(57)【要約】特に少なくとも一つの光学部品を含んだ小型化された素子（３ａ）をキャリアプレート（４ａ）に、はんだ付け、溶接又は接着によって高精度に取付けるための方法、装置およびシステムに関する。上記素子（３ａ）は、キャリアプレート（４ａ）上でロボットステーション（２ａ）の掴み治具（１ａ）によって外部参照位置に対し位置合わせされる。次に接合（６ａ）が素子（３ａ）とキャリアプレート（４ａ）との間に形成され、上記接合部（６ａ）が素子（３ａ）とキャリアプレート（４ａ）との間の収縮を伴って凝固し、これにより垂直方向の引張力を素子（３ａ）を保持する掴み治具（１ａ）に及ぼす。収縮と同時に、掴み治具（１ａ）は制御又は調整されながら垂直方向にキャリアプレート（４ａ）に向かって位置ずれし、また任意で測定された規定の位置に達するまで位置ずれすることで、収縮方向に能動的に移動して大きな引張力の発生を避け、素子（３ａ）を掴み治具（１ａ）から取り外す際に、位置を動かさないようにする。本発明は、上記方法で用いられる掴み治具（１ａ）にも関する。
2006508539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に少なくとも一つの光学部品が保持又は収容された小型化された素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）のキャリアプレート（４ａ，４ｂ）上へのはんだ接合、溶接、又は接着による取付方法であって、
ロボットステーション（２ａ、２ｂ、２ｃ）の掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）によって上記素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）を掴んで保持し、
キャリアプレート（４ａ、４ｂ）上でロボットステーション（２ａ、２ｂ、２ｃ）によって掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）を用いて上記素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）を外部の参照位置に対して位置合わせし、
接合部（６ａ、６ｂ）を上記素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）とキャリアプレート（４ａ、４ｂ）との間に形成し、その接合部（６ａ、６ｂ）は収縮しながら凝固し、その結果掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）に対しキャリアプレート（４ａ、４ｂ）と直角な方向に引張力を及ぼし、
掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）が上記引張力に従って、キャリアプレート（４ａ）に直角な方向へ移動し、
これらによりはんだ付け、溶着又は接着によって上記素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）とキャリアプレート（４ａ、４ｂ）との接合を形成し、
上記接合（６ａ、６ｂ）が実質的に凝固した後、掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）を素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）から開放する、というステップからなる取付方法において、
上記素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）とキャリアプレート（４ａ、４ｂ）との間の接合の形成ステップにおいて、キャリアプレート（４ａ、４ｂ）へ向かって掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の移動が制御又は調整され、それに従うことによって上記引張力が少なくとも部分的に補償されることを特徴とする取付方法。
【請求項２】
特に接合部（６ａ、６ｂ）の全凝固プロセス期間中において、上記補償が実質的に継続して有効であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
所要の垂直位置に達するまでキャリアプレート（４ａ、４ｂ）へ向かって掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の移動が制御又は調整され、それに従うことによって上記引張力が補償され、
上記垂直所要位置に達した後、掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の移動が停止又は低下することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
上記掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の移動が接合部（６ａ、６ｂ）の材質に基づくアルゴリズムに従う自動連続制御によって制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１記載の方法。
【請求項５】
上記引張力の補償の前のステップにおいて、周囲温度が測定され、測定した周囲温度の関数として上記アルゴリズムが適応されることを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の移動が制御ループによって調整されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１記載の方法。
【請求項７】
上記制御ループの参照変数が、接合部（６ａ、６ｂ）における所要機械的応力によって直接的又は間接的に作成され、
上記制御ループの制御変数が、接合部（６ａ、６ｂ）における引張力と関連した実際の機械的応力によって直接的又は間接的に作成され、
キャリアプレート（４ａ、４ｂ）に向かう掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の移動により実際の応力と所要応力とを一致させることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
収縮の発生を伴う接合部（６ａ、６ｂ）の凝固前に、接合部の機械的応力を直接的又は間接的に、特に実際の引張力を測定することによって測定することと、測定された応力で上記所要応力を作成することを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
所要応力が垂直所要引張力によって予め決定され、実際の応力が測定された実際の垂直引張力からなることを特徴とする、請求項７又は８記載の方法。
【請求項１０】
掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）に働く垂直方向の実際の引張力（ＦV）が測定されることを特徴とする請求項６から９のいずれか１記載の方法。
【請求項１１】
垂直方向の実際の引張力（ＦV）が掴み治具（１ａ）上の力センサ（５ａ）によって測定されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
ロボットステーション（２ｂ、２ｃ）に対し相対的に、またキャリアプレート（４ｂ、４ｃ）に対し垂直に、弾力的に移動する掴み治具（１ｂ、１ｃ）と、ロボットステーション（２ｂ、２ｃ）に対する掴み治具（１ｂ、１ｃ）の相対的垂直位置（Ｖrel）とを測定することで上記垂直方向の実際の引張力（ＦV）が決定されることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
ロボットステーション（２ｂ，２ｃ）に対する掴み治具（１ｂ、１ｃ）の相対的垂直位置（Ｖrel）を位置検出器（７ｂ、７ｃ）によって測定することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
光学部品を保持するための素子をキャリアプレート（４ａ、４ｂ）に取付るための、請求項１から１３のいずれか１記載の素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）の方法の使用。
【請求項１５】
素子（３ａ）がはんだ付け、溶接、又は接着によってキャリアプレート（４ａ）に取付されるに際し、接合部（６ａ）がはんだ付け、溶接、又は接着によって素子（３ａ）とキャリアプレート（４ａ）間に形成され、キャリアプレート（４ａ）が収縮を伴って凝固する方法であるところの、実装方法として適当な方法である、小型化された素子（３ａ）を把持し、保持し、キャリアプレート（４ａ）上で外部参照位置に対して位置合わせするための請求項１から１１のいずれか１記載の方法において使用するための、ロボットステーション（２ａ）の掴み治具（１ａ）であって、
キャリアプレート（４ａ）と直角方向に掴み治具（１ａ）に働く引張力（ＦV）を測定するための力センサ（５ａ）が掴み治具（１ａ）と協調して働くことを特徴とする掴み治具（１ａ）。
【請求項１６】
素子（３ｂ、３ｃ）がはんだ付け、溶接、又は接着によってキャリアプレート（４ｂ）に取付される際に、接合部（６ｂ）がはんだ付け、溶接、又は接着によって素子（３ｂ、３ｃ）とキャリアプレート（４ｂ）間に形成され、キャリアプレート（４ｂ）が収縮を伴って凝固する方法であるところの、実装方法として適当な方法である、小型化された素子（３ｂ、３ｃ）を把持し、保持し、キャリアプレート（４ｂ）上で外部参照位置に対して位置合わせするための請求項１から１１のいずれか１記載の方法において使用するための、ロボットステーション（２ｂ、２ｃ）の掴み治具（１ｂ、１ｃ）であって、
掴み治具（１ｂ、１ｃ）がロボットステーション（２ｂ、２ｃ）に対し相対的に、またキャリアプレート（４ｂ）に対し垂直に、弾力的に移動することと、ロボットステーション（２ｂ、２ｃ）に対する掴み治具（１ｂ、１ｃ）の相対的垂直位置（Ｖrel）を測定する位置検出器（７ｂ、７ｃ）が掴み治具（１ｂ、１ｃ）と協調して働くこととを特徴とする掴み治具（１ｂ、１ｃ）。
【請求項１７】
上記掴み治具（１ｂ、１ｃ）が弾性的に移動することを可能にする少なくとも一つのばね（８ｂ、８ｃ）によって間接的又は直接的にロボットステーション（２ｂ、２ｃ）と接続されていることを特徴とする請求項１６記載の掴み治具（１ｂ、１ｃ）。
【請求項１８】
小型化された素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）を把持し、保持するための電磁石が掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）と協調して働くことを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか１記載の掴み治具。
【請求項１９】
光学部品を保持するための素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）の取付のための請求項１５から１８のいずれか１記載の掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）の使用。
【請求項２０】
特に少なくとも一つの光学部品が保持又は収容された小型化された素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）のキャリアプレート（４ａ、４ｂ）上へのはんだ付け又は溶接又は接着による取付けシステムであって、
少なくともキャリアプレート（４ａ、４ｂ）と直角方向に掴み治具を移動または位置合わせするためのロボットステーション（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、
請求項１５から１８のいずれか１記載の掴み治具（１ａ、１ｂ）と、
素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）とキャリアプレート（４ａ、４ｂ）との間に接合を形成する手段、例えばレーザーはんだ付け手段と、
少なくとも、掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）による素子（３ａ、３ｂ、３ｃ）の把持及び保持と、掴み治具（１ａ、１ｂ、１ｃ）のロボットステーション（２ａ、２ｂ、２ｃ）と一体となった移動と、接合を形成するための装置による接合の形成と、を制御及び／又は調整するための制御／調整装置とからなる請求項１から１３のいずれか１に従う方法を用いたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型化された素子、特に少なくとも一つの光学部品が保持又は収容された素子を、はんだ接合又は溶接又は接着によって、キャリアプレートへ非常に正確に取付するための方法とデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動ロボット組立ステーションを用いた超小型組立技術を採用することで、素子をキャリアプレート上に高精度に、例えば精度１ミクロン以下の掴み治具のような形状をしたマニピュレーターの持つ位置分解能でほとんど決まるような精度で、配置することができる。接合処理前のキャリアプレート上に素子を位置決めする精度が高いにもかかわらず、はんだ接合又は接着又は溶接によるキャリアプレートへの素子の接合時に多くの場合位置精度が低下するため、最終的な取付精度として同様に正確な精度は限られた範囲においてのみ実現される。この理由の1つは、はんだ付けのはんだ部、又は溶接した溶接部の冷却期間に、又は接着時の接着剤の硬化期間に、特にキャリアプレートと直角な垂直方向に対し発生する、素子とキャリアプレート間の接合部における収縮である。
【０００３】
熱接合法による局所的な熱の導入は、膨張を引き起こし、周囲の冷たい材料は接合部で必然的に圧縮を引き起こす。接合部を室温まで冷却する間、周囲の冷たい材料によって、すでに圧縮された領域はさらに縮まる。縮み応力又は残留応力と、歪み又は収縮が不可避的に発生する。歪みと残留応力は、特に熱の導入と熱の除去と収縮の防止又は固着強度に依存する。収縮することの有利な点は、収縮することで大きな応力即ち大きな残留応力につながる可能性が低くなるため、低応力と低残留応力を見込めることである。特に、マニピュレーターも同様に熱の影響を受けるような熱接合法即ちはんだ接合又は溶接を用いた場合、接合部部分の収縮に加えて、接合後の冷却期間にマニピュレーターの収縮も付加される。もし素子がマニピュレーター又は掴み治具にしっかりと保持されていれば、接合部の収縮と、素子全体の冷却により生じる掴み治具と他の素子の収縮とによって、素子とキャリアプレート間に、素子がマニピュレーターや掴み治具から解放され次第部分的に緩和されるような応力や引張力を引き起こす。素子を取付る最終的な精度が同様に低下するため、素子には好ましくない位置ずれが生じる。素子には好ましくない位置ずれが生じるため、素子を取付る最終的な精度が同様に低下する。緩和されなかった応力は、接合強度を低下させる残留応力となる。上述の問題は、熱接合方法、特にはんだ付け、溶接、熱溶融、又は粘着性のプラスチゾル接着の場合に特に重要だが、もし接着剤の硬化が収縮及び／又は加熱に関連しているならば、冷接着接合の場合にも同様の問題が存在する。
【０００４】
ＷＯ００／２８３７６公報は、その開示された内容を、参考のためこの明細書に添付しているが、そこには小型化された素子を熱的に安定して保持するための装置と方法、特にはんだ付け法が記載されている。そのはんだ付け法は、掴み治具を用いたロボットステーションによって実施されている。その掴み治具は、素子を掴み、キャリアプレートの少し上に位置合わせし、レーザー照射の間その位置を保持し、完全に取付された後に解放する。ＷＯ００／２８３７６公報によれば、金属収縮に対抗するように掴み治具設計時において、実質的に無限に堅く掴み治具を設計するのか、又は垂直方向でキャリアプレートと直角方向に弾性を持った掴み治具を使用するのかという基本的な選択が必要である。後者の場合、収縮は問題とならず、空間的に特定方向、特にキャリアプレートと垂直方向に対して認容される。ＷＯ００／２８３７６公報によれば、スズ材料の収縮で発生する力の下でも非変形であるような設計をすると、高精度のロボットステーションに適用できないほど堅牢なものになってしまうため、弾性掴み治具を用いた２番目の解決策は、堅い掴み治具を用いた最初の解決策より望ましい。金属の収縮は、はんだ材の引っ張り強さの上限以上の機械的負荷を引き起こし、接合不良をもたらしかねない。２×２×３ｍｍの素子が用いられた場合を仮定すると、１ｍｍ厚のスズ層の場合、４μｍの熱収縮で２８８Ｎ／ｍｍ2の応力が発生する。上記スズに働く負荷はスズ材の破断点よりはるかに大きいため、全体の取付に破綻をきたすような接合欠陥が必然的に生じる。さらにＷＯ００／２８３７６公報によれば、取付時の最終精度は、掴み治具構造が照射を持続している間、取付位置に保持すべき部分を保持することができる程度に堅牢であると仮定するならば、柔軟な掴み治具のための弾性構造を使用することによる悪影響を受けない。機械的応力は、事実上スズ層がその状態を変化させ、堅い状態になった場合にのみ発生する。この時より先、掴み治具の変形可能度が役割を果たす。ＷＯ００／２８３７６公報には、接合部の冷却又は硬化時に、その垂直方向の位置がバネの作用に対し弾力的にかつ無抵抗に従う掴み治具が記載されている。従ってこの受動的方法において、固化後に達する垂直位置は、冷却又は効果期間中の接合部の内部応力又は掴み治具の引張力、言い換えるとはんだや溶接や接着の厚さに依存する。しかし、この層の厚みは公差により変化し、そのため素子の最終位置は偶然に強く依存する。すべての製造パラメータを正確に知ることで、収縮を考慮した素子の事前位置合わせが理論上は可能である。しかし、特に製造公差と温度の不一致により、収縮は限定した範囲においてのみ予め決定することができるので、最終位置に偏差が生じることは不可避である。最大精度は、従って理想的かつ正確に知られた製造条件下においてのみ達成される。さらに、一方で垂直位置の弾力的な移動性と、他方で特定の垂直位置における正確な素子の事前位置合わせとを、非常に高いバネ定数で妨害する収縮を無しに確保することには問題がある。
【０００５】
ＤＥ３５３１７１５Ａ公報には、はんだ付け領域に盛られたはんだの再溶融を用いた、導体パターンを備えた回路キャリアプレート上への表面実装素子のはんだ付け方法が記載されている。
【０００６】
この方法では、はんだ付けすべき素子は回路キャリアプレートに置かれ、位置合わせされ、そしてはんだ溶融のための熱エネルギーが、はんだ付け領域内を移動自在な加熱されたはんだ付け治具から供給される。従って、はんだ付け工具は、回路キャリアプレート上の導体配線を通ってはんだ付け領域にはんだ溶融に要求される熱エネルギーが届くように、はんだ付け領域近傍の回路キャリアプレートの導体配線上に置かれる。
【０００７】
素子の位置合わせは、回路搬送基板平面の平行方向に対して位置がずれることがないようにして行われる。しかし、素子は、接合点に盛られたはんだが溶融するとすぐに、別個の加圧治具の圧力によって回路キャリアプレートへ向かってより低い位置を取るために、回路キャリアプレートの法線方向に可動な状態を維持している。特殊な圧力治具として、１Ｎの何分の１かの大きさの予備引張力を持った穿孔機について言及することもできる。ＤＥ３５３１７１５Ａ公報記載の方法では、キャリアプレートに平行にした位置決めを維持する間、少なくともはんだ付け治具を導電線に位置合わせする間、キャリアプレートに対して所定圧力となるように素子を押圧する。この方法は、キャリアプレート上の導電線と確実に接触し、電気的な断線や短絡が発生しない方法であり、キャリアプレートに平行にかなり正確に位置合わせする必要の有る表面実装可能な電子素子を実装するのに適している。キャリアプレート上の電子回路素子のキャリアプレートと垂直方向における最終的な位置は、この方法で開示された取付処理後は、重要度が低いが、はんだ材料が溶融している間、特定の圧力でキャリアプレート上の素子を押圧することが必要であり、しかしＤＥ３５３１７１５Ａ公報には、はんだ接合後のキャリアプレートに対する素子の、特に垂直方向における最終位置合わせを正確に行うための解決策が示されていない。ＤＥ３５３１７１５Ａ公報によれば、素子の最終位置精度を確実にしたり、あまり圧力を加えずに接合を確実にするための測定が採用されていない。上述の方法において、一方の側から熱が導入されるため、必然的に微小光学上許容できないほど、収縮時に非対称となる。ＤＥ３５３１７１５Ａ公報記載の方法は、特に微小光学上許容できるくらい高精度に微小素子を取付する超小型組立技術の方法としては不適当である。
【０００８】
従って、特に素子と接合部と、キャリアプレートとホルダ全体とを含むシステム内の収縮が引き起こす応力が、上述の受動的な垂直位置調整のみでは完全に補償されず、無欠陥接合と組み合わせた高精度最終位置合わせが確実ではないため、微細技術分野においては、微小素子の位置合わせ精度向上の必要性が引き続き存在している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、接合部分の取付後のキャリアプレート上の小型化された素子の最終位置精度を向上することであり、システム内の応力、特に接合部の残留応力発生を回避することであり、接合欠陥、特にひび割れや接合欠陥その他の取付異常の発生を避けることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、独立請求項記載の特徴を実現することにより達成される。この発明を代替手段や有利な手段でさらに発展させた特徴は、従属項に記載されている。
【００１１】
本発明によれば、小型化された素子をキャリアプレートに取付するために、素子はロボットステーションの掴み治具によって掴まれ、確実に保持され、外部参照点と対応したキャリアプレート上に位置合わせされる。それからはんだ付け、接着、又は溶着によって素子とキャリアプレートは接合される。はんだ材料や接着剤や溶着継ぎ部の固化は、素子とキャリアプレート間の接合部における、収縮や、例えばプラスチック接着剤における可能性としての膨張と関連付けられ、掴み治具は制御され又は調整されながら垂直にキャリアプレートに向かう方向又は遠ざかる方向に移動し、また決められた位置に至るまで収縮や膨張と同時に、従って実体として能動的に、また連続的に収縮や膨張に従って動いてもよい。掴み治具に加えられる引張力は補償され、場合によっては全く均等化される。よって内部応力が大きく発達することは防止され、掴み治具が素子を開放することによって位置ずれを生じさせるような残留応力はもはや存在しなくなる。一般に、取付プロセスは接合部の収縮と関連付けられ、膨張とは関連付けられない。以下では「収縮」という用語を常に用いることとする。もちろん、本発明の教示する内容を、膨張型凝固プロセスに適用することも可能である。これは、合成接合材料を使用する場合にも理論的に適用できる。また、引張力は以下において正の引張力のみとして必ず解釈されなければならないものでは無く、また負の引張力であってもよい。収縮に代わって膨張の場合において、キャリアプレートと直角方向の移動はキャリアプレートから直角に離れる方向への移動であると理解すべきである。接合又は接合部は、はんだで満たされたはんだ付け間隙又ははんだ接合部を意味するだけでなく、溶接継ぎ目や、接着剤で満たされた接着接合部または接着間隙、又は他の接続又は接続継ぎ目であるとも解釈される。
【００１２】
その成果において、本発明は先ず、収縮期間中及び／又は掴み治具解放までの間に望まない位置への素子の取付を避けるため、場合によっては特定位置に達するまでの間に、素子とキャリアプレート間の収縮により発生した引張力の、制御され又は調整された掴み治具の移動による、実体的補償に関する基本概念から始める。
【００１３】
掴み治具の移動は制御され及び／又は規制されている。その制御は、特に材料の特性とその結果生じる収縮性、そして周囲温度や接合部の収縮時温度の測定値に基づき選択されたアルゴリズムに従った自動連続制御による。例えば、収縮した結果生じる応力、特に接合部が凝固した結果として掴み治具に働く力の測定や、収縮中の掴み治具位置の垂直方向の弾性的な位置ずれの測定結果によって、掴み治具の移動は調整される。上記測定をすることの長所は、収縮中の応力や引張力を補償することで、素子実装の最終精度が実質的に向上し、接合部の品質を劣化させる大きな内部応力を残存させないことだ。
【００１４】
本発明は、また掴み装置と、力と位置センサを備えたロボット組み立てステーションに関する。これらセンサによって、接合部上の内部応力と力及び／又は掴み治具の位置を収縮期間中に測定できるだけではなく、収縮期間中の掴み治具の移動も調整できる。
【００１５】
本発明に従う方法や本発明に従う掴み装置は、例えばレンズ、光ファイバ、ダイオード等の光学部品を含んだ、特に小型化された素子または微小素子とも言われるものの実装に適する。
【００１６】
本発明による方法は、掴み治具による素子の把持と保持や、掴み治具のロボットステーションを通過する移動や、接合処理装置例えばレーザーはんだ付け装置による接合処理を制御及び／又は規制する制御／規制装置により実施される。
【００１７】
本発明による方法と本発明による掴み装置を以下に詳細に提示し、全般的な例によってより詳細に記載し、また本発明の長所に関し検討する。
【００１８】
本発明に係る方法は、すべての要求される機能が位置センサを有するロボットによって実行可能なため、特に自動ロボット組み立てステーションで用いられる。各素子は、６の自由度を有するロボットにより空間上に位置合わせされ、保持される。小型化された素子をキャリアプレートに取付するための方法の例、特にモジュール設計の一例として、はんだ接合が上述のＷＯ９９／２６７５４公報に記載されている。接合のための更なる方法としては、特に溶接、例えばレーザースポット溶接又は電気抵抗スポット溶接又は接着剤等がある。
【００１９】
他の影響を受けない収縮である場合、最終精度は収縮の再現性に直接依存する。はんだ付けと溶接における冷却段階か接着における硬化の間、素子とキャリアプレート間の溶接継手における収縮は、垂直軸に沿って設置された素子を必然的に変化させる。斜めに位置した素子や不規則な接合面の場合、収縮は素子の表面と平行な水平方向成分にも影響を与える。しかし、凝固する間の自由度の制限を制御する場合と同様に、先行技術から既知の対応する接合表面設計によっても、この水平方向の位置ずれは防ぐことができる。キャリアプレートに向かう垂直方向指示に基づく垂直方向の偏りと比べて、水平方向のずれが小さいので、水平方向の偏りを防ぐことで生じる接合部の残留応力は小さく、重要ではない。プロセスパラメーターを把握しておくと、収縮は非常に良い再現性を示し、キャリアプレートと素子間の空間の関数として較正することができる。もしはんだ付けや接着や溶着を開始する前に予め収縮を位置計算に組み込んだなら、それだけで良い取付精度が得られる。このためには、例えば予め素子のキャリアプレート上垂直方向の収縮の大きさを考慮に入れれば良い。もし、素子の底部が球対称又は円筒対称であるなら、横方向精度と角度精度は収縮によっては変わらない。
【００２０】
取付けの間、素子は垂直方向、即ちキャリアプレートと直角に能動的に動くことができるロボットステーションの掴み治具によって保持される。この目的のため、掴み治具は少なくともキャリアプレートに向かって垂直方向に低い位置に、かつ場合によっては全６度の自由度で可動なようにロボットステーションのホルダ又はアームに固定されている。収縮が始まるとすぐに、垂直方向の収縮によって素子と掴み治具間に生じる垂直方向の引張力と、それに従って接合部の内部応力が過度に蓄積しないように、例えば所定位置に達するまで、掴み治具は収縮する範囲内をキャリアプレートに対して垂直に能動的に動くよう制御及び／又は規制される。正の引張力の代わりに負の引張力、即ち圧縮応力に対応することも可能である。この場合、掴み治具は接合部に、特定の圧力を加える。この圧力は収縮によって減少しようとするが、掴み治具の調整によって維持される。垂直方向の調整によって収縮を連続的に追従する方が望ましい。キャリアプレートに向かう掴み治具の垂直方向の移動による収縮の補償が、素子と接合部と掴み治具とホルダからなるシステムにおける応力、引張力及び／又は流体抵抗の発生を実質的に回避し所定の位置を得ることができる程度に、精密に制御及び規制されることが重要である。
【００２１】
実施可能な例として、所定の垂直位置に達した後にキャリアプレートと直角でキャリアプレートに向かう方向への掴み治具の移動を阻止することによって垂直方向の調整を制限するものがある。これは、接合部とシステム全体にに大きな初期応力の上昇を引き起こすが、最終位置決め精度を高めることができる。しかし他の場合には非常に大きな応力、特に残留応力が発生し、取付け品質や最終位置精度に悪影響を及ぼすから、所要位置と自由収縮時の推定位置とが、ほんの少し異る場合にのみ許容されることに留意すべきである。最良の結果は、収縮率を正確に把握し、収縮を正確に追従することによって得られる。
【００２２】
収縮再現性によって、使用される材料の収縮挙動は前もって実験またはシミュレーションで測定することができ、アルゴリズムは、測定データを用いて設定することができ、従って収縮期間中、掴み治具の動きを制御するロボットシステムにおいて自動連続制御が可能である。凝固率は特に周囲温度に依存するので、全製造工程期間内で周囲温度を一定にすることができない場合には、このアルゴリズムは各周囲温度に適応できなければならない。
【００２３】
本発明のさらなる実施例においては、力センサーが掴み治具内に一体化されている。接合部が素子とキャリアプレート間に形成されて、掴み治具に保持された素子の底部がまだ液状のはんだ、接着剤、溶接剤で乾いていないうちに、液状または柔軟な接合部の応力が、特に掴み治具上の現実の垂直方向引張力を測定する力センサによって収縮の始まる前に測定される。この測定された値は、収縮中の設定値と測定値との差としての偏差によって掴み治具の移動を調整する制御ループの、その設定値の役割を果たす。もし収縮がキャリアプレートから素子へ向かう方向の引張力を誘導した場合は、掴み治具はキャリアプレートと垂直な方向にその引張力がほとんどすべて補償されるところまで、即ち設定値に達するまで移動する。
【００２４】
このような制御ループの運転態様は既知である。参照変数が上述の接合部の所要な機械的応力による方法において直接的又は間接的に規定される。制御ループの制御変数は、接合部の実際の機械的応力によって直接又は間接的に生成される。現実の引張力測定において要求される、掴み治具における、どちらの場合も負の力であるところの引張力の詳細は、測定が容易であるから、要求される応力と実際の応力ははっきりとに決めなくても良い。
【００２５】
実際の応力は、掴み治具のキャリアプレート方向の能動的移動によって所要応力と一致させられる。
【００２６】
別の実施例では、掴み治具が僅かな範囲でロボットステーションに対し、そしてキャリアプレートに対して垂直方向に自由に動くように設計されている。この自由移動性は、例えば掴み治具を少し垂直方向に動かせるようなバネや、掴み治具をロボットステーションに接続する手段等によって得られる。この場合、掴み治具はロボットステーションに対して相対的な移動量を測定する位置検出器を備える。掴み治具が保持する素子の基部とキャリアプレート間に接合部が形成されるとすぐに、収縮の始まる前に、掴み治具の垂直方向の相対位置も同様に測定される。測定された測定値、即ち相対的垂直方向位置は、それから収縮期間中設定値と実測位置とを比較したフィードバック信号によって掴み治具の垂直移動を調整するところの制御ループに、その設定値として取り込まれる。もし収縮により生成される引張力によって、掴み治具の垂直位置がキャリアプレート方向にずれた場合、その力による位置ずれは、その後ロボットステーションによる掴み治具の位置の能動的垂直調整により再度直ちに補償される。上記わずかな自由移動性は、実質的に測定の目的を満たす。
【００２７】
もちろん、自動連続制御により制御された移動は、力検出器と位置検出器とを用いた制御ループによってさらに精密に調整することができる。
【００２８】
冷却中の実際の収縮率は、接合部の実際の温度に依存するので、力や位置ずれによる応力の代わり又はそれに加えて、例えば非接触温度測定法で接合部の実際の温度を測定することや、そこから応力を測定したり、掴み治具の垂直方向調整制御がさらに可能である。
【００２９】
キャリアプレートへの素子の取付はロボットステーションによって行われるので、取付精度は、ロボットステーションに設けられた掴み治具の掴み強さの影響も受ける。掴み治具は素子を掴み、外部参照点に相対的に位置合わせし、はんだ付け、溶着、接着の間その位置を維持し、固定が完了した後に、その素子を解放する。素子サイズが例えば２×２×３ｍｍと小さいため、安定して掴むことは難しい。様々な方法で要求される保持力を供給することができるが、素子サイズが小さいため、十分な注意を払って力を及ぼすことは困難である。保持力は、一方で保持時に素子の掴み治具に対する移動を避けるため十分大きくなければならず、他方で素子の損傷を避けるため十分に小さくなければならない。所要取付精度を高くするため、素子はその位置をずらすことなく掴み治具から解放されなければならない。解放時に固定精度が損なわれるかもしれないので、機械的な効果により発生する保持力を用いた多くの方法が適用できない。磁力で発生する保持力による掴み治具、特に電磁石によるものが、適当な方法であると判明した。 電磁石による保持力を応用した原理は、従来技術から既知であり、例えばＷＯ００／２８３６７文献に記載されている。
【００３０】
本発明に従う方法を、２つの一般的な実施例を参照して以下でより詳細に説明する。
【００３１】
第一の実施例において、小型化された素子ははんだ付けと掴み治具の自動連続制御による制御でキャリアプレートに取付けられ、金属膜で覆われる。
【００３２】
以下の基本的なはんだ付け法は、例えばＷＯ９９／２６７５４文献にある程度記載されている。素子は接合すべきその底部においてはんだ材で覆われ、ロボットステーションの掴み治具で保持され、キャリアプレート上に位置合わせされて、はんだ接合のための少しの間隙と、収縮補償のための付加的なあそびとが素子底部とキャリアプレート間に残るようにしている。この目的で、収縮の範囲を予備実験で測定する。もし、例えばこれらの実験で収縮の較差が−４．５μｍ±０．５であれば、ロボットステーションは素子をその最終垂直位置から＋４．５μｍ上に設定する、即ち、予想される収縮が接合前に垂直高さの計算に組み入れられる。次に素子底部のはんだ材はレーザー光により溶融され、はんだ材の液滴が上記間隙を満たし素子底部とキャリアプレート間に接合を形成する。
【００３３】
本方法の改善点は、レーザー光電源が切断されると直ぐにアルゴリズムに基づく自動連続制御が開始され、その結果、収縮期間中に掴み治具のキャリアプレートに向かう垂直移動が能動的に制御されることである。
【００３４】
冷却期間の間、温度Tは共同温度T1で始まって、周囲温度に近づく漸近線を形成する。垂直方向の収縮xが冷却に比例しているので、以下の式を自動連続制御に適用可能である：Δｘ≒α（Ｔf−Ｔ）、ここでαは本システムの概算熱膨張率である。
【００３５】
使用する材料に依存して、冷却期間はおよそ２秒から１０秒程度続く。その後、素子は掴み治具から解放される。
【００３６】
このように、温度曲線は掴み治具の垂直方向位置の関数として与えられる。この関数は、もちろん周囲環境、特に周囲温度に対し自動的に適応される。この垂直調整は制御の下で行われ、掴み治具は常に同じ垂直方向位置で素子を解放するため、位置精度は常に実質的に一定である。
【００３７】
下記２番目の実施例では、はんだ付けによるキャリアプレートへの素子の取付に関して記載する。  掴み治具の補償移動は、力検出器及び／又は位置検出器を用いた制御ループによって調整される。
【００３８】
ＷＯ９９／２６７５４文献記載の方法とは対照的に、この実施例でははんだ材が直接キャリアプレートに供給される。接触することなく素子がロボットステーションによってキャリアプレート上の位置にまで移動した後、はんだ材を溶かすためにレーザー光の電源がｎ秒間入る。ここでｎ＜ｔmaxであり、ｔmaxはレーザーパルスの持続時間である。はんだ材が直接斜めに露出されるようにキャリアプレートの上にレーザーを設けても、レーザー光が透過するキャリアプレートであり、金属層に覆われたキャリアプレートの下にレーザーを設てもよい。後者の場合、レーザー光はキャリアプレートを透過し金属層に達し、金属層を加熱することではんだ材を溶融する。その後、力検出器又は位置検出器を備えた掴み治具は、溶融はんだが素子の底部を濡らすように素子と共にキャリアプレートに向かって降りてゆき、それから掴み治具は素子と共にキャリアプレートから垂直方向の測定値によって予想される収縮を加えた位置に相当する最終実装位置位置にまで持ち上がる。掴み治具は、ｔmax時までに最終位置に達していなければならない。その後、レーザーの電源が切られ、その時の検出器の測定値が保存され、この測定値から内部応力又は引張力の導出が可能となる。それからはんだの冷却期間中、サーボ制御連続運転が開始される。この目的のため、掴み治具の垂直移動制御用フィードバックループのために、保存された検出器の測定値が設定値として用いられる。はんだ材が凝固した後、素子は掴み治具から解放される。
【００３９】
第二実施例においては、凝固期間中の掴み治具の垂直位置変位は、時間で管理されるのでは無く応力及び／又は力で調整され、応力や引張力の上昇は実質的に回避される。また凝固中の測定値を品質保証目的で記録してもよい。また、記録した測定値をファジィ論理制御の基礎データとして用いることも可能である。従って、応力無しで最終位置に達したことを測定することと、得られた実際の位置と所要位置とを比較することと、その差を計算することと、次の素子に対し事前位置補正をすることとが可能でり、その結果、同様に改善された位置合わせ精度が各連続した取付プロセスにおいて得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
掴み装置と本発明に係る方法の一部とを、図面による異なる概略的、具体的実施例に基づいて以下に詳細に示す。
【００４１】
図１に、アーム部のみ小さく切り取られて図示されているロボットステーション２ａに接続した掴み治具１ａを、概念的に示す。ロボットステーション２ａのアーム部は、特定数の自由度を有するが、少なくとも垂直方向ＶGrに対し調整可能である。掴み治具１ａは、例えば先行文献から知られたデザインを有し、掴む力は電磁石によって加えられ、図１において、接合部６ａの形状に凝固したはんだ材によってキャリアプレート４ａに高精度に位置決めされて接合されている、球面状底面を有する微小素子３ａを着脱自在に保持する。接合部６ａは冷却状態であるので、収縮中である。従って、垂直引張力ＦVが実質的に変形しない掴み治具１ａに働く。掴み治具１ａは、接合部６ａの形状で微小素子３ａをキャリアプレート４ａに接合するための溶融はんだ材の凝固プロセス前、中、後の垂直引張力ＦVを精密に測定するための垂直力センサ５ａを掴み治具１ａとロボットステーション２ａの間に有する。力センサ５ａは、例えばピエゾセンサのように既知のセンサからなる。測定した引張力ＦVと、場合によっては時間及び／又ははんだ材の温度とに依存して、掴み治具１ａはロボットステーション２ａによってキャリアプレート４ａと直角な垂直方向ＶGrに移動し、また所要垂直位置に達するまで移動してもよい。
【００４２】
同様に、接合部６ｂの形状に凝固したはんだ材によってキャリアプレート４ｂに高精度に位置決めされて接合された球面状の底面を有する微小素子３ｂを着脱自在に保持する掴み治具１ｂを図２に示す。掴み治具１ｂは、ばね８ｂによって、その少なくとも垂直方向ＶRに調整可能なアーム部のみが図に示されているロボットステーション２ｂの上に設けられている。ばね８ｂは、ロボットステーション２ｂの腕部に対する掴み治具１ｂの垂直方向のわずかな位置づれＶrelを許容する。この垂直位置づれ許容度Ｖrelは、フックの法則に従って、掴み治具１ｂに垂直に加えられる押力Ｆvとばね定数８ｂとに依存する。垂直押力Ｆvを算出する基になる垂直位置ずれＶrelを測定するために、ロボット組み立てステーション２ｂのアーム部の位置ＶRと相対的な掴み治具１ｂの垂直位置Ｖrelを測定する垂直位置検出器７ｂが掴み治具１ｂ上に設けられる。この垂直位置ずれＶrelは、このように特に力測定のためにその距離を測定する際に用いられ、また合成した力の下での接合部６ｂの垂直収縮に関連して掴み治具の弾性力が小さくなる程度に小さい。垂直方向ＶRにおけるロボットステーション２ｂのアーム部の調整により、非常に大きな垂直方向の力ＦVを避けることによる応力が補償される。はんだ材６ｂを冷却した結果として、後者は収縮し、それによって掴み治具のキャリアプレート４ｂに向かう垂直方向の力ＦVを大きくする。掴み治具１ｂと共に微小素子３ｂは、ばね８ｂによって当初はわずかな範囲を収縮方向即ちキャリアプレート４ｂに対し垂直に引っ張られる。すると、ロボットステーション２ｂのアーム部に対する掴み治具１ｂの位置が垂直方向にＶrelだけずれる。この垂直方向の位置ずれＶrelが、位置検出器７ｂによって検出されるとすぐ、ロボットステーション２ｂの垂直方向位置設定ＶRと掴み治具１ｂの垂直方向位置ＶGrとを再設定するために、フィードバック信号がロボット組立ステーション２ｂに送られ、収縮により発生したロボットステーション２ｂのアーム部に対する掴み治具の垂直位置ずれＶrelが再び補償されるようになっており、これにより垂直方向引張力ＦVが低下する。掴み治具１ｂの垂直位置ＶGrは、ロボットステーション２ｂのアームの垂直位置ＶRと、垂直相対位置ずれＶrelとの合計から算出することができる。
【００４３】
図２に概略を示した掴み治具１ｂの具体例を図３に示す。図示した掴み治具１ｃは、互いに関節９で繋がった２つの掴み指１ｃ’を有し、電磁力による保持力はそれらを通して向きを変えている。図示した状態では、掴み指１ｃ'は微小素子３ｃを掴んでいる。掴み治具１ｃはばね８ｃによってロボットステーション２ｃのアーム部に繋がれ、そのアーム部は少なくとも垂直方向ＶRに調整可能である。掴み治具はこのように垂直位置ずれＶrelだけ垂直方向にわずかに移動可能であり、位置検出器７ｃによってその位置ずれは検出可能となっている。微小素子３ｃが掴み治具１ｃに及ぼす引張力ＦVは、ばね８ｃのばね定数と垂直方向に相対的な位置ずれＶrelとから算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】力センサを有する掴み治具の概略図である。
【図２】位置検出器を有する掴み治具の概略図である。
【図３】図２に概略を示した掴み治具の具体的実施例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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