JP4232861B2 - はんだボールの搭載方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板や半導体ウエハなどの表面に形成された接続用のパッドに、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板や半導体素子（以下「ワーク」という。）の電気的な接続を行うためのボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する方法、及び装置として、特開２０００−２９４６７６号公報には、以下のような方法（はんだボールの搭載方法）、及び装置（はんだボールの搭載装置）が開示されている。
【０００３】
まず、前者の搭載方法は、
「あらかじめ所定の複数の位置にフラックスが塗布されたワークの表面に、前記フラックスの塗布位置と対向する、はんだボールの径より若干大径の複数の穴が形成されたマスクを配置し、前記マスクの穴を通してワークのフラックスの塗布位置にはんだボールを搭載するはんだボールの搭載方法であって、前記マスクと相対移動可能で、前記マスクの穴形成領域外の位置で待機するスキージによって仕切られた空間にあらかじめ複数のはんだボールを供給し、ワークの表面にマスクを位置決めし、ワークとマスクの相対位置を保持した状態でワークとマスクを前記スキージの待機位置が高くなるように所定の角度傾斜させ、前記スキージを前記マスクに沿って往復移動させ、前記スキージによって支えられたはんだボールを前記マスクに沿って往復移動させた後、前記ワークとマスクを水平状態に戻し、前記マスクをワークから離間させ、ワークを搬出することを特徴とするはんだボールの搭載方法。」
というものである。
【０００４】
次に、後者の搭載装置は、
「水平軸を中心として揺動可能なチルトテーブルと、クランク機構を介して前記チルトテーブルを揺動させるチルトテーブルの揺動手段と、ワークの位置決め手段と、ワークの固定手段とを備え、前記チルトテーブルに支持されたテーブルと、前記ワークのはんだボール搭載領域と対応する複数の矩形の貫通穴が形成され、前記チルトテーブルに摺動可能に支持されたマスク治具と、所定の間隔で形成されワーク表面に接触する複数のリブの間に、前記ワークのはんだボール搭載位置に対応するはんだボールの径より若干大径の複数の貫通穴が形成され、前記マスク治具の前記ワークとの対向面に固定されたマスクと、前記チルトテーブルを一辺とする平行四辺形リンクを備え、この平行四辺形リンクで前記マスク治具を移動させるマスク治具移動手段と、前記マスク治具に摺動可能に支持されたスキージホルダと、一端が前記スキージホルダに固定され、その下端が前記マスクの貫通穴に落下したはんだボールに接触しない位置まで前記マスク治具の各貫通穴に摺動可能に挿入された複数のスキージとを設けたことを特徴とするはんだボール搭載装置。」
というものである。
【０００５】
これらの技術、すなわちはんだボールの搭載方法、及びはんだボールの搭載装置によると、１回の工程でワークに搭載できるはんだボール数が、それまでは１０００個程度が限度であったのに対し、数万個のはんだボールを搭載することができるという利点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の場合、はんだボールは位置エネルギを動力源としてマスクの表面を移動し、規制部材としてのスキージにより移動を制限されてほぼ定速度で移動するように構成されている。したがって、はんだボールは、マスクの表面に凹凸があると、移動が阻害され、移動の途中で停止してしまうおそれがある。そこで、従来、マスクの表面をできるだけ平坦に（表面粗さを０．３μｍＲｚ以下）なるように仕上げていた。
【０００７】
図１３（ａ）、（ｂ）は、従来のマスクの表面粗さを測定したデータであり、（ａ）は、はんだボールの転がり方向と直角の方向（Ｘ方向）、（ｂ）は転がり方向（Ｙ方向）を示している。このマスクの場合、Ｘ方向の表面粗さはＲｚ０．３２であり、またＹ方向の表面粗さは０．３７μｍＲｚであって、Ｙ方向の表面粗さがＸ方向の表面粗さよりも僅かに大きいが、粗さの形態、すなわち山と谷の差は小さい。
【０００８】
しかし、このように表面を滑らかに形成したマスクであっても、はんだボール（直径が０．１〜０．５ｍｍ）がスキージに追従できないで、マスク上で停止して（付着して）はんだボールをマスクの貫通穴に供給できない場合が発生した。
【０００９】
また、スキージの移動を開始したとき、はんだボールが直ちに移動せず、時間遅れが発生して作業能率が低下する場合があった。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、規制部材（上述ではスキージ）の下方への移動開始時に、はんだボールが直ちに移動して、時間遅れが発生するのを防止し、よって作業能率を向上させるようにしたはんだボールの搭載方法を提供することにある。
【００１１】
また、はんだボールがマスク表面で停止することなく、規制部材に追随して円滑に移動するようにし、よってはんだボールをボール保持穴（上述では貫通穴）に確実に供給することができるようにしたはんだボールの搭載装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明は、ワーク表面の複数箇所に塗布されたフラックス上に、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載方法において、前記はんだボールが通過可能な複数のボール保持穴を有するマスクで前記ワーク表面を覆って、複数の前記ボール保持穴を前記ワーク表面の複数の前記フラックスに対応させる位置決め工程と、前記ワークと前記マスクとを傾斜させる傾斜工程と、傾斜状態の前記マスク表面上を上方から下方に移動しようとする複数の前記はんだボールの移動速度を規制部材で規制しながら、前記はんだボールを前記マスク表面で移動させて前記はんだボールを前記ボール保持穴に落とし込んでいくボール搭載工程とを有し、前記傾斜工程後で前記ボール搭載工程前に、前記規制部材を一旦、上方に移動させて前記はんだボールを上方に移動させた後、直ちに前記ボール搭載工程に移行する後退工程を設けた、ことを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、ワーク表面の複数箇所に塗布されたフラックス上に、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載装置において、前記ワーク表面を覆うように配置され、複数の前記フラックスに対応する位置に前記はんだボールが通過可能な複数のボール保持穴を有するマスクと、前記ワークと前記マスクとを傾斜させる傾斜機構と、傾斜状態の前記マスク表面上を上方から下方に移動しようとする複数の前記はんだボールの移動速度を規制しながら、前記はんだボールを前記マスク表面で移動させて前記はんだボールを前記ボール保持穴に落とし込んでいく規制部材と、を備え、前記マスク表面における前記規制部材の移動方向をＹ方向、これに直交する方向をＸ方向とすると、前記マスク表面は、前記Ｘ方向の表面粗さＸｓが０．５μｍＲｚ以上に相当する溝を有し、前記表面粗さＸｓに対する前記Ｙ方向の表面粗さＹｓの比Ｙｓ／Ｘｓが０．７以下である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態の説明に先立ち、まず、本発明の概略を説明する。
【００１５】
本発明の発明者は、前述の目的を達成するため、マスク表面の性状（凹凸）と、はんだボールの転がり特性との関係に注目し、種々の実験を重ねた結果、以下のことを見出した。
【００１６】
図１０は、実験方法の概要を示す説明図である。ここでは、マスクとしてメタルマスク（材質はニッケル）を使用し、マスクの傾斜角度θを２５度、スキージ（規制部材）の、斜面に沿って下方に移動するときの移動速度ｖを１０ｍｍ／秒とした。以下、スキージの移動方向（はんだボールの転がり方向）をＹ方向、これと直角な方向をＸ方向という。
【００１７】
図１１は、実験結果の一例を示す図である。同図中、はんだボールの直径について、「△」は０．３ｍｍ、「□」は０．２ｍｍ、「○」は０．１７ｍｍ、「◇」は０．１ｍｍである。また、白抜きで示すものは、スキージの移動に伴ってはんだボールが斜面に沿って転がり落ちる場合、またこれらの図形の内部を塗りつぶして示すものは、はんだボールが転がり落ちないで停止した場合である。なお、中間色は、これらの中間である。
【００１８】
同図から明らかなように、良好な結果が得られる、すなわちスキージの移動に伴ってはんだボールが移動するのはマスク表面のＸ方向の表面粗さＸｓが０．７μｍＲｚ以上の場合であり、表面粗さＸｓが０．４μｍＲｚ未満の場合ははんだボールが停止した。一方、Ｙ方向の表面粗さＹｓについては、Ｘ方向の表面粗さＸｓに対する比Ｙｓ／Ｘｓが１未満の場合、すなわちマスク表面がＸ方向よりもＹ方向が滑らかに形成されている場合の方がはんだボールの移動は良好である。
【００１９】
図１２（ａ）、（ｂ）は、良好な結果が得られた場合のマスクの表面粗さを測定したデータである。このマスクの場合、Ｘ方向の表面粗さＸｓは０．９５μｍＲｚ、またＹ方向の表面粗さＹｓは０．５４μｍＲｚであり、Ｘ方向の粗さは微細で先鋭な山と谷が密集した形態であるのに対してＹ方向はゆるやかな粗さになっている。
【００２０】
以上の結果から、マスクの表面として、Ｙ方向に沿った、微細な多数の直線溝を設けることが有効であり、実用的にはＸ方向の表面粗さＸｓを０．５μｍＲｚ以上、好ましくは０．７μｍＲｚ以上とし、Ｙ方向の表面粗さＹｓを、Ｙｓ／Ｘｓ＝１．０以下、好ましくは０．７以下、０．３以上にすればよい。
【００２１】
また、スキージの下方への移動を開始した際、はんだボールが直ちに移動を開始しない点に関しては、以下のようにすればよいことを見出した。すなわち、はんだボールが直ちに移動を開始しないのは、隙間なく層状に重なったはんだボールが、摩擦力により塊状を維持することに起因している。したがって、塊状態を解除することにより、スキージに対する移動の遅れは解決されることになる。
【００２２】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１〜図４に、本発明に係るはんだボールの搭載装置の一例を示す。このうち図１は、はんだボールの搭載装置の平面図、図２は図１中のＫ線矢視拡大図、図３は図１のはんだボールの搭載装置を図１中の右方から見た側面図、図４は図１のＭ−Ｍ線矢視拡大図である。なお、以下の説明では、図１中の「上」「下」「左」「右」を、この順に、はんだボールの搭載装置の「後」「前」「右」「左」と決め、また、はんだボールの搭載装置における左右方向を「Ｘ方向」、前後方向を「Ｙ方向」と決め、さらに、図３中の「上」「下」を、はんだボールの搭載装置の「上」「下」と決める。本発明が取り扱うはんだボールは、直径が０．１〜０．５ｍｍ程度の球形である。
【００２４】
図１に示すはんだボールの搭載装置は、傾斜可能なチルトテーブル４を備えている。チルトテーブル４の左右の両側にはそれぞれ同軸上に配置されたチルトピン３、３が固定されている。チルトピン３、３は、１対のブラケット１、１に保持された軸受け（不図示）に回転自在に係合している。ブラケット１、１は、ベースＢに固定されている。チルトテーブル４には、テーブル１１が固定されている。テーブル１１には、円形のワーク１４（図１の破線）が保持されている。マスク治具１５は、２対のガイドピン１８（図４参照。ただし同図では１本のみを図示。）を介してチルトテーブル４に位置決めされている。
【００２５】
マスク治具１５のほぼ中央には短辺１６ａ、１６ａ、長辺１６ｂ、１６ｂを有する矩形の貫通穴からなるボール移動域１６が形成されている。マスク治具１５の上面にはボール移動域１６の長辺１６ｂ、１６ｂの外側に、これに沿うようにして前後方向に向けた１対のガイドレール３０、３０が固定されている。マスク治具１５の下面には、上述のボール移動域１６の全体を下方から覆うように、板状のマスク２０が固定されている。このマスク２０の上面Ｓは、上述のボール移動域１６の底面を構成することになる。マスク２０は金属製であり、厚さ方向に貫通された多数のボール保持穴２１が穿設されている。ボール移動域１６の底面となるマスク２０の上面Ｓは、図１中のＸ方向の表面粗さＸｓが１．０μｍＲｚに、またＹ方向の表面粗さＹｓが０．５μｍＲｚとなるように形成されている。
【００２６】
ホルダ３２は、２本のガイドレール３０、３０を跨ぐように配設されている。ホルダ３２は、ガイドレール３０、３０に係合する直動軸受３１、３１（図４参照。ただし同図では１個のみを図示。）に固定されていて、図１中のＹ方向に移動自在に構成されている。図１中ではホルダ３２のホームポジションを実線で示し、また前進限を二点鎖線で示している。ホルダ３２の左の側面には溝３３が形成されている。ホルダ３２は、上述のボール移動域１６に嵌合する板状のスキージ（規制部材）３４を支持している。スキージ３４の左右方向の幅は、上述のボール移動域１６の短辺１６ａよりも少し短く、また、スキージ３４の下端３４ａ（図４参照）は、上述のマスク２０の上面Ｓよりも少し上に位置するようになっている。なお、スキージ３４とボール移動域１６との位置関係については後に詳述する。
【００２７】
ボール移動域１６は、スキージ３４によって前部１６Ａと後部１６Ｂとに２分されており、このうち後部１６Ｂには、多数のはんだボール１９が収納されている。チルトテーブル４の左端近傍には、ガイドレール３０と平行になるようにしてガイドレール３５が固定されている。ドライビングフック３７は、ガイドレール３５に係合する直動軸受（不図示）に固定されている。このドライビングフック３７は、上述のホルダ３２の溝３３に嵌合され、かつ駆動モータ（不図示）によって回転されるドライビングベルト（不図示）に連結されている。したがって、ホルダ３２は、駆動モータの正逆回転に伴って、ガイドレール３０、３０に沿って前後方向に移動できるようになっている。
【００２８】
チルトテーブル４の左側後部には、チルトモータ６が配設されている。チルトモータ６を保持するブラケット５は、上述のベースＢに固定されている。チルトモータ６の回転軸に固定されたフランジ７には、図２、図３に示すように、クランクピン８が固定されている。クランクピン８は、フランジ７の中心から外れた偏心位置に固定され、クランクプレート９を回転自在に支持している。クランクピン１０は、チルトテーブル４とクランクプレート９とを結合している。これらクランクプレート９と、クランクピン１０と、チルトテーブル４とは一体的に構成されている。これらチルトモータ６、ブラケット５、フランジ７、クランクピン８、クランクプレート９、クランクピン１０によって、傾斜機構２を構成している。
【００２９】
したがって、傾斜機構２は、クランクピン８が下端位置にある状態から、フランジ７を１８０度回転させるとクランクピン８が図３の二点鎖線で示す上方に移動し、この移動によりクランクプレート９が押し上げられてクランクピン１０が二点鎖線で示す位置に上昇する。これにより、チルトテーブル４の後端側が押し上げられる。この結果、チルトテーブル４は、チルトピン３の軸心を中心として反時計回りに回転し、前端側が下方に下がった傾斜姿勢（図３の二点鎖線）をとる。一方、この状態からさらにフランジ７を１８０度回転させると、クランクピン８、クランクプレート９、及びクランクピン１０を介してチルトテーブル４の後端側が引き下げられる。この結果、チルトテーブル４はチルトピン３の軸心を中心として時計回りに回転し、水平な姿勢（図３の実線）に復帰する。
【００３０】
次に、図４、図５によりさらに詳細に説明する。ここで、図４は、図１のＭ−Ｍ線矢視図、図５は図４の状態におけるワーク１４とマスク２０との関係を示す拡大図である。テーブル１１の上面には、複数の真空吸着ポケット１２が形成されており、それぞれ通路１３を介して真空供給源（不図示）に接続されている。ワーク１４の表面には、フラックスＦがあらかじめ塗布されている。マスク２０に設けられたボール保持穴２１の直径は、はんだボール１９の直径よりも僅かに大径である。マスク２０の底面（下面）には、フラックスＦの塗布厚さよりも厚いリブ２２が配置されている。
【００３１】
スキージ３４の下端３４ａとマスク２０の表面Ｓとの間隔ｇ１は、はんだボール１９の半径より十分小さく、かつ、ボール保持穴２１に落ち込んだはんだボール１９の頭頂部にスキージ３４の下端３４ａが接触しない大きさに設定されている。また、スキージ３４の側端縁３４ｂとボール移動域１６の側壁１６ｃとの間の隙間ｇ２は、はんだボール１９の半径よりも十分小さく形成されている。
【００３２】
次に、上述構成のはんだボールの搭載装置の動作を説明する。なお、ホルダ３２は図１に示すホームポジションに配置されており、ドライビングフック３７は上述のホルダ３２の溝３３に嵌合している。
【００３３】
図６〜図９は、はんだボール１９の搭載工程の各工程を示す図である。チルトテーブル４を水平にした状態で、マスク治具１５をｈ（手動又は自動搬送手段によりワーク１４を容易に搬入、搬出ができる距離で、６〜１０ｍｍ程度である。）上昇させ、ワーク１４をテーブル１１に位置決めする。テーブル１１の上面には、ワーク１４の外形を拘束して水平方向の位置決めを行うための手段（溝又はワーク１４に形成された切り欠き等の回転方向に位置決め可能な手段：不図示。）が設けられており、すべてのフラックスＦがボール保持穴２１に対向するように位置決めされる（位置決め工程）。この状態で、真空供給手段によりワーク１４をテーブル１１に固定し、その後、マスク治具１５を下降させ、リブ２２の下端をワーク１４の表面に当接させる。
【００３４】
次に、マスク治具１５のボール移動域１６のうちのスキージ３４で仕切られた後部１６Ｂに、ボール保持穴２１の数の２〜３倍の数のはんだボール１９を供給する。そして、チルトモータ６を動作させ、チルトテーブル４を角度θだけ傾斜させる（傾斜工程）。すると、図６に示すように、テーブル１１とマスク治具１５も同時に傾斜する。このとき、はんだボール１９はスキージ３４に支えられているため、自重によって落下することはない。なお、角度θは、マスク２０の表面Ｓ上をはんだボール１９がその自重で転がり落ち、かつボール保持穴２１に落下しやすい角度（例えば、２０〜４０度程度）に設定される。
【００３５】
この状態で、前述の駆動ベルト（不図示）により、ドライビングフック３７等を介してスキージ３４を、一旦、ワーク１４とは逆の方向に距離Ｌだけ移動（後退）させ、密集しているはんだボール１９の集積形状を変えてから、直ちにワーク１４側にあらかじめ定める速度で移動（前進）させる（後退工程）。なお、距離Ｌは、供給されるはんだボール１９の量にもよるが、一般に５ｍｍ程度で十分である。このように、密集して塊状態に静止しているはんだボール１９をスキージ３４により強制的に動かすことにより塊状態を崩すとともに、はんだボール１９に動きを加えると、スキージ３４の移動方向を反転させた際に、はんだボール１９はスキージ３４に追従して直ちに移動を開始する。
【００３６】
スキージ３４を移動させる速度としては、マスク２０の表面Ｓ上を自重により転がり落ちるはんだボール１９がマスク２０のボール保持穴２１内に確実に落下（供給）できる速度に設定する。すなわち、例えば、角度θが２５度で、はんだボール１９の直径が０．３ｍｍの場合、スキージ３４の移動速度を、５〜３０ｍｍ／秒に設定するとよい。
【００３７】
図７に示すように、スキージ３４の近傍のはんだボール１９は重なり合った状態になるが、後側は、後部１６Ｂ内に広がり一層の状態でマスク２０の表面Ｓ上を転がり落ちる。この結果、はんだボール１９は確実にボール保持穴２１に落下し（供給され）、フラックスＦの粘着力によって保持されワーク１４上に搭載される（ボール搭載工程）。各ボール保持穴２１に１個のはんだボール１９が入ると、後続のはんだボール１９は、このボール保持穴２１に入っているはんだボール１９を乗り越えて転がり落ちる。この結果、スキージ３４が前進限（下端）まで移動すると、マスク２０に形成されたボール保持穴２１のすべてにそれぞれ１個のはんだボール１９が落ち込み、フラックスＦの粘着力によって保持されワーク１４上に搭載される。
【００３８】
図８に示すように、スキージ３４がボール保持穴２１のある領域を越えて前進限に配置された後、スキージ３４の移動を停止させる。そして、チルトモータ６を動作させてチルトテーブル４を水平に戻した後、駆動ベルト等によってスキージ３４をホームポジションに戻す。この際、スキージ３４は、マスク２０の表面Ｓ上に残っている余剰のはんだボール１９をホームポジション近傍に戻すとともに、ボール保持穴２１内のはんだボール１９をフラックスＦに押し込む。この結果、はんだボール１９はフラックスＦに確実に保持される。
【００３９】
スキージ３４がホームポジションに戻った後、マスク治具１５を上昇させ、ワーク１４を取り出す。
【００４０】
以上説明した、はんだボールの搭載装置、及びはんだボールの搭載方法によると、例えば、搭載すべきはんだボール１９の数が数万個以上であっても、一度の作業で確実に必要な数のはんだボール１９を、ワーク１４のフラックスＦ上に搭載することができる。また、簡単な操作で作業できるので、作業が容易で作業能率を向上させることができる。
【００４１】
本実施の形態によると、チルトテーブル４側とマスク治具１５側とをホルダ３２とドライビングフック３７との間で切り離すことができるので、ワーク１４の種類に合わせてマスク治具１５を複数種準備しておくことにより、複数品種のワーク１４にも容易に適応することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、チルトテーブル４を一方にだけ傾斜させるようにしたが、図８の状態からチルトテーブル４を図８とは逆の向きに傾け、余剰のはんだボール１９を重力によりホームポジション側に移動させてからスキージ３４をホームポジションに戻すようにしてもよい。
【００４３】
また、マスク２０をワーク１４から離間させる際、マスク治具１５に微小の振動を加えることによりマスク２０とはんだボール１９とを確実に離間させるようにしてもよい。
【００４４】
さらに、マスク２０は金属製に限らず、例えば、片面銅張積層板にボール保持穴２１を形成した後、ボール保持穴２１が形成された領域の銅箔をエッチングにより除去して形成することもできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明（はんだボールの搭載方法）によれば、規制部材（スキージ）の下方への移動開始時に、はんだボールが直ちに移動して、時間遅れが発生するのを防止することができ、したがって、作業能率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るはんだボールの搭載装置の平面図である。
【図２】図１のＫ線矢視拡大図である。
【図３】はんだボールの搭載装置の左側面図である。
【図４】図１のＭ−Ｍ線矢視拡大図である。
【図５】図４の一部拡大図である。
【図６】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図７】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図８】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図９】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図１０】実験方法の概要を示す説明図である。
【図１１】実験結果の一例を示す図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は良好な結果が得られた場合のマスクの表面粗さを測定したデータを示す図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は従来のマスクの表面粗さを測定したデータを示す図である。
【符号の説明】
２ 傾斜機構
４ チルトテーブル
１４ ワーク
１９ はんだボール
２０ マスク
２１ ボール保持穴
３４ 規制部材（スキージ）
Ｆ フラックス
Ｓ マスク表面
Ｘ 規制部材（スキージ）の移動方向と直角な方向
Ｘｓ マスク表面のＸ方向の表面粗さ
Ｙ 規制部材（スキージ）の移動方向
Ｙｓ マスク表面のＹ方向の表面粗さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板や半導体ウエハなどの表面に形成された接続用のパッドに、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板や半導体素子（以下「ワーク」という。）の電気的な接続を行うためのボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を形成する方法、及び装置として、特開２０００−２９４６７６号公報には、以下のような方法（はんだボールの搭載方法）、及び装置（はんだボールの搭載装置）が開示されている。
【０００３】
まず、前者の搭載方法は、
「あらかじめ所定の複数の位置にフラックスが塗布されたワークの表面に、前記フラックスの塗布位置と対向する、はんだボールの径より若干大径の複数の穴が形成されたマスクを配置し、前記マスクの穴を通してワークのフラックスの塗布位置にはんだボールを搭載するはんだボールの搭載方法であって、前記マスクと相対移動可能で、前記マスクの穴形成領域外の位置で待機するスキージによって仕切られた空間にあらかじめ複数のはんだボールを供給し、ワークの表面にマスクを位置決めし、ワークとマスクの相対位置を保持した状態でワークとマスクを前記スキージの待機位置が高くなるように所定の角度傾斜させ、前記スキージを前記マスクに沿って往復移動させ、前記スキージによって支えられたはんだボールを前記マスクに沿って往復移動させた後、前記ワークとマスクを水平状態に戻し、前記マスクをワークから離間させ、ワークを搬出することを特徴とするはんだボールの搭載方法。」
というものである。
【０００４】
次に、後者の搭載装置は、
「水平軸を中心として揺動可能なチルトテーブルと、クランク機構を介して前記チルトテーブルを揺動させるチルトテーブルの揺動手段と、ワークの位置決め手段と、ワークの固定手段とを備え、前記チルトテーブルに支持されたテーブルと、前記ワークのはんだボール搭載領域と対応する複数の矩形の貫通穴が形成され、前記チルトテーブルに摺動可能に支持されたマスク治具と、所定の間隔で形成されワーク表面に接触する複数のリブの間に、前記ワークのはんだボール搭載位置に対応するはんだボールの径より若干大径の複数の貫通穴が形成され、前記マスク治具の前記ワークとの対向面に固定されたマスクと、前記チルトテーブルを一辺とする平行四辺形リンクを備え、この平行四辺形リンクで前記マスク治具を移動させるマスク治具移動手段と、前記マスク治具に摺動可能に支持されたスキージホルダと、一端が前記スキージホルダに固定され、その下端が前記マスクの貫通穴に落下したはんだボールに接触しない位置まで前記マスク治具の各貫通穴に摺動可能に挿入された複数のスキージとを設けたことを特徴とするはんだボール搭載装置。」
というものである。
【０００５】
これらの技術、すなわちはんだボールの搭載方法、及びはんだボールの搭載装置によると、１回の工程でワークに搭載できるはんだボール数が、それまでは１０００個程度が限度であったのに対し、数万個のはんだボールを搭載することができるという利点を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の場合、はんだボールは位置エネルギを動力源としてマスクの表面を移動し、規制部材としてのスキージにより移動を制限されてほぼ定速度で移動するように構成されている。したがって、はんだボールは、マスクの表面に凹凸があると、移動が阻害され、移動の途中で停止してしまうおそれがある。そこで、従来、マスクの表面をできるだけ平坦に（表面粗さを０．３μｍＲｚ以下）なるように仕上げていた。
【０００７】
図１３（ａ）、（ｂ）は、従来のマスクの表面粗さを測定したデータであり、（ａ）は、はんだボールの転がり方向と直角の方向（Ｘ方向）、（ｂ）は転がり方向（Ｙ方向）を示している。このマスクの場合、Ｘ方向の表面粗さはＲｚ０．３２であり、またＹ方向の表面粗さは０．３７μｍＲｚであって、Ｙ方向の表面粗さがＸ方向の表面粗さよりも僅かに大きいが、粗さの形態、すなわち山と谷の差は小さい。
【０００８】
しかし、このように表面を滑らかに形成したマスクであっても、はんだボール（直径が０．１〜０．５ｍｍ）がスキージに追従できないで、マスク上で停止して（付着して）はんだボールをマスクの貫通穴に供給できない場合が発生した。
【０００９】
また、スキージの移動を開始したとき、はんだボールが直ちに移動せず、時間遅れが発生して作業能率が低下する場合があった。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、規制部材（上述ではスキージ）の下方への移動開始時に、はんだボールが直ちに移動して、時間遅れが発生するのを防止し、よって作業能率を向上させるようにしたはんだボールの搭載方法を提供することにある。
【００１１】
また、はんだボールがマスク表面で停止することなく、規制部材に追随して円滑に移動するようにし、よってはんだボールをボール保持穴（上述では貫通穴）に確実に供給することができるようにしたはんだボールの搭載装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するための本発明は、ワーク表面の複数箇所に塗布されたフラックス上に、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載方法において、前記はんだボールが通過可能な複数のボール保持穴を有するマスクで前記ワーク表面を覆って、複数の前記ボール保持穴を前記ワーク表面の複数の前記フラックスに対応させる位置決め工程と、前記ワークと前記マスクとを傾斜させる傾斜工程と、傾斜状態の前記マスク表面上を上方から下方に移動しようとする複数の前記はんだボールの移動速度を規制部材で規制しながら、前記はんだボールを前記マスク表面で移動させて前記はんだボールを前記ボール保持穴に落とし込んでいくボール搭載工程とを有し、前記傾斜工程後で前記ボール搭載工程前に、前記規制部材を一旦、上方に移動させて前記はんだボールを上方に移動させた後、直ちに前記ボール搭載工程に移行する後退工程を設けた、ことを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、ワーク表面の複数箇所に塗布されたフラックス上に、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載装置において、前記ワーク表面を覆うように配置され、複数の前記フラックスに対応する位置に前記はんだボールが通過可能な複数のボール保持穴を有するマスクと、前記ワークと前記マスクとを傾斜させる傾斜機構と、傾斜状態の前記マスク表面上を上方から下方に移動しようとする複数の前記はんだボールの移動速度を規制しながら、前記はんだボールを前記マスク表面で移動させて前記はんだボールを前記ボール保持穴に落とし込んでいく規制部材と、を備え、前記マスク表面における前記規制部材の移動方向をＹ方向、これに直交する方向をＸ方向とすると、前記マスク表面は、前記Ｘ方向の表面粗さＸｓが０．５μｍＲｚ以上に相当する溝を有し、前記表面粗さＸｓに対する前記Ｙ方向の表面粗さＹｓの比Ｙｓ／Ｘｓが０．７以下である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態の説明に先立ち、まず、本発明の概略を説明する。
【００１５】
本発明の発明者は、前述の目的を達成するため、マスク表面の性状（凹凸）と、はんだボールの転がり特性との関係に注目し、種々の実験を重ねた結果、以下のことを見出した。
【００１６】
図１０は、実験方法の概要を示す説明図である。ここでは、マスクとしてメタルマスク（材質はニッケル）を使用し、マスクの傾斜角度θを２５度、スキージ（規制部材）の、斜面に沿って下方に移動するときの移動速度ｖを１０ｍｍ／秒とした。以下、スキージの移動方向（はんだボールの転がり方向）をＹ方向、これと直角な方向をＸ方向という。
【００１７】
図１１は、実験結果の一例を示す図である。同図中、はんだボールの直径について、「△」は０．３ｍｍ、「□」は０．２ｍｍ、「○」は０．１７ｍｍ、「◇」は０．１ｍｍである。また、白抜きで示すものは、スキージの移動に伴ってはんだボールが斜面に沿って転がり落ちる場合、またこれらの図形の内部を塗りつぶして示すものは、はんだボールが転がり落ちないで停止した場合である。なお、中間色は、これらの中間である。
【００１８】
同図から明らかなように、良好な結果が得られる、すなわちスキージの移動に伴ってはんだボールが移動するのはマスク表面のＸ方向の表面粗さＸｓが０．７μｍＲｚ以上の場合であり、表面粗さＸｓが０．４μｍＲｚ未満の場合ははんだボールが停止した。一方、Ｙ方向の表面粗さＹｓについては、Ｘ方向の表面粗さＸｓに対する比Ｙｓ／Ｘｓが１未満の場合、すなわちマスク表面がＸ方向よりもＹ方向が滑らかに形成されている場合の方がはんだボールの移動は良好である。
【００１９】
図１２（ａ）、（ｂ）は、良好な結果が得られた場合のマスクの表面粗さを測定したデータである。このマスクの場合、Ｘ方向の表面粗さＸｓは０．９５μｍＲｚ、またＹ方向の表面粗さＹｓは０．５４μｍＲｚであり、Ｘ方向の粗さは微細で先鋭な山と谷が密集した形態であるのに対してＹ方向はゆるやかな粗さになっている。
【００２０】
以上の結果から、マスクの表面として、Ｙ方向に沿った、微細な多数の直線溝を設けることが有効であり、実用的にはＸ方向の表面粗さＸｓを０．５μｍＲｚ以上、好ましくは０．７μｍＲｚ以上とし、Ｙ方向の表面粗さＹｓを、Ｙｓ／Ｘｓ＝１．０以下、好ましくは０．７以下、０．３以上にすればよい。
【００２１】
また、スキージの下方への移動を開始した際、はんだボールが直ちに移動を開始しない点に関しては、以下のようにすればよいことを見出した。すなわち、はんだボールが直ちに移動を開始しないのは、隙間なく層状に重なったはんだボールが、摩擦力により塊状を維持することに起因している。したがって、塊状態を解除することにより、スキージに対する移動の遅れは解決されることになる。
【００２２】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１〜図４に、本発明に係るはんだボールの搭載装置の一例を示す。このうち図１は、はんだボールの搭載装置の平面図、図２は図１中のＫ線矢視拡大図、図３は図１のはんだボールの搭載装置を図１中の右方から見た側面図、図４は図１のＭ−Ｍ線矢視拡大図である。なお、以下の説明では、図１中の「上」「下」「左」「右」を、この順に、はんだボールの搭載装置の「後」「前」「右」「左」と決め、また、はんだボールの搭載装置における左右方向を「Ｘ方向」、前後方向を「Ｙ方向」と決め、さらに、図３中の「上」「下」を、はんだボールの搭載装置の「上」「下」と決める。本発明が取り扱うはんだボールは、直径が０．１〜０．５ｍｍ程度の球形である。
【００２４】
図１に示すはんだボールの搭載装置は、傾斜可能なチルトテーブル４を備えている。チルトテーブル４の左右の両側にはそれぞれ同軸上に配置されたチルトピン３、３が固定されている。チルトピン３、３は、１対のブラケット１、１に保持された軸受け（不図示）に回転自在に係合している。ブラケット１、１は、ベースＢに固定されている。チルトテーブル４には、テーブル１１が固定されている。テーブル１１には、円形のワーク１４（図１の破線）が保持されている。マスク治具１５は、２対のガイドピン１８（図４参照。ただし同図では１本のみを図示。）を介してチルトテーブル４に位置決めされている。
【００２５】
マスク治具１５のほぼ中央には短辺１６ａ、１６ａ、長辺１６ｂ、１６ｂを有する矩形の貫通穴からなるボール移動域１６が形成されている。マスク治具１５の上面にはボール移動域１６の長辺１６ｂ、１６ｂの外側に、これに沿うようにして前後方向に向けた１対のガイドレール３０、３０が固定されている。マスク治具１５の下面には、上述のボール移動域１６の全体を下方から覆うように、板状のマスク２０が固定されている。このマスク２０の上面Ｓは、上述のボール移動域１６の底面を構成することになる。マスク２０は金属製であり、厚さ方向に貫通された多数のボール保持穴２１が穿設されている。ボール移動域１６の底面となるマスク２０の上面Ｓは、図１中のＸ方向の表面粗さＸｓが１．０μｍＲｚに、またＹ方向の表面粗さＹｓが０．５μｍＲｚとなるように形成されている。
【００２６】
ホルダ３２は、２本のガイドレール３０、３０を跨ぐように配設されている。ホルダ３２は、ガイドレール３０、３０に係合する直動軸受３１、３１（図４参照。ただし同図では１個のみを図示。）に固定されていて、図１中のＹ方向に移動自在に構成されている。図１中ではホルダ３２のホームポジションを実線で示し、また前進限を二点鎖線で示している。ホルダ３２の左の側面には溝３３が形成されている。ホルダ３２は、上述のボール移動域１６に嵌合する板状のスキージ（規制部材）３４を支持している。スキージ３４の左右方向の幅は、上述のボール移動域１６の短辺１６ａよりも少し短く、また、スキージ３４の下端３４ａ（図４参照）は、上述のマスク２０の上面Ｓよりも少し上に位置するようになっている。なお、スキージ３４とボール移動域１６との位置関係については後に詳述する。
【００２７】
ボール移動域１６は、スキージ３４によって前部１６Ａと後部１６Ｂとに２分されており、このうち後部１６Ｂには、多数のはんだボール１９が収納されている。チルトテーブル４の左端近傍には、ガイドレール３０と平行になるようにしてガイドレール３５が固定されている。ドライビングフック３７は、ガイドレール３５に係合する直動軸受（不図示）に固定されている。このドライビングフック３７は、上述のホルダ３２の溝３３に嵌合され、かつ駆動モータ（不図示）によって回転されるドライビングベルト（不図示）に連結されている。したがって、ホルダ３２は、駆動モータの正逆回転に伴って、ガイドレール３０、３０に沿って前後方向に移動できるようになっている。
【００２８】
チルトテーブル４の左側後部には、チルトモータ６が配設されている。チルトモータ６を保持するブラケット５は、上述のベースＢに固定されている。チルトモータ６の回転軸に固定されたフランジ７には、図２、図３に示すように、クランクピン８が固定されている。クランクピン８は、フランジ７の中心から外れた偏心位置に固定され、クランクプレート９を回転自在に支持している。クランクピン１０は、チルトテーブル４とクランクプレート９とを結合している。これらクランクプレート９と、クランクピン１０と、チルトテーブル４とは一体的に構成されている。これらチルトモータ６、ブラケット５、フランジ７、クランクピン８、クランクプレート９、クランクピン１０によって、傾斜機構２を構成している。
【００２９】
したがって、傾斜機構２は、クランクピン８が下端位置にある状態から、フランジ７を１８０度回転させるとクランクピン８が図３の二点鎖線で示す上方に移動し、この移動によりクランクプレート９が押し上げられてクランクピン１０が二点鎖線で示す位置に上昇する。これにより、チルトテーブル４の後端側が押し上げられる。この結果、チルトテーブル４は、チルトピン３の軸心を中心として反時計回りに回転し、前端側が下方に下がった傾斜姿勢（図３の二点鎖線）をとる。一方、この状態からさらにフランジ７を１８０度回転させると、クランクピン８、クランクプレート９、及びクランクピン１０を介してチルトテーブル４の後端側が引き下げられる。この結果、チルトテーブル４はチルトピン３の軸心を中心として時計回りに回転し、水平な姿勢（図３の実線）に復帰する。
【００３０】
次に、図４、図５によりさらに詳細に説明する。ここで、図４は、図１のＭ−Ｍ線矢視図、図５は図４の状態におけるワーク１４とマスク２０との関係を示す拡大図である。テーブル１１の上面には、複数の真空吸着ポケット１２が形成されており、それぞれ通路１３を介して真空供給源（不図示）に接続されている。ワーク１４の表面には、フラックスＦがあらかじめ塗布されている。マスク２０に設けられたボール保持穴２１の直径は、はんだボール１９の直径よりも僅かに大径である。マスク２０の底面（下面）には、フラックスＦの塗布厚さよりも厚いリブ２２が配置されている。
【００３１】
スキージ３４の下端３４ａとマスク２０の表面Ｓとの間隔ｇ１は、はんだボール１９の半径より十分小さく、かつ、ボール保持穴２１に落ち込んだはんだボール１９の頭頂部にスキージ３４の下端３４ａが接触しない大きさに設定されている。また、スキージ３４の側端縁３４ｂとボール移動域１６の側壁１６ｃとの間の隙間ｇ２は、はんだボール１９の半径よりも十分小さく形成されている。
【００３２】
次に、上述構成のはんだボールの搭載装置の動作を説明する。なお、ホルダ３２は図１に示すホームポジションに配置されており、ドライビングフック３７は上述のホルダ３２の溝３３に嵌合している。
【００３３】
図６〜図９は、はんだボール１９の搭載工程の各工程を示す図である。チルトテーブル４を水平にした状態で、マスク治具１５をｈ（手動又は自動搬送手段によりワーク１４を容易に搬入、搬出ができる距離で、６〜１０ｍｍ程度である。）上昇させ、ワーク１４をテーブル１１に位置決めする。テーブル１１の上面には、ワーク１４の外形を拘束して水平方向の位置決めを行うための手段（溝又はワーク１４に形成された切り欠き等の回転方向に位置決め可能な手段：不図示。）が設けられており、すべてのフラックスＦがボール保持穴２１に対向するように位置決めされる（位置決め工程）。この状態で、真空供給手段によりワーク１４をテーブル１１に固定し、その後、マスク治具１５を下降させ、リブ２２の下端をワーク１４の表面に当接させる。
【００３４】
次に、マスク治具１５のボール移動域１６のうちのスキージ３４で仕切られた後部１６Ｂに、ボール保持穴２１の数の２〜３倍の数のはんだボール１９を供給する。そして、チルトモータ６を動作させ、チルトテーブル４を角度θだけ傾斜させる（傾斜工程）。すると、図６に示すように、テーブル１１とマスク治具１５も同時に傾斜する。このとき、はんだボール１９はスキージ３４に支えられているため、自重によって落下することはない。なお、角度θは、マスク２０の表面Ｓ上をはんだボール１９がその自重で転がり落ち、かつボール保持穴２１に落下しやすい角度（例えば、２０〜４０度程度）に設定される。
【００３５】
この状態で、前述の駆動ベルト（不図示）により、ドライビングフック３７等を介してスキージ３４を、一旦、ワーク１４とは逆の方向に距離Ｌだけ移動（後退）させ、密集しているはんだボール１９の集積形状を変えてから、直ちにワーク１４側にあらかじめ定める速度で移動（前進）させる（後退工程）。なお、距離Ｌは、供給されるはんだボール１９の量にもよるが、一般に５ｍｍ程度で十分である。このように、密集して塊状態に静止しているはんだボール１９をスキージ３４により強制的に動かすことにより塊状態を崩すとともに、はんだボール１９に動きを加えると、スキージ３４の移動方向を反転させた際に、はんだボール１９はスキージ３４に追従して直ちに移動を開始する。
【００３６】
スキージ３４を移動させる速度としては、マスク２０の表面Ｓ上を自重により転がり落ちるはんだボール１９がマスク２０のボール保持穴２１内に確実に落下（供給）できる速度に設定する。すなわち、例えば、角度θが２５度で、はんだボール１９の直径が０．３ｍｍの場合、スキージ３４の移動速度を、５〜３０ｍｍ／秒に設定するとよい。
【００３７】
図７に示すように、スキージ３４の近傍のはんだボール１９は重なり合った状態になるが、後側は、後部１６Ｂ内に広がり一層の状態でマスク２０の表面Ｓ上を転がり落ちる。この結果、はんだボール１９は確実にボール保持穴２１に落下し（供給され）、フラックスＦの粘着力によって保持されワーク１４上に搭載される（ボール搭載工程）。各ボール保持穴２１に１個のはんだボール１９が入ると、後続のはんだボール１９は、このボール保持穴２１に入っているはんだボール１９を乗り越えて転がり落ちる。この結果、スキージ３４が前進限（下端）まで移動すると、マスク２０に形成されたボール保持穴２１のすべてにそれぞれ１個のはんだボール１９が落ち込み、フラックスＦの粘着力によって保持されワーク１４上に搭載される。
【００３８】
図８に示すように、スキージ３４がボール保持穴２１のある領域を越えて前進限に配置された後、スキージ３４の移動を停止させる。そして、チルトモータ６を動作させてチルトテーブル４を水平に戻した後、駆動ベルト等によってスキージ３４をホームポジションに戻す。この際、スキージ３４は、マスク２０の表面Ｓ上に残っている余剰のはんだボール１９をホームポジション近傍に戻すとともに、ボール保持穴２１内のはんだボール１９をフラックスＦに押し込む。この結果、はんだボール１９はフラックスＦに確実に保持される。
【００３９】
スキージ３４がホームポジションに戻った後、マスク治具１５を上昇させ、ワーク１４を取り出す。
【００４０】
以上説明した、はんだボールの搭載装置、及びはんだボールの搭載方法によると、例えば、搭載すべきはんだボール１９の数が数万個以上であっても、一度の作業で確実に必要な数のはんだボール１９を、ワーク１４のフラックスＦ上に搭載することができる。また、簡単な操作で作業できるので、作業が容易で作業能率を向上させることができる。
【００４１】
本実施の形態によると、チルトテーブル４側とマスク治具１５側とをホルダ３２とドライビングフック３７との間で切り離すことができるので、ワーク１４の種類に合わせてマスク治具１５を複数種準備しておくことにより、複数品種のワーク１４にも容易に適応することができる。
【００４２】
なお、本実施の形態では、チルトテーブル４を一方にだけ傾斜させるようにしたが、図８の状態からチルトテーブル４を図８とは逆の向きに傾け、余剰のはんだボール１９を重力によりホームポジション側に移動させてからスキージ３４をホームポジションに戻すようにしてもよい。
【００４３】
また、マスク２０をワーク１４から離間させる際、マスク治具１５に微小の振動を加えることによりマスク２０とはんだボール１９とを確実に離間させるようにしてもよい。
【００４４】
さらに、マスク２０は金属製に限らず、例えば、片面銅張積層板にボール保持穴２１を形成した後、ボール保持穴２１が形成された領域の銅箔をエッチングにより除去して形成することもできる。
【００４５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明（はんだボールの搭載方法）によれば、規制部材（スキージ）の下方への移動開始時に、はんだボールが直ちに移動して、時間遅れが発生するのを防止することができ、したがって、作業能率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るはんだボールの搭載装置の平面図である。
【図２】図１のＫ線矢視拡大図である。
【図３】はんだボールの搭載装置の左側面図である。
【図４】図１のＭ−Ｍ線矢視拡大図である。
【図５】図４の一部拡大図である。
【図６】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図７】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図８】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図９】はんだボールの搭載工程を示す図である。
【図１０】実験方法の概要を示す説明図である。
【図１１】実験結果の一例を示す図である。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は良好な結果が得られた場合のマスクの表面粗さを測定したデータを示す図である。
【図１３】（ａ）、（ｂ）は従来のマスクの表面粗さを測定したデータを示す図である。
【符号の説明】
２ 傾斜機構
４ チルトテーブル
１４ ワーク
１９ はんだボール
２０ マスク
２１ ボール保持穴
３４ 規制部材（スキージ）
Ｆ フラックス
Ｓ マスク表面
Ｘ 規制部材（スキージ）の移動方向と直角な方向
Ｘｓ マスク表面のＸ方向の表面粗さ
Ｙ 規制部材（スキージ）の移動方向
Ｙｓ マスク表面のＹ方向の表面粗さ
Claims (1)
- ワーク表面の複数箇所に塗布されたフラックス上に、はんだボールを搭載するためのはんだボールの搭載方法において、
前記はんだボールが通過可能な複数のボール保持穴を有するマスクで前記ワーク表面を覆って、複数の前記ボール保持穴を前記ワーク表面の複数の前記フラックスに対応させる位置決め工程と、
前記ワークと前記マスクとを傾斜させる傾斜工程と、
傾斜状態の前記マスク表面上を上方から下方に移動しようとする複数の前記はんだボールの移動速度を規制部材で規制しながら、前記はんだボールを前記マスク表面で移動させて前記はんだボールを前記ボール保持穴に落とし込んでいくボール搭載工程とを有し、
前記傾斜工程後で前記ボール搭載工程前に、前記規制部材を一旦、上方に移動させて前記はんだボールを上方に移動させた後、直ちに前記ボール搭載工程に移行する後退工程を設けた、
ことを特徴とするはんだボールの搭載方法。
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