JP2008119751A - ボール振込方法及びボール振込装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ボール振込途中に振込ヘッドの中空部を通ってマスク上に落下したボールをマスクの開口に振込むボール振込方法とボール振込装置を提供する。
【解決手段】ボール振込装置は、ボール供給部１０と、基板２３のバンプに対応した孔が開口しているマスク２１と、ボール振込部からなる。ボール供給装置１０は、ボール２０を所定時間間隔で間欠的に開口が形成されたマスク２１上に供給し、振込ヘッド５は、マスク２１上のボール２０を移動させてマスク２１の開口を介して基板２３の上に振込む。ボール振込途中にボール供給装置１０から供給されるボール２０は、振込ヘッド５の中空部を通ってマスク上に落下する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ及び電子回路基板等の基板に半田ボール等を搭載するためのボール供給装置とボール振込装置に係るものである。

ボール搭載装置またはボール振込装置に用いられるボール供給装置は、特開２００２−４３３５０号公報、特開２００１−１９８７４０号公報等種々の文献に開示されている。しかし、特開２００２−４３３５０は、開閉部材をエアシリンダで駆動してボールの通路を開閉してボール量の定量排出を行っているので、ボール径が小さくなると、開閉時に開閉部材がボールを挟む等して傷つける問題がある。 また、特開２００１−１９８７４０は、開閉部材を用いていないので、ボールを損傷する問題は生じないが、ボール計量部がないので、ボールを定量する精度が低い問題がある。

また、従来のボール搭載装置のボール供給方法は、ボール運搬容器からボール貯留容器へそしてボール吸着（又はボール振込）用容器へ移してからヘッドへ吸着またはヘッドで振込を行っている。

このように従来技術では、ボールを傷つけること、ボール表面が空気により酸化され易いこと、ボールの計量精度が低いこと等の問題を全て満足させることはできない。
特開２００１−１９８７４０号公報 特開２００２− ４３３５０号公報

本発明は、このような問題を解決するものである。
第1の目的は、高精度に計量したボールを空気に触れている時間を短くしてヘッドに送り且つボールの供給の開始と停止時にボールを損傷させないボール供給方法とボール供給装置を提供することにある。
第2の目的は、上記ボール供給装置を用いてボールをマスクの所定個所に振込むボール振込装置を提供することにある。

本発明は、ボール容器から供給されるボールをボール計量器で計量して、ボール計量器に設けられた出口からボールを排出するボール供給方法であって、ボール容器とボール計量器を傾斜させる操作により計量したボールを出口より排出する方法を特徴とする。

また、本発明は、ボールを計量するためにボール計量器を傾斜させる角度は、９０°を超えて２７０°未満である方法を特徴とする。

また、本発明は、ボール容器とボール計量器並びにボール容器とボール計量器を傾斜させる駆動装置とからなるボール供給装置であって、ボール計量器が、ボールを計量する計量部と、ボール容器と計量部を連通する第1経路と、ボールを分離貯留する分離貯留部と、計量部と分離貯留部を連通する第２経路と、ボールの出口と、分離貯留部と出口を連通する第３経路とからなる装置を特徴とする。

また、本発明は、ボール容器とボール計量器並びにボール容器とボール計量器を傾斜させる駆動装置とからなるボール供給装置であって、ボール容器が、ボール運搬容器である装置を特徴とする。

また、本発明は、ボールをヘッドに供給するボール供給装置と、ボールを搭載する基板の所定位置に対応する位置に開口が設けられたマスクと、ボール供給装置から供給されたボールを開口に振込むヘッドとからなるボール振込装置であって、ボール供給装置は、ボール容器と、ボールを計量するボール計量器と、ボール容器とボール計量器を傾斜させる駆動装置からなり、入口から入れた上記ボールを計量して出口から排出するボール計量器は、ボールの入口から出口の間が連続した空間でつながっている装置を特徴とする。

また、本発明は、ボールをヘッドに供給するボール供給装置と、ボールを搭載する基板の所定位置に対応する位置に開口が設けられたマスクと、ボール供給装置から供給されるボールを開口に振込むヘッド、基板を載置する基板載置部とからなるボール振込装置であって、ボール供給装置がヘッドと共に水平方向に移動する装置を特徴とする。

本発明は、以上のような構成をとることにより、以下の効果を奏する。
（１）ボールの供給、計量および排出の工程で、ボールを損傷しないボール供給方法とボール供給装置が実用化できた。
（２）ボールをボール運搬容器からヘッドに送る間において、ボールが空気と接触する時間が短いボール供給方法とボール供給装置が実用化できた。
（３）損傷のない微小ボールをマスクの開口に振込むことができるボール振込装置が実用化できた。
（４）ボール振込操作が終了したときにヘッド内に残るボール量を少なくしたボール振込装置を実用化することができた。

本発明のボール振込装置は、半田ボールを計量し、ヘッドに供給し、そして基板に搭載することを目的とするものである。以下、本発明に係るボール振込装置の実施の形態について図を参照し説明する。

本発明のボール振込装置は、基板２３を送入するローダと基板２３を搬出するアンローダからなるローダ・アンローダ部４と、載置された基板２３の反りを矯正する基板反り矯正部３と、基板２３にフラックスを印刷するフラックス印刷部２と、ボール２０を搭載する基板２３の所定位置に対応する位置に開口が設けられたマスク２１の開口にボール２０を振込むボール振込部１からなる（図５参照）。
ボール振込部１は、ボール供給装置１０と、振込ヘッド５と、マスク２１と、マスク洗浄装置と、それらの駆動装置からなる。なお、半導体ウエハや電子回路等の基板２３は、ローダから基板載置部２４に送られ固定され、基板反り矯正部３とフラックス印刷部２の工程を経て、ボール振込部１の工程に送られてくる。基板搭載部２４は、ＸＹＺθ軸の位置調節ができるようになっていて、基板２３に設けられた電極やバンプ等の位置とマスク２１の開口の位置を合わせることができるようになっている。

図１と図２は、ボール振込部１の主要部の正面図と平面図で、ボール２０の供給、計量および振込の機能を示す図である。

ボール振込部１は、ボール２０を貯蔵し、計量し、そしてマスク２１を介してボール２０を振込み、そして基板２３の所定個所にボール２０を搭載する機能を有する。更に、ボール振込部１では、フラックスが印刷された基板２３上にマスク２１を載置するので、マスク２１に付着したフラックスをボール振込毎に洗浄するマスク洗浄装置が設けられている（図示略）。

ボール供給装置１０は、ボール貯留部１１と、ボール計量部１２と、ロータリシリンダ１３からなる。振込ヘッド５は、ヘッド回転用モータ６と、回転シャフト７と、スキージ支持板８と、スキージ９からなる。ヘッド回転用モータ６とロータリシリンダ１３は、それぞれ固定部材を介して、取付治具１４に固定されている。

Ｘ軸レール１９は、左右に設けられた２本のＹ軸レール（図示略）上に取付けられ、Ｙ軸方向に自由に移動できるようになっている。Ｘ軸スライダー１８は、Ｘ軸方向にスライド可能にＸ軸レール１９に取付けられている。Ｘ軸スライダ１８には、Ｚ軸レール１６が固定されている。Ｚ軸スライダ１５は、ガイド溝１７に沿ってスライド可能にＺ軸レール１６に取付けられている。そして取付治具１４がＺ軸スライダ１５に固定されている。従って、振込ヘッド５とボール供給装置１０は、それぞれ独自の回転運動はできるが全体として一緒に移動するようになっている。

ボール振込装置１は、ボール２０が供給されている振込ヘッド５をマスク２１上で移動させ、マスク２１の開口からボール２０を振込む。所定操作で振込んだボール２０に相当するボール量を振込ヘッド５と一緒に移動するボール供給装置１０から所定時間間隔で供給する。このようにして振込ヘッド５に給されているボール２０の量が所定の範囲になるようにしている。

ボール２０は、空気に殆んど触れることなく計量され、中空の回転シャフト７を通り、スキージ９で囲まれた領域のマスク２１上に落下する。ボール２０の蝋付部が空気に晒される時間は、主に、マスク２１上をキージ９で移動させられながらマスク２１の開口に振込まれるまでの時間で、スキージ９の回転軌跡の内径を小さくすれば、ボール量が少なくなり、この時間を短縮することができる。、また、本発明のボール振込装置は、小さい領域を対象としてボール２０を振込むので、振込ヘッド5が必要とするボール量は、従来の装置と比較して少なくなる。従って、ボール振込操作が終了した時に振込ヘッド５内に残るボール量は、従来の装置と比較して極めて少なくなる。更に、複数のスキージ９で形成する内円の部分に不活性ガスや、イオン化された不活性ガスを適量供給することにより、ボール表面の酸化を防止することができる。

スキージ９の回転軌跡の内円（直径）の実施例は、４０ｍｍであるが、小さくなり過ぎると振込時間が長くなるので、５ｍｍ以上が好ましい。内径の最大限は、２００ｍｍｍで、１００ｍｍ以下が好ましい。一方、ボール２０が酸化等で劣化しない場合、その内径を大きくしてもよい。

マスク枠２２の端部を図１の左下方に円形破線で拡大して示してある。マスク２１は、金属製であり、薄膜の積層、薄膜のエッチングあるいは電鋳等で作成されたものである。このマスク２１は、その周囲がマスク枠２２に取付けられている。図示はしていないが、マスク２１に弛みが生じないように張力を付与する機構が設けられている。マスク枠２２は、基板載置部２４に固定されている。また、基板２３は、基板載置部２４に設けられた吸着パッドにより基板載置部２４に真空吸着されている。吸着パッドは、ストレート型よりベローズ型のパッドがより好ましい。

基板２３は、基板反り矯正部３でその８箇所を基板載置部２４に加圧され押さえ付けられ、更に真空吸着されて平面が保たれる。基板２３に反りがなく、真空吸着で基板載置部２４と密着する場合、基板反り矯正は、行わない。

マスク枠２２は、基板載置部２４に固定されているが、基板２３との間隔をあけることができるように、スペーサ等を挿入し上下移動できるようになっている。マスク２１と基板２３との間隔は、密着を基本とするが、マスク２１は、スキージ９により基板２３に押圧されるので、互いに密着しない方が良い場合もある。マスク２１と基板２３との間隔は、小さければ問題は生じない。また、フラックス印刷において、開口に充填されたフラックスの抜け特性は、重要な特性であり、マスク２１と基板２３の間に間隔を設けることにより、抜け特性が向上するメリットも生じる場合がある。

基板２３を真空吸着している基板載置部２４は、基板２３が半導体ウエハの場合、オリフラ（結晶方位）を調整するためのθ軸の上に積載され、且つローダ・アンローダ部４とボール振込部１の間を基板２３を載置した状態で移動できるようになっている。

図１は、ボール振込途中の図で、振込ヘッド５が左回りに自転し且つ左から右に移動している状態を示している。ボール２０は、スキージ９の左回りの自転と振込ヘッド５の左から右方向への移動により、左側のスキージ９の内側に集められている。ボール２０は、直径が１５０μであるが、説明のため大きく表示してある。なお、適するボール２０の直径は、３０〜１，０００μである。更に、ボール２０が落下する状態を図示してあるが、実際、ボール２０を排出する時は、ボール２０は、一個一個でなく一時に多量落下する。

図３は、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図で、ボール供給部１０を示す図である。ボール供給部１０は、ボール貯留部１１とボール計量部１２からなる。ボール貯留部１１は、ボール販売業者がボール２０を入れて販売するビンで、ボールが運搬と保管中に劣化しないように工夫されている運搬用容器で、通常、不活性ガスが封入されている。運搬用ビンの口の形状が取付部２５に合わない場合、ボール計量部１２の取付部２５の形状を変更するか、ボール２０を他の容器に入れ替えて用いる。ボール貯留部１１の先端は、ボール計量部１２に勘合またはネジ止で固定し、ここはボール計量部１２のボール２０の入口に対応する。

ボール計量部１２は、２枚の四角板からなる。この板の寸法は、巾３５×高２５×厚７ｍｍで、材料は、プラスチック又はアルミ合金で、水と酸素を透過しない材料が好ましい。また、この板の一面には、取付部２５、第１ボール通路２６、ボール計量キャビティ２７、第２ボール通路２８、ボール分離貯留キャビティ２９、第３ボール通路３０、第４ボール通路３１と出口３２の形状の半分が加工されている。これらの通路等が形成された面を張り合わせてネジ（図示略）止めしたものがボール計量部１２である。ボール計量部１２には、弁や開閉扉等は設けられていない。
このような構造のボール計測部は、ボールの酸化や損傷を生じさせないでボールを計量・供給できるので、このボール計測部を操作させるボール供給方法と、このボール計測部の構造を盛り込んだボール供給装置は、ボール振込装置の他、真空吸着型ボール搭載装置用としても有効である。このボール供給装置に適するボールの形状は、球状に限定されず

底面図には、回転軸１３ａと出口３２が示してある。回転軸１３ａは、ボール計量部１２のほぼ中央に取付けてある。位置を変えることによって、ボール２０の計量値を変えることができる。

ボール供給量の制御は、同一のボール計量部１２を用いる場合、ボール計量部１２を傾斜させる時間の間隔で行う。なお、一回のボール計量数は、ロータリシリンダ１３の回転速度、回転角度により殆んど変動しない。

図３（ａ）は、ボール供給装置１０を垂直に立てた状態で、ボール供給の待ち（又は準備）の状態である。回転軸１３ａの回りに回転矢印を図３（ｂ）に示してある。この矢印は、図３（ａ）を矢印方向（左回り）に回転させることを意味している。図３（ａ）を１８０°左回転した状態が図４である。図３から図４へ左回転することによりボール２０は計量され、図４から図3へ右回転することにより、計量されたボール２０は、出口３２から排出される。

ボール供給部１０の回転とボール２０の移動について説明する。図３（ａ）では、ボール集団の先端２０ａは、第1ボール通路２６とボール計量キャビティ２７を通過して、第2ボール通路２８の下端まで達している。ボール２０は、互いに干渉し合っているので、振動を与えない限り液体の様にボール集団の先端２０ａが第２ボール通路２８を上昇することはない。

ボール計量キャビティ２７内のボール２０の先端２０ａは、回転角度が６０°付近まで、第2ボール通路２８の中に徐々に少量ではあるが崩れて行く。８０°を超えると、ボール計量キャビティ２７中のボール２０の大半は、自重で第2ボール通路２８に移動する。しかし、第1ボール通路２６にあるボール２０は、互いが干渉し合い、大半が移動しない。しかし、この状態でボール供給装置１０に振動を与えると、ボールの擬似安定は崩れ、大量のボール２０が第２ボール通路２８に流れ込み、ボール計量は失敗となる。

第1ボール通路２６からボール計量キャビティ２７への移動が生じ難いように、第１ボール通路２６の直径は小さくしてある。実施例ではその直径が２ｍｍ、その長さが１０ｍｍを例示した。ボール計量キャビティ２７の少なくとも一部が中空となっている場合、第1ボール通路２６の直径が大きくなり過ぎると、ボール２０は小さい回転角度でもボール計量キャビティ２７へ崩れ落ちて行く。ボール２０を安定して計量するために、第１ボール通路の直径は０．５ｍｍ以上で６ｍｍ以下が好ましい。第1通路の直径は、その長さとボール特性にも左右されるが、１〜４ｍｍがより好ましい。ボール２０の計量精度を高めるために、第1ボール通路２６とボール計量キャビティ２７が連結する領域の断面直径を小さく例えば１ｍｍと小さくすることは大変有効である。

次に、傾斜が９０°となると、ボール計量キャビティ２７中のボール２０は、第2ボール通路２８に自重で落下し移動する。そして、第1ボール通路内の一部も崩れて少量ではあるが一緒に移動して来る。この状態で、ボール計量キャビティ２７は空洞となる。更に回転角度が９０°を超えると、第2ボール通路２８内のボール２０は、ボール分離貯留キャビティ２９に移動する。この段階で、ボール２０をボールの母集団から分離すること即ち計量が終了する。

ボール分離貯留キャビティ２９は、キャビティの体積をボール計量キャビティ２７の凡そ４倍に大きくしてある。従って、回転角度が９０°を超えると、分離されたボール２０は、ボール分離貯留キャビティ２９に移動する。少ないがその一部は、第３ボール通路３０にも移動する。更に回転角度が大きくなると、第３ボール通路３０に移動したボール２０は、ボール分離貯留キャビティ２９に全て集まる。この状態が図４である。

第4図には、回転角度が１８０°の場合を例示してあるが、例えば１２０°で止めても、ボール２０は、ボール分離貯留キャビティ２９に集まっている。従って、ボール２０を計量してボール分離貯留キャビティ２９に移動させるには、回転角度は９０°を超えれば良く、一方、１８０°を超えても問題は生じなく、２７０°を超えると逆流という問題が生じる。

なお、回転角度は、ボール特性、ボール計量器の構造や回転速度によっても変ってくる。実施例では、１８０°の回転に要する時間を０．５秒としたが、０．１〜5秒の間でも良く、より好ましくは、０．２〜１秒である。

次に、傾斜に伴うボール貯留部１１と取付部２５と第1ボール通路２６のボール２０の挙動について説明する。傾斜すると回転角度に応じて先ずボール貯留部１１内のボール２０が崩れて移動し始め、続いて、取付部２５内のボール２０が移動を始める。最後に移動するのは、第1ボール通路２６内のボールであるが、第1ボール通路２６の直径を小さくしてあるので、ボール２０の大半はそのまま残留する。回転角度が９０°を超えると、第1ボール通路２６内のボール２０は、全てボール貯留部１１に集まる。摩擦等による障害があるが、回転角度を１００°にすれば完全にボール貯留部１１に集まる。しかし、ボール貯留部１１にボール２０が多量に（例えば半分以上）貯留されていると、回転角度を９０°を超えても、第1ボール通路２６内のボール２０がボール貯留部１１へ移動できない場合も生じる。回転角度が９０°を超えても、第1ボール通路２６内のボール２０が取付部２５又はボール貯留部１１へ移動しないと、第1ボール通路２６内のボール２０は、徐々にではあるが、空洞が生じたボール計量キャビティ２７を経て第2ボール通路２８とボール分離貯留キャビティ２９へ移動する。

ボール貯留部１１のボール２０の総量は、ボール貯留部１１の内容積の３分の１以下が好ましい。より好ましくは、１／５以下である。

次に、図４の状態から、ボール供給装置１０を矢印方向に右回転させた場合のボール２０の移動について説明する。
ボール分離貯留部２９内のボール２０は、９０°回転（ボール貯留部１１が左側で水平になるまで回転させた位置）すると、大半が第３ボール通路３０へ移動する。更に回転角度を大きくするとボール２０は、第4ボール通路３１に移動する。第４ボール通路３１は、第3図の状態で水平から１０°下方に傾斜しているので、この状態では、少々ではるがボール２０が出口３２に移動しない程度に上を向いている。このため、１００°未満回転させてもボール２０は、出口３２からこぼれることはない。１００°を超えて回転すると、ボール２０は、出口３２から排出され始める。ボール２０の排出に対応した受口を中空の回転シャフト７に設ける。回転速度がゆっくりであると、ボール２０は、回転角度に応じた量だけ、出口３２から排出される。しかし、ボール２０の移動速度より回転速度を速くして回転を１８０°で急停止すると、ボール２０の全てを図４の位置に一時に排出できるようになる。第4ボール通路３１を移動してきたボール２０は、出口３２に垂直なボール方向変更草３３に当たり、減速され且つ方向を変えられながら、出口３２から排出される。ボール方向変更草３３は、ボール２０の移動速度を減速する役割を持っている。

また、第3ボール通路３０の断面を第2ボール通路２８のより大きくすることにより、ボール２０がボール分離貯留キャビティ２９から第2ボール通路２８へ戻らないようになっている。一方、ボール貯留部１１内のボール２０は、回転に従って、取付部２５、第1ボール通路２６、ボール計量キャビティ２７を充満する。回転は、１８０°（図３（ａ）の状態）で止めるので、ボール２０は、ボール分離貯留キャビティ２９に達することはない。

ボール計量部１２の寸法は、巾３５×高２５×厚１０ｍｍであるがこれに限定されることはない。ボール径により大きさは変るとともに、形状も底面を円弧に整形したり、操作を邪魔する部分を削除し、振込ヘッド５へボール２０を供給し易いようにしても良い。また、ボール供給装置１０を傾斜する場合、回転軸１３ａが回転し、ロータリシリンダ１３自身は回転しない。

上記は、ロータリシリンダ１３を左回転させた例を示したが、右回転させても良い。その場合は、図３（ａ）に図示したボール計量部１２を線対称の形状とする。また、本発明において、ボール供給部をユニットとするボール供給装置において、ボールは、半田ボールに限定されず、他の金属ボール、樹脂ボールやセラミックボール等に適用できる。更に、ボールの形状は、多面体や粉末等の粒子でもよく、粒子直径の下限は、粉黛として凝集しない１０ミクロン以上で、上限は、２ｍｍである。

本発明のボール供給方法とボール供給装置は、半田ボール以外のボールに適用できる他、球状でない粉体にも有効に適用できる。また、本発明のボール供給方法とボール供給装置は、ボール振込装置の他に、真空吸着ヘッドを用いてボールを基板に搭載するボール搭載装置にも適用できる。

また、本発明のボール振込装置は、半田ボール以外のボールに適用できる他、球状でない角状の粒子にも有効に適用できる。

ボール振込装置の主要部の正面図である。 ボール搭載装置の主要部の平面図である。 ボール供給装置を示す図で、（ａ）は、正面図、（ｂ）は底面図である。 ボール供給装置を１８０°回転させた状態を示す図である。 ボール振込装置の機能ブロック図である。

符号の説明

符号の説明
１・・・ボール振込部、２・・・フラックス印刷部、３・・・基板反り矯正部、４・・・ローダ・アンローダ部、５・・・振込ヘッド、６・・・ヘッド回転用モータ、７・・・回転シャフト、８・・・スキージ支持板、９・・・スキージ、１０・・・ボール供給部、１１・・・ボール貯留部、１２・・・ボール計量部、１３・・・ロータリシリンダ、１３ａ・・・回転軸、１４・・・取付治具、１５・・・Ｚ軸スライダ、１６・・・Ｚ軸レール、１７・・・ガイド溝、１８・・・Ｘ軸スライダ、１９・・・Ｘ軸レール、２０・・・ボール、２０ａ・・・ボール集団の先端、２１・・・マスク、２２・・・マスク枠、２３・・・基板、２４・・・基板載置部、２５・・・取付部、２６・・・第1ボール通路、２７・・・ボール計量キャビティ、２８・・・第２ボール通路、２９・・・ボール分離貯留キャビティ、３０・・・第３ボール通路、３１・・・第４ボール通路、３２・・・出口、３３・・・ボール方向変更草

Claims (4)

1. ボールを供給するボール供給装置と、上記ボールを振込む開口が設けられたマスクと、上記ボール供給装置から上記マスク上に供給された上記ボールを上記開口に振込む振込ヘッドとからなるボール振込装置において、
   上記振込ヘッドは、上記ボール供給装置から供給される上記ボールが上記マスクに落下するときに通る中空部を有することを特徴とするボール振込装置
2. 前記ボール供給装置は、前記マスク上の前記ボールの量が所定の範囲になるように前記ボールをボール振込途中前記マスク上に供給することを特徴とする請求項１記載のボール振込装置。
3. ボール供給装置で計量されたボールを複数の開口が設けられたマスク上に供給し、振込ヘッドを水平方向に移動させて上記ボールを上記開口に振込むボール振込方法において、
   上記振込ヘッド内の中空部を通り上記マスク上に、計量された上記ボールを落下させることを特徴とするボール振込方法。
4. 前記ボール供給方法は、前記ボールを間欠的に前記マスク上に供給することを特徴とする請求項３記載のボール振込方法。