(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを押圧する圧着ツールと、ワークを押圧するための荷重を圧着ツールに付与する第１・第２押圧手段とを備えたワーク実装装置であって、
前記第１押圧手段は、前記圧着ツールに指令値に基づく荷重を付与するエアアクチュエータから構成され、
前記第２押圧手段は、第１押圧手段による出力荷重の荷重指令値との過不足を誤差として補正する荷重を付与するリニア型モータにて構成され、
実装時において第１押圧手段による出力荷重を第２押圧手段にて補正して必要な荷重である設定荷重をワークに負荷することを特徴とするワーク実装装置。
【請求項２】
前記リニア型モータは、リニアモータであることを特徴とする請求項１のワーク実装装置。
【請求項３】
前記リニア型モータは、リニアアクチュエータであることを特徴とする請求項１のワーク実装装置。
【請求項４】
前記第１押圧手段と前記第２押圧手段とを圧着ツールの軸心上に配設したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項のワーク実装装置。
【請求項５】
前記第１押圧手段を、前記第２押圧手段の反ワーク側に配設したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項のワーク実装装置。
【請求項６】
ワークに負荷される荷重を検出する荷重検出器と、荷重検出器にて検出された荷重情報と設定荷重との過不足を検出し、この過不足に基づいて第２押圧手段を制御して、設定荷重となるように補正する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項のワーク実装装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品等のワークを基板等に押圧して実装するワーク実装装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品（ワーク）を基板にボンディングする場合、電子部品を押圧するための圧着ツールに押圧力を作用させて、電子部品を基板に向けて加圧して接合する。圧着ツールを押圧する手段としては、エアアクチュエータを採用するものがある（特許文献１）。すなわち、特許文献１に記載された半導体チップの実装装置は、エアシリンダに供給される所定圧のエアが駆動力となって、この駆動力にて圧着ツールを押圧し、電子部品を基板に向けて加圧して実装するようにしている。この場合、レギュレータを使用して空気圧をコントロールすることで、圧着ツールに負荷する荷重を制御している。
【０００３】
また、圧着ツールを押圧する手段としては、ボイスコイルモータ等のリニア型モータを採用するものがある（特許文献２）。すなわち、圧着ツールの上下運動の駆動源としてボイスコイルモータを使用し、圧着ツールの周囲に巻回したコイルに電流を流して圧着ツールを上下運動させるものである。この場合、コイルに流す電流をコントロールすることで圧着ツールに負荷する荷重を制御している。
【０００４】
ところで、電子部品を基板に圧着して実装する場合、良好な圧着品質を得る必要がある。基板の割れや欠けを防止するためには、電子部品が基板等に接触する際、可能な限り荷重を小さくする必要がある。また、はんだの良好な接合状態を得るために、電子部品と基板との接合過程では、はんだの接合不良をおこさない、適切な荷重プロファイルを予め設定し、この荷重プロファイルに従って押圧力を高精度に制御する必要がある。
【特許文献１】特開２００７−２８７７９２号公報
【特許文献２】特開２００２−２８１７２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に記載のようなエアアクチュエータは、空気圧の上限は決まっているため、大きな出力荷重を付与したい場合は、受圧面積を広くするなどし、出力荷重の上限を決定する必要がある。しかしながら、この場合、空気圧制御に用いるレギュレータの分解能は一定であるので、出力荷重を増大させると荷重分解能が低下して低荷重領域の出力が困難となる。また、大きな荷重を出力するほど、荷重分解能の低下により予め設定した荷重値との誤差が増大する。
【０００６】
リニア型モータを制御するものでは、電流値を上げることで推力を増大させることができるが、電流値を上げすぎるとコイルが発熱することにより圧着ツールが加熱され、この加熱に起因して膨張が生じ、電子部品を割るという不具合が生じてしまう。また、コイルに流すことのできる電流量は決まっているので、さらに荷重の増大を行う場合は、リニア型モータのサイズアップを図る必要があり、装置サイズも必然的に大きくする必要がある。しかしながら、装置をサイズアップすると、大きな設置スペースが必要となる。さらに、圧着ツールの重量が大となることにより、衝撃荷重が大となり、結果的に低荷重を出力できないという問題がある。その上に、圧着ツールの高速運動により慣性が大きくなることで振動が大となり、この振動で電子部品を割るという不具合が生じる可能性がある。
【０００７】
このように、従来のこの種の装置において、出力荷重の増大を行うと、エアアクチュエータにて構成するものでは、荷重分解能が低下するために、低荷重域の出力が困難であり、リニア型モータにて構成するものでは、可動部である圧着ツールの重量増により低荷重域の出力が困難であった。このため、低荷重から高荷重までの広範囲な荷重領域で、予め設定された荷重値に従って圧着ツールの押圧力を制御することができず、良好な圧着品質を得ることができなかった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みて、低荷重から高荷重まで広範囲な荷重領域において高速かつ高精度に出力することができて、良好な圧着品質を得ることができるワーク実装装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のワーク実装装置は、ワークを押圧する圧着ツールと、ワークを押圧するための荷重を圧着ツールに付与する第１・第２押圧手段とを備えたワーク実装装置であって、前記第１押圧手段は、前記圧着ツールに指令値に基づく荷重を付与するエアアクチュエータから構成され、前記第２押圧手段は、第１押圧手段による出力荷重の荷重指令値との過不足を誤差として補正する荷重を付与するリニア型モータにて構成され、実装時において第１押圧手段による出力荷重を第２押圧手段にて補正して必要な荷重である設定荷重をワークに負荷するものである。
【００１０】
本発明のワーク実装装置によれば、エアアクチュエータとリニア型モータとの２種類の押圧手段を備えているので、指令値から、第１押圧手段による出力荷重の差を第２押圧手段にて補正することができる。この場合、リニア型モータは、コイルに流す電流を調整することにより推力を調整することができるので、エアアクチュエータによる誤差を補正することができ、実装時において必要な荷重を高精度にワークに負荷することができる。さらに、リニア型モータは、エアアクチュエータと比較して応答が速いため、出力荷重を高速に補正することができる。
【００１１】
前記リニア型モータを、リニアモータとしたり、リニアアクチュエータとしたりすることができる。リニアモータは、電磁力により対象物に対して直接、直線的な運動（往復運動）を与える駆動装置である。リニアアクチュエータは、円筒状の回転型モータを直線状に展開したものではなく、独自の電磁的構成を有し、リニアモータとは異なる。
【００１２】
前記第１押圧手段と前記第２押圧手段とを圧着ツールの軸心上に配設することができる。
【００１３】
前記第１押圧手段を、前記第２押圧手段の反ワーク側に配設することができる。
【００１４】
ワークに負荷される荷重を検出する荷重検出器と、荷重検出器にて検出された荷重情報と、設定荷重との過不足を検出し、この過不足に基づいて第２押圧手段を制御して、設定荷重となるように補正する制御手段とを備えることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、指令値に基づく第１押圧手段による荷重と設定荷重との誤差を第２押圧手段にて補正することができる。このため、設定荷重との誤差が大でもその誤差の補正ができ、エアアクチュエータに対しては高精度な出力を要求しない。従ってこのワーク実装装置は、低荷重から高荷重まで広範囲な荷重領域で、しかも高精度に出力することができる。よって、ワークを実装する場合、適切な荷重を負荷することができて、ワークの割れや欠けを防止でき、良好な接合品質を得ることができる。さらに、負荷荷重を高速に調整することができるため、一層高精度に出力することができる。
【００１６】
前記リニア型モータを、リニアモータやリニアアクチュエータとすると、駆動対象に非接触で任意の方向に推進力を与えることが可能であるため、駆動機構を単純にすることができる。また、高い応答性が得られるので、急な勾配も追従でき、特性の経年変化も少なく、保守性・制御性に優れる等の利点がある。
【００１７】
前記第１押圧手段と前記第２押圧手段とを圧着ツールの軸心上に配設すると、機構の重心に対して力を作用することができ、余分なモーメント荷重を発生させないため、作動中の振動を小とすることができる。よって、ワークを損傷させることなく実装することが可能となり、また、余分なモーメント荷重などを発生させないことで機構の簡略化を行えるため、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００１８】
前記第１押圧手段を、前記第２押圧手段の反ワーク側に配設すると、第１押圧手段の受圧面積を大とすることができるため効率が良くなるとともに、第２押圧手段の小型化を図ることができて装置の一層のコンパクト化を図ることができる。
【００１９】
荷重検出器と制御手段とを備えることによって、ワークに負荷される荷重を正確に検出でき、設定荷重と検出荷重との差をフィードバック補正することで、ワークに負荷される荷重を安定して制御することができて、一層良好な圧着品質を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。
【００２１】
図１は本発明のワーク実装装置を示し、このワーク実装装置は、半導体チップ等の電子部品（ワーク）１０を、はんだ１３よりなる接着剤を介して実装基板（基板）１１の所定箇所に実装するものであり、半導体チップ１０を、基板１１に向けて加圧するとともに加熱するように構成されている。
【００２２】
ワーク実装装置は、図１に示すように、ワーク１０を押圧するための荷重を圧着ツール５に付与する第１押圧手段１及び第２押圧手段２と、第１押圧手段１及び第２押圧手段２でワーク１０を押圧するとともに、ワーク１０に負荷される荷重を検出する機能を兼ねた加圧体３と、第２押圧手段２による押圧力を制御する制御手段１７とを備える。第１押圧手段１及び第２押圧手段２は、圧着ツール５の軸心上に配設するとともに、第１押圧手段１を、第２押圧手段２の反ワーク側に配設している。
【００２３】
第１押圧手段１は、エアアクチュエータにて構成している。すなわち、エアアクチュエータは、圧縮エアが供給される中空状の筒体９と、圧縮エアの押圧力を受ける受圧部４と、受圧部４が圧着ツール５に連結されて、圧縮エアの押圧力を圧着ツール５に伝達する伝達部８から構成される。筒体９には孔部１２が設けられており、この孔部１２を介して図示省略の圧縮エア供給源から圧縮エア（高圧ガス）が供給される。そして、受圧部４が圧縮エアの圧力を受けると筒体９内で受圧面積に応じた押圧力が発生し、伝達部８を介して圧着ツール５に付与することができる。この場合、図示省略のエアアクチュエータ用の制御手段にて、筒体９に供給する圧縮エアの圧力を制御可能である。すなわち、制御手段が荷重指令値を入力することによって、エアアクチュエータの押圧力を制御することができる。
【００２４】
第２押圧手段２は、リニア型モータにて構成されている。リニア型モータとは、リニアモータとリニアアクチュエータとに大別される。リニアモータは、電磁力により対象物に対して直接、直線的な運動（往復運動）を与える駆動装置であり、リニアアクチュエータとは、円筒状の回転型モータを直線状に展開したものではなく、独自の電磁的構成を有し、リニアモータとは異なる。リニアモータには、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータ、リニアハイブリットモータ、リニアパルスモータがある。リニアアクチュエータは、リニア振動アクチュエータ、リニア電磁ソレノイド、リニア電磁ポンプがある。
【００２５】
本実施形態では、リニア型モータは、リニア直流モータであるボイスコイルモータにて構成している。すなわち、ボイスコイルモータは、圧着ツール５の外周側に配設される磁石と、磁石の外周側に配設されるコイルとを有している。コイルに電流を流すと、磁石の磁束との間に推力が発生して圧着ツール５を上方又は下方に移動させることができる。また、コイルに逆向きの電流を流すと、圧着ツール５を逆の方向に移動させることができる。この場合、リニア型モータ用の制御手段１７にてコイルに流す電流の大きさを制御して、圧着ツール５に付与する推力を高速で制御することができるとともに、コイルに流す電流の向きを制御して、圧着ツール５に負荷する推力の向きを制御することができる。これにより、指令値から、第１押圧手段による出力荷重の差を補正する調整用荷重を付与することができる。なお、本実施形態では、制御手段として、エアアクチュエータ用のものとリニア型モータ用のものとを設けているが、エアアクチュエータとリニア型モータとの両方を同時に制御するものを１つ設けてもよい。
【００２６】
圧着ツール５の先端部には、ワーク１０に荷重を負荷する加圧体３を設けている。この加圧体３には、ワーク１０に負荷される荷重を検出する荷重検出器１６（図３参照）を備えている。
【００２７】
次に、ワーク実装装置を使用して半導体チップ１０を基板１１に実装する実装方法を説明する。まず、ワーク実装装置を、半導体チップ１０を実装すべき基板１１の上方にまで移動させる。その後、エアアクチュエータに所定量の圧縮エアを供給して、設定手段１５（図３参照）により予め設定した設定荷重となるように制御する。つまり、図示省略のエアアクチュエータ用の制御手段から、設定荷重となる指令値をエアアクチュエータに出力する。
【００２８】
この場合、半導体チップ１０に負荷される荷重を、荷重検出器１６にて検出する。例えば、荷重検出器１６が、図２の点線に示すようなシリンダー出力値を検出した場合、設定手段１５により予め設定した図２の実線の荷重指令値との過不足分が誤差として検出される。なお、図２の実線に示すような荷重指令値は、半導体チップ１０と基板１１との圧着過程において、半導体チップ１０に最適なはんだ１３の接合状態を得ることのできるような荷重値を想定したものであり、ワーク１０の種類に応じて決定されるものである。また、説明を簡単にするため図２では荷重指令値を直線状としているが、実際は複数のステップ状に増加させるのが好ましい。ここで、ステップ状に増加させるとは、一定荷重が所定時間（例えば、０．１秒単位）だけ負荷された後、前記一定荷重よりも大きい荷重が一定時間だけ負荷されていくことになる。
【００２９】
シリンダー出力値と荷重指令値との誤差を検出すると、誤差情報が制御手段１７に伝達される。そして、制御手段１７の制御により、第１押圧手段１と第２押圧手段２との押圧力が荷重指令値と略一致するように、第２押圧手段２の推力を制御する。すなわち、第２押圧手段２は、誤差を補正するものであるので、第２押圧手段２の押圧力（推力）は、プラスであったりマイナスであったりする。このため、ボイスコイルモータ等のように、直線的な往復運動するものが、この第２押圧手段２として最適となる。このように、本発明のワーク実装装置は、予め設定された荷重指令値で半導体チップ１０を基板１１に押圧することができる。これにより、圧着ツール５が半導体チップ１０に接触する際には、小さい荷重で接触し、半導体チップ１０を圧着する過程では、半導体チップ１０に対して最適なはんだ１３の接合状態を得ることができるような荷重を負荷することができる。
【００３０】
本発明では、エアアクチュエータとリニア型モータとの２種類の押圧手段を備えているので、指令値に基づく第１押圧手段１による荷重と設定荷重との誤差を第２押圧手段２にて補正することができる。このため、エアアクチュエータに対しては高精度な出力を要求せず、低荷重から高荷重まで広範囲な荷重領域で、しかも高精度に出力することができる。この場合、リニア型モータは、コイルに流す電流を調整することにより推力を調整することができるので、エアアクチュエータによる誤差を補正することができ、実装時において必要な荷重を高精度に半導体チップ１０に負荷することができる。このため、半導体チップ１０を実装する場合、適切な荷重を負荷することができて、半導体チップ１０の割れや欠けを防止でき、良好な接合品質を得ることができる。しかも、リニア型モータは、エアアクチュエータと比較して応答が速いため、出力荷重誤差を高速に補正することができ、一層高精度に出力することができる。
【００３１】
リニア型モータを、リニアモータとしているので、駆動対象に非接触で任意の方向に推進力を与えることが可能であり、駆動機構を単純にすることができる。また、高い応答性が得られるので、急な勾配も追従でき、特性の経年変化も少なく、保守性・制御性に優れる等の利点がある。
【００３２】
前記第１押圧手段１と前記第２押圧手段２とを圧着ツール５の軸心上に配設しているので、機構の重心に対して力を作用することができ、余分なモーメント荷重を発生させないため、作動中の振動を小とすることができる。よって、ワークを損傷させることなく実装することが可能となり、また、余分なモーメント荷重などを発生させないことで機構の簡略化を行えるため、装置のコンパクト化を図ることができる。
【００３３】
前記第１押圧手段１を、前記第２押圧手段２の反ワーク側に配設しているので、第１押圧手段１の受圧面積を大とすることができるため効率が良くなるとともに、第２押圧手段２の小型化を図ることができて装置の一層のコンパクト化を図ることができる。
【００３４】
荷重検出器１６と制御手段１７とを備えることによって、半導体チップ１０に負荷される荷重を正確に検出でき、設定荷重と検出荷重との差をフィードバック補正することで、半導体チップ１０に負荷される荷重を安定して制御することができて、一層良好な圧着品質を得ることができる。
【００３５】
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、エアシリンダとリニア型モータとが逆の配置であってもよい。また、荷重検出器１６を、半導体チップ１０の下面に付設してもよい。この場合、可動部である圧着ツール５の重量を小とすることができて、荷重を負荷することによる衝撃荷重を小とすることができるという利点がある。エアアクチュエータの数としては、１つに限られず２つ以上あってもよい。圧着ツール５の形状としては、円柱状に限られるものではなく、エアアクチュエータで押圧可能なものであり、かつリニア型モータで押圧可能なものであれば、円筒状のものや四角柱のもの等種々の形状を採用することができる。
【００３６】
このワーク実装装置は、半導体チップ１０を吸着するコレットを備えたダイボンダにも使用できる。すなわち、加圧体３に替えて、半導体チップ１０をピックアップして吸着保持できるコレットとしてもよい。この場合、ワーク実装装置は、搬送手段によってＸＹＺ方向に移動可能とされ、半導体チップ１０が供給される供給部から半導体チップ１０をピックアップしてコレットにて吸着保持し、ボンディングポジションであるリードフレーム等の基板１１に押圧（圧着）する。このように、ワーク実装装置は、ダイボンダ、フリップチップボンダ等に使用することができる。
【００３７】
なお、本発明においてリニア型モータには、圧電素子又は超音波モータを含めるものとする。圧電素子は、強誘電体の一種で、振動や圧力などの力が加わると電圧が発生し、また逆に電圧が加えられると伸縮する素子である。薄手の圧電素子と金属板を貼り合わせた構造のモノモルフ、２枚の圧電素子を貼り合わせた構造のバイモルフ、多数の圧電素子を重ねて棒状にした積層型がある。圧電素子にて構成すると、低電圧で大きな変位量を持ち、高剛性で応答性もよく、さらに、小型で軽量である。超音波モータは、超音波振動を利用してロータあるいはリニア被駆動体を駆動する方式のモータである。波動原理から進行波型・定在波型、振動モードから共振型・非共振型、形状から円板型・平板型・くさび型がある。超音波モータにて構成すると、毎分数１０〜数１００回転の低速で高トルクを得ることができるため、ギア減速機構を必要とせず、ダイレクトドライブが可能である。また、ロータのイナーシャ（慣性）が小さいのと、モータの摩擦による制動力が大きいため、優れた応答性を発揮し、速度コントロールも無段階に変化可能な上、機械的時定数も１ｍｓｅｃ以下と、制御性にも大変優れ、高精度な速度制御および位置制御が可能である。さらには、シンプルな構成と軽量を得ており、低速でギア減速が不要、人間の耳には聞こえない超音波領域の振動を駆動源とするため、作動音がきわめて静かであるとの利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態を示すワーク実装装置の簡略斜視図である。
【図２】本発明のワーク実装装置を使用してボンディングする際、ワークに負荷される荷重を示すグラフ図である。
【図３】本発明のワーク実装装置により負荷される荷重を制御する機構をしめすブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１     第１押圧手段
２     第２押圧手段
５     圧着ツール
１０   ワーク
１６   荷重検出器
【図１】
0004515508.tif 000002
【図２】
0004515508.tif 000003
【図３】
0004515508.tif 000004