JP3583895B2

JP3583895B2 - ストック容器への金属ボールの自動補給方法および装置

Info

Publication number: JP3583895B2
Application number: JP09059397A
Authority: JP
Inventors: 茂樹高橋; 英児橋野; 健二下川; 宏平巽; 芳隆山名
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2017-04-09
Also published as: JPH10284542A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、基板および半導体チップの電極パッド等に形成されるバンプとして用いられる金および半田等の金属ボールを、基板等の吸着孔に吸着させる際に適用される、ストック容器に対する金属ボールの自動補給方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体実装技術の一つであるＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）においては、ＢＧＡパッケージとマザーボードの電極バンプと称する接合用の金属突起を形成することが行われている。その他、ＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）法やフリップチップ等では、半導体チップを基板の電極に接合する際に、同様にバンプが必要である。
【０００３】
近年、このバンプとして、径が３０μｍ〜１０００μｍ程度の球状の金属ボールを用い、該金属ボールを多数個ストック容器に収容し、この容器に振動ｙａ気流を付与して金属ボールを浮遊させると共に、上方から吸着孔を有する基板を接近させて、浮遊させた金属ボールを吸着させ、この基板に吸着した金属ボール群を半導体チップの電極パッドあるいは基板に接合する、ボール状バンプの接合技術が知られている。
【０００４】
しかして、従来においては、半導体チップの電極パッドあるいは基板と同一配置となるように貫通孔を設けた基板に対し、金属ボールを正確に吸着させ、次いで、これを電極パッドに転写して簡単かつ確実にバンプを接合するための提案がされてきた。（参考技術：特開平５−２５９２２４号、特開平７−１５３７６５号公報記載技術）
【０００５】
これらの従来例においては、例えば図７に示すように、金属ボールｂを吸着装置ｅに装着した基板ｋの貫通吸着孔ｐに吸着させる場合には、多数個の金属ボールｂを容器ｃ内に多量に入れた状態で振動装置ｄにより振動を付与して金属ボールｂを浮遊させ、基板ｋを装着した吸着装置ｅを（ａ）図の位置から（ｂ）図の位置に移動し、浮遊した金属ボールｂを基板ｋの貫通吸着孔ｐを介して吸引し、金属ボールｂを貫通吸着孔ｐに吸着させ、（ｃ）図のように吸着孔ｐに金属ボールｂを吸着した状態の基板ｋを吸着装置ｅに装着した状態で後工程に移動するようにしている。
【０００６】
しかし、これらの従来例では、吸着工程において、吸着欠陥（基板ｋの吸着孔ｐに対する金属ボールｂの吸着率を１００％にできない）を生じることがあった。この吸着欠陥は、金属ボールの浮遊状態が不安定であることに起因して発生すると思われるが、今のところ、浮遊状態を安定確保することについて有用な提案は見当たらない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の点に鑑みなされたもので、径が３０〜１０００μｍの球状の微小金属ボール（以下「金属ボール」と称する。）を基板の吸着孔に吸着させる場合に、容器から所定数の金属ボールを最適高さで浮遊させ、吸着作業を安定させるとともに基板に金属ボールを正確に吸着させられる状態を継続して維持できる、容器への金属ボールの自動補給方法および装置を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の発明は、ストック容器に多数の金属ボールを載置収容し、ストック容器に振動を付与して金属ボールを浮遊させると共に、上方から吸着孔を有する基板を接近させて、基板の吸着孔に金属ボールを吸着させるに際して、基板に金属ボールを吸着させる前にストック容器を振動させ、この容器内の金属ボールを浮遊させて、この浮遊した金属ボールの浮遊高さを測定し、浮遊高さが設定レベルを超えたとき、所定数の金属ボールをストック容器に自動補給して、吸着操作の際の金属ボールの浮遊高さを、設定レベル以下に維持することを特徴とするストック容器への金属ボールの自動補給方法。
第二の発明は、金属ボールを載置収容するストック容器と、該ストック容器を振動させ金属ボールを浮遊させる振動装置と、該ストック容器の近傍に配設したストック容器から浮遊した金属ボールの浮遊高さを測定する浮遊高さ測定装置と、この測定装置の測定値から浮遊高さを演算して設定浮遊高さレベルと比較し金属ボールの補給個数を演算する演算制御装置と、この演算制御装置からの補給指令により、所定個数の金属ボールをストック容器に補給するボール補給装置を備えたことを特徴とするストック容器への金属ボールの自動補給装置で、第一の発明を実施するための装置例として位置付けられるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、ストック容器内の金属ボールを浮遊させ、基板の吸着孔に吸着させる前に、浮遊高さを管理して、この浮遊高さを最適レベルに維持するようにしており、吸着作業を安定させるとともに基板の吸着孔に対して金属ボールを正確に吸着させられる状態を継続して維持することができる。
【００１０】
以下本発明について詳細に説明する。
例えば、ストック容器１に金属ボール２を図７に示すように、多量、例えば３層重ねて載置収容した場合は、この金属ボールを浮遊させるためにストック容器２に振動装置３で振動を付与しても、金属ボール２に振動が効率よく伝達されず、金属ボール２の浮遊状態が安定しない。
【００１１】
そのため、吸着工程において、ストック容器に振動を付与して金属ボールを浮遊させて、基板の吸着孔に吸着させようとしても、金属ボールが吸着されない吸着孔もあり、吸着欠陥を発生することが本発明者等によって確認されている。
【００１２】
また、金属ボールを少量にして載置収容した場合には、前記多量に載置収容した場合に比べて金属ボールの浮遊状態が安定し吸着性が安定するが、ストック容器への金属ボールの補給頻度が高くなり、金属ボールの補給の都度、装置を停止しなければならず装置の稼働率が低下する。また、複数の補給要員が必要となり、コスト増になることから好ましくない。
【００１３】
そこで、本発明者らは、安定した浮遊状態が得られ、同時に装置の稼働率が低下せずかつ補給要員も最小でコスト低減ができる、金属ボールの補給管理について種々実験検討を重ねた。その結果、次のことを知見し本発明を完成した。
【００１４】
（実験条件）
・金属ボール
材質：半田（比重９．１）
直径：７６０μｍ
・ストック容器（皿状）
底面積：６ｃｍ^２
・振動装置
振動数：２００Ｈｚ
（試験結果）
ストック容器上の金属ボールの個数が減少すると、ストック容器上のボールの浮遊高さは高くなり、その傾向はボール搭載量に対し反比例の関係にあるといえる。金属ボールの材質やサイズにより、この関係は変化するが、傾向は同じである。
ストック容器内に金属ボール、数千個を載置収容し、吸着能力、浮遊の安定等を考慮すると、金属ボールの最適高さは、ストック容器底面より数ｍｍと限定できる。
【００１５】
金属ボールの個数が少なすぎると、金属ボールが基板に衝突したり、金属ボール同士て衝突して異方向に弾かれるため、基板に吸着し難くなり吸着率が低下する。また、多すぎると、金属ボールへの振動伝達が悪くなり、所望の浮遊高さに達しないため、吸着率が低下する。
【００１６】
上記のことから、吸着対象基板条件、実装置の構造条件、金属ボール条件、吸吸引条件、ストック容器条件等を考慮して設定された、吸着率１００％を得るためのストック容器内の金属ボール個数と浮遊高さの関係から、最適浮遊高さレベル（範囲）を設定して、所定個数（複数回分）の金属ボールをストック容器に入れ、吸着作業前に、振動装置によりストック容器内で浮遊させその浮遊高さを測定する。
【００１７】
この浮遊高さが最適浮遊高さレベルを超えた場合には、ストック容器内の金属ボールの残数が規定数より少なくなったことを示しているので、最適浮遊高さレベル以下になるように、直ちにストック容器内に所定数の金属ボールを補給すればよい。
このストック容器内での金属ボールの浮遊高さの測定と補給作業は、全自動的または半自動的に行うことができる。
【００１８】
【実施例】
本発明の実施例を、図１に基づいて説明する。
図１において、１は内部に所定の径で球状の金属ボール２を載置収容するための皿状のストック容器、３は該ストック容器１の下部に設置してこのストック容器を振動させる振動装置、４はストック容器１の上方に近接して配設した金属ボール２の浮遊高さ測定装置、５は該測定装置４からの測定信号を処理して金属ボール２の浮遊高さと補給個数を演算する演算制御装置、６は該演算制御装置５からの指令により所定数の金属ボール２をストック容器１に補給するためのボール補給装置である。
【００１９】
振動装置３はストック容器１に５０〜５００Ｈｚの縦方向の微小振動を付与するもので、ピエゾ振動機や電磁振動機などが適当である。また、金属ボール２の浮遊高さ測定装置４としては、例えばレーザー測定装置あるいは超音波測定装置などが適当である。
【００２０】
ボール補給装置６は、ホッパー７を金属ボールの流通管８の通過孔９を開閉でき、金属ボールの量（個数または重量）を計数できる計数開閉装置１０を備えており、該演算制御装置５からの指令により、駆動制御装置１１を介して金属ボールの量（個数または重量）を補給するための通過孔９の開閉動作を制御できるようになっている。
【００２１】
図１の装置を用いて行う実際のボール自動補給操作について、図２〜図５に基づいて説明する。
予め、実験や実績に基づいて、装置条件、吸着対象基板条件、金属ボール条件、吸引条件、ストック容器条件、振動条件に応じた、図３に示した基板１２の吸着孔１３に対する金属ボール２の吸着率を１００％にするためのストック容器１内金属ボール２の個数と浮遊高さを求めておき、ストック容器１に所定個数の金属ボール２を載置収容し、振動装置３で所定の振動条件でストック容器１を振動させることにより、ストック容器１内の金属ボール２を浮遊させる。通常の場合、ストック容器１内には、図２に示すように、複数回分の金属ボール２が載置収容されている。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、ストック容器１を振動装置３により振動を付与して金属ボール２を浮遊させた状態で、ストック容器１の上方に昇降自在で水平移動自在な吸着装置１４を、基板１１の吸着孔１３の下端がＢの位置になるまで降下させ、浮遊状態の金属ボール２を図３（ｂ）に示すように、基板１２の吸着孔１３に吸着させる。なお、図中１５は吸着装置１４の吸引装置（図示省略）との接続口である。
【００２３】
本発明では、この吸着操作の前に、図４に示すように、ストック容器１の近傍に配設した浮遊高さ測定装置４により、ストック容器１内で浮遊させた金属ボール２の浮遊高さを測定する。
この浮遊高さの測定値が設定値ｈ（ボール個数が不足し始める高さ）を超えたとき、ストック容器１に補給すべき金属ボール２の個数が演算制御装置５により演算され、駆動制御装置１１を介してボール補給装置６の計数開閉装置１０を制御し、ボール補給装置６からストック容器１へ所定個数の金属ボール２が補給されてから吸着操作を開始するようにしている。
【００２４】
図４は、金属ボール２の浮遊高さが設定値ｈ以下で、ストック容器１内の金属ボール２の個数が適正である正常状態を示しており、図５は、ストック容器１内の金属ボール２の浮遊高さが設定値ｈを超えており、ストック容器１内の個数が不足し、ボール補給装置６からストック容器１内に金属ボール２の補給が必要である状態を表している。
【００２５】
上記の図１〜図３で説明したような実験装置で、基板１２の吸着孔１３の下端位置を、底面積が３０ｃｍ^２のストック容器１の底面から数ｍｍの位置にし、吸引条件を一定にし、比重９．１で、径が７６０μｍの球状の金属ボール２を、ストック容器１に載置収容し、浮遊高さレベルを１０ｍｍに設定してストック容器に対する金属ボールの補給管理を行いながら、基板１２への金属ボール２の吸着実験を行い、吸着作業後の基板１２での金属ボール２の吸着率を調査した。
【００２６】
その結果、浮遊高さレベルを設定して、この設定レベルで所定個数の金属ボールの補給を行った本発明の実施例の場合には、吸着率はすべて１００％であった。これに対して、金属ボール２を、ストック容器１に積層する状態にある個数まで載置収容し、目視で適時、適当量補給した比較例の場合には吸着率は、１００％の場合もあったが、９２〜９７％レベルのものもあった。
【００２７】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではない。例えば、ストック容器条件、浮遊高さ測定装置条件、ボール補給装置条件、振動装置条件等については、吸着対象基板条件、金属ボール条件等に応じて変更されるものである。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、ストック容器内の金属ボールを浮遊させ、基板の吸着孔に吸着させる前に、浮遊高さを管理して、この浮遊高さを最適レベルに維持するようにしており、吸着作業を安定させるとともに基板の吸着孔に対して金属ボールを正確に吸着させられる状態を継続して維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の金属ボール自動補給装置の実施例を示す一部断面側面説明図。
【図２】本発明でのストック容器内金属ボールの載置収容状態例を示す側断面説明図。
【図３】（ａ）図は本発明の実施例での基板の吸着孔に対する金属ボールの吸着動作例を示す側断面説明図、（ｂ）図は基板の吸着孔に対する金属ボールの吸着状態例を示す側断面説明図。
【図４】本発明の実施例でのストック容器内金属ボールの浮遊状態（正常状態）と浮遊高さ測定装置の配置例を示す側断面説明図。
【図５】本発明の実施例でのストック容器内金属ボールの浮遊状態（異常状態）と浮遊高さ測定装置の配置例を示す側断面説明図。
【図６】ストック容器内金属ボールの多量載置収容状態例を示す側断面説明図。
【図７】従来例での基板の吸着孔に対する金属ボールの吸着動作例を示す側断面説明図。
【符号の説明】
１ストック容器
２金属ボール
３振動装置
４浮遊高さ測定装置
５演算制御装置
６ボール補給装置
７ホッパー
８流通管
９流通路
１０計数開閉装置
１１駆動制御装置
１２基板
１３吸着孔
１４吸着装置
１５吸引口

Claims

ストック容器に多数の金属ボールを載置収容し、ストック容器に振動を付与して金属ボールを浮遊させると共に、上方から吸着孔を有する基板を接近させて、基板の吸着孔に金属ボールを吸着させるに際して、基板に金属ボールを吸着させる前にストック容器を振動させ、この容器内の金属ボールを浮遊させて、この浮遊した金属ボールの浮遊高さを測定し、浮遊高さが設定レベルを超えたとき、所定数の金属ボールをストック容器に自動補給して、吸着操作の際の金属ボールの浮遊高さを、設定レベル以下に維持することを特徴とするストック容器への金属ボールの自動補給方法。
金属ボールを載置収容するストック容器と、該ストック容器を振動させ金属ボールを浮遊させる振動装置と、該ストック容器の近傍に配設したストック容器から浮遊した金属ボールの浮遊高さを測定する浮遊高さ測定装置と、この測定装置の測定値から浮遊高さを演算して設定浮遊高さレベルと比較し金属ボールの補給個数を演算する演算制御装置と、この演算制御装置からの補給指令により、所定個数の金属ボールをストック容器に補給するボール補給装置を備えたことを特徴とするストック容器への微小金属ボールの自動補給装置。