JP6334162B2 - 表面実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体チップ等の電子部品を基板の表面に配置する表面実装装置に関する。

特許文献１には、電子部品搭載用のツールをボール継手によりツール保持部に保持させた電子部品実装装置の構造が示されている（例えば特許文献１）。

特開平8-250898号公報

特許文献１の装置の場合、ツールはボール継手によってツール保持部に回動可能に支持されているだけなので、電子部品を基板に配置する際の姿勢状態によっては、基板の表面に対して傾斜して配置されるおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電子部品を基板の表面に沿って均一に傾きなく配置できる表面実装装置を提供することである。

上記課題を解決する本発明の表面実装装置は、電子部品を吸着及び解放するヘッドツールをマウントヘッドにより移動させて電子部品を基板に配置する表面実装装置であって、ヘッドツールは、マウントヘッドに保持される基端部と、基端部に対して予め設定された範囲内で角度変化可能に支持された先端部と、先端部に設けられて電子部品を弾性支持する弾性支持部とを有することを特徴としている。

本発明によれば、電子部品を基板の表面に沿って均一に傾きなく配置でき、配置精度の高い実装基板を得ることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本実施形態における表面実装装置の全体構成を説明する概略図。 ヘッドツールにより配置される半導体チップの一例を示す図。 ヘッドツールの構成を説明する外観図。 図３の断面図。 弾性支持部の構成例を示す図。 半導体チップを基板に配置する工程を説明する図。 ヘッドツールにより半導体チップを吸着した状態を示す断面図。

次に、本発明の一実施形態について図面を用いて以下に説明する。
近年、自動車などの内燃機関の吸入空気通路に設けられ、吸入空気量を測定する空気流量センサとして、熱式のものが質量空気量を直接検知できることから主流となってきており、その中でも特に応答性が高く逆流検出も可能であるとして、半導体マイクロマシニング技術によりシリコン基板の一部を除去し、薄膜部（ダイアフラム）を形成した半導体チップが用いられている。

電子部品である半導体チップは、基板の表面に配置され、その外周部が樹脂でモールド成形されてチップパッケージとされ、さらにトランスファーモールドされてケースと一体化される。半導体チップは、僅かな傾きでも質量空気量の検出値が変化するおそれがあることから、基板に対して高精度の実装が要求される。また、半導体チップは、シリコン基板の抗折強度が１６ＧＰａ程度であるのに対して薄膜部の抗折強度が０．２５〜１．３ＭＰａであり、薄膜部が強度的に非常に弱いので、半導体チップを実装する際に接触して破損しないようにする必要がある。本実施の形態における表面実装装置１は、熱式空気流量センサを有する半導体チップ５を破損することなく基板４の表面に高精度に配置するものである。

図１は、本実施形態における表面実装装置の全体構成を説明する概略図、図２は、ヘッドツールにより保持される電子部品の一例を示す図である。

半導体チップ５は、図２に示すように、平面視略矩形の平板形状を有するシリコン基板５１を有している。薄膜部５２は、シリコン基板５１の中央よりも長辺方向一方側に偏倚した位置に設けられている。そして、シリコン基板５１の下面には、基板４に接着するためのシート接着剤５３が貼り付けられている。

表面実装装置１は、組立製造ラインの実装ステージに設置されている。基板４は、図１に示すように、搬送装置２によって搬送されて表面実装装置１に対して予め設定された位置に位置決め配置される。実装ステージには、基板４に半導体チップ５を熱圧着するために、搬送された基板４を任意の温度まで加熱する加熱装置３が設けられている。

表面実装装置１は、半導体チップ５を吸着及び解放するヘッドツール６と、ヘッドツール６を移動させるマウントヘッド７を備えている。マウントヘッド７は、ヘッドツール６を保持し、Ｘ方向駆動軸８Ａ、Ｙ方向駆動軸８Ｂ、Ｚ方向駆動軸８Ｃによって、搬送装置２の搬送方向に沿ったＸ方向と、Ｘ方向に直交しかつ搬送方向に沿った方向であるＹ方向と、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ直交した上下方向であるＺ方向の３軸方向に移動させる。なお、本実施形態では、加熱装置３は、搬送装置２の一対のレール間に配置されているが、マウントヘッド７に設けてもよい。

ヘッドツール６は、不図示の受け取り場所で半導体チップ５を吸着し、基板４の表面に押圧して熱圧着した後に解放する。ヘッドツール６は、シリコン基板５１の下面にシート接着剤５３が貼り付けられている半導体チップ５を、基板４の表面の形状に倣わせて実装する倣い機構を有している。この倣い機構は、一箇所以上の機械的な可動部と、一箇所以上の弾性体を併せ持つ構造を特徴としている。ヘッドツール６は、半導体チップ５を基板４に押圧した際に基板４の表面に倣わせることができ、基板４の表面に沿って均一に傾きなく配置できる。

図３は、本発明の表面実装装置に係わるヘッドツールの一例を示す正面図、図４は、図３の断面図である。

ヘッドツール６は、図３に示すように、マウントヘッド７に保持される基端部１１と、基端部１１に対して予め設定された範囲内で角度変化可能に支持された先端部２１と、先端部２１に設けられて半導体チップ５を弾性支持する弾性支持部３１を有している。そして、図４に示すように、基端部１１と先端部２１との間には、機械的な可動部としてボール継ぎ手１０が設けられており、基端部１１に対して先端部２１が予め設定された範囲内で角度変化可能に支持されている。また、基端部１１と先端部２１との間には、弾性体からなるＯリング４１が介在されており、基端部１１に対して先端部２１を予め設定された姿勢状態に配置するように付勢している。これらのボール継ぎ手１０、Ｏリング４１、弾性支持部３１は、上記の倣い機構を構成する。

基端部１１は、マウントヘッド７に保持されるジョイント１２を有している。ジョイント１２は、マウントヘッド７に着脱自在な電池チャックやカプラ等により構成されており、中心軸ＣＬ１が上下（図１のＺ方向）に延在する姿勢状態でマウントヘッド７に保持される。そして、図４に示すように、ジョイント１２の下面略中央には、支持棒１３がジョイント１２と同軸上に垂直に延出して設けられている。支持棒１３は、断面が略一定の丸棒形状を有しており、支持棒１３の先端には、凸球面を有する球状体１４が設けられている。球状体１４は、後述する凹部２５と協働してボール継ぎ手１０を構成する。基端部１１には、ジョイント１２と支持棒１３の中心軸を貫通して球状体１４の先端までの間に亘る貫通孔１５が設けられている。

先端部２１は、円筒状の胴体２２を有している。胴体２２は、軸方向一方側が端面２３によって閉塞されており、端面２３の中心位置には、支持棒１３が挿通される開口穴２３ａが設けられている。支持棒１３は、開口穴２３ａから胴体２２に挿入されており、胴体２２の内部でワッシャ１６が取り付けられている。

ワッシャ１６は、開口穴２３ａよりも大径で端面２３に対向する大きさを有しており、支持棒１３が開口穴２３ａから抜けるのを防ぐ抜け留めとなっている。ワッシャ１６と胴体２２の端面２３との間には、樹脂製の弾性部材であるＯリング４１が介在されている。Ｏリング４１は、ワッシャ１６を胴体２２の端面２３から離間する方向に付勢して、基端部１１の中心軸ＣＬ１に対して先端部２１の中心軸ＣＬ２が同一直線上に配置されるように先端部２１を付勢する付勢手段として機能する。なお、本実施形態ではワッシャ１６と端面２３との間に介在される弾性部材としてＯリング４１を用いる場合を例に説明したが、弾性体であれば良く、樹脂製の弾性体やスプリングを用いてもよい。Ｏリング４１は、ヤング率０．０１〜５．０ＧＰａが好ましく、本実施形態では、ヤング率２．５ＧＰａのものを用いている。

胴体２２の内部には、受け座２４が収容されている。受け座２４は、基端部１１の球状体１４が挿入される凹部２５を有している。凹部２５は、球状体１４に当接する凹球面を有している。基端部１１に対して先端部２１を予め設定された範囲内で角度変化可能に支持する構造としては、ボール継ぎ手１０のような機械的な可動部を用いることができ、本実施形態では、基端部１１が有する支持棒１３の球状体１４と、先端部２１が有する受け座２４の凹部２５とによって機械的な可動部が構成される。

受け座２４は、弾性支持部３１に固定されて支持されている。受け座２４には、貫通孔２６が設けられている。貫通孔２６は、一端が凹部２５の最深部に開口し、他端が受け座２４の下面中央に開口している。貫通孔２６は、その一端が基端部１１の貫通孔１５の端部に対向して貫通孔１５に連通しており、基端部１１に対して先端部２１が回動してその角度が最も大きい姿勢状態（例えば図７を参照）であっても貫通孔１５の端部との対向を維持して貫通孔１５と連通することができる。

弾性支持部３１は、胴体２２の軸方向他方側の開口を閉塞するように設けられている。弾性支持部３１は、胴体２２に着脱可能に取り付けられており、胴体２２から取り外すことによって支持棒１３、球状体１４、Ｏリング４１、ワッシャ１６等を露出させてこれらのメンテナンスができるようになっている。

弾性支持部３１は、半導体チップ５に対向して少なくとも一部が当接される作用面３２を有している。弾性支持部３１は、例えば基端部１１の中心軸ＣＬ１に直交しておらず傾いている基板４に対してヘッドツール６を下降させて半導体チップ５を押圧した場合に弾性変形し、半導体チップ５の向きを基板４の傾斜に沿って倣わせることができる。

弾性支持部３１には、受け座２４の貫通孔２６に連通する貫通孔３３が設けられている。貫通孔３３は、受け座２４の貫通孔２６を介して基端部１１の貫通孔１５に連通している。弾性支持部３１は、貫通孔１５への負圧の供給により、半導体チップ５を吸着して弾性支持し、負圧の供給を停止することにより、半導体チップ５を解放することができる。

弾性支持部３１は、シリコンやフッ素等の材質の弾性体によって構成されている。弾性支持部３１は、ヤング率０．０１〜５．０ＧＰａが好ましく、本実施形態では、ヤング率２．５ＧＰａのものを用いている。弾性支持部３１の形状は、凸型、凹型または球面型といった、搭載する電子部品の形状に応じたものとなっている。

図５は、弾性支持部が半導体チップの表面に当接する範囲を示す図であり、図５（ａ）は凸形状の弾性支持部、図５（ｂ）は凹形状の弾性支持部、図５（ｃ）は、凹凸形状の弾性支持部が当接する範囲を示している。

図５（ａ）に示す弾性支持部３１Ａは、作用面３２Ａの断面形状が凸形状（図４を参照）を有している。したがって、半導体チップ５を吸着する際に、薄膜部５２を避けて作用面３２Ａを半導体チップ５に当接させることができ、薄膜部５２に接触して破損させるのを防ぐことができる。

図５（ｂ）に示す弾性支持部３１Ｂは、作用面３２Ｂの薄膜部５２に対向する部分に凹部が設けられた凹形状を有している。したがって、図５（ａ）よりも、作用面３２Ｂをより広範囲に渡って半導体チップ５に当接させることができ、半導体チップ５全体を均一な押圧力で基板４の表面に押圧することができる。

図５（ｃ）に示す弾性支持部３１Ｃは、半導体チップ５の外周部に沿って周状に連続して当接され、作用面３２Ｃの薄膜部５２に対向する部分に凹部が設けられた凹凸形状を有している。したがって、半導体チップ５を基板４に押圧した際に、半導体チップ５全体を図５（ｂ）よりも均一な押圧力で基板４の表面に押圧することができる。

図６は、半導体チップを基板に配置する工程を説明する図である。
表面実装装置１は、搬送装置２によって基板４が搬送されて予め設定された位置に位置決めされ、加熱装置３によって予め設定された加熱温度まで加熱されると、基板４の表面に半導体チップ５を配置する動作を開始する。

まず、マウントヘッド７によってヘッドツール６を不図示の受け取り位置に移動させ、半導体チップ５をヘッドツール６に吸着させる。ヘッドツール６は、貫通孔１５に負圧が供給された状態で、弾性支持部３１を半導体チップ５に当接させることにより、吸着する。

そして、半導体チップ５を吸着したヘッドツール６を、図６（ａ）に示すように、基板４の上方位置まで移動させた後、図６（ｂ）に示すように、ヘッドツール６を下降させて、半導体チップ５を所定の押圧力で基板４の表面に押圧する。

基板４は、加熱装置３によって加熱されているので、半導体チップ５は基板４に熱圧着される。そして、貫通孔１５への負圧の供給を停止して、ヘッドツール６から半導体チップ５を解放し、図６（ｃ）に示すように、ヘッドツール６を上昇させる。半導体チップ５は、ヘッドツール６の倣い機構によって基板４の表面に倣って配置される。

本実施形態の表面実装装置１によれば、例えば不図示の受け取り位置で半導体チップ５が傾いて配置されていたとしても、ヘッドツール６は、先端部２１が予め設定された範囲内で角度変化し、さらに、弾性支持部３１が弾性変形することにより、半導体チップ５の傾斜に倣うことができ、半導体チップ５を確実に吸着することができる。そして、傾いた半導体チップ５を吸着して受け取り位置から持ち上げたときに、基端部１１と先端部２１との間に介在されているＯリング４１によって、先端部２１の角度を元に戻し、半導体チップ５の姿勢を基端部１１の中心軸ＣＬ１に直交する向きである水平姿勢にすることができる。したがって、基板４の上方位置でヘッドツール６を下降させた際に、半導体チップ５を基板４に平行な状態で接近させて接面させることができる。

本実施形態の表面実装装置１によれば、図７に示すように、薄膜部５２を避けて半導体チップ５の中心から長辺方向一方側に偏倚した位置にヘッドツール６を吸着させて持ち上げた場合に、薄膜部５２側の方が重くなり半導体チップ５のバランスが崩れて先端部２１に薄膜部５２側が下がる方向の力が作用するが、先端部２１は、弾性体であるＯリング４１によってその中心軸ＣＬ２が常に基端部１１の中心軸ＣＬ１と一直線上に配置されるように付勢されている。したがって、先端部２１の中心軸ＣＬ２が上下方向に垂直に延在する姿勢状態に先端部２１を維持し、半導体チップ５の姿勢を水平に維持することができる。したがって、基板４の上方位置でヘッドツール６を下降させた際に、半導体チップ５を基板４に平行な状態で接近させて接面させることができる。

本実施形態の表面実装装置１によれば、例えば基板４が水平ではなく傾いて配置されていた場合に、半導体チップ５を基板４に押圧することにより、基板４の傾きに倣って先端部２１が角度変化し、及び／又は、弾性支持部３１が弾性変形する。したがって、半導体チップ５を基板４に押圧した際に基板４の表面に倣わせることができ、基板４の表面に沿って均一に傾きなく配置できる。

また、例えば基板４がうねりを有していた場合には、半導体チップ５を基板４に押圧することにより、弾性支持部３１が弾性変形する。したがって、半導体チップ５を基板４に押圧した際に基板４の表面に倣わせることができ、基板４の表面に沿って均一に密着させて配置できる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 表面実装装置
２ 搬送装置
３ 加熱装置
４ 基板
５ 半導体チップ（電子部品）
６ ヘッドツール
７ マウントヘッド
１１ 基端部
１２ ジョイント
１３ 支持棒
１４ 球状体
１５ 貫通孔
１６ ワッシャ
２１ 先端部
２２ 胴体
２４ 受け座
２５ 凹部
３１ 弾性支持部
３２ 作用面
４１ Ｏリング（付勢手段）

Claims (5)

1. 電子部品を吸着及び解放するヘッドツールをマウントヘッドにより移動させて前記電子部品を基板に配置する表面実装装置であって、
   前記ヘッドツールは、
   前記マウントヘッドに保持される基端部と、
   該基端部に対して予め設定された範囲内で角度変化可能に支持された先端部と、
   該先端部に設けられて前記電子部品を弾性支持する弾性支持部と、
   前記基端部に対して前記先端部を予め設定された姿勢状態に付勢する付勢手段と、を有し、
   前記基端部と前記先端部は、ボール継手により連結され、
   前記弾性支持部は、樹脂製の弾性部材により構成され、前記電子部品に対向して少なくとも一部が当接される断面形状が凸形状の作用面を有し、該作用面が前記電子部品の中心から長手方向一方側に偏倚した位置でかつ前記電子部品の薄膜部を避けた位置に当接される球面型の形状を有し、該作用面の中央に負圧の供給を受ける貫通孔が開口して設けられていることを特徴とする表面実装装置。
2. 前記付勢手段は、樹脂製の弾性部材又はスプリングにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の表面実装装置。
3. 前記弾性部材は、ヤング率０．０１〜５．０ＧＰａであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面実装装置。
4. 前記ヘッドツールは、前記マウントヘッドに着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の表面実装装置。
5. 前記基板と前記電子部品の少なくとも一方を加熱する加熱装置を有することを特徴とする請求項１に記載の表面実装装置。

Images