JP5964520B2 - 電子部品接合装置および電子部品接合方法 - Google Patents
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Description
以下、本発明の実施の形態にかかる電子部品接合装置1ついて図面を参照しながら説明する。以下の説明において、矢示X1方向を電子部品接合装置1の上方、矢示X2方向を下方とし、また、矢示Y1方向を左方、矢示Y2方向を右方として説明する。そして、図面に向かって手前側が、電子部品接合装置1を操作するオペレータの立ち位置となる前方として説明する。
図1は、電子部品接合装置1の全体構成を概略的に示す図である。図2は、電子部品接合装置1の電気的な構成を概略的に示すブロック図である。図3は、図1に示すA部分の拡大図である。図1に示すように電子部品接合装置1は、電子部品昇降機構2と、基板載置部3とを有し、また、図2に示すように、制御部4を有する。図3に示すように、基板載置部3には基板Pが載置され、また、電子部品昇降機構2には基板Pに対して接合される電子部品Mが保持される。電子部品Mは、半導体チップ、トランジスタ、ダイオード等を含むものである。
電子部品昇降機構2は、ベース板5と、高速移動機構6と、低速移動機構としてのピエゾ駆動部7と、電子部品保持部8とを有する。ベース板5は、床面等に設置される図示を省略するフレームあるいは筐体に対して取り付けられている。
高速移動機構6は、モータ9と、ボールねじ10と、ボールねじナット11とを有している。ボールねじ10は、カップリング(連結部)12を介してモータ9の出力軸13に結合されている。ボールねじナット11は、第1移動部14に固定されている。また、ボールねじナット11は、ボールねじ10にねじ結合している。第1移動部14は、ベース板5に固定される第1ガイド部15を介してベース板5に取り付けられている。第1ガイド部15は、第1移動部14を上下方向に移動可能にガイドする。つまり、上述の構成を有する高速移動機構6は、モータ9の駆動により第1移動部14を上下方向に移動することができる。
第1移動部14には、ロードセル17を介して第2移動部18が支持されている。また、第1移動部14と第2移動部18との間には付勢手段としてのバネ30が備えられている。バネ30は、第1移動部14に反力をとり、第2移動部18を下方に付勢している。第2移動部18は、第1移動部14に固定される第2ガイド部19を介して第1移動部14に取り付けられている。第2ガイド部19は、第2移動部18を上下方向に移動可能にガイドする。つまり、第2移動部18は、第2ガイド部19を介して第1移動部14に対して上下方向に移動可能に支持されている。第2ガイド部19は、たとえば、クロスローラーガイドを用いる構成とすることができる。この構成とすることにより、第2移動部18を第1移動部14に対して高い剛性で保持させることができる。第2ガイド部19は、エアスライドガイドを用いることもできる。この構成とした場合には、クロスローラーガイドを用いた場合に比べて、高精度かつ低い摺動抵抗で第2移動部18を第1移動部14に対して上下方向に移動可能に支持することができる。
ピエゾ駆動部7は、図示を省略するピエゾ素子を有し、このピエゾ素子に印加されるピエゾ印加信号V1(図5参照)に応じて電子部品保持部8を下方に向けて移動する。ピエゾ駆動部7は、ピエゾ素子の変形量をそのまま電子部品保持部8に伝える構成であってもよいし、ピエゾ素子の変形量を変位量拡大機構を介して拡大して電子部品保持部8に伝える構成であってもよい。
変位センサ21は、電子部品保持部8の変位量を検出するセンサである。検出精度は概ね0.01μmレベルであり、たとえば、静電容量式変位センサを用いることができる。静電容量式変位センサは、第2移動部18に対して変位しない図示外の固定電極と、ピエゾ駆動部7により変位する電子部品保持部8の変位量に対応して変位する図示外の変位電極とが対向して備えられ、この2つの電極の相対的な動きに起因する静電容量の変化を利用して電子部品保持部8の変位量を計測するセンサである。
荷重センサ22は、電子部品保持部8に対して下方から掛る荷重を検出するセンサである。検出精度は概ね0.01〜5Nレベルであり、たとえば、ピエゾ素子を用いることができる。ノイズ検出センサ20は、荷重センサ22に作用するノイズを検出するセンサであり、検出精度は荷重センサ22と同等であり、荷重センサ22と同等のセンサを用いることが好ましい。
電子部品保持部8は、電子部品Mを吸着することができる。つまり、電子部品保持部8の下面には、不図示の吸引機構により負圧とされる不図示の孔部が設けられ、この孔部に発生する負圧により電子部品Mを吸着できる構成となっている。
セラミックヒータ23は、電子部品保持部8に保持される電子部品Mの電極(以下、電子部品電極と記載する)M1(図6参照)を熱し、この電子部品電極M1に形成されている半田層(以下、部品側半田層と記載する)M2(図6参照)を溶融させることができる。
基板載置部3は、基板Pが載置されるステージ25と、ステージ25を介して基板Pの電極部(以下、基板電極と記載する)P1を加熱するヒータ26とを有する。基板載置部3は、左右方向(Y1−Y2方向)および前後方向に移動させることができる図示を省略する可動ステージ機構を有し、ステージ25およびヒータ26は、この可動ステージ機構上に組み付けられている。つまり、ステージ25およびヒータ26は左右方向および前後方向に移動することができる。
以下に電子部品接合装置1の動作について説明する。図1は、電子部品保持部8が、電子部品昇降機構2により下降を開始される前の待機位置に配置されている状態を示している。この状態において、電子部品Mの各電子部品電極M1と各基板Pの基板側半田層P2とは、それぞれ互いに前後および左右方向における位置合わせが行われた状態となっている。この位置合わせは、図示を省略する可動ステージによるステージ25の前後左右への移動と、モータ24による電子部品保持部8の水平面内の回転により行うことができる。
制御部4は、モータ9を駆動し、電子部品保持部8を図1に示す待機位置から下方に向けて高速で移動させる高速下降動作を実行する(ステップS10)。モータ9の回転によりボールねじ10が回転させられる。ボールねじ10にねじ結合するボールねじナット11が第1移動部14に固定されている。そのため、ボールねじ10の回転にボールねじナット11がリードされ、第1移動部14が下方向に移動し、電子部品保持部8も第1移動部14の下降に併せて下降する。下降速度は、後述するピエゾ駆動部7による電子部品Mの下降速度に比べて高速であり、たとえば、500mm/秒である。
制御部4は、変位センサ16によって降下位置を検出し、電子部品保持部8を所定位置S(図6参照)まで下降させる(ステップS20,S30)。この所定位置Sは、電子部品Mの電子部品電極M1と基板Pの基板側半田層P2とが接触しない位置であって、できるだけ近い位置である。モータ9は、作業の効率を上げるため、電子部品Mをできるだけ高速で下降できるように高トルクで駆動される。そのため、高トルクで駆動されるモータ9により下降される電子部品Mの電子部品電極M1が、基板Pの基板電極P1に衝突すると、電子部品Mあるいは基板Pを損傷させてしまう虞がある。そこで、電子部品接合装置1は、電子部品保持部8を所定位置Sまでは高速で下降させ、所定位置Sからさらに電子部品保持部8を下降する動作は、後述するように、ピエゾ駆動部7の駆動力により低負荷で行うこととしている(ステップS40,S50)。
続いて、制御部4は、図5の時間T=0以降に示すように、ピエゾ駆動部7にピエゾ印加信号V1を印加し、電子部品電極M1が基板電極P1に接触する位置を検出するサーチ動作を実行する(ステップS40,S50)。ピエゾ印加信号V1の大きさに応じて電子部品保持部8が変位し、この変位量は変位センサ21により変位センサ信号V4として検出される。
ここで、図5の時間T=t1に示すように、荷重補正信号V5が所定電圧VAになったときの変位センサ信号V4の電圧VBは、電子部品保持部8がモータ9の駆動により所定位置Sに下降された後、ピエゾ駆動部7によりさらに下方に移動された距離に対応する電圧である。この距離は、電子部品保持部8が所定位置Sに移動されたときの電子部品電極M1と基板電極P1との実際の間隔(距離)であり、サーチ動作(ステップS40,S50)において、電子部品保持部8が下降されるサーチ距離である。このサーチ距離に対応する変位センサ信号V4の電圧をサーチ距離対応電圧VBとして制御部4に備えられるメモリに記憶する(ステップS60)。
制御部4は、電子部品電極M1と基板電極P1との接触(ステップS50においてYes)に併せて、セラミックヒータ23およびヒータ26の加熱を開始する。そして、制御部4は、電子部品電極M1を基板電極P1に接触させた状態で、図5の時間T=t2〜t3に示すようにピエゾ印加信号V1を徐々に大きくし、電子部品電極M1から基板電極P1に対して所定の荷重(たとえば、0.5N)を付加する(ステップ70)。電子部品電極M1から基板電極P1に対して所定の荷重が付加されたか否かは、荷重補正信号V5に基づいて判断する。たとえば、荷重補正信号V5が電圧VCになったときに、電子部品電極M1から基板電極P1に対して所定の荷重が付加されたと判断する。
部品側半田層M2および基板側半田層P2が溶融と判断された場合(ステップS100においてYes)には、制御部4は、図5の時間T=t4〜t5に示すように電子部品保持部8の下降を停止しその位置(部品側半田層M2および基板側半田層P2が溶融したと判断されたときの電子部品保持部8の位置)を保持する(ステップS110)。つまり、部品側半田層M2および基板側半田層P2が溶融と判断されたた場合には(ステップS100)、ピエゾ印加信号V1の電圧をその時の電圧に保持する(ステップS110)。
制御部4は、電子部品保持部8の下降を停止しその位置を保持(ステップS110)した状態で、溶融した部品側半田層M2および基板側半田層P2の冷却動作を開始する(ステップS120)。この冷却動作(ステップS120)は、セラミックヒータ23およびヒータ26への通電をオフとするとともに、ステージ25に備えられる冷却パイプ27に空気を流し電子部品Mおよび基板Pを冷却する。これにより、溶融した部品側半田層M2および基板側半田層P2が冷却され固化を開始する。
ところで、溶融した半田は冷却する際に熱収縮する。そのため、電子部品Mの電子部品電極M1と基板Pの基板電極P1とが、熱収縮する半田に引っ張られ破損してしまう虞がある。そこで、制御部4は、冷却する半田の熱収縮に併せて電子部品保持部8が下降するようにピエゾ駆動部7を駆動し、電子部品保持部8を半田の熱収縮に追従させる熱収縮追従動作を行う(ステップS140)。熱収縮追従動作(ステップS140)は、荷重センサ22により検出される荷重(荷重補正信号V5)が一定になるように、ピエゾ駆動部7を駆動し電子部品保持部8を移動させる。溶融した部品側半田層M2および基板側半田層P2は、冷却され熱収縮するので、ピエゾ駆動部7には、電子部品保持部8をやや下降させるようにピエゾ印加信号V1が印加される。
そして、制御部4は、電子部品保持部8を熱収縮追従動作させながら部品側半田層M2および基板側半田層P2の半田の温度を検出する(ステップS150)。制御部4は、半田が十分に固まる温度になったことが検出されたら(ステップS150においてYes)、電子部品保持部8の電子部品Mの吸引を解除し、モータ9を駆動し電子部品保持部8を上方に移動させる(ステップS160)。以上で接合動作を完了し、ステージ25から電子部品Mが接合された基板Pを取り除く。
上述したように、電子部品接合装置1は、電子部品Mを保持する電子部品保持部8を基板Pに向けて昇降動する電子部品昇降機構2を有し、電子部品Mを、基板Pから離間した位置から電子部品Mの電子部品電極M1と基板Pの基板電極P1とが接触する位置まで移動させ、電子部品Mの電子部品電極M1と基板Pの基板電極P1とを熱溶融可能な金属としての半田を介して接合することができる。電子部品昇降機構2は、電子部品Mの電子部品電極M1と基板Pの基板電極P1との間の距離が、所定の距離D1になるまで電子部品昇降機構2を高い速度で移動させる高速移動機構6と、電子部品Mの電子部品電極M1と基板Pの基板電極P1との間の距離が所定の距離D1になった後、高い速度よりも低い速度で移動させる低速移動機構としてのピエゾ素子を駆動源とするピエゾ駆動部7とを有する。
電子部品接合装置1は、図7に示すように所定周波数信号除去手段としてのバンドストップフィルタ40を備え、荷重センサ22から出力される荷重センサ信号から所定周波数の信号として電子部品接合装置1の固有振動の周波数の信号を除去する構成としてもよい。
2 … 電子部品昇降機構
4 … 制御部(ノイズ信号除去手段)
6 … 高速移動機構
7 … ピエゾ駆動部(低速移動機構)
8 … 電子部品保持部
14 … 第1移動部
17 … ロードセル
18 … 第2移動部
20 … ノイズ検出センサ
22 … 荷重センサ
30 … バネ(付勢手段)
40 … バンドストップフィルタ(所定周波数信号除去手段)
V2 … 荷重センサ信号(荷重信号)
V3 … ノイズ信号
M … 電子部品
M1 … 電子部品電極(電子部品の電極)
M2 … 部品側半田層
P … 基板
P1 … 基板電極(基板の電極)
P2 … 基板側半田層
Claims (5)
- 電子部品を保持する電子部品保持部を基板に向けて昇降移動する電子部品昇降機構を有し、前記電子部品を、基板から離間した位置から前記電子部品の電極と前記基板の電極とが接触する位置まで移動させ、前記電子部品の電極と前記基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合する電子部品接合装置において、
前記電子部品昇降機構は、
前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の距離が、所定の距離になるまで前記電子部品保持部を高い速度で移動させる高速移動機構と、
前記電子部品の電極と前記基板の電極との間の距離が前記所定の距離になった後、前記高い速度よりも低い速度で移動させる低速移動機構とを有し、
前記高速移動機構は、第1移動部を移動させ、
前記低速移動機構は、前記第1移動部に対して上下方向に移動可能に取り付けられる第2移動部に取り付けられ、
前記第2移動部は、付勢手段により下方に付勢された状態でロードセルを介して第1移動部に支持されており、
前記低速移動機構の駆動源はピエゾ素子である、
ことを特徴とする電子部品接合装置。 - 請求項1に記載の電子部品接合装置において、
前記電子部品保持部に保持された前記電子部品に対して、前記基板が配置される側から作用する荷重を検出する荷重センサと、
前記荷重センサに作用するノイズを検出するノイズ検出センサと、
前記ノイズ検出センサにより検出されるノイズ信号に基づき前記荷重センサにより検出される荷重信号からノイズを除去するノイズ信号除去手段と、
を有することを特徴とする電子部品接合装置。 - 請求項2に記載の電子部品接合装置において、
前記ノイズ検出センサと、前記荷重センサと、前記低速移動機構とは、前記電子部品保持部の移動方向に沿って配列されている、
ことを特徴とする電子部品接合装置。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の電子部品接合装置において、
前記電子部品保持部に保持された前記電子部品に対して、前記基板が配置される側から作用する荷重を検出する荷重センサと、
前記荷重センサにより検出される荷重信号から所定周波数の信号を除去する所定周波数信号除去手段と、
を有することを特徴とする電子部品接合装置。 - 電子部品の電極と基板の電極とを熱溶融可能な金属を介して接合する電子部品接合方法において、
請求項1から4のいずれか1項に記載の電子部品接合装置を用い、前記電子部品および前記基板を加熱すると共に、前記電子部品から前記基板に対して所定の荷重が一定に付加された状態で、前記電子部品の下方への移動量を検出することにより、前記金属の溶融の有無を判断することを特徴とする電子部品接合方法。
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