WO2024252771A1 - 実装装置および実装装置が備えるボンディングヘッドの変位検出方法 - Google Patents

実装装置および実装装置が備えるボンディングヘッドの変位検出方法 Download PDF

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displacement
head
axis
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悠二 永口
耕平 瀬山
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Shinkawa Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a mounting device and a method for detecting the displacement of a bonding head provided in the mounting device.
  • the bonding head is rotated via a link mechanism or gear train, so the output shaft of the actuator and the rotation shaft of the bonding head do not coincide.
  • the drive mechanism that moves the bonding head linearly and the drive mechanism that rotates it may be structured hierarchically so that they are stacked on top of each other relative to the bonding head. For this reason, when attempting to calculate the amount of rotation of the bonding head by detecting the amount of rotation of the actuator's output shaft, it is not always possible to obtain an accurate value due to factors such as play in the power transmission mechanism and accumulated errors due to the hierarchical structure.
  • the present invention was made to solve these problems, and provides a mounting device etc. that can accurately detect the amount of displacement of the bonding head in the forward and backward directions and in the rotational direction.
  • the mounting device includes a bonding head having a cylindrical side surface, a support member that supports the bonding head so that the bonding head can be advanced and retreated in an axial direction along a central axis of the cylindrical side surface and can rotate around the central axis, a first actuator that moves the bonding head forward and backward in the axial direction, a second actuator that has an output axis that does not coincide with the central axis and rotates the bonding head around the axis, a first scale provided on the cylindrical side surface for detecting the displacement of the bonding head in the axial direction, a second scale provided on the cylindrical side surface for detecting the displacement of the bonding head around the axis, a first sensor head that reads the first scale and outputs a first detection signal corresponding to the displacement of the bonding head in the axial direction, and a second sensor head supported by the support member that reads the second scale and outputs a second detection signal corresponding to the displacement of the bonding head around the axi
  • the displacement detection method is a method for detecting displacement of a bonding head provided in a mounting device, and includes a second output step in which, when the bonding head having a cylindrical side surface is displaced around the central axis of the cylindrical side surface relative to a support member supporting the bonding head using a second actuator having an output axis that does not coincide with the central axis, a second sensor head supported by the support member reads a second scale provided on the cylindrical side surface and outputs a second detection signal corresponding to the displacement of the bonding head around the axis, and a first output step in which, when the bonding head is displaced in the axial direction along the central axis relative to the support member using a first actuator, a first sensor head reads a first scale provided on the cylindrical side surface and outputs a first detection signal corresponding to the displacement of the bonding head in the axial direction.
  • the present invention provides a mounting device that can accurately detect the amount of displacement of the bonding head in the forward and backward directions and in the rotational direction.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic view of a main part of a flip chip bonder according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a flip chip bonder.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a bonding head and two sensor heads.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a scale film.
  • FIG. 11 is a flow chart for explaining a processing procedure of a calculation processing unit when the bonding head is directly displaced.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic of the main part of a flip chip bonder 100 according to this embodiment.
  • the flip chip bonder 100 is an example of a mounting device incorporating a position control device, and is a bonding device that mounts a semiconductor chip 310 having electrodes formed on one side to electrodes on a substrate 330.
  • the perspective view of the flip chip bonder 100 shown in FIG. 1 is a diagram showing only a limited and schematic view of elements related to position control when the bonding head 110 is directly displaced, and does not show all of the components necessary for the flip chip bonder 100 to perform its functions.
  • the mounting device is not limited to a flip chip bonder, and may be a die bonder that places and bonds a semiconductor chip to a die pad of a lead frame.
  • the flip chip bonder 100 mainly includes a bonding head 110, a holder base 120, a linear motion mechanism 130, a rotation mechanism 140, a holder block 150, and a sensor plate 160.
  • the bonding head 110 adsorbs a semiconductor chip 310 to its tip, places it on a mounting area 320 of a substrate 330 placed on a stage 220, and bonds it by applying pressure and heat.
  • the bonding head 110 in this embodiment has an overall cylindrical shape, and the central axis A c of the cylindrical side surface is parallel to the Z axis as shown in the figure.
  • the Z axis direction is the vertical direction (height direction), and the X axis direction and the Y axis direction are planar directions, and are set to be perpendicular to each other as shown in the figure.
  • the holder base 120 is a support member that supports the bonding head 110 via the holder block 150.
  • the holder base 120 also directly or indirectly supports the linear motion mechanism 130 and the rotation mechanism 140.
  • the holder base 120 can be moved in its entirety in the vertical and horizontal directions in the space above the stage 220 as shown by the white arrows in FIG. 1 by driving a holder actuator not shown in FIG. 1. By controlling the movement of the entirety in this way, the holder base 120 can move the bonding head 110, which has adsorbed the semiconductor chip 310 by the chip supply device, to the top of the mounting area 320 on which it is to be placed, for example. It is desirable that the bonding head 110 remain stationary relative to the holder base 120 during the movement of the entire holder base 120.
  • the linear motion mechanism 130 is a micro-movement mechanism for moving the bonding head 110 forward and backward in a set range of very small distances (e.g., ⁇ 0.5 mm from a reference position) in an axial direction along the central axis A c (z direction indicated by the arrow in the figure).
  • the linear motion mechanism 130 includes a first actuator 131, e.g., a motor, and a transmission mechanism for transmitting the output of the first actuator 131.
  • the transmission mechanism is configured, for example, by a gear train including a rack and a pinion gear.
  • the rotation mechanism 140 is a rotation fine movement mechanism for rotating the bonding head 110 around the central axis A c (in the ⁇ direction indicated by the arrow in the figure) within a set range of small angles (for example, ⁇ 5 degrees with respect to a reference angle).
  • the rotation mechanism 140 includes a second actuator 141, which is, for example, a motor, and a transmission mechanism for transmitting the output of the second actuator 141.
  • the transmission mechanism is, for example, composed of a lever crank mechanism and a gear train.
  • first actuator 131 and the second actuator 141 may be actuators that drive the bonding head 110 in the axial direction or around the axis by a voice coil motor, an air cylinder, a hydraulic cylinder, a linear motor, or the like that does not include a transmission mechanism.
  • the holder block 150 is attached to the holder base 120 and is a guide member that supports and guides the bonding head 110 so that the bonding head 110 can advance and retreat in the axial direction along the central axis A c and rotate around the central axis A c .
  • the holder block 150 may be formed integrally with the holder base 120.
  • the holder block 150 has an opening window 151 for exposing a part of the cylindrical side surface of the bonding head 110 to the outside.
  • the opening window 151 has a shape surrounded by a rectangular frame in FIG. 1, but may have any shape as long as the holder block 150 maintains the function of supporting and guiding the bonding head 110.
  • the sensor plate 160 is a plate-like member that is installed on the holder block 150 so as to face the cylindrical side surface of the bonding head 110 and cover at least a portion of the opening window 151.
  • the sensor plate 160 supports the first sensor head 161 and the second sensor head 162 so that their sensing parts face the cylindrical side surface of the bonding head 110.
  • the first sensor head 161 outputs a first detection signal corresponding to the displacement of the bonding head 110 in the axial direction (advance/retract direction).
  • the second sensor head 162 outputs a second detection signal corresponding to the displacement of the bonding head 110 around the axis (rotation direction).
  • the first sensor head 161 and the second sensor head 162 are supported by the sensor plate 160 so as to protrude toward the inside of the opening window 151.
  • the displacement calculation unit described below can calculate the amount of axial displacement and the amount of displacement around the axis of the bonding head 110 relative to the holder base 120. In other words, it can be said that the first sensor head 161 and the second sensor head 162 are essentially supported by the holder base 120.
  • FIG. 2 is a system configuration diagram of the flip chip bonder 100.
  • the control system of the flip chip bonder 100 is mainly composed of an arithmetic processing unit 170, a holder actuator 121, a first actuator 131, a second actuator 141, a first sensor head 161, and a second sensor head 162.
  • the arithmetic processing unit 170 is a processor (CPU: Central Processing Unit) that controls the flip chip bonder 100 and executes programs.
  • the processor may be configured to work in conjunction with an arithmetic processing chip such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or a GPU (Graphics Processing Unit).
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • GPU Graphics Processing Unit
  • the arithmetic processing unit 170 also plays a role as a functional arithmetic unit that executes various calculations according to the processing instructed by the position control program. Specifically, the arithmetic processing unit 170 can function as a displacement calculation unit 171 and a drive control unit 172.
  • the displacement calculation unit 171 receives a first detection signal output by the first sensor head 161 and processes the first detection signal to calculate the amount of displacement in the axial direction (advance/retreat direction) of the bonding head 110 relative to the holder base 120.
  • the displacement calculation unit 171 also receives a second detection signal output by the second sensor head 162 and processes the second detection signal to calculate the amount of displacement around the axis (rotation direction) of the bonding head 110 relative to the holder base 120.
  • the displacement calculation unit 171 also receives a position detection signal from a position sensor (not shown) and processes the position detection signal to calculate the three-dimensional coordinates of the holder base 120 at the reference position.
  • the drive control unit 172 determines the target amount of movement by which the semiconductor chip 310 should be displaced in order to reach the mounting area 320 on which the semiconductor chip 310 is to be placed, and also determines the target amount of rotation by which the semiconductor chip 310 should be displaced in order to place the semiconductor chip 310 in the correct posture in the mounting area 320.
  • the drive control unit 172 then adjusts the semiconductor chip 310 to the target posture by sending a drive signal to the second actuator 141 while successively comparing the target amount of rotation with the amount of displacement around the axis calculated by the displacement calculation unit 171.
  • the drive control unit 172 then sends a drive signal to the first actuator 131 while successively comparing the target amount of movement with the amount of displacement in the axial direction calculated by the displacement calculation unit 171, thereby placing the semiconductor chip 310 at the target position in the mounting area 320.
  • the drive control unit 172 also determines the target movement position of the holder base 120.
  • the drive control unit 172 then transmits a drive signal to the holder actuator 121 while successively comparing the movement target position with the three-dimensional coordinates of the holder base 120 calculated by the displacement calculation unit 171, thereby causing the holder base 120 to reach the movement target position.
  • Figure 3 is a perspective view that shows a schematic of the bonding head 110 and two sensor heads (first sensor head 161, second sensor head 162). Note that in Figure 3, the two sensor heads are drawn farther apart than they actually are, and the sensor plate 160 that supports them is omitted, so that the relationship between each of them and the opposing scale film 113 can be easily understood.
  • the first sensor head 161 paired with the first scale 113a drawn on the opposing scale film 113, constitutes a z-axis encoder that detects the amount of displacement in the axial direction (advance/retract direction) of the central axis Ac of the bonding head 110.
  • the z-axis encoder is a reflective linear encoder that receives the reflected light that is projected from the first sensor head 161 and reflected by the first scale 113a with a photodiode and outputs a first detection signal that is generated based on the intensity of the reflected light and corresponds to the displacement in the axial direction.
  • the second sensor head 162 in pair with the second scale 113b drawn on the opposing scale film 113, constitutes a ⁇ -axis encoder that detects the amount of displacement around the central axis A c of the bonding head 110 (in the direction of rotation).
  • the ⁇ -axis encoder is a reflective linear encoder that receives the light projected from the second sensor head 162 and reflected by the second scale 113b with a photodiode and outputs a second detection signal corresponding to the displacement around the axis, which is generated based on the intensity of the light.
  • both the z-axis encoder and the ⁇ -axis encoder employ such a reflective linear encoder, but any type of sensor may be employed as long as it is a displacement sensor that outputs a detection signal corresponding to the displacement by opposing the scale and the sensor head.
  • a magnetic encoder may be used in which the scale is composed of a magnet and the change is detected by a magnetic sensor provided in the sensor head.
  • At least a part of the side surface of the bonding head 110 is constituted by a cylindrical side surface 110a formed by an arc equidistant from the central axis A c .
  • the scale film 113 may be directly attached to this cylindrical side surface 110a, but in this embodiment, in consideration of ease of attachment, it is indirectly attached via a scale block 112.
  • the scale block 112 has an outer surface 112a which becomes an arcuate surface equidistant from the central axis A c when attached to the bonding head 110 and which substantially becomes the cylindrical side surface of the bonding head 110.
  • the scale film 113 is affixed to this outer surface 112a. Therefore, when the scale block 112 is attached to the bonding head 110, the scale film 113 affixed to the outer surface 112a is substantially provided on the cylindrical side surface of the bonding head 110.
  • the first sensor head 161 can directly detect the displacement of the bonding head 110 in the forward/backward direction by reading the change in the first scale 113a
  • the second sensor head 162 can directly detect the displacement of the bonding head 110 in the rotational direction by reading the change in the second scale 113b.
  • the bonding head 110 does not have a cylindrical side surface, or even if it has a cylindrical side surface but the scale block 112 is not attached to the cylindrical side surface, if the outer surface 112a of the scale block 112 attached to the bonding head 110 is an arcuate surface equidistant from the central axis A c , which is the rotation axis of the bonding head 110, the bonding head 110 will essentially have a cylindrical side surface, and it is sufficient that the scale film 113 is attached to the outer surface 112a.
  • the bonding head In a mounting device, it is difficult to directly rotate the bonding head by aligning the output axis of the actuator for rotation (the second actuator 141 in this embodiment) with the central axis of the bonding head.
  • the bonding head is often rotated by combining an actuator having an output axis that does not coincide with the central axis A c of the bonding head and a transmission mechanism for transmitting the output of the actuator.
  • the rotation amount of the output axis of the actuator is detected by a rotary encoder and the rotation amount of the bonding head is calculated using a conversion formula.
  • both the first sensor head 161 and the second sensor head 162 are supported by the holder base 120 without a drive mechanism between them, and both the first scale 113a and the second scale 113b are attached to the cylindrical side surface of the bonding head 110. Therefore, the axial displacement and the axial displacement of the bonding head 110 can be directly detected, and the respective displacement amounts can be obtained more accurately than in conventional mounting devices.
  • the displacement calculation unit 171 calculates the axial displacement amount and the axial displacement amount based on the first detection signal and the second detection signal, but the axial velocity and the axial angular velocity of the bonding head 110 may be calculated by observing the change in each detection signal per short period of time.
  • the fourth is a diagram showing a schematic diagram of the scale film 113.
  • the first scale 113a and the second scale 113b are drawn adjacent to each other on one film.
  • the first scale 113a is a scale for detecting the axial displacement of the bonding head 110, and therefore a number of first line segments having a length L1 perpendicular to the axial direction (advance/retract direction) are arranged according to the set resolution and the displacement width W1 in the advance/retract direction.
  • the displacement width W1 is 1.0 mm if the displacement is ⁇ 0.5 mm with respect to the reference position.
  • the second scale 113b is a scale for detecting the displacement around the axis of the bonding head 110
  • second line segments of length L2 perpendicular to the axis (rotation direction) are arranged in a number corresponding to the set resolution and the displacement width W2 in the rotation direction. If the radius of curvature of the outer surface 112a to which the scale film 113 is attached is, for example, 8 mm, and the rotation angle is, for example, ⁇ 5 degrees with respect to the reference angle as described above, the displacement width W2 is 2 ⁇ 8 ⁇ 10/360 mm.
  • the length L2 of the second line segment needs to be equal to or greater than the displacement width W1 .
  • the length L1 of the first line segment needs to be equal to or greater than the displacement width W2 .
  • the length L1 of each of the multiple first line segments is equal to the spacing W2 between the line segments at both ends of the multiple second line segments
  • the length L2 of each of the multiple second line segments is equal to the spacing W1 between the line segments at both ends of the multiple first line segments.
  • the first scale 113a and the second scale 113b are arranged side by side on one film in order to draw the first line segment and the second line segment so as to be perpendicular to each other with high accuracy, but the arrangement of the first scale 113a and the second scale 113b is not limited to this example.
  • the first scale 113a and the second scale 113b may be formed separately and attached to the outer surface 112a or the cylindrical side surface 110a with their orientations adjusted.
  • the first scale 113a and the second scale 113b may be installed separately so as to face the respective sensor head positions.
  • FIG. 5 is a flow diagram explaining the processing procedure. The illustrated flow starts from the point when the bonding head 110 is moved to the top of the mounting area 320 to be placed by the overall movement control, and the target amount of advance/retraction and rotation of the bonding head 110 thereafter is determined.
  • step S101 the drive control unit 172 sends a drive signal to the second actuator 141 to rotate the bonding head 110.
  • the displacement calculation unit 171 acquires the second detection signal output by the second sensor head 162 after reading the second scale 113b, and in step S103, calculates the amount of displacement around the axis from the second detection signal.
  • step S104 the displacement calculation unit 171 determines whether the calculated displacement amount has reached the determined rotation target amount. If it has determined that it has not reached the target amount, the process returns to step S101. If it has determined that it has reached the target amount, the process causes the drive control unit 172 to stop sending a drive signal to the second actuator 141, and the process proceeds to step S105.
  • step S105 the drive control unit 172 sends a drive signal to the first actuator 131 to move the bonding head 110 forward and backward.
  • step S106 the displacement calculation unit 171 acquires the first detection signal output by the first sensor head 161 after reading the first scale 113a, and in step S107 calculates the amount of displacement in the axial direction from the first detection signal.
  • step S108 the displacement calculation unit 171 determines whether the calculated displacement amount has reached the determined target amount of movement. If it has determined that it has not reached the target amount, the process returns to step S105. If it has determined that it has reached the target amount, the drive control unit 172 stops sending a drive signal to the first actuator 131, and the process of placing the semiconductor chip 310 in the mounting area 320 that is the placement target is terminated.

Landscapes

  • Wire Bonding (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Supply And Installment Of Electrical Components (AREA)

Abstract

実装装置は、円筒側面を有するボンディングヘッドと、ボンディングヘッドを支持する支持部材と、ボンディングヘッドをその軸方向へ進退させる第１アクチュエータと、ボンディングヘッドをその軸周りに回動させる第２アクチュエータと、ボンディングヘッドの軸方向の変位を検出するための、上記円筒側面に設けられた第１スケールと、ボンディングヘッドの軸周りの変位を検出するための、上記円筒側面に設けられた第２スケールと、第１スケールを読取り、ボンディングヘッドの軸方向の変位に応じた第１検出信号を出力する第１センサヘッドと、第２スケールを読取り、ボンディングヘッドの軸周りの変位に応じた第２検出信号を出力する、上記支持部材に支持された第２センサヘッドとを備える。このような実装装置によれば、ボンディングヘッドの進退方向の変位量と回動方向の変位量を精確に検出することができる。

Description

実装装置および実装装置が備えるボンディングヘッドの変位検出方法
　本発明は、実装装置および実装装置が備えるボンディングヘッドの変位検出方法に関する。
　例えばダイボンダなど半導体チップの製造時に利用される実装装置においては、先端部に半導体チップを吸着したボンディングヘッドの位置を制御して、ステージ上に設置されたリードフレームのダイパッドへ精度よく載置する必要がある。そのために、ダイパッドに対するボンディングヘッドや吸着した半導体チップの位置を精確に計測する技術などが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４－０３６０６８号公報
　半導体チップをリードフレームへ載置する直前の相対的な位置関係を精確に計測できても、半導体チップを吸着するボンディングヘッドを精度よく変位させることができなければ、半導体チップをリードフレームの目標位置へ正しく載置することができない。特に、半導体チップをリードフレームへ載置する直前の段階において、ボンディングヘッドを直接的に駆動して変位させるような場合には、特に精度よくその変位量を検出したい。このような要請は、半導体チップを基板の目標位置に実装するフリップチップボンダであっても同様である。
　一般的な実装装置においてボンディングヘッドは、リンク機構やギア列を介して回動されるため、アクチュエータの出力軸とボンディングヘッドの回動軸が一致していない。また、ボンディングヘッドを直動させる駆動機構と回動させる駆動機構は、ボンディングヘッドに対して積み重ねるように階層的に構造化される場合もある。そのため、アクチュエータの出力軸の回転量を検出してボンディングヘッドの回動量を算出しようとすると、動力伝達機構のあそびや階層構造による累積誤差等により、必ずしも精確な値を得ることができなかった。
　本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ボンディングヘッドの進退方向の変位量と回動方向の変位量を精確に検出することができる実装装置等を提供するものである。
　本発明の第１の態様における実装装置は、円筒側面を有するボンディングヘッドと、前記ボンディングヘッドを、前記円筒側面における中心軸に沿う軸方向に進退可能であると共に前記中心軸の軸周りに回動可能であるように支持する支持部材と、前記ボンディングヘッドを前記軸方向へ進退させる第１アクチュエータと、前記中心軸とは一致しない出力軸を有し、前記ボンディングヘッドを前記軸周りに回動させる第２アクチュエータと、前記ボンディングヘッドの前記軸方向の変位を検出するための、前記円筒側面に設けられた第１スケールと、前記ボンディングヘッドの前記軸周りの変位を検出するための、前記円筒側面に設けられた第２スケールと、前記第１スケールを読取り、前記ボンディングヘッドの前記軸方向の変位に応じた第１検出信号を出力する第１センサヘッドと、前記第２スケールを読取り、前記ボンディングヘッドの前記軸周りの変位に応じた第２検出信号を出力する、前記支持部材に支持された第２センサヘッドとを備える。
　また、本発明の第２の態様における変位検出方法は、実装装置が備えるボンディングヘッドの変位検出方法であって、円筒側面を有する前記ボンディングヘッドを、前記ボンディングヘッドを支持する支持部材に対して、前記円筒側面における中心軸の軸周りに前記中心軸とは一致しない出力軸を有する第２アクチュエータを用いて変位させた場合に、前記支持部材に支持された第２センサヘッドが、前記円筒側面に設けられた第２スケールを読み取って、前記ボンディングヘッドの前記軸周りの変位に応じた第２検出信号を出力する第２出力ステップと、前記ボンディングヘッドを、前記支持部材に対して、前記中心軸に沿う軸方向へ第１アクチュエータを用いて変位させた場合に、第１センサヘッドが、前記円筒側面に設けられた第１スケールを読み取って、前記ボンディングヘッドの前記軸方向の変位に応じた第１検出信号を出力する第１出力ステップとを有する。
　本発明により、ボンディングヘッドの進退方向の変位量と回動方向の変位量を精確に検出することができる実装装置等を提供することができる。
本実施形態に係るフリップチップボンダの要部を模式的に示す斜視図である。 フリップチップボンダのシステム構成図である。 ボンディングヘッドと２つのセンサヘッドを模式的に示す斜視図である。 スケールフィルムを模式的に示す図である。 ボンディングヘッドを直接的に変位させる場合における演算処理部の処理手順を説明するフロー図である。
　以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。
　図１は、本実施形態に係るフリップチップボンダ１００の要部を模式的に示す斜視図である。フリップチップボンダ１００は、位置制御装置が組み込まれた実装装置の一例であり、一方の面に電極が形成された半導体チップ３１０を基板３３０の電極に実装するボンディング装置である。なお、図１に示すフリップチップボンダ１００の斜視図は、ボンディングヘッド１１０を直接的に変位させる場合の位置制御に関連する要素を限定的かつ模式的に示す図であり、フリップチップボンダ１００がその機能を発揮するために必須な構成の全てを示すものではない。また、実装装置は、フリップチップボンダに限らず、半導体チップをリードフレームのダイパッドへ載置して接着するダイボンダであってもよい。
　フリップチップボンダ１００は、主に、ボンディングヘッド１１０、ホルダベース１２０、直動機構部１３０、回動機構部１４０、ホルダブロック１５０、センサプレート１６０を備える。ボンディングヘッド１１０は、先端部に半導体チップ３１０を吸着し、ステージ２２０に載置された基板３３０の実装領域３２０に載置し、加圧／加熱して接着する。本実施形態におけるボンディングヘッド１１０は、全体的に円筒形状をなし、その円筒側面における中心軸Ａｃは、図示するようにＺ軸に平行である。なお、本実施形態においては図示するようにＺ軸方向は垂直方向（高さ方向）であり、Ｘ軸方向とＹ軸方向は平面方向であって、それぞれが互いに直交する方向に定められている。
　ホルダベース１２０は、ホルダブロック１５０を介してボンディングヘッド１１０を支持する支持部材である。ホルダベース１２０は、直動機構部１３０および回動機構部１４０も直接的または間接的に支持する。また、ホルダベース１２０は、ステージ２２０の上部空間において、図１には不図示のホルダアクチュエータの駆動により、図示する白抜き矢印に示すように垂直方向および平面方向へ全体移動させることができる。このような全体移動制御により、ホルダベース１２０は、例えば、チップ供給装置で半導体チップ３１０を吸着したボンディングヘッド１１０を載置対象となる実装領域３２０の上部まで移動させることができる。なお、ホルダベース１２０の全体移動中においてボンディングヘッド１１０は、ホルダベース１２０に対して相対的に静止した状態を保つことが望ましい。
　直動機構部１３０は、ボンディングヘッド１１０を中心軸Ａｃに沿う軸方向（図の矢印に示すｚ方向）へ設定された微小距離の範囲（例えば基準位置に対して±０．５ｍｍ）で進退させるための進退微動機構である。直動機構部１３０は、例えばモータである第１アクチュエータ１３１と、第１アクチュエータ１３１の出力を伝達する伝達機構とを含む。伝達機構は、例えばラックとピニオンギアを含むギア列とによって構成される。
　回動機構部１４０は、ボンディングヘッド１１０を中心軸Ａｃの軸周り（図の矢印に示すθ方向）に設定された微小角度の範囲（例えば基準角度に対して±５度）で回動させるための回動微動機構である。回動機構部１４０は、例えばモータである第２アクチュエータ１４１と、第２アクチュエータ１４１の出力を伝達する伝達機構とを含む。伝達機構は、例えばレバークランク機構とギア列によって構成される。なお、第１アクチュエータ１３１、第２アクチュエータ１４１は、伝達機構を省略したボイスコイルモータ、エアシリンダ、油圧シリンダ、リニアモータ等によりボンディングヘッド１１０を軸方向もしくは軸周りに駆動するものであってもよい。
　ホルダブロック１５０は、ホルダベース１２０に取り付けられると共に、ボンディングヘッド１１０が中心軸Ａｃに沿う軸方向へ進退できるように、かつ中心軸Ａｃの軸周りに回動できるように、ボンディングヘッド１１０を支持して案内するガイド部材である。ホルダブロック１５０は、ホルダベース１２０と一体的に形成されていてもよい。ホルダブロック１５０は、ボンディングヘッド１１０の円筒側面の一部を外部へ露出させるための開口窓１５１を有する。開口窓１５１は、図１においては矩形枠で囲まれた形状をなすが、ホルダブロック１５０がボンディングヘッド１１０を支持して案内する機能を保つ限り、いかなる形状であっても構わない。
　センサプレート１６０は、ボンディングヘッド１１０の円筒側面に対向し、開口窓１５１の少なくとも一部を覆うようにホルダブロック１５０へ設置される板状部材である。センサプレート１６０は、第１センサヘッド１６１と第２センサヘッド１６２を、それぞれのセンシング部がボンディングヘッド１１０の円筒側面と対向するように支持する。第１センサヘッド１６１は、ボンディングヘッド１１０の軸方向（進退方向）の変位に応じた第１検出信号を出力する。第２センサヘッド１６２は、ボンディングヘッド１１０の軸周り（回動方向）の変位に応じた第２検出信号を出力する。図１においては、第１センサヘッド１６１と第２センサヘッド１６２は、開口窓１５１の内部に向かって突出するようにセンサプレート１６０に支持されている。
　第１センサヘッド１６１と第２センサヘッド１６２がこのようにセンサプレート１６０に配設されることにより、後述する変位算出部は、ホルダベース１２０に対するボンディングヘッド１１０の軸方向の変位量と軸周りの変位量を算出することができる。すなわち、第１センサヘッド１６１と第２センサヘッド１６２は、実質的に、ホルダベース１２０に支持されているといえる。
　図２は、フリップチップボンダ１００のシステム構成図である。フリップチップボンダ１００の制御システムは、主に、演算処理部１７０、ホルダアクチュエータ１２１、第１アクチュエータ１３１、第２アクチュエータ１４１、第１センサヘッド１６１、第２センサヘッド１６２によって構成される。演算処理部１７０は、フリップチップボンダ１００の制御とプログラムの実行処理を行うプロセッサ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）である。プロセッサは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の演算処理チップと連携する構成であってもよい。
　演算処理部１７０は、位置制御プログラムが指示する処理に応じて様々な演算を実行する機能演算部としての役割も担う。具体的には、演算処理部１７０は、変位算出部１７１、駆動制御部１７２として機能し得る。変位算出部１７１は、第１センサヘッド１６１が出力する第１検出信号を受信して、当該第１検出信号を処理することにより、ホルダベース１２０に対するボンディングヘッド１１０の軸方向（進退方向）の変位量を算出する。また、変位算出部１７１は、第２センサヘッド１６２が出力する第２検出信号を受信して、当該第２検出信号を処理することにより、ホルダベース１２０に対するボンディングヘッド１１０の軸周り（回動方向）の変位量を算出する。また、不図示の位置センサから位置検出信号を受信して、当該位置検出信号を処理することにより、ホルダベース１２０の基準位置における三次元座標を算出する。
　駆動制御部１７２は、微動制御において、半導体チップ３１０の載置対象である実装領域３２０へ当該半導体チップ３１０を到達させるために変位させるべき進退目標量を決定し、また、当該実装領域３２０へ正しい姿勢で載置させるために変位させるべき回動目標量を決定する。そして、駆動制御部１７２は、回動目標量と、変位算出部１７１が算出した軸周りの変位量とを逐次比較しつつ第２アクチュエータ１４１へ駆動信号を送信することにより、半導体チップ３１０を目標とする姿勢に調整する。さらに、駆動制御部１７２は、進退目標量と、変位算出部１７１が算出した軸方向の変位量とを逐次比較しつつ第１アクチュエータ１３１へ駆動信号を送信することにより、半導体チップ３１０を実装領域３２０の目標とする位置へ載置する。また、駆動制御部１７２は、全体移動制御において、ホルダベース１２０の移動目標位置を決定する。そして、駆動制御部１７２は、移動目標位置と、変位算出部１７１が算出したホルダベース１２０の三次元座標とを逐次比較しつつホルダアクチュエータ１２１へ駆動信号を送信することにより、ホルダベース１２０を移動目標位置へ到達させる。
　次に、本実施形態において採用する変位検出センサとその配置について説明する。図３は、ボンディングヘッド１１０と２つのセンサヘッド（第１センサヘッド１６１、第２センサヘッド１６２）を模式的に示す斜視図である。なお、図３において２つのセンサヘッドは、それぞれが対向するスケールフィルム１１３との関係が理解しやすいように、実際よりも離間して、かつこれらを支持するセンサプレート１６０を省いて描かれている。
　第１センサヘッド１６１は、対向するスケールフィルム１１３に描画された第１スケール１１３ａと対で、ボンディングヘッド１１０の中心軸Ａｃの軸方向（進退方向）の変位量を検出するｚ軸エンコーダを構成する。ｚ軸エンコーダは、第１センサヘッド１６１から投光された投射光が第１スケール１１３ａで反射した反射光をフォトダイオードで受光し、その強弱に基づいて生成される、軸方向の変位に応じた第１検出信号を出力する反射型リニアエンコーダである。
　第２センサヘッド１６２は、対向するスケールフィルム１１３に描画された第２スケール１１３ｂと対で、ボンディングヘッド１１０の中心軸Ａｃの軸周り（回動方向）の変位量を検出するθ軸エンコーダを構成する。θ軸エンコーダは、第２センサヘッド１６２から投光された投射光が第２スケール１１３ｂで反射した反射光をフォトダイオードで受光し、その強弱に基づいて生成される、軸周りの変位に応じた第２検出信号を出力する反射型リニアエンコーダである。なお、本実施形態においては、ｚ軸エンコーダもθ軸エンコーダも、このような反射型リニアエンコーダを採用するが、スケールとセンサヘッドを対向させて変位に応じた検出信号を出力する変位センサであれば、いずれの種類のセンサも採用し得る。例えば、スケールをマグネットで構成し、その変化をセンサヘッドに設けられた磁気センサで検出する磁気式エンコーダであってもよい。
　ボンディングヘッド１１０の側面の少なくとも一部は、中心軸Ａｃから等距離の円弧によって形成される円筒側面１１０ａによって構成されている。スケールフィルム１１３は、この円筒側面１１０ａに直接的に貼着してもよいが、本実施形態においては装着の容易性を考慮して、スケールブロック１１２を介して間接的に装着する。
　スケールブロック１１２は、ボンディングヘッド１１０に取り付けられた場合に中心軸Ａｃから等距離の円弧面となり、実質的にボンディングヘッド１１０の円筒側面となる外面１１２ａを有する。スケールフィルム１１３は、この外面１１２ａに貼着されている。したがって、スケールブロック１１２がボンディングヘッド１１０に取り付けられると、外面１１２ａに貼着されたスケールフィルム１１３は、実質的にボンディングヘッド１１０の円筒側面設けられたことになる。すなわち、第１センサヘッド１６１は、第１スケール１１３ａの変化を読み取ることにより、ボンディングヘッド１１０の進退方向の変位をダイレクトに検出することができ、第２センサヘッド１６２は、第２スケール１１３ｂの変化を読み取ることにより、ボンディングヘッド１１０の回動方向の変位をダイレクトに検出することができる。なお、ボンディングヘッド１１０が円筒側面を有さない場合であっても、あるいは円筒側面を有するもののスケールブロック１１２が当該円筒側面に装着されない場合であっても、ボンディングヘッド１１０に装着されたスケールブロック１１２の外面１１２ａが、ボンディングヘッド１１０の回動軸となる中心軸Ａｃから等距離の円弧面であれば、ボンディングヘッド１１０は実質的に円筒側面を有することになり、当該外面１１２ａにスケールフィルム１１３が貼着されていればよい。
　実装装置においては、ボンディングヘッドの中心軸に回動用のアクチュエータ（本実施形態においては第２アクチュエータ１４１）の出力軸を一致させて、直接的にボンディングヘッドを回動させることが難しい。実際の設計においては、本実施形態のように、ボンディングヘッドの中心軸Ａｃとは一致しない出力軸を有するアクチュエータとその出力を伝達する伝達機構とを組み合わせてボンディングヘッドを回動させる場合が多い。このように構成する場合、従来の実装装置においては、アクチュエータの出力軸の回転量をロータリエンコーダで検出し、換算式を用いてボンディングヘッドの回動量を算出していた。しかし、このようにボンディングヘッドの回動量を算出する場合には、伝達機構のあそびや取付け誤差により、必ずしも精確な値を得ることができなかった。直動機構部にアクチュエータを固定してその出力軸をボンディングヘッドの中心軸に一致させる試みもあるが、このように構成する場合には、回動機構部を直動機構部に積み重ねるように構造化するため、直動機構部の動作に伴う誤差も累積され、やはりボンディングヘッドの回動量を精確に得ることができなかった。
　このような従来技術に対して本実施形態のフリップチップボンダ１００によれば、第１センサヘッド１６１も第２センサヘッド１６２も、間に駆動機構部を介さずに、実質的にホルダベース１２０に支持されており、また、第１スケール１１３ａも第２スケール１１３ｂも、実質的にボンディングヘッド１１０の円筒側面に貼着されている。したがって、ボンディングヘッド１１０の軸方向の変位も軸周りの変位も直接的に検出することができ、従来の実装装置に比較して、より精度よくそれぞれの変位量を得ることができる。なお、本実施形態においては、変位算出部１７１は、第１検出信号および第２検出信号に基づいて軸方向の変位量および軸周りの変位量を算出するが、短時間当たりのそれぞれの検出信号の変化を観察することにより、ボンディングヘッド１１０の軸方向の速度および軸周りの角速度を算出してもよい。
　図４は、スケールフィルム１１３を模式的に示す図である。本実施形態において、第１スケール１１３ａと第２スケール１１３ｂは、ひとつのフィルム上に隣接して描画されている。第１スケール１１３ａは、ボンディングヘッド１１０の軸方向の変位を検出するためのスケールであるので、軸方向（進退方向）に対して直交する長さＬ１の第１線分が、設定される分解能および進退方向の変位幅Ｗ１に応じた本数ぶんだけ配列されている。変位幅Ｗ１は、上述のように基準位置に対して±０．５ｍｍであれば１．０ｍｍである。
　第２スケール１１３ｂは、ボンディングヘッド１１０の軸周りの変位を検出するためのスケールであるので、軸まわり（回動方向）に対して直交する長さＬ２の第２線分が、設定される分解能および回動方向の変位幅Ｗ２に応じた本数ぶんだけ配列されている。変位幅Ｗ２は、スケールフィルム１１３の貼着面である外面１１２ａの曲率半径が例えば８ｍｍであり、回動角が上述のように例えば基準角度に対して±５度であれば、２π×８×１０／３６０ｍｍである。
　ここで、第１スケール１１３ａと第２スケール１１３ｂが隣接して配置される場合において、第１センサヘッド１６１から投光される投射光が変位幅Ｗ１の間のいずれの箇所に投光されている場合であっても、ボンディングヘッド１１０が回動された場合に第２センサヘッド１６２でその変位量を検出できるためには、第２線分の長さＬ２は、変位幅Ｗ１以上の長さを有する必要がある。同様に、第２センサヘッド１６２から投光される投射光が変位幅Ｗ２の間のいずれの箇所に投光されている場合であっても、ボンディングヘッド１１０が進退された場合に第１センサヘッド１６１でその変位量を検出できるためには、第１線分の長さＬ１は、変位幅Ｗ２以上の長さを有する必要がある。本実施形態においては、スケールフィルム１１３をできるだけ小さくする観点から、Ｌ１＝Ｗ２、Ｌ２＝Ｗ１に設定している。すなわち、複数の第１線分のそれぞれの長さＬ１は、複数の第２線分のうちの両端の線分の間隔Ｗ２に等しく、複数の第２線分のそれぞれの長さＬ２は、複数の第１線分のうちの両端の線分の間隔Ｗ１に等しい。
　なお、本実施形態においては、第１線分と第２線分を互いに精度よく直交させて描画するために、第１スケール１１３ａと第２スケール１１３ｂをひとつのフィルム上に並べて配列したが、第１スケール１１３ａと第２スケール１１３ｂの配置はこの例に限らない。第１スケール１１３ａと第２スケール１１３ｂは、別々に形成されたものを外面１１２ａ上あるいは円筒側面１１０ａ上に、互いに向きを調整して貼着するようにしてもよい。また、第１センサヘッド１６１と第２センサヘッド１６２がそれぞれ別の支持部材によって支持されているような場合には、第１スケール１１３ａと第２スケール１１３ｂを別々に、それぞれのセンサヘッド位置に対向するように設置してもよい。
　次に、ボンディングヘッド１１０を直接的に変位させる場合における演算処理部の処理手順について説明する。図５は、当該処理手順を説明するフロー図である。図示するフローは、全体移動制御によりボンディングヘッド１１０が載置対象となる実装領域３２０の上部まで移動され、その後のボンディングヘッド１１０の進退目標量および回動目標量が決定された時点から開始する。
　駆動制御部１７２は、ステップＳ１０１で、第２アクチュエータ１４１へ駆動信号を送信し、ボンディングヘッド１１０を回動させる。変位算出部１７１は、ステップＳ１０２で、第２センサヘッド１６２が第２スケール１１３ｂを読み取って出力した第２検出信号を取得し、ステップＳ１０３で、当該第２検出信号から軸周りの変位量を算出する。
　変位算出部１７１は、ステップＳ１０４で、算出した変位量が決定された回動目標量に到達したか否かを判断する。到達していないと判断した場合には、ステップＳ１０１へ戻る。到達したと判断した場合には、駆動制御部１７２に第２アクチュエータ１４１への駆動信号の送信を停止させ、ステップＳ１０５へ進む。
　駆動制御部１７２は、ステップＳ１０５で、第１アクチュエータ１３１へ駆動信号を送信し、ボンディングヘッド１１０を進退させる。変位算出部１７１は、ステップＳ１０６で、第１センサヘッド１６１が第１スケール１１３ａを読み取って出力した第１検出信号を取得し、ステップＳ１０７で、当該第１検出信号から軸方向の変位量を算出する。
　変位算出部１７１は、ステップＳ１０８で、算出した変位量が決定された進退目標量に到達したか否かを判断する。到達していないと判断した場合には、ステップＳ１０５へ戻る。到達したと判断した場合には、駆動制御部１７２に第１アクチュエータ１３１への駆動信号の送信を停止させ、半導体チップ３１０を載置対象となる実装領域３２０へ載置する処理を終了する。
　１００…フリップチップボンダ、１１０…ボンディングヘッド、１１０ａ…円筒側面、１１２…スケールブロック、１１２ａ…外面、１１３…スケールフィルム、１１３ａ…第１スケール、１１３ｂ…第２スケール、１２０…ホルダベース、１２１…ホルダアクチュエータ、１３０…直動機構部、１３１…第１アクチュエータ、１４０…回動機構部、１４１…第２アクチュエータ、１５０…ホルダブロック、１５１…開口窓、１６０…センサプレート、１６１…第１センサヘッド、１６２…第２センサヘッド、１７０…演算処理部、１７１…変位算出部、１７２…駆動制御部、２２０…ステージ、３１０…半導体チップ、３２０…実装領域、３３０…リードフレーム

Claims (5)

  1. 　円筒側面を有するボンディングヘッドと、
    　前記ボンディングヘッドを、前記円筒側面における中心軸に沿う軸方向に進退可能であると共に前記中心軸の軸周りに回動可能であるように支持する支持部材と、
    　前記ボンディングヘッドを前記軸方向に進退させる第１アクチュエータと、
    　前記中心軸とは一致しない出力軸を有し、前記ボンディングヘッドを前記軸周りに回動させる第２アクチュエータと、
    　前記ボンディングヘッドの前記軸方向の変位を検出するための、前記円筒側面に設けられた第１スケールと、
    　前記ボンディングヘッドの前記軸周りの変位を検出するための、前記円筒側面に設けられた第２スケールと、
    　前記第１スケールを読取り、前記ボンディングヘッドの前記軸方向の変位に応じた第１検出信号を出力する第１センサヘッドと、
    　前記第２スケールを読取り、前記ボンディングヘッドの前記軸周りの変位に応じた第２検出信号を出力する、前記支持部材に支持された第２センサヘッドと
    を備える実装装置。
  2. 　前記第１スケールと前記第２スケールは、前記円筒側面において隣接して配置されている請求項１に記載の実装装置。
  3. 　前記第１スケールは、複数の第１線分によって形成されており、
    　前記第２スケールは、複数の第２線分によって形成されており、
    　前記複数の第１線分のそれぞれの長さは、前記複数の第２線分のうちの両端の線分の間隔に等しく、前記複数の第２線分のそれぞれの長さは、前記複数の第１線分のうちの両端の線分の間隔に等しい請求項２に記載の実装装置。
  4. 　前記第１スケールと前記第２スケールは、一体的に成形されて前記円筒側面に装着されている請求項２または３に記載の実装装置。
  5. 　実装装置が備えるボンディングヘッドの変位検出方法であって、
    　円筒側面を有する前記ボンディングヘッドを、前記ボンディングヘッドを支持する支持部材に対して、前記円筒側面における中心軸の軸周りに前記中心軸とは一致しない出力軸を有する第２アクチュエータを用いて変位させた場合に、前記支持部材に支持された第２センサヘッドが、前記円筒側面に設けられた第２スケールを読み取って、前記ボンディングヘッドの前記軸周りの変位に応じた第２検出信号を出力する第２出力ステップと、
    　前記ボンディングヘッドを、前記支持部材に対して、前記中心軸に沿う軸方向へ第１アクチュエータを用いて変位させた場合に、第１センサヘッドが、前記円筒側面に設けられた第１スケールを読み取って、前記ボンディングヘッドの前記軸方向の変位に応じた第１検出信号を出力する第１出力ステップと
    を有する変位検出方法。
     
     
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