JP2004327942A

JP2004327942A - 導電性ボール配列用マスク

Info

Publication number: JP2004327942A
Application number: JP2003124416A
Authority: JP
Inventors: Masanori Ochiai; 正典落合; Motomichi Ito; 元通伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】本発明は、半田ボールのように熱伝導性の良好な導電性ボールを、電極などワークの所定位置に精度よく配列するためのマスクを提供することを目的としている。
【解決手段】本発明のマスクは、所定のパターンで導電性ボールをワークの一面に配列するため、前記導電性ボールが挿通可能で前記パターンに対応した貫通孔を備え、室温において固体状の仮固定剤が塗布された前記ワークの一面上に配設し、前記導電性ボールを前記貫通孔に充填して前記仮固定剤の上に載置した後に、前記仮固定剤を加熱溶融し、凝固した前記仮固定剤で前記導電性ボールを前記ワークの一面に仮固定するマスクであって、前記導電性ボールより低い熱伝導率を有する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田ボールなど熱伝導性の良好な導電性ボールをワーク上の所定位置に配列するためのマスクに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末機器やノート型パソコンの高速化と高機能化及び小型軽量化と薄型化が進むにつれ、それらに内蔵される半導体部品や半導体部品を実装する基板（以下、ワークと総称する）には、高機能、高性能化の要求から端子数を増やす要求がありながら、一方では小型軽量化と薄型化が要求されている。その要求に応ずるものとして、電極に半田ボールを配列して接続端子（以下半田バンプと呼ぶ）を形成したＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）型又はＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）型の半導体部品又は基板がある。
【０００３】
一般に、前記半田バンプは、電極に半田ペーストもしくはフラックスを印刷する印刷工程と、半田ペーストもしくはフラックスが印刷された電極に半田ボールを配列する半田ボール配列工程と、その半田ボールを加熱し溶解させる半田ボール加熱工程を経て形成される。
【０００４】
半田ボールを電極に配列する方法としては、吸着方式と充填方式が知られている。吸着方式は、例えば特開２００１−２２３２３４号公報（特許文献１）に記載されているように、負圧を利用した吸着ヘッドで半田ボールを吸着してワークへ移送し、電極へ配列する方式である。充填方式は、例えば特開２０００−４９１８３号公報（特許文献２）に記載されているように、電極の配列パターンに対応した開口部を備えたマスクをワーク上に配置し、開口部に半田ボールを充填することにより電極に配列する方式である。通常、どちらの方法も、既に電極には粘着性のある半田ペースト或いはフラックスなどが塗布されており、電極上に載せられた時点で半田ボールはその粘着力で仮固定されるので、本明細書ではボールが位置決めされて仮固定された状態を配列と言うことにする。さらに、特許文献２では、配列された半田ボールを加圧して粘着剤に密着させ、その後の工程でずれないように、さらに強固に仮固定することが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２２３２３４号公報（段落番号００１４）
【特許文献２】
特開２０００−４９１８３号公報（段落番号００１１〜００１３）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、最近ではバンプの数は膨大となってその配列は高密度化され、半田ボールも１００μｍ以下というような小径のものも使用されるようになってきている。
これに対し、吸着方式では、多数の微小な吸着孔に対する吸着力の制御が難しく、半田ボールの吸着ヘッドへの吸着及び吸着ヘッドからの分離の信頼性が劣るという問題がある。また、吸着ヘッドに吸引された状態の半田ボールを電極に加圧して押し付けると、吸着孔にボールが食い込んで吸着ヘッドからの分離の信頼性がさらに悪化してしまう。そのためフラックス層にだけ当接しようとしても、吸着ヘッドの位置制御誤差や半田ボールの寸法誤差などで難しく、少し上方で切り離しを行わざるを得ないため、配列位置がばらつき易い。
【０００７】
一方、充填方式では、開口部で位置規制されるため配列位置のばらつきは生じず、さらに特許文献２で説明されているように、マスクがワーク上に配置されている状態で加圧ツールで半田ボールを加圧し、半田ペーストやフラックスなどの粘着力を強く作用させて仮固定することもできるので、配列精度は良好である。しかし、半田ペーストやフラックスなどがマスクの開口部壁面に付着すると半田ボールが開口部途中で引っ掛かって充填されなくなったり、下面に付着するとマスクがワークから離れなくなってしまうという問題がある。このため、半田ペーストやフラックスなどが開口部壁面に接触しないように、電極上だけに半田ペーストやフラックスなどを精度よく塗布するか、マスクの下面がワーク上面と接触しないように、開口部が形成されている範囲に掘り込みを形成しなければならず、製造コストを高める要因となる。
【０００８】
本発明は、半田ボールのように熱伝導性の良好な導電性ボールを、電極などワークの所定位置に精度よく配列するためのマスクを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のマスクは、所定のパターンで導電性ボールをワークの一面に配列するため、前記導電性ボールが挿通可能で前記パターンに対応した貫通孔を備え、室温において固体状の仮固定剤が塗布された前記ワークの一面上に配設し、前記導電性ボールを前記貫通孔に充填して前記仮固定剤の上に載置した後に、前記仮固定剤を加熱溶融し、凝固した前記仮固定剤で前記導電性ボールを前記ワークの一面に仮固定するマスクであって、前記導電性ボールより低い熱伝導率を有することを特徴としている。
前記マスクは、導電性ボールより低熱伝導率の材料と、金属材料との複合構造とすることができる。複合構造として、導電性ボールより低熱伝導率の材料と、金属材料とが厚さ方向に接合された構造とすることができる。
前記導電性ボールより低熱伝導率の材料は、熱伝導率が前記導電性ボールの熱伝導率との差が大きい程好ましく、樹脂材が望ましい。樹脂材は、板状、箔状、フィルム状、さらにはレジストを用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、導電性ボールをＢＧＡ型又はＦＣ型の半導体部品又は基板の電極上に配列し、バンプを形成する場合を例に説明する。なお、以下の説明では、導電性ボールとして半田ボール（以下、ボールと称する）を例として説明するが、銅ボール、或いは表面が半田の例えば銅球体や樹脂球体の表面に半田がコーティングされたようなボールを配列することも可能である。
本発明のマスクを用いたバンプ形成方法における主な工程は、ワーク上面の電極に仮固定剤を塗布する仮固定剤塗布工程、ワーク上面にマスクを配設して電極へボールを充填し、仮固定剤の上にボールを載置するボール充填工程、マスクを配置したまま、仮固定剤を加熱溶融し、凝固した仮固定剤でボールを電極に仮固定し、ボールを配列する仮固定工程、マスクを取り除いた後の配列されたボールを加熱してバンプを形成するバンプ形成工程である。これらの工程について以下に説明する。
【００１１】
まず、仮固定剤塗布工程について説明する。この工程では、ワーク上面の電極を含んだほぼ全域に仮固定剤を数〜十数μｍの厚さに塗布する。ワーク上面に配置されるマスクへ仮固定剤が付着することを阻止するため、少なくとも室温において固体状の、好ましくは２０〜５０℃の融点を有し低温で溶融可能な仮固定剤を選択する。そのような仮固定剤としては、例えば樹脂、ロウ、フラックスなどを選択することができる。仮固定剤は、仮固定剤を加熱して液化或いは気化し、周知のディッピング法、吹付法、印刷法、蒸着法或いはハケ塗りなどを用いて塗布することができる。上記仮個定剤によれば、塗布後の乾燥した状態では粘着性を有しない。
【００１２】
さらに、ボールの融点より低い沸点を有する仮固定剤を選択すれば、ボールが溶融した時点において仮固定剤は消失するので、仮固定剤の洗浄などの手間がなく望ましい。一般に使用される共晶半田や鉛フリー半田の融点は１８０度〜３００度の範囲であるので、そのような仮固定剤としては、ドデシルアルコール（融点２４度、沸点１５４度）やテトラデカノール（融点３８度、沸点２８９度）などを選択することができる。
【００１３】
次に、ボール充填工程について説明する。ボール３が挿通可能で電極２の配置パターンに対応した貫通孔５を備え、図３に示すように、ワーク１の電極２とマスク４の貫通孔５の位置が一致するように密着させ、ボール３を貫通孔５に充填した際に、ボール３の頂部が上面から露出する厚みを有するマスク４を準備する。その厚みは、ボール３の直径をｄ、マスクの厚みをｔとした場合、０．８≦ｄ／ｔ＜１．０とすれば好ましい。
【００１４】
そのマスク４を、仮固定剤６が塗布されたワーク１に対し相対的に移動させ、図３に示すようにワーク１の電極２とマスク４の貫通孔５の位置が一致するように密着させ、マスク４の上面に多数のボール３を供給し、各貫通孔５にボール３を落し込んで電極２上にボールを充填する。ここで、仮固定剤６は固体状態であり粘着性を有しない。もって、ボール３の底部とマスク４の下面は仮固定剤６に接触しているが、ボール３はまだ仮固定されておらず、マスク４にも仮固定剤６は付着しない。
【００１５】
なお、ボール３の直径が１１０〜１２０μｍ以下というような微小になると、重力による転がりや落下作用が弱くなるため、貫通孔５へのボール３の充填は、静電気の除電機能を有した線状部材を多数束ねたブラシを用い、線状部材の側面腹部でボールを掃くようにすると良好に行うことができる。
【００１６】
次に、仮固定工程について説明する。この工程おいては、まず、図１に示すように貫通孔５に充填されたボール３の頂部に発熱した板状の加熱具７の下面を当接させる。ボール３の頂部はマスク４の上面から露出しているので、加熱具７の下面はマスク４の上面と接触せず、それらの間には空隙が形成される。さらに、加熱具７の下面は、マスク４の上面を覆う大きさを有しており、当接したボール３に選択的に伝熱しボール３を加熱する一方で、マスク４の上面との空隙を介して若干熱伝達しマスク４を加熱する。
【００１７】
選択的に加熱されたボール３は、少なくとも表面は半田であって熱伝導性が良く、かつ直径が数十〜数百μｍと微小であり、加熱具７の熱はボール３の頂部から底部に直ぐに伝えられる。仮固定剤６は融点が低いので、ボール３底部周囲の仮固定剤は直ぐに溶融する。また、ボール３は加熱具７で軽く押圧されているので、ボール３底部は溶融した仮固定剤６へ沈み込むようになるとともに、溶融した仮固定剤６とボール３との親和力や、ボール表面の微細凹凸による毛細管現象などで、仮固定剤６はボール３の底部と広い範囲で接触する。なお、表１に２０℃における半田及び主な材料の熱伝導率及び比熱を示す（八光電熱器製品総合カタログ２００３より）。
【００１８】
【表１】

【００１９】
次いで、加熱具７をボール３から離す。ボール３は容量も比熱も小さいため直ちに冷え、ボール３底部と広く接触していた液状の仮固定剤６は凝固し、ボール３は電極２上に仮固定される。次いで、マスク４を上昇させてワーク１から分離し取り去る。仮固定されたボール３は、ワーク１を反転させたり多少の振動を与えても脱落しないような力で保持されており、マスク４持ち上げ時に貫通孔５とボール３が擦れ合ってもボール３が仮固定剤６から離れることはほとんどない。
【００２０】
次に、バンプ形成工程では、電極２に仮固定されたボール３をＮ２炉、プラズマ炉またはベーパ炉などで加熱してバンプを形成する。
【００２１】
上述した仮固定工程においては、加熱具７からの熱エネルギーをボール３に伝熱し、ボール３と接触している仮固定剤６のみを選択的に溶融するのであるが、加熱具７からの熱エネルギーはマスク４にも熱伝達される。これにより、マスク４の温度、特に仮固定剤６に接触する下面の温度が、仮固定剤６の融点以上に上昇すると、仮固定剤６が溶融し、ワーク１からマスク４を取外す際にワーク１から離れ難くしたり、貫通孔５に入り込んで、ボール３を正常に充填できなくしたりするなど不具合が生じてしまう。このため、マスク４と加熱具７が接触しないように、マスク４の上面をボール頂部より低くなるようにしたり、加熱具７のボール３との当接部を凸状とするなどとしても、隙間を介して熱は伝達されるし、貫通孔５に充填されたボール３が壁面に接触していれば、この接触部からも熱は伝導される。このため、マスク４そのものが熱を下面に伝導し難いものとすることが重要となる。
【００２２】
以下、本発明のマスク４について説明する。
前述したように、マスク４は加熱具７からの熱で下面部が仮固定剤溶融温度以上にならないようにする必要がある。一般的に、マスク４の材質は金属や樹脂、セラミックスなどを用いることができるが、加熱具７からの熱エネルギーが下面に伝導し難いほどよい。従って、マスク４には、少なくともその熱伝導率が半田より低いものを用いる。そのようなマスク４は、例えば、表１に示すように、熱伝導率が１〔Ｗ／ｍｋ〕以下で半田より２桁も小さい樹脂など低熱伝導率の材料でマスク４を形成する、或いは構造的に断熱部（例えば中空部）をマスク４に形成するなどして具現することができる。
【００２３】
なお、マスク４の厚さはボールの直径より小さいため、樹脂製のマスクでは強度面に問題がある。そこで、金属材料との複合構造とすることが考えられる。これにより、樹脂の低い熱伝導率という特性と、金属の高強度、導電性、放熱性という特性が組み合わさった、熱が伝わり難く、かつ放熱性に優れ、静電気が除電され、強度的にも強いマスクを実現することができる。また、金属材料として磁性材料を用いれば、マスク４を磁気吸引することができ、ワーク１の形状に倣ってマスク４を当接させることができるのので、変形がでやすい大型のワークに対しても適用することができる。複合構造としては、樹脂材料と金属材料を厚さ方向に接合した積層構造や、樹脂材の中に金属粒や金属片を混合した構造などをとることができる。
【００２４】
低熱伝導率の樹脂材料と、金属材料が接合された構造のマスクの一例を図２に示す。金属材層として、熱伝導率が半田の約１／３と小さいステンレス薄板４ａを用い、その表面に樹脂材層としてのレジストを被覆した形態である。ステンレス材としては、磁性を有するマルテンサイト系、フェライト系のものを用いるとよい。このマスク４は、例えば次のようにして製造することができる。
まず、ステンレス薄板４ａの表面を液体状のレジスト（フォトレジスト）４ｂで被覆し、レジスト４ｂを硬化させる。次いで、レジスト４ｂ表面の貫通孔パターン以外に光を照射して固化する。次に、非露光部のレジスト４ｂを除去する。次に、エッチングでステンレス薄板４ａのレジスト４ｂが除去された面に貫通孔５を形成する。
【００２５】
マスク４として使用する場合は、樹脂材層４ｂは金属層４ａの上面側でも下面側でもどちらでもよいが、貫通孔５に装入されたボール３から伝導される熱を下面に伝えにくいという点では下面側にする方が好ましい。なお、金属材層４ａの両面に樹脂材層４ｂを形成するなど、多層構造として用いるようにしてもよい。マスク４を構成する材料やマスク４の製法は、前述したもの以外にも種々用いることができ、例えば金属材層４ａとして電鋳法で製造したニッケル薄板を使用したり、樹脂材層４ｂとして樹脂フィルムや樹脂発泡材を使用することができる。また、貫通孔５が形成された金属材層４ａと樹脂材層４ｂ同士を貼り合わせて形成してもよい。この場合、樹脂材層４ｂに形成する貫通孔の直径を金属材層４ａの貫通孔より大きくしておくと、貼り合わせ精度を特別厳しくする必要がなく、また仮固定剤６との接触面積も少なくなるのでよい。
【００２６】
以上、バンプ形成用の半田ボール３を例に電極２上に配列する場合を説明したが、この他、半田ボールに限らず熱伝導性のよい微小ボールを配列する場合、例えば銅ボールを電子部品組立時のスペーサとして用いる場合などにも適用できることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のマスクは、ワークに塗布した仮固定剤上に半田ボールを配列する時に用いられ、半田ボールを加熱して半田ボール底部の仮固定剤を溶融させる時に、マスク下面と接触している仮固定剤は溶融させないので、マスクには仮固定剤が付着せず、長時間に亘って信頼性高く半田ボールを配列することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る仮固定時の状態を示す図である。
【図２】本発明のマスク構造の一例を示す断面図である。
【図３】マスク貫通孔にボールが充填された状態を示す図である。
【符号の説明】
１…ワーク、２…電極、３…ボール、４…マスク、４ａ…金属材層、
４ｂ…樹脂材層、５…貫通孔、６…仮固定剤、７…加熱具、

Claims

所定のパターンで導電性ボールをワークの一面に配列するため、前記導電性ボールが挿通可能で前記パターンに対応した貫通孔を備え、室温において固体状の仮固定剤が塗布された前記ワークの一面上に配設し、前記導電性ボールを前記貫通孔に充填して前記仮固定剤の上に載置した後に、前記仮固定剤を加熱溶融し、凝固した前記仮固定剤で前記導電性ボールを前記ワークの一面に仮固定するマスクであって、前記導電性ボールより低い熱伝導率を有することを特徴とする導電性ボール配列用マスク。
導電性ボールより低熱伝導率の材料と、金属材料との複合構造であることを特徴とする請求項１記載の導電性ボール配列用マスク。
導電性ボールより低熱伝導率の材料と、金属材料とが厚さ方向に接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載の導電性ボール配列用マスク。
前記低熱伝導率の材料はレジストであることを特徴とする請求項３記載の導電性ボール配列用マスク。