专利名称：元件安装方法及其元件安装装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在基板等上组装电子元件时使用的元件安装方法及其元件安装装置。
背景技术：
以往，在印刷基板等和基板上组装半导体芯片和压电元件等的电子元件时，为了正确地将电子元件组装于基板的所定位置，需要有高精度的定位机构。
作为这种定位机构，例如有日本专利特许2780000号公报(特许文献1)和日本专利特许2811856号公报(特许文献2)所记载的方案。特许文献1的方案是由上下2个摄像机对特定标记进行摄像，以识别相互的偏差量，同时按照该偏差量对工件与基板的相对移动量进行补正。又，特许文献2是将上下同时摄像用的摄像机插入于基板与电子元件的同轴上进行识别的方法，是一种背面相对式摄像机的上下同时摄像的方法。
然而，特许文献1的场合是一种以使工件和基板移动的轴机构的高精度的再现性为前提的定位方式，不存在结合作业中的可检测工件与基板偏位的机构。又，使用特定标记的补正是把握上下摄像机间的相对位置偏差用的，由于不能把握机构部的热膨胀等引起的上摄像机与结合部间、或者下摄像机与结合载物台间的热影响等引起的误差，因此，高精度化受到限制。
另一方面，特许文献2的场合由于将上下同时摄像机插入于工件与基板的同轴上进行识别，因此，结合作业时必须要有退避动作，不可能对组装状态的工件、基板的位置进行检测。又，由于上下摄像机是背面相对式的视野，因此，在同一视野中想要对1个校准标记进行摄像在原理上是不可能的，产生了2个摄像机的轴对位作业复杂化的问题。
为此，本发明的目的在于提供一种在使用元件移动用的低成本轴机构的同时可进行高精度的定位、并可识别组装途中的头部和载物台的位置、可对因头部和载物台变形等引起的误差进行补正的元件安装方法及其元件安装装置。
发明内容
为了实现上述目的，本发明第1技术方案是一种由吸头吸附第1元件、将该第1元件与保持于载物台的第2元件对位后进行安装的方法，其特征在于，包括如下工序准备工序，准备好从所述吸头的上方将光轴朝向下方的第1光学系统和从所述载物台的下方将光轴朝向上方、大致与第1光学系统的光轴呈对向的第2光学系统；摄像工序，将吸头插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统对标记于吸头上的从上方可识别的头部基准标记进行摄像，同时由第2光学系统对吸附于吸头的第1元件进行摄像；摄像工序，将载物台插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统对保持于载物台上的第2元件进行摄像，同时由第2光学系统对标记于载物台的从下方可识别的载物台基准标记进行摄像；测算工序，利用来自所述第1、第2光学系统的图像信息对第1元件与吸头的相对位置以及第2元件与载物台的相对位置进行测算；位置补正工序，在将所述吸头和载物台移动至安装位置的状态下，由所述第1、第2光学系统对所述头部基准标记和载物台基准标记进行识别，利用这些位置信息和所述相对位置信息对吸头和载物台的至少一方进行位置补正，以使第1元件和第2元件的位置达到所定的关系；安装工序，在所述位置补正后进行第1元件和第2元件的安装。
本发明第6技术方案是一种将第1元件与第2元件对位后进行安装的元件安装装置，其特征在于，包括如下装置吸头，下端部吸附第1元件，具有可从上方识别的头部基准标记；载物台，上端部保持第2元件，具有可从下方识别的载物台基准标记；驱动机构，可使所述吸头和载物台沿X、Y、Z及θ方向进行相对移动；第1光学系统，从所述吸头的上方对保持于载物台上的第2元件和头部基准标记进行摄像；第2光学系统，大致与第1光学系统的光轴对向状配置，从所述载物台的下方对吸附于吸头上的第1元件和载物台基准标记进行摄像；运算装置，利用来自所述第1、第2光学系统的图像信息对第1元件与吸头的相对位置以及第2光学系统与载物台的相对位置进行测算；控制装置，在将所述吸头和载物台移动至组装位置的状态下，由所述第1、第2光学系统对所述头部基准标记和载物台基准标记进行识别，利用这些位置信息和上述的相对位置信息对吸头和载物台的至少一方进行位置补正，以使第1元件和第2元件的位置达到所定的关系。
下面说明第1技术方案的元件安装方法的一例。
首先准备好第1光学系统和第2光学系统。在此，所谓光学系统不仅是指摄像机单体，而且也可包括反射镜和透镜等，不限定于1个光学系统具有1个摄像机，也可以是由1个摄像机构成2个光学系统，反之，也可以是由多个摄像机构成1个光学系统。
第1光学系统从吸头的上方将光轴朝向下方配置，第2光学系统从载物台的下方将光轴朝向上方配置。第1光学系统和第2光学系统的光轴大致呈对向，相互处于已知的位置关系。在光轴大致对向的范围内，包含与相互的视野对向的光学系统的光轴进入程度的偏差。当作为对象的第1元件和第2元件的尺寸大于想定视野的场合，只要使第1光学系统和第2光学系统保持一体状地沿水平方向移动即可。
其次，将吸头插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统对标记于载物台上的可从上方识别的头部基准标记进行摄像，由第2光学系统对吸附于吸头上的第1元件进行摄像。因第1光学系统和第2光学系统的光轴大致呈对向，故可从2个光学系统的摄像数据中求出吸头与第1元件的相对位置。另外，所谓将吸头插入第1光学系统与第2光学系统之间并不限定于将第1、第2光学系统固定使吸头移动的场合，也包括将吸头固定使第1、第2光学系统移动的场合。
接着，将载物台插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统对保持于载物台上的第2元件进行摄像，由第2光学系统对标记于载物台上的可从下方识别的载物台基准标记进行摄像。此场合也与上述一样，可从2个光学系统的摄像数据中求出载物台与第2元件的相对位置。另外，所谓将载物台插入第1光学系统与第2光学系统之间并不限定于将第1、第2光学系统固定使载物台移动的场合，也包括将载物台固定使第1、第2光学系统移动的场合。
另外，求出吸头与第1元件的相对位置的工序和求出载物台与第2元件的相对位置的工序无论哪1个为先均可。头部基准标记应尽可能设置在与吸附于吸头的第1元件接近的位置，载物台基准标记也应尽可能设置在与第2元件接近的位置。在第1元件、第2元件的摄影时，既可在这些元件上预先标记基准线标记，也可通过对元件的特征点(如边缘等)进行摄像来识别元件的位置。
其次，利用来自第1光学系统和第2光学系统的图像信息对第1元件与吸头的相对位置以及第2光学系统与载物台的相对位置进行测算。即，从第1光学系统的图像信息中识别吸头(头部基准标记)的位置，从第2光学系统的图像信息中识别第1元件的位置，由此可算出第1元件与吸头的相对位置。又，从第1光学系统的图像信息中识别第2元件的位置，从第2光学系统的图像信息中识别载物台(载物台基准标记)的位置，由此，可算出第2元件与载物台的相对位置。
然后，在将吸头和载物台移动至组装位置的状态下，由第1、第2光学系统对头部基准标记和载物台基准标记进行识别，利用这些位置信息和上述的相对位置信息对吸头和载物台进行位置补正，以使第1元件与第2元件的位置达到所定的关系。在此状态下，若安装第1元件和第2元件，则相互不会错位，可在高精度对位的状态下进行安装。
在本发明中，由于是在对设于头部和载物台双方的基准标记摄像的同时确保安装作业中的位置，因此，作为轴机构只需要有必要精度的位置分辨率即可，不需要有高精度的再现性。这样，可采用低成本的轴机构。又，热变形和空转等的再现性误差可在安装作业中进行补正。结果是即使在要求亚微米粒子等级的位置精度的电子元件组装时，也可适用于本发明。
第1、第2光学系统不需要始终预先保持固定的位置关系，至少在摄像时，只要处于已知的位置关系即可。例如，插入头部或载物台时，也可临时性使某一方光学系统退避，然后返回原来的位置。此场合的光学系统的移动机构需要使用具有再现性的机构。
并且，由于对位作业可在由第1、第2光学系统摄像的同时进行实施，因此，可对安装作业中的第1、第2元件间的偏差进行检测。这样，例如在冲击接合工法等中，即使因加热器的热量引起头部和载物台的热变形，也可随时控制该热变形，可补正第1、第2元件的位置，故即使在加热条件下也可进行高精度的定位。
所谓本发明中的头部基准标记并不限定于特意在吸头上作出的着色标记以及凹凸部等的刻印，也可是头部的边缘部等的一部分。同样，载物台基准标记也不限定于特意在载物台上作出的刻印，也可以是载物台的边缘部等的一部分。
在本发明中，「位置」一词表示X、Y、Z方向的位置及其θ方向的总称。因此，在位置方面也包含了姿势的概念。
如第2技术方案所述，作为第1光学系统和第2光学系统的准备工序，也可包括以下工序即、将可从上下双方识别的单一的校准标记插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统和第2光学系统对该校准标记进行摄像，由此来测定第1光学系统与第2光学系统的光轴偏差量的工序。
即使是将第1光学系统和第2光学系统的光轴预先调整到了同轴正确的对向状态，也难以避免随着时间的经过和温度变化等引起的光轴偏位，或者难以确保亚微米粒子等级的高精度的位置精度。为此，通过由第1光学系统和第2光学系统从上下双方识别同一标记，求出双方光学系统的光轴偏差量，利用该光轴偏差量算出第1元件与吸头的相对位置，算出第2元件与载物台的相对位置，再进行吸头和载物台的位置补正等，就可在不加算误差的情况下进行高精度的对位。
另外，校准标记虽然可在元件安装时每次可维持最高精度，但也可在每一元件安装的设定次数中或每一设定时间中进行。
如第3技术方案所述，也可将校准标记作为设置于吸头或载物台上的标记。
虽然也可将校准标记设置于与吸头和载物台分体的另外构件上，但此时，由于在第1光学系统与第2光学系统之间需要设置另外构件出入用的移动机构，故使装置复杂化。为此，若将校准标记设置于吸头或载物台上，则可不需要设置校准标记用的另外构件，具有构造简单的优点。
另外，校准标记必需是能同时由上下的光学系统进行识别。因此，可将设于吸头或载物台的上下贯通孔以及透明体(玻璃板)等上的标记等作为校准标记。
如第4、7技术方案所述，在对头部基准标记和第1元件的摄像工序、对第2元件和载物台基准标记的摄像工序、对所述吸头和载物台至少一方的位置补正工序以及对第1元件和第2元件的安装工序的期间应将第1光学系统和第2光学系统预先保持于固定的位置关系。即，应在对位的全过程中始终保持，以避免光学系统的光轴相互偏位。
这样，若使用始终对向状的相对位置固定的第1、第2光学系统进行位置识别，则与光学系统相互移动的场合相比可减少因移动机构造成的误差影响，从而可提高定位精度，并且，不再需要高精度的移动机构。
如第5技术方案所述，安装位置的吸头与载物台的位置补正工序也可包括对吸头与载物台进行相对位置的补正的工序，使其一边对吸头和载物台的一方或双方进行双方接合用的加热，一边由第1、第2光学系统对头部基准标记和载物台基准标记进行识别，利用所述相对位置信息使第1元件和第2元件的位置达到所定的关系。
在此场合，对于安装作业途中的热变形，因连续性地对标记的偏差进行摄像，故即使热变形也可实时进行位置补正，可始终高精度地安装第1元件和第2元件。
如第8技术方案所述，吸头和载物台的至少一方包括元件吸附孔；设置于元件吸附孔的背后、与元件吸附孔连通的中空部；将与中空部的元件吸附孔对向的面闭锁、从背后可透视元件吸附孔的透明体；以及与中空部连接的空气吸气通路，第1光学系统和第2光学系统的至少一方通过透明体将元件吸附孔作为头部基准标记或载物台基准标记进行识别。
即，元件吸附孔是吸附第1元件或第2元件的孔，处于与元件最近的位置。这样，即使吸头和载物台发生了热变形，也可将与元件的相对位置的偏差量减至最小。
又，由于从头部(或载物台)的背后通过透明体，可透视作为基准标记的元件吸附孔，因此，组装途中也能容易地从头部(或载物台)的背后通过光学系统进行摄像。即，因可正确地识别组装途中的头部(或载物台)的位置，故可高精度定位。
如第9技术方案所述，在元件吸附孔的附近也可固定加热用的加热器。
在安装第1元件和第2元件时，有时需要同时加热和加压进行接合。在此场合，若将加热器设置于与元件的最近位置即元件吸附孔的附近，则可高效地向元件传热，故可提高接合性能。
在加热头部(或载物台)时，受周围空气的晃动会发生光学系统的摄像图形的歪斜而成为误差的原因。然而在采用第8技术方案构造的吸头或载物台的场合，虽然利用加热器的热也对中空部进行加热，但中空部因处于受到来自空气吸引通路的空气吸引而减压的状态，故空气密度低，晃动不大。这样，在通过透明体和中空部对元件吸附孔进行摄像时，可减少因晃动引起的误差，可得到高精度的摄像数据。
如第10技术方案所述，将吸头或载物台的背面通过支架安装于驱动机构，在该支架上形成第1或第2光学系统可插入自如的空洞部，通过透明体对元件吸附孔进行摄像。
吸头(或载物台)通过驱动机构沿X、Y、Z或θ轴方向进行驱动，但当该头部以单侧结构支承于驱动机构时，因透明体的背后开放，故可容易在透明体的背后配置摄像机和反射镜等。但是，单侧构造的头部存在着将第1元件和第2元件接合时的加压力引起挠曲的可能性，故难以高精度接合。对此，将头部的背后通过支架支承于驱动机构等上时，即使产生了加压力的作用，也不容易挠曲，可进行高精度接合。但支架成了妨碍，难以将摄像机等配置于背后。为此，通过使具有空洞部的支架支承于头部的背后、特别是透明体的背后，使摄像机不妨碍支架，可容易地对元件吸附孔进行摄像，同时可将头部(或载物台)稳定地支承于驱动机构。
在本发明中，所谓光学系统，除了摄像机之外，还包括具有使用反射镜和棱镜等将图像向摄像机反射功能的部分。这样，只要将摄像机以外的反射镜和棱镜、透镜等的摄像用的光学元件插入空洞部中即可。
从上述的说明中可以看出，采用本发明的第1技术方案，由于在对设于头部和载物台双方的基准标记进行摄像的同时可确保安装作业中的位置，因此，作为驱动头部和载物台的轴机构，可仅将必要的精度作为位置分辨率，无需高精度的再现性。这样，不仅可采用低成本的轴机构，而且可进行极高精度的安装。
又，由于可由2个光学系统从上下对安装作业进行摄像，因此，热变形和空转等的再现性误差可在安装作业中得到补正。这样，即使在加热条件下也可进行高精度定位。
又，采用本发明的第6技术方案，可简单地实现第1技术方案的元件安装方法。
附图的简单说明
图1为使用本发明的元件安装方法的组装装置第1实施例的立体图。
图2为图1所示的组装装置的吸头及载物台的放大图。
图3为图1所示的组装装置的吸头及载物台的立体图。
图4为表示图1所示的组装装置的对位动作的动作说明图。
图5为表示图1所示的组装装置的对位动作的另一例的动作说明图。
图6为使用本发明的元件安装方法的组装装置第2实施例的主视图。
图7为图6的VII-VII线剖视图。
图8为图6所示的组装装置的吸头的放大图，(a)为主视图，(b)为VIII-VIII线剖视图。
图9为从设于吸头的元件吸附孔的背后看的放大图，(a)为主视图，(b)为的IX-IX线剖视图。
图10为本发明的组装装置第3实施例的侧视图。
图11为由图10所示的摄像机摄像的视野图像图。
图12为本发明的组装装置第4实施例的立体图。
图13为图12所示的组装装置的动作说明图。
图14为使用本发明的元件安装方法的组装后的光元件的剖视图。
图15为用于图14的光元件的激光二极管的立体图。
具体实施例方式
第1实施例图1～图3表示使用本发明的元件安装方法的组装装置的第1实施例。其中，使用电子元件P作为第1元件，使用基板B作为第2元件。本实施例的组装装置由头部1a、载物台部1b、第1、第2摄像机20、21、控制装置25等构成。
头部1a具有吸附电子元件P的吸头2和沿X、Y、Z轴方向驱动吸头2的驱动机构7、8、9。如图2所示，吸头2具有与未图示的真空吸引装置连接的吸引孔3，在吸引孔3的前端设置有下面开口的元件吸附孔4，该元件吸附孔4可将电子元件P吸附。在吸头2的上面特别是在与元件吸附孔4大体对应的位置设置有头部基准标记5。为了能看到θ轴方向的位置再现性，基准标记5既可如图3所示作成多个点状标记，也可作成具有方向性的形状(如长方形等)。又，与基准标记5相对应，在电子元件P上也设置有基准线标记P1。基准线标记P1也可不使用点状标记等特别的标记，而是将电子元件P的边缘等的特征点作为基准线标记来使用。
在吸头2的前端部设置有后述的第1摄像机20和第2摄像机21的光轴偏差量识别用的校准标记6。该校准标记6是可从上下双方识别的标记，在此，由上下贯通的孔构成。
另外，也可在吸头2上设置电子元件P加热用的加热装置。
吸头2通过Z轴驱动机构7安装在X轴驱动机构8上，并且，X轴驱动机构8与Y轴驱动机构9连结。由此，吸头2可沿X、Y、Z轴方向任意移动位置。
吸头2在未图示的供给位置上将电子元件P吸住后搬送至组装位置，可组装在基板B上。
载物台部1b具有保持基板B的载物台11以及沿X、Y、θ轴方向驱动该载物台11的驱动机构15、16、17。如图2所示，载物台11也具有与未图示的真空吸引装置连接的吸引孔12，在该吸引孔12的前端设置有上面开口的元件吸附孔13，由该元件吸附孔13将基板B吸附保持。在载物台11的下面特别是在与元件吸附孔13大体对应的背面位置设置有载物台基准标记14。该载物台基准标记14也与头部基准标记5一样，既可如图3所示作成多个点状标记，也可作成具有方向性的形状(如长方形等)。又，与载物台基准标记14相对应，在基板B上也设置有基准线标记B1。
另外，也可在载物台11上设置基板B加热用的加热装置。
载物台11安装在X轴驱动机构15上，X轴驱动机构15的两端部通过铰链分别与Y1轴驱动机构16和Y2轴驱动机构17连结。由此，通过改变Y1轴驱动机构16的移动量和Y2轴驱动机构17的移动量，可沿θ轴方向进行载物台11的角度调整。这样，载物台11可沿X、Y、θ轴方向任意移动位置。
载物台11具有在未图示的供给位置上接受基板B向组装装置搬送的功能。
在组装位置的吸头2的上方及其载物台11的下方分别设置有第1摄像机20和第2摄像机21。两摄像机20、21相互的光轴大致呈同轴对向，并由电机轴等的定位装置22(图1中的虚线所示)保持着相对位置，不使摄像机相互间进行相对移动。另外，两摄像机20、21具有自动对焦(自动聚焦)功能，但也可通过使两摄像机20、21沿Z轴方向移动来代用。
为了对第1摄像机20与第2摄像机21的光轴偏差量进行识别，使用了设于吸头2的校准标记6。另外，作为校准标记，既可使用设于载物台11的标记和孔，也可使用吸头2和载物台11以外的构件。
控制装置25具有的功能是读取第1摄像机20和第2摄像机21的摄像数据，从这些数据对第1摄像机20与第2摄像机21的光轴偏差量、电子元件P的位置(姿势)、基板B的位置(姿势)、头部基准标记5与电子元件P的相对位置(姿势)、载物台基准标记14与基板B的相对位置(姿势)等进行运算·记忆，对驱动机构7、8、9、15、16、17进行控制。
下面参照图4说明上述结构的组装装置的动作一例。
图4(a)表示第1摄像机20和第2摄像机21的校准标记工序。首先，将吸头2的前端部插入配置于组装位置的第1摄像机20与第2摄像机21之间，由双方的摄像机20、21对设于吸头2的校准标记6进行摄像，求出双方摄像机20、21的光轴偏差量。将光轴偏差量用于后述的电子元件P与吸头2的相对位置测算、基板B与载物台11的相对位置测算、吸头2与载物台11的位置补正等。
图4(b)表示将吸附于吸头2的电子元件P插入摄像机20、21间即插入组装位置的状态。
图4(c)表示吸头2下降至组装高度的状态，在该位置上，由第1摄像机20对头部基准标记5进行识别，由第2摄像机21对电子元件P(基准线标记P1)进行识别。接着，利用来自第1摄像机20和第2摄像机21的图像信息对电子元件P的位置(姿势)以及电子元件P与吸头2的相对位置(姿势)进行测算·记忆。
图4(d)表示吸头2退避的状态。
图4(e)表示将载物台11插入组装位置即可由第1摄像机20识别载物台11上的基板B、可由第2摄像机21识别载物台11背后的基准标记14的位置的状态。在该位置上，由第1摄像机20对基板B(基准线标记B1)进行识别，由第2摄像机21对载物台基准标记14进行识别。接着，利用来自第1摄像机20和第2摄像机21的图像信息对基板B的位置(姿势)以及基板B与载物台11的相对位置(姿势)进行测算·记忆。此时对基板进行补正，使其与由图4(c)求出的电子元件P的位置对准。
由于图4(e)中的第1摄像机20、第2摄像机21的焦点距离与识别校准标记6时的(图4(a))的焦点距离不一致，因此，应采用自动聚焦功能，这样，就可明确识别基准线标记B1和载物台基准标记14。
图4(f)是组装工序，在将载物台11依然保持于图4(e)位置的状态下，将吸头2移动到与图4(c)相同的位置，将电子元件P组装在基板B上。电子元件P不限于在图4(c)中进行位置识别之后，在图4(d)中进行退避，然后，当返回至图4(f)中的组装位置时，按照驱动机构7、8、9的精度再现性良好地返回至图4(c)的位置。又，由于第2摄像机21的视界被载物台11所遮蔽，因此不能直接由第2摄像机21来识别电子元件P。为此，在组装工序中，由第1摄像机20对头部基准标记5进行识别，从由图4(c)算出的相对位置数据中，使吸头2沿XY方向移动，以使电子元件P的位置与图4(c)中的电子元件P的位置对准。由于载物台11依然保持于图4(e)的位置，因此，与图4(e)中的识别的位置不会偏离，只需要进行电子元件P的位置补正即可。另外，当θ轴方向有了偏差时，只需将载物台11沿θ轴方向移动即可。
如上所述，可将电子元件P与基板B正确对位，在此状态下，通过组装可获得高精度的制品。
图5表示上述组装装置动作的另一例。
图5(a)是第1摄像机20和第2摄像机21的校准标记工序。其中，在载物台11上设置有校准标记19。首先，将第1摄像机20和第2摄像机21向组装位置移动，将载物台11的前端部插入摄像机20、21之间，由双方的摄像机20、21对设于载物台11的校准标记19进行摄像，识别双方摄像机20、21的光轴偏差量。
图5(b)表示将载物台11移动至组装位置的状态。此时，由第1摄像机20对保持于载物台11上的基板B(基准线标记B1)进行识别，由第2摄像机21对设于载物台11下面的载物台基准标记14进行识别。接着，利用来自第1摄像机20和第2摄像机21的图像信息对基板B的位置以及基板B与载物台11的相对位置进行测算·记忆。
图5(c)表示在使载物台11退避的同时将吸头2移动至组装位置的状态。
图5(d)表示吸头2下降至组装高度的状态，在该位置上，由第1摄像机20对头部基准标记5进行识别，由第2摄像机21对电子元件P(基准线标记P1)进行识别。即，利用来自第1摄像机20和第2摄像机21的图像信息对电子元件P的位置以及电子元件P与吸头2的相对位置进行测算·记忆。此时，由于第1摄像机20与第2摄像机21的焦点距离不同于识别校准标记19时的焦点距离，因此，应采用自动聚焦功能，就可明确识别头部基准标记5及其基准线标记P1。
图5(e)表示吸头2从组装高度上升后形成退避、将载物台11移动至组装位置的状态。此时将载物台11从图5(b)中记忆的位置信息沿X、Y、θ轴方向移动，以使基板B与图5(d)的电子元件P的位置对准。
图5(f)是组装工序，在将载物台11依然保持于图5(e)位置的状态下，使吸头2下降，将电子元件P组装在基板B上。此时，即使是在吸头2的Z轴驱动机构7没有良好再现性的场合，也可识别图5(d)中的基准标记5的位置与(f)的基准标记5的位置误差，再通过XY方向的补正，即可消除误差。
如上所述，可将电子元件P与基板B正确对位并进行组装。
在图4和图5所示的定位工序中，在边加热边组装时，组装途中有时会引起吸头2或载物台11的热变形。因此，在即将组装之前即使进行了正确定位，组装结束时也会出现电子元件P不能与基板B正确对位的现象。
对此，作为一项措施，在组装工序(参照图4(f)或图5(f))中可采用如下方法。
首先，使用第1、摄像机20、21对头部基准标记5和载物台基准标记14进行识别，根据上述的相对位置信息，将吸头和载物台11临时固定于电子元件P与基板B一致的位置上。此时，电子元件P与基板B只不过是轻微接触。
其次，对吸头2和载物台11的一方或双方边加热(如350℃/5sec以上)边加压进行接合，在此期间连续性地用第1、摄像机20、21对头部基准标记5和载物台11进行摄像。并且，对吸头2与载物台11的相对位置进行补正，以维持上述临时工序的相对位置关系。
采用上述方法，即使组装途中发生了偏差，由于通过摄像机20、21实时地检测该偏差而作出补正，因此可进行正确的接合。
上述场合中，电子元件P与基板B被临时固定成轻微接触，但也可不使电子元件P与基板B接触，而是在跟前处进行临时固定。
第2实施例图6～图9表示本发明的组装装置的第2实施例。
本实施例的组装装置也是由头部30、载物台部40、第1、第2光学系统60、61、控制装置25(未图示)构成。
头部30由吸附电子元件P的吸头31、例如X、Y、Z轴方向驱动的驱动机构32、以及将吸头31与驱动机构32连结的支架33所构成。支架33具有对向的一对支承壁33a，在其中间设置有贯通X轴方向的空洞部33b。在该空洞部33b中可出入自由地从X轴方向插入第1光学系统60的反射镜60c。
如图8所示，吸头31包括基座构件34；固定于基座构件34上面的由透明玻璃等构成的透明板35；固定于基座构件34下面的由隔热材料构成的筒状构件36；固定于筒状构件36下端部的附件37；以及夹持于附件37与筒状构件36间的加热器38。所述基座构件34由螺钉等固定于支承壁33a的下端部。附件37应尽可能使用热传导性良好的材料形成。
在基座构件34的中央部设置有上下贯通的孔34a，该贯通孔34a与筒状构件36的内部孔36a连通，由这些孔34a、36a形成中空部39。中空部39的上面被透明板35闭锁。在基座构件34上连接着与中空部39连通的空气配管34b，该空气配管34b与未图示的真空吸引装置连接，构成了空气吸引通路。
在加热器38的中心部设置有贯通孔38a，该贯通孔38a与凸设于附件37中心部的凸起部37a嵌合，加热器38相对附件37呈同心状定位。在附件37的凸起部37a的中心贯通形成有元件吸附孔37b。将电子元件P吸附于元件吸附孔37b的下侧开口部。
如上所述，在吸头31的元件吸附孔37b的背后形成有与元件吸附孔37b连通的中空部39，与中空部39的元件吸附孔37b对向的面被透明板35闭锁。在用于连结吸头31与驱动机构32的支架33上设置有空洞部33b，使用插入该空洞部33b中的第1光学系统60，通过透明板35可容易地识别元件吸附孔37b。即，可将元件吸附孔37b作为基准标记使用。另外，为了检测回转方向的角度偏差，可如图9所示，将元件吸附孔37b的上侧开口部37b作成长方形等的具有方向性的不同形状。
载物台部40由吸附保持基板B的载物台41、例如沿X、Y、θ轴方向驱动的驱动机构42、以及将载物台41与驱动机构42连结的支架43所构成。因载物台41与吸头31、支架43与支架33是上下对称构造，故在下面列记了主要部的构件符号，省略重复说明。即，43b是空洞部、44是基座构件、44b是空气配管、45是透明板、46是筒状构件、47是附件，47b是元件吸附孔，48是加热器，49是中空部。
此时，也可使用从X轴方向插入空洞部43b中的第2光学系统61，通过透明板45对元件吸附孔47b进行摄像，并可将元件吸附孔47b作为头部基准标记使用。
第1光学系统60通过Z1轴驱动机构64安装于XY轴驱动机构62上的支柱部63，第2光学系统61通过Z2轴驱动机构65安装于所述支柱部63上。
第1光学系统60具有摄像机60a、X轴方向延伸的筒状透镜60b、以及安装于透镜60b前端的棱镜或反射镜60c。该反射镜60c被插入支架33的空洞部33b中。并且，由反射镜60c将元件吸附孔37b的光反射，并可由摄像机60a通过透镜60b进行摄像。第2光学系统61也同样，具有摄像机61a、X轴方向延伸的筒状透镜61、以及棱镜或反射镜61c。该反射镜61c被插入支架43的空洞部43b中。与空洞部33b、43b相比，因反射镜60c、61c的剖面小，故XYZ方向上存在着宽余的空间。这样，在位置识别、组装、位置补正时，即使吸头31和载物台41动作时，也可防止支架33、43与反射镜60c、61c相碰撞。
第1光学系统60和第2光学系统61相互的光轴呈同轴的对向状，并受支柱部63支承，使摄像机相互间在XY方向上不会相对移动。又，由于对第1光学系统60与第2光学系统61的光轴偏差量进行识别，因此，可将设于吸头31或载物台41一方的元件吸附孔37b、47b作为校准标记使用。但在该场合，必需在未吸附元件P或基板B的状态下进行校准标记。
为了对应于在大型的基板B上进行多个元件P的组装场合，两光学系统60、61通过XY轴驱动机构62可沿XY方向一体移动。
通过由Z1轴驱动机构64沿上下方向对第1光学系统60进行调整，由Z2轴驱动机构65沿上下方向对第2光学系统61进行调整，可独立地进行各光学系统60、61的聚焦调整。
上述实施例的动作与图4或图5所示的动作基本相同。特别是在使用吸头31的元件吸附孔37b或载物台41的元件吸附孔47b作为校准标记的场合，可在吸附电子元件P或基板B之前将吸头31或载物台41插入上下的光学系统60、61之间进行光轴偏差量的测定。
在上述实施例中，将元件吸附孔37b、47b用作头部基准标记和载物台基准标记。由于元件吸附孔37b、47b处于与元件P和基板B最近的位置，因此，即使吸头31和载物台41多少发生了变形，也可将元件P与吸头31的相对位置偏差量、基板B与载物台41的相对位置偏差量减至最小。
由于从头部(或载物台)的背后通过透明板35，可透视基准标记即元件吸附孔，因此，即使在组装途中也能正确识别头部(或载物台)的位置，可高精度定位。
又由于吸头31和载物台41的双方具有加热器38、48，因此，可同时加热和加压的状态下将电子元件P组装于基板B上。在此场合，因加热器38、48设置于与元件吸附孔37b、47b非常近的位置，故可高效地向元件P和基板B传热，可提高接合性能。又，在头部(或载物台)加热时，因周围的空气晃动会发生光学系统的摄像图形歪斜，成为误差的原因，但由于中空部39通过来自空气吸引通路34b的空气吸引而成为减压状态，因此，空气的密度低，可减少晃动。这样，在通过透明板35和中空部39进行元件吸附孔37b的摄像时，可减少因晃动引起的误差，可得到高精度的摄像数据。
在上述实施例中，将设于第1光学系统60和第2光学系统61的反射镜60c、61c插入空洞部33b、43b中，但采用小型摄像机结构时，也可将透镜60b、61b和反射镜60c、61c省略，直接将摄像机60a、61a插入空洞部33b、43b中。
又，将吸头31和载物台41作成上下对称构造，将支架33和支架43也作成上下对称构造，但根据操作的第1元件(电子元件)P和第2元件(基板)B的形状及其大小，可采用任意的构造。
作为支架33、43，使用了由实施例那样的一对支承壁33b支承的构件，故可由两端支承机构将吸头31和载物台41支承在驱动机构32、42上，可防止因组装时的加压力引起的吸头31和载物台41的挠曲。并且，由于支架33、43具有光学系统60、61的反射镜部60c、60c插入自如的空洞部33b、43b，因此，可容易识别组装途中的头部基准标记37b、47b。
第3实施例图10、图11表示本发明的组装装置的第3实施例，是使用1台摄像机构成2个光学系统的例子。与图6～图9所示的第2实施例相同的构件上标有同一符号，省略重复说明。
本实施例中，在X轴方向可移动地设置于支柱部63的工作台70上设置有摄像机71、透镜72和将摄像机71的视野分割为上下各一半的反射镜(或棱镜)73、74。摄像机71的光轴通过反射镜73向上挠曲，通过设于Z轴方向不能移动的透镜75上的2个反射镜(或棱镜)76、77向下弯曲，可对头部基准标记37b进行摄像。另一方面，由反射镜74向下弯曲的光轴，通过设于Z轴方向不能移动的透镜78上的2个反射镜(或棱镜)79、80向上弯曲，可对载物台基准标记47b进行摄像。这样，可由1台摄像机71构成2个光学系统。
图11表示摄像机71的摄像图形。上半部分摄下的图像是头部基准标记37b，下半部分摄下的图像是载物台基准标记47b。通过使工作台70沿Z轴方向移动，上下的光学系统的光路长度相等，并在Y轴上聚焦一致，可同时使上下的光学系统的图像的焦点对准。
第4实施例图12、图13表示本发明的组装装置的第4实施例，本实施例使用了4台摄像机的高速定位方式。图12为与图1、图13与图4进行对比说明。另外，在相同的部分标有同一符号，省略重复说明。
图12中，第1摄像机81和第2摄像机82由定位装置83保持在光轴对向的状态，第3摄像机84和第4摄像机85由定位装置86保持在光轴对向的状态。第1摄像机81和第2摄像机82、第3摄像机84和第4摄像机85分别固定于XY方向上的相对位置，可在聚焦方向上移动自如。
例如，第1摄像机81用于识别头部基准标记5，第2摄像机82用于识别吸附于吸头2的元件P。又，第3摄像机84用于识别例如保持于载物台11的基板B和头部基准标记5，第4摄像机85用于识别载物台基准标记14。
参照图13说明上述结构的组装装置的动作。
图13(a)是校准标记工序，将吸头2的前端部插入第1摄像机81与第2摄像机82之间，由双方的摄像机81、82对设于吸头2的校准标记6进行摄像，求出双方的摄像机81、82的光轴偏差量，同样，将载物台11插入第3摄像机84与第4摄像机85之间，由双方的摄像机84、85对设于载物台11的校准标记19进行摄像，求出双方的摄像机84、85的光轴偏差量。
图13(b)表示将吸附于吸头2的电子元件P插入摄像机81、82之间、将保持于载物台11的基板B插入摄像机84、85之间的状态。在此状态下，由摄像机81、82对头部基准标记5与元件P的相对位置进行识别，由摄像机84、85对基板B与载物台基准标记14的相对位置进行识别。
图13(c)表示将吸头2和载物台11移动到使元件P与基板B对位的状态。此时，吸头2移动至第3、第4摄像机85、85之间，由第3摄像机84对头部基准标记5进行识别，由第4摄像机85对载物台基准标记14进行识别，但也可使载物台11移动至第1、第2摄像机82、82之间，由第1摄像机81对头部基准标记5进行识别，由第2摄像机82对载物台基准标记14进行识别。
图13(d)是接合工序，对元件P和基板B加热的同时进行接合。为了不使加热引起元件P与基板B相对位置的偏位，应由第3、第4摄像机85、85连续进行标记5、14的摄像，以实时方式对吸头2或载物台11作出位置补正。
如上所述，若使用4台光学系统81、82、83、84，则在一方的一对摄像机对吸头2侧进行摄像期间，另一方的一对摄像机对载物台11侧进行摄像，故可高速进行对位及其组装。
图14、图15表示采用本发明的元件安装方法的光元件的例子。本实施例使用面发光型激光二极管(以下称为LD)90作为第1元件，使用光导波路基板100作为了第2元件。
如图11所示，LD90在1个主面的中央部具有发光部91，从该发光部91射出大致圆锥状的射出光。在光导波路基板100的上面以所定间隔沿垂直方向形成有光导入孔101，在基板100的内部沿水平方向形成有与光导入孔101正交的导波路102。LD90在光导波路基板100的上面使发光部91与光导入孔101对位，由导电性接合材料(金属接合材料)103朝下方进行接合。LD90的光从光导入孔101通过导波路102送至未图示的光通信回路中。
在将上述的LD90与光导波路基板100正确对位进行接合的场合，可使用本发明方法。
在第1、第2实施例中，第1元件P、第2元件B分别设置有基准线标记P1、B1，但在第3实施例中，可利用LD90的发光部91作为基准线标记，利用光导波路基板100的光导入孔101作为基准线标记。
这样，不再需要在LD90及其光导波路基板100中特意地设置基准线标记。特别是在LD90的场合，发光部91的位置很重要，即使在发光部91以外的位置设置基准线标记，一旦在该基准线标记与发光部之间发生偏差，也不能正确地将LD90组装于光导波路基板100中。如上所述，通过将发光部91和光导入孔用作了基准线标记，不仅可减少作业工序数，而且还可提高精度。
上述实施例说明了将1个电子元件P安装于1个基板上的例子，但也同样适用于将多个电子元件P安装于1个基板上的场合。然而，在此场合，不仅需要在基板B的多个安装位置上分别设置基准线标记B1，而且在与其对应的载物台11上也需要设置多个载物台基准标记14。
本发明可适用于将半导体芯片等的电子元件搭载于基板B的芯片安装器、TAB接合器、倒装片接合器等广范围的用途。
本发明的元件安装装置不限定于图1或图6所示的构造，只要是可实施本发明的各工序均可。
本发明中是将第1摄像机配置在比吸头高的上方，将第2摄像机配置在比载物台低的下方，但也可将至少接受来自头部基准标记和载物台基准标记的光的部分(如透镜和反射镜等)的一部分位于比吸头高的上方，剩下的一部分位于比载物台低的下方，不需要将摄像机本体分别配置在比吸头高的上方、比载物台低的下方。因此，也可使用多个反射镜和棱镜，将光向配置在吸头的侧方和下方或载物台的侧方和下方的摄像机本体反射。
权利要求
1.一种元件安装方法，系由吸头吸附第1元件、将该第1元件与保持于载物台的第2元件对位后进行安装，其特征在于，包括如下工序准备工序，准备好从所述吸头的上方将光轴朝向下方的第1光学系统和从所述载物台的下方将光轴朝向上方、与第1光学系统的光轴呈对向的第2光学系统；摄像工序，将吸头插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统对标记于吸头上的从上方可识别的头部基准标记进行摄像，同时由第2光学系统对吸附于吸头的第1元件进行摄像；摄像工序，将载物台插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统对保持于载物台上的第2元件进行摄像，同时由第2光学系统对标记于载物台的从下方可识别的载物台基准标记进行摄像；测算工序，利用来自所述第1、第2光学系统的图像信息对第1元件与吸头的相对位置以及第2元件与载物台的相对位置进行测算；位置补正工序，在将所述吸头和载物台移动至安装位置的状态下，由所述第1、第2光学系统对所述头部基准标记和载物台基准标记进行识别，利用这些位置信息和所述相对位置信息对吸头和载物台的至少一方进行位置补正，以使第1元件和第2元件的位置达到所定的关系；安装工序，在所述位置补正后进行第1元件和第2元件的安装。
2.如权利要求1所述的元件安装方法，其特征在于，所述第1光学系统和第2光学系统的准备工序包括将可从上下双方识别的单一的校准标记插入第1光学系统与第2光学系统之间，由第1光学系统和第2光学系统对该校准标记进行摄像，由此来测定第1光学系统与第2光学系统的光轴偏差量的工序。
3.如权利要求2所述的元件安装方法，其特征在于，所述校准标记是设置于所述吸头或载物台上的标记。
4.如权利要求1所述的元件安装方法，其特征在于，所述第1光学系统和第2光学系统是在所述头部基准标记和第1元件的摄像工序、所述第2元件和载物台基准标记的摄像工序、所述吸头和载物台至少一方的位置补正工序以及第1元件和第2元件的安装工序的期间保持着固定的位置关系。
5.如权利要求1所述的元件安装方法，其特征在于，所述安装位置的吸头与载物台的位置补正工序包括有对吸头与载物台进行相对位置的补正的工序，使其一边对所述吸头和载物台的一方或双方进行双方接合用的加热，一边由第1、第2光学系统对头部基准标记和载物台基准标记进行摄像，利用所述相对位置信息使第1元件和第2元件的位置达到所定的关系。
6.一种元件安装装置，系在将第1元件与第2元件对位后进行安装的装置中，其特征在于，包括如下装置吸头，下端部吸附第1元件，具有可从上方识别的头部基准标记；载物台，上端部保持第2元件，具有可从下方识别的载物台基准标记；驱动机构，使所述吸头和载物台沿X、Y、Z及θ方向进行相对移动；第1光学系统，从所述吸头的上方对保持于载物台上的第2元件和头部基准标记进行摄像；第2光学系统，与第1光学系统的光轴对向状配置，从所述载物台的下方对吸附于吸头上的第1元件和载物台基准标记进行摄像；运算装置，利用来自所述第1、第2光学系统的图像信息对第1元件与吸头的相对位置以及第2光学系统与载物台的相对位置进行测算；控制装置，在将所述吸头和载物台移动至组装位置的状态下，由所述第1、第2光学系统对所述头部基准标记和载物台基准标记进行识别，利用这些位置信息和上述的相对位置信息对吸头和载物台的至少一方进行位置补正，以使第1元件和第2元件的位置达到所定的关系。
7.如权利要求6所述的元件安装装置，其特征在于，设置有定位装置，从所述摄像至安装期间将第1元件和第2元件始终保持着固定的位置关系。
8.如权利要求6所述的元件安装装置，其特征在于，所述吸头和载物台的至少一方包括元件吸附孔；设置于所述元件吸附孔的背后、与元件吸附孔连通的中空部；将与所述中空部的元件吸附孔对向的面闭锁、从背后可透视元件吸附孔的透明体；以及与所述中空部连接的空气吸气通路，所述第1光学系统和第2光学系统的至少一方通过透明体，并将元件吸附孔作为头部基准标记或载物台基准标记进行识别。
9.如权利要求8所述的元件安装装置，其特征在于，在所述元件吸附孔的附近固定有加热用的加热器。
10.如权利要求8所述的元件安装装置，其特征在于，将所述吸头或载物台的背面通过支架安装于驱动机构上，在所述支架上形成有通过所述透明体对元件吸附孔进行摄像用的第1或第2光学系统插入自如的空洞部。
全文摘要
将吸头(2)插入光轴对向且相互配置于固定位置关系的第1摄像机(20)与第2摄像机(21)之间，在由第1摄像机对吸头的头部基准标记(5)进行摄像的同时，由第2摄像机对吸附于吸头的第1元件(P)进行摄像。其次，将载物台(11)插入第1摄像机与第2摄像机之间，在由第1摄像机对保持于载物台上的第2元件(B)进行摄像的同时，由第2摄像机对载物台的载物台基准标记(14)进行摄像。根据来自两摄像机的图像信息算出第1元件与吸头的相对位置，算出第2元件与载物台的相对位置，在使吸头和载物台移动至安装位置的状态下，由第1、第2摄像机对头部基准标记(5)和载物台基准标记(14)进行识别，根据这些位置信息和所述相对位置信息使第1元件(P)与第2元件(B)的位置一致，对吸头和载物台进行位置补正和安装。由此，可提供在使用低成本轴机构的同时可进行高精度的定位、且可识别组装途中的头部和载物台位置的元件安装方法。
文档编号H05K13/08GK1489433SQ0315776
公开日2004年4月14日 申请日期2003年8月28日 优先权日2002年8月30日
发明者福永茂树 申请人:株式会社村田制作所