JP3586334B2 - ボール跳躍装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子又は基板等の電極部に対応する位置に、多数の微小導電性ボールを効率よく配列保持させるための微小導電性ボールの跳躍装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、半導体素子の電極部（電極パッド）と基板の電極部等との接続や、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ ）等のようなパッケージの外部電極とプリント基板等の電極とを接続するためには、微小導電性ボールで形成されたバンプを介して両者を結合する方法がある（ボールバンプ法）。
【０００３】
このボールバンプ法では、例えば半導体素子の電極パッドにバンプを形成させる場合、ボール搭載容器に機械的に振動を加える等を行って微小導電性ボールを跳躍させ、真空吸引等の方法により配列基板の裏側を減圧して配列孔に微小導電性ボールを吸引させて保持する。そしてその状態でバンプ接合用ステージまで搬送する。その後、接合用ステージにて電極パッドに微小導電性ボールを熱圧着させることによってバンプを形成する。
【０００４】
或いは、プリント配線板等の電極部に低融点金属より成るバンプを形成させる場合は、電極部に予めフラックスを供給しておき、微小導電性ボールを電極部に配列した後、リフローする方法が一般的である。
【０００５】
上記ボール搭載容器は、例えば特開平５−２５９２２４号公報に記載のような振動付加装置に接続し、微小導電性ボールを跳躍させるもの、或いは多孔質材を用い、その下方から気流を噴出させることにより微小導電性ボールを半ば浮遊状態にするものである。
【０００６】
この微小導電性ボールを配列基板上に保持する工程は、数百個のボールが仮に１個でも欠けることは許されないものであり、配列基板上のすべての配列孔に１個ずつの微小導電性ボールが確実に吸引されるものでなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法における機械的振動によるボールの跳躍や、気流によるボールを浮遊させる方法においては、例えば、図３に示すような一般的な形状のボール搭載容器を用いた場合、ボール搭載容器からの微小導電性ボールの飛散が激しく、それを防止するためには容器縁を高くする必要があった。そのため容器自身が大型化してしまい、生産設備としてはコストアップの要因となり、大きなボール搭載容器ではボールの使用量も多く、効率が悪かった。
【０００８】
更に、振動による跳躍の場合は、ボール搭載容器の重量増のために振動源から伝わる振動が抑制されてボールが上手く跳躍しないという問題もあった。また、容器の大型化は、跳躍或いは半ば浮遊するボールの面密度の低下をもたらし、ボールの吸引もれが発生する等の問題がある。このボールの吸引もれを無くするため、吸引時間を長くする方法もあるが、この場合吸引時間の増長は生産効率の低下をもたらしていた。
【０００９】
本発明はかかる実情に鑑み、装置をコンパクトに構成しながら、効率よく且つ的確にボールを吸引保持し得るボール跳躍装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のボール跳躍装置は、微小導電性ボールを跳躍させて半導体チップ或いは基板の電極に対応する位置に吸引配列して保持した後、対応する被接合部へ前記微小導電性ボールを転写するようにした配列基板を備えた配列ヘッドを有するボール跳躍装置であって、前記微小導電性ボールを跳躍させる平坦部分と、この平坦部分よりも高い位置にある容器外辺部分と、前記平坦部分及び前記容器外辺部分間に設定される傾斜を持った面とからなり、前記平坦部分が前記配列基板の微小導電性ボール吸引保持部と同等もしくはそれ以上の大きさであるボール搭載容器と、前記微小導電性ボールを跳躍させるための振動源とを含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のボール跳躍装置において、前記容器外辺部分にさらに縁が設けられ、 前記傾斜を持った面の傾斜角度は、前記微小導電性ボールを前記平坦部分に集中させ、かつ前記配列基板が前記容器外辺部分の縁と干渉しなようにする範囲に設定されることを特徴とする。
【００１６】
本発明のボール跳躍装置は、搭載した微小導電性ボールを振動によって跳躍させ、配列孔に効率よく吸引保持させ得るようになっている。特に、微小導電性ボールを跳躍させる平坦部分と容器外辺部分との間に傾斜を持たせることで容器外周へのボールの飛散を抑制することができる。これによりボール配列基板の配列孔付近にボールを集中させ、吸引効率を格段に向上させることができる。
【００１７】
また、ボール搭載容器の大型化を抑えることにより、この部位及び周辺の空間的な設計が有利になっている。また、振動による微小導電性ボールの跳躍において、ボール搭載容器の主材をアルミニウム及びこれを主成分とする合金とすることにより、ボール搭載容器の小型化と併せて更に軽量化することができる。そして振動源からの振動を効率よくボール搭載容器に伝えることができ、微小導電性ボールを安定かつ確実に跳躍させることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明によるボール搭載容器及び装置の好適な実施の形態を説明する。
ここで先ず、ボール搭載容器の重量を抑えてボールの飛散を防止する方法として図４（ａ）のように、搭載容器縁２０に薄い箔のようなものを使用して高くしたものも考えられる。しかしこの場合、跳躍又は半ば浮遊する微小導電性ボール１が到達する高さまで配列基板５を下降させる必要があるため、配列ヘッド２１を長くしなければならない。このため配列ヘッドが大型化してしまい、生産設備としてはコストアップ要因となるので望ましくない。
【００１９】
逆に配列ヘッドの大型化を防ぐために微小導電性ボールの跳躍又は半ば浮遊する高さを大きくする方法も考えられるが、ボール密度の低下を招くので好ましくない。配列基板及び配列ヘッドはボールを配列する半導体チップやプリント基板等に依存してその大きさ、形状が変化する可能性があるため、ボール搭載容器もそれに対して柔軟に対応できるものが望まれる。
【００２０】
図４（ｂ）に示した本発明によるボール搭載容器を使用した場合の一例と比較すると、ボール搭載容器の外辺部分と平坦面との間に傾斜を持たせることによりボール搭載容器の縁を高くすることなくボールの飛散を抑えることができる。このため配列ヘッド２１を大型化することなく微小導電性ボールを吸引保持することができる。また、配列ヘッド２１の大型化を抑えて配列基板をボール搭載容器の平坦面へ接近させることがきるので、図４（ａ）の場合よりもボール密度が高い状態で吸引することができ、効率がよい。また、配列基板とボール搭載容器の縁が接触する恐れがないことから配列基板の多少の大きさの変動にも有効に対応することができる。
【００２１】
次に、図５（ａ）に従来のボール搭載容器、図５（ｂ）及び（ｃ）に本発明のボール搭載容器断面の一例を示す。（ｂ）及び（ｃ）に示すように傾斜部分の形状は直線でも曲線でも良い。どちらの場合も平坦部と容器外辺部を結ぶ線と平坦部の成す角の角度が２°〜４５°の範囲が望ましい。つまり、２°以下の角度ではボールの平坦部分への集中が不十分であり、ボールが跳躍時に飛散する恐れがある。また、４５°以上の角度の場合はボール配列基板と容器の縁が接触する可能性があり容器の大型化が必要となる。
【００２２】
ボール搭載容器の平坦部の形状は多角形でも円形でも良いが、跳躍の対称性を考慮すると円形が望ましい。図６（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に本発明の容器形状の例を示す。図６（ａ）において、ボール搭載容器及び装置が円形の場合、その平坦部分の直径は微小導電性ボールを吸引させる配列基板の最大外形と同等、もしくはそれ以上の大きさが必要である。配列基板よりも若干平坦面を広げることにより、吸着もれの発生し易い配列基板中心から離れた位置の配列孔にも安定してボールを吸引することができる。図６（ｂ）又は（ｃ）のようなその他の形状においても同様である。
【００２３】
本発明のボール搭載容器は振動源からの脱着が可能である。実施形態ではネジで固定しているが、その他にも嵌め込み治具等に固定する方法も考えられる。搭載容器を脱着可能とすることにより、あらゆる大きさの配列基板に対応したボール搭載容器の交換を容易に行うことができる。
【００２４】
また、微小導電性ボールの跳躍を機械的振動によって行う場合、振動源には電磁弁、カム機構及びピエゾ素子等によるものが考えられる。これらにおいて、効率よく微小導電性ボールを跳躍させるためには振動源とボール搭載容器の接触面積、搭載位置或いは振動周波数等を考慮しなければならない。例えばピエゾ素子を用いた振動源として後述の第１実施例にあげるようなパーツフィーダが考えられる。パーツフィーダは時計等の微細部品の選別に一般に用いられている。この種のパーツフィーダを振動源に用いた場合、電磁弁やカム機構による振動に比べて高周波振動を発生させ易く、装置の他の部分に対して振動による悪影響を及ぼすことを低減することができ、極めて安定したボール跳躍高さの維持が実現可能である。
【００２５】
ボール搭載容器の重さや形状によって共振周波数が異なるため、共振周波数をはずれるとボール搭載容器は振動しないのでボール搭載容器を交換した場合振動数を調節する必要がある。また、振動源にボール搭載容器を取り付ける場合、図７（ａ）に示すように振動が効率よく伝わるようにするために、ボール搭載容器はパーツフィーダ内に設置されているピエゾ素子１１の直上で接触するように取り付けることが望ましい。特にボール搭載容器の重量が１００ｇ以上の場合、或いはボール搭載容器の外径がパーツフィーダとの接触面径の２倍以上となる場合に有効である。このような場合には、ボール搭載容器にパーツフィーダの振動が充分に伝わるようにボール搭載容器を軽量化させるため、本発明のアルミニウムもしくは比重がアルミニウム以下の金属を主成分とする合金から成るボール搭載容器を用いることが有効である。
【００２６】
ボール搭載容器が比較的小型である場合、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すようにピエゾ素子１１直上に接触面がなくともかまわない。第１実施例で用いるもので、重さが約３０ｇの場合１３０〜１５０Ｈｚ付近であるが、１３５〜１４５Ｈｚが望ましい。また、重さが約１４０ｇの平坦部分の面積が広いボール搭載容器を用いた場合１１０〜１３０Ｈｚ付近であるが、１１５〜１２５Ｈｚが望ましい。その他、振動源としては、安定した振動供給が可能であればパーツフィダ以外のものであっても差し支えない。
【００２７】
また、気流によってボールを半ば浮遊状態とする場合、そのガスとして乾燥空気にＡｒ、Ｎ_２ 等を用いてもよい。不活性ガスを用いることにより微小導電性ボールの酸化を押さえることができる。また、イオン化されたガスを用いてボール同士に発生する静電気を防止してもよい。これらのガスを導入する際、フィルタを通過させ、気流導入孔に埃等が目詰まりしないようにすることが望ましい。気流導入孔は微小導電性ボールのサイズよりも小さければ機械加工で開けてもよいし、多孔質材を用いてもよい。ボール搭載容器に用いる多孔質材の孔径は、図８に示すように搭載する導電性ボールの径よりも小さく、気流の噴出を止めても微小導電性ボールが孔に入らないようにしてある。また、孔はボール搭載容器の平坦部分一面に設けられており、微小導電性ボールを一様に分布させるため、均一に孔を配置させることが望ましい。
【００２８】
その他、孔をボール搭載容器平坦部だけでなく、傾斜部にもその斜面に対して垂直に開孔し、気流がやや容器中心へ向かうようにしてボールの飛散を防ぐこともできる。ボール搭載容器に用いる多孔質材はセラミックス以外にも微細柱状組織から成るものや、編目状のものでもかまわないし、平坦部のみに多孔質材を用いて傾斜部には他の物質を用いて組み合わせても良い。
【００２９】
また、図４（ａ）のようなボール搭載容器の縁を高くしようとした場合、配列ヘッド外形とボール搭載容器縁の内径が近いと、微小導電性ボールを半ば浮遊させるために噴出させている気流の流れが抑制され、ボールが浮遊しなくなる恐れがある。従ってボール搭載容器縁と配列ヘッドの間には気流が流れるように充分な間隔が必要である。
【００３０】
【実施例】
ここで、図１において本発明によるボール搭載容器及び装置を用いた微小導電性ボールバンプの製造法の一実施例を示す。以下に図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３１】
図１は、ボール搭載容器２に機械的振動を加えることによって微小導電性ボール１の跳躍を行う方式の例を示している。振動を付加させるための振動源にパーツフィーダ１０を用い、微小導電性ボール１を搭載したボール搭載容器２を接続した。パーツフィーダ１０の振動数は１４０Ｈｚである。配列孔６を有する配列基板５上に微小導電性ボール１を吸引保持する工程を示している。
【００３２】
図１において、ボール搭載容器２の平坦面１５の直径は２５ｍｍ、容器外辺部分１６の直径は４０ｍｍ、傾斜部分１７の角度は約８°である。平坦面の直径は微小導電性ボールを吸引させる配列基板の最大外形と同等、もしくはそれ以上の大きさが必要であり、５％以上が望ましい。この実施例では平坦面直径を配列基板の最大外形よりも約１０％大きくした。微小導電性ボール１は、直径４０μｍの金である。
【００３３】
このボール搭載容器２の上方から減圧吸引部４を備えたボール配列基板５を接近させて微小導電性ボール１を所定の配列孔６に吸引保持させた。配列基板５は１６ｍｍ×１６ｍｍで、そこに形成された配列孔６は配列基板５にボールバンプを形成させる半導体チップの電極位置に対応して配列されており、１枚の配列基板上には合計３００個の配列孔が形成されている。
【００３４】
配列基板に微小導電性ボールを吸引保持した後、半導体チップのＡｌ電極パッドにその微小導電性ボールを熱圧着させてボールバンプ付きの半導体チップを作製した。パーツフィーダの振動をボール搭載容器に伝え、微小導電性ボールを跳躍させる装置を使用したことにより、ボール搭載容器からの微小導電性ボールの飛散なく配列基板への微小導電性ボールの吸引が確実に行われ、半導体チップ上に効率良くボールバンプを形成させることができた。
【００３５】
図３に示すような従来技術によるボール搭載容器を用いた場合、この第１実施例と同様の実験を行った結果、実験中ボールの飛散が激しく、搭載したボールが著しく減少した。また、搭載容器上のボールの跳躍も不均一であるため吸着毎に５〜１０個程度の吸着もれが発生した。また、第１実施例で用いた配列基板と配列ヘッドを使用し、図４（ａ）のような縁の高いボール搭載容器を用いて同様の実験を行った結果、ボール跳躍高さを高くしても１０個以上の吸着もれが発生した。この吸着もれをなくすためには第１実施例の５倍以上の吸着時間を必要とし、バンプ生産行程において問題であることがわかった。
【００３６】
次に、図２は本発明の第２実施例を示している。ここでは、図２に示すように気流導入方式を用いたボール搭載容器２を使用した。微小導電性ボール１は、直径１００μｍの半田（Ｓｎ；６３／Ｐｂ；３７）ボールである。微細多孔質材１２はセラミックスから成る多孔質材で形成されたディスクであり、容器のボール搭載部に設置されている。気流源１３と流量微調整機構１４により発生させたドライな空気の流れはボール搭載容器２の下部に設けた気流通路３を通して微細多孔質材で形成されたボール搭載容器２上から噴出し、微小導電性ボール１へ導かれ、ボールが浮遊する状態になるようにした。
【００３７】
微細多孔質材１２の形状は、厚み３ｍｍで第１実施例と同形状のものであり、公称濾過精度が５μｍのものを使用した。空気流量は１〜３Ｌ／ｍｉｎとした。この第２実施例においても第１実施例の場合と同様に、ボール搭載容器２からの微小導電性ボール１の飛散なく、各配列孔６に１個ずつの微小半田ボールを能率良く吸着させることができた。なお、図２において、８は真空ポンプ、７はアクチュエータ、９は真空レギュレータである。
【００３８】
なお、実施例ではボール搭載容器に微小導電性ボールを搭載したまま持ち運ぶ等したときの転がり防止のため、ボール搭載容器の外辺部に縁２０を持たせているが、この縁２０は設けなくとも差し支えない。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ボール搭載容器及び装置による配列基板上への微小導電性ボールの吸引配列において、ボール搭載容器からの微小導電性ボールの飛散がなく、１個の配列孔に確実に１個の微小導電性ボールが吸引、保持される。これにより吸引保持できない配列孔が残ったり、２個以上の微小導電性ボールを吸引してしまう配列孔が発生したりしないので、従来より格段に効率よく多数の微小導電性ボールを配列保持させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における振動発生源を利用したボール搭載容器、並びにこのボール搭載容器を用いて微小導電性ボールを吸引保持する工程を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例における微細多孔質材を利用したボール搭載容器、並びにこのボール搭載容器を用いて微小導電性ボールを吸引保持する工程を示す図である。
【図３】本発明に対する従来例としての一般的形状のボール搭載容器の例を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明に対する比較例を、（ｂ）は本発明の実施形態におけるボール搭載容器の例を示す図である。
【図５】（ａ）は本発明に対する比較例を、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の実施形態におけるボール搭載容器の形状例を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ本発明の実施形態におけるボール搭載容器の形状例を示す図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ本発明の実施形態におけるボール搭載容器を振動源に取り付ける場合の例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態における気流導入孔を有するボール搭載容器の例を示す図である。
【符号の説明】
１ 微小導電性ボール
２ ボール搭載容器
３ 気流通路
４ 減圧吸引部
５ 配列基板
６ 配列孔
７ アクチュエータ
８ 真空ポンプ
９ 真空レギュレータ
１０ パーツフィーダ（振動源）
１１ ピエゾ素子
１２ 微細多孔質材
１３ 気流源
１４ 流量微調整機構
１５ 平坦面
１６ 容器外辺部
１７ 傾斜部分
１９ 振動源
２０ 縁
２１ 配列ヘッド

Claims (2)

1. 微小導電性ボールを跳躍させて半導体チップ或いは基板の電極に対応する位置に吸引配列して保持した後、対応する被接合部へ前記微小導電性ボールを転写するようにした配列基板を備えた配列ヘッドを有するボール跳躍装置であって、
   前記微小導電性ボールを跳躍させる平坦部分と、この平坦部分よりも高い位置にある容器外辺部分と、前記平坦部分及び前記容器外辺部分間に設定される傾斜を持った面とからなり、前記平坦部分が前記配列基板の微小導電性ボール吸引保持部と同等もしくはそれ以上の大きさであるボール搭載容器と、前記微小導電性ボールを跳躍させるための振動源とを含むことを特徴とするボール跳躍装置。
2. 前記容器外辺部分にさらに縁が設けられ、
   前記傾斜を持った面の傾斜角度は、前記微小導電性ボールを前記平坦部分に集中させ、かつ前記配列基板が前記容器外辺部分の縁と干渉しなようにする範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載のボール跳躍装置。

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