JP4348696B2 - 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 - Google Patents

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Description

本発明は、導電性を有するボールを被配列体に配列する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マスクおよびそれを用いた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、電子部品の配列位置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。
ここで、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を電子部品にできるだけ密着した状態となるように位置決めする必要がある。しかしながら、電子部品には、接続バンプのボイドレスや境界面強度の確保および半田ボールの仮止めの目的のために粘着膜であるフラックスが塗布されている。そのフラックスがマスクに付着すると電子部品からマスクが離れ難くなってしまい、無理にマスクを剥がそうとすると破損してしまうことがある。さらに、マスクの開口部は半田ボールより若干大きい程度の径であるため、マスクの開口部に半田ボールが充填される時に半田ボールで押し広げられたフラックスが開口部に付着し、付着したフラックスに半田ボールが捕捉され、電子部品に配列されないこともある。
そこで、特許文献１のマスクの底面には、その非開口部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）
例えばＦＣ用の半田ボールのように１００μｍ以下の直径のボールを配列しようとする場合、それを配列するためのマスクの厚みは１００μｍ前後となる。一般に、フラックスは、５０μｍ前後の厚みで電子部品に印刷される。したがって、フラックスが付着しないようにマスクに凸部を設けた場合、マスクの非開口部の厚みが５０μｍ以下と非常に薄いものとなりマスクの剛性の低下を招く。剛性の低いマスクを使用した場合、例えば半田ボールを移動させるスキージの動作によって生じる力や周囲の温度変化などでマスクが歪みマスクの開口部に充填された半田ボールが位置ずれしたり、フラックスがマスクに付着する可能性がある。この問題は、フラックスをより薄く印刷するとか半田ボールより小面積となるように印刷することで解消される場合もあるが、印刷設備が複雑となり多額なコストと厳密な印刷条件の管理が必要となる。
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、切断が予定される切断線で包囲された矩形領域を含む被配列体の当該矩形領域に所定の配列パターンで導電性ボールを配列するためのマスクであって、前記配列パターンに対応し形成され前記導電性ボールが挿通可能な開口部と、非開口部と、前記非開口部の一方の面に形成された凸部とを備え、前記凸部は前記切断線に沿い矩形枠状に形成されていることを特徴とするマスクである。このマスクによれば、例えば粘着膜が形成された被配列体にマスクを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凸部が形成される。その際、凸部は、上記のように形成されているので、非開口部において薄肉の部分が少ない所定の剛性を有するマスクを得ることができる。さらに、このマスクは、開口部が比較的密に配置される場合に好適なものである。すなわち、そのような場合には開口部同士の間隔が狭小でその間に凸部を形成し難いが、上記のように凸部を設けることにより凸部の形成が比較的容易となる。
また、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マスクとを有する装置である。
上記したマスクによれば、例えば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ても、マスクの非開口部は開口部の周囲に設けられた凸部により粘着膜と接触しないのでマスクに粘着膜が付着することがなく、さらに、当該凸部は上記のように設けられているので非開口部の厚みをいたずらに減ずることなく所定の剛性を有するマスクを得ることができる。
上記した配列装置によれば、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好適なものである。
図１は、本発明の一実施態様のマスクを用いた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。
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。
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の表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１３は、図４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の底面に配設された凸部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。
凸部１３３は、図８（ａ）に示すように、電極３１に対応し平面視において一定のパターンで形成された開口部１３１を包含する領域１３４について凹部１３５を形成することで、ウエハー３の切断線３３に沿うように該領域１３４の外側（域外）に設けられている。この凹部１３５は、例えば開口部１３１が形成された金属の薄板にフォトリソプロセスを経てエッチング加工し形成される。したがって、凹部１３５を容易に形成するためは平面視において単純な形状とすることが望ましく、例えば図示するように凹部１３５を矩形状とし凸部１３３が領域１３４を包囲するようにすればよい。
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、凹部１３５は粘着膜４に接触しないように形成され、その深さ（すなわち凸部１３３の高さ）は該粘着膜４の高さより深く形成される。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、凹部１３５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ずれし難いようにするためには、図２に示す様に、凹部１３５の深さの上限を半田ボール２の半径と同一程度とすればよい。
上記の形態のマスク１３は、ウエハー３のように非常に密に配設された電極３１に半田ボール２を配列する場合に有効なものである。具体的に言うと、電極３１の配設される矩形状の領域３４の大きさは５ｍｍ角程度であり、電極３１の大きさは１００μｍ角程度であり、電極３１の間の距離は１５０μｍ程度であり、半田ボール２の直径は８０μｍ程度である。したがって、電極３１の間で余裕のあるスペースは５０μｍ程度であるため、図８（ｄ）に示すように、そのスペースに対応した部分に凸部１３３を設けるため開口部１３１ごとに凹部１３５を形成することが難しい。このような場合においても、領域１３４の外側に凸部１３１を設けるようにすれば非開口部１３５の厚みをいたずらに減ずることがなく工業生産上において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。
図３に示したウエハー３とは別の配列パターンの電極３１ａを有するウエハー３ａ（図６参照）に半田ボール２を配列するためのマスク１３ａを図７およびその部分拡大平面図を図８（ｂ）に示す。このウエハー３ａでは、図示するように、各半導体チップ３２ａの電極３１ａは枠状の領域３４に含まれるよう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の凸部１３３ａは、図８（ｂ）に示すように、電極３１の含まれる領域３４に対応した領域１３４ａに凹部１３５ａを形成することにより領域１３４ａの域外に設けられる。
さらに、マスクの変形例を図８（ｃ）、（ｄ）に示す。図８（ｃ）のマスクは、三角形状の領域に密に配設された電極に半田ボール２を配列するためのものであり、その三角形状の領域に対応した開口部１３１ｂを含む領域１３４ｂに凹部１３５ｂを設け、その領域１３４ｂの域外を凸部１３３ｂとしたものである。
電極が密に配設されていない場合には、図８（ｄ）に示すように、電極に対応した開口部１３１ｃごとの周囲に凹部１３５ｃを設けることにより開口部１３１ｃの開口端の周囲に凸部１３３ｃを形成してもよい。
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凸部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には凸部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））
なお、図４、７及び８で説明したマスクの凸部は連続的に配設されているが、突起状にし離散的に配設してもよい。
本発明は、上記で説明に限定されることなく、例えば医薬品や窯業などの分野において徴小な或いは不定形の粉体や粒体を基板に搭載する用途にも利用することが可能である。
本発明の一実施態様のマスクを用いた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の配列装置の動作を説明する図である。 別の態様の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。
符号の説明
１ 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 凸部
１３４ 開口部の配設領域
１３５ 凹部
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 (2)

  1. 切断が予定される切断線で包囲された矩形領域を含む被配列体の当該矩形領域に所定の配列パターンで導電性ボールを配列するためのマスクであって、
    前記配列パターンに対応し形成され前記導電性ボールが挿通可能な開口部と、非開口部と、前記非開口部の一方の面に形成された凸部とを備え、前記凸部は前記切断線に沿い矩形枠状に形成されていることを特徴とするマスク。
  2. 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請求項１に記載されたマスクとを有する装置。
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