JP4528626B2 - ボールグリッドアレイテンプレートを充填する装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の背景
発明の分野
本発明は一般に、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）に関し、特に、ボールグリッドアレイテンプレートにはんだボールを充填する装置及び方法に関する。
先行技術の説明
ボールグリッドアレイ技術は、今日、高密度ＩＣ部品を回路基板上に連結する上で一般的である。１９９７年８月１２日に松下電器産業株式会社に付与された米国特許第５，６５５，７０４号明細書は、スイーピングビンがテンプレート又はステンシル上を通過したときにはんだボールをテンプレート又はステンシルに充填する方法を開示している。しかしながら、かかる方法は、設計それ自体並びにプロセスのばらつき、汚染又は粒子状異物に起因してはんだボールの損傷を非常に受けやすい。損傷の結果として、次にプロセスは実施できず、或いははんだボールをＢＧＡパッケージ上に付着させる目的は、達成できない。

図１は、ＢＧＡテンプレートをはんだボールで満たす従来方法を示している。ＢＧＡテンプレート１は、複数のはんだボール３を受け入れる複数の穴を備えている。ボールビン２は、テンプレート１上を全体にわたって払ってはんだボール３をテンプレート１の穴の中に配置する。はんだボール３のこの配置ははんだボール３と穴が互いに整列したときにはいつでも起こるので、かかる配置は、はんだボール４がまさに落ち込もうとする特定の穴にボールビン２がまさに到達しようとしたときに起こる場合がある。図１に示すように、この結果として、ボール４がビン２によってだめになる場合がある。別の考えられる状況は、はんだボール６が異物５によって穴の中に嵌り込まない場合である。ビン２は、はんだボール６の頂部を剪断することになる。

図２は、米国特許第５，６５５，７０４号明細書に開示されたはんだボール取付け装置を示す斜視図である。図２に示すように、はんだボールは、ステンシル７を通って基板１０上に配置される。基板上のフラックスドット１１が、はんだボール９を定位置に保持する。しかしながら、これらフラックスドット１１が液状ペーストなので、ドット１１の体積又は高さは、フラックスドット１２の場合量が過剰であれば様々である場合がある。これにより、はんだボール１３は、ステンシル７から突き出てはんだボールビン８がボール１３上を通っている時に頂部が剪断される。潜在的に、フラックスドットが存在しない場合があり、はんだボールは、通常の高さよりも低く落下し、はんだボール１４がビン８によって剪断されることになる。

１９９６年３月１９日にバンガード・オートメーション・インコーポレイテッドに付与された米国特許第５，４９９，４８７号明細書は、はんだボールをボールグリッドアレイの状態で配置する装置を開示している。この装置は、内側フェース及び外側フェースを備えていて、水平軸線回りに回転自在なホイールと、ボールグリッドアレイをホイールの内側フェースに取り付ける手段と、ツーリングジグをボールグリッドアレイの位置に対応する位置でホイールの外側フェースに取り付ける手段と、ホイールの底部にはんだボールのリザーバを形成する手段と、ホイールを制御自在に回転させてツーリングジグをジグに設けられた凹部をはんだボールで満たしたり凹部を占めなかった過剰のはんだボールをアレイの表面から除くような仕方でリザーバを通って動かす手段とを有し、内側フェースと外側フェースは、ツーリングジグがリザーバ内のはんだボールに係合することができ、他方ボールグリッドアレイがはんだボールに係合しないような距離互いに分離されている。

米国特許第５，５５１，２１６号明細書は、ボールグリッドアレイを充填する方法及び装置に関する。この装置は、はんだボールのリザーバと、はんだボールを受け入れるアレイ上に配置された穴を備えるツーリングプレートとを有する。米国特許第６，２７６，５９８号明細書は、ボール配置のための方法及び装置に関する。この方法及び装置は、はんだボールをボールグリッドアレイパッケージに移送するのに特に適している。

上述の米国特許第５，４９９，４８７号明細書、第５，５５１，２１６号明細書及び第６，２７６，５９８号明細書に開示された方法は、はんだボールを受け入れる穴のところに真空吸引法式を用い又は用いないで傾斜したテンプレート１５上にはんだボール１７を自由に流す方式を利用している。この方法は、過剰のはんだボール１８及びはんだボール１９が静的な力、穴のところの真空漏れ又は基板への取付けの際に用いられるフラックスのようにねばねばしている場合のある異物に起因してテンプレートの表面上又は穴の周りに留まるのを阻止することはない。これら特許文献では、ボールピックヘッド１６又はボールグリッドアレイ基板２０をテンプレート上に前進させる次の作業の結果として、ピックヘッドの各穴のところ又はボールグリッドアレイ上の各電極のところではんだボール又は多数のボールがだめになる場合がある（図３及び図４に示されている）。

１９９９年７月６日にＲＳＶＩバンガード・インコーポレイテッドに付与された米国特許第５，９１８，７９２号明細書は、ボールグリッドアレイ及びかかるアレイの金属化パッド又はドットのパターン上にはんだボールを配置する方法を開示している。この装置は、アレイのキャリヤのための細長い凹部が形成された細長いホルダと、凹部の上に位置し、案内レールによって支持されたステンシルと、ステンシルに接触する平らな底面を有し、ステンシルに沿って運動可能な剛性材料のブロックと、ブロックをステンシルに沿って動かしてはんだボールに接触しているビンをステンシルに形成された孔上に動かして孔を満たすようにする手段とを有する。

発明の概要
したがって、本発明の目的は、ボールグリッドアレイテンプレートをはんだボールで満たす装置及び方法を提供することにある。
本発明の更に別の目的は、位置決め穴を有するボールグリッドアレイテンプレートに複数の小形はんだボールう充填する装置であって、
軸線が制御装置に回転自在に取り付けられたベースプレートを有し、ボールグリッドアレイテンプレートは、ベースプレートと同時に回転するようベースプレートに取り付けられ、
ベースプレートの頂面上に摺動自在に設けられていて、ベースプレートと一緒に回転するボール供給ビンを有し、ボール供給ビンの摺動運動は、駆動手段、例えばモータによって制御され、ボールグリッドアレイテンプレートは、ベースプレートの軸線回りに回転し、ボール供給ビンは、実質的に矩形であって、３つの垂直側部で包囲され、ボールグリッドアレイテンプレートの近くに位置する第４の垂直側部は、ボールゲートであり、ボールゲートは、その軸線回りに回動し、常態では、ボールゲートの下面のところに位置決めされた停止ピン等、例えば停止縁部によって休止状態になっており、
ベースプレートからのボールゲートの高さとほぼ同じ高さ位置でベースプレートの両端部のところに位置決めされていて、ボールゲートの開放／閉鎖位置をモニタする検出装置を有し、
ボール供給ビンによって包囲された複数の小形はんだボールを有し、ベースプレートをボールグリッドアレイテンプレートに向かって傾斜させると、ボール供給ビンは、ボールグリッドアレイテンプレートに向かって摺動してこの上に位置し、そのようにした場合、テンプレート上の位置決め穴をはんだボールで満たし、次に、ベースプレートを逆方向に傾斜させると、ボール供給ビンは摺動して他端部に戻り、それと同時に、過剰のはんだボールが供給ビン内へ落下して戻ることを特徴とする装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、複数の位置決め穴を有するボールグリッドアレイテンプレート上にはんだボールを充填する方法であって、前記ボールグリッドアレイテンプレートを回動ベースプレートの一端部に位置決めする工程と、ベースプレートの一端部のところに摺動自在に位置決めされ、ベースプレート上で摺動可能なボール供給ビン内に複数のはんだボールを導入する工程と、ベースプレートを時計回りに回転させ、ボール供給ビンがボールグリッドアレイテンプレートに向かって摺動してボール供給ビン内に入っているはんだボールがテンプレートの位置決め穴をそれぞれ一つずつ満たすことができ、ボール供給ビンの摺動運動は、駆動手段、例えばモータによって制御されるようにする工程と、ベースプレートを反時計回りに回転させ、ボール供給ビンを摺動させてその初期位置に戻し、そのようにする際、過剰のはんだボールをボールグリッドアレイテンプレート上から除くようにする工程とを有する方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、真空によりはんだボールを除去するようボールグリッドアレイテンプレート上に下降し、ボールグリッドアレイ基板に移送するボールピックヘッドを更に有していることを特徴とするボールグリッドアレイテンプレートにはんだボールを充填する装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、ベースプレートを水平上で５〜４０°の角度、時計回りの方向に傾けることを特徴とするボールグリッドアレイテンプレートにはんだボールを充填する方法を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、ベースプレートを水平の下で２０〜７５°の角度、反時計回りの方向に傾けることを特徴とするボールグリッドアレイテンプレートにはんだボールを充填する方法を提供することにある。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を参照して一例として説明する。

発明の詳細な説明
本明細書には発明の特徴を記載した特許請求の範囲が別紙として添付されているが、本発明は、図面と関連して以下の説明を読むと一層よく理解されると考えられる。

今図５を参照すると、本発明に従ってはんだボールをボールグリッドアレイテンプレート上に充填する装置が示されている。この装置は、軸線２が制御装置に回転自在に取り付けられたベースプレート１と、ベースプレート１の一端部の頂面に取り付けられていて、ベースプレート１が時計回り又は反時計回りに回転（傾斜）すると、ベースプレート１と同時に回転するようになるボールグリッドアレイテンプレート３と、ボールグリッドアレイテンプレート３の位置に対応したベースプレート１の他端部の頂面上に摺動自在に設けられていて、モータによって駆動され、ベースプレート１がベースプレート１の軸線２回りに回転している間、ベースプレート１に沿って動くことができる実質的に矩形の形をしたボール供給ビン４とを有する。この好ましい実施形態によれば、ボール供給ビン４は、３つの垂直側部で包囲され、ボールグリッドアレイテンプレート３の近くに位置した第４の垂直側部は、ボールゲート５を備えている。ボールゲート５は、その軸線６回りに回動し、常態では、ベースプレート１が時計回り又は反時計回りに回転すると、ボールゲート５の下面のところに配置された停止ピン７によって休止状態になっている。ボールグリッドアレイテンプレート３は、頂面にはんだボール１０を保持する複数の位置決め穴１２を備え、１つの位置決め穴１２は、図５に示すようにはんだボール１０を１つしか受け入れない。 検出装置８、例えば全通ビームセンサ又は合焦ビーム反射センサが、ベースプレート１から見てボールゲート５の高さとほぼ同じ高さのところでベースプレート１の端部の両方のところに位置決めされた状態で支持されていて、ボールゲート５の開放／閉鎖位置をモニタするようになっている。ボールゲート５が開放位置にあれば、これにより作動に異常のあるらしいことが分かる。ボールゲート５は、ボールゲート５の重量が軸線６回りに回動するような仕方で設計されており、この重量により、ボールゲート５ははんだボール１１をボール供給ビン４内に収容する閉鎖壁を形成するようになる。

図５に示すように、複数の小形はんだボール（ばらのまま）１１が、ボール供給ビン４によって包囲されている。ボールピックヘッド９をボールテンプレート３の上方に位置決めし、これを下降させて真空作用によりボールグリッドアレイテンプレート３上のはんだボール１０を除いてこれらをＢＧＡ基板１９に移送するようになっている（図１５参照）。

本発明によれば、真空１８は、ボールグリッドアレイテンプレート３の個々の位置決め穴１２と連通した状態でボールグリッドアレイテンプレート３の下に設けられたチャンバ１３に提供され、はんだボール１０の充填を助けるようになっている（図７及び図８参照）。
図７〜図１５は、本発明の装置の動作原理を示している。

この装置の最初の作動時、はんだボール１０が位置決め穴１２には存在しない状態でベースプレート１は、ボールグリッドアレイテンプレート３と共に水平位置にある（図６に示すように）。図６に示すように、はんだボール１１は、ボール供給ビン４内に入っており、ボールゲート５は、閉鎖位置にある。

図７を参照すると、ベースプレート１は、水平より上方に約５°〜４０°まで時計回りに傾斜し又はこれを回転させる。回転角度は、ボール供給ビン４内のはんだボール１１がボールゲート５に向かって散らばって次の工程におけるボールグリッドアレイテンプレート３全体上へのボールの配置の可能性を最高に高めることができるかどうかで決まる。ボールゲート５は、はんだボール１１を供給ビン４内に保持する閉鎖壁を形成する。

図８に示すように、ボール供給ビン４がボールグリッドアレイテンプレート３上でテンプレート３に向かって摺動し、このようにする際、供給ビン４内のはんだボール１１は、テンプレート３の表面の位置決め穴１２内に入れられる。チャンバ１３に連結された真空手段１８が、はんだボール１０をテンプレート３の位置決め穴１２内に充填するのを助ける。

図９を参照すると、次にベースプレート１を水平より下へ約２０°〜７５°まで反時計回りに傾斜させ又は回転させる。同様に、回転角度は、ボール供給ビン４内のはんだボール１１がボールゲート５からビン４の遠方端部に向かって重力の作用で且つボールゲート５を軸線６回りに回動させる回転トルクとバランスを取る量だけ自由に落下できるかどうかで決定される。

はんだボール１１が代表的には非常に小さく、直径が０．２ｍｍという小形であるということにより、符号１４で示す幾つかの残りのはんだボールは、静電荷、湿度、汚染又は真空漏れに起因してベースプレート１の表面１５、ボールグリッドアレイテンプレート３又は位置決め穴１２周りにくっつく場合がある。

図１０に示すように、この角度配向状態では、ボール供給ビン４は、後方に摺動し、そのようにする際、過剰の残りのはんだボール１４を払い去る。位置決め穴１２内に入っているはんだボール１０は、定位置に位置したままであり、チャンバ１３内の真空１８又は位置決め穴１２の深さにより保持される。

従来型はんだボール取付け装置を示す部分拡大断面図である。 別の従来型はんだボール取付け装置の断面図である。 従来型はんだボール取付け装置において結果的にピックヘッドの各穴のところ又はボールグリッドアレイ上の各電極のところではんだボール又は多数のボールがだめになる状態を示す略図である。 従来型はんだボール取付け装置において結果的にピックヘッドの各穴のところ又はボールグリッドアレイ上の各電極のところではんだボール又は多数のボールがだめになる状態を示す略図である。 本発明に従ってはんだボールをボール供給ビンからボールアレイテンプレートに配置する仕方を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。 本発明のはんだボールの配置の作業順序を示す断面図である。

Claims (13)

1. はんだボール充填装置であって、
   一端部にボールグリッドアレイテンプレートを備えたベースプレートを有し、はんだボールを受け入れる複数の位置決め穴がボールグリッドアレイテンプレートを貫通して設けられ、ベースプレートは、はんだボールをボールグリッドアレイテンプレートに向かって移動させる第１の回動方向とはんだボールをボールグリッドアレイテンプレートから遠ざける第１の回動方向とは逆の第２の回動方向との間でピボット回りの回動運動を行い、
   ベースプレート上に設けられていて、はんだボールを収納保持し、ボールグリッドアレイテンプレート上に配置されるとはんだボールを位置決め穴のうち１以上内に配置するはんだボール供給ビンを有し、
   はんだボール供給ビンは、一端部で後部側壁に、且つ反対側の端部で回動式ボールゲートにそれぞれ連結された２つの互いに反対側に位置する側壁を有し、第２の方向におけるベースプレートの回動中、ボールゲートは、ボールグリッドアレイテンプレートから遠ざからなかったはんだボールと接触時にベースプレートに対して回動し、
   はんだボール供給ビンをベースプレートに沿ってボールグリッドアレイテンプレートに近づけたり遠ざけたりすることができるモータを有することを特徴とするはんだボール充填装置。
2. 後部側壁は、ビンが摺動自在にベースプレート上で動くと、後部側壁がボールグリッドアレイテンプレート上を摺動しないような回動式ボールゲートに対する距離のところに配置されていることを特徴とする請求項１記載のはんだボール充填装置。
3. ベースプレートから見て回動式ボールゲートの高さとほぼ同じ高さのところでベースプレートの端部の両方のところに位置決めされた検出装置を更に有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. 検出装置は、全通ビームセンサ又は合焦ビーム反射センサであることを特徴とする請求項３記載の装置。
5. ベースプレートは、第１の回動方向に５〜４０°の角度回動することを特徴とする請求項１記載の装置。
6. ベースプレートは、第２の回動方向に２０〜７５°の角度回動することを特徴とする請求項１記載の装置。
7. ボールグリッドアレイテンプレートの位置決め穴は、真空と連通していることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. ボールグリッドアレイテンプレートにはんだボールを充填する方法であって、ボールグリッドアレイテンプレートはベースプレートの一端部上に設けられ、複数の位置決め穴がボールグリッドアレイテンプレートを貫通して設けられ、ベースプレートは、第１の回動方向とこれとは逆の第２の回動方向との間で回動運動を行うことができ、はんだボール供給ビンがベースプレート上に設けられ、はんだボール供給ビンは、第１及び第２の回動方向にベースプレート上で摺動でき、前記方法は、
   （ａ）はんだボールをはんだボール供給ビン内に用意する工程と、
   （ｂ）ベースプレートを第１の回動方向に回動させてビン内に入っているはんだボールが第１の回動方向に動くことができるようにする工程と、
   （ｃ）はんだボール供給ビンを第１の回動方向においてベースプレート上をボールグリッドアレイテンプレートまで動かしてはんだボールが位置決め穴のうち１以上を満たすことができるようにする工程と、
   （ｄ）ベースプレートを第２の回動方向に回動させてビン内に入っているはんだボールが第２の回動方向にボールグリッドアレイテンプレートから遠ざかることができるようにする工程と、
   （ｅ）はんだボール供給ビンを第２の回動方向でベースプレート上で動かす工程とを有し、
   ビンは、はんだボールを、一端部で後部側壁に、且つ反対側の端部で回動式ボールゲートにそれぞれ連結された２つの互いに反対側に位置した側壁の間に保持でき、工程（ｅ）の実施中、ボールゲートは、ボールグリッドアレイテンプレートから遠ざからなかったはんだボールとの接触時にベースプレートに対して回動することを特徴とする方法。
9. ベースプレートを第１の回動方向に５〜４０°の角度回動させることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. ベースプレートを第２の回動方向に２０〜７５°の角度回動させることを特徴とする請求項８記載の方法。
11. 工程（ｅ）の実施後、ベースプレートを水平位置まで回動させる工程を更に有していることを特徴とする請求項８記載の方法。
12. 第１の回動方向は、時計回りの方向であることを特徴とする請求項８記載の方法。
13. 第２の回動方向は、反時計回りの方向であることを特徴とする請求項８記載の方法。

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