JPWO2020241753A1 - 傾斜補正装置、加工装置および傾斜補正方法 - Google Patents

傾斜補正装置、加工装置および傾斜補正方法 Download PDF

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Abstract

加工装置(1)は、加工対象(4)が載置される載置台(26)の載置面と、載置された加工対象(4)を加圧する底面と、載置台(26)の載置面を撮影して、載置台(26)の載置面の画像の画像データを生成するカメラ装置(32)と、画像データを処理し、載置台(26)の載置面と底面との傾斜を補正する補正方向および補正量を求める画像処理装置と、求められた補正方向および補正量に従って、載置台(26)の載置面および底面の少なくとも一方の傾斜を変更し、載置台(26)の載置面および底面の傾斜を、予め決められた範囲内に補正する補正処理装置と、を備える。

Description

本開示は、傾斜補正装置、加工装置および傾斜補正方法に関する。
半導体チップをパッケージに押圧して固定する加工装置が知られている。このような加工装置では、加工装置の載置面にパッケージが置かれ、パッケージの上に半導体チップが載せられる。加圧装置は、加圧ツールの加圧面で半導体チップに圧力を加えて、パッケージに半導体チップを固定する。このような加工装置により、半導体チップをパッケージに適切に固定するためには、加圧面と載置面とを平行に保つ必要がある。これらの面が平行に保たれず、これらの面の間に傾斜が生じると、半導体チップに応力が加えられて損傷したり、半導体チップとパッケージとの密着が不十分になったりする不具合が生じ得る。
この問題を解決するために、特許文献1には、四隅に互いに同一形状の樹脂体を配設した透明矩形板部材を用いた実装加工を行い、実装加工後の樹脂が予め決められた形に変形するように加圧面の向きを調整する方法が開示されている。
特開平5−326639号公報
特許文献1に記載の方法によっては加圧面の方向の補正方向および補正量を自動的に求めることはできない。従って、この方法によると、加圧面の方向を調整するたびに透明矩形板部材を用いた加工を行い、加工後の樹脂の形に基づいて加圧面の方向を再調整する、という手順を、加圧面と載置面との平行度が充分に高くなるまで繰り返す必要がある。このため、調整に手間と時間がかかる。また、この方法によると、透明矩形板部材の四隅の樹脂の不均一な経時変化に起因して、加圧面の方向の補正方向および補正量が変化してしまう可能性がある。このため、経時変化により、平行度の調整が困難となるおそれがある。
また、この方法を採用するには、載置台から加圧面を撮影した画像が必要である。したがって、実装加工に用いられる載置台を、調整用の透明な載置台にする必要が生じる。このため、調整に手間と時間がかかる。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、加工対象を加圧する加圧面と、加工対象が載置される載置面との平行度を高く保つための調整を少ない手間と時間とで調整可能とすることを目的とする。
上記課題を解決するために、実施の形態にかかる傾斜補正装置は、加工対象が載置される載置面と、載置された加工対象を加工する加工面と、載置面を撮影して、載置面の画像の画像データを生成するカメラ装置と、画像データを処理し、載置面と加工面との傾斜を補正する補正方向および補正量を求める画像処理装置と、求められた前記補正方向および補正量に従って、載置面および加工面の少なくとも一方の傾斜を変更し、載置面および加工面の傾斜を、予め決められた範囲内に補正する補正装置と、を備える。
本開示によれば、画像データを処理し、載置面と加工面との傾斜を補正する補正方向および補正量を求め、載置面および加工面の傾斜を補正する。これにより、加工対象を加工する加工面と、加工対象が載置される載置面と、の平行度を高く保つ調整を、少ない手間と時間とで行うことができる。
実施の形態1にかかる加工装置の構成を示す図 図1に示す加工装置による加工対象の構成を例示する図 図1に示す部品トレイに載置される加工対象の部品を示す図 図1の加圧装置の構成を示す図 図1のカメラ装置の構成を示す図 実施の形態1にかかる制御装置の構成を例示する図 図1に示すZ軸ゴニオステージの載置面に重ねられた加工対象の部品を例示する図 実施の形態1において、部品の画像から抽出される加圧部分の画像データを例示する図 (A)加圧部分の範囲に含まれる画像データを例示する図、(B)加圧部分の範囲に含まれる画像データの二値化処理を例示する図、(C)加圧部分の範囲に含まれる画像の分割を例示する図 実施の形態1において第1象限、第2象限、第3象限および第4象限それぞれにおける損傷範囲の占有率を示す図 実施の形態1において第1象限を基準として正規化した第1象限、第2象限、第3象限および第4象限それぞれにおける損傷範囲の占有率を示す図 X軸ゴニオステージおよびZ軸ゴニオステージそれぞれに与えられる補正データα,βの方向を示す図 実施の形態2にかかる加工装置の構成を示す図 実施の形態2にかかる制御装置の構成を示す図 図12に示す加工装置の制御装置による学習処理のフローチャート 図12に示す加工装置による加工対象への実装加工処理のフローチャート 実施の形態3にかかる加工装置の構成を示す図 実施の形態3にかかる加工装置のカメラ装置の構成を示す図 図15に示す制御装置の構成を示す図 (A)図16に示すカメラ装置が、表面に欠陥がある加工対象を偏光させられていない光を用いて撮影して得られた画像を例示する図、(B)図16に示すカメラ装置により特定の方向に偏光させられた光を用いて撮影され、ノイズを含む加工対象の画像を例示する図、(C)図16に示すカメラ装置により(B)に示した方向以外に偏光させられた光を用いて撮影され、ノイズを含まない加工対象の画像を例示する図、(D)、図18(B)と(C)に示す画像を合成処理して得られる画像を例示する図、(E)、図18(D)に示す画像を第1〜第4象限に分割し、二値化した画像を例示する図 加工装置の制御装置による学習処理を示すフローチャート 加工装置による加工対象への実装加工処理を示すフローチャート (A)散乱光などの影響によりあたかも実際には存在しない欠陥が表面にあるかのように撮影された加工対象の画像を例示する図、(B)、(A)に示した画像を二値化した画像を示す図、(C)、(B)に示した画像を第1〜第4象限に分割した画像を示す図 実施の形態4にかかる加工装置の構成を示す図 図22に示した抵抗溶接ヘッドの構成を示す図 図22に示した抵抗溶接ヘッドが図2に示した加工対象の部品に電流を流す様子を示す図
以下、本開示の実施の形態にかかる傾斜補正装置、加工装置および傾斜補正方法を、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態において、同一の構成部分には同一の符号を付す。また、「部品40−1〜40−3」など、複数の構成要素を総称するとき、符号の添字を省略し、「部品40」などと記載することがある。また、各図および以下の説明において、相互に直交するX軸、Y軸、Z軸からなる直交座標系を適宜用いる。
[実施の形態1]
本実施の形態1にかかる傾斜補正装置、加工装置および傾斜補正方法を説明する。
図1は、実施の形態1にかかる加工装置1の構成を示す図である。加工装置1は、半導体チップをパッケージに対して加圧および加熱して実装加工するボンディング装置である。図1に示すように、加工装置1は、実装加工を行う加工機構2と、加工機構2にケーブル14を介して接続され、オペレータの操作に応答して、加工機構2による実装加工を制御する制御装置10と、を備える。
図2に示すように、加工機構2による加工或いは製造の対象となる加工対象4は、例えば3種類の部品40−1〜40−3が、−Z側から順に積み重ねられて加圧および加熱されて実装加工されて形成される。部品40−1〜40−3は、加工対象の例である。
加工機構2は、その構成要素を支える土台200と、加工対象4の部品40−1〜40−3それぞれを載置する部品トレイ202−1〜202−3と、部品40をX軸方向及びY軸方向に移送する部品移送機構22と、載置された部品40をY軸方向に移送するY軸移送機構24と、加工対象4が載置される載置台26と、加工対象4に対する加圧を行う加圧装置30と、加工対象4が載置される載置台26の載置面を撮影するカメラ装置32と、加圧装置30およびカメラ装置32をX軸方向およびZ軸方向に移動させ、載置面および加工面の撮影を行わせる移送機構28と、を備える。
部品トレイ202−1上には、部品40−1が、図3に例示するように、パレットに配置されて載置される。同様に、部品トレイ202−2上には、部品40−2が、パレットに配置されて載置され、部品トレイ202−3上には、部品40−3が、パレットに配置されて載置される。
載置台26は、加工対象4を構成する3種類の部品40が適切な順番に重ね合わされる載置部260と、X軸と平行な回転軸を中心として加工対象4を電動回転させるX軸ゴニオステージ262と、X軸ゴニオステージ262の+Z側に配置され、Z軸と平行な回転軸を中心として加工対象4を電動回転させるZ軸ゴニオステージ264と、を備える。Z軸ゴニオステージ264の上面は、平面に加工され、加工対象4が載置される載置面を画定する。X軸ゴニオステージ262とZ軸ゴニオステージ264とは、第1と第2のゴニオステージの例である。X軸ゴニオステージ262の回転軸とZ軸ゴニオステージ264の回転軸とは、第1と第2の回転軸の例である。
部品移送機構22は、部品トレイ202−1〜202−3に載置された部品40それぞれを吸着する吸着ツール226と、吸着ツール226をX軸方向に移送するX軸移送機構220と、吸着ツール226をY軸方向に移送するY軸移送機構222と、吸着ツール226をZ軸方向に移送するZ軸移送機構224と、を備える。
移送機構28は、加圧装置30およびカメラ装置32をX軸方向に移送するX軸移送機構280と、これらをZ軸方向に移送するZ軸移送機構282と、を備える。
図4に示すように、加圧装置30は、加工対象4を加圧する加圧ツール300と、加圧ツール300を保持するツールホルダ302と、を備える。加圧ツール300の−Z側に位置し、加工位置においてZ軸ゴニオステージ264の載置面に対向し、加工対象4に押し当てられる底面304は平坦に加工され、加工面を画定する。加工面は、加工対象4を押圧して加工するための加工装置の一部としての機能と平行度調整の対象として傾斜補正装置の一部としての機能を兼ね備える。
図5に示すように、カメラ装置32は、載置面を撮影するカメラ320と、載置面の撮影に用いられる光学系322と、撮影のために載置面に光を当てる照明装置324−1〜324−3と、を備える。
図6は、図1に示した制御装置10の構成を例示する図である。制御装置10は、図6に示すように、オペレータに情報を示す画像を表示し、表示した画像に対する操作を受け入れるグラフィックオペレーションターミナル(GOT)100、周辺回路を含むCPU(Central Procssing Unit)102と、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)およびフラッシュメモリなどの不揮発性メモリを含むメモリ104と、部品移送機構22、Y軸移送機構24およびZ軸移送機構282に電力を供給する電源回路142と、電源回路142を介してこれらの構成要素の動作を制御する移送機構コントローラ140と、カメラ装置32の構成要素の動作を制御するカメラコントローラ144と、載置面と加圧装置30の加工面との傾斜を調整し、加工対象4に対する加圧加工および加熱加工を制御する加工コントローラ146とが、バス120を介して接続されて構成される。制御装置10は、画像処理装置と補正装置の一例である。
以下、加工対象4に含まれる部品40を加工する基本的な方法を説明する。図7に示すように、部品40−1としての半導体パッケージの上に、部品40−2としての半導体チップが重ねられ、さらに、部品40−2の上に、部品40−3としての接続用導線が重ねられる。加圧装置30の加圧ツール300の底面304は、加工対象4の加圧部分42を加圧加工する。
さらに、加圧ツール300の底面304とZ軸ゴニオステージ264の載置面との間、即ち、載置面と加圧面の間に加圧対象を介して、電流が流され、加圧部分42が加熱加工される。これらのような加圧加工および加熱加工により、加圧部分42において部品40−1へ部品40−2,40−3が接着され、部品40−1への部品40−2,40−3の実装が行われ、加工対象4が製造される。
図6に示す制御装置10の加工制御装置106は、移送機構コントローラ140を制御し、電源回路142を介して部品移送機構22のX軸移送機構220、Y軸移送機構222、Z軸移送機構224および吸着ツール226それぞれに電力を供給させ、これらの動作を制御する。まず、加工制御装置106は、部品移送機構22のX軸移送機構220、Y軸移送機構222およびZ軸移送機構224を制御し、吸着ツール226を、部品トレイ202−1に載置された部品40−1の吸着に適した位置に移動させる。吸着ツール226は、部品トレイ202−1に載置された部品40−1のいずれかを吸着し、載置台26のZ軸ゴニオステージ264の載置面に載置する。
次に、加工制御装置106は、吸着ツール226を、部品トレイ202−2に載置された部品40−2の吸着に適した位置に移動させる。吸着ツール226は、部品トレイ202−2に載置された部品40−2のいずれかを吸着し、Z軸ゴニオステージ264の載置面に載置された部品40−1の上に載せる。加工制御装置106は、吸着ツール226を、部品トレイ202−3に載置された部品40−3の吸着に適した位置に移動させる。吸着ツール226は、部品トレイ202−3に載置された部品40−3のいずれかを吸着し、Z軸ゴニオステージ264の載置面に載置された部品40−2の上に載せる。加工制御装置106による以上の制御により、加工対象4が載置面上に構成される。
加工制御装置106は、Y軸移送機構24を制御し、載置台26を、加圧加工および加熱加工に適した位置に移動させる。加工制御装置106は、X軸移送機構280を制御し、加圧装置30をX軸方向に移動させ、加圧装置30を、加工対象4の加圧部分42を正確に加圧できるように位置決めする。
加工制御装置106は、加工コントローラ146を介して、載置台26、Z軸移送機構282および加圧装置30の動作を制御する。加工制御装置106は、画像処理装置108から入力される傾斜の補正方向および補正量を示す補正データに従って、X軸ゴニオステージ262およびZ軸ゴニオステージ264を制御して載置面の傾斜を変更、即ち、補正する。この載置面の傾斜の補正により、Z軸ゴニオステージ264の載置面と、加圧ツール300の底面304とが平行にされる。
加工制御装置106は、Z軸移送機構282を制御し、加圧装置30をZ軸方向に移動させ、底面304に、加工対象4の加圧部分42を加圧させる。加工制御装置106は、加圧部分42への加圧が済むと、加圧装置30を制御して、底面304とZ軸ゴニオステージ264の載置面との間に電流を流させる。即ち、載置面と前記加圧面との間に加工対象を介して電流を流し、この電流によるジュール熱で加圧部分42が加熱され、部品40−1,40−2,40−3は、加圧部分42において接着させられ、実装加工が行われる。
加工対象4への実装加工が繰り返されると、底面304が摩耗したり、部品移送機構22、Y軸移送機構24、X軸移送機構280およびZ軸移送機構282の精度誤差が生じたりする。これらの原因により、加工面と載置面との間の傾斜が、実装加工に求められる精度を超えて平行から外れることがある。加工装置1は、このような場合に、Z軸ゴニオステージ264の載置面の傾きを補正して、平行度を維持する。
以下、補正データの算出方法および載置面の方向の補正方法を説明する。
図6に示す画像処理装置108は、カメラ装置32により載置面の画像を示す画像データを得て、この画像データを解析する。補正処理装置110は、画像データの解析結果に基づいて、X軸ゴニオステージ262およびZ軸ゴニオステージ264に与えるべき補正データを算出する。補正データの算出は、加工対象4の加工内容などに応じた頻度で行われる。
以下、補正データの算出処理に必要な画像処理を説明する。実装加工の繰り返しに起因するZ軸ゴニオステージ264の載置面の摩耗などにより、載置面に微細な傷を含む損傷範囲が生じる。また、載置面と加工面との傾斜により、載置面において微細な傷が生じる位置に偏りが生じる。さらに、加工面との加圧の力が強ければ強いほど、広い範囲に多くの傷が生じ、加工面との加圧の力が弱ければ弱いほど、狭い範囲に少ない傷が生じる。
画像処理装置108は、カメラコントローラ144を介して加圧装置30を制御する。画像処理装置108は、加圧装置30の照明装置324−1〜324−3を制御して、Z軸ゴニオステージ264の載置面を、画像撮影用の光で照明する。
照明装置324−1は、載置面に対して垂直な方向から光を当てる。照明装置324−2は、載置面に対して(−X,+Z)方向から光を当てる。照明装置324−3は、載置面に対して(+X,+Z)方向から光を当てる。照明装置324−1による照明は、例えば、照明光を散乱させる形状の損傷の検出に適する。また、照明装置324−2,324−3による照明は、細長い形状の傷を多く含み、多くの影を生じさせる損傷の検出に適する。
照明装置324−1〜324−3のいずれか、あるいは、これらの2つ以上の組み合わせを載置面の照明に用いるかは、実装加工の繰り返しにより載置面に与えられ得る損傷の種類および程度に応じて選択される。例えば、照明装置324−1により載置面を照明して得られた画像データと、照明装置324−2または照明装置324−3により得られた画像データとを比較して、照明装置324−1〜324−3による照明のうち、最も多くの損傷を検出しうるいずれかが選択される。
画像処理装置108は、カメラ320により鮮明な画像が得られるように、光学系322を制御してピントの補正を行う。画像処理装置108は、カメラ320を制御して載置面を撮影させる。このような撮影により得られた載置面の画像データは、カメラコントローラ144を介して加工制御装置106に出力される。
図8は、部品40の画像から抽出処理される加圧部分42の画像データを例示する図である。画像処理装置108は、カメラ装置32から入力された画像データから、図8に斜線を付して示すように、載置面において予め決められた加圧部分42の範囲に含まれる部分を抽出する。
図9(A)は加圧部分42の範囲に含まれる画像データを例示する図である。図9(B)は加圧部分42の範囲に含まれる画像データの二値化処理を例示する図である。図9(C)は加圧部分42の範囲に含まれる画像の分割を例示する図である。
加工制御装置106は、カメラ装置32により得られた載置面の画像データから、図9(A)に示すように、載置面において予め決められた範囲に対応する加圧部分42の画像データを抽出処理する。なお、図9(A)においては、加圧部分42の範囲において損傷の密度が多い部分が高密度のドットを含む領域として示され、損傷の密度が低い低密度のドットを含む領域として示される。
図9(A)に示された加圧部分42の範囲内の画像データは、図9(B)に示すように、傷を多く含む損傷範囲と、傷を少なく含む非損傷範囲とに二値化され、クラスタリングされる。なお、図9(B)においては、損傷範囲には斜線を付してある。さらに、クラスタリングされた画像データは、図9(C)に示すように、X方向およびY方向にそれぞれ2等分され、加圧部分42の第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4の4つの部分の画像データに分割される。画像処理装置108は、図9(C)に示された加圧部分42の第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4の4つの部分の画像データを、補正処理装置110に出力する。4つの部分の画像データは、部分データの一例である。X方向とY方向に第1の方向と第2の方向の一例である。
上述したとおり、加圧部分42の第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4それぞれにおいて、載置面と加工面との距離が近くなればなるほど、加工面との加圧の力が強くなり、広い面積に多くの傷が生じる。反対に、載置面と加工面との距離が遠ければ遠いほど、加工面との加圧の力が弱くなり、狭い面積に少ない傷が生じる。従って、第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4それぞれにおいて、損傷範囲の占有率が多い部分ほど載置面と加工面との距離が近いと考えられ、損傷範囲の占有率が少ない部分ほど載置面と加工面との距離が遠いと考えられる。
補正処理装置110は、画像処理装置108から入力された図9(C)に示す画像データから、X軸ゴニオステージ262に与えられる補正データαおよびZ軸ゴニオステージ264に与えられる補正データβと、を、以下に説明するように算出処理する。
図10Aは第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4それぞれにおける損傷範囲の占有率(%)を例示する図である。図10Bは第1象限42−1を基準(1)として正規化した第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4それぞれにおける損傷範囲の占有率を例示する図である。図10CはX軸ゴニオステージ262およびZ軸ゴニオステージ264それぞれに与えられる補正データα,βの方向を例示する図である。
図9(A)、図9(B)に示すように、第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4における損傷範囲の占有率がそれぞれ25.5%,29.4%,17.4%,27.8%であり、正規化された損傷範囲が1.00,1.15,0.68,1.09である場合を具体例として考える。この具体例においては、正規化された損傷範囲の占有率が1.15で一番大きい第2象限42−2において最も載置面と加工面との距離が短く、正規化された占有率が1.09の第4象限42−4において次にこの距離が短く、正規化された占有率が1.00の第1象限42−1においてさらにその次にこの距離が短く、正規化された占有率が0.68の第3象限42−3において、最もこの距離が長いことが理解される。
このような場合には、補正処理装置110は、図10Bに示す正規化された損傷範囲の占有率1.00,1.15,0.68,1.09から、下式(1)により、図10Cに示すように補正データαの値を、−0.265°と求める。
(1.09−0.68)/2 − 1.15 = −0.265 ・・・(1)
また、このような場合、補正処理装置110は、Z軸ゴニオステージ264により載置面に与えられるべき補正方向および補正量を示す補正データβを、図10Bに示す損傷範囲の占有率1.15,1.09から、下式(2)により、図10Cに示すように補正データβの値を、−1.12°と求める。
−(1.15+1.09)/2 = −1.12 ・・・(2)
補正処理装置110は、以上説明した補正データα,βを、加工コントローラ146に出力する。加工コントローラ146は、補正データα,βに従って、X軸ゴニオステージ262およびZ軸ゴニオステージ264が載置面の傾斜を変更し、載置面と加工面との間の平行度が、予め決められた範囲のなかに含まれるように補正する。
また、例えば、補正処理装置110は、加圧部分42における損傷範囲の占有率の総和の1/4が、予め決められた範囲を外れたときに、加圧装置30の加圧ツール300が、加工装置1による実装加工の精度を下げるほど摩耗したことを検出できる。この検出のために、例えば、補正処理装置110は、第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4おける損傷範囲の占有率がそれぞれ25.5%,29.4%,17.4%,27.8%の平均値が、下式(3)から、25.00%以上であることを検出する。
(29.4+29.3+25.5+27.8)/4 = 25.025 ・・・(3)
例えば、補正処理装置110は、第1象限42−1、第2象限42−2、第3象限42−3および第4象限42−4における損傷範囲の占有率の平均値が25%以上であるときに、加圧ツール300の摩耗が加工装置1による実装加工の精度を下げないと判断する。従って、画像データから図10Aに示された占有率が得られたときには、補正処理装置110は、オペレータに対して加圧ツール300が摩耗した旨を表示しない。一方、例えば、補正処理装置110は、損傷範囲の占有率の平均値が25%未満のときには、オペレータに対して、GOT100を介して加圧ツール300に正常値を超えた摩耗が生じている旨を表示し、加圧ツール300の交換を促す。
以上説明したように、加工装置1によれば、少ない手間と時間とにより、正確に載置面と加工面との平行度を判断でき、これらの平行度を保つための補正方向および補正量を自動的に算出処理することができ、また、平行度を保つための補正を自動的に行える。即ち、傾斜補正装置として機能しうる。さらに、加工装置1によれば、加圧ツール300の過度の摩耗を確実に検出できるので、加工装置1による実装加工の精度を高く保つことができる。
また、加工面に付着する酸化膜および欠片を除き、常に清浄さを保つために、加工面は、ドレッシングと言われる面に擦り付けられ、削られることがある。載置面に生じる細長い傷の向きは、ドレッシングの刷り付けの方向により影響されるが、適切な照明装置324−1〜324−3の1つ以上またはこれらのうちの2つ以上の組み合わせを選択することにより、最適な載置面の画像が得られる。
[実施の形態2]
次に、本開示の実施の形態2を説明する。図11は、実施の形態2にかかる加工装置5の構成を示す図である。図11に示すように、加工装置5は、加工装置1の加工機構2および制御装置10を、加工機構6および制御装置16に置換した構成を有する。加工機構6は、X軸移送機構280にZ軸ゴニオステージ264の載置面の傾斜を光学的に測定する傾斜計60を配置し、土台200に加圧ツール300の加工面の傾斜を光学的に測定する傾斜計62を配置した構成を有する。
図12は、図11に示した制御装置16の構成を示す図である。図12に示すように、制御装置16は、バス120に、GPU(Graphics Processing Unit)を機械学習用の演算装置として備える学習装置160と、傾斜計60,62により測定された加工面および載置面の角度を示す角度データを受け入れる傾斜計インターフェース(IF)180とを有する。これらは、相互に接続されている。
図13は、加工装置5の制御装置16による学習処理(ステップS10)を示すフローチャートである。図13に示すステップS100において、画像処理装置108は、カメラコントローラ144を介してカメラ装置32から画像データを受け入れ、メモリ104に記憶する。
ステップS102において、学習装置160は、傾斜計60,62により測定された載置面および加工面の傾斜を、傾斜計IF180を介して受け入れ、メモリ104に記憶する。なお、例えば、載置面の傾斜は、載置面の四隅と傾斜計60との距離として定義される。また、例えば、加工面の傾斜は、加工面の四隅と傾斜計62との距離として定義される。
ステップS104において、学習装置160は、ステップS100,S102の処理により得られ、メモリ104に記憶された画像データおよび傾斜データが、機械学習の教師データとして必要とされる最低限の量以上だけ取得されたか否かを判断する。学習装置160は、画像データおよび傾斜データが、機械学習の教師データとして必要とされる最低限の量以上だけ取得されたときには(ステップS104:Yes)、ステップS106の処理に進む。学習装置160は、画像データおよび傾斜データが、機械学習の教師データとして必要とされる最低限の量以上だけ取得されていないときには(ステップS104:No)、ステップS100の処理に戻る。
ステップS106において、学習装置160は、ステップS100,S102の処理において取得された画像データおよび傾斜データを教師データとして用いた機械学習を行い、画像データと、載置面の傾斜データおよび加工面の傾斜データとの相関関係を示す機械学習データを求める。ステップS108において、学習装置160は、ステップS106の処理により得られた機械学習データを、メモリ104に記憶する。
図14は、加工装置5による加工対象4への実装加工処理(ステップS12)を示すフローチャートである。ステップS12の処理は、予め決められた個数の加工対象4への実装加工が行われるごとに実行される。図14に示すように、ステップS120において、加工装置5の画像処理装置108は、Z軸ゴニオステージ264の載置面の画像を撮影して得られた画像データを取得し、補正処理装置110に出力する。ステップS122において、補正処理装置110は、メモリ104に記憶された機械学習データを参照し、ステップS120の処理において得られた画像データに対応する機械学習データを取得する。
ステップS124において、補正処理装置110は、ステップS122の処理において取得した機械学習データに基づいて、即応性情報としての補正データを算出処理する。ステップS126において、補正処理装置110は、載置台26のX軸ゴニオステージ262およびZ軸ゴニオステージ264を制御し、補正データに従って、載置面の傾斜を補正し、載置面と加工面との間の平行度を高める。ステップS128において、加工装置5は、加工対象4への実装加工を行う。
なお、学習装置160は、加工対象4を実装加工するたびにステップS100,S102の処理を行い、画像データおよび傾斜データを、実装加工の間に次第に蓄積してもよい。このように、画像データおよび傾斜データ学習することにより、機械学習データの精度を向上させることができる。また、学習装置160は、制御装置16に接続されたパーソナルコンピュータとして実現されてもよい。
また、ここでは、傾斜計60,62が、これらと載置面および加工面の四隅との距離を測定する場合が例示されたが、傾斜計60,62として、載置面および加工面の2次元的なデータを測定するプロファイルセンサなどを使用することもできる。また、傾斜計60,62を、載置面および加工面の両方を、三次元的に撮影する1台のカメラで置換することもできる。
また、図9(A)〜図9(C)、図10A〜図10Cを参照して説明した補正データの生成処理と、図13、図14に示した補正データの生成処理とを、適宜、組み合わせることができる。例えば、加圧部分42における損傷範囲の占有率の総和の1/4が予め決められた範囲を外れたときに、図13、図14を参照して説明した処理を行い、総和の1/4が予め決められた範囲に含まれている間は、図9(A)〜図9(C)、図10A〜図10Cを参照して説明した処理を行ってもよい。
[実施の形態3]
次に、本開示の実施の形態3を説明する。
図15は、実施の形態3にかかる加工装置7の構成を示す図である。
図15に示すように、加工装置7は、実施の形態2にかかる加工装置5の加工機構2および制御装置16を、加工機構8および制御装置18に置換した構成を有する。加工機構8は、加工機構2のカメラ装置32を、特定の偏光成分を減衰させた光を用いて加工対象4を撮影するカメラ装置34に置換した構成を有する。
図16は、実施の形態3にかかる加工装置7のカメラ装置34の構成を示す図である。図16に示すように、カメラ装置34は、加工装置1などのカメラ装置32の光学系322と照明装置324−1〜324−3との間に、照明装置324−1〜324−3から射出された光を偏光させて光学系322に導く偏光フィルタ装置340を追加した構成を有する。
偏光フィルタ装置340は、照明装置324−1〜324−3からの光を偏光させる偏光フィルタ342と、偏光フィルタ342を移動及び回転するロータリアクチュエータ344とを備える。偏光フィルタ342は、入射光を、例えば、直線偏光或いは楕円偏光などに変換して出力する。ロータリアクチュエータ344は、偏光フィルタ342を支持し、制御装置18の制御に従って、偏光フィルタ342をカメラ320および光学系322の撮影範囲内に移動させ、点線で示すように、偏光フィルタ342を光学系322の光軸に対して直角な面において180°以上、回転させ、また、偏光フィルタ342を撮影範囲外に除くことができる。つまり、ロータリアクチュエータ344が偏光フィルタ342を移動させ、回転させることにより、カメラ装置34のカメラ320は、任意の方向に偏光させられた光、または、偏光させられていない光で加工対象4を撮影することができる。
図17は、図15に示した制御装置18の構成を示す図である。図17に示すように、制御装置18は、図12に示した制御装置16のカメラコントローラ144を、カメラ装置34のロータリアクチュエータ344の制御が可能なカメラコントローラ148に置換し、画像処理装置108を、加工対象4の画像に生じたノイズを抑制するさらに行う画像処理装置112に置換した構成を有する。
以下、加工装置7の制御装置18の画像処理装置112によるノイズ抑制処理を説明する。図18(A)は、カメラ装置34が、表面に欠陥がある加工対象4を、偏光させられていない光を用いて撮影して得られた画像440を例示する図である。図18(B)は、カメラ装置34により特定の方向に偏光させられた光を用いて撮影され、ノイズ448を含む加工対象4の画像442を例示する図である。図18(C)は、カメラ装置34により図18(B)に示した方向以外に偏光させられた光を用いて撮影され、ノイズ448を含まない加工対象4の画像444を例示する図である。図18(D)は、画像442,444を合成処理して得られる画像446を例示する図である。図18(E)は、第1〜第4象限446−1〜446−4に分割され、二値化された画像446を例示する図である。
カメラ装置34が表面に欠陥がある加工対象4を撮影すると、図18(A)に示すように、加工対象4の表面に欠陥を含む画像が得られる。一方、カメラ装置34が表面に欠陥がない加工対象4を撮影すると、加工対象4の表面に欠陥を含まない画像が得られるはずである。しかしながら、加工装置7において、カメラ装置34が、偏光フィルタ342により特定の方向に偏光させられた光を用いて加工対象4を撮影すると、周囲の物体により乱反射された光の影響を受けることがある。このようなときには、図18(B)に示すように、実際には表面に欠陥が生じていない加工対象4に、あたかも欠陥が生じているかのようなノイズ448を含む画像が得られることがある。
一方、偏光フィルタ342が光に与える偏光の方向によっては、カメラ320は乱反射された光の影響を受けず、図18(C)に示すように、画像444に、乱反射によるノイズ448が生じない。このように、偏光フィルタ342による偏光の方向を変化させることにより、加工対象4の画像444に生じるノイズ448を抑制できることがある。
図18(A)に示した画像440は、図18(B)、図18(C)に示した画像442,44の重ね合わせであるとも考えることができ、また、周知のように、画像は多数の画素から構成される。従って、制御装置18の画像処理装置112が、画像442,444を合成処理し、これらに共通に含まれる画素のみを取り出すことにより、図18(D)に示すように、画像442からノイズ448を取り除いた画像446を得て、さらに、図18(E)に示すように第1〜第4象限に分割し、二値化することができる。なお、この合成処理により、加工対象4の画像にブランクの部分、あるいは、色が薄い部分が生じたときには、加工対象4のこのような部分に欠陥が生じていると判断することができる。
図19は、加工装置7の制御装置18による学習処理(ステップS20)を示すフローチャートである。図19に示すステップS160において、カメラコントローラ148は、ロータリアクチュエータ344を制御し、カメラ320および光学系322の撮影範囲外に偏光フィルタ342を移動させ、照明装置324−1〜324−3から射出された光を偏光させずに光学系322に導く。
カメラコントローラ148は、さらに、カメラ320を制御して、偏光フィルタ342が使用されていない状態で加工対象4を撮影し、図18(A)に示した画像440の画像データを取得し、メモリ104に記憶する。学習装置160は、傾斜計60,62により測定された載置面および加工面の傾斜を示す傾斜データを、傾斜計IF180を介して受け入れ、画像440と対応づけてメモリ104に記憶する。
ステップS202において、カメラコントローラ148は、ロータリアクチュエータ344を制御し、偏光フィルタ342を撮影範囲内に移動させて回転させ、照明装置324−1〜324−3から射出された光を、例えば、0°,45°,90°,135°の4種類の角度に偏光させる。カメラコントローラ148は、カメラ320を制御して、偏光フィルタ342により0°,45°,90°,135°の4種類の角度に偏光させられた光それぞれを用いて加工対象4を撮影し、図18(B)、図18(C)に示したような4種類の画像442,444の画像データを取得する。学習装置160は、これら4種類の画像データを、ステップS200において得られた画像データおよび傾斜データと対応づけてメモリ104に記憶する。
ステップS204において、画像処理装置112は、ステップS200の処理において取得された画像440と、ステップS202の処理において取得された4種類の画像442,444の画像データを合成処理し、4種類の画像の全てに含まれる画素のみを含む画像データを生成する。学習装置160は、合成処理により得られた画像データを、ステップS200,S202の処理により得られた画像データおよび傾斜データと対応づけてメモリ104に記憶する。
ステップS206において、学習装置160は、ステップS200〜ステップS204の処理により、機械学習の教師データとして必要とされる量の画像データなどが得られたか否かを判断する。制御装置18は、機械学習の教師データとして必要とされる量の画像データなどが得られたとき(ステップS206:Yes)にはステップS208の処理に進み、機械学習の教師データとして必要とされる量の画像データなどが得られていないとき(ステップS206:No)にはステップS200の処理に戻る。
ステップS208において、学習装置160は、ステップS200〜ステップS204の処理において取得された画像データおよび傾斜データを用いて、図13に示したステップS106においてと同様な機械学習を行い、画像データと、載置面の傾斜データおよび加工面の傾斜データとの相関関係を示す機械学習データを求める。ステップS170において、学習装置160は、ステップS208の処理により得られた機械学習データを、メモリ104に記憶する。
図20は、加工装置7による加工対象4への実装加工処理(ステップS24)を示すフローチャートである。ステップS24の処理は、予め決められた個数の加工対象4への実装加工が行われるごとに実行される。図20に示すように、ステップS240において、加工装置7の画像処理装置112およびカメラコントローラ148は、偏光させられていない光を用いて加工対象4の画像データを取得し、補正処理装置110に出力する。
ステップS242において、補正処理装置110は、メモリ104に記憶された機械学習データを参照し、ステップS240の処理において得られた画像データに対応する機械学習データを取得する。
ステップS244において、補正処理装置110は、ステップS242の処理において取得した機械学習データに基づいて、図14に示したステップS124の処理においてと同様に、即応性情報としての補正データを算出処理する。
ステップS246において、加工装置7は、画像検査処理を実行する。
ステップS248において、補正処理装置110は、図14に示したステップS124,S126の処理においてと同様に、載置台26のX軸ゴニオステージ262およびZ軸ゴニオステージ264を制御し、補正データに従って、載置面の傾斜を補正し、載置面と加工面との間の平行度を高める。さらに、加工装置7は、加工対象4への実装加工を行う。
図21(A)は、図9(A)に示した加圧部分42の画像に対応し、散乱光などの影響により、あたかも実際には存在しない欠陥が表面にあるかのように撮影された加工対象4の画像440を例示する図である。図21(B)は、図21(A)に示した画像を二値化した画像250を示す図である。図21(C)は、第1〜第4象限450−1〜450−4に分割された画像450を示す図である。
以上説明したように、加工装置7においては、図21(A)に示したようにノイズ448を含む加工対象4の画像440から、図21(B),図21(C)に示すような実際には存在しないノイズ448の影響を排除した実装加工を行うことができる。従って、加工装置7によれば、加工装置5よりも、加工対象4へのより高い加工精度が得られる。
[実施の形態4]
次に、本開示の実施の形態4を説明する。図22は、本開示の実施の形態4にかかる加工装置9の構成を示す図である。図1などに示した加工装置1は、半導体チップのパッケージだけでなく、人工衛星向け太陽電池セル等の接合部材を加工対象とすることもできる。つまり、加工装置1は、適切な変形により、実施の形態1において説明したようにボンディング装置として用いられるだけでなく、このような接合部材を抵抗溶接する抵抗溶接機としても用いられ得る。
図22に示すように、実施の形態4にかかり、加工装置1を変形して得られる加工装置9は、図1に示した加工装置1の加圧装置30を、抵抗溶接機に適した抵抗溶接ヘッド70に置換した構成を有する加工機構90を備える。さらに、加工装置9においては、さらに、図6に示した加工装置1の制御装置10の加工コントローラ146の動作が、抵抗溶接ヘッド70を制御するように変更される。
図23は、図22に示した抵抗溶接ヘッド70の構成を示す図である。図23に示すように。抵抗溶接ヘッド70は、加工対象4に圧接し、溶接用の電流Iaを流すパラレルギャップ電極700−1,700−2と、パラレルギャップ電極700−1,700−2を保持する電極ホルダ702−1,702−2と、パラレルギャップ電極700−1,700−2を、加工対象4の微少な凹凸に追従させる微小加圧追従機構704と、パラレルギャップ電極700−1,700−2の高さを調節し、加工対象4への加圧の圧力を調整する加圧高調整機構706とを備える。なお、パラレルギャップ電極700−1,700−2が接触する加工対象4の部品44−3により加工面が画定される。
図23において、加工対象4は、前述のように、太陽電池セルの接合部材であり、例えば、部品401は太陽電池セルのパッケージ、部品402−1〜402−3は、パッケージ401の上に配置された太陽電池セル或いは電極パッド、部品403−1〜403−3は、接続用導線である。
図24は、図22に示した抵抗溶接ヘッド70が図2に示した加工対象4の部品403−2,403−2に電流Iaを流す様子を示す図である。図24に示すように、加工コントローラ146が、加圧高調整機構706を制御し、パラレルギャップ電極700−1,700−2を、加工対象4の部品402−2,403−2に電流を流すために適した位置に位置決めする。
さらに、加工コントローラ146は、位置決めされたパラレルギャップ電極700−1,700−2の間に電圧を印加し、図24に点線で示すように、電流Iaを、部品403−2,402−2に流す。即ち、パラレルギャップ電極700−1,700−2の当接面に相当する複数の加圧面の間に加工対象を介して電流Iaを流す。電流Iaが流れると、部品402−2,403−3に熱が発生し、これら同士が溶着し、接合強度および導通強度が確保される。なお、部品402−1と403−1、402−3と403−3に同様の処理を行ってもよい。
以上本開示の実施の形態1〜4を説明したが、本開示は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、実施形態1から3の加工装置1,5,7により太陽電池パネルを加工してもよく、実施形態4の加工装置9により半導体装置を加工してもよい。さらに、加工対象は、半導体装置と太陽電池パネルに限定されず、圧接或いは熱溶接の対象物であれば、何でもよい。加工対象の材質は、金属、半導体、樹脂等でもよい。
加圧対象に電流を流して接合する例を示したが、電流を流さなくてもよい。この開示は、2つの部材を圧力のみ、圧力と熱、圧力と電流、圧力と熱と電流により接合、溶接等する場合に広く適用可能である。
加圧対象が載置される載置面を有する載置台の構成、加圧対象を加圧する加圧面を有する加圧装置の構成、加圧対象を搬送する部品移送の機構の構成なども適宜変更可能である。
本開示のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、請求の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
本出願は、2019年5月28日に出願された、日本国特許出願特願2019−99267号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願2019−99267号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
1,5,7,9 加工装置、 2,6,8,90 加工機構、 4 加工対象、 10,16,18 制御装置、 14 ケーブル、 22 部品移送機構、 24 Y軸移送機構、 26 載置台、 28 移送機構、 30 加圧装置、32,34 カメラ装置、 40 部品、 42 加圧部分、 60,62 傾斜計、 100 GOT、 102 CPU、 104 メモリ、 106 加工制御装置、 108,112 画像処理装置、 110 補正処理装置、 120 バス、 140 移送機構コントローラ、 142 電源回路、 144,148 カメラコントローラ、 146 加工コントローラ、 160 学習装置、 180 傾斜計IF、 200 土台、 202 部品トレイ、 220 X軸移送機構、 222 Y軸移送機構、 224 Z軸移送機構、 260 載置部、 262 X軸ゴニオステージ、 264 Z軸ゴニオステージ、 280 X軸移送機構、 282 Z軸移送機構、 224,282 Z軸移送機構、 300 加圧ツール、 302 ツールホルダ、 304 底面、 32 カメラ装置、 320 カメラ、 322 光学系、 324 照明装置、 340 偏光フィルタ装置、 342 偏光フィルタ、 344 ロータリアクチュエータ、 401,402,403 部品、440,442,444,446 画像、 448 ノイズ、 70 抵抗溶接ヘッド、 700 パラレルギャップ電極、702 電極ホルダ、 704 抵抗溶接ヘッド、706 加圧高調整機構。
上記課題を解決するために、実施の形態にかかる傾斜補正装置は、加工対象が載置される載置面と、載置された加工対象を加工する加工面と、載置面を撮影して、載置面の画像の画像データを生成するカメラ装置と、画像データを処理し、載置面と加工面との傾斜を補正する補正方向および補正量を求める画像処理装置と、求められた補正方向および補正量に従って、載置面および加工面の少なくとも一方の傾斜を変更し、載置面および加工面の傾斜を、予め決められた範囲内に補正する補正装置と、を備え、画像データは、加工面による加圧によって生じた載置面の上の傷を含む

Claims (17)

  1. 加工対象が載置される載置面と、
    前記載置面に載置された前記加工対象を加圧して加工する加工面と、
    前記載置面を撮影して、前記載置面の画像の画像データを生成するカメラ装置と、
    前記画像データを処理し、前記載置面と前記加工面との傾斜を補正する補正方向および補正量を求める画像処理装置と、
    求められた前記補正方向および前記補正量に従って、前記載置面および前記加工面の少なくとも一方の傾斜を変更し、前記載置面および前記加工面の傾斜を、予め決められた範囲内に補正する補正装置と、
    を備える傾斜補正装置。
  2. 前記カメラ装置は、
    照明装置と、
    前記照明装置から射出された光を、複数の角度で偏光させる偏光フィルタ装置と、
    前記複数の角度で偏光させられた光を用いて、複数の画素を含む前記載置面の画像の画像データを生成するカメラと、
    を備え、
    前記画像処理装置は、前記複数の角度で偏光させられた光を用いて生成された複数の画像に共通に含まれる画素のみを含む画像に基づいて補正方向および補正量を求める、
    請求項1に記載の傾斜補正装置。
  3. 前記補正方向および前記補正量を学習し、前記学習の結果に基づいて前記補正方向および前記補正量を求める学習装置をさらに備え、
    前記補正装置は、学習の結果として求められた前記補正方向および前記補正量に従って、前記載置面および前記加工面の少なくとも一方の傾斜を変更する、
    請求項1または2に記載の傾斜補正装置。
  4. 前記学習装置は、教師データを用いて前記補正方向および前記補正量を学習する、
    請求項3に記載の傾斜補正装置。
  5. 前記補正装置は、前記載置面および前記加工面の傾斜を補正して平行にする、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の傾斜補正装置。
  6. 前記画像処理装置は、
    前記載置面において、前記加工面により加圧された範囲に含まれる画像データを抽出する抽出処理と、
    抽出された前記範囲に含まれる画像データから、前記載置面と前記加工面との傾斜を補正する補正方向および補正量を算出する算出処理と、
    を行う請求項1から5のいずれか1項に記載の傾斜補正装置。
  7. 前記画像処理装置は、
    前記算出処理において、
    抽出された前記範囲の画像データを、前記範囲における複数の領域それぞれに対応する部分データに分割し、
    前記複数の領域の領域それぞれの部分データに基づいて、前記補正方向および前記補正量を算出する、
    請求項6に記載の傾斜補正装置。
  8. 前記画像処理装置は、
    前記抽出処理において、矩形の前記範囲に含まれる画像データを抽出し、
    前記算出処理において、
    矩形の前記範囲を、第1の方向および第2の方向にそれぞれ2等分した4つの部分の前記部分データに分割し、
    4つの前記部分データそれぞれが示す前記加工面により加圧された面積を比較して、前記補正方向を算出する、
    請求項7に記載の傾斜補正装置。
  9. 前記画像処理装置は、4つの前記部分データそれぞれが示す前記加工面により加圧された面積に基づいて、前記補正量を算出する、
    請求項8に記載の傾斜補正装置。
  10. 前記補正装置は、
    前記載置面の外にある第1の回転軸を中心に前記載置面を回転させる第1のゴニオステージと、
    前記載置面の外にあり、前記第1の回転軸とは異なる第2の回転軸を中心に前記載置面を回転させる第2のゴニオステージと、
    を備え、
    算出された前記補正方向および前記補正量に従って、前記第1のゴニオステージおよび前記第2のゴニオステージの少なくとも一方に、前記載置面を回転させる、
    請求項1から9のいずれか1項に記載の傾斜補正装置。
  11. 前記第1の回転軸と前記第2の回転軸とは直交する、
    請求項10に記載の傾斜補正装置。
  12. 請求項1から11のいずれか1項に記載の傾斜補正装置と、
    前記傾斜補正装置により前記載置面と前記加工面の傾斜が補正された状態で、前記載置面と前記加工面とで加工対象を加工する加工機構と、
    を備える加工装置。
  13. 前記載置面には、半導体パッケージと、半導体チップと、導線とが、重ねて配置され、
    前記加工機構は、前記導線と前記半導体チップと前記半導体パッケージとを、前記加工面により前記載置面に向けて加圧する、
    請求項12に記載の加工装置。
  14. 前記載置面には、太陽電池セルのパッケージと、太陽電池セル又は電極パッドと、導線とが、重ねて配置され、
    前記加工機構は、前記導線と太陽電池セル又は電極パッドと前記太陽電池セルのパッケージとを、前記加工面により前記載置面に向けて加圧する、
    請求項12に記載の加工装置。
  15. 前記加工機構は、前記加工対象に電流を流して加熱加工する抵抗溶接ヘッドを含む、
    請求項12、13又は14に記載の加工装置。
  16. 前記抵抗溶接ヘッドは、加工対象を加圧する1つの加圧面を備え、前記載置面と前記加圧面との間に前記加工対象を介して電流を流し、或いは、複数の加圧面を備え、複数の加圧面の間に前記加工対象を介して電流を流す、
    請求項15に記載の加工装置。
  17. 加工対象が載置される載置面を撮影して、前記載置面の画像の画像データを生成し、
    前記画像データに基づいて、前記載置面と、載置された前記加工対象を加工する加工面と、の傾斜を補正する補正方向および補正量を求め、
    求められた前記補正方向および前記補正量に従って、前記載置面および前記加工面の少なくとも一方の傾斜を補正する、
    傾斜補正方法。
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