JP4733149B2 - 構成要素支持体上への構成要素の装着のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、構成要素支持体に構成要素を装着するための方法に関し、この場合に、装着すべき構成要素は装着ヘッドの構成要素供給装置によって、装着領域へ移送されて、構成要素支持体の所定の構成要素組み付け箇所に位置決めされ、つまり載着されて取り付けられる。

表面実装技術（STM[Surface-Mount-Technology]）の分野における構成要素支持体の装着若しくは実装に際して、STM・構成要素は装着ヘッドを用いて構成要素供給装置の受け取り位置から搬送されて、構成要素支持体上の所定の構成要素組み付け箇所に装着される。構成要素支持体なる用語は、実装可能な各種類のサブストレート、特に基板を意味するものである。構成要素なる用語は、実装可能な要素、部品若しくはエレメントを意味し、このような要素若しくはエレメントは特に二極形若しくは多極形のSTM・構成要素、若しくは別の高密度集積可能な扁平形の構成要素、例えばBGA(Ball Grid Arrays)、ベアチップ、フリップチップ等である。さらに構成要素は、トランスポンダーに用いられるRFID・チップ等も含むものである。

電子構成ユニットの更なる小型化及び低価格化に伴って、自動装着装置は装着精度並びに装着速度に対する高い要求を課せられるようになっている。高い装着速度は、小さい若しくは小型の構成要素にとって機械的な負荷をもたらし、このような負荷は構成要素支持体上への載置に際して構成要素に生ぜしめられて、構成要素を損傷させるほどに大きくなっている。加速された装着過程による構成要素の機械的な負荷は、緩やかに作動する装着ヘッドが構成要素支持体上への構成要素の載置若しくは装着に際して構成要素に少なくとも２ニュートンの静的な装着力（載置力）を生ぜしめることに起因している。このような小さい装着力でも、辺の長さが０．５ｍｍの範囲の小さな構成要素の場合に、構成要素の機械的な損傷が確実には避けられない程に高い装着圧を生ぜしめることになる。載置速度を減少させることによって、構成要素の機械的な損傷を減少させることはできるものの、このことは装着速度の低下につながり、自動装着装置において装着能力に対する前述の要求に相反するものである。装着能力は、単位時間当たりに装着される構成要素の数を意味している。

特に小さい構成要素を従来技術で装着する際のさらなる問題は、材料バンプの不都合な変形にあり、材料バンプ（ろう材バンプ）は一般的に構成要素接続面（接点）に施されて、装着位置に装着された構成要素の固定及び永続的な接続に用いられるものである。ろう材バンプの変形は、例えば接続面間の不都合な短絡を生ぜしめ、若しくは構成要素の接続面と構成要素支持体の接続面との間の接続品質を低下させてしまうことになる。ろう材バンプの変形は、所定の装着力でろう材バンプに押し付けられる構成要素の装着速度及び装着圧力に依存しているので、該変形の問題は小さい構成要素にとって特に重要で、将来に構成要素のさらなる小型化を困難にすることになる。

本発明の課題は、構成要素支持体上への構成要素の装着のための方法を改善して、該方法によって速くかつ丁寧な装着を可能にすることである。

前記課題を解決するために本発明の方法では、構成要素は装着ヘッドの保持装置によって、該保持装置から前記構成要素へ生ぜしめられる保持力に基づき受容され、次いで、装着ヘッドによって、構成要素支持体に設けられた構成要素組み付け箇所上の所定の距離に規定された放出位置へ移送される。構成要素の放出のために保持力は遮断され、これによって構成要素は保持装置から分離されて、構成要素支持体に転移され、つまり載着される。

放出位置と構成要素支持体の表面との間の所定の距離（構成要素組み付け箇所に対する放出位置の距離）は、複数の装着パラメータに依存しており、該装着パラメータは、本発明の方法に従って作動される自動装着装置の運転中に適切な装着試験によって決定される。構成要素組み付け箇所に対する放出位置の距離は、特に装着すべき構成要素の大きさに依存させてあり、構成要素の不均一な分離の場合にも構成要素の傾倒を避けるようになっており、つまり構成要素は確実に下面で構成要素支持体と接触するようになっている。

本発明の技術思想は、保持装置から構成要素支持体への構成要素のいわゆる接触なしの移送によって、速く、つまり従来よりも高い速度でかつ構成要素にとって丁寧な、つまり構成要素に損傷を与えないような装着を可能にし、その結果、電子構成ユニットの経済的な製造を可能でき、かつ構成要素の損傷若しくは装着エラーに起因する不良品率の減少を可能できることに基づいている。

構成要素の接触なしの移送なる記載は、装着過程中に構成要素が、一般的に剛性の支持体若しくは基板である構成要素支持体自体と機械的に接触することのない移送を意味している。構成要素の接触なしの移送にとって複数の手段がある。

構成要素の投下：放出位置は構成要素支持体の構成要素組み付け箇所の接触面上に離して規定されており、構成要素は媒体、例えば空気によって構成要素支持体上へ放出される。このことは、保持装置からの構成要素の程度の差こそあれ一様な分離の条件を満たすものである。投下は、例えば重力を用い及び／又は磁気若しくは静電気による引っ張り力を用いて生ぜしめられ、若しくは助成されてよい。

構成要素の載置：放出位置は、構成要素支持体の構成要素組み付け箇所の接触面上に次のように接近して規定されており、つまり、構成要素はすでに保持装置から離される前に、所定の構成要素接触面に施された材料バンプと接触するようになっている。このことは、構成要素が構成要素支持体に比べて著しく軟らかい材料バンプ内に押し込まれることを意味している。

構成要素の部分的な載置若しくは部分的な投下：放出位置は構成要素支持体の接触面の材料バンプ上に規定されているものの、構成要素は保持装置から一様には離れない。このような状態では、構成要素の一方の側（片側）は構成要素の接続のために施された第１の材料バンプと接触しているのに対して、構成要素の他方の側（反対側）はまだ保持装置に接している。続いて構成要素の他方の側も保持装置から離れて、対応する材料バンプ、つまり第２の材料バンプ上に転移され、すなわち載着される。

請求項２に記載の方法では、構成要素はまず比較的高い速度で構成要素支持体に向けて移動若しくは移送され、構成要素支持体の表面に対する所定の距離で保持装置の移動運動はできるだけ急激に停止され、つまり速度は急激に変化させられる。これによって構成要素は、保持装置の移動運動に相当する初期速度で構成要素支持体上へ移される。この場合に保持装置の停止は、構成要素が該構成要素の放出の後に保持装置に発生する振動による高い力で不都合に材料バンプ内に押し込まれない程度に迅速に行われる。

請求項３に記載の方法では、保持装置として吸着ピペットを用いており、該吸着ピペットは保持力を負圧によって生ぜしめるようになっている。この場合に構成要素の分離は負圧の迅速な遮断及び過圧のできるだけ急速な形成若しくは接続によって助成される。このように構成要素支持体上への構成要素の空気力式に助成された移送若しくは転移によって、構成要素装着（構成要素移送若しくは構成要素転移）の速度も精度も高められる。構成要素支持体上への構成要素の移送若しくは装着の空気力助成は、簡単に実施され得るものであり、それというのは慣用の幾つかの自動装着装置若しくは自動実装装置の吸着ピペットは切換可能な空気力装置を備えており、該空気力装置は負圧から過圧への切換を可能にするものであるからである。空気力装置の切換機構を慣性力（慣性モーメント）にさらさないようにするために、切換機構の切換弁は吸着ピペットから離して配置されていて、すでに放出位置への到達の前に制御されるようになっていてよい。

請求項４に記載の方法では、装着の前に構成要素支持体の表面形状（表面起伏又は表面凹凸）を距離センサーによって正確に測定し、若しくは構成要素支持体の装着箇所の近傍の表面形状を距離センサーによって正確に測定するようになっている。構成要素支持体の表面形状の測定のために、１μｍの精度を有する電気機械式の測定装置並びに測定速度に優れた光学式の距離センサーが用いられる。光学式の測定センサーとしてはレーザー・三角測定法の測定原理に基づくセンサーを用いるのが有利であり、該センサーは２つのレーザービームを用いた目標点の位置検出によって高さ形状を決定するようになっており、レーザービームは互いに異なる入射角で測定すべき表面に当てられる。表面形状の測定によって、構成要素支持体上の構成要素組み付け箇所の互いに異なる高さ位置を正確に決定することができ、その結果、装着すべき構成要素支持体が例えば応力に起因してたわんでいる場合にも、保持装置から構成要素支持体への構成要素の移送距離若しくは転移距離の長さを常に一定に保つことができる。このことは精度を高めることに著しく寄与するものである。

構成要素支持体の表面形状測定は、高さ測定装置の距離センサーが構成要素支持体の造面に沿って移動させられて表面形状を検出するか、構成要素支持体が不動の高さ測定装置の下側に配置されて、高さ測定装置に沿って移動させられて、少なくとも所定の構成要素組み付け場所で構成要素支持体の表面の高さ位置を検出することによって行われる。

請求項５に記載の方法では、構成要素支持体の表面形状は、非連続の表面形状測定値から補間法によって決定され、この場合に利点として、表面形状測定は高い速度で、しかも高い精度で行われる。

請求項６に記載の方法では、距離スイッチとして形成された共焦点式の距離センサーを用いて、構成要素が放出位置に到達したことを検出するようになっている。共焦点式の適切な距離センサーは、ドイツ連邦共和国特許出願公告第１０１４５１６７Ｃ２号に記載されている。該距離スイッチは、光導波体を備えており、光導波体の１つの端部は光を放射若しくは送出する送信ユニット並びに光を受け取る受信ユニットに接続されている。光導波体の別の端部に端面を形成してあり、該端面は光を送出並びに受け取るように形成されている。該距離スイッチはさらに、光導波体の端面に三次元のスイッチ領域によって形成された画像光学系、並びに出力装置を有しており、出力装置は光受信部に接続されている。出力装置は、少なくとも部分的に反射された対象物がスイッチ領域内へ移動して、これによって光導波体・端面から送出された光が所定の最小強さで再びもとの光導波体・端面へ反射された場合に信号を発信するように形成されている。

共焦点式の距離センサーによる放出位置若しくは引き渡し位置の正確な検出のために、距離スイッチの光学系及び光導波体・端面は装着ヘッド若しくは保持装置に取り付けられていて、次のように調節され、つまり構成要素支持体に向かう保持装置の降下時に距離スイッチは、保持装置に対して相対的な所定の位置関係にあるスイッチ領域がちょうど構成要素支持体の表面に当たった場合に信号を発信するようになっている。

距離スイッチは有利には次のように調節され、つまり構成要素が放出位置の直前に達した場合に信号を発信するようになっている。これによって時間的な遅延を考慮して、相応に補償するようになっており、該遅延は特に保持装置の完全な停止及び保持力の遮断の際に必然的に存在する応答時間に起因するものである。

距離スイッチは有利には装着ヘッドに対して相対的に、装着すべき構成要素支持体の表面に対して平行に移動可能に取り付けられている。これによって、距離スイッチのスイッチ領域が構成要素支持体上の隆起部、若しくはすでに装着された構成要素にぶつかって、完全に誤った高さ位置における構成要素放出のための信号を発信しないようにされている。

次に本発明を図示の実施例に基づき詳細に説明する。図面において、
図１は、構成要素支持体上への構成要素の公知技術(Stand der Technik)に基づく装着過程を示す図であり、
図２は、構成要素支持体上への構成要素の本発明の実施例に基づくいわば接触なしの装着過程を示す図であり、
図３は、保持装置の速度特性線図であり、この場合に速度特性線に構成要素の公知技術に基づく装着時点と構成要素の本発明の実施例に基づく放出時点とをプロットしてあり、
図４は、装着すべき構成要素支持体の表面形状の測定状態を示す図である。

図面において対応する構成要素若しくは構成部材には最初の数字を変えて付けてある。図１Ａ及び図１Ｂには、基板１７０上に構成要素１６０を従来技術に基づき装着若しくは実装する状態が示してあり、構成要素１６０を受容している吸着ピペット１１０は、矢印で示す速度Ｖｚで基板１７０に向けて移動若しくは運動させられる。構成要素１６０は所定の構成要素組み付け箇所に載せられ、構成要素１６０の接続接点１６１ａ若しくは１６１ｂは材料バンプ（材料集積部）１７２ａ，１７２ｂに向けて押圧される。材料バンプ１７２ａ，１７２ｂは基板１７０の接続面１７１ａ，１７１ｂ上に設けられていて、例えばはんだペーストを含んでおり、構成要素１６０の装着の後にろう付け過程によって、接続接点１６１ａと接続面１７１ａとの間、並びに接続接点１６１ｂと接続面１７１ｂとの間の耐久性のある電気接続部を形成するようになっている。

装着力に依存して、若しくは速度Ｖｚの時間経過に関連して、図１ｂに示してあるように、構成要素１６０は程度の差こそあれ、材料バンプ１７２ａ，１７２ｂ内に押し込まれる。これによって材料バンプ１７２ａ，１７２ｂは部分的に側方へ押し退けられ、その結果、殊に接続面１７１ａ，１７１ｂの相互の離間間隔の短い小型の構成要素において、変形された材料バンプ１７２ａ，１７２ｂは、両方の接続面１７１ａ，１７１ｂ間の領域１７５内へ流れ込んで、短絡を生ぜしめてしまうことになる。このような短絡は、基板１７０上に組み立てられた電子式の構成ユニットの機能エラーを生ぜしめることになり、したがって、短絡を生ぜしめてしまった基板７０は電子式の構成ユニット若しくは電子装置の製造のために修復されるか、さもなければ使用され得ず、スクラップ若しくは欠陥品として除去されねばならない。

本発明の実施例に基づくいわば接触なしの装着過程、つまりろう材バンプの変形によるバンプ間の接触若しくはろう材バンプの変形による構成要素と構成要素支持体との直接的な接触若しくは短絡の生じないような装着過程を図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄに示してある。図２Ａに示してあるように、接触なしの装着過程は次のように開始され、つまり、２つの、２つの接続接点２６１ａ，２６１ｂを有する構成要素２６０は、吸着ピペット２１０に保持され、所定の速度Ｖｚで、装着すべき基板２７０に向けて移動（移送）させられる。基板２７０上に２つの接続面２７１ａ，２７１ｂを設けてあり、該接続面（接触面）は接続接点２６１ａ，２６１ｂと電気的に接触させられるようになっている。接続面２７１ａ，２７１ｂ上にろう材バンプ２７２ａ，２７２ｂを施してあり、該ろう材バンプは周知のように後に行われるろう付け過程で接続接点２６１ａ，２６１ｂと接続面２７１ａ，２７１ｂとの間の耐久性のある接続のために用いられるものである。

図２Ｂに示してあるように、構成要素２６０若しくは保持装置２１０の移動運動は、ちょうど構成要素２６０が基板２７０の上面に対して所定の距離ｄに達した時点で停止されている。

構成要素２６０の放出位置の到達に際して、構成要素２６０を吸着ピペット（保持装置）２１０によって保持している負圧は、遮断されて、送風空気（ブローエアー）を吸着ピペット２１０の空気通路（図示省略）によって送風するようになっている。負圧から送風空気のための過圧への切換は、周知のように空気力装置（図示省略）内で行われ、空気力装置は急速に切換可能な空気弁を有している。

負圧から過圧への切換は、吸着ピペット２１０からの構成要素２６０の分離を生ぜしめ、該分離はしばしば一様にではなく、図２Ｃに示してあるように行われる。この場合に、まず構成要素２６０の側方の一方の部分（片側）が保持装置２１０に対する接触を失い、その結果、構成要素２６０は、保持装置２１０と両方のろう材バンプ２７２ａ，２７２ｂとの間の空間内での傾いた位置を占めるようになっている。

吸着ピペット２１０から下方へ流出する送風空気に基づき、構成要素２６０の一方の側での分離の直後に、該構成要素の他方の側でも吸着ピペット２１０との接触を失って、ろう材バンプ２７２ａ上に載着される。これによって、構成要素２６０の装着は終了されて、ろう材バンプ２７２ａ，２７２ｂの接着性に基づき、図２ｄに示してある所定の組み付け位置に保持される。

図１で述べてある直接的な接触若しくは短絡を伴う装着と比べて、ろう材バンプ２７２ａ，２７２ｂ上に接触なしに装着された構成要素２６０によって生ぜしめられる圧力は著しく減少されている。これによって、ろう材バンプ２７２ａ，２７２ｂの形は構成要素２６０によってほとんど変形されず、接続面２７１ａ，２７１ｂ間の、変形したろう材バンプ同士の機械的な接触に基づく短絡は確実に避けられている。

構成要素２６０の前述の接触なしの装着若しくはろう材バンプ同士の接触若しくは短絡なしの装着においては利点として、構成要素２６０は吸着ピペット２１０の最小の装着力にもさらされなくなっている。吸着ピペットの最小の装着力でさえ、特に小さい構成要素にとって過度な圧力を生ぜしめ、ひいては構成要素２６０の機械的な損傷、例えば破損を生ぜしめてしまうことになる。

図３に典型的な速度特性線を示してあり、該速度特性線に沿って、構成要素を保持する吸着ピペットは装着過程中に、構成要素支持体の表面に対して垂直にかつ構成要素支持体に向かって運動させられる。スムーズな構成要素移送を可能にするために、吸着ピペットはまず、構成要素支持体に向けて、つまり一般的に下方へ加速され、次いで最大の速度Ｖｚの達成の後に減速されて、構成要素と構成要素支持体との間の強い衝突を避けるようになっている。従来周知の接触のおそれのある装着過程では、吸着ピペットの速度Ｖｚは、ｔ1時点での構成要素の載着の際に機械的な損傷を避けるために値Ｖｚ1まで減速されるようになっている（衝撃の最小化）。

従来技術とは逆に、構成要素支持体の上面に対する所定の距離に規定された放出位置までの移動は、バンプ上への構成要素の機械的な接触のない載着を可能にしている。時点ｔ2での放出位置への、Ｖｚ1に比べて明らかに高い速度Ｖｚ2での到達に際して、吸着ピペットは直ちに若しくは急激に停止され、つまりできるだけ急制動されて、構成要素は放たれる。これによって構成要素は、構成要素の慣性力に基づき構成要素支持体に向かって吸着ピペットから速度Ｖｚ2で離れることになる。バンプ上への構成要素のこのような載着は、装着過程の最終段階で時間節減Δｔを達成し、該時間節減は時点ｔ1と時点ｔ2との間の差によって規定されるものである。つまりバンプ上への構成要素の本発明に基づく前述の載着は、構成要素の極めて丁寧な処理に加えて、装着能力の著しい増大を可能にしている。

接触なしの装着の際の高い精度は、一般的に保持クランプ４５１によって自動装着装置の装着領域に固定されている基板４７０の表面上における本来の装着過程の前に、基板の表面形状を測定することによって達成される。このために有利には光学式の距離センサー４２０を用いてあり、距離センサーは吸着ピペット４１０の横で装着ヘッド４００に取り付けられている。これによって、構成要素支持体の表面の形状は、基板４７０の装着過程時に走査されるようになっている。表面形状測定によって得られた高さ寸法値は制御ユニット（図示省略）に記憶されて、吸着ピペット４１０の移動時に放出位置に対応する位置の決定のために用いられる。

基板４７０の前述の表面形状測定を省略して、距離センサー４２０によって吸着ピペット４１０の運動を制御することも可能である。このことは、距離センサー４１０を距離スイッチとして形成することによって達成され、距離スイッチは、下方へ運動若しくは移動する吸着ピペット４１０がちょうど基板４７０の所定の組み込み箇所の表面上の所定の距離に到達した場合に信号を発信するようになっている。

改めて要約すると、構成要素支持体（基板）２７０に構成要素２６０を装着するための本発明に基づく方法においては、構成要素２６０は装着ヘッドの保持装置２１０から構成要素２６０へ生ぜしめられる保持力で、保持装置２１０に受容される。このように受容された構成要素２６０は装着ヘッドによって、構成要素支持体２７０に設けられた構成要素組み付け箇所（組み付けスペース）上の所定の放出位置へ搬送若しくは移送される。放出位置への構成要素の到達に際して、保持力は遮断され、これによって構成要素２６０は保持装置２１０から分離され、かつ構成要素支持体上へ転移され、つまり構成要素支持体上に載着される。構成要素転移の精度は、構成要素２６０の分離を保持装置２１０のできるだけ急激な制動によって、つまり保持装置をできるだけ急制動することによって行い、その結果、構成要素転移を構成要素の慣性力で助成することによって高められる。追加的に、保持装置として用いられる吸着ピペット２１０からの構成要素２６０の分離過程は、空気力式の切換弁によって助成されてよく、切換弁は、構成要素２６０を吸着ピペット２１０に保持するための負圧を、過圧に切り換えるようになっており、過圧は送風空気によって構成要素２６０の放出を助成するものである。

構成要素支持体上への構成要素の公知技術に基づく装着過程を第１の段階で示す図 構成要素支持体上への構成要素の公知技術に基づく装着過程を第２の段階で示す図 構成要素支持体上への構成要素の本発明の実施例に基づく装着過程を第１の段階で示す図 構成要素支持体上への構成要素の本発明の実施例に基づく装着過程を第２の段階で示す図 構成要素支持体上への構成要素の本発明の実施例に基づく装着過程を第３の段階で示す図 構成要素支持体上への構成要素の本発明の実施例に基づく装着過程を第４の段階で示す図 保持装置の速度特性線図 装着すべき構成要素支持体の表面形状の測定状態を示す図

符号の説明

１６０ 構成要素、 １６１ａ，１６１ｂ 接続接点、 １７０ 基板、 １７１ａ，１７１ｂ 接続面、 １７２ａ，１７２ｂ 材料バンプ、 １７５ 領域、 ２１０ 吸着ピペット、 ２６０ 構成要素、 ２６１ａ，２６１ｂ 接続接点、 ２７１ａ，２７１ｂ 接続面、 ２７２ａ，２７２ｂ ろう材バンプ、 ４２０ 距離センサー、 ４５１ 保持クランプ

Claims (6)

1. 構成要素支持体に構成要素を装着するための方法において、
   装着すべき構成要素（２６０）は装着ヘッド（４００）の保持装置（２１０，４１０）によって、該保持装置（２１０，４１０）から前記構成要素（２６０）へ生ぜしめられる保持力に基づき受容され、
   受容された前記構成要素（２６０）は、前記装着ヘッド（４００）によって、構成要素支持体（２７０，４７０）に設けられた構成要素組み付け箇所の上の放出位置へ移送され、この場合に前記放出位置は、前記構成要素支持体（２７０，４７０）の表面に対して所定の距離を有しており、しかも、前記保持装置（２１０，４１０）により受容された前記構成要素（２６０）の、前記構成要素支持体の表面に対する所定の距離内での停止を、前記装着ヘッド（４００）に取り付けられた距離センサー（４２０）によりトリガし、
   次いで保持力は遮断され、これによって前記構成要素（２６０）は前記保持装置（２１０，４１０）から分離されて、前記構成要素支持体（２７０，４７０）に転移されることを特徴とする、構成要素支持体上への構成要素の装着のための方法。
2. 前記構成要素（２６０）の分離は、該構成要素（２６０）が放出位置に達した際に前記保持装置（２１０，４１０）の速度の急速な変化によって助成される請求項１に記載の方法。
3. 前記保持装置として吸着ピペット（２１０，４１０）を用い、該吸着ピペットは保持力を負圧によって生ぜしめ、前記構成要素（２６０）の分離は負圧の迅速な遮断及び過剰圧力の形成によって助成される請求項１又は２に記載の方法。
4. 装着の前に前記構成要素支持体（２７０，４７０）の表面形状は前記距離センサーを用いて正確に測定される請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記構成要素支持体の表面形状は、非連続の表面形状測定値から補間法によって決定される請求項４に記載の方法。
6. 前記構成要素（２６０）の放出位置は、該構成要素（２６０）が放出位置に達した際に、距離スイッチ（４２０）として形成された共焦点式の距離センサーによって検出される請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。

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