JP4969469B2

JP4969469B2 - 部品実装装置および部品実装方法

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Publication number: JP4969469B2
Application number: JP2008012662A
Authority: JP
Inventors: 祐樹恒川; 弘章薄井
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2009176873A

Description

本発明は、プリント基板などに電子部品等を実装する部品実装装置および部品実装方法に関し、特に、基板に印刷された半田への部品押し込み量を、該半田の高さに応じて調整することができる部品実装装置および部品実装方法に関する。

図７は、従来の部品実装装置の一例である部品実装装置１００を示す斜視図である。この部品実装装置１００は、図７に示すように、部品を吸着・搭載するヘッド部１０２と、ヘッド部１０２をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動機構１０４と、ヘッド部１０２をＹ軸方向に移動させるＹ軸移動機構１０６と、搭載する部品を供給する部品供給部１０８と、部品が搭載される基板Ｓを搬送するとともに位置決めを行う搬送部１１０と、を主要な構成要素としている。

実際に部品の搭載が行われる工場においては、図８に示すように、先頭の半田印刷機１２０に続いて、部品実装装置１００が直列に複数配置され、さらに最後部の部品実装装置１００の後ろにリフロー装置１２２が配置されて、ライン１２４が構成されている。

このライン１２４による部品実装工程では、次のような作業がなされる。まず、半田印刷機１２０で基板Ｓに半田の印刷がなされる。半田が印刷された基板Ｓは、複数の部品実装装置１００に順次搬送され、それぞれの部品実装装置１００において、基板Ｓの所定の位置に所定の部品が搭載される。所定の位置に所定の部品が搭載された基板Ｓは、リフロー装置１２２に搬送されて、加熱される。この加熱により、基板Ｓ上に印刷された半田が溶融し、その後リフロー装置１２２から基板Ｓが搬出されると、溶融した半田が冷えて固まり、部品の電極部分と基板Ｓのランドとの半田付けが完了する。

一方、近年、部品の微小化、基板の小型化が進み、基板に搭載する部品間の隣接距離が短くなってきている。このため、基板への部品搭載時に、基板上の半田に対して部品を過度に押し込んでしまうと、その半田が隣接するランドにまで広がってしまい、半田ブリッジが形成されてしまうなどの不具合が発生するという問題があった。

これに対し、特許文献１に記載の技術では、搭載部品の電極と接触する地点（以下、接触点と記す）の半田の高さを全て測定して、部品の半田への最適な押し込み量を求めて、部品の搭載高さを制御することを行っている。

特開２００６−１９６８１９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、接触点の半田の高さを全て測定して、部品の半田への押し込み量（以下、部品押し込み量と記すことがある）を決定しており、接触点の数が多くなればなるほどタクトが低下するという問題があった。例えば、チップ部品では、１部品につき２点の接触点があり、リード部品においては、リード本数分の接触点がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、基板に印刷された半田の高さに応じた部品押し込み量の制御を行っても、タクトを従来ほど低下させずに部品搭載を行うことができる、部品実装装置および部品実装方法を提供することを課題とする。

部品の押し込みによる半田ブリッジの形成は、過度に部品が半田内に押し込まれた場合に発生する。この過度の押し込みは、基板上に印刷された半田の量が所定の量よりも多くなって、半田の高さが所定の高さよりも高くなっている場合に発生しやすい。このため、半田ブリッジの形成を防ぐためには、基板に印刷された半田の高さを測定して、部品押し込み量を制御することが必要である。しかし、前述のように、接触点の半田の高さを全て測定して部品押し込み量を決定して部品搭載を行うと、タクトが低下してしまう。

一方、基板に印刷された半田の高さがばらつく原因としては、例えば、図１（Ａ）に示すように、半田１を印刷する時の基板Ｓと半田印刷機１２０の印刷面１２０Ａとの平行が取れていないことや、図１（Ｂ）に示すように、基板Ｓが歪んでいることが考えられる。

基板に印刷された半田の高さがばらつくこれらの要因に鑑みると、基板Ｓを所定の大きさ以下の領域に区切り、その領域内で考えれば、印刷された半田の高さのばらつきは小さくなる。

そこで、本発明者は、接触点ごとに半田高さを測定して部品押し込み量の制御を行うのではなく、部品を搭載する基板上の領域を分割し、その分割した領域ごとにいくつかの代表点について半田高さを測定し、その平均値をその分割した領域における半田高さとして決定して、半田への部品の押し込み量を制御することにより、タクトの低下を抑えつつ、半田ブリッジ等の不具合を発生させない部品搭載が可能であると考え、研究開発を進め、本発明をするに至った。

即ち、本発明に係る部品実装装置は、基板に印刷された半田の高さを測定することにより、部品搭載時における部品の該半田への押し込み量を制御して部品を基板上に搭載する部品実装装置であって、基板上の所定の領域内の半田の高さを測定する半田高さ測定手段と、前記所定の領域を設定するとともに、該領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について前記半田高さ測定手段に半田高さを測定させ、その測定値のばらつきが許容範囲内であればその測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、その測定値のばらつきが許容範囲内になければ、前記所定の領域を分割して、分割後の領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について前記半田高さ測定手段に半田高さを測定させ、その測定値のばらつきを求め、所定の分割回数以内であれば、該ばらつきが許容範囲内となるまで前記所定の領域の分割を繰返し行わせ、該ばらつきが許容範囲内となった段階で、分割後の領域内の複数の代表点についての半田高さの測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、設定した該半田高さに基づいて基板上へ部品を搭載する際の前記押し込み量を制御して、部品を基板上に搭載させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る部品実装方法は、印刷された半田の高さを測定する基板上の所定の領域を設定するとともに、該領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について半田高さを測定し、その測定値のばらつきが許容範囲内であればその測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、その測定値のばらつきが許容範囲内になければ、前記所定の領域を分割して、分割後の領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について半田高さを測定し、その測定値のばらつきを求め、所定の分割回数以内であれば、該ばらつきが許容範囲内となるまで前記所定の領域の分割を繰返し行い、該ばらつきが許容範囲内となった段階で、分割後の領域内の複数の代表点についての半田高さの測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、設定した該半田高さに基づいて基板上へ部品を搭載する際の前記押し込み量を制御して、部品を基板上に搭載することを特徴とする。

本発明によれば、基板に部品を搭載する領域内の接触点（代表点）の半田高さのばらつきが、分割した領域ごとに許容範囲内となるまで分割を繰り返し、その分割後の領域ごと（半田高さのばらつきが許容範囲内となった領域ごと）に半田高さを設定するので、その分割後の領域ごとに設定する部品ごとの半田への押し込み量は適切なものとなり、半田ブリッジ等の不具合を発生させないで部品搭載を行うことができる。

また、特許文献１に記載の技術のように、搭載部品の電極と接触する半田の接触点の全てについて半田高さを測定するようなことはしなくてもよく、分割後の領域内における所定の接触点（代表点）のみについて半田高さを測定すればよいので、搭載する部品ごとに押し込み量の補正を行っても、部品搭載時のタクト低下を抑制することができる。

また、半田高さを測定する領域の分割を許容分割回数まで行っても、依然として半田高さのばらつきが許容範囲内に入らない場合には、基板への半田印刷が不良であると判断でき、部品を搭載する前に不良基板を検出することができ、無駄な部品搭載を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態について詳細に説明する。

図２は、本実施形態に係る部品実装装置１０を示す斜視図であり、同図に示すように、この部品実装装置１０は、従来の部品実装装置１００と同様に、部品を吸着・搭載するヘッド部１２と、ヘッド部１２をＸ軸方向に移動させるＸ軸移動機構１４と、ヘッド部１２をＹ軸方向に移動させるＹ軸移動機構１６と、搭載する部品を供給する部品供給部１８と、部品が搭載される基板Ｓを搬送するとともに位置決めを行う搬送部２０と、を主要な構成要素としている。

他方、本実施形態に係る部品実装装置１０では、ヘッド部１２において、基板認識カメラ１２Ａの横に、半田高さ測定装置１２Ｂが配置されている。半田高さ測定装置１２Ｂは、レーザによる三角測量を測定原理とする高さ測定装置であり、ヘッド部１２に搭載できるコンパクトな大きさの装置である。そして、本実施形態に係る部品実装装置１０では、所定の領域に区切られた基板Ｓの領域ごとに、この半田高さ測定装置１２Ｂにより代表点について半田高さを測定し、その領域ごとに半田高さの平均値を求め、その平均値をその領域における半田高さとして用いて、部品搭載時に、部品の半田への押し込み量を制御できるようになっている。

図３は、部品実装装置１０において部品搭載時の部品押し込み量の制御をする際の制御ブロック図である。

制御部３０は、Ｘ軸移動機構１４およびＹ軸移動機構１６によってヘッド部１２の位置を制御する。また、ヘッド部１２に指令を発し、基板認識カメラ１２Ａに基板Ｓを撮像させ、その撮像結果に基づき、基板Ｓの位置を認識する。また、基板Ｓ上に搭載する部品の位置データに基づき、半田高さを測定する基板Ｓ上の長方形の領域Ｔを決定して記憶部３０Ａに記憶する。さらに、領域Ｔ内および領域Ｔの分割後の領域内の複数の接触点（代表点）を決定して記憶部３０Ａに記憶するとともに、その代表点の半田高さを半田高さ測定装置１２Ｂに測定させ、その測定値のばらつきが許容範囲内であれば、その平均値を算出し、算出した平均値をその領域内の半田高さとして決定して記憶部３０Ａに記憶する。半田高さの測定値のばらつきが許容範囲を超えていれば、分割後の領域内の接触点（代表点）の半田高さのばらつきが許容範囲内になるまで領域Ｔの分割を行って、分割後の領域についての半田高さを決定して記憶部３０Ａに記憶する。そして、決定した半田高さに基づいて、その領域内での部品搭載時の部品押し込み量を部品ごとに決定して記憶部３０Ａに記憶する。そして、決定した部品押し込み量に基づいて部品搭載時の吸着ノズル１２Ｃの下降量を決定して、ヘッド部１２に指令を発して基板Ｓに部品の搭載を行わせる。

次に、部品押し込み量の制御を行って基板Ｓに部品搭載を行う際の手順について、図４のフローチャートを用いてさらに詳細に説明する。

まず、基板Ｓ上に部品を搭載するための実際の動作に入る前に、制御部３０に、領域Ｔ内および領域Ｔの分割後の領域内の半田高さを測定する接触点（代表点）の測定点数、測定した半田高さのばらつきの許容範囲、領域Ｔの許容分割回数、基板Ｓ上に搭載する部品の位置データを入力し、記憶部３０Ａに記憶させる（ステップＳ１）。このデータ入力は、基板Ｓを変更するごとに行う。

次に、制御部３０は、基板認識カメラ１２Ａによる撮像結果に基づき、基板Ｓの位置を認識し、Ｘ軸移動機構１４およびＹ軸移動機構１６に指令を発して、ヘッド部１２を基板Ｓの上方の所定の位置に移動させる（ステップＳ２）。

制御部３０は、基板Ｓ上に搭載する部品の位置データに基づき、半田高さを測定する長方形の領域Ｔを自動で決定して記憶部３０Ａに記憶する（ステップＳ３）。ステップＳ３で決定された領域Ｔは、分割回数が０回（分割回数ｎ＝０）のときの領域となる。

ステップＳ３で決定された半田高さを測定する領域ＴをＮ等分（Ｎ＝２^ｎ（ｎは分割回数））した領域Ｔ_ｎ−１、Ｔ_ｎ−２、・・・・、Ｔ_ｎ−Ｎのそれぞれについて、そのそれぞれの領域の４隅から最も距離的に近い接触点（合計で４点）を制御部３０が自動で決定して、代表点として取得し、記憶部３０Ａに記憶する（ステップＳ４）。半田高さを測定する領域Ｔを分割して得られる領域は、分割回数が０のときは、領域Ｔ_０−１の１つであるが、分割回数が１回（２等分）のときは、領域Ｔ_１−１、領域Ｔ_１−２の２つになり、分割回数が２回（４等分）のときは、領域Ｔ_２−１、領域Ｔ_２−２、領域Ｔ_２−３、領域Ｔ_２−４の４つになり、分割回数が３回（８等分）のときは、領域Ｔ_８−１、領域Ｔ_８−２、領域Ｔ_８−３、領域Ｔ_８−４、領域Ｔ_８−５、領域Ｔ_８−６、領域Ｔ_８−７、領域Ｔ_８−８の８つになる。半田高さを測定する領域Ｔを１等分、２等分、４等分、８等分した状況をそれぞれ図５（Ａ）〜（Ｄ）に模式的に示す。なお、Ｎ等分する方法は、Ｎが２以上のとき（２等分以上のとき）複数あるが、Ｎ等分後の各領域の長辺と短辺の比が最も１に近くなる等分方法を選択するものとする。また、分割後の領域のうち、部品の電極との接触点がない領域については半田高さの測定は行わない。

ステップＳ３で取得した領域Ｔ_ｎ−１、Ｔ_ｎ−２、・・・・、Ｔ_ｎ−Ｎのそれぞれの領域における４つの代表点について、半田高さ測定装置１２Ｂにより半田高さの測定を行う（ステップＳ５）。

測定した半田高さの最大値から最小値を引いた値をばらつきとし、領域Ｔ_ｎ−１、Ｔ_ｎ−２、・・・・、Ｔ_ｎ−Ｎのそれぞれの領域において、このばらつきが許容範囲内にあるかどうかを判断する（ステップＳ６）。ばらつきが許容範囲内であれば、測定した４点の半田高さの平均値を、その領域における半田高さとし、記憶部３０Ａに記憶する（ステップＳ７）。そして、この領域については、以降は分割を行わない。ばらつきが許容範囲を超えていれば、分割回数ｎが許容分割回数以下であるかどうかを判断し（ステップＳ６Ａ）、分割回数ｎが許容分割回数以下であれば分割回数ｎを１増やしてｎ＝ｎ＋１とし、ステップＳ４にもどる。分割回数ｎが許容分割回数を超えていれば、部品実装装置のディスプレイ（図示せず）にエラー表示をして（ステップＳ６Ｂ）、終了する。

領域Ｔ_ｎ−１、Ｔ_ｎ−２、・・・・、Ｔ_ｎ−Ｎのそれぞれの領域についてステップＳ７で得られた半田高さに基づき、それぞれの領域で、部品ごとに半田への押し込み量を決定して記憶部３０Ａに記憶する（ステップＳ８）。決定した部品押し込み量に基づき、それぞれの領域において、部品ごとにヘッド部１２の吸着ヘッド１２Ｃの下降量を決定して記憶部３０Ａに記憶し、基板Ｓ上に部品の搭載を行う（ステップＳ９）。基板Ｓ上に全ての部品の搭載が終われば（ステップＳ１０）、一連の作業は終了する。

以上説明したように、本実施形態では、基板Ｓに部品を搭載する領域内の接触点（代表点）の半田高さのばらつきが、分割した領域ごとに許容範囲内となるまで分割を繰り返し、その分割後の領域ごと（半田高さのばらつきが許容範囲内となった領域ごと）に半田高さを設定するので、その分割後の領域ごとに設定する部品ごとの半田への押し込み量は適切なものとなり、半田ブリッジ等の不具合を発生させないで部品搭載を行うことができる。

また、半田高さを測定する領域の分割を許容分割回数まで行っても、依然として半田高さのばらつきが許容範囲内に入らない場合には、部品実装装置のディスプレイ（図示せず）にエラー表示をするようになっているので、部品を搭載する前に不良基板を検出することができ、無駄な部品搭載を行うことを防止することができる。

なお、以上説明した実施形態では、半田高さのばらつきが許容範囲内にある領域については分割を行わず、半田高さのばらつきが許容範囲を超えている領域のみについて分割を行うようにしているので、例えば１分割後の領域Ｔ_１−１については半田高さのばらつきが許容範囲内となったが、１分割後のもう一方の領域Ｔ_１−２については半田高さのばらつきが許容範囲を超えているような場合には、領域Ｔ_１−２についてのみさらに分割を行うこととなる。領域Ｔ_１−２についての半田高さのばらつきを許容範囲内にするため、領域Ｔ_１−２を例えばさらに２回分割することが必要となった場合は、分割後の最終的な領域の状況は図６に示すようになる。

このように半田高さのばらつきが許容範囲を超えている領域のみについて分割を行うようにしたほうが、半田高さを測定する接触点（代表点）の数を全体として減らすことができるので、部品搭載におけるタクトへの悪影響を抑制することができる。また、ある領域のみ、許容分割回数内に半田高さのばらつきが許容範囲に入らなかった場合は、その領域に半田印刷の際の不良が生じていると推定でき、半田印刷機１２０の整備にフィードバックすることができる。

また、以上説明した実施形態では、１つの領域において半田高さを測定する接触点（代表点）は、その領域の４隅から最も距離的に近い接触点とし、合計で４点としたが、半田高さを測定する接触点（代表点）の選定方法はこの方法に限られず、基板Ｓ上の半田印刷の状況によって適宜選定方法を変えてもよい。例えば、１つの領域において半田高さを測定する接触点（代表点）を、その領域の４隅から最も距離的に近い４つの接触点と、その領域の中心に最も距離的に近い１つの接触点との合計５点とする選定方法を用いてもよく、この場合、例えば、基板の中央部がたわんでいるような場合であっても、適切な半田高さを設定することが可能となる。さらに、分割回数が少ない場合（例えば分割回数ｎが１以下の場合）には、１つの領域における半田高さを測定する接触点（代表点）の数を５点とし、分割回数が多くなった場合（例えば分割回数ｎが２以上の場合）には、１つの領域における半田高さを測定する接触点（代表点）の数を４点としてもよい。

また、以上説明したようにして設定された、分割された領域ごとの半田高さを用いて、基板Ｓに搭載する全部品について押し込み量を設定しなくてもよく、例えば、重要な部品については、従来技術のように、部品の電極が半田と接触する接触点の全てについて半田高さを測定して当該部品の押し込み量を決定してもよい。このようにすることで、重要部品については、精密な押し込み量制御を行いつつ、部品搭載作業の全体としてはタクトの改善を図ることができる。

また、部品を搭載しない領域が基板Ｓ上に存在する場合、ステップＳ３で決定する領域Ｔを、１つではなく複数とした方が全体として半田高さの測定点数を減らすことができることもあると考えられるが、この場合は領域Ｔを最初から複数設定して、設定したそれぞれの領域Ｔに対して、以上説明した手順に従って操作を行い、半田高さの設定を行えばよい。

また、以上説明した実施形態では、最初に設定する領域Ｔおよび分割後の領域を長方形としたが、最初に設定する領域Ｔおよび分割後の領域は長方形でなくてもよく、基板Ｓになされた半田印刷の状況に応じて適切な形状を選択することができる。

また、領域ＴをＮ等分する際、複数の等分方法がある場合には、Ｎ等分後の各領域の長辺と短辺の比が最も１に近くなる方法を選択するものとしたが、分割方法はこれに限定されない。例えば、基板Ｓになされた半田印刷の状況によっては、基板Ｓの長手方向のみについて分割する等分方法を採用した方が適切となる場合があると考えられる。さらに、領域Ｔを分割する方法は、等分でなくてもよい。

また、半田高さのばらつきは、測定した半田高さの最大値から最小値を引いた値としたが、半田高さのばらつきの評価方法はこれに限定されない。例えば、１つの領域における測定点数が多い場合には、標準偏差でばらつきを評価した方が適切となる場合があると考えられる。

また、以上説明した実施形態では、半田高さ測定装置１２Ｂを、レーザによる三角測量を測定原理とする高さ測定装置としたが、半田高さ測定装置１２Ｂはこれに限られず、異なる測定原理によるものでもよい。ただし、半田高さ測定装置１２Ｂの大きさは、ヘッド部１２に搭載できるコンパクトな大きさであることが好ましい。

基板の半田印刷の高さがばらつく原因を模式的に示す図本発明の実施形態に係る部品実装装置を示す斜視図前記装置において部品搭載時の部品押し込み量の制御をする際の制御ブロック図部品押し込み量の制御を行って基板に部品搭載を行う手順を示すフローチャート半田高さを測定する領域を分割した状況を模式的に示す図で、（Ａ）分割回数０回（１等分）の場合、（Ｂ）分割回数１回（２等分）の場合、（Ｃ）分割回数２回（４等分）の場合、（Ｂ）分割回数３回（４等分）の場合半田高さを測定する領域を分割した状況の他の例を模式的に示す図従来の部品実装装置の一例を示す斜視図部品搭載の際のライン構成の一例を模式的に示す図

符号の説明

１…半田
１０、１００…部品実装装置
１２、１０２…ヘッド部
１２Ａ…基板認識カメラ
１２Ｂ…半田高さ測定装置
１２Ｃ…吸着ノズル
１４、１０４…Ｘ軸移動機構
１６、１０６…Ｙ軸移動機構
１８、１０８…部品供給部
２０、１１０…搬送路
３０…制御部
３０Ａ…記憶部
１２０…半田印刷機
１２０Ａ…印刷面
１２２…リフロー装置
Ｓ…基板
Ｔ…領域

Claims

基板に印刷された半田の高さを測定することにより、部品搭載時における部品の該半田への押し込み量を制御して部品を基板上に搭載する部品実装装置であって、
基板上の所定の領域内の半田の高さを測定する半田高さ測定手段と、
前記所定の領域を設定するとともに、該領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について前記半田高さ測定手段に半田高さを測定させ、その測定値のばらつきが許容範囲内であればその測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、その測定値のばらつきが許容範囲内になければ、前記所定の領域を分割して、分割後の領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について前記半田高さ測定手段に半田高さを測定させ、その測定値のばらつきを求め、所定の分割回数以内であれば、該ばらつきが許容範囲内となるまで前記所定の領域の分割を繰返し行わせ、該ばらつきが許容範囲内となった段階で、分割後の領域内の複数の代表点についての半田高さの測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、設定した該半田高さに基づいて基板上へ部品を搭載する際の前記押し込み量を制御して、部品を基板上に搭載させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする部品実装装置。
印刷された半田の高さを測定する基板上の所定の領域を設定するとともに、該領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について半田高さを測定し、
その測定値のばらつきが許容範囲内であればその測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、
その測定値のばらつきが許容範囲内になければ、前記所定の領域を分割して、分割後の領域内において複数の代表点を決定して、該複数の代表点について半田高さを測定し、その測定値のばらつきを求め、所定の分割回数以内であれば、該ばらつきが許容範囲内となるまで前記所定の領域の分割を繰返し行い、該ばらつきが許容範囲内となった段階で、分割後の領域内の複数の代表点についての半田高さの測定値に基づき該領域内の半田高さを設定し、
設定した該半田高さに基づいて基板上へ部品を搭載する際の前記押し込み量を制御して、部品を基板上に搭載することを特徴とする部品実装方法。