JP5755361B1 - 実装装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】実装の精度を高く維持しつつも、装置全体の大型化を防止できる実装装置を提供する。【解決手段】実装装置は、Ｙ軸方向に移動可能なＹ軸移動ベース３６と、Ｙ軸移動ベース３６に取り付けられ、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸移動ベース４０と、Ｚ軸移動ベース４０に取り付けられ、半導体チップを吸着保持する実装ツール１６を具備した実装ヘッド１２と、Ｙ軸移動ベースに取り付けられ、前記実装ヘッド１２にＺ軸方向の力を付加する加圧機構２０と、Ｙ軸移動ベース３６およびＺ軸移動ベース４０と独立して設けられ、加圧機構２０からＺ軸方向の反力を受けるべく加圧機構２０に近接設置された受圧部材２２であって、加圧機構２０が摺動可能な受圧部材２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体チップ等の電子部品を基板に実装する実装装置に関する。
従来から、半導体チップ等の電子部品を、実装ツールで吸引保持して基板上に移送したうえで、当該電子部品を基板上に実装させる実装装置が広く知られている。
こうした実装装置の中には、実装ツールを、基板の実装位置真上に位置させるために、基板側ではなく、実装ツールを備えた実装ヘッド側を移動させるものがある。例えば、特許文献１には、水平方向に延びる水平ガイドレールに水平移動体を取り付け、この水平移動体に、実装ヘッドを垂直方向にガイドするガイドレール、および、実装ヘッドに垂直方向の力を付加する加圧機構（例えばモータ等）を取り付けている。
一般に、基板を保持する基板ステージは、基板全体を加熱する加熱機構等も有しており、実装ヘッドに比べて大型であることが多い。この基板ステージではなく、実装ヘッド側を移動させる構成とすることで、装置全体の小型化や、コスト低減等が図れる。
特許第４６４４４８１号公報 特許第４５９２６３７号公報 特開２００１−３３２５８６号公報 特開２００９−２７１０５号公報 特許第５２５２５１６号公報
しかしながら、特許文献１のように、加圧機構を水平移動体に取り付ける構成の場合、水平移動体、ひいては、当該水平移動体に取り付けられた実装ヘッドが水平軸に対して傾き、実装の精度不良を招く場合があった。
すなわち、実装ツールで基板を押圧した際には、必ず、実装ツールは、垂直方向の反力を受ける。特許文献１の構成では、この反力は、水平移動体に取り付けられた加圧機構が受けることになる。しかし、加圧機構は、その配置の制約上、水平ガイドレールに対してオフセットして配置されており、片持ち状に保持されている。この加圧機構が、垂直方向の反力を受けると、モーメントが発生し、加圧機構、ひいては、当該加圧機構が取り付けられた垂直移動体や、実装ヘッドが、垂直軸に対して傾いてしまうおそれがあった。
特許文献２〜５には、実装ヘッドを垂直方向に加圧する加圧機構を、実装ヘッドが取り付けられる構造体とは別の構造体に取り付ける分離加圧機構が開示されている。分離加圧機構によれば、実装ヘッドと加圧機構が分離しているため、加圧機構は、実装ヘッドの反力を受けるものの、加圧機構の傾き等実装ヘッドには伝わらないため、実装ヘッドの姿勢を正常に維持でき、ひいては、実装の精度を高く維持できる。
しかしながら、特許文献２〜５の技術は、いずれも、加圧機構を、固定部材に取り付けており、加圧機構の位置はほぼ固定となっている。そのため、実装ツールで電子部品を基板に実装する際には、基板側を、加圧機構の真下に移動させなければならない。実装ヘッドよりも大きい基板ステージを移動させることは、実装装置全体の大型化やコスト増加という新たな問題を招く。
そこで、本発明では、実装の精度を高く維持しつつも、装置全体の大型化を防止できる実装装置を提供することを目的とする。
本発明の実装装置は、電子部品を基板上に実装する実装装置であって、Ｙ方向に移動可能なＹ軸移動ベースと、前記Ｙ軸移動ベースに取り付けられ、前記Ｙ方向と直交する鉛直方向に移動可能なＺ軸移動ベースと、前記Ｚ軸移動ベースに取り付けられ、前記電子部品を吸着保持する実装ツールを具備した実装ヘッドと、弾性体を介して前記Ｙ軸移動ベースに取り付けられる一方で、前記実装ヘッドとともに鉛直方向に移動しない加圧機構であって、前記実装ヘッドを昇降させるとともに前記実装ヘッドに鉛直下向きの力を付加する加圧機構と、前記Ｙ軸移動ベースおよびＺ軸移動ベースと独立して設けられ、前記実装ツールが前記基板に当接した際に生じる前記鉛直方向上向きの反力を受けるとともに前記加圧機構に近接設置された受圧部材であって、前記加圧機構が前記Ｙ軸ベースとともに前記Ｙ方向に移動する際に、前記加圧機構が前記Ｙ方向に摺動する受圧部材と、を備え、前記弾性体は、前記実装ヘッドを保持することなく前記加圧機構を重力に抗して保持しつつも、前記反力を受けて前記鉛直方向に撓むことにより、前記加圧機構の前記鉛直方向上向きへの移動を許容する、ことを特徴とすることを特徴とする。
他の好適な態様では、前記受圧部材は、前記Ｚ軸移動ベースの可動範囲全体をカバーするサイズである。他の好適な態様では、前記Ｙ軸移動ベースは、Ｙ方向に延びるＹ軸レールに沿って移動し、前記Ｙ軸レールおよび受圧部材は、前記Ｙ方向および前記鉛直方向に直交するＸ方向に移動可能なＸ軸移動ベースに取り付けられている。
本発明によれば、第一移動ベースおよび第二移動ベースと独立して設けられた受圧部材で反力を受けるため、反力に起因する実装ヘッドの傾きを防止でき、ひいては、実装精度の悪化を防止できる。また、本発明によれば、加圧機構を実装ヘッドとともに水平方向に移動可能としているため、基板側に移動機構を設ける必要がなくなり、装置全体の大型化を防止できる。
本発明の実施形態である実装装置の要部斜視図である。 実装ヘッド周辺の概略側面図である。 他の実装ヘッド周辺の概略側面図である。 他の実装ヘッド周辺の概略側面図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態である実装装置１０の要部斜視図である。また、図２は、実装ヘッド１２周辺の概略側面図である。なお、図１では、発明を分かりやすくするために、ウェーハが設置される材料供給部や、材料供給部から電子部品を中継ステージ１４まで搬送する材料供給部の図示は省略している。
実装装置１０は、電子部品である半導体チップをフェースダウンの状態で基板１００上に実装する装置で、例えば、フリップチップ実装装置である。実装装置１０は、実装ツール１６を具備した実装ヘッド１２と、半導体チップを実装ツール１６に供給するチップ供給手段（図示せず）と、基板１００が載置されている基板ステージ１８と、実装ヘッド１２をＸＹ方向（水平方向）に移動させるヘッド移動機構と、実装ヘッド１２を垂直方向に加圧する加圧機構２０と、実装ヘッド１２からの反力を受ける受圧部材２２と、を備えている。
半導体チップは、チップ供給手段に設けられた中継アーム（図示せず）で、ウェーハから中継ステージ１４に移送される。この中継ステージ１４に載置された半導体チップは、実装ツール１６でピックアップされた後、基板１００の上に移送され、当該基板１００上に実装される。実装ヘッド１２には、半導体チップを吸着保持する実装ツール１６の他に、実装ツール１６の回転機構（図示せず）や、カメラ２４等が設けられている。回転機構は、実装装置１０の制御部（図示せず）からの指示に応じて、実装ツール１６を垂直軸回りに回転させる。カメラ２４は、必要に応じて、ピックアップ対象の半導体チップや、基板１００表面を撮影する。実装装置１０の制御部は、このカメラ２４で撮影された画像に応じて、適宜、実装ツール１６の位置や姿勢を調整する。
実装ツール１６の対向位置には、基板１００を保持する基板ステージ１８が設けられている。この基板ステージ１８には、基板１００を搬入・排出するために当該基板１００をＸ方向に送る送り機構２８や、基板１００を加熱する加熱装置等が設けられている。
実装ヘッド１２は、ヘッド移動機構により、ＸＹ方向に移動可能となっている。ヘッド移動機構としては、種々の構成が考えられるが、本実施形態では、ＸＹガントリー方式の移動機構を採用している。具体的には、本実施形態のヘッド移動機構は、固定部材にある基台表面、すなわち水平面に設置され、Ｘ方向に延びる一対のＸ軸ガイドレール３０を備えている。このＸ軸ガイドレール３０には、Ｘ軸モータ（図示せず）の駆動に応じて、当該Ｘ軸ガイドレール３０に沿って移動するＸ軸移動ベース３２が取り付けられている。Ｘ軸移動ベース３２には、当該一対のＸ軸ガイドレール３０間に差し渡されるＹ軸ガイドレール３４と、受圧部材２２と、が設置されている。Ｙ軸ガイドレール３４の前面には、さらに、Ｙ軸モータ（図示せず）の駆動に応じて当該Ｙ軸ガイドレール３４に沿って移動するＹ軸移動ベース３６が取り付けられている。Ｙ軸移動ベース３６は、略矩形の平板で、その前面には、Ｚ軸ガイドレール３８が取り付けられている。Ｚ軸ガイドレール３８は、Ｙ軸移動ベース３６の前面に取り付けられ、Ｚ軸方向に延びるレールである。このＺ軸ガイドレール３８には、当該Ｚ軸ガイドレール３８に沿って昇降し、その前面に実装ヘッド１２が固着されたＺ軸移動ベース４０が取り付けられている。
Ｙ軸移動ベース３６の前面には、さらに、加圧機構２０も取り付けられている。加圧機構２０は、実装ヘッド１２に、垂直方向の力を付加する機構で、Ｚ軸モータ４２や、当該Ｚ軸モータ４２に連結されたリードスクリュー４４、Ｚ軸モータ４２を保持するモータホルダ４６等から構成される。リードスクリュー４４は、実装ヘッド１２に設けられた移動ブロック２６に螺合されており、移動ブロック２６は、Ｚ軸モータ４２の駆動、ひいては、当該リードスクリュー４４の回転に応じて昇降する。さらに、この昇降の力は、実装ツール１６で保持した半導体チップを基板１００上に押し付けるための加圧力としても利用される。つまり、加圧機構２０は、実装ヘッド１２を昇降させるＺ軸移動機構として機能するとともに、実装ツール１６に垂直方向の力を付加する加圧手段としても機能する。
ここで、この加圧機構２０を、金属等からなるブラケット等を介して、Ｙ軸移動ベース３６に固着しただけの場合、実装ヘッド１２からの反力を受けて加圧機構２０にモーメントが作用し、加圧機構２０や、当該加圧機構２０に連結されたＹ軸移動ベース３６が傾き、実装の精度が悪化するという問題があった。
すなわち、加圧機構２０を、Ｙ軸移動ベース３６の前面に固着しただけの構成の場合、通常、加圧機構２０は、片持ち状態で保持されることになる。一方、フリップチップ実装では、比較的大きな荷重、例えば、２００〜３００Ｎ（およそ２０〜３０ｋｇｆ）といった高荷重で半導体チップを基板１００に押し付ける。この場合、当然、実装ツール１６には、当該荷重に応じた大きさの反力が作用し、この反力は、当該実装ツール１６を押圧する加圧機構２０に伝達される。加圧機構２０を片持ち状態で保持しているだけの場合、この反力により加圧機構２０にはモーメントが発生し、加圧機構２０、ひいては、当該加圧機構２０が取り付けられているＹ軸移動ベース３６や、当該Ｙ軸ベースに取り付けられている実装ヘッド１２が、垂直軸に対して傾くことがあった。こうした実装ヘッド１２の傾きは、実装精度悪化の原因となっていた。
かかる問題を避けるために、加圧機構２０をＹ軸移動ベース３６に取り付けず、別の固定部材に固着することも考えられている。しかし、この場合、加圧機構２０の位置が固定となり、実装ツール１６の昇降位置が固定されることになる。この場合、実装ツール１６と基板１００との相対位置関係を変更するために、実装ヘッド側ではなく、基板側にＸＹ移動機構を設ける必要が生じる。しかし、実装ヘッド１２よりも大型であることが多い基板１００を移動させる場合、移動機構の大型化や、コストアップ等の新たな問題が発生していた。
そこで、本実施形態では、こうした問題を避けるために、加圧機構２０をＹ軸移動ベース３６に取り付けて移動可能にするとともに、実装ヘッド１２からの反作用を受ける受圧部材２２を設けている。
受圧部材２２は、Ｘ軸移動ベース３２上に立脚する一対のコラム５０と、当該一対のコラム５０間に差し渡される受圧板５２と、から構成される門型部材である。この受圧部材２２は、Ｘ軸移動ベース３２に取り付けられているため、実装ヘッド１２や加圧部材とともに、Ｘ軸方向に移動できるようになっており、受圧部材２２の受圧板５２は、常に、加圧機構２０の真上に位置できるようになっている。
モータホルダ４６の上面には、この受圧板５２の底面に当接し、受圧板５２に対して摺動可能な当接部材４８が設けられている。当接部材４８は、受圧板５２（受圧部材２２）に対して摺動可能であれば、その構成等は特に限定されないが、本実施形態では、円弧状の先端を有する板材を当接部材４８として二つ設けている。この当接部材４８は、円弧の一点でのみ受圧板５２に当接するため、摺動抵抗を小さく保つことができる。
実装ツール１６で、半導体チップを基板１００表面に押し当てた際に生じる反力は、実装ツール１６、加圧機構２０、当接部材４８を介して、受圧板５２に伝達される。受圧板５２は、加圧機構２０やＹ軸移動ベース３６、実装ヘッド１２とは独立して設けられた部材であるため、当該受圧板５２が反力を受けて傾いたとしても、加圧機構２０や実装ヘッド１２が影響を受けることはない。したがって、この受圧板５２を設けることで、加圧機構２０や実装ヘッド１２が反力を受けて傾くこと、ひいては、実装精度が悪化することを防止できる。
また、本実施形態では、加圧機構２０をＹ軸移動ベース３６に取り付けており、加圧機構２０を、実装ヘッド１２とともに水平方向に移動できるようにしている。そのため、実装ヘッド１２の水平方向の可動範囲内であれば、どこででも実装ツール１６を昇降させることができる。その結果、実装ツール１６と基板１００との相対位置変更のために、基板１００側に高精度な移動機構を設ける必要がなく、装置全体の小型化、コスト削減が可能となる。なお、どこで、実装ツール１６を基板１００の表面に押し付けたとしても確実に反力を受けることができるように、受圧部材２２は、加圧機構２０の水平方向の移動範囲全体をカバーできるサイズ、構成となっている。
ところで、加圧機構２０が、Ｙ軸移動ベース３６に強固に固着されていると、受圧部材２２を設けていても、反力が受圧部材２２に伝わらず、加圧機構２０にモーメントが生じ、加圧機構２０や実装ヘッド１２が傾くおそれがある。そこで、本実施形態では、加圧機構２０を、垂直方向への移動を許容した状態でＹ軸移動ベース３６に取り付けている。具体的には、本実施形態では、加圧機構２０を、弾性体５４を介して、Ｙ軸移動ベース３６に取り付けている。弾性体５４は、加圧機構２０を重力に抗して保持する一方で、ある程度の大きさ（例えば重力以上）の力を受けた場合は、垂直方向に変位可能な程度のバネ硬さを有している。この弾性体５４としては、種々の構成が考えられるが、本実施形態では、左右側板が略矩形にくりぬかれた中空箱型の弾性体５４を用いている。かかる弾性体５４は、略矩形のくりぬきの関係で、垂直方向に撓みやすくなっている一方で、くりぬきがない（または、あったとしてもくりぬきが小さい）底板および天板の影響で、水平方向には殆ど変形しないようになっている。かかる弾性体５４を介してＺ軸モータ４２をＹ軸移動ベース３６に取り付けることにより、加圧機構２０は、重力に抗して保持される一方で、実装ツール１６から反力を受けた場合には、当該反力を逃がすように、Ｚ軸方向に動く。そして、この垂直方向の動きにより、当接部材４８が、受圧板５２に押し付けられ、反力が受圧板５２に伝達される。
以上のような構成とすることで、実装ツール１６の傾きを防止でき、実装精度の悪化を防止できる。すなわち、本実施形態では、基板１００上に半導体チップを実装する際には、中継ステージ１４にセットされた半導体チップを実装ツール１６でピックアップし、基板１００上に移動させる。この移動は、Ｘ軸移動ベース３２をＸ軸ガイドレール３０に沿って移動させるとともに、Ｙ軸移動ベース３６をＹ軸ガイドレール３４に沿って移動させることで行われる。そして、実装ツール１６が、基板１００の実装位置の真上に位置すれば、加圧機構２０を駆動して、実装ツール１６を、基板１００側に降下させ、半導体チップを、基板１００表面に押し付ける。このとき、実装ツール１６は、押し付け荷重に応じた大きさの反力を受ける。ボンディンツールが受けた反力は、加圧機構２０に伝わる。ただし、加圧機構２０は、既述した通り、垂直方向に変位可能な状態で取り付けられているため、反力を受けて加圧機構２０は、垂直上方に変位する。変位の結果、当接部材４８が受圧板５２に当接し、受圧板５２が、反力を受けることになる。受圧板５２は、実装ツール１６や、加圧機構２０とは独立して設けられた部材であるため、当該受圧板５２が反力を受けたとしても、加圧機構２０や実装ツール１６には、モーメントは発生せず、これらの傾きが防止される。そして、結果として、実装精度の悪化を防止できる。
また、本実施形態では、加圧機構２０は、実装ツール１６とともに水平移動し、加圧機構２０の移動範囲全体に受圧部材２２が位置している。したがって、実装ツール１６の水平移動範囲であれば、どこでも、実装ツール１６を基板１００上に押し付けつつも、反力による実装ツール１６の傾きを防止できる。結果として、基板１００側に水平移動機構を設ける必要がなく、装置全体の小型化、低コスト化が図れる。
なお、これまで説明した構成は、一例であり、加圧機構２０を実装ヘッド１２とともに水平移動可能にするとともに、加圧機構２０から反力を受けるべく加圧機構２０に近接設置された受圧部材２２を設けるのであれば、その他の構成は適宜変更されてもよい。例えば、本実施形態では、左右側板が略矩形にくりぬかれた箱型の弾性体５４を介して加圧機構２０をＹ軸移動ベース３６に取り付けているが、加圧機構２０が重力に抗して保持されるとともに、反力を受けて垂直移動できるのであれば、加圧機構２０は、他の構成で保持されてもよい。例えば、図３に示すように、Ｙ軸移動ベース３６に固着されたアングル５６と、モータホルダ４６の底部との間に、垂直方向に伸縮するコイルバネ５８を配し、当該コイルバネ５８で加圧機構２０を支持するようにしてもよい。
また、本実施形態では、先端が円弧状の当接部材４８を受圧板５２の底面に接触させ、摺動させる構成としているが、加圧機構２０が受圧部材２２に対して摺動できるのであれば、他の構成でもよい。例えば、図３に示すように、受圧部材２２として、底面にＹ軸方向に延びるレール６０を設けるとともに、モータホルダ４６の天面に、当該レール６０に係合して摺動するスライドブロック６２を設け、加圧機構２０が受圧部材２２に対してスライドできるようにしてもよい。また、別の形態として、図４に示すように、モータホルダ４６の天面に、ボールローラ６４を配してもよい。
さらに、本実施形態では、受圧部材２２を、Ｙ軸ガイドレール３４とともにＸ軸移動ベース３２に設置し、Ｘ軸方向に移動可能としているが、受圧部材２２は、加圧機構２０の可動範囲をカバーできるのであれば、水平方向に移動しなくてもよい。例えば、図４に示すように、受圧部材２２は、加圧機構のＸ軸方向可動範囲およびＹ軸方向可動範囲をカバーするサイズを有した、位置固定の平板６６であってもよい。
また、これまでの説明は、フリップチップ実装装置１０を例に挙げて説明したが、本実施形態の技術は、電子部品を基板１００表面に押し付けて実装する装置であれば、他の装置、例えば、ダイボンディング装置等に適用してもよい。
１０ 実装装置、１２ 実装ヘッド、１４ 中継ステージ、１６ 実装ツール、１８ 基板ステージ、２０ 加圧機構、２２ 受圧部材、２４ カメラ、２６ 移動ブロック、２８ 送り機構、３０ Ｘ軸ガイドレール、３２ Ｘ軸移動ベース、３４ Ｙ軸ガイドレール、３６ Ｙ軸移動ベース、３８ Ｚ軸ガイドレール、４０ Ｚ軸移動ベース、４２ Ｚ軸モータ、４４ リードスクリュー、４６ モータホルダ、４８ 当接部材、５０ コラム、５２ 受圧板、５４ 弾性体、５８ コイルバネ、６０ レール、６２ スライドブロック、６４ ボールローラ、６６ 平板、１００ 基板。

Claims (3)

  1. 電子部品を基板上に実装する実装装置であって、
    Ｙ方向に移動可能なＹ軸移動ベースと、
    前記Ｙ軸移動ベースに取り付けられ、前記Ｙ方向と直交する鉛直方向に移動可能なＺ軸移動ベースと、
    前記Ｚ軸移動ベースに取り付けられ、前記電子部品を吸着保持する実装ツールを具備した実装ヘッドと、
    弾性体を介して前記Ｙ軸移動ベースに取り付けられる一方で、前記実装ヘッドとともに鉛直方向に移動しない加圧機構であって、前記実装ヘッドを昇降させるとともに前記実装ヘッドに鉛直下向きの力を付加する加圧機構と、
    前記Ｙ軸移動ベースおよびＺ軸移動ベースと独立して設けられ、前記実装ツールが前記基板に当接した際に生じる前記鉛直方向上向きの反力を受けるとともに前記加圧機構に近接設置された受圧部材であって、前記加圧機構が前記Ｙ軸ベースとともに前記Ｙ方向に移動する際に、前記加圧機構が前記Ｙ方向に摺動する受圧部材と、
    を備え、
    前記弾性体は、前記実装ヘッドを保持することなく前記加圧機構を重力に抗して保持しつつも、前記反力を受けて前記鉛直方向に撓むことにより、前記加圧機構の前記鉛直方向上向きへの移動を許容する、
    ことを特徴とする実装装置。
  2. 請求項１に記載の実装装置であって、
    前記受圧部材は、前記Ｚ軸移動ベースの可動範囲全体をカバーするサイズである、ことを特徴とする実装装置。
  3. 請求項１または２に記載の実装装置であって、
    前記Ｙ軸移動ベースは、Ｙ方向に延びるＹ軸レールに沿って移動し、
    前記Ｙ軸レールおよび受圧部材は、前記Ｙ方向および前記鉛直方向に直交するＸ方向に移動可能なＸ軸移動ベースに取り付けられている、
    ことを特徴とする実装装置。
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