JP2004172244A - ボール位置決め治具とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い位置決め精度で且つ狭い間隔で、ボール形状からなるワーク、部品、半田ボール等を配置させることが可能であり、更に、半田ボールを吸引する際の半田ボールの傷付きを防止し、実装時の信頼性の高い半田ボール位置決め治具とその製造方法を提供する。
【解決手段】半田ボール５００が収まるように形成された凹部１６と該凹部内で半田ボールを吸引するための複数の貫通孔１５を有する半田ボール位置決め治具１０であり、感光性材料をパターニングし、凹部形状の型となる第一の感光性材料層を形成する工程と、第一の感光性材料層上に成膜された導電性膜上に、貫通孔の型となる第二の感光性材料層を形成する工程と、それらを型にして電鋳を行う工程とを含んだ製造方法で製造される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微細な部品を正確に位置決めし保持するための精密位置決め治具とその製造方法に関し、詳しくは、半田ボールを所定の位置に正確に保持するための半田ボール位置決め治具とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より製品の組立工程においてワークや部品などを所定の位置に精度良く配置させるための精密位置決め治具が用いられている。そうした精密位置決め治具の中でも、特に百μｍから数百μｍの半田ボールを数百μｍの間隔で所定の位置に保持するための治具のことを半田ボール位置決め治具と称している。
【０００３】
図９は従来の最も一般的な半田ボール位置決め治具による半田ボールの保持状態を示した図である。半田ボール位置決め治具２１には半田ボール５００の直径よりも小さい径で貫通孔２５があけられている。半田ボール位置決め治具２１は半田ボール吸引ヘッド２２に取り付けられ、一部から負圧吸引すると貫通孔２５によって半田ボールが吸引され、貫通孔２５の位置に応じて位置決めされる仕組みになっている（例えば、特許文献１参照。）。また一般には図９に示す構造の半田ボール位置決め治具２１を改良し、吸引時に半田ボール５００が位置ずれをおこさないように凹部を設けて、半田ボール５００をその中に収められるような構造のものも広く利用されている。
【０００４】
以上のような半田ボール位置決め治具は半導体実装の分野で広く利用されている。例えば半導体実装の分野では以下に示すような利用がなされている。大量の情報を高速に処理する情報処理装置においては、半導体チップに電子回路や電子部品を集積したＬＳＩ、ＶＬＳＩ等が多く用いられている。このような半導体チップを配線基板に取り付けるために、配線基板上の配線部分に合わせて半田を配置し、半田の溶着により、半導体チップを配線基板上に固定するとともに、電気的な接続を行っていた。
【０００５】
以下に従来の一般的な半導体チップの取り付け方法を示す。図８は従来の半導体チップの配線基板への取り付け方法を示した図である。図６は従来の半田ボール位置決め治具による半田ボールの保持状態を示した図である。従来の半田ボール位置決め治具２０には半田ボール５００を保持するための凹部２６と半田ボール５００を負圧吸引するための貫通孔２５が所定の位置に機械加工（切削加工）によってあけられている。図６に示すようにして半田ボール５００は半田ボール位置決め治具２０の凹部２６に保持される。この時、半田ボール５００は貫通孔２５から負圧吸引されることによって、しっかりと半田ボール位置決め治具２０に固定される。
【０００６】
このようにして半田ボール位置決め治具２０に保持された半田ボール５００は図８に示すようにして半導体チップ６１０の取り付けに利用される。図８（ａ）に示すように配線基板４１０には所定の位置に配線４２０が形成されている。この配線４２０の位置と、半田ボール位置決め治具２０にあけられた凹部２６の位置は、同じ位置関係にあり、図８（ａ）に示すように、配線基板４１０上の配線４２０の位置及び間隔Ｐ’に合わせて、同じ位置関係で半田ボール５００を保持できるようになっている。
【０００７】
図８（ａ）のように半田ボール５００を配線４２０の部分まで移動させた後、貫通孔２５の負圧吸引を絶つことで、図８（ｂ）のように配線４２０上に、半田ボール５００を配置させることができる。
【０００８】
その後、配線４２０と同じ間隔Ｐ’で電気接続部６２０が形成されている半導体チップ６１０を配線基板４１０に押さえつけ（図８（ｃ））、半田ボール５００を電気接続部６２０及び配線４２０に溶着することで、半導体チップ６１０と配線基板４２０の接続が完了する（図８（ｄ））。以上が従来の一般的な半導体チップの取り付け方法である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−２７４２２８号公報（第２頁、図５）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の半田ボール位置決め治具２０では半田ボール５００を保持するためにあけられた凹部２６及び貫通孔２５をドリルによる機械加工法で加工していた。但し、ドリルでの機械加工の場合、加工できる孔の直径を小さくするには限界があり、開口部の直径が１００μｍ以上の大きさでないと凹部２６を加工することができなかった。
【００１２】
図７は従来の半田ボール位置決め治具を用いて微小な半田ボールを保持した時の不良状態を示した図である。上記のように従来の半田ボール位置決め治具２０では直径１００μｍ以上の開口部からなる凹部２６でしか製造することができなかったので、直径１００μｍ以下の微小な半田ボール５１０を保持しようとすると、図７に示すように、決められた位置にしっかりと保持することはできなかった。
【００１３】
さらに従来の半田ボール位置決め治具２０では、隣り合った貫通孔２５同士の間隔Ｐ’は２００μｍ以上であった。この理由もやはり機械加工で貫通孔を加工していることが原因であり、それ以下の間隔（２００μｍ以下の間隔）で貫通孔２５を加工しようとすると、隣合った凹部２６同士に加工歪みが生じ、その結果、半田ボール５００を保持できないほど凹部２６の形状がいびつになってしまうことも多々あった。
【００１４】
以上のような理由から、従来の半田ボール位置決め治具２０は半田ボール５００を２００μｍ以下の狭い間隔で並べることができないと言う欠点を有していた。
【００１５】
しかしながら、近年、半導体チップの需要において、より一層の高密度化が必要とされつつあり、その結果、従来の２００μｍ間隔での実装では対応できず、２００μｍ以下の間隔での実装が不可欠になってきた。
【００１６】
また、従来の半田ボール位置決め治具２０では、円形の開口部からなる凹部２６内にあけられた貫通孔２５が、凹部２６の中心位置に形成されていた。そのため図６に示すように半田ボール５００を吸引したとき、貫通孔２５の開口部の縁部に半田ボール５００が接触し、半田ボール５００を傷つけやすかった。半田ボール５００が傷つき変形してしまうと、図８（ｂ）のように配線４２０上に半田ボール５００を並べた時、それぞれの半田ボール５００の高さにばらつきが出てしまうので、図８（ｃ）の工程で半導体チップ６１０を押さえつける時に押しつけ圧力にばらつきが生じてしまい、その結果、接続不良を起こすことが多かった。
【００１７】
本発明の目的は、ボール形状をしたワークや部品を所望の位置に正確に且つ狭い間隔で高密度に並べて保持することが可能で、ワークや部品を従来よりも高い位置決め精度で且つ狭い間隔で配置させることが可能なボール位置決め治具とその製造方法を提供することにある。
【００１８】
本発明のさらに詳しい目的は、高密度実装分野で用いられる半田ボールを所望の位置に正確に且つ狭い間隔で高密度に並べて保持することが可能で、従来よりも高い位置決め精度で且つ狭い間隔で実装が可能な半田ボール位置決め治具とその製造方法を提供することにある。
【００１９】
さらには、接続不良が少なく、信頼性の高い実装が可能な半田ボール位置決め治具とその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のボール位置決め治具は、ボールを吸引して搬送し、さらに吸引解除することによってボールを所定の位置に配置させるボール位置決め治具であって、ボールが収まるように形成された凹部と、該凹部の底面の中央付近をボールの受け面とし、該受け面の外側に複数の貫通孔を設けたことを特徴としている。
【００２１】
さらに前記ボールが半田ボールであることが望ましい。
【００２２】
また本発明のボール位置決め治具の製造方法は、ボールを保持するための凹部と、ボールを吸引するために凹部の底面にあけられた貫通孔とを備えたボール位置決め治具の製造方法であって、
基板上に、感光性材料をパターニングし、凹部形状の型となる第一の感光性材料層を形成する工程と、
前記第一の感光性材料層が形成された基板の一方の面上及び第一の感光性材料層上に導電性膜を成膜する工程と、
前記第一の感光性材料層上に成膜された導電性膜上に、貫通孔の型となる第二の感光性材料層を形成する工程と、
前記導電性膜が露出されている部分に、電鋳法により電鋳層を形成する工程と、
前記基板、第一の感光性材料層、第二の感光性材料層、及び導電性膜の少なくとも一部を除去する工程とを有している。
【００２３】
さらには前記第一の感光性材料層及び第二の感光性材料層をフォトリソグラフィー法または光造形法、もしくはその両方の製造法を用いて形成することが望ましい。
【００２４】
（作用）
本発明の上記手段では、フォトリソグラフィー法や光造形法を用いることによって、使用するボールの大きさに合わせた形状で感光性材料をパターン化することが可能である。フォトリソグラフィー法等はＬＳＩ分野で広く利用されている手法であり、非常に精密で且つ正確にパターン化することができるのが特徴である。このようにしてパターン化された第一の感光性材料層を電鋳法によって転写して得られた本発明のボール位置決め治具は、ボール形状からなるワーク、部品、さらには半田ボールをしっかりと固定することができ、高い位置決め精度を達成可能である。
【００２５】
また、フォトリソグラフィー法や光造形法を用いることによって、非常に狭い間隔で第一の感光性材料層をパターニング可能であり、その結果、電鋳法によって転写して得られた本発明のボール位置決め治具は、ワーク、部品、半田ボールを従来よりも狭い間隔で配置させることができる。
【００２６】
さらに、半田ボールをボール位置決め治具の凹部内に収めた時に、半田ボールは凹部底面の中央付近で接するが、本発明のように該凹部底面の中央付近よりも外側に貫通孔を設けることによって、その貫通孔の縁部と半田ボールとの接触を避けることができ、半田ボールが貫通孔の縁部で傷つけられるといった問題はない。その結果、半田ボールを配線上に配置した時の高さが揃い、全ての半田ボールを均等に押しつけることができるようになり、配線接続の不良を少なくすることができる。
【００２７】
また複数の貫通孔を凹部底面の中心位置に対して点対称に設けることによって、ボールを均一に吸引することができ、その結果、ボールの保持不良も少なくすることができ、位置決めの信頼性が向上する。
【００２８】
以上のように、本発明により従来よりも高い位置決め精度で且つ狭い間隔で、ボール形状のワーク、部品、さらに半田ボール等を配置させることが可能なボール位置決め治具及びそれらの製造方法を提供することができる。
【００２９】
また、ボールを傷つけることなく、信頼性の高いボール位置決め治具及びそれらの製造方法を提供することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１は本発明のボール位置決め治具による半田ボールの保持状態を示した図である。さらに図２は本発明のボール位置決め治具の凹部底面の形状を示した図である。図１に示す本発明のボール位置決め治具１０は半田ボール位置決め治具として使用することができる。図１のように本発明のボール位置決め治具１０では半田ボール５００を保持するための凹部１６内の凹部底面１６ｂの中心付近を半田ボール５００の受け面１６ｃとし、受け面１６ｃの外側に貫通孔１５が複数あけられており、この貫通孔１５から負圧吸引して半田ボール５００を凹部１６内に保持させる構造になっている。貫通孔１５は図２に示すように円形の凹部底面１６ｂの中心に対して、点対称に、計４ヶ所あけられており、それぞれ開口部形状が扇状になるようにしてあけられている。このように貫通孔１５を凹部底面１６ｂの中心に対して、点対称にならべることによって、凹部１６内の半田ボール５００を左右均等に負圧吸引させることができ、位置決め精度をより向上させることができた。
【００３１】
なお本発明のボール位置決め治具１０を使って、凹部１６内に半田ボール５００を収めて吸着させようとした場合、凹部の開口部の大きさよりも直径が多少小さめの半田ボール５００を使用する必要があり、その結果、半田ボール５００と凹部１６の壁面との間に微小な隙間ができる。しかしながら我々の実験結果によると、半田ボール５００と凹部１６の壁面との隙間が数十μｍ程度あっても、吸引側の吸引力が非常に大きいため、半田ボール５００をしっかりと保持して吸引できることがわかった。
【００３２】
本発明のボール位置決め治具は１０μｍ以下の精度で製造できる加工精度を持っており、よって半田ボール５００と凹部１６の壁面との隙間が数十μｍ程度以下になるようにボール位置決め治具１０を形成することは非常に容易であった。なお本実施形態では、直径７０μｍで深さ６０μｍの円管状の凹部１６内に２０μｍの幅（＝扇状開口部の半径方向の幅）で貫通孔１５があけられているボール位置決め治具１０を形成した。さらに、板厚ｔは４０μｍで形成し、且つそれぞれの寸法精度は±２μｍ以内で形成することができた。
【００３３】
図５は本発明のボール位置決め治具の製造方法を示した図である。本実施形態のボール位置決め治具１０は図５に示す製造方法によって製造した。以下にその製造方法を説明する。
【００３４】
まず図５（ａ）に示すように基板１１０上に第一の感光性材料層２１０を所望の形状でパターン化する。ここでの第１の感光性材料層２１０の所望の形状とは、作製しようとするボール位置決め治具１０に形成される凹部１６の形状の反転形状である。
【００３５】
本実施形態では、表面が鏡面仕上げで研磨されているガラスからなる基板１１０上に、ＪＳＲ社製厚膜ネガレジスト（商品名：ＴＨＢ−１３０Ｎ）をフォトリソグラフィー法によってパターン化し、直径７０μｍ、高さ６０μｍの円筒形状からなる第一の感光性材料層２１０を形成した。なお、その時の第一の感光性材料層２１０の形成条件は以下の通りである。ＴＨＢ−１３０Ｎの塗布厚さが６０μｍ厚、露光量が４００ｍＪ／ｃｍ２ 、現像液がＴＨＢ−１３０Ｎ専用現像液、現像温度が４０℃、現像時間が７０秒であった。
【００３６】
本実施形態では、一般にレジストと呼ばれる感光性樹脂をフォトリソグラフィー法によってパターン化し第一の感光性材料層２１０を形成したが、この他に、感光性樹脂を光造形法によってパターン化し、第一の感光性材料層２１０を形成する方法も試みてみた。その結果、実施形態と同様に第一の感光性材料層２１０を形成することができた。
【００３７】
本発明の製造方法の第一の感光性材料層２１０の形成工程において、フォトリソグラフィー法を用いても、光造形法を用いても、どちらでもかまわない。なお第一の感光性材料層２１０に１０μｍ以下の精度と形状を必要とする場合にはフォトリソグラフィー法を用い、１００μｍ以上の高さを必要とする場合には光造形法を用いるのが望ましいといえる。
【００３８】
次に図５（ｂ）のように、基板１１０及び第一の感光性材料層２１０の表面を覆うようにして導電性膜３００を成膜する。本実施形態では、蒸着法によって金（Ａｕ）膜を０．２μｍの厚さで成膜した。
【００３９】
その後、図５（ｃ）のように、第一の感光性材料層２１０上の導電性膜３００の上に、所望の形状で第２の感光性材料層２２０を形成する。ここでの第２の感光性材料層２２０の所望の形状とは、作製しようとするボール位置決め治具１０にあけられる貫通孔１５の開口部形状の反転形状である。
【００４０】
本実施形態では、第一の感光性材料層２１０の形成工程と同様に、ＪＳＲ社製厚膜ネガレジスト（ＴＨＢ−１３０Ｎ）をフォトリソグラフィー法によってパターン化し、幅２０μｍ、高さ４０μｍの第二の感光性材料層２２０をリング状（一部に切れ目を設けた連続していないリング形状）に形成した。なお、第二の感光性材料層２２０の形成条件は、ＴＨＢ−１３０Ｎの塗布厚さが４０μｍ厚、露光量が３５０ｍＪ／ｃｍ２ 、現像液がＴＨＢ−１３０Ｎ専用現像液、現像温度が４０℃、現像時間が６０秒であった。
【００４１】
なお第二の感光性材料層２２０の形成工程（図５（ｃ））においても、第一の感光性材料層２１０の形成工程（図５（ａ））と同様に光造形法を用いても何ら問題がないことが確認されている。
【００４２】
次に図５（ｄ）に示すように、導電性膜３００上に電流を流して電鋳を行い、導電性膜３００上に電鋳部材からなるボール位置決め治具１０を形成する。
【００４３】
本実施形態では、ニッケル（Ｎｉ）電鋳法を用い、板厚が４０μｍでＮｉからなるボール位置決め治具１０を形成した。なおその時の電鋳条件は、５０℃のスルファミン酸ニッケルメッキ液中で１０Ａ／ｄｍ２ の電流密度で３．５時間処理を行う条件であった。
【００４４】
最後に図５（ｅ）に示すように、基板１１０、導電性膜３００、第一の感光性材料層２１０及び第二の感光性材料層２２０を除去して、半田ボールを収める凹部１６と貫通孔１５が形成されたボール位置決め治具１０が完成する。
【００４５】
本実施形態では、まず機械的に基板１１０を除去した後、厚膜ネガレジスト（ＴＨＢ−１３０Ｎ）からなる第一の感光性材料層２１０及び第二の感光性材料層２２０をＴＨＢ−１３０Ｎ専用の剥離液によって溶解除去させ、最後にＡｕからなる導電性膜３００をドライエッチング法の一種であるイオンミリング法によって除去した。
【００４６】
図４は本発明のボール位置決め治具の別の構造の断面図である。図４に示すように導電性膜３００のすべてを除去せず、貫通孔１５の部分だけ導電性膜３００を除去した構造であっても、本発明のボール位置決め治具として利用可能である。このような構造（図４）は、第一の感光性材料層２１０、第二の感光性材料層２２０の溶解除去時に、これらの感光性材料層（第一の感光性材料層２１０、第二の感光性材料層２２０）と一緒に導電性膜３００が除去されるので、容易に達成可能である。
【００４７】
このようにして製造された本実施形態のボール位置決め治具１０によれば、半田ボール５００を保持するためにあけられた凹部１６の開口部直径を、φ１００μｍ以下の大きさで非常に微細に形成できるので、従来は不可能であった直径１００μｍ以下の微細な半田ボール５００を決められた位置にしっかりと保持させることが可能になった。なお本実施形態ではφ７０μｍの開口部からなる凹部を形成し、直径６５μｍの微細な半田ボール５００を保持することができた。
【００４８】
図３はボール位置決め治具による配線上への半田ボールの配置を示した図である。従来の半田ボール位置決め治具２０では、図８（ａ）に示すように、隣り合った凹部２６の中心位置間の間隔Ｐ’は２００μｍ以上でしか形成できなかったが、本発明のボール位置決め治具１０によれば、隣り合った凹部１６の中心位置間の間隔Ｐを１４０μｍの寸法で形成することができた（図３）。その結果、図３に示すように、従来実装ができなかった１４０μｍ間隔の狭い配線４２０であっても、半田ボール５００を配置させることができるようになった。この理由もやはり感光性材料を非常に微細にパターン化することができるフォトリソグラフィー法によって形成したためである。我々の実験結果によれば、凹部１６の中心位置間の間隔Ｐは凹部１６の開口部直径ｄや凹部１６の深さｈを小さくすればするほど、狭くすることが可能であることがわかった。よって凹部１６に収まる半田ボール５００が小さければ、凹部１６の中心位置間の間隔Ｐを１００μｍ以下にすることも可能である。
【００４９】
以上のように、本発明のボール位置決め治具１０を用いると、直径１００μｍ以下の半田ボール５００を非常に狭い間隔で並べることができるようになる。その結果、従来はできなかった半導体チップの高密度実装が可能になった。
【００５０】
また、本発明のボール位置決め治具１０によって、以下のような課題も解決することができた。従来の半田ボール位置決め治具２０では、図６に示すように凹部２６内の中心位置に貫通孔２５が形成されていたため、半田ボール５００を吸引したとき、貫通孔２５の縁部に半田ボール５００が接触し、半田ボール５００を傷つけやすかったが、本発明のボール位置決め治具１０では、図１及び図２に示すように、貫通孔１５が凹部底面１６ｂの中心付近に設けられる半田ボール５００の受け面１６ｃの外側の位置に形成されており、その結果、半田ボール５００を吸引したとき、貫通孔１５の縁部に半田ボール５００が接触せず、半田ボール５００を傷つけることが無くなった。
【００５１】
このようにして本発明のボール位置決め治具１０を使うことによって、半田ボール５００の傷つきが無くなったため、配線４２０上に半田ボール５００を並べた時、それぞれの半田ボール５００の高さが一定になり、均等に押しつけることができるので接続不良が無くなった。
【００５２】
なお、本実施形態においては、保持する部品として半田ボールを例に挙げ説明したが、ベアリング等のボール形状部品の場合でも同様の効果を得ることができる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のボール位置決め治具によれば、ボール形状のワークや部品、さらには半田ボールを所望の位置に正確に且つ狭い間隔で高密度に並べて保持することが可能で、高い位置決め精度で且つ狭い間隔での半導体チップの実装が可能になった。
【００５４】
また半田ボールを吸引する際、半田ボールを傷つけることが無くなり、実装時に半田ボールを均等に押しつけることが可能になった。その結果、実装不良を少なくすることができ、信頼性の高い実装が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のボール位置決め治具による半田ボールの保持状態を示した図である。
【図２】本発明のボール位置決め治具の凹部底面の形状を示した図である。
【図３】本発明のボール位置決め治具による配線上への半田ボールの配置を示した図である。
【図４】本発明のボール位置決め治具の別の構造の断面図である。
【図５】本発明のボール位置決め治具の製造方法を示した図である。
【図６】従来の半田ボール位置決め治具による半田ボールの保持状態を示した図である。
【図７】従来の半田ボール位置決め治具を用いて微小な半田ボールを保持した時の不良状態を示した図である。
【図８】従来の半導体チップの配線基板への取り付け方法を示した図である。
【図９】従来の最も一般的な半田ボール位置決め治具による半田ボールの保持状態を示した図である。
【符号の説明】
１０ ボール位置決め治具
１５ 貫通孔
１６ 凹部
１６ｂ 凹部底面
１６ｃ 受け面
２０、２１ 半田ボール位置決め治具
２２ 半田ボール吸引ヘッド
２５ 貫通孔
２６ 凹部
１１０ 基板
２１０ 第一の感光性材料層
２２０ 第二の感光性材料層
３００ 導電性膜
４１０ 配線基板
４２０ 配線
５００、５１０ 半田ボール
６１０ 半導体チップ
６２０ 電気接続部

Claims (4)

1. ボールを吸引して搬送し、さらに吸引解除することによってボールを所定の位置に配置させるボール位置決め治具であって、ボールが収まるように形成された凹部と、該凹部の底面の中央付近をボールの受け面とし、該受け面の外側に複数の貫通孔を設けたボール位置決め治具。
2. 前記ボールが半田ボールであることを特徴とする請求項１に記載のボール位置決め治具。
3. ボールを保持するための凹部と、ボールを吸引するために凹部の底面にあけられた貫通孔とを備えたボール位置決め治具の製造方法であって、
   基板上に、感光性材料をパターニングし、凹部形状の型となる第一の感光性材料層を形成する工程と、
   前記第一の感光性材料層が形成された基板の一方の面上及び第一の感光性材料層上に導電性膜を成膜する工程と、
   前記第一の感光性材料層上に成膜された導電性膜上に、貫通孔の型となる第二の感光性材料層を形成する工程と、
   前記導電性膜が露出されている部分に、電鋳法により電鋳層を形成する工程と、
   前記基板、第一の感光性材料層、第二の感光性材料層、及び導電性膜の少なくとも一部を除去する工程とを有するボール位置決め治具の製造方法。
4. 前記第一の感光性材料層及び第二の感光性材料層をフォトリソグラフィー法または光造形法、もしくはその両方の製造法を用いて形成することを特徴とする請求項３に記載のボール位置決め治具の製造方法。

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