(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディングツールによってボンディング対象物に荷重を作用させながら被接合面に圧着するボンディング装置であって、前記ボンディングツールを駆動するモータと、このモータを制御するモータ制御部と、ボンディング装置全体を制御する上位制御部とを備え、前記モータ制御部は、ボンディング動作に関する動作プログラムおよびボンディング動作の制御に用いられる制御変数を記憶する記憶部と、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながら前記モータに電力を供給するモータ駆動部と、このモータ駆動部を介して前記モータを制御する下位制御部とを備え、この下位制御部による前記モータの制御において、下位制御部が前記動作プログラムに基づいて前記モータを制御する第１の制御モードと動作プログラムを実行せずに前記上位制御部からの指令に基づいてモータを制御する第２の制御モードとを切り換えて制御することを特徴とするボンディング装置。
【請求項２】
前記上位制御部により、前記記憶部に記憶されている制御変数を書き換え可能になっていることを特徴とする請求項１記載のボンディング装置。
【請求項３】
ボンディングツールを駆動するモータと、このモータを制御するモータ制御部と、ボンディング動作に関する動作プログラムおよびボンディング動作の制御に用いられる制御変数を記憶する記憶部と、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながら前記モータに電力を供給するモータ駆動部と、このモータ駆動部を介して前記モータを制御する下位制御部と、ボンディング装置全体を制御する上位制御部とを備えたボンディング装置によるボンディング方法であって、前記上位制御部からの指令に基づいて前記ボンディングツールを所定の位置に位置させる工程と、前記上位制御部から下位制御部に対してボンディング動作を行う指令を出力する工程と、下位制御部が前記動作プログラムに基づいてモータを制御してボンディング動作を行う工程と、前記ボンディング動作が完了したならば、動作完了信号を下位制御部から上位制御部へ出力する工程とを含むことを特徴とするボンディング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フリップチップなどの電子部品を被接合面にボンディングするボンディング装置およびボンディング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップなどの電子部品を基板に実装する方法として、超音波接合や熱圧着などのボンディングによる方法が知られている。このボンディングにおいては、電子部品をボンディングツールによって基板に対して所定荷重で押圧することにより、フリップチップのバンプを基板の電極に接合する。押圧に用いられるボンディングツールは、一般にフリップチップを吸着保持する機能を備えている場合が多く、ボンディング動作においては、フリップチップを保持したボンディングツールを基板に対して下降させる過程で、ボンディングツールの下降動作を制御することにより、バンプを基板の電極に対する押圧荷重を制御するようになっている。このボンディングツールの動作制御は、一般にボンディングツールの昇降動作を駆動するサーボモータの位置制御機能およびトルク制御機能を用いて行われ、フリップチップのバンプが基板に接触したことを検出したタイミングで、位置制御モードから荷重制御モードに切り換えられる。
【０００３】
ところで、サーボモータの動作制御には、サーボモータへ駆動電力を供給し上述の位置制御・荷重制御の機能を有するドライバが用いられ、一般にこのドライバは個々のサーボモータの種類に応じた専用装置となっている。そして従来はこの専用装置をボンディング装置の全体制御機能によって制御することにより、位置制御から荷重制御への切換が行われるように制御系が構成されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のボンディング装置のボンディングツールの昇降動作制御においては、下降動作途中の接触検出や制御モード切り換えはボンディング装置の全体制御機能によって制御されていた。このため、接触検出や制御モード切り換えのための信号伝達経路が複雑になり、制御速度が低下して高速動作が困難になるとともに、装置全体の制御プラグラム作成負荷が増加するという問題点があった。
【０００５】
そこで本発明は、ボンディング動作における制御モード切換を高速で行うことができるボンディング装置およびボンディング方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のボンディング装置は、ボンディングツールによってボンディング対象物に荷重を作用させながら被接合面に圧着するボンディング装置であって、前記ボンディングツールを駆動するモータと、このモータを制御するモータ制御部と、ボンディング装置全体を制御する上位制御部とを備え、前記モータ制御部は、ボンディング動作に関する動作プログラムおよびボンディング動作の制御に用いられる制御変数を記憶する記憶部と、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながら前記モータに電力を供給するモータ駆動部と、このモータ駆動部を介して前記モータを制御する下位制御部とを備え、この下位制御部による前記モータの制御において、下位制御部が前記動作プログラムに基づいて前記モータを制御する第１の制御モードと動作プログラムを実行せずに前記上位制御部からの指令に基づいてモータを制御する第２の制御モードとを切り換えて制御する。
【０００７】
請求項２記載のボンディング装置は、請求項１記載のボンディング装置であって、前記上位制御部により、前記記憶部に記憶されている制御変数を書き換え可能になっている。
【０００８】
請求項３記載のボンディング方法は、ボンディングツールを駆動するモータと、このモータを制御するモータ制御部と、ボンディング動作に関する動作プログラムおよびボンディング動作の制御に用いられる制御変数を記憶する記憶部と、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながら前記モータに電力を供給するモータ駆動部と、このモータ駆動部を介して前記モータを制御する下位制御部と、ボンディング装置全体を制御する上位制御部とを備えたボンディング装置によるボンディング方法であって、前記上位制御部からの指令に基づいて前記ボンディングツールを所定の位置に位置させる工程と、前記上位制御部から下位制御部に対してボンディング動作を行う指令を出力する工程と、下位制御部が前記動作プログラムに基づいてモータを制御してボンディング動作を行う工程と、前記ボンディング動作が完了したならば、動作完了信号を下位制御部から上位制御部へ出力する工程とを含む。
【０００９】
本発明によれば、ボンディングツールを駆動するモータの制御系を、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながらモータに電力を供給するモータ駆動部とこのモータ駆動部を介してモータを制御する下位制御部とを備えたモータ制御部と、ボンディング装置全体を制御する上位制御部とで構成し、この下位制御部によるモータの制御において、下位制御部が動作プログラムに基づいてモータを制御する第１の制御モードと動作プログラムを実行せずに上位制御部からの指令に基づいてモータを制御する第２の制御モードとを切り換えて制御することにより、ボンディング動作における制御モードの切換を高速で行うことができる。
【００１０】
【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ボンディング装置の構成を示すブロック図、図２は本発明の一実施の形態のボンディング装置のＺ軸モータの制御系の機能を示す機能ブロック図、図３は本発明の一実施の形態のボンディング装置の自動運転のフロー図、図４は本発明の一実施の形態のボンディング装置の自動運転の動作説明図、図５は本発明の一実施の形態のボンディング動作のフロー図、図６は本発明の一実施の形態のボンディング動作の説明図である。
【００１１】
まず図１を参照してボンディング装置の構成について説明する。図１において、位置決め部１の移動テーブル２上には、基板３が保持されている。移動テーブル２はＸ軸モータ、Ｙ軸モータ（図示省略）によって水平方向に移動する。Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータはそれぞれＸ軸モータドライバ１６、Ｙ軸モータドライバ１７によって駆動され、制御部１８によってＸ軸モータドライバ１６、Ｙ軸モータドライバ１７制御することにより、移動テーブル２上の基板３は水平移動し、以下に説明するボンディング機構４に対して位置決めされる。
【００１２】
位置決め部１の上方には、ボンディング機構４が配設されている。ボンディング機構４は、垂直な固定フレーム５に固着されたツール昇降機構６を備えており、ツール昇降機構６はＺ軸モータ６ａ（図２参照）を備えている。Ｚ軸モータは、モータ制御部としてのＺ軸モータドライバ１３によって駆動され、制御部１８によってＺ軸モータドライバ１３を制御することにより、ボンディングツール７が昇降する。ボンディングツール７にはエンコーダ１２が装着されており、ボンディングツール７の昇降においてエンコーダ１２が固定フレーム５に固着されたリニアスケール１１に沿って昇降することにより、ボンディングツール７の高さ位置が検出できるようになっている。高さ位置検出結果は、Ｚ軸モータドライバ１３や制御部１８に伝達される。
【００１３】
位置決め部１の側方には、チップ供給ユニット１０の供給アーム９が水平方向に進退自在に配設されている。供給アーム９は、上面に載置されたボンディング対象物であるチップ８をボンディングツール７に供給する。供給アーム９が進出してチップ８をボンディングツール７の下方に位置させた状態で、ボンディングツール７が下降することにより、ボンディングツール７はチップ８を吸着して保持する。
【００１４】
位置決め部１の側方には、カメラ１４が水平方向に進退自在に配設されている。カメラ１４は、チップ８を保持したボンディングツール７の下方に進出し、チップ８を下方から撮像する。そして撮像結果を認識ユニット１５で認識処理することにより、チップ８の識別や位置認識が行われる。この認識結果は制御部１８に伝達される。そしてボンディングツール７によってチップ８を被接合面である基板３の上面にボンディングする際には、制御部１８がＸ軸モータドライバ１６、Ｙ軸モータドライバ１７を介して移動テーブル２を制御することにより、チップ８は基板３の正しい位置にボンディングされる。
【００１５】
またこのボンディング過程において、制御部１８がＺ軸モータドライバ１３を介してツール昇降機構６の動作を制御することにより、ボンディングツール７は所定の速度パターンで下降動作を行うとともに、チップ８を基板３に対して所定の押圧荷重を作用させて押圧する。制御部１８は操作部１９に接続されており、操作部１９からの操作入力により、上記動作制御に用いられる各種の制御変数の入力、設定変更や、手動運転時の操作を行えるようになっている。
【００１６】
次に図２を参照して、ツール昇降機構６のＺ軸モータの制御系の機能について説明する。図２において、枠１３内はＺ軸モータドライバ１３の機能を機能ブロック図にて示したものである。Ｚ軸モータドライバ１３は、下位制御部２０、記憶部２１、位置制御部２２、位置カウンタ２３、速度制御部２４、速度カウンタ２５、電流制御部２６の各機能部を有している。
【００１７】
下位制御部２０は、ボンディング装置全体の動作を制御する上位制御部としての制御部１８との間で、後述する４種類の信号Ａ〜Ｄの授受を行う。記憶部２１は、ボンディング動作プログラム２１ａ、制御変数２１ｂを記憶する。制御変数２１ｂは、ボンディング動作の制御において用いられる目標値（位置指令や荷重指令）などのデータであり、制御部１８により記憶部２１に記憶されている制御変数２１ｂを随時書き換えることが可能となっている。
【００１８】
信号Ａはボンディング動作プログラム２１ａ、制御変数２１ｂを、制御部１８から下位制御部２０を介して記憶部２１にダウンロードする信号を示している。信号Ｂは制御モードの指令信号であり、この指令信号により、下位制御部２０にボンディング動作を行わせる自動制御モードと、制御部１８によってＺ軸モータ６ａの動作を制御する個別制御モードとの切換を行う。ここで個別制御モードには、位置制御モードとトルク制御モードの２種類があり、動作形態によってこれらの制御モードが切り換えられる。信号Ｃは位置制御モードとトルク制御モードにおいて、制御部１８から送信される位置指令、荷重指令の信号を示している。また信号Ｄは自動制御モードにおいて、ボンディング動作プログラムによる動作が完了したことを伝達する動作完了信号である。
【００１９】
下位制御部２０の機能について説明する。下位制御部２０は、制御部１８からの制御モード指令（信号Ｂ）に従って、以下の２通りの制御を行う。先ず、自動制御モード（第１の制御モード）が指令された場合には、記憶部２１に記憶されたボンディング動作プログラム２１ａと制御変数２１ｂに基づいて、Ｚ軸モータ６ａを制御する。この場合には、下位制御部２０は位置制御部２２に対して目標位置を示す位置指令（信号ａ）を、電流制御部２６に対して制御切換指令（信号ｂ）やトルク制御時の目標荷重を示す荷重指令（信号ｃ）をボンディング動作プログラム２１ａに従って出力する。
【００２０】
位置制御モードまたはトルク制御モード（第２の制御モード）が指令された場合には、下位制御部２０はボンディング動作プログラム２１ａを実行せずに、制御部１８からの位置指令、荷重指令に基づいて、Ｚ軸モータ６ａを制御する。制御部１８が位置制御モード（信号Ｂ）を指令すると、下位制御部２０は制御切換指令（信号ｂ）を出力して電流制御部２６の制御方式を位置制御方式に切り換えるとともに、制御部１８からの位置指令（信号Ｃ）を中継して位置制御部２２に対して位置指令（信号ａ）を出力する。一方、制御部１８がトルク制御モード（信号Ｂ）を指令すると、下位制御部２０は制御切換指令（信号ｂ）を出力して電流制御部２６の制御方式をトルク制御方式に切り換えるとともに、制御部１８からの荷重指令（信号Ｃ）を中継して電流制御部２６に対して荷重指令（信号ｃ）を出力する。
【００２１】
位置制御部２２は、位置指令（信号ａ）と、位置カウンタ２３からの位置信号（信号ｄ）に基づいて、目標位置に到達するための目標速度を示す速度指令（信号ｅ）を速度制御部２４に対して出力する。位置信号（信号ｄ）はボンディングツール７の高さ位置を示すものであり、エンコーダ１２からのパルス信号に基づき、位置カウンタ２３によって生成される。この位置信号は、下位制御部２０に対しても出力される。
【００２２】
速度制御部２４は、速度指令（信号ｅ）と速度カウンタ２５からの速度信号（信号ｆ）に基づいて、Ｚ軸モータ６ａを駆動するための目標電流を示す電流指令（信号ｇ）を電流制御部２６に対して出力する。速度信号（信号ｆ）はボンディングツール７の昇降速度を示すものであり、エンコーダ１２からのパルス信号に基づき、速度カウンタ２５によって生成される。この速度信号は、下位制御部２０に対しても出力される。
【００２３】
電流制御部２６は、制御切換指令（信号ｂ）によって制御方式を位置制御方式とトルク制御方式に切り換える。位置制御方式の場合は、速度制御部２４から出力された電流指令（信号ｇ）に基づいて駆動電流ｉをＺ軸モータ６ａに対して出力し、トルク制御方式の場合は、下位制御部２０から出力された荷重指令（信号ｃ）に基づいて、駆動電流ｉをＺ軸モータ６ａに対して出力する。これにより、Ｚ軸モータ６ａには駆動用の電力が供給される。したがって、電流制御部２６は、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながらＺ軸モータ６ａに電力を供給するモータ駆動部となっている。すなわち下位制御部２０は、電流制御部２６を介してＺ軸モータ６ａを制御する。
【００２４】
このボンディング装置は上記のように構成されており、次にこのボンディング装置の自動運転モードについて図３、図４を参照して説明する。
【００２５】
図３において、まず制御部１８から位置制御モードが指令され、これを受けた下位制御部２０は制御切換指令（信号ｂ）を電流制御部２６へ出力して、位置制御方式に切り換える（ＳＴ１）。次に制御部１８はボンディングツール７を上昇させるための位置指令Ｚ０を出力する。これを受けて下位制御部２０は位置指令Ｚ０（信号ａ）を出力し、位置制御部２２及び速度制御部２４を経て電流制御部２６に電流指令（信号ｇ）が出力され、電流制御部２６はこの電流指令（信号ｇ）に基づいて駆動電流ｉをＺ軸モータ６ａに対して出力して駆動する。
【００２６】
これにより図４（ａ）に示すように、ボンディングツール７は位置指令Ｚ０に対応する目標位置まで上昇し、所定位置に位置する（ＳＴ２）。この位置指令Ｚ０は、ボンディングツール７の待機位置に対応している。次いで図４（ｂ）に示すように、チップ８を載置した供給アーム９がボンディングツール７の下方に進出してチップ８が供給され（ＳＴ３）、制御部１８からの位置指令Ｚ１が出力されると、このチップ８に対してボンディングツール７が位置指令Ｚ１に対応する目標位置まで下降する。この位置指令Ｚ１はチップ吸着高さに対応している。
【００２７】
これによりチップ８はボンディングツール７によって吸着される（ＳＴ５）。この後、図４（ｃ）に示すようにボンディングツール７が再び位置指令Ｚ０に従って上昇する（ＳＴ６）とともに、供給アーム９が退避する。なお、ここでは供給アーム９が進退し、ボンディングツール７は単に昇降動作のみを行う例を示しているが、ボンディングツール７に昇降と水平移動とを組み合わせたチップ吸着動作を行わせるようにしてもよい。
【００２８】
この後図４（ｄ）に示すように、カメラ１４がボンディングツール７の下方に進出し、ボンディングツール７に保持された状態のチップ８を下方から認識するとともに、下方の基板３（図１）を認識する。これにより、基板３とチップ８との相対的な位置誤差が検出され、この位置誤差に基づいて移動テーブル２を駆動することにより、位置誤差を補正するアライメント動作が行われる（ＳＴ７）。
【００２９】
次に制御部１８により下位制御部２０に対して自動運転モードが指令され（ＳＴ８）、すなわちボンディング動作プログラムにしたがって所定のボンディング動作を行う指令が出力される。これにより、チップ８は基板３にボンディングされる。そしてボンディング動作プログラムに設定された動作完了信号が制御部１８によって受信されたならば、ボンディング動作の完了と判断して（ＳＴ９）、位置制御方式に復帰し（ＳＴ１０）、自動運転の１サイクルを終了する。
【００３０】
次に図５、図６を参照して、上記（ＳＴ８）の自動制御モードにおいて実行されるボンディング動作について説明する。図６は、ボンディング動作におけるボンディングツール７の高さ位置の時間的変化と、制御切換指令および荷重指令との関係を示すものである。ボンディング動作開始の時点では、図６（イ）に示すようにボンディングツール７は、チップ８を吸着して位置指令Ｚ０に対応した所定の待機位置にある。
【００３１】
ボンディング動作が開始されると、図５においてまず下位制御部２０からの制御切換指令によって制御方式が選択される（ＳＴ１１）。次に下位制御部２０はボンディングツール７を下降させるための位置指令Ｚ２（信号ａ）を出力してＺ軸モータ６ａを駆動する。位置指令Ｚ２は記憶部２１に制御変数２１ｂとして格納されている。すると図６（ロ）に示すように、ボンディングツール７は位置指令Ｚ２にしたがって下降する（ＳＴ１２）。位置指令Ｚ２は下降速度の切り換え高さに対応しており、位置指令Ｚ２に対応した高さに到達したならば、下降速度を低速に切り換えるとともに、トルクリミット機能をＯＮにする（ＳＴ１３）。
【００３２】
トルクリミット機能とは、駆動電流ｉの上限値を設定してこれ以上の電流がＺ軸モータ６ａに供給されないようにする機能であり、これにより、制御モードは単なる位置制御からトルクリミットつき位置制御に切り換えられ、ボンディングツール７の下降途中においてチップ８が基板３に当接した際のチップ８に対する過大な荷重が防止される。
【００３３】
この後、下位制御部２０からの位置指令Ｚ３が出力され、ボンディングツール７は位置指令Ｚ３を目標位置とする高さまで低速で下降する。この過程において、サーチ動作が行われる（ＳＴ１４）。このサーチ動作においては、チップ８と基板３との接触を検出する接触検出が行われる（ＳＴ１５）。すなわち速度カウンタ２５からの速度信号（信号ｆ）を下位制御部２０で監視し、この速度が急減速し始めた時点を「接触」と判断する。この接触検出においては、Ｚ軸の位置検出をＺ軸モータドライバ１３によって行うことから、従来の制御方式、すなわち制御部１８の機能によってＺ軸の位置検出を行う方式と比較して、高分解能の検出が可能となっている。
【００３４】
そして、図６（ハ）に示すようにチップ８が基板３に当接して下位制御部２０によって接触が検知されたならば、下位制御部２０は制御切換指令（信号ｂ）を出力して電流制御部２６の制御方式をトルク制御方式に切り換える（ＳＴ１６）。そして下位制御部２０から荷重指令Ｆ１（信号ｃ）が電流制御部２６に出力され、これにより、Ｚ軸モータ６ａが発生するトルクにより荷重指令Ｆ１に応じたボンディング荷重が印加され（ＳＴ１７）、この状態が所定の時間Ｔ１だけ保持される。時間Ｔ１が経過したならば（ＳＴ１８）、荷重指令Ｆ２に切り換えて図６（ニ）に示すように荷重指令Ｆ２に応じたボンディング荷重を印加し（ＳＴ１９）、所定の時間Ｔ２が経過したならば（ＳＴ２０）、下位制御部２０は制御切換指令（信号ｂ）を出力して電流制御部２６の制御方式を位置制御方式に復帰する（ＳＴ２１）。
【００３５】
次に下位制御部２０から位置指令Ｚ０が出力され、これによりチップ８を基板３にボンディングした後のボンディングツール７は、図６（ホ）に示す状態から位置指令Ｚ０に従って図６（へ）に示す待機位置まで上昇する（ＳＴ２２）。この後、Ｚ軸が停止したことを確認し（ＳＴ２３）、下位制御部２０から制御部１８に対して動作完了信号を出力する（ＳＴ２４）。これにより、ボンディング動作プログラムにしたがって自動制御モードで行われるボンディング動作の１サイクルが終了する。
【００３６】
上記説明したように、このボンディング方法は、上位制御部としての制御部１８からの指令に基づいてボンディングツール７を所定の待機位置に位置させる工程と、制御部１８から下位制御部２０に対してボンディング動作を行う指令を出力する工程と、下位制御部２０がボンディング動作プログラム２１ａに基づいてＺ軸モータ６ａを制御してボンディング動作を行う工程と、ボンディング動作が完了したならば、動作完了信号を下位制御部２０から制御部１８へ出力する工程とを含むものとなっている。
【００３７】
そして下位制御部２０がボンディング動作プログラム２１ａに基づいてＺ軸モータ６ａを制御してボンディング動作を行う工程において、接触検出や制御方式の切り換えは、制御部１８とは独立にＺ軸モータドライバ１３の内部機能によって行われることから、制御部１８の全体制御機能によってこれらの処理を行う従来の方法と比較して、信号伝達経路が簡略化され、これにより高速動作が実現される。
【００３８】
また、自動運転において自動制御モードで実行されるボンディング動作は、独立した動作ステップとして取り扱えることから、ボンディング装置（制御部１８）の動作プログラム作成負荷を低減することが可能となっている。
【００３９】
なお上記実施の形態においては、自動制御モードによって自動的に実行される動作プログラムとして、ボンディング動作の例のみを示しているが、チップ吸着動作など、ボンディングヘッド７の昇降動作を伴う他の動作についても、同様に自動制御モードによって実行することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、ボンディングツールを駆動するモータの制御系を、位置制御方式とトルク制御方式とを選択的に切り換えながらモータに電力を供給するモータ駆動部とこのモータ駆動部を介してモータを制御する下位制御部とを備えたモータ制御部と、ボンディング装置全体を制御する上位制御部とで構成し、この下位制御部によるモータの制御において、下位制御部が動作プログラムに基づいてモータを制御する第１の制御モードと動作プログラムを実行せずに上位制御部からの指令に基づいてモータを制御する第２の制御モードとを切り換えて制御するようにしたので、ボンディング動作における制御モードの切換を高速で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のボンディング装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の一実施の形態のボンディング装置のＺ軸モータの制御系の機能を示す機能ブロック図
【図３】本発明の一実施の形態のボンディング装置の自動運転のフロー図
【図４】本発明の一実施の形態のボンディング装置の自動運転の動作説明図
【図５】本発明の一実施の形態のボンディング動作のフロー図
【図６】本発明の一実施の形態のボンディング動作の説明図
【符号の説明】
３  基板
４  ボンディング機構
６  ツール昇降機構
６ａ  Ｚ軸モータ
７  ボンディングツール
８  チップ
１３  Ｚ軸モータドライバ
１８  制御部
２０  下位制御部
２１  記憶部
２１ａ  ボンディング動作プログラム
２１ｂ  制御変数
２２  位置制御部
２４  速度制御部
２６  電流制御部
【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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