JP4006699B2 - 微小ボール搭載用マスクおよび微小ボールの搭載方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小ボールの搭載用マスク及び搭載方法に係り、特に電子部品のバンプ形成に用いられる半田ボールを搭載するに好適なマスク及び搭載方法に関する。
【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）に対しては、その小型化、薄型化と接続端子数の増加という相反する性能が要求されている。その要求に応ずるものとして、電極に半田ボールを搭載して接続端子（以下半田バンプとも言う）を形成したＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型又はＦＣ（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ）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、電極にソルダーペーストもしくはフラックスを印刷する印刷工程と、ソルダー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搭載する半田ボール搭載工程と、その半田ボールを加熱し溶解す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搭載する方法としては、吸着方式と振込み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、電極へ搭載する方式である。振込み方式は、例えば特開２００１−２６７７３１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に配設し、開口部に半田ボールを振り込むことにより電極に搭載する方式である。
【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２００１−２６７７３１公報（段落番号００２０、００２４〜００２８）
【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が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。さらに、吸着時の空気流により半田ボールが帯電して電磁気力を帯び、その電磁気力のために団子状態となった半田ボールが吸着されて、その集合体が電極に搭載されたり、或いは余剰半田ボール（いわゆるエクストラボール）が吸着孔以外に付着し、電極以外のワーク表面に搭載されるという問題があり、半田ボールの径小化に伴い特に顕著になってきている。
【０００７】
一方、振込み方式では、半田ボールが帯電した場合でも、開口部の大きさの規制により、団子状態となった半田ボールが電極に搭載されることはない。しかし、スキージを移動させたりマスクを傾斜させたりして、マスク表面の半田ボールを開口部に落下させる方式であり、半田ボールが径小になるほど相対的に重力の作用が小さくなり、開口部への装入の確度が低くなるという問題がある。また、開口部の形状によっては、既に開口部に装入された半田ボールが掻き出されたり、余計な半田ボールが開口部に貯留されてマスク取り外し時にワークに落下して付着するという問題もある。特許文献２には、ストレートな開口部における半田ボールに対する寸法関係が開示されているが、半田ボールの直径が１００μｍ以下ともなると、一旦装入された半田ボールはわずかな外力でも脱出しやすく、充填率を高めることが難しい。
【０００８】
本発明は、所定の配列パータンで確実に微小ボールをワークに搭載するためのマスクおよび配列方法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】
本発明の微小ボール搭載用マスクは、所定の配列パターンで微小ボールをワークの一面に配列された電極に搭載するため、微小ボールが供給される一方の面および一方の面に相対する他方の面と、前記配列パターンに対応し、微小ボールが挿通可能な前記一方の面および他方の面に開口した貫通孔とを備え、他方の面をワークの一面に位置決めし、微小ボールを貫通孔を通して前記ワークの電極面に搭載する振込式のマスクであり、特に直径が１００μｍ以下のボールを搭載するのに好適なものである。
【００１０】
前記マスクは、前記他方の面を前記ワークの一面に位置決めした時、ワークの電極面からマスクの一方の面までの距離ｔが、微小ボールの直径ｄに対し０．８≦ｔ／ｄ≦１．４となる厚さを有している。このように厚みを規制することにより、前記マスクは、貫通孔に導入された微小ボールを抜け難くし、さらに複数個の前記微小ボールが、同一の貫通孔に導入されることを阻止する作用を有する。
【００１１】
また、前記貫通孔は、前記一方の面側から前記他方の面側に向かい広がる第１のテーパ孔部と、前記第１のテーパ孔部と同軸に前記マスクの前記一方の面に形成された面取り状の第２のテーパ孔部とを有している。第１のテーパ孔部の一方の面側の辺縁部稜線は、ワークの電極面に搭載された微小ボールの中心より一方の面側に偏位されているので、第１のテーパ孔部の一方側の辺縁部で微小ボールの上半球を押えることができ、貫通孔に導入された微小ボールを抜け難くする作用を有する。また、第２のテーパ孔部によりさらに円滑に微小ボールを導入できる。
【００１２】
さらに、前記第１のテーパ孔部および第２のテーパ孔部は、側壁に角部のない略円錐台形状とすれば、該角部で前記微小ボールの導入が阻害されることがないので好ましい。さらに加えて、第２のテーパ孔部の一方の面側の開口の直径は１．２ｄ以上１．４ｄ以下とし、第１のテーパ孔部の他方の面側の開口の直径は（微小ボール搭載許容範囲値＋ｄ）以下とすれば、より微小ボールを円滑に導入しつつ、かつ導入後の微小ボールの位置を規制することができるので好ましい。
【００１４】
本発明の微小ボール搭載方法は、微小ボールが搭載されるべきワークと所定配列パターンに形成された貫通孔を有するマスクを相対的に移動して位置決めし、マスク上面に微小ボールを供給し、線状部材の側面腹部で微小ボールを掃って貫通孔に振り込むことを特徴としている。そのマスクには、上記で説明したマスクを用いれば望ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、微小ボールとして、ＢＧＡ型又はＦＣ型の半導体部品又は基板にバンプを形成するために用いられる半田ボール或いはハンダメッキされた銅ボール（以下、ボールと称する）を例にし、ワークの一面に配列された電極に該ボールを搭載する場合について以下図面を参照して説明する。図１は、本発明の参考例としてのマスク４を示す図である。図２は、本発明の実施例のマスク６を示す断面図である。図３は、参考例及び実施例のマスク貫通孔の詳細を示す断面図である。図４、ブラシを用いてマスクの貫通孔へボールを振り込む時の状態を示す図である。図５は、図１のマスクの変形例を示す図である。図６は、図２のマスクの変形例を示す図である。
なお、本発明の微小ボール搭載用マスクおよび微小ボール搭載方法は、直径が３００μｍ以下のボール、特に１００μｍ以下のボールをワークに搭載するに好適なものである。
【００１６】
まず、参考例のマスク４について説明する。図１に示すように、ボール３が搭載されるワーク１は、その上面にボール３が搭載される電極面２１を備え、所定のパターンで配列された電極２を有している。そのワーク１の電極２の配列パターンでボール３を前記ワーク１の電極面(一面)２１に搭載するためのマスク４は、ボール３が供給される上面（一方の面）４１および上面に相対する下面（他方の面）４２と、前記配列パターンに対応し、ボール３が挿通可能な上面４１と下面４２に開口した貫通孔５とを備えている。前記ワークの電極面２１に対し下面４２を位置決めし、ボール３を貫通孔５を通して電極面２１に搭載させる。貫通孔５は、上側から下側に向かい広がる第１のテーパ孔部５１を有しており、テーパ孔部５１の上側の辺縁部５１ａの稜線５１ｂは、前記電極面２１に搭載されたボール３の中心より上側に偏位されている。
【００１７】
マスク４は、図１（ｂ）に示す突起部４３を有し、その下面４２がワーク１と接触しないような構造や、突起部４３を有せず、その下面４２がワーク１と接触するような構造をとることができる。いずれの構造であっても、マスク４は、その下面４２を電極面２１に位置決めした時、該電極面２１からマスク４の上面４１までの距離ｔが、ボール３の直径ｄに対し０．８≦ｔ／ｄ≦１．４となる厚さを有するように形成する。すなわち、ｔ／ｄが０．８未満となるマスクの厚みの場合には、マスク４の上面４１に対しボール３の頂部が露出しすぎるため一度貫通孔５に充填されたボール３が該貫通孔５から抜け出やすく、ｔ／ｄが１．４より大きい場合は、貫通孔５に複数個のボール３が充填されやすい。
【００１８】
貫通孔５へ振り込まれた時、ほとんどのボール３はブラシの掃きならしやワークの傾きで貫通孔５の一方側の壁面に寄せられている。前記形状の貫通孔５によれば、ボール３は、その上半球が前記テーパ孔部５１の上側辺縁部５１ａに接触し、該辺縁部５１ａで上から押え付けられた状態となるので、例えば振動など外力が作用した場合でも貫通孔５から抜け出にくい。また、マスク４を上方に取り外す時、ボール３が前記壁面に接触したままであっても、壁面はボール３から離れる方向に移動するので、ボール３が、マスク４に引きずられて電極２から持ち去られることはない。
【００１９】
前記第１のテーパ孔部５１の形状は、略円錐台形状とすればよい。第１のテーパ孔部５１を略円錐台形状とすれば、その側壁には角部がなく、ボール３の導入が角部により阻害されず、貫通孔５へのボール３の導入をさらに円滑に行うことができる。
【００２０】
さらに、前記第１のテーパ孔部５１の上側開口端５１ｃの直径は、ボール３を容易に通過させるためには大きい方がよいが、大きくしすぎると電極２上に搭載されたボール位置のバラツキが大きくなるだけでなく、貫通孔５の上部に余分なボール３が停滞し易くなり、マスク４取り外し時にこのボール３がワーク１上へ落下し、電極２上に搭載されたボールを弾き飛ばしたりして配列不良を起こす恐れがあるため、１．２〜１．４ｄ程度とするとよい。さらに加えて、前記第１のテーパ孔部５１の下側開口端５１ｄの直径は、マスク４の強度が許す範囲で大きくする方がよい。すなわち、下側開口端５１ｄを大きくするほど、第１のテーパ孔部５１の側壁の傾きが大となり、ボール３をより上部から押さえることができ、ボール３を一層抜け出にくくすることができる。しかし、マスク取り外し時にボール３が電極２から離れてしまわないよう、電極幅をｂとすると、（ｂ＋ｄ）以下にすることが好ましい。
【００２１】
なお、前記マスク４は、上記説明に限定されることなく、その変形例を図５（ａ）に示すように、例えばボール３の振込方式などに応じ、前記マスク４の上面４１が下面４２に対しやや斜めに形成されたものであってもよい。さらに、同図（ｂ）に示すように、前記貫通孔５は、前記テーパ孔部５１の上部に連設し、該テーパ孔部５１と同軸で形成された円柱孔５３を有していてもよい。さらに、同図（ｃ）に示すように、前記貫通孔５は、前記テーパ孔部５１の下部に連接し、該テーパ孔部５１と同軸で形成された円柱孔５４を有していてもよい。
【００２２】
次に、本発明のマスク６の実施例について説明する。
実施例のマスク６は、図２に示すように、大略つづみ形状の貫通孔７を備えており、該貫通孔７は、前記貫通孔５の第１のテーパ孔部５１と基本的に同様な第１のテーパ孔部７１を有するとともに、第１のテーパ孔部７１と同軸にマスク６の上面６１に形成された面取り状の第２のテーパ孔部７２を有している。このような貫通孔７とすれば、マスク４の上面に供給されたボール３は第２のテーパ孔部７２で導びかれるので、貫通孔７へボール３をより円滑に導入することができる。なお、前述したように、貫通孔７における第１のテーパ孔部７１は、参考例における貫通孔５の第１のテーパ孔部５１と基本的に同様であり、第１のテーパ孔部５１における上側の辺縁部５１ａおよび稜線５１ｂは、図２で示すように第１のテーパ孔部７１における上側の辺縁部７１ａおよび稜線７１ｂに相当する。この場合の稜線７１ｂは、辺縁部７１ａと前記第２のテーパ孔部７２の下側辺縁部７２ａが交わった線分であり、前記第２のテーパ孔部７２の下側辺縁部７２ａの稜線７２ｂ、または前記第１の上側辺縁部７１ａの稜線７１ｂ（本実施例においては前記稜線７２ｂと７１ｂは同一である。）を面取り状あるいはＲ形状とすれば、ボール３をより円滑に導入するためには有効である。
【００２３】
前記第１および第２のテーパ孔部７１、７２の形状は、上記と同様な理由により、略円錐台形状とすればよい。すなわち、第１および第２のテーパ孔部７１、７２を略円錐台形状とすれば、その側壁には角部がなく、ボール３の導入が角部により阻害されず、貫通孔７へのボール３の導入をより円滑に行うことができる。
【００２４】
前記第２のテーパ孔部７２の上側開口端７２ｃの直径は、上記と同様な理由により、ボール３の直径に対し１．２〜１．４ｄ程度とするとよい。また、前記第１のテーパ孔部７１の下側開口端７１ｄの直径は、上記と同様な理由により、マスク４の強度が許す範囲で大きくする方がよく、さらに、マスク取り外し時にボール３が電極２から離れてしまわないよう、電極幅をｂとすると、（ｂ＋ｄ）以下にすることが好ましい。
【００２５】
上記形状の貫通孔７によれば、前記マスク４の貫通孔５の場合よりもボール３の搭載位置のバラツキを小さくすることができる。ずなわち、図３に示すように、貫通孔５（第１のテーパ孔部５１）の上側の開口端５１ｃおよび貫通孔７（第２のテーパ孔部７２）の上側の開口端７２ｃは、ボール３を円滑に導入するため上記で定めるような適宜な大きさＤ１を有している必要がある。ここで、貫通孔５において、第１のテーパ孔部５１は下側に広がるテーパ孔であるため、前記上側の開口端５１ｃが最も狭小であり、導入されたボール３の平面方向の位置は該開口端５１ｃで規制される。したがって、電極面２１に搭載されたボール３の位置は、該開口端５１ｃの大きさＤ１に応じたバラツキを有することとなる。
【００２６】
しかしながら、貫通孔７において、第２のテーパ孔部７２は下側に縮まるテーパ孔であり、その下側の開口端７２ｄ（本実施例においては第１のテーパ孔部７１の上側の開口端７１ｃと同一である。）の大きさＤ２が最も狭小となる。したがって、前記上側の開口端７２ｃから導入されたボール３の平面方向の位置は該開口端７２ｄで規制されので、該開口端７２の大きさＤ２をボール３より僅かに大きくしておくことにより、ボール３の搭載位置のバラツキを小さくすることが可能となる。
【００２７】
なお、前記貫通孔７の形状は、上記説明に限定されることなく、図６に変形例を示すように、前記第１および第２のテーパ孔部７１、７２に共に連設し、それらと同軸に形成された円柱孔７３を有していてもよい。
【００２８】
本発明のマスクは、新規なワークに対し都度セットして用いる平板状の一種の治具で繰返して使用するものであり、金属板、樹脂板、積層品、成膜品などを用いることができる。また、貫通孔は、正確に所定形状と寸法に形成しなければならないため、レーザ、エッチングなどで形成することができる。また、本マスクは、対象のボールが微小になると、それに合わせて厚さを薄くしなければならない。このため、マスクはニッケル電鋳で製造し、周囲を補強材で固定して剛性を高めるようにするとよい。
【００２９】
本発明の微小ボール搭載方法は振り込み方式によるものであり、ワークとワークの電極の配列パターンに対応した位置に形成された多数の貫通孔を有するマスクを相対的に移動させ、図１に示すように、ワークの電極とマスクの貫通孔の位置が一致するようにして密着させ、マスクの上面にボールを供給し、ボールを線状部材を備えたブラシの側面腹部で掃いて貫通孔に振り込むことで配列する方法である。
【００３０】
本発明は、マスクへのボール振り込みにブラシを用いて、ボール３をソフトにかつ確実に移動させるようにしたことを特徴としている。本発明において、マスクの貫通孔性状は特に限定されないが、上述した配列用マスクを用いることが好ましい。ブラシとしては、太さが例えば１０〜数十μｍ程度でボールより小さく、長さは例えば電極の数〜数十ピッチ分程度の自然繊維や人工繊維などの柔らかな線状部材８を多数、密に同方向に揃え、一端或いは両端を固定部材に取り付けたものを用い、線状部材８の側面を略水平にして上下方向に充分な柔軟性を持たせた状態で、線状部材８の下部がマスク４表面に軽く触れるようにして移動させるとよい。ブラシには、線状部材８が前後、上下に多層に配設されているため、図４に振り込み時における線状部材８の状態を断面図で示すが、全てのボール３は線状部材８で直接的或いは間接的に押されて移動するので、線状部材８が通過する範囲にある貫通孔５にボール３を確実に供給することができ、かつボール３に軽い下向の力を作用させるので、良好に貫通孔５内に装入することができる。
【００３１】
線状部材を上述したように移動させることで、貫通孔にボールを装入するとともに、マスク表面から残りのボールを排除することができる。この時、既に貫通孔に装入されているボールに対しては、線状部材はその側面がマスク表面で支持されて移動するので貫通孔に入り込むことはなく、マスク表面から出ていないか或いはわずかに出ているボールの頂部を側面腹部で滑っていくだけで、かつ上下方向に容易に逃げるので、ボールを掻き出すことはない。
【００３２】
なお、前記線状部材は、移送中に帯電する可能性のあるボールを除電するために導電性を有するようにすることが好ましい。さらに、前記線状部材は、水分によるボールの付着を防止するため、少なくともその表面が撥水性を有するようにすることが望ましい。
【００３３】
以上、バンプ形成用の半田ボールなどの導電性微小ボールを例に、電極と同じ配列になるように配列する場合を説明したが、この他、電子部品組立時のスペーサとして用いられる微小ボールを所定位置に配列するような場合などにも適用できることは言うまでもない。
【００３４】
【発明の効果】
以上、本発明の微小ボール搭載用マスクによれば、貫通孔に入った微小ボールを抜け出にくくし、さらにマスク取り外し時にも微小ボールをずらすことも少なく、また搭載位置のバラツキも抑えることができるので、多数の微小ボールを確実に所定のパターンでワークに搭載することができる。
また、本発明の微小ボール搭載方法によれば、多層の線状部材の側面腹部で微小ボールを掃うので、通過する範囲にある貫通孔にボールを確実に供給し良好に貫通孔内に装入するとともに、既に装入されたボールを掻き出すことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例のマスクを示す図である。
【図２】 本発明の実施例のマスクを示す断面図である。
【図３】 本発明の参考例及び実施例のマスク貫通孔の詳細を示す断面図である。
【図４】 ブラシを用いてマスクの貫通孔へボールを振り込む時の状態を示す図である。
【図５】 図１のマスクの変形例を示す図である。
【図６】 図２のマスクの変形例を示す図である。

Claims (4)

1. 所定の配列パターンで直径１００μｍ以下の微小ボールをワークの一面に配列された電極に搭載するための振込式のマスクにおいて、搭載すべき微小ボールが供給される一方の面および前記一方の面に相対する他方の面と、前記配列パターンに対応し、前記微小ボールが挿通可能な前記一方の面および他方の面に開口した貫通孔とを備え、前記他方の面を前記ワークの一面に位置決めし、前記微小ボールを前記貫通孔を通して前記ワークの電極面に搭載するマスクであって、前記マスクの厚さは、他方の面を前記ワークの一面に位置決めした時、前記ワークの電極面から前記マスクの一方の面までの距離ｔが、前記搭載すべき微小ボールの直径ｄに対し０．８≦ｔ／ｄ≦１．４となる関係を有してなるとともに、前記貫通孔は、前記一方の面側から前記他方の面側に向かい広がる第１のテーパ孔部と、前記第１のテーパ孔部と同軸に前記マスクの前記一方の面に形成された面取り状の第２のテーパ孔部とを有し、前記第１のテーパ孔部の前記一方の面側の辺縁部稜線は、前記ワークの電極面に搭載された微小ボールの中心より前記一方の面側に偏位されてなることを特徴とする微小ボール搭載用マスク。
2. 請求項１に記載の微小ボール搭載用マスクにおいて、前記第１のテーパ孔部および第２のテーパ孔部は、略円錐台形状をなすことを特徴とする微小ボール搭載用マスク。
3. 請求項１に記載の微小ボール搭載用マスクにおいて、前記第２のテーパ孔部の前記一方側の開口の直径は１．２ｄ以上１．４ｄ以下であり、前記第１のテーパ孔部の前記他方側の開口の直径は（微小ボール搭載許容範囲値＋ｄ）以下であることを特徴とする微小ボール搭載用マスク。
4. 微小ボールが搭載されるべきワークと所定配列パターンに形成された貫通孔を有する請求項１乃至３のいずれかに記載のマスクを相対的に移動して位置決めし、マスク上面に微小ボールを供給し、線状部材の側面を略水平にして腹部で微小ボールを掃って貫通孔に振り込むことを特徴とする微小ボール搭載方法。

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