JP4357985B2 - 平行測定方法と調整方法及び平行測定装置並びに部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品実装装置における基板設置用のステージ面と実装ヘッドの部品保持用のツール面など、ステージ面とツール面の平行測定方法とその平行調整方法及び平行測定装置並びに部品実装装置に関するものである。

従来から、図５に示すように、ＸＹ移動テーブル２上に配設されたステージ３上に実装対象の基板を設置して位置決めし、実装ヘッド４に設けたツールにてＩＣ部品を吸着保持して基板上に実装するようにした部品実装装置１は種々知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この種の部品実装装置において、ステージ３上に設置した基板に対して、実装ヘッド４に設けたツールにて複数のバンプ電極を有するＩＣ部品を加熱加圧し、基板の電極にＩＣ部品のバンプ電極を接合する場合、すべてのバンプ電極について適正な接合状態を安定して得るためには、ステージ３の上面のステージ面と、ツールの下面のツール面とが高精度に平行である必要がある。

そこで、従来は実装生産に先立って、図６（ａ）に示すように、ステージ３のステージ面３ａ上に基板５を設置し、実装ヘッド４のツール６のツール面６ａに、複数のバンプ電極８を有するＩＣ部品７を吸着保持し、ステージ面３ａとツール面６ａを対向させ、次に図６（ｂ）に示すように、実装ヘッド４を下降動作させて接合時の加圧力に対応する所定の荷重で加圧し、バンプ電極８を圧縮塑性変形させた後、実装ヘッド４を上昇させてＩＣ部品７を取り出し、図６（ｃ）に示すように、ＩＣ部品７の４隅部のバンプ電極８の高さ寸法ｈを測定し、その測定値からステージ面３ａとツール面６ａの傾き量を演算している。そして、検出した傾き量からステージ３若しくはツール４の傾き調整を行っている。

なお、実装基板の表面とボンディングツールのヘッド面に保持された半導体チップのフェース面の傾きによりボンディング圧力にバラツキを生じ、不適正なボンディング状態が発生するのを防止するため、ボンディングツールに複数個の圧力センサを設置して圧力値のバラツキを検出し、ボンディングツールに設けられたヘッド面調整部にて圧力値が均一になるようにヘッド面の傾きを調整し、実装基板の表面と半導体チップのフェース面を平行にする技術手段は知られている（特許文献２参照。）。

また、カメラのオートフォーカスによって認識マークまでの距離を測定して傾き量を測定する方法も知られている（特許文献３参照。）。
特開平７−３０３０００号公報 特開平１１−２９７７６４号公報 特開２００１−３０８５９７号公報

ところが、図６に示したような従来の平行測定・調整方法では、ＩＣ部品７を加圧した後、そのＩＣ部品７を取り出し、高さ測定装置で四隅部のパンプ電極８の高さを測定する必要があり、さらにその測定結果によって傾き量を算出してステージ３などの傾き調整を行う必要がある。そのため、平行測定及び平行調整に多くの時間と作業工数が必要となって生産性を低下させるという問題がある。

また、バンブ電極８を有するＩＣ部品７が必ず必要で、かつこの平行測定に使用したＩＣ部品７の再利用は不可能で廃棄するしかないが、最近のＩＣ部品７は高集積化・高機能化が進んでいて高価であり、さらに平行調整の完了までに平行測定と調整を複数回行う必要がある場合もあり、コストがかかるという問題がある。

一方、特許文献２に開示された技術手段では、このような問題は解消できるが、圧力センサには特性バラツキが存在するため、複数の圧力センサによる検出圧力値が一定であれば平行が確保されている訳ではないため補正が必要であり、また圧力センサの特性は経時変化したり、周囲温度によって検出値が変化し、かつその変化量に個体差があるため、精密な測定を行うには定期的な校正や補正が必要であり、高精度に平行度を確保するのは多大な手間と工数が必要となり、さらにステージにツールを加圧して使用する場合には、加圧状態での平行度を確保することが重要であるが、その場合にはこの問題が顕著に顕れるため、実際に実施するのは困難であるという問題がある。

また、特許文献３に開示されているように、カメラのオートフォーカスによって平行測定する方法を適用する場合、ＩＣ部品や基板の認識マークを認識するカメラは倍率が２〜６倍程度であるのに対して、１μｍ単位で平行度管理を行うために１／１０μｍ単位での測定を実現しようとすると、２０〜５０倍の倍率のカメラが必要となり、専用の高価な認識カメラが必要になって設備コストがかかるという問題があり、さらに上記のように加圧状態での平行度は測定できないため、加圧状態での平行度を精度良く測定することができないという問題がある。

本発明は、上記従来の問題点に鑑み、低コストにて作業性良くかつ加圧状態での平行度を精度良く測定することができる平行測定方法とその平行調整方法及び平行測定装置並びに部品実装装置を提供することを目的とする。

本発明の平行測定方法は、ステージ面とステージ面に対して接近離間移動可能なツール面との平行度を測定する平行測定方法であって、複数の電極をほぼ全面に分散配置した治具チップをツール面に保持させるとともに治具チップの各電極に対向するように複数の電極を配設した治具基板をステージ面に設置し、設定加圧力を複数段階に設定し、各段階の設定加圧力でツール面をステージ面に向けて加圧し、各段階の間で治具チップと治具基板の間で互いに接触した前記電極を検出し、互いに接触した前記電極の存在領域の変化に基づいてステージ面とツール面の傾き量を算出するものである。

この構成によると、治具チップと治具基板を何度でも再利用することができるのでコストの低廉化を図れ、またツール面をステージ面に向けて加圧した状態で接触した電極を検出するだけであるので作業性良く測定することができ、しかも加圧状態で互いに接触した電極の存在領域に基づいて平行度を精度良く測定することができる。

また、設定加圧力を複数段階に設定し、各段階の間での接触した電極の存在領域の変化に基づいて傾き量を算出するようにすることもできる。

また、治具チップに、互いに近接配置されるとともに相互に導通された２つの電極から成る電極対が複数分散配置し、治具基板に対向して配設された各電極対間の導通検出によって接触した電極対を検出すると、電極の接触を導通検出によって簡単かつ高い信頼性をもって検出することができる。

また、互いに接触した電極の存在領域と実際の傾き量を予め実験的に求めた傾き量変換データを記憶しておき、接触した電極の存在領域と傾き量変換データに基づいて傾き量を算出すると、簡単な処理によって精度の良い測定ができる。

また、本発明の平行調整方法は、ステージ面とステージ面に対して接近離間移動可能なツール面とを平行に調整する平行調整方法であって、上述の平行測定方法にてステージ面とツール面の傾き量を検出する傾き検出工程と、傾き量が許容範囲内であるか否かを判定する判定工程と、傾き量が許容範囲を超えているときにステージ面若しくはツール面を検出した傾き量に応じて調整する傾き調整工程とを有し、傾き調整工程後は再び傾き検出工程に移行してステージ面とツール面の傾き量が許容範囲内となるまで以上の工程を繰り返すものであり、上記平行測定方法を利用して生産性良くかつ精度良く平行調整を行うことができる。

また、傾き調整工程においては、検出した傾き量に応じてステージを支持している３点の高さ位置を調整すると、ステージの傾き調整を３点の高さ位置調整にて容易に行い、生産性良く平行調整を行うことができる。

また、本発明の平行測定装置は、ステージとステージに対して接近離間移動可能なツールの対向面の平行度を測定する平行測定装置であって、ツールに装着可能でかつ複数の電極がほぼ全面に分散配置された治具チップと、ステージに設置可能でかつ治具チップの各電極に対応する複数の電極を配設した治具基板と、治具チップと治具基板の間で互いに接触した電極を検出する接触電極検出手段と、複数段階に設定された加圧力にて前記ツールに保持した前記治具チップを前記治具基板に加圧したときの各段階の間での互いに接触した電極の存在領域の変化に基づいて傾き量を算出する傾き量算出手段とを備えたものであ
る。

この構成によると、上記平行測定方法を実施して、低コストにて作業性良く、かつ加圧状態での平行度を精度良く測定することができる。

また、治具チップには、互いに近接配置されるとともに相互に導通された２つの電極から成る電極対が複数分散配置され、治具基板に対向して配設された各電極対にそれぞれ接続した導通検出手段にて接触電極検出手段を構成すると、電極の接触を導通検出手段によって簡単かつ高い信頼性をもって検出することができる。

また、傾き量算出手段を、互いに接触した電極の存在領域と実際の傾き量を予め実験的に求めた傾き量変換データを記憶した記憶手段と、接触電極検出手段にて検出した電極の存在領域と傾き量変換データに基づいて傾き量を演算する演算手段にて構成すると、簡単な演算処理によって精度の良い測定ができる。

また、本発明の部品実装装置は、基板を保持して位置決めするステージと、部品を保持するツールを有し、保持した部品を基板上に実装する実装ヘッドとを備えた部品実装装置において、上記平行測定装置を設けたものであり、高品質の部品実装を安定してかつ生産性良く低コストの構成で実現することができる。

また、ステージを高さ位置調整可能に支持する３つの高さ調整手段を設け、平行測定装置にて検出された傾き量に応じて高さ調整手段を動作制御する制御手段を設けると、測定した傾き量に応じて自動的にステージの傾き調整を行うことができ、一層生産性を向上することができる。

本発明の平行測定方法とその平行調整方法及び平行測定装置並びに部品実装装置によれば、治具チップと治具基板を何度でも再利用することができるのでコストの低廉化を図れ、またツール面をステージ面に向けて加圧した状態で接触した電極を検出するだけであるので作業性良く測定することができ、しかも加圧状態で互いに接触した電極の存在領域に基づいて平行度を精度良く測定することができる。

以下、本発明を部品実装装置の平行測定・調整装置に適用した一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。なお、部品実装装置の構成及び実装動作については、図５、図６を参照して説明した従来例と同一の構成であり、同一の構成要素については同じ参照符号を付して説明を省略し、主として平行測定・調整装置について説明する。

図１において、１１は、ツール６に装着可能な治具チップで、高精度の平行度を有するガラスチップ１２にて構成され、かつその一面（下面）のほぼ全面に、互いに近接配置された２つの電極１３ａ、１３ｂから成る電極対１３が複数、マトリックス状に分散して配設されている。各電極対１３の電極１３ａ、１３ｂはガラスチップ１２の内部で接続導体１４にて相互に接続されている。１５ａは治具チップ１１のコーナー部に配設されたアライメントマークである。

１６は、ステージ３上に設置可能な治具基板であり、治具チップ１１の各電極対１３に対応する複数の電極対１７が配設されている。また、各電極対１７の２つの電極１７ａ、１７ｂに対して、それぞれの間の導通を検出する導通検出手段１８（Ｄ₁ 〜Ｄ_n ）が接続されている。この導通検出手段１８によって治具チップ１１の電極対１３と治具基板１６の電極対１７とが互いに接触したことを検出することができる。かくして、導通検出手段１８が治具チップ１１の電極対１３と治具基板１６の電極対１７の接触を検出する接触電極検出手段を構成している。１５ｂは治具基板１６に、治具チップ１１のアライメントマーク１５ａに対応して配設されたアライメントマークである。

ステージ３は、図２に示すように、支持テーブル３１上に設置されている。支持テーブル３１は、隣り合う２側面が固定ローラ３２に係合され、他の隣り合う２側面にばね３４にて付勢された押圧ローラ３３が係合されて上下移動自在にかつ微小量傾き可能に支持され、かつその下面の一側両端部近傍と他側中央部の３箇所に支持ローラ３５ａ、３５ｂ、３５ｃが配設されている。各支持ローラ３５ａ、３５ｂ、３５ｃはそれぞれ高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃにて独立して高さ調整可能に支持されている。

高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃは、それぞれ傾斜ガイド３７に沿って移動可能でかつ支持ローラ３５ａ、３５ｂ、３５ｃが転動自在に係合する上面が水平な可動楔部材３８と、この可動楔部材３８を移動駆動する送りねじ機構３９と、その送りねじを回転駆動するサーボモータ４０にて構成されている。かくして、各高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃにて支持テーブル３１の一側両端部と他側中央部の高さを調整することによって、支持テーブル３１の任意の位置の高さを変えることなくその位置の傾きを任意に調整することができる。

２０は部品実装装置１の制御手段で、ステージ３の上面とツール６の下面との平行を測定して平行調整する動作を制御する機能を備えており、以下その機能に関係する部分についてのみ説明する。導通検出手段１８の検出信号が検出手段入力部１９を介して制御手段２０に入力されている。また、制御手段２０には、操作信号を入力するとともに動作状態を表示する操作・表示部２１と、治具チップ１１及び治具基板１６のアライメントマーク１５ａ、１５ｂを認識するカメラ２２とその認識画像を表示するモニタ２３を接続された画像認識部２４と、ステージ３の３点の高さを調整する高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃのサーボモータ４０を制御するサーボモータ制御部２５と、ツール６を装着した実装ヘッド４を下降動作させるとともにツール６をステージ３に加圧するシリンダ装置２６の加圧力を制御する荷重制御部２７が接続されている。

また、導通検出手段１８にて互いに接触したとして検出された電極対１３、１７の存在領域と実際のステージ３とツール６の傾き量を予め実験的に求め、その結果に基づいて作成した傾き量変換データ２８を記憶させた記憶手段２９が制御手段２０に接続されている。そして、制御手段２０は、導通検出手段１８にて接触状態が検出された電極対１３、１７の存在領域と、傾き量変換データ２８に基づいてステージ３とツール６の傾き量を算出する傾き量算出機能を有している。

さらに、制御手段２０は、算出した傾き量に応じてステージ３の傾き移動量を計算し、サーボモータ制御部２５を介して各高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃのサーボモータ４０を駆動制御することにより、ステージ３の傾き調整を行い、ステージ３とツール６の平行調整を行うように構成されている。

次に、以上の構成の部品実装装置１におけるステージ３とツール６の平行調整動作について、図４を参照して説明する。

まず、ステージ３と実装ヘッド４の温度を実装時の温度に設定し（ステップＳ１）、ステージ３上に治具基板１６を設置し（ステップＳ２）、実装ヘッド４にて治具チップ１１をピックアップして保持させる（ステップＳ３）。次に、治具チップ１１と治具基板１６のアライメントマーク１５ａ、１５ｂを認識し（ステップＳ４）、その認識結果に基づいて、図１（ａ）に示すように、実装ヘッド４若しくはステージ３の位置調整を行って治具基板１６上に治具チップ１１を対向位置させた後、シリンダ装置２６にて実装ヘッド４を下降させ、図１（ｂ）に示すように、治具基板１６に治具チップ１１を所定の加圧力で押し付ける（ステップＳ５）。

このとき、ステージ３とツール６の間に傾きが存在すると、電極対１３と１７がすべて相互に接触して導通することはなく、図１（ｂ）に示すように、一部の電極対１３と１７は接触しても他の部分では電極対１３と１７間に隙間があいた状態となる。そして、互いに接触した電極対１３と１７の存在領域の大きさと、ステージ３とツール６の間の傾き量とは相関を有し、かつその相関関係は安定性及び再現性があることが実験的に確かめられている。

よって、次に、制御手段２０は、導通検出手段１８からの検出信号を検出手段入力部１９を介して入力することで治具チップ１１の電極対１３と治具基板１６の電極対１７の接触状態を検出し、記憶手段２９に記憶されている傾き量変換データ２８を参照して傾き量を算出する（ステップＳ６）。次いで、その算出した傾き量が許容範囲内であるか否かを判定する（ステップＳ７）。傾き量が許容範囲内で無ければ、実装ヘッド４を上昇させるとともに（ステップＳ８）、制御手段２０において、算出した傾き量に応じてステージ３の傾き移動量を算出し（ステップＳ９）、それに基づいてサーボモータ制御部２５を介して高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃのサーボモータ４０を駆動制御することにより、ステージ３をツール６と平行になるように傾き移動させる（ステップＳ１０）。その後、ステップＳ４〜Ｓ７の動作を再び繰り返す。

ステップＳ７での判定によって傾き量が許容範囲内であると判定すると、次いで最初の傾き量の検出結果と最終的なステージ３の傾き移動量を記憶し（ステップＳ１１）、実装ヘッド４を上昇させ（ステップＳ１２）、通常生産の実装動作に移行する。なお、必要に応じてステップＳ１１で記憶した傾き移動量に基づいて傾き量変換データ２８の更新を行う。また、傾き量変換データ２８の作成は、ツール６を種々に傾けた状態で以上の動作を繰り返すことによって作成される。

以上の本実施形態によれば、治具チップ１１と治具基板１６を何度でも再利用することができるので、高価なＩＣチップや基板を無駄にする必要がなく、低コストにてステージ３とツール６の平行測定を行うことができる。また、ツール６をステージ３に向けて加圧した状態で電極対１３と１７の接触を検出するだけであるので、作業性良く測定することができる。しかも、加圧状態でかつ温度も実装時の条件と同じ条件にして、互いに接触した電極の存在領域に基づいて平行度を測定するので、精度の良い測定を行うことができる。さらに、電極対１３と１７の導通検出によって接触状態を検出するようにしているので、簡単にかつ高い信頼性をもって検出することができる。

また、互いに接触した電極の存在領域と実際の傾き量を予め実験的に求めた傾き量変換データ２８を記憶手段２９に記憶しておいて、接触した電極対の存在領域と傾き量変換データ２８に基づいて傾き量を算出するようにしているので、簡単な処理によって精度の良い平行測定ができる。

また、以上の平行測定方法にてステージ３とツール６の傾き量を検出し、傾き量が許容範囲を超えているときにステージ３を検出した傾き量に応じて３つの高さ調整手段３６ａ、３６ｂ、３６ｃを調整動作させて平行調整するようにしているので、生産性良くかつ精度良く平行調整を行うことができる。

上記実施形態の説明では、所定の加圧力で加圧した状態で互いに接触した電極の存在領域と傾き量変換データに基づいてステージ面とツール面の傾き量を算出する例を説明したが、設定加圧力を複数段階に設定し、各段階の間での接触した電極の存在領域の変化に基づいて傾き量を算出するようにしても良い。

また、上記実施形態では治具チップ１１の電極対１３と治具基板１６の電極対１７の接触検出を単純な導通検出によって行う例を説明したが、抵抗値を検出してより精細に接触状態を検出するようにしても良い。また、２つの電極から成る電極対１３、１７を用いて導通検出にて接触状態を検出するようにした例を説明したが、電極対に代えて単体の電極を用い、電極同士の接触による各種電気特性の変化を検出することで接触を検出するようにしても良い。

上記形態ではステージ上の１点及び１種類のツールのみ傾き量を算出する例を説明したが、ステージ上の複数点で実施して、各ポイントにおける傾き量を算出し、記憶したり、複数種類のツールで実施して、ツール毎の傾き量を算出、記憶してもよい。

上記形態では、傾き量を算出し、実装ヘッドを上昇してからステージを傾き移動させ、再度治具チップ、基板の認識より行う例を説明したが、実装ヘッドを下降したままステージを傾き移動させて傾き量が許容範囲内になるまで繰り返してもよい。

上記形態では、ステージにより傾き移動する例を説明したが、実装ヘッドに傾き調整手段を設ける構成であってもよい。

本発明の平行測定・調整方法及び装置は、複数の電極を配置した治具チップをツール面に保持させるとともに複数の電極を配設した治具基板をステージ面に設置し、設定加圧力でツール面をステージ面に向けて加圧し、治具チップと治具基板の間で互いに接触した電極を検出し、互いに接触した電極の存在領域に基づいてステージ面とツール面の傾き量を算出するようにしているので、低コストにて作業性良くかつ加圧状態での平行度を精度良く測定・調整することができるため、ステージとツールの間で加圧する各種処理、特に基板に突起電極を有するＩＣ部品を実装するフリップチップ実装などに有用である。

本発明の一実施形態において傾き測定に用いる治具チップと治具基板を示し、（ａ）はその構成を示す断面模式図、（ｂ）は加圧状態を示す断面模式図である。 同実施形態におけるステージの傾き調整機構を示し、（ａ）は配置関係を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視図である。 同実施形態における制御構成図である。 同実施形態における傾き測定・調整動作のフローチャートである。 部品実装装置のステージと実装ヘッドを示す斜視図である。 従来例の傾き測定方法の工程説明図である。

符号の説明

１ 部品実装装置
３ ステージ
４ 実装ヘッド
５ 基板
６ ツール
７ ＩＣ部品
１１ 治具チップ
１３ 電極対
１６ 治具基板
１７ 電極対
１８ 導通検出手段（接触電極検出手段）
２０ 制御手段
２８ 傾き量変換データ
２９ 記憶手段
３６ａ、３６ｂ、３６ｃ 高さ調整手段

Claims (10)

1. ステージ面とステージ面に対して接近離間移動可能なツール面との平行度を測定する平行測定方法であって、複数の電極をほぼ全面に分散配置した治具チップをツール面に保持させるとともに治具チップの各電極に対向するように複数の電極を配設した治具基板をステージ面に設置し、設定加圧力を複数段階に設定し、各段階の設定加圧力でツール面をステージ面に向けて加圧し、各段階の間で治具チップと治具基板の間で互いに接触した前記電極を検出し、互いに接触した前記電極の存在領域の変化に基づいてステージ面とツール面の傾き量を算出することを特徴とする平行測定方法。
2. 前記治具チップに、互いに近接配置されるとともに相互に導通された２つの電極から成る電極対が複数分散配置し、前記治具基板に前記治具チップに対向して配設された各電極対間の導通検出によって接触した電極対を検出することを特徴とする請求項１記載の平行測定方法。
3. 互いに接触した電極の存在領域と実際の傾き量を予め実験的に求めた傾き量変換データを記憶しておき、接触した電極の存在領域と傾き量変換データに基づいて傾き量を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の平行測定方法。
4. ステージ面とステージ面に対して接近離間移動可能なツール面とを平行に調整する平行調整方法であって、請求項１〜３の何れかの平行測定方法にてステージ面とツール面の傾き量を検出する傾き検出工程と、傾き量が許容範囲内であるか否かを判定する判定工程と、傾き量が許容範囲を超えているときにステージ面若しくはツール面を検出した傾き量に応じて調整する傾き調整工程とを有し、傾き調整工程後は再び傾き検出工程に移行してステージ面とツール面の傾き量が許容範囲内となるまで以上の工程を繰り返すことを特徴とする平行調整方法。
5. 傾き調整工程においては、検出した傾き量に応じてステージを支持している３点の高さ位置を調整することを特徴とする請求項４記載の平行調整方法。
6. ステージとステージに対して接近離間移動可能なツールの対向面の平行度を測定する平
   行測定装置であって、ツールに装着可能でかつ複数の電極がほぼ全面に分散配置された治具チップと、ステージに設置可能でかつ治具チップの各電極に対応する複数の電極を配設した治具基板と、治具チップと治具基板の間で互いに接触した電極を検出する接触電極検出手段と、複数段階に設定された加圧力にて前記ツールに保持した前記治具チップを前記治具基板に加圧したときの各段階の間での互いに接触した電極の存在領域の変化に基づいて傾き量を算出する傾き量算出手段とを備えたことを特徴とする平行測定装置。
7. 前記治具チップには、互いに近接配置されるとともに相互に導通された２つの電極から成る電極対が複数分散配置され、前記治具基板に前記治具チップに対向して配設された各電極対にそれぞれ接続した導通検出手段にて接触電極検出手段を構成したことを特徴とする請求項６記載の平行測定装置。
8. 前記傾き量算出手段は、互いに接触した電極の存在領域と実際の傾き量を予め実験的に求めた傾き量変換データを記憶した記憶手段と、前記接触電極検出手段にて検出した電極の存在領域と傾き量変換データに基づいて傾き量を演算する演算手段にて構成したことを特徴とする請求項６又は７記載の平行測定装置。
9. 基板を保持して位置決めする前記ステージと、部品を保持する前記ツールを有し、保持した部品を基板上に実装する実装ヘッドとを備えた部品実装装置であって、請求項６〜８の何れかに記載の平行測定装置を設けたことを特徴とする部品実装装置。
10. 前記ステージを高さ位置調整可能に支持する３つの高さ調整手段を設け、前記平行測定装置にて検出された傾き量に応じて高さ調整手段を動作制御する制御手段を設けたことを特徴とする請求項９記載の部品実装装置。

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