子部品装着ヘッド３１を長期間に亘って使用することができる。また、電子部品９１の加熱に電熱式のヒータ３７を利用することにより、電子部品装着ヘッド３１および電子部品装着装置１の構造が複雑化することを防止し、装置コストの上昇を抑制することができる。

電子部品装着装置１の電子部品装着ヘッド３１では、部品保持部３３の穴部３３３にヒータ３７が挿入されることにより、ヒータ３７の周囲が部品保持部３３により囲まれる。このため、ヒータ３７からの輻射熱が部品保持部３３に効率良く付与され、部品保持部３３および電子部品９１を効率良く加熱することができる。

電子部品装着ヘッド３１では、穴部３３３が部品保持部３３の振動方向に垂直な貫通穴とされることにより、中心軸３３０方向に関する電子部品装着ヘッド３１の長さを長くすることなくヒータ３７を部品保持部３３に対して相対的に固定することができるため、電子部品装着ヘッド３１を小型化することができる。また、保持ツール３３１に穴部を形成することなく、ヒータ３７を電子部品９１の近傍に配置することができるため、部品保持部３３の構造を複雑化することなく、電子部品９１をより効率良く加熱することができる。さらには、穴部３３３の両側からヒータ３７が保持されることにより、ヒータ３７を部品保持部３３に対して非接触状態にて確実に支持することができるため、ヒータ３７の表面と穴部３３３の内側面との間の距離をより小さくすることができる。

電子部品装着ヘッド３１では、断面が円形の穴部３３３が、その中心軸３３４を部品保持部３３の中心軸３３０に対して垂直に交差させて部品保持部３３に形成されることにより、部品保持部３３の質量が穴部３３３の影響によってＺ方向において中心軸３３０から上下に偏ることを防止し、部品保持部３３を介して電子部品９１に付与される超音波振動の特性に対する穴部３３３の影響を低減することができる。

また、ヒータ３７を支持する支持部３６が、超音波振動子３５による部品保持部３３の振動のノーダル部３３５のみにて部品保持部３３を支持することにより、ヒータ３７を部品保持部３３と共に容易に移動することができるとともに電子部品９１に付与される超音波振動の特性に対する支持部３６の影響を低減することができる。その結果、支持部３６に対する部品保持部３３の着脱が必要な場合であっても、取り付け時の僅かな差異による振動特性への影響に対して過度に配慮する必要なく、支持部３６に対する部品保持部３３の取り付けを容易とすることができる。

電子部品装着ヘッド３１では、超音波振動子３５が、部品保持部３３のヒータ３７が配置される側の端部とは反対側の端部に配置されることにより、すなわち、超音波振動子３５をヒータ３７から可能な限り離して配置することにより、電子部品９１に比べて比較的耐熱温度が低い超音波振動子３５に、ヒータ３７からの熱が伝わることを抑制することができる。その結果、超音波振動子３５の温度を耐熱温度（本第１実施形態では、約６０℃）以下としつつ、電子部品９１を設定温度まで加熱することができる。

電子部品装着装置１では、放射温度計３８により電子部品９１の温度を部品保持部３３に対して非接触の状態にて測定することにより、電子部品９１に付与される超音波振動の特性に影響を与えることなく、電子部品９１の温度を正確に取得することができる。また、放射温度計３８による測定結果に基づいて制御部１０によりヒータ３７の出力を自動的に調整することにより、電子部品９１の温度を設定温度に維持することができるため、電子部品９１の実装の質をより向上することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電子部品装着装置について説明する。図６は、本第２実施形態に係る電子部品装着装置の電子部品装着ヘッド３１ａを拡大して示す正面図である。図６に示すように、電子部品装着ヘッド３１ａでは、放射温度計３８に代えて、部品保持部３３の温度を測定する温度計である熱電対３８ａを備える。熱電対３８ａは、部品保持部３３のホーン３３２の（−Ｘ）側の端部に形成された穴部である凹部３３６に挿入され、部品保持部３３の温度を部品保持部３３に対して非接触にて測定する。その他の構成は図１ないし図４と同様であり、以下の説明において同符号を付す。

本第２実施形態に係る電子部品装着装置における電子部品９１の実装の流れは、電子部品９１に代えて部品保持部３３の温度が測定される点を除き、上記第１実施形態とほぼ同様である。図７は、本第２実施形態に係る電子部品装着装置における電子部品９１の実装の流れの一部を示すフローチャートであり、図７に示すステップＳ２７，Ｓ２７１の前後の工程はそれぞれ、図５Ａおよび図５Ｂに示すステップＳ１１〜Ｓ１６およびＳ１８，Ｓ１９，Ｓ１８１，Ｓ１８２と同様である。

本第２実施形態に係る電子部品装着装置により回路基板９（図１参照）に電子部品９１が装着される際には、まず、上述のステップＳ１１〜Ｓ１６が行われて電子部品９１を保持する電子部品装着ヘッド３１ａが装着位置に位置する。続いて、熱電対３８ａにより部品保持部３３の温度が測定されて制御部１０（図１参照）に送られる（図７：ステップＳ２７）。制御部１０には、予め求められた部品保持部３３の温度と電子部品９１の温度との関係を示す情報が記憶されており、当該情報と熱電対３８ａからの出力に基づいて電子部品９１の温度が制御部１０により算出される（ステップＳ２７１）。

その後、上記第１実施形態と同様に、電子部品９１の温度が設定温度に等しくなっていることが確認された後に、電子部品９１が回路基板９に対して実装される（ステップＳ１８，Ｓ１９）。また、電子部品９１の温度が設定温度と異なっている場合には、作業者への通知、および、ヒータ３７の出力調整（ステップＳ１８１，Ｓ１８２）が行われた後にステップＳ２７に戻って部品保持部３３の温度が再度測定される。

以上に説明したように、本第２実施形態に係る電子部品装着装置では、上記第１実施形態と同様に、部品保持部３３に対して非接触状態にて固定されるヒータ３７からの輻射熱により、電子部品９１が部品保持部３３を介して加熱される。これにより、電子部品９１を加熱しつつ回路基板９に超音波接合する場合において、電熱式のヒータ３７を交換しても電子部品９１に付与される超音波振動の特性を一定に維持することができる。また、熱電対３８ａにより部品保持部３３の温度を部品保持部３３に対して非接触の状態にて測定して電子部品９１の温度を求めることにより、電子部品９１に付与される超音波振動の特性に影響を与えることなく、電子部品９１の温度を正確に取得することができる。

本第２実施形態に係る電子部品装着装置では、熱電対３８ａとして柔軟な素線型熱電対やシース熱電対等が利用される場合には、熱電対３８ａは、凹部３３６の内側面に接触した状態で部品保持部３３に固定されてもよい。これにより、電子部品９１に付与される超音波振動の特性にほとんど影響を与えることなく、熱電対３８ａによる非接触式の測定に比べて部品保持部３３の温度をより正確に取得することができ、電子部品９１の温度をより正確に求めることができる。また、熱電対３８ａは、ヒータ３７が挿入される部品保持部３３の穴部３３３の内側面に形成された溝部に挿入されてもよい。

以上、本発明のそれぞれの実施形態について説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

上記実施形態に係る電子部品装着装置の電子部品装着ヘッドでは、ヒータ３７が挿入される穴部３３３の断面は必ずしも円形には限定されない。電子部品９１に付与される超音波振動の特性に対する穴部３３３の影響を低減するという観点からは、穴部３３３の中心軸３３４が部品保持部３３の中心軸３３０に対して垂直に交わり、穴部３３３が両中心軸３３０，３３４を含む面（すなわち、図３において、中心軸３３０の全体を含んで図に垂直に広がる面）に対して面対称とされていればよい。そのため、穴部３３３の断面は、例えば、部品保持部３３の振動方向に長い長円とされてもよい。この場合、ヒータ３７の表面と穴部３３３との距離が部品保持部３３の振動方向において大きくされるため、ヒータ３７と穴部３３３の内側面との接触がより確実に防止される。穴部３３３は、また、図３中の中心軸３３０を含むＸＺ平面に平行な面（すなわち、中心軸３３０を含むとともに回路基板９（図１参照）に垂直な面）に対しても面対称とされることが好ましい。

ヒータ３７を部品保持部３３に非接触の状態において確実に支持するという観点からは、ヒータ３７は穴部３３３の両側から保持されることが好ましいが、装置の構造上の制約等がある場合等、必要に応じて穴部３３３の（＋Ｙ）側または（−Ｙ）側の一方のみにおいて保持されてもよい。

電子部品装着ヘッドでは、ヒータ３７が挿入される穴部３３３は部品保持部３３の振動方向に垂直な貫通穴とされるが、例えば、図８の正面図に示すように、部品保持部３３のホーン３３２の（−Ｘ）側の端部に、超音波振動子３５による部品保持部３３の振動方向（すなわち、部品保持部３３の中心軸３３０方向）に平行な中心軸を有する凹部が穴部３３３ａとして形成されてもよい。この場合も、断面が円形の穴部３３３ａに挿入された略円柱状のヒータ３７から、部品保持部３３に対して非接触の状態にて輻射熱が付与されることにより、電子部品９１に付与される超音波振動の特性を変化させることなく、部品保持部３３を介して電子部品９１を加熱しつつ回路基板に対して超音波接合することができる。

また、ヒータ３７は、必ずしも部品保持部３３に形成された穴部３３３に挿入される必要はなく、電子部品装着ヘッドでは、例えば、図９の左側面図に示すように、部品保持部３３の（−Ｘ）側の端部近傍（すなわち、保持ツール３３１の近傍）において、部品保持部３３の（＋Ｙ）側、（−Ｙ）側および（＋Ｚ）側を囲むいわゆる門型のヒータ３７ａが設けられてもよい。

第１および第２実施形態に係る電子部品装着ヘッドでは、部品保持部３３は、必ずしも保持ツール３３１がホーン３３２に対して着脱可能に取り付けられる構造とされる必要はなく、保持ツールとホーンとが一体物として形成された部品保持部が支持部３６に取り付けられてもよい。

電子部品装着装置では、保持ツールによる電子部品の保持は、吸引吸着には限定されず、電気的あるいは磁気的な吸着により保持されてもよい。

また、加熱部の一例として電熱式のヒータが用いられるような場合について説明したが、加熱部はこのようなヒータのみに限定されるものではない。加熱部としては、非接触方式による加熱を行う機能を有するものであればよく、例えば、ランプヒータ、電磁誘導（ＩＨ）加熱装置、熱風ヒータ、などを適用することができる。このように加熱部として、電熱式のヒータ以外のものが採用されるような場合にあっては、加熱部の取り付け位置およびホーン３３２に形成された穴部３３３の形状や配置などを、その加熱部の形状や機能に応じて適正化することが好ましい。

電子部品装着装置は、発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光素子の装着に適しており、また、半導体発光素子以外の様々な種類の電子部品、例えば、半導体のベアチップ部品やＳＡＷ（Surface Acoustic Wave：表面弾性波）フィルタ等の装着にも適している。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

２００６年５月９日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００６−１２９９９１号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。

本発明は、超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する様々な技術に利用することができる。

図１は、本発明の第１実施形態にかかる電子部品装着装置の正面図である。 図２は、電子部品装着装置の平面図である。 図３は、電子部品装着ヘッドを拡大して示す正面図である。 図４は、電子部品装着ヘッドを拡大して示す左側面図である。 図５Ａは、電子部品の装着の流れを示すフローチャートである。 図５Ｂは、電子部品の装着の流れを示すフローチャートである。 図６は、本発明の第２実施形態にかかる電子部品装着ヘッドを拡大して示す正面図である。 図７は、電子部品の装着の流れの一部を示すフローチャートである。 図８は、電子部品装着ヘッドの他の例を示す正面図である。 図９は、電子部品装着ヘッドのさらに他の例を示す左側面図である。

Claims (10)

1. 超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着装置において、
   電子部品を保持する部品保持部と、
   上記部品保持部が取り付けられる支持部と、
   上記部品保持部に対して非接触の状態にて上記支持部に固定され、輻射熱を付与することにより、上記部品保持部により保持された状態の電子部品を加熱する加熱部と、
   上記部品保持部を介して上記電子部品に超音波振動を付与する超音波振動子と、
   上記支持部および上記部品保持部を介して上記電子部品を上記回路基板に向けて押圧する押圧機構とを備え、
   上記部品保持部に、上記加熱部が挿入される穴部が形成され、
   上記穴部の内側表面に接触しないように上記穴部に挿入された状態の上記加熱部が上記支持部により保持されている、電子部品装着装置。
2. 上記穴部が、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動方向に垂直な方向に形成された貫通穴であり、
   上記加熱部が、上記貫通穴の両側から上記支持部により保持される、請求項１に記載の電子部品装着装置。
3. 上記部品保持部は、
   上記穴部が形成され、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動方向に平行に延在する振動伝達部材と、
   上記振動伝達部材の一端に取り付けられ、上記電子部品を保持する保持ツールとを備え、
   上記振動伝達部材において、上記振動伝達部材の中心軸に対して上記穴部の中心軸が垂直に交わるとともに、上記穴部が、上記穴部の上記中心軸および上記振動伝達部材の上記中心軸を含む面に対して面対称である、請求項１に記載の電子部品装着装置。
4. 上記加熱部は電熱式のヒータであり、
   上記ヒータの表面と上記穴部の内側表面との間に、７．５μｍ以上１００μｍ以下の間隙が設けられている、請求項１に記載の電子部品装着装置。
5. 上記部品保持部は、
   上記加熱部が挿入される上記穴部が形成されるとともに、その一方の端部に上記超音波振動子が取り付けられ、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動方向に平行に延在する振動伝達部材と、
   上記振動伝達部材の他端に取り付けられ、上記電子部品を保持する保持ツールとを備え、
   上記振動伝達部材において上記穴部が上記他方の端部近傍に配置され、上記加熱部が上記他方の端部近傍に配置されている、請求項１に記載の電子部品装着装置。
6. 上記支持部が、上記超音波振動子による上記部品保持部の振動のノーダル部のみにて上記部品保持部を支持する、請求項１に記載の電子部品装着装置。
7. 上記部品保持部の温度、または、上記部品保持部に保持された電子部品の温度を上記部品保持部に非接触の状態にて測定する温度計をさらに備える、請求項１に記載の電子部品装着装置。
8. 上記部品保持部に形成された穴部に挿入され、上記部品保持部の温度を上記部品保持部に非接触の状態にて測定する熱電対をさらに備える、請求項１に記載の電子部品装着装置。
9. 超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着装置にて使用される電子部品装着ヘッドであって、
   電子部品を保持する部品保持部と、
   上記部品保持部が取り付けられる支持部と、
   上記支持部に固定され、かつ上記部品保持部に形成された穴部の内側表面に接触しないように上記穴部に挿入され、上記部品保持部に対して非接触の状態にて輻射熱を付与することにより、上記部品保持部により保持された状態の上記電子部品を加熱する加熱部と、
   上記部品保持部を介して上記電子部品に超音波振動を付与する超音波振動子とを備える、電子部品装着ヘッド。
10. 超音波を利用して電子部品を回路基板に装着する電子部品装着方法において、
    部品保持部を支持する支持部に固定され、かつ上記部品保持部に形成された穴部の内側表面に接触しないように上記穴部に挿入された加熱部から、電子部品を保持する上記部品保持部に対して非接触の状態にて輻射熱を付与して、上記部品保持部を介して上記電子部品を加熱し、
    それとともに、上記部品保持部を介して上記電子部品に超音波振動を付与しながら、上記電子部品を上記回路基板に向けて押圧して、上記電子部品を上記回路基板に装着する、電子部品装着方法。

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