(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を押圧する圧着ヘッドと、この圧着ヘッドを昇降させる昇降手段と、前記圧着ヘッドに作用する圧着荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の荷重検出信号に基づいて前記昇降手段を制御する制御部と、前記荷重検出手段と前記制御部との間に設けられ前記荷重検出信号を必要に応じて断接する荷重検出信号断接手段と、前記圧着ヘッドに備えられ流体圧によって前記電子部品を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段と、前記流体圧を制御する流体圧制御手段とを備えたことを特徴とする電子部品圧着装置。
【請求項２】
電子部品を押圧する圧着ヘッドと、この圧着ヘッドを昇降させる昇降手段と、前記圧着ヘッドに作用する圧着荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の荷重検出結果に基づいて前記昇降手段を制御する制御部と、前記圧着ヘッドに備えられ流体圧によって前記電子部品を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段と、前記流体圧を制御する流体圧制御手段とを備えた電子部品の圧着装置による電子部品圧着方法であって、前記圧着ヘッドに作用する押圧荷重を荷重検出手段によって検出し荷重検出結果に基づいて前記昇降手段を制御部によって制御しながら電子部品を圧着する荷重検出圧着方式と、前記流体圧を制御して前記圧着ヘッドによって電子部品に所定の押圧力を作用させながら前記昇降手段を制御部によって制御して圧着ヘッドを下降させる下降位置制御圧着方式とを、前記電子部品の圧着に必要とされる押圧力の大小によって選択的に用いることを特徴とする電子部品圧着方法。
【請求項３】
前記荷重検出圧着方式を用いる場合において、前記流体圧制御手段によって流体圧を、前記荷重検出圧着方式を用いるのに支障がない程度に小さく設定することを特徴とする請求項２記載の電子部品圧着方法。
【請求項４】
前記荷重検出圧着方式を用いる場合において、前記流体圧制御手段によって流体圧を、前記荷重検出圧着方式を用いるのに支障がない程度に大きく設定することを特徴とする請求項２記載の電子部品圧着方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を基板に圧着する電子部品圧着装置および電子部品圧着方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品を基板にボンディングする方法として、圧着による方法が知られている。この方法は圧着ヘッドにより電子部品に押圧力を作用させて接合するものである。ここで良好な圧着品質を得るためには、圧着過程で電子部品に作用する押圧荷重を所定の制御目標値に従って制御する必要がある。このため圧着装置には圧着ヘッドが電子部品を押圧する際の押圧荷重を制御する機構が設けられている。
【０００３】
この押圧荷重制御の方式として、従来より、以下に説明する２種類の方式が用いられている。まず第１の方式は、圧着ヘッドを下降させる際に電子部品と圧着ヘッドとの間に作用する押圧力をロードセルなどの荷重検出手段によって検出し、この検出荷重が所定の制御目標値に合致するように圧着ヘッドの下降動作を制御する荷重検出制御方式である。そして第２の方式は、圧着ヘッドに空圧などの流体圧によって押圧力を発生する押圧力発生機構を設けておき、常に制御目標値と一致した押圧力を発生させながら圧着ヘッドを所定圧着高さ位置まで下降させる下降位置制御方式である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の押圧荷重制御方式には、それぞれ次のような一長一短があった。まず、荷重検出方式では、広い荷重制御範囲を確保することができるという長所はあるものの、圧着ヘッドを下降させる過程において逐次荷重値を検出する荷重サーチを行うことから、圧着ヘッドを高速で下降させることができず、圧着動作タクトの短縮が困難であった。
【０００５】
また下降位置制御方式では、一定の荷重状態に設定された圧着ヘッドを高速で下降させることが可能でタクトタイムの短縮が実現されるものの、１台の圧着装置で広い荷重範囲をカバーさせようとすれば、荷重範囲に対応した複数の圧着ヘッドを予め準備しておき、対象部品に応じて圧着ヘッドを適宜交換する必要があった。このように、従来の電子部品圧着装置には、広い荷重範囲に対応することができ、しかもタクトタイムを短縮して効率のよい圧着作業を実現することが困難であるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、広い荷重範囲に対応することができるとともに効率的な圧着作業を行うことができる電子部品圧着装置および電子部品圧着方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の電子部品圧着装置は、電子部品を押圧する圧着ヘッドと、この圧着ヘッドを昇降させる昇降手段と、前記圧着ヘッドに作用する圧着荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の荷重検出信号に基づいて前記昇降手段を制御する制御部と、前記荷重検出手段と前記制御部との間に設けられ前記荷重検出信号を必要に応じて断接する荷重検出信号断接手段と、前記圧着ヘッドに備えられ流体圧によって前記電子部品を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段と、前記流体圧を制御する流体圧制御手段とを備えた。
【０００８】
請求項２記載の電子部品圧着方法は、電子部品を押圧する圧着ヘッドと、この圧着ヘッドを昇降させる昇降手段と、前記圧着ヘッドに作用する圧着荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の荷重検出結果に基づいて前記昇降手段を制御する制御部と、前記圧着ヘッドに備えられ流体圧によって前記電子部品を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段と、前記流体圧を制御する流体圧制御手段とを備えた電子部品の圧着装置による電子部品圧着方法であって、前記圧着ヘッドに作用する押圧荷重を荷重検出手段によって検出し荷重検出結果に基づいて前記昇降手段を制御部によって制御しながら電子部品を圧着する荷重検出圧着方式と、前記流体圧を制御して前記圧着ヘッドによって電子部品に所定の押圧力を作用させながら前記昇降手段を制御部によって制御して圧着ヘッドを下降させる下降位置制御圧着方式とを、前記電子部品の圧着に必要とされる押圧力の大小によって選択的に用いる。
【０００９】
請求項３記載の電子部品圧着方法は、請求項２記載の電子部品圧着方法であって、前記荷重検出圧着方式を用いる場合において、前記流体圧制御手段によって流体圧を、前記荷重検出圧着方式を用いるのに支障がない程度に小さく設定する。
【００１０】
請求項４記載の電子部品圧着方法は、請求項２記載の電子部品圧着方法であって、前記荷重検出圧着方式を用いる場合において、前記流体圧制御手段によって流体圧を、前記荷重検出圧着方式を用いるのに支障がない程度に大きく設定する。
【００１１】
本発明によれば、電子部品を押圧する圧着ヘッドに作用する圧着荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の荷重検出結果に基づいて圧着ヘッドの昇降を制御する制御部と、圧着ヘッドに設けられ流体圧によって電子部品を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段とを備えることにより、対象とする荷重範囲に応じて荷重検出圧着方式と下降位置制御圧着方式とを選択的に使い分けることが可能となり、広い荷重範囲に対応することができるとともに効率的な圧着作業を行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品圧着装置の側面図、図２は本発明の一実施の形態の電子部品圧着装置の圧着ヘッドの断面図、図３は本発明の一実施の形態の電子部品圧着装置の部分断面図、図４、図５、図６、図７は本発明の一実施の形態の電子部品圧着方法の説明図である。
【００１３】
まず図１を参照して電子部品圧着装置の構造を説明する。図１において、可動テーブル１の移動プレート１ａ上には基板ホルダ２が設けられている。基板ホルダ２上には基板３が載置されており、基板３の側方の移動プレート１ａ上には、電子部品５の供給部４が配設されている。可動テーブル１を駆動することにより、基板３、供給部４は水平面内で移動する。可動テーブル１の上方には電子部品５が圧着ツール６に保持されている。圧着ツール６は圧着ヘッド７に装着されており、圧着ヘッド７は更に第１の昇降ブロック１０（昇降部）に着脱自在に装着されている。
【００１４】
第１の昇降ブロック１０の背面にはスライダ１１が固着されており、スライダ１１は第１のフレーム１３の前面に配設された垂直なガイドレール１２に上下方向にスライド自在に嵌合している。また第１の昇降ブロック１０の上部には逆Ｌ字状の張り出し部１４が設けられている。張り出し部１４の下面には後述する荷重検出手段であるロードセルが当接する。
【００１５】
第１の昇降ブロック１０の上方には第２の昇降ブロック２０が設けられている。第２の昇降ブロック２０の背面にはスライダ２１が設けられており、スライダ２１は第２のフレーム２３の前面に配設された垂直なガイドレール２２に上下方向にスライド自在に嵌合している。第２の昇降ブロック２０の下部には逆Ｌ字状の張り出し部２４が設けられている。張り出し部２４の上面にはロードセル２６が配設されており、ロードセル２６は張り出し部１４の下面に当接している。また第２の昇降ブロック２０の下面にはシリンダ２５が下向きに装着されており、シリンダ２５のロッド２５ａは張り出し部１４の上面に当接している。シリンダ２５には、圧力源３４によって所定圧力のエアが供給される。
【００１６】
第２のフレーム２３の上部には断面がコ字型のブラケット３０が固着されている。ブラケット３０上にはモータ３１が配設されており、モータ３１の回転軸は垂直な送りネジ２７と接続されている。送りネジ２７は第２の昇降ブロック２０に内蔵されたナット２８に螺入している。制御部３２によってモータ３１を正逆回転させることにより、第２の昇降ブロック２０が昇降する。
【００１７】
そして第２の昇降ブロック２０が昇降することにより、ロードセル２６を介して第２の昇降ブロック２０に懸架された第１の昇降ブロック１０が昇降し、これにより圧着ヘッド７が昇降する。すなわちモータ３１、送りネジ２７、ナット２８および第２の昇降ブロック２０は、圧着ヘッド７が装着される第１の昇降ブロック１０（昇降部）を昇降させる昇降手段となっている。モータ３１はエンコーダ３１ａを備えており、エンコーダ３１ａのパルス信号は制御部３２に送られる。制御部３２によるモータ３１の制御において、このパルス信号をカウントすることにより、圧着ヘッド７の高さ位置を検出することができる。
【００１８】
したがって、圧着ヘッド７を下降させて圧着ツール６に保持された電子部品５を押圧して基板に圧着する圧着動作において、圧着ヘッド７の高さ位置を検出しながら前述の昇降手段を制御部３２によって制御することにより、圧着ヘッド７を所望の高さ位置まで下降させることができる。
【００１９】
次に図２を参照して、圧着ヘッド７の構造を説明する。図２に示すように、圧着ヘッド７は第１の昇降ブロック１０に着脱自在に装着するためのテーパシャンク９を備えており、テーパシャンク９の下部にはヘッド本体部８が結合されている。ヘッド本体部８には円孔形状のシリンダ室８ａが設けられており、シリンダ室８ａ内にはピストン８ｂが嵌合している。ピストン８ｂの下面にはヘッド本体部８の下方に設けられたツールホルダ８ｃが結合されており、ツールホルダ８ｃには圧着ツール６が交換自在に装着される。
【００２０】
ピストン８ｂの上面にはこのピストン８ｂを上向きに付勢する付勢手段としての引張りバネ８ｄが結合されており、ピストン８ｂには引張りバネ８ｄによって常に上向きの付勢力が作用する。シリンダ室８ａの側面にはエア孔８ｅが設けられており、エア孔８ｅからシリンダ室８ａ内に加圧エアを供給することにより、ピストン８ｂは引張りバネ８ｄの付勢力に抗して下方に押圧される。この押圧力はピストン８ｂと結合されたツールホルダ８ｃを介して圧着ツール６に伝達され、圧着動作において電子部品５を押圧する。すなわち、圧着ヘッド７は、加圧エアの流体圧によって電子部品５を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段を備えている。
【００２１】
図２（ａ）は、シリンダ室８ａ内が加圧されないエア供給ＯＦＦ状態を示している。この状態では、ツールホルダ８ｃは引張りバネ８ｄの付勢力によって上方に引き上げられ、ツールホルダ８ｃの上面がヘッド本体部８の下面に当接する。これに対し、図２（ｂ）はシリンダ室８ａ内が加圧されたエア供給ＯＮ状態を示している。このとき、エア圧力を引張りバネ８ｄの付勢力を超える押圧力を発生するような圧力に設定することにより、ピストン８ｂは引張りバネ８ｄの付勢力に抗して下方に移動し、シリンダ室８ａの底面に当接する。
【００２２】
再び図１において、圧着ヘッド７は、オンオフ弁３６および電空レギュレータ３５を介して圧力源３４に接続されている。オンオフ弁３６、電空レギュレータ３５を制御部３２によって操作することにより、圧着ヘッド７に供給されるエアの圧力を制御することができる。制御部３２および電空レギュレータ３５は、圧着ヘッド７に備えられた押圧力発生手段の流体圧を制御する流体圧制御手段となっている。
【００２３】
ここで、シリンダ２５、ロードセル２６の機能について図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）は第２の昇降ブロック２０が上昇した状態での、また図３（ｂ）は第２の昇降ブロック２０が下降して電子部品５を基板３に熱圧着している状態での各部の力のつり合いを示している。シリンダ２５には圧力源３４より所定圧力のエアが供給されており、したがってシリンダ２５は第１の昇降ブロック１０を所定の押圧力Ｆ０にて下方に押圧する。図３（ａ）に示す状態ではこの押圧力Ｆ０と圧着ヘッド７などの自重に相当する荷重Ｗの和Ｆ０＋Ｗがロードセル２６に負荷される荷重ｆとつり合っている。すなわち第２の昇降ブロック２０が上昇位置にある状態では、ロードセル２６の検出荷重値ｆ０はシリンダ２５の押圧力Ｆ０と圧着ヘッド７の自重Ｗの和に等しい。
【００２４】
これに対して図３（ｂ）に示す状態では、圧着ヘッド７は電子部品５より圧着荷重に等しい反力Ｆを受けており、前述の和Ｆ０＋Ｗは、圧着荷重の反力Ｆとロードセル２６に負荷される荷重ｆの和Ｆ＋ｆとつり合っている。すなわち圧着ヘッド７に作用する圧着荷重の反力Ｆはロードセル２６によって検出することができ、Ｆ０＋Ｗ−ｆで表される。圧着荷重Ｆを制御するには、Ｆ０＋Ｗが一定値であることから、ロードセル２６の検出荷重値ｆを制御部３２によって監視しながらモータ３１の駆動を制御して第２の昇降ブロック２０の昇降動作を制御すればよい。
【００２５】
すなわち、ロードセル２６は、圧着ヘッド７に作用する荷重を検出する荷重検出手段となっており、制御部３２は、この荷重検出手段の荷重検出結果に基づいて昇降手段を制御する。ここで、ロードセル２６は荷重検出信号断接手段としてのスイッチ３３を介して制御部３２に接続されており、制御部３２によってスイッチ３３を操作することにより、制御部３２によるロードセル２６からの荷重検出信号を、必要に応じて断接することができるようになっている。なお、荷重検出信号断接手段は、ハードウェアによるものであっても、ソフトウェアによるものであっても構わない。
【００２６】
この電子部品圧着装置は上記のように構成されており、次にこの電子部品圧着装置を用いた電子部品圧着方法について説明する。ここでは、対象となるの電子部品の圧着に必要とされる押圧力の大小に応じて、以下に説明する２種類の圧着方式を選択して用いることができるようになっている。
【００２７】
まず荷重検出圧着方式について、図４，図５を参照して説明する。この圧着方式は、圧着ヘッド７を下降させて電子部品５を基板３に対して押圧する圧着動作において、圧着ヘッド７に作用する押圧荷重をロードセル２６によって検出し、この荷重検出結果に基づいてモータ３１を制御部３２によって制御しながら、電子部品５を基板３に圧着するものであり、圧着対象の電子部品に必要とされる押圧力が比較的小さい場合（例えば、１５０ｇｆ〜１．５ｋｇｆ）に用いられる。
【００２８】
図４において、ロードセル２６と制御部３２との間に介在するスイッチ３３はＯＮにセットされ、制御部３２がロードセル２６の荷重検出信号を取り込めるようになっている。したがって、第１の昇降ブロック１０，第２の昇降ブロック２０を下降させる過程において、圧着ヘッド７に作用する押圧荷重の反力を検出しながら、モータ３１の回転を制御することにより、電子部品５を基板３に押圧する荷重を常に所定の圧着荷重に保持することができる。この圧着方式は、圧着過程において荷重サーチを反復することから高速の圧着が困難であるものの、圧着荷重を高精度で制御することができるという利点を有している。
【００２９】
図５は、この荷重検出圧着方式による圧着動作において、電子部品５が基板３に押圧される際の圧着ヘッド７の状態を示している。ここではシリンダ室８ａ内のエア圧力を、２通りの異なった圧力レベルで設定することができる。図５（ａ）に示す例では、電空レギュレータ３５によってシリンダ室８ａ内に供給されるエア圧力Ｐ１を、引張りバネ８ｄの付勢力に相当する押圧力よりも小さい圧力に設定し、ツールホルダ８ｃの上面がヘッド本体部８の下面に当接した状態が保たれるようにする。これにより、電子部品５を基板３に押圧して圧着する際の押圧荷重の反力は、ツールホルダ８ｃの上面からヘッド本体部８に伝達され、ロードセル２６によって検出される。すなわち、この場合には電空レギュレータ３５は、エアの圧力を荷重検出圧着方式を用いるのに支障がない程度に小さく設定する。
【００３０】
これに対し、図５（ｂ）に示す例では、電空レギュレータ３５によってシリンダ室８ａ内に供給されるエア圧力Ｐ２を、対象とする電子部品５の圧着に必要な押圧荷重に対して十分に余裕のある圧力（通常の場合には、圧力源３４が供給可能な最大圧力）に設定する。これによりピストン８ｂは引張りバネ８ｄの付勢力に抗してシリンダ室８ａの底面に強い力で押し付けられ、圧着過程においてはツールホルダ８ｃとヘッド本体部８とが一体に製作された剛体型圧着ヘッドに類似した特性を示す。このため電子部品５を基板３に押圧して圧着する際の押圧荷重の反力は、ツールホルダ８ｃからヘッド本体部８に伝達され、前述の例と同様にロードセル２６によって検出される。すなわち、この場合には電空レギュレータ３５は、エアの圧力を荷重検出圧着方式を用いるのに支障がない程度に大きく設定する。
【００３１】
次に、下降位置制御圧着方式について、図６，図７を参照して説明する。この圧着方式は、圧着ヘッド７を下降させて電子部品５を基板３に対して押圧する圧着動作において、圧着ヘッド７に供給されるエアの圧力を制御して、圧着ヘッド７によって電子部品５に所定の押圧力を作用させながら、昇降手段を制御部３２によって制御して圧着ヘッド７を下降させるものであり、必要とされる押圧力が前述の圧着方式によってカバー可能な範囲よりも大きい場合（例えば１．５ｋｇｆ〜３０ｋｇｆ）に用いられる。この圧着方式は、圧着過程における荷重サーチを行わないことから、圧着動作を高速で行うことができ、高生産性が得られるという利点を有している。
【００３２】
図６において、ロードセル２６と制御部３２との間に介在するスイッチ３３はＯＦＦに切り換えられ、制御部３２はロードセル２６の荷重検出信号を取り込まないようになっている。すなわち、荷重検出信号を無視する。そして、第１の昇降ブロック１０，第２の昇降ブロック２０を下降させる過程においては、制御部３２によってモータ３１を制御することにより、電子部品５を保持した圧着ヘッド７が基板３上の所定の高さ位置（実装高さ）に到達するまで下降させる。
【００３３】
図７は、この下降位置制御圧着方式による圧着動作において、電子部品５が基板３に押圧される際の圧着ヘッド７の状態を示している。ここではシリンダ室８ａ内に供給されるエア圧力Ｐ３は、電子部品５の圧着に必要とされる圧着荷重に応じて設定される。すなわちこの場合には、シリンダ室８ａ内においてピストン８ｂは電子部品５からの押圧荷重の反力とエア圧力Ｐ３による押圧力とが釣り合った状態でフロートする。したがって、電子部品５には常に予め設定されたエア圧力Ｐ３に相当する押圧荷重が作用する。
【００３４】
上記説明したように、本実施の形態の電子部品圧着装置は、荷重検出圧着方式と下降位置制御圧着方式の２通りの圧着方式を、単一装置によって圧着ヘッドを交換しなくとも実行できるようにしたものである。これにより、圧着対象の電子部品に必要とされる押圧荷重や荷重精度などの特性に応じて荷重検出圧着方式と下降位置制御圧着方式とを適宜使い分けることが可能となる。したがって、広い荷重範囲に対応することができるとともに効率的な圧着作業を行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、電子部品を押圧する圧着ヘッドに作用する圧着荷重を検出する荷重検出手段と、この荷重検出手段の荷重検出結果に基づいて圧着ヘッドの昇降を制御する制御部と、圧着ヘッドに設けられ流体圧によって電子部品を押圧する押圧力を発生する押圧力発生手段とを備えたので、対象とする荷重範囲に応じて荷重検出圧着方式と下降位置制御圧着方式とを選択的に使い分けることが可能となり、広い荷重範囲に対応することができるとともに効率的な圧着作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品圧着装置の側面図
【図２】本発明の一実施の形態の電子部品圧着装置の圧着ヘッドの断面図
【図３】本発明の一実施の形態の電子部品圧着装置の部分断面図
【図４】本発明の一実施の形態の電子部品圧着方法の説明図
【図５】本発明の一実施の形態の電子部品圧着方法の説明図
【図６】本発明の一実施の形態の電子部品圧着方法の説明図
【図７】本発明の一実施の形態の電子部品圧着方法の説明図
【符号の説明】
３  基板
５  電子部品
６  圧着ツール
７  圧着ヘッド
１０  第１の昇降ブロック
２０  第２の昇降ブロック
２６  ロードセル
３１  モータ
３２  制御部
３５  電空レギュレータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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