JP7261950B2 - 部品実装システムおよび部品装着方法 - Google Patents

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Description

本発明は、基板にはんだ接合により部品を装着する部品実装システムおよび部品装着方法に関する。
部品を基板にはんだ接合により実装して実装基板を製造する部品実装システムは、印刷装置、検査装置、部品実装装置、リフロー装置など複数の部品実装用装置を連結して構成されている。このような部品実装システムにおいて、基板にはんだ接合用に形成された電極に対するはんだの印刷位置ずれに起因して生じる実装不良を防止することを目的として、はんだ印刷位置を実際に計測して取得されたはんだ位置情報を後工程に対してフィードフォワードする位置補正技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
この特許文献例に示す先行技術では、はんだ印刷用のマスク開口位置を撮像して認識することによりマスク開口位置データを求めるとともに、印刷装置により基板に印刷されたはんだを認識してはんだの位置を求め、求められたはんだの位置によって校正されたマスク開口位置データを実装装置にフィードフォワードするようにしている。
特許第4237158号公報
しかしながら上述の先行技術には、後工程に対してフィードフォワードする位置補正データとしてマスク開口位置データを用いるようにしていることから、以下のような不都合があった。すなわちマスク開口位置データを求めるために、印刷装置に位置認識手段を備える必要があり、設備の複雑化を招くとともに、データ処理が煩雑になるという不都合があった。また、マスク開口位置データは別途準備されるガーバーデータにも含まれているが、部品実装作業の現場においてガーバーデータは必ずしも常に入手可能であるとは限らない。このように、従来技術においては、はんだ位置情報を後工程に対してフィードフォワードして位置補正を行うに際して、マスク開口位置データを必要とすることに起因して、簡便な設備で効率よく実装位置の補正を行うことが難しいという課題があった。
そこで本発明は、簡便な設備で効率よく実装位置の補正を行うことができる部品実装システムおよび部品装着方法を提供することを目的とする。
本発明の部品実装システムは、基板において部品が実装される実装位置と前記部品の外形サイズを基準に前記実装位置を中心に前記部品の外形を拡大した領域であり前記外形を包含する部品領域を設定する部品領域設定手段と、前記部品領域設定手段によって設定された前記部品領域内においてはんだが印刷された複数のはんだ領域を画像認識により抽出するはんだ領域抽出手段と、前記はんだ領域抽出手段によって抽出された前記複数のはんだ領域のうち、前記部品を前記基板に実装するための複数の部品はんだ領域を、前記実装位置と前記部品の外形の情報を基に特定する部品はんだ領域特定手段と、前記部品はんだ領域特定手段によって特定された前記複数の部品はんだ領域に基づいて補正後の実装位置を算出する補正後実装位置算出手段と、前記補正後実装位置算出手段によって算出された前記補正後の実装位置に前記部品を装着する部品装着機構と、を備える。
本発明の部品装着方法は、はんだが印刷された基板において部品が実装される実装位置と前記部品の外形サイズを基準に前記実装位置を中心に前記部品の外形を拡大した領域であり前記外形を包含する部品領域を設定し、設定された前記部品領域内においてはんだが印刷された複数のはんだ領域を抽出し、抽出された前記複数のはんだ領域のうち、前記部品を前記基板に実装するための複数の部品はんだ領域を、前記実装位置と前記部品の外形の情報を基に特定し、特定された前記複数の部品はんだ領域に基づいて補正後の実装位置を算出し、算出された前記補正後の実装位置に前記部品を装着する。
本発明によれば、簡便な設備で効率よく実装位置の補正を行うことができる。
本発明の一実施の形態の部品実装システムの構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態の部品実装システムにおける印刷装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態の部品実装システムにおいて作業対象となる基板の平面図 本発明の一実施の形態の部品実装システムにおける部品実装装置の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態の部品装着方法における実装位置の補正処理を示す処理フロー図 本発明の一実施の形態の部品装着方法における実装位置の補正処理の工程説明図 本発明の一実施の形態の部品装着方法における実装位置の補正処理の工程説明図 本発明の一実施の形態の部品実装システムにおいて実装対象となる部品におけるはんだ印刷状態を示す説明図
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図1を参照して部品実装システムについて説明する。部品実装システム1は、基板に部品を実装して実装基板を製造する機能を有するものであり、複数の部品実装用装置である印刷装置M1、部品実装装置M2~M4の各装置を連結して成る。これらの各装置は通信ネットワーク2によって相互に接続されるとともに、管理コンピュータ3に接続されている。管理コンピュータ3は、部品実装システム1におけるデータ管理などのシステム管理機能を有している。
印刷装置M1は、基板に形成された部品接合用の電極にペースト状のはんだをスクリーン印刷する。部品実装装置M2~M4は、はんだが印刷された基板に部品を装着する。すなわちはんだが印刷された基板を位置決めし、部品装着機構によって部品供給部から部品をピックアップし、はんだが印刷された基板の実装位置に装着する。この後、部品実装後の基板は図外のリフロー工程に送られ、基板に実装された部品を基板にはんだ接合することにより、実装基板が製造される。
次に各装置の構成について説明する。まず図2を参照して、印刷装置M1の構成および機能について説明する。図2において、位置決めテーブル10上には基板保持部12が配置されている。基板保持部12は基板4をクランパ12aによって両側から挟み込んで保持する。テーブル駆動部11によって位置決めテーブル10を駆動することにより、基板4はマスクプレート14に対して水平方向および垂直方向に相対移動し、印刷位置に位置決めされる。
図3に示すように、基板4には部品接合用の複数の電極6とともに、対角に位置して1対の認識マーク4a、4bが形成されており、認識マーク4a、4bを基板認識カメラ(図示省略)によって撮像して認識することにより、基板4の位置認識が行われる。基板4が基板保持部12に保持された状態では、基板4の上方にはマスク枠14aに展張されたマスクプレート14が位置する。
マスクプレート14において基板4に対応した印刷範囲内には、実装対象の部品7を基板4に接続するための電極6が形成されている。マスクプレート14には部品7の種類に応じて配置された電極6の形状・配置に対応して、マスクパターン(図示省略)が形成されている。ここでは、部品7の種類として、図5に示すように、下面にバンプが形成されたバンプ付き部品7A、縁部からリードが延出したリード付き部品7B、両端に接続電極が形成されたチップ型部品7Cが対象となっている。
マスクプレート14の上方にはスキージ部13が配置されている。スキージ部13は、スキージ移動機構13a、昇降押圧機構13bおよびスキージ13cより成る。昇降押圧機構13bは、スキージ13cをマスクプレート14に対して昇降させるとともにマスクプレート14に対して所定押圧力で押し付ける。スキージ移動機構13aは、スキージ13cをマスクプレート14上で印刷方向に水平移動させる。昇降押圧機構13b、スキージ移動機構13aは、スキージ駆動部15により駆動される。
基板4をマスクプレート14の下面に当接させた状態で、はんだ5が供給されたマスクプレート14の表面に沿ってスキージ13cを所定速度で水平移動させることにより、はんだ5はパターン孔を介して基板4の上面に印刷される。この印刷動作により、基板4の上面において部品接合用の電極6に部品接合用のはんだ5が印刷される。この印刷動作は、テーブル駆動部11、スキージ駆動部15を印刷制御部17によって制御することによって行われる。
この制御に際しては、印刷データ記憶部16に記憶された印刷データに基づいて、スキージ13cの動作や基板4とマスクプレート14との位置合わせが制御される。通信部18は通信ネットワーク2を介して管理コンピュータ3や部品実装システム1を構成する他装置との間でのデータ授受を行う。これにより、印刷データ記憶部16には管理コンピュータ3から送信された印刷データが書き込まれる。
印刷装置M1によるスクリーン印刷においては、印刷されたはんだ5の印刷位置は必ずしも電極6の位置に正しく一致するとは限らず、基板4とマスクプレート14との位置合わせの誤差などの種々の要因により、はんだ5が電極6から位置ずれした状態となる場合がある(図6(c)参照)。このような位置ずれ状態のまま電極6を目標位置として部品を装着すると、はんだ5が部品の接続電極に正常に接触せず、リフロー過程において接合不良などの不具合を招く。本実施の形態においては、このようなはんだ位置ずれに起因する不具合を防止するため、部品実装工程においてはんだ5の印刷位置を検出し、検出された印刷位置に基づいて部品7の実装位置を補正するようにしている。
次に図4を参照して、部品実装装置M2~M4の構成について説明する。図4において位置決めテーブル30上には基板保持部30aが配設されており、基板保持部30aは印刷装置M1または上流側の部品実装装置から搬送され位置決めされた基板4を保持する。基板保持部30aの上方には、部品装着機構32が配置されている。部品装着機構32は、ヘッド駆動機構33によって装着ヘッド34を移動させる構成となっている。
装着ヘッド34は部品を吸着するノズル34aを備えており、装着ヘッド34は部品供給部(図示省略)から部品7をノズル34aによって吸着保持して取り出す。そして装着ヘッド34を基板4上に移動させて、基板4に対して下降させることにより、ノズル34aに保持した部品7を基板4に装着する。ヘッド駆動機構33、位置決めテーブル30はそれぞれ装着ヘッド駆動部35、テーブル駆動部31によって駆動される。
装着ヘッド駆動部35、テーブル駆動部31は、装着制御部39によって制御される。通信部41は通信ネットワーク2を介して管理コンピュータ3や部品実装システム1を構成する他装置との間でのデータ授受を行う。これにより、実装情報記憶部37には管理コンピュータ3から送信された実装情報が書き込まれる。実装情報には、実装対象となる各部品の種類やサイズを含む部品情報、当該部品の実装位置を示す実装位置情報が含まれる。装着制御部39による制御処理に際しては、実装情報記憶部37に記憶されたこれらの実装情報が参照される。
ヘッド駆動機構33には、装着ヘッド34と一体に移動する基板認識カメラ36が撮像面を下向きにして配設されている。基板認識カメラ36を基板4上に移動させて基板4を撮像することにより、基板4上の認識マーク4a,4b、電極6に印刷されたはんだ5が撮像される。撮像結果を認識処理部38によって認識処理することにより、認識マーク4a,4b、はんだ5の位置認識が行われる。以下に説明する実装位置の補正のためのはんだ5の認識も、基板認識カメラ36の撮像機能および認識処理部38の認識処理機能を用いて実行される。
この認識処理により、認識マーク4a,4bの正規位置からの位置ずれが求められ、これにより基板4を基板認識カメラ36によって撮像した画像における位置座標を校正する位置校正データが求められる。そしてこの位置校正データをはんだ5の位置認識に適用することにより、基板4におけるはんだ5の位置が検出される。本実施の形態においては、このようにして検出されたはんだ5の位置に基づいて、当該はんだ5が属する部品7の実装位置を補正するようにしている。そして部品装着機構32は、このようにして補正された補正後の実装位置に部品7を装着する。
装着制御部39は内部処理機能として実装位置補正部40を備えている。実装位置補正部40は、部品装着機構32による部品装着動作の実行に際し、はんだ印刷後の個々の部品7を対象として、実装位置の補正のための以下の処理を部品装着に先立って実行する機能を有している。これらの処理には、部品領域設定処理40a、はんだ領域抽出処理40b、部品はんだ領域特定処理40cおよび補正後実装位置算出処理40dが含まれる。なお、ここではこれらの処理を部品実装装置M2~M4の制御処理機能によって実行する例を示しているが、本発明はこれに限定されない。例えば管理コンピュータ3など部品実装システム1が備えた処理機能によってこれらの処理を実行するように構成してもよい。
以下、この実装位置の補正処理について、図6,図7、図8の各図を参照しながら図5のフロー図に則して説明する。ここでは、本実施の形態において実装対象例として示すバンプ付き部品7A、リード付き部品7B、チップ型部品7Cのうち、チップ型部品7Cを対象とした例を示している。
この実装位置の補正処理では、まず部品領域の設定が行われる(ST1)。すなわち基板4において部品7が実装される実装位置を基準に部品領域を設定する(部品領域設定処理40a)。ここで部品領域とは、実装情報として与えられる部品7の実装座標、外形サイズを基準に、部品外形もしくは部品外形の枠を所定のサイズに拡大した領域を云う。また所定のサイズとは、当該部品の外形および当該部品を接合するために印刷されたはんだを包含するのに必要十分な大きさを意味している。
図6(a)は、部品領域の設定の対象となる部品7が実装されるべき実装位置を示している。すなわち、実装情報記憶部37に記憶された部品情報より、当該部品7の実装位置PMの実装座標を読み出す。そして図6(b)に示すように、認識マーク4a,4bの認識により求められた位置校正データによって校正された実装位置PM*を中心として、当該部品7の外径サイズ(幅B、長さL)を所定倍数だけ拡大した所定サイズの部品領域36aを設定する。すなわち部品領域36aは、実装位置PM*を中心に部品7の外形を拡大した領域である。
次いで、はんだ領域の抽出が行われる(ST2)。すなわち、設定された上述の部品領域36a内においてはんだ5が印刷された複数のはんだ領域(5)を画像認識により抽出する(はんだ領域抽出処理40b)。ここに示す例では、図6(c)に示すように、はんだ領域(5)として電極6に接近した位置にあって部分的に電極6に接触する位置にあるはんだ領域(5)と、部品領域36aの端部において電極6から完全に離隔した位置にあるはんだ領域(5)が抽出されている。
次に、部品はんだ領域の特定が行われる(ST3)。すなわち、抽出された上述の複数のはんだ領域(5)のうち、部品7を基板4に実装するための複数の部品はんだ領域(5)*を、換言すれば当該部品7に属する複数の部品はんだ領域(5)*を、実装位置と部品7の外形の情報を基に特定する(部品はんだ領域特定処理40c)。
この部品はんだ領域特定処理40cにおいては、以下に例示するような種々の手法によって複数の部品はんだ領域(5)*を特定することができる。例えば、図8(a)に示す例では、対象となる部品7がBGAやCSPなどのバンプ付き部品7Aであり、パッケージ7aの外形の内側が部品外形領域であり、部品はんだ領域(5)*は全てこの部品外形領域に含まれている。すなわちここに示す例では、複数のはんだ領域のうち、実装位置に部品を装着した場合の外形の領域内に含まれるはんだ領域(5)を、部品はんだ領域(5)*として特定するようにしている。
また図8(b)に示す例では、対象となる部品7がQFPなどのリード付き部品7Bであり、パッケージ7bから延出したリード部7dの先端部からさらに外側まではんだ領域(5)が存在する。このような場合には、リード部7dの先端部に相当する位置に部品7を囲む外形の枠7eを設定し、この枠7eの内側を部品外形領域に設定する。そして、枠7eに接触するはんだ領域(5)を部品はんだ領域(5)*と特定する。すなわちここに示す例では、複数のはんだ領域(5)のうち、実装位置に部品を装着した場合の外形の枠7eに接触するはんだ領域(5)を部品はんだ領域(5)*と特定するようにしている。そしてこの例では、リード付き部品7Bの外形は、パッケージ7bと複数のリード部7dとを含む形態となっている。
さらに図8(c)に示す例は、対象となる部品7がチップ型部品7Cであり、チップ本体7cの両端部に形成された接続端子7fを囲むようにしてはんだ領域(5)が形成されている。この例ではチップ本体7cの内部が部品外形領域であり、チップ本体7cに接触する位置関係にあるはんだ領域(5)が部品はんだ領域(5)*に該当する。すなわちここに示す例では、複数のはんだ領域(5)のうち、実装位置に部品7を装着した場合の外形に接触するはんだ領域(5)を部品はんだ領域(5)*と特定するようにしている。
この部品はんだ領域特定処理40cの実行により、図7(a)に示すように、図6(c)にて部品領域36aの端部にあって電極6から完全に離隔した位置にあるはんだ領域(5)が部品はんだ領域(5)*の特定条件から外れる。これにより、電極6に部分的に接触したはんだ領域(5)のみが部品はんだ領域(5)*として特定される。
次いでこのようにして特定された複数の部品はんだ領域(5)*に基づいて、補正後の実装位置を算出する(ST4:補正後実装位置算出処理40d)。すなわち、図7(b)に示すように、部品はんだ領域(5)*aの重心位置G1,部品はんだ領域(5)*bの重心位置G2をそれぞれ算出する。そして算出された複数の部品はんだ領域(5)*a、部品はんだ領域(5)*bの重心位置G1、G2に基づいて、補正後の実装位置[PM]を算出する。
ここでは、補正後の実装位置[PM]として、重心位置G1、G2の中点を用いるようにしている。なお、補正後の実装位置[PM]の算出方法としては、上述の重心位置G1、G2の中点を求める方法以外にも、重心位置G1、G2に基づく方法であれば種々の方法を用いることができる。例えば部品はんだ領域(5)*が3以上の複数存在する場合には、これらについて求められた複数の重心位置の平均座標値を求めるようにしてもよい。さらには、部品はんだ領域(5)*の重心位置に加えて、実装情報上の実装位置を加味して補正後の実装位置[PM]を算出するようにしてもよい。
次いで、補正後の実装位置[PM]に部品7を装着する(ST5)。すなわち図7(c)に示すように、補正後実装位置算出処理40dにおいて算出された補正後の実装位置[PM]に部品装着機構32によって部品7を装着する。これにより、印刷装置M1における種々の要因によってはんだ5が電極6から位置ずれした状態となっている場合にあっても、部品7は印刷されたはんだ5に位置合わせされた状態で基板4に装着される。この部品装着状態において、部品7の接続端子7fは基板4の電極6から位置ずれした状態にある。
この後、部品7が装着された基板4は、後工程のリフロー工程に送られ、所定の加熱プロファイルに従って加熱される。このリフロー過程においては、はんだ5が加熱溶融した溶融はんだが電極6に沿って濡れ広がるセルフアライメント効果により、部品7の接合端子は電極6の上面に移動する。これにより、部品装着状態における位置ずれ状態にもかかわらず、部品7は電極6に対して正しく位置合わせされた状態ではんだ接合される。
上述の部品装着に用いられる部品実装システム1の構成において、部品領域設定処理40a、はんだ領域抽出処理40bを実行する実装位置補正部40は、基板4において部品7が実装される実装位置PMを基準に部品領域36aを設定する部品領域設定手段、この部品領域設定手段によって設定された部品領域36a内においてはんだ5が印刷された複数のはんだ領域(5)を画像認識により抽出するはんだ領域抽出手段となっている。
また、部品はんだ領域特定処理40c、補正後実装位置算出処理40dを実行する実装位置補正部40は、このはんだ領域抽出手段によって抽出された複数のはんだ領域(5)のうち、部品7を基板4に実装するための複数の部品はんだ領域(5)*を、実装位置PM*と部品7の外形の情報を基に特定する部品はんだ領域特定手段、この部品はんだ領域特定手段によって特定された複数の部品はんだ領域(5)*に基づいて補正後の実装位置[PM]を算出する補正後実装位置算出手段となっている。
そして上述構成の部品実装システム1によって基板4に部品7を装着する部品装着方法では、まず、はんだ5が印刷された基板4において部品7が実装される実装位置PM*を基準に部品領域36aを設定する。次いで設定された部品領域36a内においてはんだ5が印刷された複数のはんだ領域(5)を抽出する。
次に抽出された複数のはんだ領域(5)のうち、部品7を基板4に実装するための複数の部品はんだ領域(5)*を、実装位置PM*と部品7の外形の情報を基に特定する。次いで特定された複数の部品はんだ領域(5)*に基づいて補正後の実装位置[PM]を算出する。そして算出された補正後の実装位置[PM]に部品7を装着する。
なお、上述の位置補正は、必ずしも全ての部品について実行する必要は無い。すなわち、同種の部品が基板上で複数個連続して配列されているような場合、さらにスクリーン印刷における印刷位置ずれの傾向が一定しているような場合には、抜き取り的に所定個数のみについて実装位置の補正処理を実行し、他部品について位置補正結果を流用するようにしてもよい。抜き取りのタイミングとしては、装着動作開始時の所定個数を補正処理対象としてもよく、または連続して装着動作を反復する過程で所定のインターバルごとに補正処理を実行するようにしてもよい。
上記説明したように、本実施の形態に示す部品実装システム1では、印刷装置M1にて基板4に印刷されたはんだ5の位置に基づいて後工程の部品実装装置M2~M4における実装位置を補正する方式の部品装着において、従来のガーバーデータに基づいてはんだの位置ずれを求める方法に替えて、部品実装装置M2~M4において予め与えられた実装情報に基づいてはんだの位置ずれを求め、求められたはんだの位置ずれに基づいて補正された実装位置に部品を装着するようにしている。これにより、同様の位置補正を実行するために従来必要とされた印刷工程後の半田位置検査やこの検査に用いられるガーバーデータを必要とすること無しに、簡便な設備で効率よく実装位置の補正を行うことができる。
本発明の部品実装システムおよび部品装着方法は、簡便な設備で効率よく実装位置の補正を行うことができるという効果を有し、基板にはんだ接合により部品を装着する分野において有用である。
1 部品実装システム
4 基板
5 はんだ
(5) はんだ領域
(5)* 部品はんだ領域
6 電極
7 部品
7e 枠
36a 部品領域
M1 印刷装置
M2~M4 部品実装装置
PM、PM*、[PM] 実装位置

Claims (6)

  1. 基板において部品が実装される実装位置と前記部品の外形サイズを基準に前記実装位置を中心に前記部品の外形を拡大した領域であり前記外形を包含する部品領域を設定する部品領域設定手段と、
    前記部品領域設定手段によって設定された前記部品領域内においてはんだが印刷された複数のはんだ領域を画像認識により抽出するはんだ領域抽出手段と、
    前記はんだ領域抽出手段によって抽出された前記複数のはんだ領域のうち、前記部品を前記基板に実装するための複数の部品はんだ領域を、前記実装位置と前記部品の外形の情報を基に特定する部品はんだ領域特定手段と、
    前記部品はんだ領域特定手段によって特定された前記複数の部品はんだ領域に基づいて補正後の実装位置を算出する補正後実装位置算出手段と、
    前記補正後実装位置算出手段によって算出された前記補正後の実装位置に前記部品を装着する部品装着機構と、を備える、部品実装システム。
  2. 前記部品はんだ領域特定手段は、前記複数のはんだ領域のうち、前記実装位置に前記部品を装着した場合の前記外形の領域内に含まれるはんだ領域を前記部品はんだ領域と特定する、請求項1に記載の部品実装システム。
  3. 前記部品はんだ領域特定手段は、前記複数のはんだ領域のうち、前記実装位置に前記部品を装着した場合の前記外形の枠に接触するはんだ領域を前記部品はんだ領域と特定する、請求項1に記載の部品実装システム。
  4. 前記外形は、前記部品のパッケージと複数のリード部とを含む、請求項3に記載の部品実装システム。
  5. 前記補正後実装位置算出手段は、
    前記部品はんだ領域特定手段によって特定された前記複数の部品はんだ領域の各々の重心位置を算出し、
    前記算出された前記複数の部品はんだ領域の重心位置に基づいて前記補正後の実装位置を算出する、請求項1に記載の部品実装システム。
  6. はんだが印刷された基板において部品が実装される実装位置と前記部品の外形サイズを基準に前記実装位置を中心に前記部品の外形を拡大した領域であり前記外形を包含する部品領域を設定し、
    設定された前記部品領域内においてはんだが印刷された複数のはんだ領域を抽出し、
    抽出された前記複数のはんだ領域のうち、前記部品を前記基板に実装するための複数の部品はんだ領域を、前記実装位置と前記部品の外形の情報を基に特定し、
    特定された前記複数の部品はんだ領域に基づいて補正後の実装位置を算出し、
    算出された前記補正後の実装位置に前記部品を装着する、部品装着方法。
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