JP5168074B2 - 半導体モジュール製造装置、製造装置システム、製造方向、および製造処理プログラム - Google Patents
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Description
ここで、FC実装とは、一般にはチップをフェイスダウンさせて基板との接合をとることをその内容とし、樹脂圧接による接合、超音波実装によるUS接合、フラックスを接合材として使用するC4接合等、などがある。
一方、アレイ型の光モジュールは、フェイスアップで光素子を実装しワイヤボンディングで配線するものが一般的となっており、後述する特許文献1もこの形態に対応したものとなっている。
以上より、12Chの光インターコネクション用の光モジュールの量産品としては、従来の方法ではコストと信頼性の点で大きな課題が残る。
しかしながら、この種の関連技術における製造方法では、最初に実装した光素子の位置がずれたり、繰り返しの熱サイクルによって接合強度が劣化したり、一つずつ位置決めして実装するために工数が3倍かかるという課題があった。
また、この特許文献1に記載のものは、前述したように、三個の光素子を透明材質の板部材から成る位置合わせ治具に、仮固定用接着剤で1個ずつ固定することから、手間と時間がかかという不都合がある。
本発明は、上記関連技術の有する不都合を改善し、特に実装工程の工数を少なくすると共に、複数の光素子を基板上の同一線上に効率良く一致させて実装することを可能とした生産性良好な半導体モジュール製造装置、半導体モジュール製造システム、製造方法および製造処理プログラムを提供することを、その目的とする。
本実施形態において、光モジュール製造システム50は、三個の4チャンネルアレイ(4Chアレイ)の光素子1a,1b,1cを所定の実装基準線K上に一列に整列して一括実装する場合を例示する。
この場合、中央に位置して光素子1aを保持し且つ加熱台として機能する加熱用個別ステージ4を基準として、その両側にX−Y−θの3軸を調整可能としたX−Y−θ駆動ステージ(位置ずれ調整機構)7,8を備え、加熱台としても機能する個別ステージ5,6が配置され、これによって光素子用載置ステージ32が構成されている。
そして、光素子1a,1b,1cが加熱用個別ステージ4,5,6上で実装基準線K上に一列に整列されると、その後、基板搭載ヘッド機構40に保持された基板13と各光素子1a,1b,1cとの相対位置関係が調整された後に、基板13を光素子1a,1b,1c側の各加熱用個別ステージ4,5,6上に同時に当接させ、これによってFC実装が実行される。
これらの各構成部材は、光素子1a〜1cと基板13の位置を調整する基台側X−Y駆動ステージ11上に設けられている。この基台側X−Y駆動ステージ11上には、前述した基板搭載ヘッド機構40の加熱ヘッド12にセットした基板13の位置を認識するための基板認識カメラ14が設置されている。
図1乃至図3において、光モジュール製造システム50は、システムの各構成部材を保持する基台100と、この基台100上の図1における中央部に配設され当該基台100上を左右に移動可能に構成された光モジュール製造装置30と、この光モジュール製造装置30の図1における左側に配設された(被実装用の基板を供給可能に形成された)基板供給機構45と、前述した光モジュール製造装置30の図1における右側で前記基台100上に配設された(光素子トレーを含む)光素子供給機構48とを備えている。
一方、前述した中央に位置する加熱用個別ステージ4は、図2に示すように、本実施形態では固定ステージとして機能し、円盤状のベース部材35の中央部分に立設されている。この円盤状のベース部材35は,前述した基台側X−Y駆動ステージ11の軸駆動ステージ11B上に固定された状態で装備されている。
この光素子供給機構48は、前述した各加熱用個別ステージ4,5,6に光素子を載置する光素子供給ハンド18を備えている。この光素子供給ハンド18は、光素子トレー19上の光素子を各加熱用個別ステージ4,5,6に個別に載置するもので、ロボットアームとしての機能を備え、前述した主制御部60に制御されてその光素子供給動作が規制されるようになっている。
これにより、各加熱用個別ステージ4,5,6に載置される光素子1a乃至1cは、光素子1aを基準とした実装基準線Kに対して大幅なずれを生じることなく、同一線上に載置されるようになっている。
又、符号60Dは表示部を示す。この表示部60Dは、本実施形態では前述した主制御部60に取り込まれ処理される画像情報及びその他の必要なデータを、当該制御部60に制御されて表示する機能を備えている。このため、オペレータは、システム全体の動作をこの表示部60Dによってリアルタイムで知ることが可能となっている。
次に、本実施形態における光モジュール製造システムの全体的な動作を説明する。
最初に、光素子1a,1b,1cの供給動作を説明し、続いてこの光素子1a,1b,1cを基板13へFC実装する場合の工程について説明する。
前述したように、複数の光素子1a〜1cは光素子用載置ステージ32上(同一面上)で同一線上に載置され保持されている。そして、この光素子用載置ステージ32上の複数の光素子1a〜1cは、一の基板13に同時に実装されるように構成されている。
かかる一連の動作を、以下更に詳述する。
何れの場合も、光素子1b,1cは、それぞれ加熱用個別ステージ5,6上で、予め装備された真空吸着機構(図示せず)によって当該加熱用個別ステージ5,6に真空吸着される。かかる一連の動作時における構成各部の動作位置を、図5(A)に示す。
又、図7(A)に、各加熱用個別ステージ4,5,6に載置直後の各光素子1a,1b,1cの配置状況の一例を示す。
この一連の動作は主制御部60からの指令によって実行される。かかる一連の動作状態を図5(B)に示す。
かかる一連の動作の状態を図6(A)に示す。そして、この一連の位置ずれ調整制御によって、当該光素子1bの位置ずれが解消されてその基準線が光素子1aの実装基準線Kと一致した場合の状態を、図7(B)に示す。
そして、この一連の位置ずれ調整制御により当該光素子1cの位置ずれが解消されてその基準線が光素子1aの実装基準線Kと一致した場合の状態を、図7(C)に示す。
上述した図4のステップS112に続いて、前述した図1における三個の光素子1a,1b,1cをFC実装するための基板13が、基板供給機構45の基板供給ステージ46に、光素子の実装面が下面側になるように、伏せた状態で載置される(図8:ステップS201/第13の工程)。
かかる一連の動作状態を図9(A)に示す。この図9(A)において、矢印a,bは加熱ヘッド12部分が上下動した場合の経過状態を示す。
かかる一連の動作が実行されている状態を図9(B)に示す。
ここで、上述した本実施形態における動作説明にあって、各工程におけるデータ処理及び制御機能については、その実行内容を前述した主制御部60が予め備えているコンピュータに実行可能な内容にプログラム化し、これに基づいて前述した主制御部60が備えているコンピュータに実行させるように構成してもよい。
本実施形態は、上述したように、三個の4チャンネルアレイ型光素子(光素子)を基板13に実装するに際し、例えば三個の光素子1a,1b,1cを予め規定した位置関係(同一線上に一列)に整列した状態で、一括して同時に基板にFC実装するように構成したので、この三個の光素子の一括実装によりFC実装時の熱サイクルを1回で済むこととなり、三回に分けて実装していた従来の実装工法と比較して、光素子に作用する熱サイクルを削減でき、光素子の特性劣化や接合部の強度劣化を抑制できるこれにより生産される光素子モジュールので耐久性の増大を図ることができ、同時に、1回で実装で完了するので生産性も大幅に向上させることができるという利点を備えている。
4,5,6 加熱用個別ステージ
7,8 光素子用位置ずれ調整機構の一部をなすX−Y駆動ステージ
9,10 光素子用位置ずれ調整機構の一部をなすθ駆動ステージ
11 基台側X−Y駆動ステージ
11A X軸駆動ステージ(X軸ステージ)
11B Y軸駆動ステージ(Y軸ステージ)
12 加熱ヘッド
13 基板
14 基板認識カメラ(基板側位置ずれ検出手段)
15 基板側θ駆動ステージ
16 Z軸駆動ステージ
17 光素子認識カメラ(光素子用位置ずれ検出手段)
18 光素子供給ハンド
30 光素子モジュール製造装置
32 光素子用載置ステージ
33,34 X−Y−θ駆動ステージ(光素子用位置ずれ調整機構)
40 基板搭載ヘッド機構
45 基板供給機構
46 基板供給ステージ
47 基板供給側X−Y駆動ステージ
48 光素子供給機構
Claims (19)
- 複数の半導体素子を同一面上に配列して保持する半導体素子用載置ステージと、この半導体素子用載置ステージ上の複数の半導体素子を実装するための基板を加熱ヘッドを介して保持する基板搭載ヘッド機構とを備え、前記基板を前記複数の各半導体素子にその対向面側から同時に当接させ且つ加熱して前記複数の半導体素子を前記基板に実装する構成の半導体モジュール製造装置であって、
前記半導体素子用載置ステージを、前記複数の各半導体素子を個別に保持すると共に同一面上に配設された複数の加熱用個別ステージによって構成し、
前記各加熱用個別ステージの内の基準となる一の加熱用個別ステージを除いて他の各加熱用個別ステージが、当該自己の保持する半導体素子が前記基準となる一の加熱用個別ステージ上の半導体素子が有する実装基準線に連続した一の基準線上に配列するように当該各加熱用個別ステージの位置を調整する半導体素子用位置ずれ調整機構を、それぞれ個別に備えていることを特徴とした半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項1に記載の半導体モジュール製造装置において、
前記基板搭載ヘッド機構は、前記加熱ヘッドに保持された基板を前記加熱ヘッドと共に前記各半導体素子が配置された面に対して直交する方向から当該各半導体素子に向けて移送し且つ当接させて加熱接合するためのZ軸駆動部と、このZ軸駆動部の全体を前記複数の各半導体素子が共通に備えている実装基準線の列に合わせて回転ずれ量が少なくなるように調整する基板側位置ずれ調整機構とを備えていることを特徴とした半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項1に記載の半導体モジュール製造装置において、
前記半導体素子用位置ずれ調整機構を、対応する前記各加熱用個別ステージの移動平面上にX−Y座標軸を想定した場合のX−Y−θ駆動ステージにより構成すると共に、
このX−Y−θ駆動ステージの動作を制御して前記各加熱用個別ステージ上の半導体素子に生じている位置ずれを是正し当該半導体素子を前記基準となる加熱用個別ステージ上の半導体素子が備えている実装基準線と同一の線上に設定制御する主制御部と、前記半導体素子の前記位置ずれを検出すると共に当該検出した位置ずれ情報を前記主制御部へ送り込む半導体素子用位置ずれ検出手段とを、前記各加熱用個別ステージに併設し、
前記主制御部が、前記半導体素子用位置ずれ検出手段からの情報に基づいて対応する前記加熱用個別ステージ上の半導体素子の位置ずれ量を算定すると共に、この位置ずれ量に基づいて対応する前記X−Y−θ駆動ステージの動作を位置ずれ量が少なくなるように制御する構成としたことを特徴とする半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項3に記載の半導体モジュール製造装置において、
前記半導体素子用位置ずれ検出手段を半導体素子認識用カメラにより構成すると共に、この半導体素子認識用カメラを、前記半導体素子を前記加熱用個別ステージ上に載置する領域の上方に配設したことを特徴とする半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項4に記載の半導体モジュール製造装置において、
前記X−Y−θ駆動ステージを、前記基準となる加熱用個別ステージの中心部を回転軸心として往復回転し前記加熱用個別ステージ上に載置された半導体素子の向きを調整するθ駆動ステージと、このθ駆動ステージと前記加熱用個別ステージとの間に介装され前記加熱用個別ステージ上に載置された半導体素子のX−Y座標上の配置位置を調整するX−Y駆動ステージとを備えた構成としたことを特徴とする半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項5に記載の半導体モジュール製造装置において、
前記θ駆動ステージを、前記基準となる加熱用個別ステージを中心部に配して設置された環状の回転軸受けと、この回転軸受けの回転輪とこれに対応する前記X−Y駆動ステージとの間に介装され当該両者を一体的に連結する連結プレートと、前記制御部に制御されて作動し前記連結プレートを介して前記X−Y駆動ステージに対して位置ずれ調整用の回転量を設定するθ駆動機構とを含んで構成したことを特徴とする半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項3に記載の半導体モジュール製造装置において、
前記X−Y−θ駆動ステージを、
前記基準となる加熱用個別ステージを中心部に配してその一方の側と他方の側にそれぞれ配置された一方と他方の各X−Y駆動ステージと、前記基準となる加熱用個別ステージの中心部を回転軸心として同一面上に設置された直径の異なる複数の回転軸受けから成る一方と他方の各θ駆動ステージと、
この各θ駆動ステージである各回転軸受けにあって一方又は他方の回転輪とこれに対応する前記各X−Y駆動ステージとの間に介装され当該両者を一体的に連結して成る一方と他方の各連結プレートと、
前記制御部に制御されて作動し前記各連結プレートを介して対応する前記X−Y駆動ステージに当該X−Y駆動ステージ全体を対象とした位置ずれ調整用の回転量を個別に設定する一方と他方の各θ駆動機構と、
を含んで構成したことを特徴とする半導体モジュール製造装置。 - 前記請求項1乃至7の何れか一つに記載の半導体モジュール製造装置と、この半導体モジュール製造装置が備えている前記X−Y−θ駆動ステージの全体を保持する基台側X−Y駆動ステージとを設け、
前記基台側X−Y駆動ステージの基台側に位置するX軸駆動ステージ上に、前記基板搭載ヘッド機構に被実装用の基板を供給する基板供給ステージを設置すると共に、
この基板供給ステージと前記X軸駆動ステージとの間に、前記基板供給ステージ上に載置する基板の載置位置を前記基板搭載ヘッド機構の前記加熱ヘッド上の基板搭載位置に合わせて予め調整する基板供給側X−Y駆動ステージを設けたことを特徴とする半導体モジュール製造システム。 - 前記請求項8に記載の半導体モジュール製造システムにおいて、
前記基台側X−Y駆動ステージのY軸駆動ステージ上に、前記基板搭載ヘッド機構の前記加熱ヘッドに被実装基板が保持されている状態を認識すると共に当該保持状態に係る画像情報を前記主制御部に送る基板認識カメラを装備し、
前記主制御部は、前記基板認識カメラからの情報に基づいて搭載基板の予め設定した基準線に対する位置ずれの有無を検出すると共に、その位置ずれを検出した場合には当該検出した位置ずれ量に基づいて前記基板搭載ヘッド機構が予め備えている位置調整用のθ駆動ステージ及び前記基台側X−Y駆動ステージの何れか一方又は両方を駆動して当該搭載基板の基準線に対する位置ずれが少なくなるように制御する位置ずれ解消制御機能を備えていることを特徴とした半導体モジュール製造システム。 - 前記請求項8に記載の半導体モジュール製造システムにおいて、
前記半導体素子用位置ずれ検出手段の外側に、前記各加熱用個別ステージ上に半導体素子を載置する半導体素子供給ハンドを備えた半導体素子供給装置を設置し、
前記半導体素子の供給に際しては、当該半導体素子が、前記半導体素子供給装置から前記半導体素子用供給ハンドをもって前記各個別ステージ上に順次供給され載置されることを特徴とした半導体モジュール製造システム。 - 複数の半導体素子を所定の載置ステージ上で同一面上に載置し保持した後に、この載置ステージ上の複数の半導体素子を一の基板に実装する構成の半導体モジュール製造方法であって、
前記所定の載置ステージを、同一面上に配設された複数の加熱用個別ステージによって構成すると共に、この各加熱用個別ステージ上に、半導体素子供給ハンドによって実装用の半導体素子を順次個別に供給して載置し、
この各加熱個別ステージ上の各半導体素子が備えている実装用の基準線を、位置ずれ調整機構を用いて前記各加熱用個別ステージのX−Y座標上の位置を個別に調整することによって同一線上に一直線に配列し、
しかるのち、被実装基板を前記各半導体素子の対向面側から当該各半導体素子に対して同時に当接して当該被実装基板を加圧加熱し、
これにより、前記複数の各半導体素子を前記被実装基板に対して一度に実装する構成としたことを特徴とする半導体モジュール製造方法。 - 前記請求項11に記載の半導体モジュール製造方法において、
前記各半導体素子が備えている実装用の基準線を同一線上に一直線に配列するに際しては、 前記複数の半導体素子の内の何れか一つが備えている基準線を実装基準線とすると共に、他の半導体素子が備えている基準線を、前記位置ずれ調整機構を用いて対応する前記加熱用個別ステージのX−Y座標上の位置を個別に調整することによって、前記実装基準線と同一の線上に一直線に配列することを特徴とした半導体モジュール製造方法。 - 前記請求項12に記載の半導体モジュール製造方法において、
前記実装基準線を、前記複数の半導体素子の内、中央部に位置する半導体素子が有する基準線を実装基準線として予め特定することを特徴とした半導体モジュール製造方法。 - 前記請求項13に記載の半導体モジュール製造方法において、
前記各半導体素子の基準線の位置の特定に際しては、
予め別に装備された半導体素子認識カメラによって当該各半導体素子の供給後の載置状態を画像情報として取得し、この取得された画像情報を主制御部が取り込んで分析し当該各半導体素子上の同一線上に予め付された複数のマークの位置情報に基づいて各半導体素子毎に演算し特定することを特徴とした半導体モジュール製造方法。 - 前記請求項14に記載の半導体モジュール製造方法において、
前記実装基準線と同一の線上に位置する前記他の半導体素子の基準線を一直線に配列するに際しては、
前記主制御部が前記実装基準線と他の半導体素子の基準線との位置ずれ及びその量を特定すると共に、この位置ずれ量が少なくなるように対応する当該他の半導体素子の位置ずれ調整機構を個別に駆動制御することを特徴とした半導体モジュール製造方法。 - 複数の半導体素子を所定の載置ステージ上で同一面上に載置し保持すると共に、この載置ステージ上の複数の半導体素子を一の基板にFC実装する構成の半導体モジュール製造方法であって、
前記所定の載置ステージを同一面上に配設された複数の個別ステージによって構成すると共に、この各個別ステージのステージ上に、半導体素子供給ハンドによって実装用の半導体素子を順次供給して載置し、
前記各個別ステージの内、基準となる一の個別ステージ上の半導体素子に当該半導体素子上に予め明記された複数の基準線情報を半導体素子認識カメラを介して画像情報として取得すると共に、主制御部では当該複数の基準線情報から実装基準線を算出して予め装備した記憶部に記憶し、
次に、前記基準となる一の個別ステージ上の半導体素子に隣接する前記一方と他方の各個別ステージ上の半導体素子を、当該各半導体素子上に予め明記された複数の基準線情報を半導体素子認識カメラを介して画像情報としてそれぞれ取得した後、主制御部では当該各半導体素子上の複数の基準線情報から前記実装基準線に対応した線分を算出すると共に、これと前記実装基準線との位置ずれの有無およびそのずれ量を検出して当該位置ずれ量を前記記憶部に記憶し、
前記主制御部では、前記位置ずれが検出された場合には当該検出された位置ずれ量を制御量として作動し、前記一方と他方の各個別ステージに予め装備されたX−Y−θ駆動ステージを駆動制御して、前記各個別ステージ上の各半導体素子の位置ずれを是正し当該各個別ステージ上の各半導体素子を実装基準線上に一列に配置する構成としたことを特徴とした半導体モジュール製造方法。 - 前記請求項11乃至16のいずれか一つに記載の半導体モジュール製造方法において、
前記基板に対する前記複数の半導体素子の実装に際しては、
前記基板が載置された基板供給ステージ上から実装面を下に配した状態で当該基板を基板搭載ヘッド機構によって搬出し、
この基板搭載ヘッド機構に保持された基板の保持状態を、位置ずれ修正用として当該基板に予め付された複数の基準線情報と共に基板認識カメラにより画像情報として取得し、この取得した画像情報を主制御部が入力して当該複数の基準線情報から前記基板上の基準線を割り出すと共に、前記複数の半導体素子側の実装基準線との位置ずれの有無および位置ずれがあった場合の位置ずれ量を検出し、
前記基板上の基準線の位置ずれがあった場合には当該記憶した位置ずれ量を制御量として前記主制御部が作動し、前記基板搭載ヘッド機構に予め装備されているθ駆動機構又は前記複数の加熱用個別ステージの全体を対象として駆動する基台側X−Y駆動ステージのいずれか一方又は両方を駆動制御して、前記基板上の実装基準線と前記半導体素子側の実装基準線とを一致させるようにしたことを特徴とした半導体モジュール製造方法。 - 複数の半導体素子を同一面上に配置してこれら各半導体素子を個別に保持する複数の加熱用個別ステージと、これら各加熱用個別ステージ上の複数の半導体素子を実装するための基板を加熱ヘッドを介して保持する基板搭載ヘッド機構と、前記基板に前記複数の各半導体素子を実装するに際して成される前記基板搭載ヘッド機構および前記各個別ステージの動作を制御する主制御部とを備えてなる半導体モジュール製造装置にあって、
前記各個別ステージの内、基準となる一の個別ステージ上の半導体素子に当該半導体素子上に予め明記された複数の基準線情報が半導体素子認識カメラにより画像情報として取得され入力された場合に、当該複数の基準線情報から実装基準線を算出する実装基準線算出機能、
前記基準となる一の加熱用個別ステージ上の半導体素子に隣接する前記一方と他方の各加熱用個別ステージ上の半導体素子が、当該各半導体素子上に予め明記された複数の基準線情報と共に半導体素子認識カメラにより画像情報としてそれぞれ取得され入力された場合、当該各半導体素子上の複数の基準線情報から前記実装基準線に対応した基準線をそれぞれ算出する基準線算出機能、
この算出された基準線と前記実装基準線との位置ずれの有無およびそのずれ量を検出するずれ量検出処理機能、
前記位置ずれが検出された場合に当該検出された位置ずれ量を制御量として前記一方と他方の各加熱用個別ステージに予め装備されたX−Y−θ駆動ステージを駆動制御して、前記各加熱用個別ステージ上の各半導体素子の位置ずれを是正し当該各加熱用個別ステージ上の各半導体素子を実装基準線上に一列に配置する半導体素子位置ずれ是正処理機能、
を前記主制御部が備えているコンピュータに実現させるようにしたことを特徴とする半導体モジュール製造処理プログラム。 - 前記請求項18に記載の半導体モジュール製造処理プログラムにおいて、
前記基板に対する前記複数の半導体素子の実装処理に際しては、
前記基板搭載ヘッド機構に保持された基板の保持状態が、位置ずれ是正用として当該基板に予め付された複数の基準線情報と共に基板認識カメラにより画像情報として取得され入力された場合に、前記複数の基準線情報から前記基板上の基準線を算出する基板側基準線算出機能、
前記基板上の基準線と実装の対象である前記複数の半導体素子側の実装基準線との位置ずれの有無および位置ずれ量を検出する位置ずれ量検出処理機能、
前記基板上の基準線の位置ずれが検出された場合には、記憶された前記位置ずれ量を制御量とし、前記基板搭載ヘッド機構に予め装備されているθ駆動機構又前記複数の加熱用個別ステージの全体を同時に駆動する基台側X−Y駆動ステージのいずれか一方又は両方を駆動して、前記基板上の基準線と前記半導体素子側の実装基準線とを一致させるようにする位置ずれ是正処理機能、
を、前記コンピュータに実現させるようにしたことを特徴とする半導体モジュール製造処理プログラム。
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