JP4359545B2

JP4359545B2 - 電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法

Info

Publication number: JP4359545B2
Application number: JP2004254532A
Authority: JP
Inventors: 修一平田; 康晴上野; 誠森川; 浩之吉田; 典晃吉田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: CN100509236C; US20090151149A1; KR20080011358A; US20070056157A1; CN1905981A; DE602005014493D1; WO2006025595A1; EP1799388A1; EP1799388B1; US7513036B2; TW200624208A; JP2006073745A

Description

本発明は、ヘッドにて保持した電子部品をステージ上に設置された基板に実装する際の電子部品と基板のコンタクト荷重を制御する電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法に関するものである。

ベアＩＣ部品などの電子部品を基板に実装する方法として、電子部品をヘッドにて保持し、基板をステージ上に設置し、電子部品と基板の位置合わせを行った後、ヘッドを下降させて互いに接合すべき電子部品のバンプと基板の電極パッドを当接させ、電子部品のバンプと基板の電極パッドを接合する方法が知られている。その接合方法としては、電子部品に金バンプを設け、基板の電極パッドとの間に所定荷重を負荷した状態で超音波エネルギー又は超音波エネルギーと熱エネルギーを付与することで接合する方法や、電子部品に半田バンプを設け、基板の電極パッドに接触させた状態で熱エネルギーを付与することで半田バンプをリフローさせ、半田接合する方法などが知られている。

ところで、電子部品における回路配線ピッチがナノオーダーまで精細化するのに伴って層間絶縁膜に低誘電率の物質が用いられるようになっているが、低誘電率の物質は強度が小さいため、上記接合時に大きな荷重が負荷されると亀裂が発生して電子部品が破損する恐れがある。特に、電子部品を保持したヘッドを基板に向けて下降動作させる工程で、電子部品のバンプが基板の電極パッドに当接したときの荷重（以下、コンタクト荷重と称す）が大きくなってしまい、その荷重によって上記のような低誘電率物質を用いた電子部品では層間絶縁膜に亀裂が発生して電子部品が破損する恐れがある。

ここで、半田バンプを設けた各電子部品を個別に基板上に装着し、ヘッドにて電子部品を加熱してその半田バンプをリフローさせ、基板のバンプを電極パッドにリフロー半田付けするローカルリフロー半田付け方法による電子部品実装方法について、図５を参照して説明する。

図５において、ヘッドのツール３０にて半田バンプ３２を設けた電子部品３１を保持するとともに、電極パッド３４上に半田部が形成され若しくはフラックスを塗布された基板３３をステージ３５上に搬入・設置し、（ａ）に示すように、ヘッドを移動させて電子部品３１の半田バンプ３２と基板３３の電極パッド３４の位置合わせを行い、次に（ｂ）に示すように、半田バンプ３２が電極パッド３４に当接（コンタクト）するまでヘッドを下降させ、次に（ｃ）に示すように、ヘッドの下端部に配設されたヒータにて電子部品３１を加熱して半田バンプ３２をリフローさせ、電子部品の電極と電極パッド３４を半田接合部３６にて接合し、次に（ｄ）に示すように、加熱停止と冷却を行って半田接合部３６を硬化させた後、ヘッドによる電子部品３１の保持を解除してヘッドを上昇させ、その後電子部品３１を実装された基板３３をステージ３５から搬出する。

このような電子部品実装方法において、ヘッドを下降させて電子部品３１（半田バンプ３２）を基板３３（電極パッド３４）にコンタクトさせる工程の動作制御においては、図６、図７に示すように、ヘッドを所定待機位置から、不測にコンタクトしてしまう恐れのない位置に設定されている低速下降開始位置まで高速で下降し、その後例えば０．１ｍｍ／ｓ程度の低速のサーチ速度にてヘッドを下降させ、ヘッドに内蔵しているロードセルにて荷重を検出して現在荷重を読み込み、現在荷重が予め設定されたコンタクト検出荷重に到達したか否かの判定を行い、到達していない場合には低速下降動作を継続し、到達するとヘッドを減速停止させて低速下降動作を停止している。こうして、できるだけ短時間にかつコンタクト時に衝撃荷重を負荷させることなく、コンタクトさせるようにしている。なお、こうして電子部品と基板のコンタクトを行った後、それらの間に所定荷重が負荷されるように実装ヘッドの微小動作と荷重検出を繰り返す荷重制御が行われる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−８１９６号公報

しかしながら、上記のようなコンタクト工程においては、図７（ｃ）に示すように、コンタクト検出荷重を検出した時点Ｄからｄ時間遅れた時点Ｅからヘッドの減速動作が開始され、ヘッドの減速開始からヘッド停止する時点Ｆまでにｅ時間の遅れが発生し、その結果ヘッド停止時点Ｆでのコンタクト荷重はコンタクト検出荷重に対して大きな荷重になってしまうという問題がある。例えば、具体例を示すと、サーチ速度を０．１ｍｍ／ｓとし、コンタクト検出荷重を０．５Ｎに設定した場合、ヘッド停止時の負荷荷重が２．０〜３．０Ｎにもなってしまう。さらに、図７（ｃ）に仮想線で示すように、ヘッド停止後も慣性によってその直後に５〜１０ｍｓｅｃ程度の幅の荷重ピークが現れるために瞬間的に一層高い負荷が作用することになる。そのため、上記のような層間絶縁膜に低誘電率物質が用いられた電子部品の場合にはその絶縁膜に亀裂が発生して電子部品が破損するという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、低荷重に設定したコンタクト設定荷重に実際のコンタクト荷重を精度良く制御でき、低誘電率物質を用いた電子部品においても破損する恐れなく実装することができる電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法を提供することを目的とする。

本発明の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法は、電子部品と基板がコンタクトすることのない位置に設定された低速下降開始位置までヘッドを高速にて下降動作した後、所定のコンタクト設定荷重を検出するまで低速にて下降動作する低速下降動作工程において、所定量だけ下降動作する下降動作工程と、下降動作後に現在荷重を検出する荷重検出工程と、現在荷重がコンタクト設定荷重に達したか否かを判定する工程とを有し、現在荷重がコンタクト設定荷重に達するまで下降動作工程と荷重検出工程とを繰り返すものである。

この構成によれば、各下降動作の所定量を例えば０．２〜数μｍ程度の微小量に設定し、所定量下降した後現在荷重を検出するようにし、現在荷重がコンタクト設定荷重に達していないと、再び所定量下降した後現在荷重を検出するという動作をコンタクト設定荷重に達するまで繰り返すことにより、例えば０．４〜０．６Ｎ程度に設定されたコンタクト設定荷重の近傍にコンタクト荷重を精度良く制御でき、低誘電率物質を用いた電子部品においても破損する恐れなく実装することができる。

また、下降動作工程終了後、所定時間経過後に荷重検出工程に移行すると、下降動作終了後の荷重検出遅れを待って正確な現在荷重を検出して次の下降動作を行うことができるので、コンタクト荷重を精度良く制御することができる。

また、下降動作工程における下降動作の所定量は、コンタクト設定荷重に応じて可変設定すると、コンタクト設定荷重が大きい場合は１回の下降所定量を大きくしてもコンタクト設定荷重に対するコンタクト荷重の誤差比率は大きくならず、低速下降動作工程に要する時間を短縮でき、逆にコンタクト設定荷重が小さい場合は１回の下降所定量を小さく設定することでコンタクト設定荷重に対するコンタクト荷重の誤差比率は小さく保つことができ、コンタクト荷重を精度良く制御することができる。

また、下降動作工程における下降動作の所定量を、現在荷重が０である間は第１の所定量に設定し、現在荷重が０を越えた後は第１の所定量より小さい第２の所定量に設定すると、接触して現在荷重が検出されるまでは相対的に大きい所定量で下降動作させることで低速下降動作工程に要する時間を短縮でき、かつ接触した後は相対的に小さい所定量で下降動作させることでコンタクト荷重を精度良く制御することができ、生産性と精度の両立を図ることができる。

また、第２の所定量を、検出した現在荷重とコンタクト設定荷重との差に応じて可変設定すると、コンタクト設定荷重に近づくほど小さい所定量で下降動作させることでコンタクト荷重をさらに精度良く制御することができる。

また、現在荷重が０を越えた後、荷重検出工程で検出した現在荷重が前回検出した荷重と同じ場合は、異なるまで荷重検出工程を繰り返すと、制御ルーチンのサイクルタイムが荷重検出時間と同等若しくは速い場合に所定量の下降動作の前の検出荷重を現在荷重としてさらに所定量の下降動作を行うことで、コンタクト荷重がコンタクト設定荷重を大きく越えてしまい、コンタクト荷重の制御精度が低下するという不具合を防止することができる。

本発明の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法によれば、１回の下降動作の所定量を微小量に設定し、所定量下降した後現在荷重を検出するようにし、現在荷重がコンタクト設定荷重に達していないと、再び所定量下降した後現在荷重を検出するという動作をコンタクト設定荷重に達するまで繰り返すことにより、コンタクト設定荷重を低く設定した場合でもそのコンタクト設定荷重の近傍にコンタクト荷重を精度良く制御でき、低誘電率物質を用いた電子部品においても破損する恐れなく実装することができる。

以下、本発明の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法の一実施形態について、図１〜図４を参照しながら説明する。

図１において、１は電子部品実装装置のヘッドで、昇降ヘッド本体２の下部に昇降動作可能に軸３が配設されている。軸３は昇降ヘッド本体２の下端支持枠２ａを貫通して下方に突出されるとともに、軸３を含めた可動部自重を相殺するばね４を介して下端支持枠２ａにて支持されている。軸３の下端には、電子部品を吸着して把持するツール５がセラミックヒータなどの加熱手段６と軸３への熱伝達を防止する水冷ジャケット７を介して固定されている。軸３の上端には荷重を検出するロードセル８が当接配置され、ロードセル８の上端は昇降ヘッド本体２の上部に配設された大シリンダ装置９の下端に当接されている。

大シリンダ装置９には、上端の給排口９ａから圧縮空気を給排することで昇降動作するピストン１０を内蔵され、その下端から突出されたピストンロッド１０ａの先端がロードセル８に当接されている。また、ピストン１０の周面に形成された凹部１０ｂに係合して下降動作を停止させるストッパ１１が係合位置と退避位置との間で出退可能に配設されている。また、軸３の上端部には小シリンダ装置１２の上端開放のシリンダ室が形成され、そのシリンダ室内で昇降動作するピストン１３の上端がロードセル８に当接され、かつシリンダ室の下端部に対して圧縮空気を給排する給排口１２ａが設けられている。これら大シリンダ装置９及び小シリンダ装置１２は、電子部品の実装時に電子部品を所定荷重で加圧する場合に用いるものであり、本実施形態ではヘッド１の位置制御によってコンタクト荷重制御を行うので、図１に示すように大シリンダ装置９のストッパ１１を係合位置に突出させた状態で給排口９ａから白抜き矢印の如く圧縮空気を供給してピストン１０を固定し、小シリンダ装置１２の給排口１２ａから圧縮空気を排出することでばね４の付勢力でピストン１３を下端位置に係合させることで、軸３が昇降ヘッド本体２に固定され、昇降ヘッド本体２とともに昇降動作する。

昇降ヘッド本体２を昇降駆動する昇降駆動部１４が軸３と平行にその側部に配設されている。昇降駆動部１４は、ボールねじを用いた送りねじ機構１５とそのボールねじを回転駆動するモータ１６にて構成されている。

コンタクト荷重制御を行う制御部は、図２に示すように、ロードセル８の出力電圧をロードセル入力部１７にて例えば１００ｍｓｅｃの所定の時間周期で取り込み、アナログ電圧信号から成るロードセル信号をモータ制御部１８に向けて出力する。モータ制御部１８は、本体制御部２０からの低速下降動作開始指令信号の入力によって所定の動作プログラムに基づいてロードセル信号を参照してモータドライバ１９に対して制御信号を出力し、モータドライバ１９にてモータ１６を回転制御する。

また、ロードセル入力部１７から本体制御部２０にもロードセル信号が入力され、検出した現在荷重を表示部２１に表示する。なお、モータ１６は、不測に電子部品と基板がコンタクトすることのない位置に設定された低速下降開始位置から電子部品が基板にコンタクトするまでの昇降ヘッド本体２の昇降動作を駆動するもので、ヘッド１を待機位置から低速下降開始位置まで高速で下降させる高速下降動作は、本体制御部２０で制御される別の昇降機構（図示せず）にて駆動され、本体制御部２０は低速下降開始位置まで下降した時の検出信号に基づいてモータ制御部１８に低速下降動作開始指令信号を出力する。

次に、モータ制御部１８によりモータ１６を駆動制御してコンタクト荷重を制御する制御動作について、図３、図４を参照して説明する。まず、上記のように高速下降にて低速下降開始位置まで下降すると（ステップＳ１）、所定下降量ｎをｎ１（例えば１〜数μｍ程度）に設定し（ステップＳ２）、モータ１６を回転制御して昇降ヘッド本体２、即ちツール５に保持された電子部品を所定量ｎ（ｎ１）下降させる（ステップＳ３）。次に、ロードセル８の変化待ちのためにタイマにより一定時間（例えば数１０ｍｓｅｃ）待ち（ステップＳ４）、その後ロードセル信号を読み込む（ステップＳ５）。次に、その検出荷重が０であるか否かの判定を行い、０の場合は以上のステップＳ３〜Ｓ６を繰り返し、０を越えた現在荷重が検出されるまで、下降量ｎ１だけ下降させて現在荷重を読み込む動作を繰り返す。

ステップＳ６での判定で現在荷重が０を越えると、所定下降量ｎをｎ２（例えば０．２〜１．０μｍ程度）に設定し（ステップＳ７）、次に検出した現在荷重が前回検出荷重と同じか否かの判定を行う（ステップＳ８）。通常は同じでないため、ステップＳ９に移行し、現在荷重が、例えば０．５Ｎに設定されているコンタクト設定荷重に到達したか否かの判定を行い、到達していない場合はステップＳ３にリターンし、以上のステップＳ３〜Ｓ９を繰り返し、現在荷重がコンタクト設定荷重に到達するまで、下降量ｎ２だけ下降させて現在荷重を読み込むと動作を繰り返す。ステップＳ９の判定で、現在荷重がコンタクト設定荷重に到達すると、電子部品と基板のコンタクト荷重は、コンタクト設定荷重の近傍に精度良く制御され、その状態で低速下降動作を終了する。

なお、ステップＳ８での判定で、現在荷重が前回検出荷重と同じである場合は、次の所定量の下降動作に移行せず、ステップＳ５にリターンして再び現在荷重を読み込む動作を繰り返す。これによって、制御ルーチンのサイクルタイムが荷重検出時間と同等若しくはそれより速い場合に、所定量の下降動作の前の検出荷重を現在荷重としてさらに所定量の下降動作を行うことで、コンタクト荷重がコンタクト設定荷重を大きく越えてしまい、コンタクト荷重の制御精度が低下するという不具合を防止することができる。

以上の本実施形態によれば、各下降動作の所定量を例えば０．２〜数μｍ程度の微小量に設定し、所定量下降した後現在荷重を検出するようにし、現在荷重がコンタクト設定荷重に達していないと、再び所定量下降した後現在荷重を検出するという動作をコンタクト設定荷重に達するまで繰り返すことにより、例えば０．４〜０．６Ｎ程度の微小な荷重に設定されたコンタクト設定荷重の近傍にコンタクト荷重を精度良く制御することができる。そのため、低誘電率物質を用いた電子部品においても破損する恐れなく実装することができる。

また、下降動作工程における下降動作の所定量ｎを、現在荷重が０である間は第１の所定量ｎ１（１〜数μｍ）に設定し、現在荷重が０を越えた後は第１の所定量ｎ１より小さい第２の所定量ｎ２（０．２〜１μｍ）に設定しているので、接触して現在荷重が検出されるまでは相対的に大きい所定量で下降動作させることで低速下降動作工程に要する時間を短縮でき、かつ接触した後は相対的に小さい所定量で下降動作させることでコンタクト荷重を精度良く制御することができ、生産性と精度の両立を図ることができる。

さらに、上記実施形態の説明では、第２の所定量ｎ２を一定値に設定する例を示したが、検出した現在荷重とコンタクト設定荷重との差に応じて可変設定するようにしても良い。そうすると、コンタクト設定荷重に近づくほど小さい所定量で下降動作させることでコンタクト荷重をさらに精度良く制御することができる。

また、上記実施形態の説明では、低速下降動作工程における下降動作の所定量ｎを、コンタクト設定荷重の大きさとは無関係に適当な値に設定した例を示したが、コンタクト設定荷重に応じて、適当な換算式や予め設定したテーブルを参照して可変設定するようにしても良い。そうすると、コンタクト設定荷重が大きい場合は１回の下降所定量を大きくしてもコンタクト設定荷重に対するコンタクト荷重の誤差比率は大きくならず、低速下降動作工程に要する時間を短縮でき、逆にコンタクト設定荷重が小さい場合は１回の下降所定量を小さく設定することでコンタクト設定荷重に対するコンタクト荷重の誤差比率は小さく保つことができ、コンタクト荷重を精度良く制御することができる。

本発明の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法によれば、１回の下降動作の所定量を微小量に設定し、所定量下降した後現在荷重を検出するようにし、現在荷重がコンタクト設定荷重に達するまで、所定量下降した後現在荷重を検出するという動作を繰り返すことで、コンタクト設定荷重を低く設定した場合でもそのコンタクト設定荷重の近傍にコンタクト荷重を精度良く制御できるので、低誘電率物質を用いた電子部品においても破損する恐れないので、低誘電率物質を用いた電子部品の実装に特に有効に利用できる。

本発明の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法の一実施形態におけるヘッドの概略構成図である。同実施形態におけるコンタクト荷重制御系の構成図である。同実施形態におけるコンタクト荷重制御動作のフロー図である。同実施形態におけるコンタクト荷重制御時のヘッド位置とコンタクト荷重の変化を示すグラフである。コンタクトリフロー方式の電子部品実装方法の概略工程図である。従来例におけるコンタクト荷重制御動作のフロー図である。従来例におけるコンタクト荷重制御時のヘッド位置とヘッド速度とコンタクト荷重の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ヘッド
８ロードセル
１４昇降駆動部
１６モータ
１８モータ制御部

Claims

電子部品と基板がコンタクトすることのない位置に設定された低速下降開始位置までヘッドを高速にて下降動作した後、所定のコンタクト設定荷重を検出するまで低速にて下降動作する低速下降動作工程において、所定量だけ下降動作する下降動作工程と、下降動作後に現在荷重を検出する荷重検出工程と、現在荷重がコンタクト設定荷重に達したか否かを判定する工程とを有し、現在荷重がコンタクト設定荷重に達するまで下降動作工程と荷重検出工程とを繰り返すことを特徴とする電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法。
下降動作工程終了後、所定時間経過後に荷重検出工程に移行することを特徴とする請求項１記載の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法。
下降動作工程における下降動作の所定量は、コンタクト設定荷重に応じて可変設定することを特徴とする請求項１又は２記載の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法。
下降動作工程における下降動作の所定量を、現在荷重が０である間は第１の所定量に設定し、現在荷重が０を越えた後は第１の所定量より小さい第２の所定量に設定することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法。
第２の所定量を、検出した現在荷重とコンタクト設定荷重との差に応じて可変設定することを特徴とする請求項４記載の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法。
現在荷重が０を越えた後、荷重検出工程で検出した現在荷重が前回検出した荷重と同じ場合は、異なるまで荷重検出工程を繰り返すことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の電子部品実装装置のコンタクト荷重制御方法。