JP5488850B2 - 液体材料吐出装置及び方法 - Google Patents

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Description

本発明は、接着剤等の粘性流体を含む液体材料を対象物に吐出する液体材料吐出装置及び方法に関する。
チップ部品を基板上に実装する方法として、チップ部品の表面に接続用のバンプ(突起電極)を設け、チップ部品の表面を基板側に向けて実装するフリップチップ実装が知られている。フリップチップ実装においては、実装後に、基板上の電極とバンプとの接続を保護するためにアンダーフィル(封止材)を基板とチップ部品との間に流し込むのが一般的である。アンダーフィル等の液体材料の注入には高精度の吐出量制御が可能な液体材料吐出装置(例えば下記特許文献1参照)を利用可能である。
特開2011−147838号公報
図10(A)は、基板11のキャビティ111にチップ部品100をフリップチップ実装した状態の断面図である。図10(B)は、同状態で位置ずれが無い場合の平面図である。図10(C)は、同状態で位置ずれが有る場合の平面図である。基板11は、キャビティ基板であり、チップ部品100を実装するためのキャビティ111を有する。なお、多数個取りの場合は、キャビティ111が多数設けられる。実装状態では、チップ部品100の表面に設けられた複数のバンプ101(半田等)とキャビティ111の底面の電極(不図示)とが電気的に接続される。液体材料は、チップ部品100の側面とキャビティ111の内側面とのギャップ120(チップ部品100の周囲のギャップ120)から注入されて、チップ部品100の表面とキャビティ111の底面との間(バンプ101の周囲)に流し込まれる。
ギャップ120の寸法L1〜L4(図10(B)に示す位置ずれ無しの場合)は、現状では例えば200μm程度であり、今後さらに短くなることが予想される。ここで、ギャップ120の寸法を200μmとして実装するとしても、実装時の位置ずれや電極の位置ずれなどを含めると±50μm程度の誤差が生じうる。すなわち、液体材料注入前の実装状態において、ギャップ120の実際の寸法L1’〜L4’(図10(C)に示す位置ずれ有りの場合)は、150〜250μmと幅がある。このギャップ寸法の誤差は塗布する液体材料の必要量に大きく影響するため、実際のギャップ寸法を考慮せずに想定のギャップ寸法(位置ずれ無しの場合のギャップ寸法)を基に液体材料を定量吐出する手法では、注入する液体材料の量に過不足が生じるという問題がある。
本発明はこうした状況を認識してなされたものであり、その目的は、チップ部品周囲の実際のギャップ寸法に応じた吐出量制御が可能な、液体材料吐出装置及び方法を提供することにある。
本発明のある態様は、液体材料吐出装置である。この液体材料吐出装置は、基板に実装されたチップ部品の周囲のギャップから液体材料を注入する液体材料吐出装置であって、前記ギャップの実際の寸法情報を取得する手段を備え、前記ギャップの実際の寸法情報を前記チップ部品の複数の側面の各々について取得し、前記寸法情報に応じて液体材料の吐出量を制御する。
前記ギャップの実際の寸法情報とそれに応じた吐出量制御情報とを記憶したテーブルを備えてもよい。
前記チップ部品を上方から撮像するカメラを備え、前記カメラで撮像した画像から前記ギャップの実際の寸法情報を取得してもよい。
前記基板にはキャビティが形成され、前記キャビティに前記チップ部品が実装され、前記ギャップは前記チップ部品の側面と前記キャビティの内側面とのギャップであってもよい。
前記チップ部品は基板上にフェイスダウン実装されて前記チップ部品のバンプと前記基板の電極とが相互に接続され、前記バンプの周囲に液体材料を流し込んでもよい。
貯液部と、前記貯液部の内部に存在する液体材料を吐出する吐出部と、吐出制御部とを備え、前記吐出制御部は、前記ギャップの実際の寸法情報に応じて、吐出時に前記貯液部の内部に付加する圧力の値、前記圧力の付加時間、所定時間毎の吐出回数の少なくともいずれかを制御してもよい。
本発明の別の態様は、液体材料吐出方法である。この液体材料吐出方法は、基板に実装されたチップ部品の周囲のギャップの実際の寸法情報を前記チップ部品の複数の側面の各々について取得し、前記寸法情報に応じて液体材料の吐出量を制御し、前記ギャップから液体材料を注入する。
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現をシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、チップ部品周囲の実際のギャップ寸法に応じた吐出量制御が可能となる。
本発明の実施の形態に係る液体材料吐出装置の要部側断面図。 吐出圧補正テーブルの作成手順を示すフローチャート。 真空圧補正テーブルの作成手順を示すフローチャート。 補正テーブル作成後の自動運転動作の一例を示すフローチャート。 1つのニードル503に対して1つ設けられた小型カメラ585の配置説明図。 本発明の実施の形態に係る液体材料吐出装置の平面図。 同液体材料吐出装置の正面図。 同液体材料吐出装置の右側面図。 同液体材料吐出装置のディスペンサユニット5内の配管説明図。 (A)は基板11のキャビティ111にチップ部品100をフリップチップ実装した状態の断面図、(B)は同状態で位置ずれが無い場合の平面図、(C)は同状態で位置ずれが有る場合の平面図。 ショット回数補正テーブルの作成手順とショット回数補正テーブルを使用して塗布する動作の一例を示すフローチャート。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
まず、図6〜図9を参照して本装置の全体構成を説明した後に、図1〜図5により要部を詳細に説明する。
図6は、本発明の実施の形態に係る液体材料吐出装置の平面図である。図7は、同液体材料吐出装置の正面図である。図8は、同液体材料吐出装置の右側面図である。図9は、同液体材料吐出装置のディスペンサユニット5内の配管説明図である。この液体材料吐出装置は、基台1と、載置台2と、XYZテーブル3と、ディスペンサユニット5と、光学センサ7と、光学センサ駆動系8と、搬送ユニット9と、主制御部12とを備える。なお、水平面内で直交する2方向をX方向及びY方向、鉛直方向をZ方向と定義している。
載置台2は基台1の上面に固定され、XYZテーブル3は載置台2に固定され、ディスペンサユニット5はXYZテーブル3によってXYZの各方向に移動自在に支持される。光学センサ駆動系8は基台1の上面に固定され、液面検出用の光学センサ7が光学センサ駆動系8によってZ方向に移動自在に支持される。搬送ユニット9は基台1の上面に固定され、塗布対象物としての基板11が搬送ユニット9によってX方向に搬送される。基板11のキャビティ111には図10(A)に示すようにチップ部品100がフェイスダウン実装されてチップ部品100のバンプ101と基板11の電極(不図示)とが相互に接続されており、液体材料吐出装置はチップ部品100の表面とキャビティ111の底面との間(バンプ101の周囲)に液体材料を流し込む。主制御部12は、基台1(筐体)の内部にあって装置全体の動作を制御するもので、記憶部13と演算部15と吐出制御部17とを有する。
XYZテーブル3は、台板301と、X軸スライドガイド303と、X軸スライダ305と、Y軸支持フレーム311と、Y軸スライドガイド313と、Y軸スライダ315と、Z軸支持フレーム321と、Z軸スライドガイド323と、Z軸スライダ325とを有する。
台板301は載置台2の上面に固定され、X軸スライドガイド303は台板301の上面に固定され、Xスライダ305はボールネジ駆動機構で駆動されてX軸スライドガイド303に沿って移動可能である。なお、ボールネジ駆動機構は、ボールネジ軸をモータで回転駆動することで、該ボールネジ軸に螺合するボールネジナットを該ボールネジ軸の軸方向に移動するものである。
Y軸支持フレーム311はX軸スライダ305に固定され、Y軸スライドガイド313はY軸支持フレーム311に固定され、Y軸スライダ315はボールネジ駆動機構で駆動されてY軸スライドガイド313に沿って移動可能である。Z軸支持フレーム321はY軸スライダ315に固定され、Z軸スライドガイド323はZ軸支持フレーム321に固定され、Z軸スライダ325はボールネジ駆動機構で駆動されてZ軸スライドガイド323に沿って移動可能である。したがって、Z軸スライダ325はXYZの各方向に移動自在であり、Z軸スライダ325に取り付けられたディスペンサユニット5もXYZの各方向に移動自在である。
ディスペンサユニット5は、貯液部501及び吐出部としてのニードル503並びにこれらに対する配管を図示の例では1系統有する。図9に示すように、各系統の貯液部501は、切替弁551を介して圧空源591及び真空源592に接続されている。切替弁551と圧空源591及び真空源592との間にはそれぞれ調圧弁596,597があり、貯液部501内の圧力を調整可能である。負圧は遮蔽弁561によって遮蔽可能である。また、開放弁562を開くことで貯液部501の内部圧力を大気圧に等しくできる。各々の弁は吐出制御部17によって制御される。
水平一軸或いは二軸方向(すなわちXY方向)に移動可能なフレームとしてのZ軸支持フレーム321には下方を(すなわち基板11を上方から)撮像可能な上カメラ587(鉛直方向の視野軸を有する)が取り付け固定され、基板11のキャビティ111及びキャビティ111内のチップ部品100を撮像可能である。ニードル503を側方から撮像するために横カメラ580が基台1に取り付けられ、ニードル503の下端に保持された液摘を撮像可能である。また、下カメラ581(鉛直方向の視野軸を有する)は基台1に固定され、ニードル503を下方から撮像可能である。
本装置の全体的な動作を概説する。まず、図6の搬送ユニット9の搬入部91に塗布対象物としての基板11が供給される。基板11は、搬入部91から塗布部95まで搬送されて所定位置に位置決めされる。ディスペンサユニット5は、XYZテーブル3の支持により塗布部95上(基板11上)に移動し、液体材料を基板11に塗布する。塗布作業が終了すると、基板11は搬出部97に搬送されて排出される。なお、必要に応じて、塗布部95の前段に予熱部を設けてヒータ等の予熱手段で基板11の温度を上げ、塗布部95の後段に冷却部を設けて基板11の温度を下げ、塗布された液体を凝固、安定させるようにしてもよい。所定数の基板11に対して塗布作業を実行後、ディスペンサユニット5はY方向に後退し、ここで光学センサ7によりディスペンサユニット5の残存液量(液面)検出が行われる。検出方法の詳細は後述する。残存液量に応じて必要があれば液体材料の吐出圧力を補正する(水頭差補正)。補正に必要なデータは主制御部12内の記憶部13に格納されている。データの取得方法の詳細は後述する。こうして液体材料の量に応じた適当な吐出圧力が維持される。
図1は、本発明の実施の形態に係る液体材料吐出装置の要部側断面図である。
貯液部501とニードル503は、相互に着脱自在に取り付けられる(貯液部501下端部の雄ネジとニードル503上端部の雌ネジとが螺合されている)。ニードル503はニードルホルダ533に保持され、貯液部501はケース511に保持される。ニードルホルダ533はケース511に固定されており、貯液部交換時はケース511から貯液部501のみを取り外すことができる。
図1に示すように、基台1の上面に固定された光学センサ駆動系8は、ボールネジ駆動機構によって光学センサ7を貯液部501の側方でZ方向(貯液部501の高さ方向)に移動自在に支持する。
図8に示す記憶部13は、1つの液体材料について複数通りの液量並びに各液量に対応する吐出圧力及び吸引圧力を、相互に関連づけて補正テーブルとして記憶している。吐出制御部17は、記憶部13の補正テーブルを参照して貯液部501の内部の圧力を制御する。補正テーブルは、吐出圧補正テーブルと真空圧補正テーブルとに分かれる。以下、各テーブルの作成手順について説明する。
図2は、吐出圧補正テーブルの作成手順を示すフローチャートである。まず、液体材料としての樹脂の充填率をそれぞれ100%及び20%とした2つの貯液部501を液体材料吐出装置にセットする(S11)。操作者は検出ボタンを押下する(S12)。光学センサ7により、貯液部501内の樹脂量検出を実施する(S13)。これは正確な充填率を知るためである。次に、所定の吐出圧力で貯液部501のニードル503からワンショット吐出を行い、その重量を例えば精密天秤で測定する(S14)。充填率100%及び20%の場合のワンショット吐出の重量を比較し(S15)、両者が相違すれば本図の場合は充填率20%の側の貯液部501の吐出圧を変更し(S16)、両者が同じになるまでワンショット吐出と重量測定、比較を繰り返す。そして両者が同じになったときの吐出圧値を記憶する(S17)。演算部15は、充填率100%〜20%までの間の吐出圧値を所定の関数で補間(例えば直線補間)し、吐出圧補正テーブルを作成する(S18)。補間に用いる関数は実験的に定めることができる。
図3は、真空圧補正テーブルの作成手順を示すフローチャートである。まず、液体材料としての樹脂の充填率をそれぞれ100%及び20%とした2つの貯液部501を液体材料吐出装置にセットする(S31)。操作者は検出ボタンを押下する(S32)。光学センサ7により、貯液部501内の樹脂量検出を実施する(S33)。ニードル503の先端(下端)に所定量の液摘を吐出させた後、横カメラ580で液摘を撮像しながら画像処理により真空校正を実施する(S34)。真空校正ではニードル503の下端の球状液摘が充填率100%及び20%で同じように引き込まれるように吸引圧力(真空値)を決定し(S35)、決定した真空値を記憶する(S36)。真空校正には例えば本出願人提案の特開2007−29912号に開示の技術が利用可能である。簡単に説明すると、ニードル503の下端に液滴が保持された状態で横カメラ580にて撮像し、撮像した液滴の形状から当該液滴の下端とニードル503の基準位置(下端)との距離を演算部15で算出する。算出した距離が一定時間設定された範囲内にとどまるように吐出制御部17で真空値を調整する。演算部15は、充填率100%〜20%までの間の真空値を所定の関数で補間(例えば直線補間)し、真空値補正テーブルを作成する(S37)。補間に用いる関数は実験的に定めることができる。
なお、吐出圧補正テーブル及び真空圧補正テーブルのいずれの作成手順においても、貯液部501の樹脂充填率100%及び20%に替えて又は加えて、例えば40%及び60%の充填率としたものについて吐出圧値及び真空値を決定してもよい。
吐出圧補正及び真空圧補正を含めた自動運転動作の流れについて説明する。図4は、補正テーブル作成後の自動運転動作の一例を示すフローチャートである。本図の例では、基板一枚について塗布が終了するごとに(S51)、光学センサ7による樹脂量検出を実施する(S52)。樹脂量が十分であれば吐出圧補正の要否を判断し(S53)、必要があれば吐出圧を補正する(S54)。樹脂残量が十分でなければ貯液部交換を行い(S55)、貯液部イニシャル(充填率100%の貯液部を取り付けたことを装置に認識させる操作)を実施し(S56)、樹脂量検出(S57)の後、真空圧補正の要否を判断する(S58)。必要があれば真空圧を補正し(S59)、次の基板の塗布を実行する。なお、真空圧の補正は、S54のステップにおいて吐出圧の補正と併せて行ってもよい。
本実施の形態では、液量(樹脂の充填率)に応じた上記の吐出制御に加え、チップ部品100の周囲のギャップ120の寸法に応じて液体材料としての樹脂(アンダーフィル)の吐出量を制御する。図10(B),(C)で既述のように、チップ部品100の位置ずれが無いと仮定した場合の(理想状態の)ギャップ120の寸法L1〜L4を例えば200μmとしたとき、ギャップ120の実際の寸法L1’〜L4’は150〜250μmと幅がある。このため、ギャップ120の寸法が200μmである場合に対応する定量吐出では、樹脂が過剰となってキャビティ111からあふれたり、逆に樹脂が不足してバンプ101の周囲に十分に行き渡らない等の問題が発生する。
そこで、本実施の形態では、吐出に先だってギャップ120の実際の寸法情報を取得して、この寸法情報に応じて樹脂の吐出量を制御する。図8に示す記憶部13は、1つの液体材料についてチップ部品100の複数通りの実際の寸法情報とそれに応じた吐出量制御情報とを相互に関連づけて補正テーブルとして記憶している。寸法情報は、寸法そのものであってもよいし、真値(位置ずれが無いと仮定した場合のギャップ寸法)との誤差や比率であってもよい。また、吐出量制御情報は、吐出量そのものであってもよいし、例えば吐出制御部17が貯液部501の内部に付加する圧力の値、前記圧力の付加時間、所定時間毎の吐出回数(ショット回数)の少なくともいずれかであってもよい。寸法情報と吐出量制御情報との関係は事前に実験やシミュレーション(計算)によって求めておくことができる。
吐出量制御の流れは以下のとおりである。本実施の形態では、上カメラ587により基板11を上方から撮像し、画像処理によりチップ部品100の側面とキャビティ111の内側面とのギャップ120(チップ部品100の周囲のギャップ120)の実際の寸法情報を各側面について取得し(すなわち図10(C)の寸法L1’〜L4’に関する情報を導出し)、取得した寸法情報に対応する吐出量制御情報を記憶部13に読み込む。そして、ニードル503をギャップ120の上方に移動し、吐出制御部17は読み込んだ吐出量制御情報に従って貯液部501の内部の圧力を制御し、樹脂の吐出、注入を行う。樹脂の吐出、注入はギャップ120の辺ごとに順次実施する。ギャップ120の寸法が大きい辺からの注入量は多くし、小さい辺からの注入量は小さくする。なお、寸法情報の取得をギャップ120の各辺について行ったあとに樹脂の注入を辺ごとに順次実施してもよいし、ある辺について寸法情報の取得と樹脂の注入を行った後、次の辺について寸法情報の取得と樹脂の注入を行う流れとしてもよい。
図11は、ショット回数補正テーブルの作成手順とショット回数補正テーブルを使用して塗布する動作の一例を示すフローチャートである。まず、樹脂が充填された貯液部501(シリンジ)を液体材料吐出装置に装着し(S71)、光学センサ7により貯液部501内の樹脂量検出を実施する(S72)。次に、各辺毎に基準ギャップ寸法・基準吐出体積・基準ショット回数を設定する(S73)。設定後、操作者は自動運転画面に切替え(S74)、自動運転ONする(S75)。自動運転開始後、上カメラ587で各辺のギャップ寸法の計測を実施する(S76)。計測したギャップ寸法が登録したギャップ寸法(基準ギャップ寸法)と同値であれば(S77のYes)、ショット回数値をギャップ寸法とともに記憶する(S79)。異なる値であれば(S77のNo)、基準ショット回数に補正係数を掛けて値(補正後のショット回数値)を算出し(S78)、ギャップ寸法とともに補正後のショット回数値を記憶する(S79)。補正係数は基準ギャップ寸法、基準吐出体積、基準ショット回数、樹脂重量計測で算出されるFlowRate(1ショットあたりの重量)で算出される。(基準ギャップ−50μm)〜(基準ギャップ+50μm)までの間のショット回数値を所定の関数で補間(例えば直線補間)し、ショット回数補正テーブルを作成する(S80)。その後、ショット回数補正テーブルの補正値を使用して補正を実行し(S81)、塗布(吐出)を実行する(S82)。
図5に示すように、傾斜カメラとしての小型カメラ585(傾斜方向の視野軸を有する)がニードル503とともにZ軸スライダ325に取り付けられており、小型カメラ585はXYZ各方向にニードル503とともに移動可能である。これにより、小型カメラ585でニードル503の下端を図示の例では斜め上方から常時撮像することができ、例えば操作者がニードル503の下端の汚れ等を監視するのに便利である。
本実施の形態によれば、チップ部品100の周囲の実際のギャップ寸法に応じた吐出量制御を行うため、定量吐出の場合と比較して過不足の少ない適切な量の樹脂注入が可能となり、信頼性の高い液体材料吐出装置を実現できる。また、ギャップ120の各辺について実際の寸法情報を取得し、辺ごとに異なる吐出量制御を行うので、様々な位置ずれに柔軟に対応できる。
以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。
チップ部品100は基板11のキャビティ111内に実装される場合に限定されず、またギャップ120はチップ部品100と他の部品との間のギャップであってもよい。
上カメラ587は、Z方向についてもディスペンサユニット5と共に動作してもよい。また、ディスペンサユニット5は複数系統設けられてもよく、この場合、上カメラ587を同数設けてもよい。
実施の形態では1基板の塗布が終了するごとに光学センサ7による樹脂量検出を実施する例を説明したが、樹脂量検出は複数基板あるいはロット単位の塗布が終了するごと実施してもよい。
実施の形態におけるディスペンサユニット5は、非接触塗布方式(ジェットディスペンサ等、特開2002−282740号公報)としてもよく、同じように本発明の作用効果が実現される。
1 基台
2 載置台
3 XYZテーブル
5 ディスペンサユニット
7 光学センサ
8 光学センサ駆動系
9 搬送ユニット
12 主制御部
13 記憶部
15 演算部
17 吐出制御部
501 貯液部
503 ニードル
511 ケース
533 ニードルホルダ
587 上カメラ

Claims (7)

  1. 基板に実装されたチップ部品の周囲のギャップから液体材料を注入する液体材料吐出装置であって、前記ギャップの実際の寸法情報を取得する手段を備え、前記ギャップの実際の寸法情報を前記チップ部品の複数の側面の各々について取得し、前記寸法情報に応じて液体材料の吐出量を制御する、液体材料吐出装置。
  2. 前記ギャップの実際の寸法情報とそれに応じた吐出量制御情報とを記憶したテーブルを備える請求項1に記載の液体材料吐出装置。
  3. 前記チップ部品を上方から撮像するカメラを備え、前記カメラで撮像した画像から前記ギャップの実際の寸法情報を取得する、請求項1又は2に記載の液体材料吐出装置。
  4. 前記基板にはキャビティが形成され、前記キャビティに前記チップ部品が実装され、前記ギャップは前記チップ部品の側面と前記キャビティの内側面とのギャップである、請求項1から3のいずれか一項に記載の液体材料吐出装置。
  5. 前記チップ部品は基板上にフェイスダウン実装されて前記チップ部品のバンプと前記基板の電極とが相互に接続され、前記バンプの周囲に液体材料を流し込む、請求項1からのいずれか一項に記載の液体材料吐出装置。
  6. 貯液部と、前記貯液部の内部に存在する液体材料を吐出する吐出部と、吐出制御部とを備え、前記吐出制御部は、前記ギャップの実際の寸法情報に応じて、吐出時に前記貯液部の内部に付加する圧力の値、前記圧力の付加時間、所定時間毎の吐出回数の少なくともいずれかを制御する、請求項1からのいずれか一項に記載の液体材料吐出装置。
  7. 基板に実装されたチップ部品の周囲のギャップの実際の寸法情報を前記チップ部品の複数の側面の各々について取得し、前記寸法情報に応じて液体材料の吐出量を制御し、前記ギャップから液体材料を注入する、液体材料吐出方法。
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