CN101422090B - 焊锡球搭载方法及焊锡球搭载装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种焊锡球搭载方法以及焊锡球搭载装置。该焊锡球搭载装置可以将微细的焊锡球搭载到焊盘上，在回流焊时不向凸块内卷入空穴。通过供给非活性气体，且自位于球排列用掩模(16)上方的搭载筒(24)吸引非活性气体来使焊锡球(78s)聚集。通过使搭载筒(24)沿水平方向移动来使聚集了的焊锡球(78s)在球排列用掩模(16)上滚动，通过球排列用掩模(16)的开口16a使焊锡球(78s)向多层印刷线路板(10)的连接焊盘(75)落下。通过在非活性气体环境下搭载焊锡球(78s)，可防止焊锡球表面的氧化，从而防止回流焊时卷入空穴。

Description

焊锡球搭载方法及焊锡球搭载装置
技术领域
本发明涉及一种用于将形成焊锡凸块的焊锡球搭载于印刷线路板上的焊锡球搭载方法及焊锡球搭载装置。
背景技术
日本特开2006-74001号公报中公开出使用包括下述工序的制法将焊锡球搭载于印刷线路板的焊盘上。
(1)使排列用掩模的开口与印刷线路板的焊盘对位。
(2)用筒构件吸引空气，使焊锡球聚集到筒构件下方的排列用掩模上。
(3)移动筒构件，使焊锡球通过排列用掩模的开口搭载到印刷线路板的焊盘上。
专利文献1：日本特开2006-74001号公报
但是，在使用上述筒构件的焊锡球的搭载方法中，在对焊锡球进行回流焊而形成焊锡凸块时，容易在焊锡凸块内留有空穴，加热后空穴膨胀，焊锡凸块会从导通孔剥离。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种可以将微细的焊锡球搭载于焊盘上，在进行回流焊时不易在凸块内卷入空穴的焊锡球搭载方法及焊锡球搭载装置。
为了达到上述目的，技术方案1发明的焊锡球搭载方法，用于使用球排列用掩模将形成焊锡凸块的焊锡球搭载于印刷线路板的焊盘上，该球排列用掩模具有与印刷线路板的焊盘相对应的多个开口，其技术特征在于，
使具有与该球排列用掩模相对的开口部的筒构件位于球排列用掩模的上方，将非活性气体或还原气体至少供给到上述筒构件的开口部周围，用该筒构件吸引周围的非活性气体或还原气体，从而使焊锡球聚集到该筒构件正下方的球排列用掩模上；
通过使上述筒构件或上述球排列用掩模以及印刷线路板移动，使聚集到上述筒构件正下方的焊锡球通过球排列用掩模的开口向印刷线路板的焊盘落下。
技术方案2的发明是一种焊锡球搭载装置，该装置用于将形成焊锡凸块的焊锡球搭载于印刷线路板的焊盘上，其技术特征在于，
该装置包括球排列用掩模、筒构件、气体供给器和移动机构；
上述球排列用掩模具有与印刷线路板的焊盘相对应的多个开口；
上述筒构件位于球排列用掩模的上方，通过自开口部吸引非活性气体或还原气体来使焊锡球聚集到开口部正下方；
上述气体供给器将非活性气体或还原气体至少供给到上述筒构件的开口部周围；
上述移动机构使上述筒构件或上述球排列用掩模以及印刷线路板移动，通过使上述筒构件或该球排列用掩模以及印刷线路板移动来使聚集到上述筒构件正下方的焊锡球通过球排列用掩模的开口向印刷线路板的焊盘落下。
采用技术方案1的焊锡球搭载方法、技术方案2的焊锡球搭载装置，使筒构件位于球排列用掩模的上方，将非活性气体或还原气体至少供给到筒构件的开口部周围，自该筒构件的开口部吸引非活性气体或还原气体来聚集焊锡球，使球排列用掩模及印刷线路板移动，从而使聚集于筒构件正下方的焊锡球在球排列用掩模上移动，再通过球排列用掩模的开口向印刷线路板的焊盘落下。因此，可以将微细的焊锡球可靠地搭载到印刷线路板的所有焊盘上。另外，由于使焊锡球以非接触的方式移动，因此与使用刮板的情况不同，可以使焊锡球不损伤地搭载到焊盘上，可以使焊锡凸块的高度均匀。另外，即使是对积层式多层电路板那样的、表面凹凸较多的印刷线路板也可以适当地将焊锡球载置到焊盘上。另外，由于使用非活性气体或还原气体，因此在向焊盘搭载时，可以在焊锡球的表面无氧化膜或氧化膜较薄的状态下将焊锡球搭载到印刷线路板的焊盘上。由此，在进行回流焊时，焊锡对焊盘的湿润性较好，因此不易在凸块内产生空穴。另外，优选在焊盘上涂敷焊剂。在焊盘上涂敷焊剂时，利用焊盘内的焊剂来包裹焊锡球，从而焊锡球的下部不会接触到空气。
在技术方案3的焊锡球搭载装置中，由于与印刷线路板宽度相对应地排列多个筒构件，因此，只是向相对于筒构件的列方向垂直的方向输送球排列用掩模及印刷线路板，就可以将焊锡球可靠地搭载到印刷线路板的所有焊盘上。
在技术方案4的焊锡球搭载装置中，在使焊锡球在球排列用掩模上移动地进行输送时，即使因相互的碰撞而使焊锡球带电，由于筒构件的至少焊锡球接触部位是由导电性构件构成，因此，小直径且轻重量的焊锡球不会因静电而附着到筒构件上，可以可靠地将焊锡球搭载到印刷线路板上。
由于在技术方案5的筒构件的外周设置有用于供给非活性气体或还原气体的外筒，因此，通过供给所需最小量的非活性气体或还原气体，可以使焊锡球不接触空气地聚集起来。
附图说明
图1的(A)是表示本发明实施例1的焊锡球搭载装置的结构的结构图，图1的(B)是自箭头B侧观察图1的(A)的焊锡球搭载装置的向视图。
图2是表示实施例1的焊锡球搭载装置的搭载筒的结构的剖视图。
图3的(A)是多层印刷线路板的定位说明图，图3的(B)是向搭载筒供给焊锡球的说明图。
图4的(A)是由搭载筒聚集焊锡球的说明图，图4的(B)是由搭载筒聚集、引导焊锡球的说明图。
图5的(A)是焊锡球向焊盘落下的说明图，图5的(B)是由球除去筒除去焊锡球的说明图。
图6的(A)、图6的(B)、图6的(C)是多层印刷线路板的制造工序的说明图。
图7是多层印刷线路板的剖视图。
图8是表示将IC芯片安装于图7所示的多层印刷线路板上、并载置到子板上的状态的剖视图。
图9是表示实施例2的焊锡球搭载装置的搭载筒的结构的剖视图。
图10的(A)、图10的(B)是实施例中的填充导通孔的说明图，图10的(C)是放大表示图4的(B)中圆D包围的部分的图。
具体实施方式
首先，参照图7以及图8说明使用本发明实施例1的焊锡球搭载方法以及搭载装置制造的多层印刷线路板10的结构。图7表示该多层印刷线路板10的剖视图，图8表示将IC芯片90安装于图7所示的多层印刷线路板10上、并载置到子板94上的状态的剖视图。如图7所示，在多层印刷线路板10中，在芯基板30的两面形成有导体电路34。芯基板30的上表面与背面通过通孔导体36而连接。
并且，在芯基板30的导体电路34上隔着层间树脂绝缘层50形成有用于形成导体电路层的导体电路58。导体电路58通过导通孔导体60与导体电路34相连接。在导体电路58上隔着层间树脂绝缘层150形成有导体电路158。导体电路158通过形成在层间树脂绝缘层150上的导通孔导体160与导体电路58相连接。
在导通孔导体160、导体电路158的上层形成有阻焊层70，在该阻焊层70的开口71上设置镀镍层72以及镀金层74，从而形成焊盘75。在上表面的焊盘75上形成有焊锡凸块78U，在下表面的焊盘75上形成有BGA(ball grid array焊锡球网格阵列)78D。
如图8中所示，多层印刷线路板10的上表面侧的焊锡凸块78U连接于IC芯片90的电极92。另一方面，下侧的BGA78D连接于子板94的连接盘96。
图6是在多层印刷线路板10上形成焊锡凸块的工序的说明图。
如图6(A)所示，在将焊盘75形成于表面的阻焊层70的开口71上的多层印刷线路板10的表面印刷焊剂80。如图6(B)所示，使用后述的焊锡球搭载装置将微小的焊锡球78s(例如日立金属公司制、田村公司制、直径为40μm以上小于200μm)搭载于多层印刷线路板10的上侧的焊盘75上。为了应对精细化，优选直径小于200μm的焊锡球。若焊锡球直径小于40μm，则由于焊锡球过轻而难以落下到焊盘上。另一方面，当焊锡球直径在200μm以上时，反而会因过重而不能使焊锡球聚集到筒构件内，容易出现未载有焊锡球的焊盘。
之后，如图6(C)所示，用以往技术中的吸附头吸附通常直径(直径250μm)的焊锡球78L，将其载置于多层印刷线路板10下侧的焊盘75上。之后，在回流焊炉中加热，如图7所示地在多层印刷线路板10的上侧以60～150μm的间距形成例如2000个焊锡凸块78U，在下侧以2mm的间距形成例如250个BGA78D。当间距小于60μm时，难以制造适于该间距的焊锡球。当间距超过150μm时，虽然在本方法中可以无任何问题地制造，但即使用印刷法也可以制造。另外，如图8所示，通过回流焊借助焊锡凸块78U搭载IC芯片90后，再借助BGA78D将搭载了IC芯片90的多层印刷线路板10安装到子板94上。
参照图1说明将微小(直径小于200μm)的焊锡球78s搭载于参照图6(B)所述的多层印刷线路板的焊盘上的焊锡球搭载装置。
图1(A)是表示实施例1的焊锡球搭载装置的结构的结构图，图1(B)是自箭头B侧观察图1(A)的焊锡球搭载装置的向视图。
焊锡球搭载装置20包括：定位保持多层印刷线路板10的XYθ吸引台14；升降该XYθ吸引台14的上下移动轴12；具有与多层印刷线路板的焊盘75相对应的开口的球排列用掩模16；引导焊锡球的搭载筒(筒构件)24；对搭载筒24施加负压的吸引箱27；为了加强搭载筒24内的非活性气氛而供给非活性气体的非活性气体储气瓶28；用于回收剩余的焊锡球的球除去筒61；对该球除去筒61施加负压的吸引箱66；保持回收了的焊锡球的球除去吸引装置68；夹持球排列用掩模16的掩模夹具44；用于对多层印刷线路板10进行摄像的校准照相机46；检测位于搭载筒24下方的焊锡球残余量的残余量检测传感器18；根据由残余量检测传感器18检测出的残余量将焊锡球向搭载筒24侧供给的焊锡球供给装置22。
对应于连接焊盘区域的大小朝Y方向排列多个搭载筒24以及球除去筒61。另外，搭载筒24以及球除去筒61也可以形成为与多个连接焊盘区域相对应的大小。在此，Y方向是比较方便的，也可以朝X方向上排列。XYθ吸引台14对搭载有焊锡球的多层印刷线路板10进行定位、吸附、保持、修正、输送。在此，在输送印刷线路板10时，XYθ吸引台14也能同时输送被掩模夹具44夹持的球排列用掩模16。校准照相机46检测出XYθ吸引台14上的多层印刷线路板10的校准标记，根据检测出的位置调整多层印刷线路板10与球排列用掩模16的位置。残余量检测传感器18通过光学方法检测焊锡球的残余量。
实施例1的焊锡球搭载装置20，可以通过固定搭载筒24而使球排列用掩模16以及印刷线路板10移动来输送焊锡球。另外，也可以通过固定球排列用掩模16以及印刷线路板10而使搭载筒24移动来输送焊锡球。
参照表示搭载筒24的截面的图2来说明搭载筒24的结构。
搭载筒24由用于供给非活性气体的供给筒26和用于吸引供给来的非活性气体的吸引筒25构成，在吸引筒25的外周设置供给筒26，自图1所示的非活性气体储气瓶28通过管道26B供给的非活性气体从供给筒26的开口26A与吸引筒25的下端外周25C之间排出。另一方面，利用由图1所示的吸引箱27产生的负压自搭载筒24的开口部25A吸引非活性气体。另外，在实施例1中，使用N2作为非活性气体。也可以使用例如Ar为非活性气体，还可以使用H2等还原气体代替非活性气体。
接下来，参照图3～图5说明利用焊锡球搭载装置20进行的焊锡球的搭载工序。
(1)多层印刷线路板的位置识别、修正。
如图3(A)所示，利用校准照相机46识别出多层印刷线路板10的校准标记34M，由XYθ吸引台14相对于球排列用掩模16修正多层印刷线路板10的位置。即，调整位置以使球排列用掩模16的开口16a分别与多层印刷线路板10的焊盘75相对应。另外，在此为了方便图示，只表示了1张多层印刷线路板10，但实际上，焊锡球是被搭载到构成多张多层印刷线路板的工作单尺寸的多层印刷线路板上，在形成焊锡凸块后再被切分成单片的多层印刷线路板。
(2)供给焊锡球
如图3(B)所示，自焊锡球供给装置22向搭载筒24侧定量供给焊锡球78s。
(3)搭载焊锡球
如图4(A)所示，使搭载筒24位于球排列用掩模16的上方且与该球排列用掩模16保持规定的间隙(例如，焊锡球直径的100％～300％)，通过自吸引部25B吸引非活性气体或还原气体，从而使吸引筒25与印刷线路板之间的间隙的流速为5m/sec～50m/sec，在使焊锡球78s聚集到该吸引筒25的开口部25A正下方的球排列用掩模16上后，如图4(B)、图5(A)、图1(B)以及图1(A)所示，利用XYθ吸引台14沿着X轴向水平方向输送印刷线路板10以及球排列用掩模16。由此，使聚集在搭载筒24正下方的焊锡球78s随着排列用掩模16以及印刷线路板10的输送而移动，并通过球排列用掩模16的开口16a向多层印刷线路板10的焊盘75落下，从而搭载到多层印刷线路板10的焊盘75上。由此，将焊锡球78s依次排列在多层印刷线路板10侧的所有焊盘上。
图10(C)是放大表示图4(B)中圆D包围的部分的图。
通过用涂覆在焊盘75内的焊剂80包裹焊锡球78s的下侧而使焊锡球78s的下部不接触空气，从而防止了氧化。在此，在实施例中，由于使用非活性气体或还原气体，因此可以不使焊锡球的表面形成氧化膜地将焊锡球搭载到印刷线路板的焊盘75上。由此，在回流焊时，例如即使在焊锡球78自焊剂80露出的上部形成有氧化被膜，由于焊锡球78s的下部没有形成氧化被膜，因此也可以快速熔融且不会留有空穴(气泡)地形成焊锡凸块。
(4)除去附着焊锡球
如图5(B)所示，通过输送印刷线路板10以及球排列用掩模16，将剩余的焊锡球78s引导至球排列用掩模16上的没有开口16a的位置后，利用球除去筒61将其吸引除去。
(5)取出基板
自XYθ吸引台14上拆下多层印刷线路板10。
采用本实施例的焊锡球搭载方法、焊锡球搭载装置20，通过使搭载筒24位于球排列用掩模16的上方，自该搭载筒24的开口部25A吸引非活性气体或还原气体，从而使焊锡球78s聚集，通过沿水平方向输送球排列用掩模16以及印刷线路板10，从而使聚集了的焊锡球78s在球排列用掩模16上移动，通过球排列用掩模16的开口16a向多层印刷线路板10的焊盘75上落下。因此，可以将微细的焊锡球78s可靠地搭载在多层印刷线路板10的所用焊盘75上。另外，由于使焊锡球78s以非接触的方式移动，因此与使用刮板的情况不同，可不损伤焊锡球地将其搭载于焊盘75上，可使焊锡凸块78U的高度均匀。因此，IC等电子零件的安装性、安装后的热循环试验、高温高湿试验等耐环境试验性优良。另外，由于不依存于产品的平面度，因此，即使是表面凹凸较多的印刷线路板也可以将焊锡球适当地载置到焊盘上。另外，由于可将微小的焊锡球可靠地载置到焊盘上，因此，即使是在焊盘间距为60～150μm间距、阻焊剂的开口直径为40～100μm的印刷线路板上，也可以在所有凸块上形成凸块高度稳定的焊锡凸块。
另外，由于利用吸引力来引导焊锡球，因此可以防止焊锡球的凝集、附着。另外，通过调整搭载筒24的数量，从而可以对应各种大小的工件(工作单尺寸的多层印刷线路板)，因此，可灵活地应用于多品种、少量生产。
如图1(B)所示，在本实施例的焊锡球搭载装置中，由于与工件(工作单尺寸的多层印刷线路板)宽度相对应地沿Y方向排列多个搭载筒24，因此，只要朝相对于搭载筒24的列方向垂直的方向(X方向)输送球排列用掩模16以及印刷线路板10，就可以可靠地将焊锡球搭载到多层印刷线路板10的所有焊盘75上。
另外，由于可以利用球除去筒61回收残留在球排列用掩模16上的焊锡球78s，因此不会由于剩余的焊锡球残留而导致故障等问题。
实施例2
图9表示实施例2的搭载筒125。参照图2，上述搭载筒使用双重构造，自吸引筒25外侧的供给筒26供给非活性气体。与此相对，在实施例2中，在搭载筒125的开口125A周围设有用于供给非活性气体的喷嘴126。即使使用该实施例2的结构也可与实施例1同样地防止在焊锡凸块中卷入空穴。
下面，说明采用实施例1的焊锡球搭载方法制造的焊锡凸块和采用吸引空气来输送焊锡球的方法制造的焊锡凸块进行比较试验的结果。
实施例1
(1)印刷线路板的制作
使用双面覆铜层叠板(例如，日立化成工业株式会社制的MCL-E-67)作为原材料，用公知的方法在该基板上形成通孔导体以及导体电路。之后，用公知的方法(例如2000年6月20日由日刊工业报社发行的“积层式多层印刷线路板”(高木清著))交替地层叠层间绝缘层和导体电路层，在最外层的导体电路层中形成用于与IC电连接的、由直径150μm、间距150μm、50×50个(格子状配置)焊盘构成的焊盘组。在该焊盘组上形成市面上出售的阻焊剂，在焊盘上用照相法形成直径100μm的开口。在此，将由导通孔构成的连接焊盘(在导通孔的正上方形成焊锡凸块)作为填充导通孔，其表面的凹陷量、凸出量相对于导体电路158的导体厚度为，如图10(A)所示，凹陷量(自上端面凹陷的凹陷量)P 1优选在-5μm以下的范围，以及如图10(B)所示，凸出量(自上部平坦面凸出的凸出量)P2优选在+5μm以下的范围。当填充导通孔的凹陷量超过5μm(-5μm)时，焊锡球与由填充导通孔构成的连接焊盘的触点变少，因此，当形成焊锡凸块时湿润性变差，容易在焊锡内卷入空穴，或容易成为未搭载状态(missing bump遗漏凸块)。另一方面，当超过5μm时，导体电路158的厚度会变厚，因此不利于适合精细化。
(2)搭载焊锡球
在由(1)制作的印刷线路板的表面(IC安装面)涂覆市场出售的松香系焊剂。之后，将其搭载到上述本发明的焊锡球搭载装置的吸附台上，用CCD照相机识别出印刷线路板以及球搭载用掩模的校准标记，并使印刷线路板与球搭载用掩模对位。在此，球搭载用掩模使用了在与印刷线路板的焊盘相对应的位置具有直径110μm的开口的Ni制的金属掩模，该金属掩膜的厚度为25μm～50μm。除此之外也可以使用SUS制、聚酰亚胺制的球搭载用掩模。另外，形成在球搭载用掩模上的开口直径优选是所使用的焊球的直径的1.1～1.5倍。接下来，以与焊盘区域相对应的大小(是焊盘区域的1.2～3倍)保持2倍焊锡球直径的间隙地使高度为200mm的搭载筒位于印刷线路板上，将焊球直径为80μm的Sn63Pb37焊锡球(日立金属公司制)载置到搭载筒周围附近的焊锡搭载用掩模上。
在本实施例中，焊锡球使用Sn/Pb焊锡，但也可以是从Sn与Ag、Cu、In、Bi、Zn等的组中选择的无Pb焊锡。然后，利用吸引筒25吸引非活性气体或还原气体，将吸引筒25与印刷线路板之间的间隙的流速调整为5～35m/sec，使焊锡球聚集到搭载筒内。之后，以移动速度40mm/sec输送球排列用掩模16以及印刷线路板10来使焊锡球移动，使焊锡球自球搭载用掩模的开口部落下并且将焊锡球搭载到焊盘上。接下来，在除去球搭载用掩模上的多余的焊锡球后，自焊锡球搭载装置分别拆下焊锡球搭载用掩模和印刷线路板。最后，将用上述制作的印刷线路板投入到设定为230度的回流焊中形成焊锡凸块。
参考例
在参考例中，除了改变了将焊锡球供给到焊盘的方法之外，其他与实施例1相同。
即，利用吸引筒25吸引空气而使焊锡球在空气中移动，从而使焊锡球自球搭载用掩模的开口部落下而将焊锡球搭载到焊盘上。
评价试验
用X线检查装置(名古屋电气工业(株)NLX3500F)来观察实施例与参考例的焊锡凸块。结果，在实施例的焊锡凸块中未看到空穴，而在用参考例的方法制成的焊锡凸块内观察到了空穴。

Claims (6)

1.一种焊锡球搭载方法，该方法用于使用具有与印刷线路板的焊盘相对应的多个开口的球排列用掩模来将形成焊锡凸块的焊锡球搭载到印刷线路板的焊盘上，其特征在于，
使具有与该球排列用掩模相对的开口部的筒构件位于球排列用掩模的上方，将非活性气体或还原气体至少供给到上述筒构件的开口部周围，用该筒构件吸引周围的非活性气体或还原气体，从而使焊锡球聚集到该筒构件正下方的球排列用掩模上；
通过使上述筒构件或上述球排列用掩模以及印刷线路板移动，从而使聚集到上述筒构件正下方的焊锡球通过球排列用掩模的开口向印刷线路板的焊盘落下。
2.一种焊锡球搭载装置，该装置用于将形成焊锡凸块的焊锡球搭载到印刷线路板的焊盘上，其特征在于，
该装置包括球排列用掩模、筒构件、气体供给器和移动机构；
上述球排列用掩模具有与印刷线路板的焊盘相对应的多个开口；
上述筒构件位于球排列用掩模的上方，且通过自开口部吸引非活性气体或还原气体来使焊锡球聚集到开口部正下方；
上述气体供给器将非活性气体或还原气体至少供给到上述筒构件的开口部周围；
上述移动机构使上述筒构件或上述球排列用掩模以及印刷线路板移动，通过使上述筒构件或该球排列用掩模以及印刷线路板移动，从而使聚集到上述筒构件正下方的焊锡球通过球排列用掩模的开口向印刷线路板的焊盘落下。
3.根据权利要求2所述的焊锡球搭载装置，其特征在于，与印刷线路板的宽度相对应地排列多个上述筒构件。
4.根据权利要求2所述的焊锡球搭载装置，其特征在于，上述筒构件的至少焊锡球接触部位由导电性构件构成。
5.根据权利要求3所述的焊锡球搭载装置，其特征在于，上述筒构件的至少焊锡球接触部位由导电性构件构成。
6.根据权利要求2～5中任一项所述的焊锡球搭载装置，其特征在于，在上述筒构件的外周设置用于供给上述非活性气体或还原气体的外筒。
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