JP2007129130A - 部品実装装置および部品実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック実装のため３次元部品実装動作を効率よく行うことができる部品実装装置および部品実装方法を提供することを目的とする。
【解決手段】基板に設けられた部品積層区画内の複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装するスタック実装において、１つの部品積層区画内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始する。これにより、実装ヘッドにおける実装高さの変更や塗布ヘッドにおける塗布高さの変更の頻度を極力少なくすることができ、スタック実装における３次元部品実装動作を、効率よく行うことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、基板に設けられた部品積層区画内の複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装する部品実装装置および部品実装方法に関するものである。

電子機器の製造分野においては、半導体チップを基板などのワークに実装する部品実装作業が行われる。この部品実装作業においては、半田バンプなどの接続用電極が形成された半導体チップを部品供給部から取り出して基板に移送搭載する移載動作と、搭載された半導体チップの接続用電極を基板の回路電極と接合する接合動作とが行われる。このような部品実装作業を行う装置として、従来より部品供給部から半導体チップを取り出して上下反転する部品反転機構と、部品反転機構から受け渡された半導体チップを基板に搭載する搭載ヘッドとを備えた部品実装装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
特許第３０９７５１１号公報

ところで近年電子機器の小型化・高機能化の進展に伴い、電子機器に組み込まれる実装基板の実装密度を更に高密度化することが求められている。このような高密度実装に対応するための実装形態として、複数の半導体チップを積層して実装したいわゆるスタック実装が採用されるようになっている。このようなスタック実装においては、基板上に直接実装された半導体チップの上にさらに半導体チップを積み重ねて立体的に実装する３次元実装動作が必要となるため、従来の平面的な実装動作と比較して、作業動作効率を向上させる上で考慮すべき要因がより複雑になる。

しかしながら、上述の特許文献例に示す部品実装装置を含めて従来装置による部品実装動作は、基板上に半導体チップを平面的に移送搭載する形態を対象としているため、上述のような３次元実装動作を要するスタック実装には必ずしも適していなかった。このため、スタック実装のため３次元部品実装動作を効率よく行うことができる部品実装装置および部品実装方法が望まれていた。

そこで本発明は、スタック実装のため３次元部品実装動作を効率よく行うことができる部品実装装置および部品実装方法を提供することを目的とする。

本発明の部品実装装置は、基板に設けられた部品積層区画内の複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装する部品実装装置であって、前記基板を保持する基板保持部と、前記部品を部品保持ノズルによって保持する実装ヘッドと、前記実装ヘッドを前記基板保持部に対して相対的に移動させる実装ヘッド移動機構と、前記実装ヘッド移動機構を制御することにより前記複数の部品積層位置に第１階層から最終階層までの部品を順次積層して実装する部品積層制御部とを備え、前記部品積層制御部は、前記部品積層区画内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始するように、前記実装ヘッド移動部を制御する。

本発明の部品実装方法は、基板に設けられた部品積層区画内の複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装する部品実装方法であって、部品保持ノズルによって前記部品を保持した実装ヘッドを前記基板に対して相対的に移動させ、前記複数の部品積層位
置に第１階層から最終階層までの部品を順次積層して実装する部品積層作業において、前記部品積層区画内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始する。

本発明によれば、部品積層区画内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始することにより、スタック実装のため３次元部品実装動作を効率よく行うことができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の部品実装装置の正面図、図２は本発明の一実施の形態の部品実装装置の実装対象となる基板の説明図、図３は本発明の一実施の形態の部品実装装置によって行われるスタック実装の説明図、図４は本発明の一実施の形態の部品実装装置の制御系の構成を示すブロック図、図５は本発明の一実施の形態の部品実装装置によるスタック実装のフロー図、図６、図７は本発明の一実施の形態の部品実装方法の工程説明図である。

まず図１を参照して、部品実装装置の構造を説明する。図１において、Ｘ軸テーブル１Ｘ，Ｙ軸テーブル１Ｙを積層した構成の移動テーブル１上には、保持プレート２が装着されている。保持プレート２の上面には、部品供給部３および基板保持部４が配設されている。部品供給部３はトレイ保持部３ａを備えており、トレイ保持部３ａ上には複数の電子部品６（部品）を収納した部品トレイ５が保持される。基板保持部４は保持テーブル４ａを備えており、保持テーブル４ａ上には電子部品６が実装される基板１０が保持されている。移動テーブル１を駆動することにより、部品供給部３および基板保持部４は水平移動する。

移動テーブル１の上方には、縦フレーム１１によって両端を支持されたテーブル機構１２が水平方向に架設されている。テーブル機構１２には、昇降機構１４を備えた実装ヘッド１３が水平移動自在に装着されている。実装ヘッド１３は電子部品６を保持する部品保持ノズル１３ａを備えており、昇降機構１４および水平移動機構（図示省略）より成る実装ヘッド移動機構１５によって、部品供給部３および基板保持部４に対して相対的に移動する。これにより、実装ヘッド１３は部品供給部３から電子部品６を取り出し、基板保持部４に保持された基板１０に実装する。なお、実装ヘッド１３に、実装の際に電子部品を加熱する加熱機構を設けてもよい。

部品供給部３の上方には、水平なノズル交換テーブル１６ａ上に複数種類の部品保持ノズル１３ａを保持させた構成のノズル交換部１６が配設されている。ノズル交換テーブル１６ａは、ノズル交換テーブル移動機構１７によって昇降・水平移動可能となっており、実装ヘッド１３がノズル交換テーブル１６ａに対してアクセスすることにより、実装ヘッド１３に装着された既装着の部品保持ノズル１３ａと、ノズル交換テーブル１６ａに保持された部品保持ノズル１３ａとを交換することができる。

テーブル機構１２には、昇降機構１９を備えた塗布ヘッド１８が水平移動自在に装着されている。塗布ヘッド１８は樹脂接着剤を塗布するための塗布ニードル１８ａを下端部に備えており、昇降機構１９および水平移動機構（図示省略）より成る塗布ヘッド移動機構２０によって、基板保持部４に対して相対的に移動する。これにより、実装ヘッド１３による電子部品６の実装に先だって、基板１０に部品固定用の樹脂接着剤を塗布する。

基板保持部４の斜め上方には、撮像部２１が配設されている。撮像部２１はカメラ２３
をカメラ移動機構２２によって水平方向に進退させ、さらに昇降させる構成となっている。カメラ２３を基板保持部４に保持された基板１０の上方に進出させて撮像することにより、基板１０における部品搭載位置、さらには既実装の電子部品の上面の部品搭載位置を認識することができる。なお、カメラ２３を昇降させる代わりに、基板保持部４を昇降させるような機構を設けてもよい。

次に、図２を参照して、実装対象となる基板１０について説明する。図２（ａ）に示すように、電子部品が単体で実装される通常部品実装位置１０ｃと、複数の部品積層位置１０ａが集合した部品積層区画１０ｂが複数設けられている。部品積層位置１０ａには、複数の電子部品６が積層して実装される。図２（ｂ）は１つの部品積層区画１０ｂにおける基板１０の断面を示しており、基板１０には各部品積層位置１０ａ毎に電子部品接続用の電極３０が形成されている。すなわち、この部品実装装置は、基板１０に設けられた部品積層区画１０ｂ内の複数の部品積層位置１０ａに、電子部品６を階層毎に順次積層して実装する機能を有している。

各部品積層位置１０ａには、図３に示すように、第１の電子部品６Ａ，第２の電子部品６Ｂが積層して実装される。第１の電子部品６Ａ，第２の電子部品６Ｂには、それぞれ下面にバンプ３１、バンプ３３が、上面に電極３２、電極３４が設けられており、部品供給部３において部品トレイ５に収納された状態で供給される。第１の電子部品６Ａ、第２の電子部品６Ｂを積層して実装するスタック実装においては、基板１０にはまず第１階層の第１の電子部品６Ａがバンプ３１を電極３０に接合することにより実装され、さらに第１の電子部品６Ａの上面の電極３２にバンプ３３を接合することにより、第２の電子部品６Ｂが第１の電子部品６Ａ上に実装される。なお、積層の最上階層となる電子部品の上面には電極を設けなくてもよい。

次に図４を参照して制御系の構成を説明する。図４において、制御部４０はＣＰＵを備えた演算装置であり、記憶部４１に格納された処理プログラムやデータを用いて、以下に説明する各部を制御する。記憶部４１には、一般の部品実装装置の機能を実行するためのプログラム・データの他、基板１０を対象としてスタック実装を実行するための部品積層プログラム４１ａ、部品積層データ４１ｂが格納されている。

部品積層データ４１ｂには、基板１０における部品積層位置１０ａの配置を示す部品積層位置データや、複数の部品積層位置を対象とする場合の部品搭載順序を示すシーケンスデータ、各階層における部品実装高さを示す実装高さデータなどが含まれる。すなわち、制御部４０が部品積層データ４１ｂを用いて部品積層プログラム４１ａを実行することによって実現される機能は、実装ヘッド移動機構１５を制御することにより複数の部品積層位置１０ａに第１階層から最終階層までの部品を順次積層して実装する部品積層制御部となっている。

認識処理部４２は、カメラ２３による撮像結果を認識処理する。これにより、基板１０が基板保持部４に保持された状態において、基板１０を撮像した撮像データを認識処理部４２によって認識処理することにより、各部品積層位置１０ａ毎に電極３０の位置を認識することができる。さらに基板１０に第１の電子部品６Ａが実装された状態においてカメラ２３によって部品積層位置１０ａを撮像した撮像データを認識処理部４２によって認識処理することにより、各部品積層位置１０ａ毎に電極３２の位置を認識することができる。したがって、カメラ２３および認識処理部４２は、基板１０もしくは既実装の部品において次の階層の部品が搭載される部品搭載位置を認識する認識手段となっている。

実装駆動部４３は、制御部４０によって制御され、実装ヘッド１３、実装ヘッド移動機構１５を駆動する。これにより、電子部品６を部品供給部３から取り出して基板１０に実
装するスタック実装動作が実行される。このとき、上述の認識手段による位置認識結果が参照される。塗布駆動部４４は、制御部４０によって制御され、塗布ヘッド１８、塗布ヘッド移動機構２０を駆動する。これにより、基板１０の各部品積層位置１０ａまたは既実装の電子部品６の上面へ部品接着用の樹脂接着剤を塗布する樹脂塗布動作が実行される。すなわち、塗布ヘッド１８、塗布ヘッド移動機構２０は、部品搭載位置に樹脂を塗布する樹脂塗布手段となっている。

撮像駆動部４５は制御部４０によって制御され、カメラ移動機構２４を駆動する。これにより、カメラ２３を基板１０上へ移動させて撮像視野を認識対象に合わせる視野移動とともに、認識対象面の高さに応じてカメラ２３を昇降させてカメラ２３の焦点を撮像対象面に合わせる合焦動作が行われる。

ノズル交換駆動部４６は制御部４０によって制御され、ノズル交換テーブル移動機構１７を駆動する。これにより、実装ヘッド１３に装着された既装着の部品保持ノズル１３ａを、ノズル交換テーブル１６ａ上に収納された交換用の部品保持ノズル１３ａと交換することができ、階層毎に異種の電子部品を実装対象とする必要がある場合においては、部品保持ノズル１３ａを部品種類に応じて交換できるようになっている。すなわち、ノズル交換駆動部４６、ノズル交換テーブル移動機構１７、ノズル交換部１６は、実装ヘッド１３において部品保持ノズル１３ａを、保持対象とする部品に応じて交換するノズル交換手段となっている。

この部品実装装置は上記のように構成されており、以下、この部品実装装置によって基板１０に電子部品を積層して実装するスタック実装動作について、図５のフローに則して、図６，図７を参照して説明する。図５において、スタック実装が開始されると、まず記憶部４１から部品積層データ４１ｂを読み込む（ＳＴ１）。次いで、基板１０を搬入して基板保持部４に保持させる（ＳＴ２）。次いで、部品積層データ４１ｂのシーケンスデータを参照して、予め指定された最初の部品積層区画１０ｂを対象としてスタック実装が行われる。

まず、この部品積層区画１０ｂを対象とした第１階層の部品実装が実行される。すなわち図６（ａ）に示すように、当該部品積層区画１０ｂ内の複数の部品積層位置１０ａのうち、シーケンスデータによって指定される最初の部品積層位置１０ａの部品搭載位置（ここでは基板１０表面の電極３０形成位置）へ塗布ニードル１８ａを移動させて樹脂３５を塗布する（ＳＴ３）。

そして１つの部品積層位置１０ａの部品搭載位置への樹脂塗布を終える都度、この部品積層位置１０ａが当該階層での最後の部品積層位置１０ａか否かを判定する（ＳＴ４）。ここでＮＯであれば、図６（ｂ）に示すように、塗布ニードル１８ａを次の部品積層位置１０ａの部品搭載位置へ移動させて（ＳＴ５）、（ＳＴ３）の樹脂塗布を反復する。そして（ＳＴ４）で当該部品積層位置１０ａが当該階層での最後の部品積層位置１０ａであると判定されたならば、部品搭載動作へ移行する。

すなわち図６（ｃ）に示すように、当該部品積層区画１０ｂ内の複数の部品積層位置１０ａのうち、シーケンスデータによって指定される最初の部品積層位置１０ａへ部品保持ノズル１３ａを移動させて、この部品積層位置１０ａの部品搭載位置へ第１の電子部品６Ａを搭載し（ＳＴ６）、１つの部品積層位置１０ａへの部品搭載を終える都度、この部品積層位置１０ａが当該階層での最後の部品積層位置１０ａか否かを判定する（ＳＴ７）。ここでＮＯであれば、図６（ｄ）に示すように、部品保持ノズル１３ａを次の部品積層位置１０ａの部品搭載位置へ移動させて（ＳＴ８）、（ＳＴ６）の部品搭載動作を反復する。

そして（ＳＴ７）で当該部品積層位置１０ａが、当該階層での最後の部品積層位置１０ａであると判定されたならば、図６（ｅ）に示すように、この部品積層区画１０ｂを対象とした第１階層［１］のスタック実装動作を終了する。次いで当該部品積層区画で最終階層であるか否かを判断する（ＳＴ９）。ここでＮＯであれば、次の階層を対象とした部品塗布および部品搭載が行われる（ＳＴ１１）。

すなわち、図７に示すように、（ＳＴ３）〜（ＳＴ７）の作業動作が次の階層を対象として反復実行される。図７では、第２階層［２］を対象として第１の電子部品６Ａ上に、第２の電子部品６Ｂを実装するために行われる樹脂塗布動作および部品搭載動作を示している。このとき、記憶部４１に記憶された部品積層データ４１ｂを参照することにより、塗布ヘッド１８による樹脂塗布に際しては塗布ニードル１８ａによる塗布高さが、また実装ヘッド１３による部品搭載においては部品保持ノズル１３ａによる実装高さが、第２階層［２］に対応した高さに切り替えられる。そして（ＳＴ９）において、当該部品積層区画で最終階層であると判断されたならば、図７（ｅ）に示すように、１つの部品積層区画１０ｂを対象として、部品積層位置１０ａに第１の電子部品６Ａ、第２の電子部品６Ｂを積層して実装するスタック実装が完了する。

次いで、上述のスタック実装が行われた部品積層区画が、当該基板１０で最終の部品積層区画であるか否かを判断する（ＳＴ１０）。ここで、ＮＯであるならば、次の部品積層区画１０ｂを対象としたスタック実装動作が行われる（ＳＴ１２）。すなわち、（ＳＴ３）〜（ＳＴ９）までの作業動作が当該部品積層区画を対象として反復実行される。そして（ＳＴ１０）において、当該部品積層区画が当該基板で最後の部品積層区画であると判断されたならば、当該基板１０を対象としたスタック実装動作を終了する。

すなわち、本実施の形態に示すスタック実装動作においては、前述の部品積層制御部は、部品積層区画１０ｂ内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始するように、実装ヘッド移動機構１５を制御するようにしている。

なお上述のスタック実装動作例においては、実装ヘッド１３によって部品搭載位置に部品を搭載する部品搭載動作に加えて、塗布ヘッド１８によって部品搭載位置に樹脂を塗布する樹脂塗布動作を実行する例を示したが、高度の部品搭載位置精度が必要とされる場合には、カメラ２３によって部品搭載位置を撮像して位置認識を行う。また階層が移行する際に電子部品の種類が変更され、電子部品の種類に応じた部品保持ノズル１３ａを用いる必要がある場合には、階層移行時に実装ヘッド１３をノズル交換部１６にアクセスさせ、部品保持ノズル１３ａを交換する。

すなわちスタック実装における部品実装動作は、部品搭載動作に加えて、認識手段によって部品搭載位置を認識する認識動作と、樹脂塗布手段によって部品搭載位置に樹脂を塗布する樹脂塗布動作と、ノズル交換手段によって部品保持ノズルを次の階層の部品に応じて交換するノズル交換動作のうちの少なくともいずれかを含む形態となっている。

このように、複数の半導体チップを積層して実装するスタック実装において、同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始することにより、実装ヘッドにおける実装高さの変更や塗布ヘッドにおける塗布高さの変更の頻度を極力少なくすることができ、スタック実装における３次元部品実装動作を、効率よく行うことができる。

特に、樹脂塗布動作を含む場合には、実装ヘッドと塗布ヘッドを交互に退避・位置決め
するのと比較して、位置決めによる動作時間を短縮することができる。また、ノズル交換動作を含む場合には、電子部品の種類に応じてノズル交換をするようなときに、１つの電子部品ごとにノズルを交換するのと比較して、ノズル交換による動作時間を短縮することができる。

本発明の部品実装装置および部品実装方法は、スタック実装のため３次元部品実装動作を効率よく行うことができるという効果を有し、基板に設けられた複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装する用途に利用可能である。

本発明の一実施の形態の部品実装装置の正面図 本発明の一実施の形態の部品実装装置の実装対象となる基板の説明図 本発明の一実施の形態の部品実装装置によって行われるスタック実装の説明図 本発明の一実施の形態の部品実装装置の制御系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装置によるスタック実装のフロー図 本発明の一実施の形態の部品実装方法の工程説明図 本発明の一実施の形態の部品実装方法の工程説明図

符号の説明

３ 部品供給部
４ 基板保持部
６ 電子部品
６Ａ 第１の電子部品
６Ｂ 第２の電子部品
１０ 基板
１０ａ 部品積層位置
１０ｂ 部品積層区画
１３ 実装ヘッド
１３ａ 部品保持ノズル
１５ 実装ヘッド移動機構
１６ ノズル交換部
１８ 塗布ヘッド
１８ａ 塗布ニードル
２１ 撮像部

Claims (6)

1. 基板に設けられた部品積層区画内の複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装する部品実装装置であって、
   前記基板を保持する基板保持部と、前記部品を部品保持ノズルによって保持する実装ヘッドと、前記実装ヘッドを前記基板保持部に対して相対的に移動させる実装ヘッド移動機構と、前記実装ヘッド移動機構を制御することにより前記複数の部品積層位置に第１階層から最終階層までの部品を順次積層して実装する部品積層制御部とを備え、
   前記部品積層制御部は、前記部品積層区画内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始するように、前記実装ヘッド移動機構を制御することを特徴とする部品実装装置。
2. 前記基板には、複数の前記部品積層区画が設けられていることを特徴とする請求項１記載の部品実装装置。
3. 前記基板もしくは既実装の部品において次の階層の部品が搭載される部品搭載位置を認識する認識手段と、前記部品搭載位置に樹脂を塗布する樹脂塗布手段と、前記実装ヘッドにおいて前記部品保持ノズルを保持対象とする部品に応じて交換するノズル交換手段とのうちの少なくともいずれかを備え、
   前記部品実装動作は、前記実装ヘッドによって前記部品搭載位置に部品を搭載する部品搭載動作に加えて、前記認識手段によって前記部品搭載位置を認識する認識動作と、前記樹脂塗布手段によって前記部品搭載位置に樹脂を塗布する樹脂塗布動作と、前記ノズル交換手段によって前記部品保持ノズルを次の階層の部品に応じて交換するノズル交換動作のうちの少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１または２記載の部品実装装置。
4. 基板に設けられた部品積層区画内の複数の部品積層位置に部品を階層毎に順次積層して実装する部品実装方法であって、
   部品保持ノズルによって前記部品を保持した実装ヘッドを前記基板に対して相対的に移動させ、前記複数の部品積層位置に第１階層から最終階層までの部品を順次積層して実装する部品積層作業において、前記部品積層区画内において同一階層に属する全ての部品を対象とした部品実装動作が完了した後に、当該階層の次の階層に属する部品を対象とした部品実装動作を開始することを特徴とする部品実装方法。
5. 前記基板には、複数の前記部品積層区画が設けられていることを特徴とする請求項４記載の部品実装方法。
6. 前記部品実装動作は、前記基板もしくは既実装の部品において次の階層の部品が搭載される部品搭載位置に部品を搭載する部品搭載動作に加えて、前記部品搭載位置を認識する認識動作と、前記部品搭載位置に樹脂を塗布する樹脂塗布動作と、前記部品保持ノズルを次の階層の部品に応じて交換するノズル交換動作のうち少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項４または５記載の部品実装方法。
   

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