JP4221728B2 - 導電性ボールの配列用マスクおよびそれを用いた導電性ボール配列装置 - Google Patents

導電性ボールの配列用マスクおよびそれを用いた導電性ボール配列装置 Download PDF

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Description

本発明は、導電性ボールを被配列体に配列する導電性ボールの配列用マスクおよびそれを用いた配列装置に関し、特に、被配列体として電子部品の接続バンプを形成するにあたり用いられる微小な半田ボールを電子部品に配列するのに好適な導電性ボールの配列用マスクおよびそれを用いた導電性ボール配列装置に係るものである。
近年、携帯端末機器やノート型パソコンの高速化・高機能化及び小型化・薄型化が進んでおり、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などの電子部品にも小型化・薄型化が要求されるとともに接続端子数を増加させるという相反する要求がなされている。そのような要求に応じるものとして接続バンプをエリアアレイに配列したBGA(Ball Grid Array)型又はFC(Flip Chip)型の電子部品がある。
その接続バンプの製造方法として半田ボールを採用したボール方式がある。ボール方式によれば、電子部品において半田ボールが配列される電極にソルダーペースト又はフラックスを印刷する印刷工程と、ソルダーペースト又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、半田ボールを加熱し溶解して接続バンプを形成する半田ボール加熱工程を経て接続バンプは製造される。
その半田ボール配列工程において半田ボールを配列する方法として、吸着ヘッド方式とマスク配列方式が周知であり、後者の一例が下記特許文献1に記載されている。マスク配列方式は、電子部品の接続バンプの配列位置、例えば接続バンプが形成される電極に対応し半田ボールが挿通可能に形成された開口部を有するマスクを電子部品に対して位置合わせをし、マスクの上に供給された半田ボールを例えばスキージを用いて移動させ開口部に充填し(この動作を振込みという。)電子部品に半田ボールを配列する方式である。
半田ボールを電子部品に正確に配列するためには、マスクの下面が電子部品の表面に接触した状態で位置合わせをする必要がある。ここで、接続バンプの内部にボイドが発生することを回避し、接続バンプと電極との接合強度を確保し、さらに半田ボールを仮固定するために粘着膜であるフラックスが電極に塗布されている。そのため、上記のようにマスクを電子部品に位置合わせするとフラックスがマスクに付着し、電子部品とマスクが接着されたような状態になってしまう。さらに、マスクの開口部に充填された半田ボールによってフラックスが潰されて押し広げられ開口部の壁面に付着すると、壁面に付着したフラックスに半田ボールが捕捉されてしまい、半田ボールが電子部品に配列されない場合もある。
そこで、特許文献1のマスクの底面には、図12(a)に示すように、その非開口部132が直接フラックスに接触しないようにマスクを支える凸部139が形成されている。したがって、特許文献1のマスクによれば、マスクを電子部品に重ね合わせた時にマスクにフラックスが付着しにくいという利点がある。
特開2001−267731号公報(段落番号0024〜0026)
しかしながら、例えばFC用の半田ボールのように100μm、あるいはそれ以下の直径のボールを配列しようとする場合には、マスクと電子部品の間に数十μm程度の隙間が生じると、半田ボールがマスクの開口部に充填される際に、半田ボールがマスクと電子部品の間に潜り込んでしまい配列不良を生じてしまう。このため、静電気力や磁力を利用してマスクを基板表面に密着する工夫がなされる。ただ、マスクを支える凸部の配設間隔が非常に大きい場合やマスクの非開口部の厚みが薄い場合には、マスクの剛性が不足し、電子部品にマスクを吸引する静電気力や磁力、あるいは半田ボールを移動させるスキージの接触力などによって、図12(a)に示すように、マスクが凸部139の間で撓んでしまう。これによって、一旦マスクの開口部131に充填された半田ボール2が開口部131の外に弾き出されたり、電子部品表面のフラックスがマスクに付着したりして、配列不良を生じてしまう。更に、このマスクの剛性不足を補うため、図9に示すように、開口部131を取り巻くように凸部139を形成する場合、半田ボールの配列パターンによってはマスクの製作が困難となる。即ち、例えば、直径80μmの半田ボールを140μm程度のピッチで配列する場合、マスクの開口部とそれに隣接する開口部131との仕切りの厚みが60μm以下と非常に小さくことから、非常に高精度なマスク製造技術が要求され、工業的には開口部131の周囲に凸部139を形成することが困難である。なお、フラックスがマスクに付着する問題に対しては、フラックスをより薄く印刷したり、半田ボールの投影面積より小さな面積で印刷することにより解消される場合もあるが、厳密な印刷条件の管理が必要となり実用的でない。
本発明は、上記した問題を鑑みてなされたものであり、導電性ボールを配列するための改良されたマスクおよびそれを用いた導電性ボール配列装置を提供することを目的としている。
なお、本発明で言う導電性ボールとは、Sn又はCu、Au、Ag、W、Ni、Mo、Alなど金属を主体としたボール、又はポリプロピレン又はポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアミド、酢酸セルロース、ポリエステル系などの樹脂を主体とした球体の表面に半田などの導電性金属をコーティングしたボールのことである。また、本発明で言う被配列体とは、半導体装置(チップ)または基板、ウエハー、それらのパッケージ、その他の電子部品など接続バンプとして導電性ボールが採用される電子部品、又は電子部品に接続バンプを形成するための部材、例えば導電性ボールを電子部品に搭載するため該導電性ボールが配置される部材のことである。
本発明の一態様は、所定のパターンで極が配置された電子部品の当該電極に導電性ボールを被配列体に配列するため、前記パターンに対応し前記導電性ボールが挿通可能な複数の開口部が形成された平板状の軟磁性を有するマスクであって、前記マスクの一面の開口部と開口部の間の非開口部から突起した柱状の突起部とを有し、前記突起部は、前記マスクの一面を前記被配列体の一面に位置合わせしたときに前記被配列体に当接可能に設けられており、更に前記突起部は樹脂で構成され、加えて前記非開口部の方向に向かい広がる略円錐形状をなしている導電性ボールの配列用マスクである。この配列用マスクによれば、例えば粘着膜が形成された被配列体に軟磁性を有するマスクを磁力で密着させて位置合わせする場合において、該粘着膜が接触しないようにマスクの突起部を形成する。突起部は、マスク非開口部の任意の位置に形成できるので設計の自由度が向上し、非開口部においても撓みが生じない所定の剛性を有するマスクを得ることができ、更に突起部は樹脂で構成されているので被配列体が損傷する恐れの少ないマスクを得ることができ、特に径小の導電性ボールを搭載する場合に好適なマスクを提供することができる。
上記したマスクにおいて、導電性ボールの配列ピッチが小さい場合、すなわち開口部同士の間隔が狭小の場合には、図10(a)〜(c)に示すように、隣接した複数の開口部131で包含される非開口部132の図心(破線示す多角形の図心)Pの付近に突起部133を形成し、その突起部133の太さを、前記非開口部132の面積に対して小さくするのが望ましい。さらに、非開口部の面積が場所により異なる場合には、突起部の形成のし易さを考慮し、非開口部の面積に応じた突起の太さや断面形状を選定することができ、例えばマスクとの接触面積を抑えつつ突起部の強度を維持する場合には非開口部の方向に向かい突起部が広がる略円錐形状とすることが望ましく、工業生産的に低コストでマスクを製造する観点からは略円柱形状とすることが望ましい。そして、開口部に導電性ボールが充填された後、その位置がずれないようにするためには、突起部の高さの上限を導電性ボールの半径以下とすることが望ましい。
本発明の一態様は、所定の配列パターンで導電性ボールを被配列体に配列するための導電性ボール配列装置であって、前記被配列体を載置する載置台と、前記載置台に載置される被配列体に対し位置決め可能に配設された上記した配列マスクとを有する導電性ボール配列装置である。
本発明の一態様は、所定の配列パターンで導電性ボールを被配列体に配列するための導電性ボール配列装置であって、前記被配列体を載置する載置台と、前記載置台に載置される被配列体に対し位置決め可能に配設された上記軟磁性を有する配列マスクと、前記載置台の下方に配設された磁石部とを有する導電性ボール配列装置である。
上記したマスクによれば、例えば非常に小さいピッチで粘着膜が形成されたような被配列体にマスクを重ね合わせた場合においても、更に、磁力などでマスクを被配列体方向に吸引した場合においても、マスクの非開口部に設けた突起部によって、撓みが生じない所定のマスク剛性を確保できるため、マスクに粘着膜が付着することがなく、安定した信頼性の高い搭載が可能である。
また、上記した導電性ボール配列装置によれば、上記のようなマスクを採用しているので、導電性ボールを高い確度で被配列体に配列できる。
本発明について、その一実施様態に基づき図面を参照し説明する。なお、以下の態様のマスクは、直径が300μm以下の半田ボール、特にFCに採用されるような100μm〜50μm程度の半田ボールを配列するのに極めて有効である。
図1は、本発明の一実施態様のマスクを用いた導電性ボール配列装置の概略構成図である。図2は、図1の部分拡大断面図である。図3は、図1のウエハーの斜視図である。図4は、図1のマスクの斜視図である。図5は、図1の導電性ボール配列装置の動作を説明する図である。図6は、図3とは別の態様のウエハーの斜視図である。図7は、図6のウエハーに半田ボールを配列するマスクの斜視図である。図8は、図1のマスクを部分拡大した平面図と断面図である。図9は従来のマスクを部分拡大した平面図と断面図である。図10は非開口部の図心位置説明図である。図11は図7のマスクを部分拡大した平面図である。図12はマスクの撓み状態を説明する図である。
まず、本態様において導電性ボールである半田ボール2が配列される被配列体であるウエハーについて説明する。図3(a)に示すように、ウエハー3は、規則的に配置された複数の半導体チップ32から構成されている。各半導体チップ32の一面(以下電極面と称する。)には、その入出力端子であり半田ボールが載置される電極31が一定のパターンで領域34の中に形成されている。そのウエハー3は、図3(b)の2点鎖線で示す切断線33に沿い個片に切断され、個々の半導体チップ32とされる。このウエハー3の電極31の上面には、図2に示すように、例えばハンダペースト又はフラックスが所定の厚みで印刷されてなる粘着膜4が予め形成されている。
上記ウエハー3に半田ボール2を配列する導電性ボール配列装置1は、図1に示す様に、電極面を上にしてウエハー3が載置され水平状態を保持するウエハー載置部11と、そのウエハー3に半田ボール2を配列するためのマスク13と、マスク13をウエハー3の電極面に密着させる磁石部12と、半田ボール2を振込むボール供給部14とで構成されている。なお、この導電性ボール配列装置は、本発明に係るマスクを採用した特に自動化を目的とした最良の形態であって、ウエハー載置部11や磁石部12、ボール供給部14は必ずしも必須の構成ではなく、必要に応じ他の構成を採用することができる。以下、ウエハー載置部11、マスク13、磁石部12及びボール供給部14について説明する。
[ウエハー載置部]
ウエハー載置部11は、水平状態にウエハー3を取り付けるウエハー取り付け凹部113とウエハー取り付け凹部113の底部に開口した吸着管路114とを備えた載置台111と、配管116を介して吸着管路114に接続された真空ポンプ115とで構成されている。ここで、ウエハー取り付け凹部113は、ウエハー3が収まりウエハー3と載置台111の上面が同一面となるように、ウエハー3の外形より若干大きくウエハー3の厚みとほぼ同じ深さに形成されている。
[マスク]
マスク13は、図4及び図8(a)、(b)に示す様に、ウエハー3の電極31の配列パターンに対応し形成され半田ボール2が挿通可能な貫通孔状の開口部131と、非開口部132と、非開口部132の底面に突起して配設された円柱状(柱状)の突起部133とで構成されている。なお、マスク13は、後述する磁石部12で吸引可能なようにNiやFeなど軟磁性材で構成されている。
突起部133は、例えば図8に示すように、ウエハー3の電極31に対応し、平面視において一定のピッチで配置された複数の開口部131に包含された非開口部132に突起して設けられている。突起部133は、開口部132が形成された金属板をフォトリソプロセスに通し、非開口部132の所定な部分をエッチング加工で除去することにより形成することができる。また、突起部133は、開口部131が形成された薄い金属箔に電気鋳造(メッキ)で肉盛することで形成することができる。なお、突起部133の断面寸法は、非開口部132の面積や形によって適宜選定すればよく、また、突起部133の配列ピッチや個数は、非開口部132の撓みに対する剛性を考慮して選定すればよく、例えば、マスク13自体の剛性が比較的高い場合には、図8(b)における突起部133を間引いても良い。
本態様のようにウエハー3に粘着膜4が形成されている場合には、突起部133の高さは該粘着膜4の高さより高くすることが望ましい。したがって、マスク13をウエハー3に重なる状態で位置決めしたとき、開口部131は粘着膜4に接触しない。なお、開口部131に半田ボール2が充填されたとき、その位置がずれないようにするためには、図2に示す様に、突起部133の高さの上限を半田ボール2の半径と同程度とすればよい。
上記の形態のマスク13は、ウエハー3における半導体チップ32の面積が大きく、かつ電極31が非常に密に配設された場合においても有効である。それは、例えば半導体チップ32の大きさが15mm角程度で、80μm程度の直径を有する電極31の配設間隔が150μm程度で、チップ当りの電極31の個数が1万個程度のΦ300mmのウエハー3であって、その全ての電極31に80μmの直径を有する半田ボール2を搭載する場合である。図9に示すような従来の形態、即ち開口部131の周囲に凸部139を設ける形態においては、例えばΦ100μmの開口部131を有するマスクを使用する場合、隣接する開口部131とのスペースは50μm以下となるため、精度的な面でマスク13の製作が極めて困難である。このような場合においても、図8(a)に示すように、隣接した複数の開口部131で包含される非開口部132の中心(図心)Pに、40μm程度の突起部133を配設することは比較的容易である。
また、この例のように、直径が100μm以下の微細な半田ボール2を搭載する場合には、マスク13とウエハー3の間に半田ボール2が潜り込み易くなるため、マスク13を軟磁性材料で形成するとともに、ウエハー3の下部に磁力発生手段を配置する等によって、マスク13をウエハー3に密着させることが有効である。この場合には、更にマスク13の撓みが生じ易くなるが、非開口部132に複数の突起部133を形成することによって、この問題を解消できる。
突起部133は、マスク13の製造のし易さから図10に示すように、開口部131で包含された非開口部132の中心、即ち、図中の破線で示された多角形の図心Pに配設するのが良い。このようにすれば、半田ボール2の配列ピッチが小さいときにも比較的容易に所定の剛性を有するマスク13を得ることができる。なお、図4(a)に示すマスク13に関し、ウエハー3との対向面より外周側の領域については粘着膜4が付着することがないため、複数の突起部133を設けずに、図4(b)のように突起部133の高さに相当する枠状の支持部138を設けても良い。
次に、上記マスク13の別の態様について説明する。この態様のマスクが対象とするウエハー3aは、図6に示すように、上記ウエハー3とは異なった配列パターンの電極31aを有し、電極31aが各半導体チップ32aのチップ外縁部に密に配設されている。
この電極31aに半田ボール2を配列するマスク13aは、図7及び図11(a)に示すように、同一の半導体チップ32aの電極31に取り囲まれた中心領域134aには角柱状の突起部133aを、ウエハー3の外周に相当する領域には広範囲の突起部133Cを、隣接する半導体チップ32aの間には桟状の突起部133bを、全ての高さを合わせて形成したものになっている。
図11(b)と(c)には、マスク13aの変形例を示す。図11(b)のマスク13aは、図11(a)における桟状の突起部133bを部分的に削除した形態であり、図11(c)は更に半導体チップ32aの中心領域134aに設けた角柱状の突起部133aを、工業的に製作し易い円柱状に形成したものである。なお、マスク13aの剛性に余裕があって撓みが生じ難い場合には、桟状の突起部133bを設けず、中央の突起部133aのみにしても良い。
なお、マスク13に設ける突起部133は上記説明の形状に限らず、例えば図8(c)に示すように、マスクの非開口部132の方向に向かって広がる略円錐形状としてもよい。かかる形状とすれば、突起部133の剛性を維持しつつ突起部133とウエハーの接触面積を小さくすることができ、ウエハーの電極の面積が比較的広い場合でも対応することができる。また、非開口部と突起部とは必ずしも同じ材料で一体に構成されている必要もなく、例えば一方を金属、他方を樹脂等で構成してもよい。
[磁石部]
磁石部12は、載置台111の下方に配設され、ウエハー3に位置決めされるマスク13に相対する永久磁石121と、永久磁石121を収納する磁石ホルダー122と、磁石ホルダー122を昇降させる昇降機構であるエアシリンダ123と、配管124を介してエアシリンダ123に接続された昇降切替弁125と圧縮空気源126とから構成されている。かかる構成の磁石部12によれば、昇降切替弁125を切り替えて永久磁石121をマスク13に向かい上昇させるとマスク13は磁石121に吸引されてウエハー3の電極面に密着し、永久磁石121を下降させてマスク13から遠ざければ、マスク13は、磁石121の吸引力から開放されウエハー3から離脱可能となる。なお、永久磁石121は電磁石であってもよい。
[ボール供給部]
ボール供給部14は、ウエハー3に対し位置決めされたマスク13の上面に半田ボール2を供給する供給手段141と供給された半田ボール2をマスク13の開口部131に振込む振込手段であるスキージブラシ142とから構成されている。スキージブラシ142は、その先端部がマスク13の上面に当接するように配設されているとともに、図示しない水平移動手段によってマスク13の上方を水平移動する。
かかる導電性ボール配列装置1の動作について図5を参照し説明する。
永久磁石121を下端の位置にした状態で電極面を上にしてウエハー3をウエハー取り付け凹部113に水平状態で装着し、真空ポンプ115を作動させ、載置台111にウエハー3を固定する。(図5(a))
ウエハー3の電極31に対しマスク13の開口部131が一致するようにマスク3を位置決めし、ウエハー3の電極面にマスク13を密着した状態となるように重ねあわせる。(図5(b))このとき、マスク13にはウエハー3に形成されている粘着膜4が接触しないように突起部133が形成されているので、マスク13に粘着膜4が付着することはない。
エアシリンダ123により永久磁石121を上昇させ、永久磁石121の磁力によりマスク13をウエハー3にさらに密着固定する。(図5(c))このとき、マスク13には、それを下方に撓ませるように永久磁石121の磁力が働くが、マスク13の非開口部132には突起部133が形成され十分な剛性が確保されているので大きく撓むことなく粘着膜4が付着することがない。
供給手段141でマスク13の上に半田ボール2を供給し、スキージブラシ142を水平移動させて開口部131に半田ボール2を充填し、電極31に配列する。その後、磁石121を下降させる。(図5(d))
マスク13をウエハー3から取り外し、真空ポンプ115を停止してウエハー3の固定を解除しウエハー3を載置台112から取り出す。(図5(e))
上記態様の導電性ボール配列装置1によれば、ウエハー3に位置合わせしたマスク13を永久磁石121でウエハー3の上面に密着させるので、開口部131に充填された半田ボール2がマスク13とウエハー3の隙間に潜り込むことがなく、エクストラボールの発生を防止できる。また、マスク13の非開口部132には柱状の突起部133が設けられているので、前記永久磁石121の磁力により下方に引き付けられるマスク13が粘着膜4に接触することがなく、マスク13に付着した粘着膜4による配列不良が生じることを防止できる。
本発明の一実施態様のマスクを用いた導電性ボール配列装置の概略構成図である。 図1の部分拡大断面図である。 図1のウエハーの斜視図である。 図1のマスクの斜視図である。 図1の導電性ボール配列装置の動作を説明する図である。 図7のマスクが対象とするウエハーの斜視図である。 図6のウエハーに半田ボールを配列するマスクの斜視図である。 図1のマスクを部分拡大した平面図と断面図である。 従来のマスクを部分拡大した平面図と断面図である。 図1のマスクの非開口部の図心位置を説明した図である。 図7のマスクを部分拡大した平面図である。 図1と図9のマスクの撓んだ状態を説明する図である。
符号の説明
1 導電性ボール配列装置
11 ウエハー載置部
111 載置台
112 支持部材
113 ウエハー取り付け凹部
114 吸着経路
115 真空ポンプ
116 配管
12 磁石部
121 磁石
122 磁石ホルダー
123 昇降手段
124 配管
125 昇降切替弁
126 圧縮空気源
13 マスク
131 開口部
132 非開口部
133 突起部
134 開口部の配設領域
14 ボール供給部
141 供給手段
142 スキージブラシ
2 半田ボール
3 ウエハー
31 電極
32 半導体チップ
33 切断線
34 電極の配設領域
4 粘着膜

Claims (1)

  1. 所定のパターンで電極が配置された電子部品の当該電極に導電性ボールを被配列体に配列するため、前記パターンに対応し前記導電性ボールが挿通可能な複数の開口部が形成された平板状の軟磁性を有するマスクであって、前記マスクの一面の開口部と開口部の間の非開口部から突起した柱状の突起部とを有し、前記突起部は、前記マスクの一面を前記被配列体の一面に位置合わせしたときに前記被配列体に当接可能に設けられており、更に前記突起部は樹脂で構成され、加えて前記非開口部の方向に向かい広がる略円錐形状をなしている導電性ボールの配列用マスク。
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