特開 2023-808 実装ヘッド、実装装置及び電子デバイスの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023000808

(43)【公開日】2023-01-04

(54)【発明の名称】実装ヘッド、実装装置及び電子デバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H05K 13/04 20060101AFI20221222BHJP

【ＦＩ】

H05K13/04 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021101833

(22)【出願日】2021-06-18

(71)【出願人】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】武知 佑輔

(72)【発明者】

【氏名】藤田 亮

【テーマコード（参考）】

5E353

【Ｆターム（参考）】

5E353BB01

5E353GG21

5E353JJ13

5E353JJ21

5E353JJ28

5E353QQ12

5E353QQ15

(57)【要約】

【課題】電子部品を基板に実装する際、電子部品に低荷重を制御良く付与することができる実装ヘッドを提供する。
【解決手段】実装ヘッドは、鉛直方向に移動し、電子部品に荷重を付与する駆動部１０と、駆動部に鉛直方向に移動自在に支持されたフロート部２０と、フロート部に、鉛直方向上向きの押力を付与するリニアモータ３０とを備え、リニアモータの固定子３０Ａは駆動部に固定され、リニアモータの可動子３０Ｂはフロート部に固定され、電子部品の基板への実装は、フロート部の自重による荷重を、電子部品に付与することにより行われ、電子部品に付与される荷重の大きさは、リニアモータの駆動により、フロート部に付与される鉛直方向上向きの押力によって制御される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子部品を基板に実装する実装ヘッドであって、
鉛直方向に移動し、前記電子部品に荷重を付与する駆動部と、
前記駆動部に、鉛直方向に移動自在に支持されたフロート部と、
前記フロート部に、鉛直方向上向きの押力を付与するリニアモータと、
前記フロート部に固定され、前記電子部品を保持する実装ツールと
を備え、
前記リニアモータの固定子は、前記駆動部に固定され、前記リニアモータの可動子は、前記フロート部に固定されており、
前記電子部品の前記基板への実装は、前記駆動部を鉛直方向下方に移動させて、前記フロート部の自重による荷重を、前記電子部品に付与することにより行われ、
前記電子部品に付与される荷重の大きさは、前記リニアモータの駆動により、前記フロート部に付与される鉛直方向上向きの押力によって制御される、実装ヘッド。

【請求項2】

前記リニアモータによる前記フロート部への鉛直方向上向きの押力の付与は、少なくとも、前記駆動部を鉛直方向下方に移動させて、前記フロート部の自重による荷重を、前記電子部品に付与する前から行われる、請求項１に記載の実装ヘッド。

【請求項3】

前記フロート部は、板バネを介して、鉛直方向に移動自在に前記駆動部に支持されている、請求項１または２に記載の実装ヘッド。

【請求項4】

実装ヘッドが待機状態において、前記フロート部は、前記リニアモータによる鉛直方向上向きの押力が付与されていない、請求項１～３の何れかに記載の実装ヘッド。

【請求項5】

前記駆動部は、前記フロート部に対して、鉛直方向下向きに付勢する付勢手段をさらに備えている、請求項１～４の何れかに記載の実装ヘッド。

【請求項6】

前記駆動部は、水平方向に延出した第１延出部を有し、
前記フロート部は、前記第１延出部よりも鉛直方向上方に位置するとともに、第１延出部と、鉛直方向において重なる部分を有する第２延出部を有し、
実装ヘッドが待機状態において、前記第２延出部が前記第１延出部に接触することにより、前記フロート部の鉛直方向における移動が規制される、請求項１～４の何れかに記載の実装ヘッド。

【請求項7】

前記第２延出部に、表面が球面のメカストッパーが設けられ、
実装ヘッドが待機状態において、前記第２延出部に設けられた前記メカストッパーが、前記第１延出部に接触することにより、前記フロート部の鉛直方向における移動が規制される、請求項６に記載の実装ヘッド。

【請求項8】

請求項１～７の何れか一項記載の実装ヘッドと、
前記実装ヘッドを水平移動させる水平移動機構と、を備える実装装置。

【請求項9】

実装ヘッドを用いて電子部品を基板に実装させた電子デバイスの製造方法であって、
前記実装ヘッドは、
鉛直方向に移動し、前記電子部品に荷重を付与する駆動部と、
前記駆動部に、鉛直方向に移動自在に支持されたフロート部と、
前記フロート部に、鉛直方向上向きの押力を付与するリニアモータと、
前記フロート部に固定され、前記電子部品を保持する実装ツールと
を備え、
前記リニアモータの固定子は、前記駆動部に固定され、前記リニアモータの可動子は、前記フロート部に固定されており、
前記駆動部を鉛直方向下方に移動させる工程と、
前記リニアモータの駆動により前記フロート部に鉛直方向上方に押力を加え、前記フロート部の自重により前記電子部品に付与される荷重を、前記押力によって制御することによって、前記電子部品を前記基板に実装する工程と、
を含む電子デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体チップ等の電子部品を基板に実装する実装ヘッド、それを用いた実装装置、及び、実装ヘッドを用いて電子部品を基板に実装させた電子デバイスの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電子部品を基板に実装する際、電子部品に低荷重を付与できる実装ヘッドとして、ボイスコイルモータ（リニアモータ）を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１に記載されたボイスコイルモータは、モータホルダに固定された固定子と、電子部品を保持する実装ツールに連結された可動子とで構成されている。ボイスコイルモータを駆動することにより、可動子に連結された実装ツールが基板に向かって下降し、これにより、実装ツールに保持された電子部品が基板に押し付けられる。このときの、ボイスコイルモータの駆動電流を制御することにより、比較的小さな荷重を電子部品に付与することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－４０８２１1号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

小型、薄型化された電子部品を基板に実装する際、過剰な荷重が電子部品に付与されると、電子部品が割れるおそれがあるため、電子部品に付与する荷重を、低荷重に制御する必要がある。

【0006】

ボイスコイルモータを用いることにより、電子部品に低荷重を付与することができるが、ボイスコイルモータで出力できる分解能以下の荷重を制御することはできない。そのため、さらに小型、薄型化が進んだ電子部品に対して、割れない程度の低荷重をかけることが難しく、より低い荷重を付与することができる実装ヘッドが求められている。

【0007】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、電子部品を基板に実装する際、電子部品に低荷重を制御よく付与することができる実装ヘッドを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る実装ヘッドは、鉛直方向に移動し、電子部品に荷重を付与する駆動部と、駆動部に鉛直方向に移動自在に支持されたフロート部と、フロート部に鉛直方向上向きの押力を付与するリニアモータと、フロート部に固定され、電子部品を保持する実装ツールとを備え、リニアモータの固定子は、駆動部に固定され、リニアモータの可動子は、フロート部に固定されており、電子部品の基板への実装は、駆動部を鉛直方向下方に移動させて、フロート部の自重による荷重を電子部品に付与することにより行われ、電子部品に付与される荷重の大きさは、リニアモータの駆動により、フロート部に付与される鉛直方向上向きの押力によって制御される。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、電子部品を基板に実装する際、電子部品に低荷重を制御よく付与することができる実装ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態における実装ヘッドを備えた実装装置の構成を示した図である。

【図2】本実施形態における実装ヘッドの構成を模式的に示した図である。

【図3】（Ａ）～（Ｄ）は、本実施形態における実装ヘッドを用いて電子部品を基板に実装する工程を説明した図である。

【図4】本発明の変形例１における実装ヘッドの構成を示した図である。

【図5】変形例１における実装ヘッドを用いて電子部品を基板に実装する工程を説明した図である。

【図6】本発明の変形例２における実装ヘッドの構成を示した図である。

【図7】（Ａ）～（Ｄ）は、変形例２における実装ヘッドを用いて電子部品を基板に実装する工程を説明した図である。

【図8】本実施形態における実装ヘッドを備えた実装装置の他の構成を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。

【0012】

図１は、本発明の一実施形態における実装ヘッドを備えた実装装置の構成を示した図である。

【0013】

図１に示すように、実装装置１００は、電子部品のピックアップや基板への実装を行う実装ヘッド１１０を備えている。実装ヘッド１１０は、電子部品をピックアップして保持する実装ツール４０を備え、駆動軸１２０により、水平方向に移動制御される。実装ヘッド１１０は、部品供給ステージ１４０上まで移動して、電子部品１５０をピックアップした後、実装ステージ １３０上まで移動し、実装ヘッド１１０を下降させて、実装ツール４０に保持された電子部品１５０を、基板１６０に実装する。

【0014】

図２は、本実施形態における実装ヘッド１１０の構成を模式的に示した図である。

【0015】

図２に示すように、実装ヘッド１１０は、鉛直方向に移動し、電子部品に荷重を付与する駆動部１０と、駆動部１０に鉛直方向に移動自在に支持されたフロート部２０と、フロート部２０に鉛直方向上向きの押力を付与するリニアモータ３０と、フロート部２０に固定され、電子部品を保持する実装ツール４０とを備えている。

【0016】

駆動部１０を鉛直方向に移動制御するサーボモータ６０は、ベース部材６１を介して、実装装置１００のフレーム６３に固定されている。サーボモータ６０の出力軸に、ボールねじ６２が連結され、ボールネジ６２は、駆動部１０のヘッドベース１０Ａに固定されている。駆動部１０は、駆動部１０の鉛直方向の移動をガイドするガイドレール６４に連結されている。これにより、駆動部１０は、サーボモータ６０の駆動により、鉛直方向に移動可能となる。

【0017】

フロート部２０は、板バネ５０を介して、鉛直方向に移動自在に駆動部１０に支持されている。また、フロート部２０は、板バネ５０によって、水平方向の移動が規制されている。なお、板バネ５０は、鉛直方向移動に対して、低摺動となる部材が好ましい。

【0018】

リニアモータ３０は、永久磁石が配置された固定子３０Ａと、固定子３０Ａの内側に配置され、コイルからなる可動子３０Ｂとで構成されている。固定子３０Ａは、駆動部１０に固定され、可動子３０Ｂは、フロート部２０に固定されている。コイルの通電により、固定子３０Ａは、可動子３０Ｂに対して、鉛直方向上向きの押力を付与することができる。これにより、可動子３０Ｂが固定されたフロート部２０に対しても、コイルの通電により、鉛直方向上向きの押力を付与することができる。リニアモータ３０は、例えば、ボイスコイルモータ等を用いることができる。

【0019】

実装ツール４０は、実装ヘッド１１０の下先端に位置するように、フロート部２０に連結されており、真空吸着方式等により、電子部品を吸着保持することができる。

【0020】

本実施形態において、電子部品の基板への実装は、駆動部１０を鉛直方向下方に移動させて、フロート部２０の自重による荷重を電子部品に付与することにより行われる。同時に、リニアモータ３０を駆動することにより、フロート部２０に鉛直方向上向きの押力が付与される。これにより、電子部品には、フロート部２０の自重による荷重から、フロート部２０に付与される鉛直方向上向きの押力を差し引いた荷重が、実際に付与される。すなわち、電子部品に付与される荷重の大きさは、リニアモータ３０の駆動により、フロート部２０に付与される鉛直方向上向きの押力によって制御される。

【0021】

本実施形態によれば、フロート部２０に付与される鉛直方向上向きの押力を、フロート部２０の自重による荷重に近い値に設定することによって、電子部品を基板に実装する際、電子部品に、０．１Ｎ以下の非常に小さな荷重でも、制御良く付与することができる。これにより、非常に小型、薄型化された電子部品を基板に実装しても、電子部品が割れるのを防止することができる。

【0022】

なお、本実施形態において、リニアモータ３０の可動子３０Ｂは、フロート部２０に固定されているため、「フロート部２０の自重による荷重」は、可動子３０Ｂの荷重を含めて荷重を意味するものである。

【0023】

次に、図３（Ａ）～（Ｄ）を参照しながら、本実施形態における実装ヘッド１１０を用いて、電子部品を基板に実装する工程を説明する。

【0024】

図３（Ａ）は、実装ヘッド１１０の待機状態を示し、実装ヘッド１１０が水平方向に移動して、実装ツール４０に保持された電子部品１５０が、実装ステージ１３０に載置された基板１６０上に位置している。このとき、駆動部１０は、上昇状態にあり、リニアモータ３０は、後述する理由により駆動されずに、フロート部２０は、自重による荷重Ｆで、下限状態になっている。

【0025】

次に、図３（Ｂ）に示すように、リニアモータ３０を駆動し、フロート部２０に鉛直方向上向きの押力Ｔを付与する。このとき、フロート部２０は、下限状態から、少し上昇する。

【0026】

次に、図３（Ｃ）に示すように、サーボモータ６０を駆動して、駆動部１０を降下させ、電子部品１５０を基板１６０に接触させて、実装ツール４０を押し込む。この時、押し込み量だけフロート部２０が上昇し、電子部品１５０には、フロート部２０の自重による荷重Ｆから、フロート部２０に付与される押力Ｔ（Ｔ＜Ｆ）を差し引いた荷重が付与される。

【0027】

次に、図３（Ｄ）に示すように、実装ツール４０による電子部品１５０の保持を解除して、電子部品１５０を基板１６０に搭載した後、サーボモータ６０を駆動して、駆動部１０を上昇させる。なお、駆動部１０を上昇させる間、リニアモータの駆動は解除してもよい。

【0028】

本実施形態によれば、リニアモータ３０によるフロート部２０への鉛直方向上向きの押力Ｔの付与を、少なくとも、駆動部１０を鉛直方向下方に移動させて、フロート部２０の自重による荷重Ｆを、電子部品１５０に付与する前から行うことによって、電子部品１５０を基板１６０に接触させたとき、フロート部２０の自重による荷重Ｆが、急激に、電子部品１５０に付与されることを防止することができる。

【0029】

なお、本実施形態において、「実装ヘッドの待機状態」は、少なくとも、電子部品１５０をピックアップするために、実装ヘッド１１０が、部品供給ステージ１４０上まで移動する状態や、ピックアップした電子部品１５０を基板に実装するために、実装ヘッド１１０が、実装ステージ １３０上まで移動する状態を含む。

【0030】

ところで、リニアモータ３０を常時駆動させていると、可動子３０Ｂのコイルが発熱し、これにより、固定子３０Ａに配置された永久磁石の磁束密度が変化する。これにより、リニアモータ３０の出力が不安定になり、フロート部２０に付与される押力Ｔの精度が低下し、その結果、実装時に電子部品１５０に付与される荷重の精度も低下する。そのため、実装ヘッド１１０の待機状態においては、リニアモータ３０の駆動を解除し、フロート部２０に鉛直方向上向きの押力Ｔを付与しないことが好ましい。

【0031】

（本発明の変形例１）
上記実施形態において、フロート部２０は、板バネ５０を介して、鉛直方向に移動自在に駆動部１０に支持されているため、実装ヘッド１１０が水平方向または垂直方向に高速移動すると、フロート部２０が振動するおそれがある。フロート部２０に振動が起きると、実装ツール４０の上下方向の高さ位置が不安定になったり、実装ツール４０の保持された電子部品１５０が落下したりする問題が発生する。

【0032】

図４は、このようなフロート部２０の振動を抑制できる実装ヘッド１１０の構成を示した図である。

【0033】

図４に示すように、本変形例１では、駆動部１０に、フロート部２０に対して、鉛直方向下向きに付勢する付勢手段７０を備えている。具体的には、駆動部１０のヘッドベース１０Ａと、フロート部２０との間に、圧縮バネ７０が配置されている。

【0034】

このように、圧縮バネ７０で、常時、フロート部２０を、鉛直方向下向きの力で付勢しておくことによって、フロート部２０の振動を抑制することができる。

【0035】

なお、上記以外の構成は、図２に示した実装ヘッド１１０の構成と同一であることから、同一の符号を付し、その説明は省略する。

【0036】

図５は、図３（Ｃ）に示した実装工程に対応した図で、サーボモータ６０を駆動して、駆動部１０を降下させ、電子部品１５０を基板１６０に接触させて、実装ツール４０を押し込んだ状態を示し。この時、電子部品１５０には、フロート部２０の自重による荷重Ｆと、圧縮バネ７０による付勢力Ｒを合わせた荷重（Ｆ＋Ｒ）から、フロート部２０に付与される押力Ｔ（Ｔ＜Ｆ＋Ｒ）を差し引いた荷重が付与される。

【0037】

なお、上記以外の実装工程は、図３（Ａ）～（Ｄ）に示した実装工程と同一であることから、その説明は省略する。

【0038】

（本発明の変形例２）
図６は、フロート部２０の振動を抑制できる実装ヘッド１１０の他の構成を示した図である。

【0039】

図６に示すように、駆動部１０は、水平方向に延出した第１延出部（ヘッドベース）１０Ａを有し、フロート部２０は、第１延出部１０Ａよりも鉛直方向上方に位置するとともに、第１延出部１０Ａと、鉛直方向において重なる部分を有する第２延出部２０Ａを有している。また、第２延出部２０Ａには、表面が球面のメカストッパー８０が設けられている。

【0040】

本変形例２では、実装ヘッドが待機状態において、フロート部２０の自重により、第２延出部２０Ａに設けられたメカストッパー８０が、第１延出部１０Ａに接触し、これにより、フロート部２０の鉛直方向における移動が規制される。その結果、フロート部２０の振動を抑制することができる。

【0041】

なお、メカストッパー８０は、第１延出部（ヘッドベース）１０Ａとの接触を繰り返すため、部材の変形により、フロート部２０の位置が変動しないよう、双方は、鋼鉄等の剛性の強い材質を用いることが好ましい。

【0042】

なお、第１延出部１０Ａと第２延出部２０Ａとの、互いに対向する面の平行度が高かく、双方が、剛性の強い材質であれば、第２延出部２０Ａにメカストッパー８０を設けず、第１延出部１０Ａと第２延出部２０Ａとを、直接接触させるようにしてもよい。

【0043】

なお、上記以外の構成は、図２に示した実装ヘッド１１０の構成と同一であることから、同一の符号を付し、その説明は省略する。

【0044】

図７（Ａ）～（Ｄ）は、本変形例２における実装ヘッド１１０を用いて、電子部品を基板に実装する工程を説明した図である。

【0045】

図７（Ａ）は、実装ヘッド１１０の待機状態を示し、実装ツール４０に保持された電子部品１５０が、実装ステージ１３０に載置された基板１６０上に位置している。このとき、リニアモータ３０は駆動されずに、フロート部２０は、自重の荷重Ｆにより、メカストッパー８０が駆動部１０の第１延出部１０Ａに接触し、鉛直方向における移動が規制されている。

【0046】

次に、図７（Ｂ）に示すように、リニアモータ３０を駆動し、フロート部２０に鉛直方向上向きの押力Ｔを付与する。このとき、フロート部２０の自重による荷重Ｆを、フロート部２０に付与される押力Ｔよりも大きく設定することにより、フロート部２０の鉛直方向における移動が規制される。

【0047】

次に、図７（Ｃ）に示すように、サーボモータ６０を駆動して、駆動部１０を降下させ、電子部品１５０を基板１６０に接触させて、実装ツール４０を押し込む。このとき、押し込み量だけフロート部２０が上昇し、メカストッパー８０が、駆動部１０から離れるとともに、電子部品１５０には、フロート部２０の自重による荷重Ｆから、フロート部２０に付与される押力Ｔ（Ｔ＜Ｆ）を差し引いた荷重が付与される。

【0048】

次に、図７（Ｄ）に示すように、実装ツール４０による電子部品１５０の保持を解除して、電子部品１５０を基板１６０に搭載した後、サーボモータ６０を駆動して、駆動部１０を上昇させる。このとき、フロート部２０の自重による荷重Ｆを、フロート部２０に付与される押力Ｔよりも大きく設定することにより、フロート部２０の鉛直方向における移動が規制される。なお、駆動部１０を上昇させる間、リニアモータの駆動は解除してもよい。

【0049】

図８は、上記実施形態で示した実装ヘッド１１０を備えた実装装置１００の他の構成を示した図である。

【0050】

図８に示すように、実装装置１００は、実装ヘッド１１０、実装ステージ１３０、部品供給ステージ１４０、ステージ駆動軸１７０で構成されている。実装ステージ１３０及び部品供給ステージ１４０は、それぞれ、ステージ駆動軸１７０上に設置され、実装ヘッド１１０の直下まで水平方向に移動することができる。

【0051】

電子部品１５０のピックアックは、電子部品１５０が搭載された部品供給ステージ１４０を、ステージ駆動軸１７０で、実装ヘッド１１０直下まで移送することにより行われる。電子部品１５０の基板への実装は、基板１６０が搭載された実装ステージ１３０を、ステージ駆動軸１７０で、実装ヘッド１１０直下まで移送することにより行われる。

【0052】

このような構成の実装装置１００では、実装ヘッド１１０を、高速で水平方向に移動させる必要がないため、実装ヘッド１１０の移動に伴うフロート部２０の振動を抑制することができる。

【0053】

本実施形態における実装ヘッド１１０を用いて、電子部品１５０を基板１６０に実装させた電子デバイスを製造することができる。この場合、電子デバイスの製造方法は、駆動部１０を鉛直方向下方に移動させる工程と、リニアモータ３０の駆動によりフロート部２０に鉛直方向上方に押力を加え、フロート部２０の自重により電子部品１５０に付与される荷重を、押力で制御することによって、電子部品１５０を基板１６０に実装する工程とからなる。

【0054】

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１０ 駆動部
１０Ａ ヘッドベース（第１延出部）
２０ フロート部
２０Ａ 第２延出部
３０ リニアモータ
３０Ａ 固定子
３０Ｂ 可動子
３０Ｂ 固定子
４０ 実装ツール
５０ 板バネ
６０ サーボモータ
６１ ベース部材
６３ フレーム
６４ ガイドレール
７０ 圧縮バネ（付勢手段）
８０ メカストッパー
１００ 実装装置
１１０ 実装ヘッド
１２０ 駆動軸
１３０ 実装ステージ
１４０ 部品供給ステージ
１５０ 電子部品
１６０ 基板
１７０ ステージ駆動軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】