JP4536074B2 - マイクロボールの振込み方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents

マイクロボールの振込み方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ＢＧＡやＣＳＰパッケージ等の表面実装型の半導体装置にマイクロボールを搭載するためのボールマウンタに関し、特に、振込みマスクへのマイクロボールの振込み方法に関する。
携帯電話、携帯型コンピュータ、その他の小型電子機器の普及に伴い、これらに搭載する半導体装置の小型化・薄型化の要求が高まっている。こうした要求に応えるべくＢＧＡパッケージやＣＳＰパッケージが開発され、実用化されている。
ＢＧＡまたはＣＳＰパッケージは、表面実装用の半導体装置であり、パッケージの基板の一面には、外部接続端子用のマイクロボールが搭載され、そこに接続されている。このようなマイクロボールを搭載する方法には、吸着ヘッドを利用した方法と、振込みマスクを利用した方法がある。吸着ヘッドによる方法は、比較的大きな径のマイクロボールの搭載には適しているが、ファインピッチ化された極小のマイクロボールを搭載するには、吸着ヘッドの加工精度等の問題から不適である。一方、振込みマスクによる方法は、マスクをエッチング等により微細加工することができるため、ファインピッチ化された極小のマイクロボールの搭載に適している。
振込みマスクを用いて基板等のワーク上に微小ボールを搭載する方法は、例えば特許文献１に開示されている。また、ボールマウンタの振込みマスクに半田ボールを振込む方法が、例えば特許文献２に開示されている。特許文献２によれば、図９に示すように、ボールマウンタ１は、半導体基板等のワーク１０をセットする台盤２と、ワーク１０の表面に積層されたマスク１１の上で水平方向に回転するヘッド２０と、ヘッド２０を回転駆動するモータ３０と、ヘッド２０およびモータ３０をキャリッジシャフト４１に沿って台盤２のＸ方向に移動するキャリッジ４２と、キャリッジシャフト４１を台盤２のＹ方向に移動するシャフト移動機構４３とを備えている。
図１０（ａ）は、ヘッド２０をスキージサポート２１の直径方向に沿って切った断面であり、図１０（ｂ）は、スキージサポート２１の下面に取り付けられた６セットのスキージ２２をスキージサポート２１の上方から透視した図である。ヘッド２０は、円盤状のスキージサポート２１と、スキージサポート２１の下面に配置された６セットのスキージ２２とを備えている。スキージサポート２１は、回転シャフト２５を介してモータ３０により回転される。キャリッジ４２には、半田ボール１９を回転シャフト２５の内部を介してスキージサポート２１の中心からマスク１１の上に供給するボール供給装置５０が搭載されている。
各々のスキージ２２は、複数のスウィープ部材２３がスキージ２２の進行方向に多重に配置された構成となっている。スウィープ部材２３は、マスク１１の上の半田ボール１９を進行方向に押し流しながら、あるいはさっと掃くように移動させ、マスク１１に形成された開孔などのパターンの中に半田ボール１９を挿入する。
特開２００４−３２７５３６号 特開２００６―１９７４１号
図１１は、従来のボールマウンタにおけるヘッドの移動方向を示す模式的な上面図である。矩形状のマスク６０に複数の貫通孔が形成されており、水平方向に回転するヘッド６２は、図１１（ａ）に示すように、マスク６０の一方の端部６４から他方の端部６６へ向けてＸ方向（長手方向）に移動された後、マスクのＹ方向（短手方向）に一定の距離移動され、再びマスクの他方の端部６６から一方の端部６４へ向けてＸ方向に移動される。このようなヘッド６２の往復運動は、マスク６２の大きさまたは貫通孔の数に応じて複数回繰り返される。ヘッド６２の中央に供給されたマイクロボール６８は、ヘッド６２のＸ方向の移動と回転により、マスク６０の上を軌道Ｐで走行する。
マスク６０は、複数の端子が形成された基板に対向するように配置され、マスク６０には、図１１（ｂ）に示すように、基板の端子パターンと同一のパターンの貫通孔７０が２次元状に形成されている。基板上には、例えば、数百個の半導体装置が形成され、１つの半導体装置には数百個の外部接続端子が形成され、マスク６０には数万個の貫通孔７０が形成されることになる。ヘッド６０を上記のように水平方向に回転させながらＸ方向に直線移動させた場合、マイクロボール６８の軌道Ｐが貫通孔７０と遭遇する確率は必ずしも高いとは言えず、その結果、ヘッド６２の走査後に、マイクロボール６８が振込まれていない貫通孔が存在してしまうことがある。
他方、貫通孔７０内にマイクロボール６８が振込まれる成功率を高めるために、マスク上に供給されるマイクロボール６８の数を増加させることも可能である。しかし、この場合には、貫通孔７０内に振込まれなかったマイクロボールの数が多くなり、マイクロボールの回収作業が煩雑となる。さらに、マイクロボールが振込まれる成功率を向上させるために、ヘッド６２のＸ方向の移動を遅くすることも可能であるが、そうすると、ヘッド６２がマスク全体を走査するのに要する時間が非常に長くなってしまい、振込み効率が落ち、半導体装置の製造スループットが著しく低下してしまう。
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、ファインピッチ化に対応し、導電性ボールを確実にかつ効率良くマスクの貫通孔内に振込むことができる振込み方法を提供することを目的とする。
本発明に係る振込み方法は、マスクの表面上を水平方向に移動可能であり、導電性ボールを供給口から供給し、当該供給口の周囲に配置された回転部材により導電性ボールに方向性を与えることが可能なヘッドを用いて、マスク上に形成された複数の貫通孔内に導電性ボールを振り込むものであって、ヘッドをマスクの表面上を移動させるとき、ヘッドに振動を与え、導電性ボールをマスクの貫通孔内に振り込ませることを特徴とする。
好ましくはヘッドの振動方向は、前記回転部材の回転軸方向に直交し、さらにはヘッドの移動方向にほぼ直交する。またヘッドは、マスクの表面を往復直線移動するように走査される。
本発明の他の振込み方法は、マスクの表面上を水平方向に移動可能であり、導電性ボールを供給口から供給し、当該供給口の周囲に配置された回転部材により導電性ボールに方向性を与えることが可能なヘッドを用いて、マスク上に形成された複数の貫通孔内に導電性ボールを振り込むものであって、ヘッドを蛇行させながらマスクの表面上を移動させ、導電性ボールをマスクの貫通孔内に振り込ませることを特徴とする。
本発明の他の振込み方法は、マスクの表面上を水平方向に移動可能であり、導電性ボールを供給口から供給し、当該供給口の周囲に配置された回転部材により導電性ボールに方向性を与えることが可能なヘッドを用いて、マスク上に形成された複数の貫通孔内に導電性ボールを振り込むものであって、供給口の中心から偏心した位置に前記回転部材を複数配置し、ヘッドが回転されるとき、前記供給口から供給された導電性ボールが前記複数の回転部材によって変動を受け、マスクの貫通構内に振り込まれる。
マスクは、例えば、Ｘ方向およびＹ方向に整列された複数の貫通孔し、貫通孔のパターンは、半導体装置の外部接続端子のパターンに一致する。このような振込みマスクを用いて、ＢＧＡやＣＳＰのバンプ電極が形成される。
本発明によれば、ヘッドに振動を与えながらヘッドを移動させることで、マスク表面で導電性ボールが存在する空間が実質的に広がり、これにより導電性ボールがマスク上の貫通孔に遭遇する確率が向上し、より確実にかつ効率良く導電性ボールを振込ませることができる。
さらに、ヘッドの移動を蛇行させたり、あるいはヘッドの回転部材を偏心させることによっても、導電性ボールがマスク表面で存在する空間を実質的に広げることができ、より確実にかつ効率良く導電性ボールを貫通孔内に振込ませることができる。
以下、本発明の最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例に係る半導体装置の好ましい製造工程の概略フローである。本実施例では、表面実装用の半導体装置としてＢＧＡパッケージを例にする。先ず、基板上に複数の半導体チップを実装し（ステップＳ１０）、実装された半導体チップを樹脂でモールドする（ステップＳ１１）。次に、基板の端子領域（電極ランド）にマイクロボールを搭載し（ステップＳ１２）、リフローによりマイクロボールと端子領域とを金属接合させ（ステップＳ１３）、半導体チップ毎に基板を切断するシンギュレーションが行われる（ステップＳ１４）。
図２（ａ）は、半導体チップを実装した基板の平面図、図２（ｂ）は基板上に実装された１つの半導体チップの断面を示す図である。基板１００は、その構成が特に限定されるものではないが、絶縁層と配線層を積層した多層配線基板やフィルム基板を用いることができる。基板１００の外形は、例えば、長手方向が約２３０ｍｍ、短手方向が約６２ｍｍである。基板１００の表面上には、半導体チップ１０２が２次元アレイ状に実装される。例えば、５×５の半導体チップを１つのブロック１０４Ａとし、このようなブロック１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄを基板１００の長手方向に配列している。
一つの半導体チップ１０２は、図２（ｂ）に示すようにダイアタッチ等の接着剤を介して基板１００上に固定され、半導体チップ１０２の表面に形成された電極は、ボンディングワイヤ１０６により基板１００上の配線パターンに接続される。あるいは、半導体チップ１０２は、その表面に形成されたバンプ電極をフェイスダウンし基板の配線パターンに接続するフリップチップ実装であってもよい。基板１００の表面に形成された配線パターンは、内部配線を介して基板１００の裏面にアレイ状に形成された複数の端子領域（図中、黒で示された部分）１０８にそれぞれ電気的に接続される。端子領域１０８は、後述するように、ＢＧＡパッケージの外部接続端子用のマイクロボールを接続する領域を提供し、例えば、１つのＢＧＡパッケージ当り数十ないし数百個のマイクロボールを接続することができる。
また、基板１００上の個々の半導体チップ１０２は、樹脂１１０によりモールドされる。本実施例では、５×５の半導体チップから成る１つのブロックを一括してモールドする。但し、半導体チップ１０２の各々を個別にモールドしてもよい。例えば、基板１００の表面からの樹脂１１０の高さは、約４５０ミクロンであり、基板１００の厚さは、約２４０ミクロンである。
図３（ａ）に、振込みマスクの平面図を示すとともに、１つの半導体チップに対応するマスクの領域を拡大して示している。振込みマスク２００には、基板１００の複数の端子領域１０８のパターンと同一パターンを有する複数の貫通孔２１０が形成されている。貫通孔２１０の径は、マイクロボールの径よりも１０ないし２０ミクロン大きい。
振込みマスク２００は、図３（ｂ）に示すように（１つの半導体チップに対応する振込みマスクの領域を示している）、基板１００の端子領域１０８と対向するように配置される。そして、後述するように、振込みマスク２００の表面を回転しながら水平移動するヘッドを用いて、マイクロボール３４０が貫通孔２１０内に振込まれる。マイクロボール３４０は、例えば、半田ボール、あるいは銅または樹脂から成るコアの表面にはんだ層が形成された導電性の金属ボールである。
図４（ａ）はヘッドの側面図であり、図４（ｂ）はヘッドを裏側から見た模式的な平面図である。同図に示すように、ヘッド３００は、円板状の金属部材であり、その下部に複数のスキージ３１０を取り付けている。また、ヘッドの中央には、マイクロボール３４０を供給するためのマイクロボール供給口３２０が形成されている。マイクロボール供給口３２０は、ホース３３０を介して図示しないマイクロボール供給装置に接続されている。
スキージ３１０は、例えば直線的に配列されたブラシから構成される。各々のスキージ３１０は、ヘッド３００の中央のマイクロボール供給口３２０の中心から一定の距離および一定の傾斜角を持って配置されている。ヘッド３００が図示しないモータによって回転するとき、スキージ３１０は一緒に回転される。
振込みマスク２００へのマイクロボールの振込みが行われるとき、マイクロボール供給口３２０からマイクロボール３４０が供給される。供給されたマイクロボール３４０は、ヘッド３００の進行方向およびスキージ３１０の回転によって方向性を与えられ、マイクロボール３４０は、自身の走行によりあるいはスキージ３１０によって掃くようにして貫通孔２１０内に落とし込まれる。
図５は、ヘッドを駆動するための概略構成を示すブロック図である。ボールマウンタは、ヘッド３００をＸ方向へ移動させるＸ方向駆動部４１０と、ヘッド３００をＹ方向へ移動させるＹ方向駆動部４２０と、ヘッド３００を回転させる回転駆動部４３０と、ヘッド３００に振動を与える振動駆動部４４０と、各部を制御するコントローラ４５０とを備えている。
Ｘ方向駆動部４１０は、例えばヘッド３００をＸ方向へ移動させるためのラックアンドピニオンギアとこれを駆動するステッピングモータと含み、ヘッド３００をＸ方向へ移動させる。Ｙ方向駆動部４２０は、同様に例えばラックアンドピニオンギアとステッピングモータによりヘッド３００をＹ方向へ移動させる。回転駆動部４３０は、例えばモータによりヘッド３００を回転させる。振動駆動部４４０は、例えばカム機構、圧電素子またはその他の公知の手段を利用してヘッド３００に振動を与える。振動駆動部４４０は、好ましくは、ヘッド３００の回転軸と直交し、かつヘッド３００の移動方向とほぼ直交する方向に振動を与える。例えば、ヘッド３００がＸ方向に移動されるとき、振動はＹ方向に与えられる。また、振動の振幅や周波数等は、マイクロボールの大きさ、振込みマスクに形成された貫通孔のピッチ、ヘッドの移動速度等に応じて適宜選択される。コントローラ４５０は、例えば、マイクロコントローラを含み、メモリに格納されたプログラムによりヘッド３００を走査させる。
図６は、本実施例における第１の振込み方法を説明する図である。図６(ａ)に示すように、振込みマスク２００への振込みを行う場合、ヘッド３００は、振込みマスク２００の一方の端部２０２から他方の端部２０４へとＸ方向に走査され、他方の端部２０４においてＹ方向へ一定距離移動された後、他方の端部２０４から一方の端部２０２へ向けてＸ方向に走査される。このようなＸ方向およびＹ方向の走査が複数回行われ、振込みマスク２００の全体を満遍なく走査する。
第１の振込み方法は、ヘッド３００を走査させるとき、同時に、ヘッド３００に振動を加える。振動は、ヘッド３００がＸ方向に移動されるとき、それとほぼ直交する方向、すなわちＹ方向であることが望ましい。また、振動の振幅は、貫通孔２１０のピッチよりも大きいことが望ましい。ヘッド３００の移動速度、移動方向、振動等の条件は、予めメモリに記憶され、コントローラ４５０によりヘッド３００の駆動が制御される。
ヘッド３００のマイクロボール供給口３２０から供給されたマイクロボール３４０は、ヘッドのＸ方向のベクトル、スキージ３１０による回転ベクトル、および振動による振動ベクトルを合成したベクトル、すなわち方向性を与えられ、その結果、マイクロボール３４０の軌道Ｐ１は、図６（ａ）に示すように、振動成分を含むジグザグなものとなる。マイクロボール３４０の軌道Ｐ１に振動を与えることで、マイクロボール３４０が存在する空間あるいは存在する範囲が実質的に従来の軌道Ｐ（図１１を参照）のときよりも大きくなり、その分だけ、マイクロボール３４０が貫通孔２１０に遭遇する確率が高くなる。このため、マイクロボール３４０が振込みマスク２００の貫通孔２１０内へ挿入される成功率が限りなく１００％に近づく。同時、成功率が非常に高くなれば、ヘッド３００の移動速度を上げ、マイクロボールを挿入する時間を短縮することも可能になる。
なお、上記したようにヘッドに与える振動の周波数、振幅および方向は、ヘッドの移動速度、マクロボールの大きさ、貫通孔のピッチ、貫通孔の数等の要因によって適宜変更できることは言うまでもない。また、振動は、必ずしも一定の規則である必要はなく、断続的に与えたり、振動の条件を可変することも可能である。
次に、本実施例の第２の振込み方法について説明する。第２の振込み方法は、第１の振込み方法のようにヘッドに振動を与えるのではなく、ヘッドが蛇行するように移動させるものである。例えば、図７に示すように、ヘッド３００をＸ方向に走査する際に、直線移動ではなく正弦波のような蛇行移動５００もしくは千鳥移動をさせる。これにより、マイクロボール３４０には、ヘッド３００の蛇行により正弦波のベクトルまたは方向性が与えられ、マイクロボール３４０の存在可能な空間が広がり、貫通孔２１０に遭遇する確率が向上し、その結果、マイクロボール３４０が挿入される成功率が上昇する。第２の振込み方法は、第１の振込み方法と異なり、ヘッドに振動を与えるための装置が不要となるため、ボールマウンタの構成を簡易かつ低コストにすることができる。勿論、第２の振込み方法に第１の振込み方法を組み合わせることも可能である。すなわち、ヘッドに振動を与えながら、ヘッドを蛇行させるようにしてもよい。
次に、本実施例の第３の振込み方法を説明する。第３の振込み方法は、複数のスキージ３１０を偏心させることで、マイクロボールに方向性を与えるものである。例えば図８に示すように、ヘッド６００の回転中心がＣ１であり、この回転中心Ｃ１は、マイクロボール供給口３２０の中心にほぼ一致する。一方、各々のスキージ６１０は、回転中心Ｃ１からの距離をそれぞれ異にし、複数のスキージ６１０の端部に接するように描かれた包絡円６２０の回転中心Ｃ２が回転中心Ｃ１から偏心している。スキージ６１０を偏心させることで、マイクロボール供給口３２０から供給されたマイクロボール３４０は、回転中心Ｃ１に関して均一の方向性を与えられるのではなく、あたかもヘッド６００が振動がされたの如くの方向性を与えられる。これにより、マイクロボール３４０と貫通孔との遭遇確率が向上し、貫通孔内へマイクロボールが挿入される成功率が向上される。
本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明に係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施例では、ＢＧＡパッケージを例にしたが、本発明は、ＣＳＰパッケージやその他の表面実装型の半導体装置についても適用することができる。
本発明に係る導電性ボールの振込み方法は、表面実装型の半導体装置を製造する半導体製造装置において利用される。
本発明の実施例に係る半導体装置の製造工程を示す概略フローである。 図２（ａ）は半導体チップが実装された基板を例示する平面図、図２（ｂ）は基板上の１つの半導体チップを樹脂でモールドしたときの断面図である。 振込みマスクの平面図である。 図４（ａ）にヘッドの側面図を示し、図４（ｂ）にヘッドを裏側から見た模式的な平面図を示す。 ボールマウンタのヘッドを駆動するための構成を示すブロック図である。 本実施例の第１の振込み方法を説明する図である。 本実施例の第２の振込み方法を説明する図である。 本実施例の第３の振込み方法を説明する図である。 従来の振込みマスクへの半田ボールの振込みを行うボールマウンタを示す図である。 図１０（ａ）は、従来のボールマウンタのヘッドの断面図、図１０（ｂ）はヘッド内のスキージを透視した図である。 従来の振込み方法の課題を説明する図である。
符号の説明
１００：基板
１０２：半導体チップ
１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄ：ブロック
１０６：ボンディングワイヤ
１０８：端子領域
１１０：モールド樹脂
２００：振込みマスク
２０２：一方の端部
２０４：他方の端部
２１０：貫通孔
３００、６００：ヘッド
３１０、６１０：スキージ
３２０：マイクロボール供給口
３３０：ホース
３４０：マイクロボール
５００：蛇行移動
６２０：包絡円

Claims (7)

  1. 導電性ボールを供給するための供給口と導電性ボールに方向性を与えるための回転部材とを有するヘッドを、回転させながらマスクの表面上を水平方向に移動させることにより、マスク上に形成された複数の貫通孔内に導電性ボールを振り込む、振込み方法であって、
    前記ヘッドをマスクの表面上を移動させるとき、前記ヘッドに前記水平方向の移動とは異なる運動成分の振動を与え、導電性ボールをマスクの貫通孔内に振り込ませる、振込み方法。
  2. 前記ヘッドの振動方向は、前記回転部材の回転軸方向に直交する、請求項１に記載の振込み方法。
  3. 前記ヘッドの振動方向は、前記ヘッドの移動方向にほぼ直交する、請求項１に記載の振込み方法。
  4. 前記ヘッドは、マスクの表面を往復直線移動される、請求項１ないし３いずれか１つに記載の振込み方法。
  5. マスクの表面上を水平方向に移動可能であり、導電性ボールを供給口から供給し、当該供給口の周囲に配置された回転部材により導電性ボールに方向性を与えることが可能なヘッドを用いて、マスク上に形成された複数の貫通孔内に導電性ボールを振り込む、振込み方法であって、
    前記供給口の中心から偏心した位置に前記回転部材を複数配置し、前記ヘッドが回転されるとき、前記供給口から供給された導電性ボールが前記複数の回転部材によって変動を受け、マスクの貫通孔内に振り込まれる、振込み方法。
  6. マスクは、Ｘ方向およびＹ方向に整列された複数の貫通孔を有する、請求項１ないし５いずれか１つに記載の振込み方法。
  7. 複数の導電性ボール搭載領域を有する半導体装置を用意する工程と、
    上記複数の導電性ボール搭載領域に対応する複数の貫通孔を有する振り込みマスクを上記半導体装置に対して位置決めする工程と、
    上記振り込みマスクの複数の貫通孔に導電性ボールを振り込むことにより、導電性ボールを上記導電性ボール搭載領域に搭載する工程と、
    を含む、半導体装置の製造方法において、
    上記導電性ボールの振り込みが、請求項１ないし６いずれか１つの振込み方法によって行われる、半導体装置の製造方法。
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