JP4552204B2

JP4552204B2 - 導電性ボールの搭載装置

Info

Publication number: JP4552204B2
Application number: JP2007158436A
Authority: JP
Inventors: 元通伊藤; 正典落合
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: JP2007288209A

Description

本発明は、導電性ボールの搭載装置に係わり、特にＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）タイプの半導体素子、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）又はＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｌＰａｃｋａｇｅ）タイプの電子部品用パッケージ、並びにそれらに対応した配線基板など、エリアアレイ型の半導体素子、配線基板及び電子部品用パッケージの接続バンプを製造するあたり、導電性ボールを搭載するに好適な搭載装置に関するものである。

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、及び軽量化、小型化、薄型化が進むにつれ、それらに内蔵される電子部品を構成する半導体素子及び該半導体素子のパッケージに対しても、小型化及び薄型化と多端子化という相反する特性が要求されている。その要求に応ずるものとして、図５（ａ）に拡大正面視を、同図（ｂ）に平面視を示すように、接続バンプが狭ピッチで配列された小型のＣＳＰタイプ又はＢＧＡ（ＦＢＧＡ型も含む）タイプのパッケージ４が提案されている。このパッケージ４は、例えばマザーボードなど外部装置に接続される接続バンプ８３ｂ（８３）がエリアアレイ状に一方面（下面）に突設されるとともに、半導体素子７に接続される接続バンプ８３ｂ（８３）がエリアアレイ状に他方面（上面）に突設された配線基板８を有し、配線基板８の上面に半導体素子７がフリップチップボンディングされ電子部品５は形成される。

配線基板８は、図５（ａ）に示すように、薄板状の基体８１と、該基体８１の上面側に前記接続バンプ８３ａが突設されるパッド電極８２ａ（８２）と、下面側に前記接続バンプ８３ｂが突設されるパッド電極８２ｂ（８２）を有している。基体８１の表面及び内部には再配線のため導体パターンが形成されている。基体８１としては、周知の樹脂製又はセラミック製の基体、或いはそれらが積層された基体などが必要に応じ選択されている。

上記電子部品５の製造方法としては、接続バンプ８３を設けた配線基板８に半導体素子７を実装する場合と、半導体素子７のパッド電極７２に接続バンプ８３を設けてＦＣを形成し配線基板７に実装する場合とがある。以下の説明では、半導体素子７と配線基板８を総称しワーク７（８）と言う。

前記接続バンプ８３の形成方法として、例えば半田成分を含有したペーストをパッド電極７２（８２）に印刷する印刷方式、導電性ボール（半田ボール、銅ボールなど）をパッド電極７２（８２）に搭載する導電性ボール方式、パッド電極７２（８２）に導電体をメッキや蒸着する膜付け方式などがあるが、印刷方式及び膜付け方式と比較して、接続バンプ８３を正確に配列することができ、体積が大きくバラツキの少ない接続バンプ８３を容易に得ることができ、さらに生産性の高い導電性ボール方式が、小型の接続バンプ８３を狭ピッチで正確に配列する必要のあるＣＳＰ又はＢＧＡタイプのパッケージ４においては主流となってきている。

前記導電性ボール方式によれば、接続バンプ８３は、少なくとも、パッド電極７２（８２）にソルダーペーストもしくはフラックスを印刷する工程と、ソルダーペーストもしくはフラックスが印刷されたパッド電極７２（８２）に導電性ボールを搭載する搭載工程と、その導電性ボールを加熱し、溶解してパッド電極７２（８２）に固定するリフロー工程を経て、製造されている。

前記搭載工程で導電性ボールをパッド電極７２（８２）に搭載する方法の一例として、下記特許文献１に記載されているような負圧を利用した吸着ヘッドで導電性ボールを吸着し、パッド電極７２（８２）へ移送し搭載する、いわゆる吸着方式がある。しかしながら吸着方式によれば、吸着ヘッドの吸着力で導電性ボールが変形する問題がある一方で、吸着ヘッドと導電性ボールの分離性に劣るためパッド電極７２（８２）に導電性ボールが搭載されない搭載不良が生じるという問題があった。さらに、吸着時の空気流により導電性ボールが帯電して電磁気力を帯び、その電磁気力のために、団子状態となった導電性ボールの集合体がパッド電極７２（８２）に搭載され、或いは余剰ボール（いわゆるエクストラボール）がパッド電極７２（８２）以外のワーク７（８）の表面に付着するという問題があり、その問題は特に導電性ボールの小径化に伴い顕著をなってきている。

そのような吸着方式の問題を解決する方法として、パッド電極７２（８２）の配列パターンに対応した位置決め開口部を備えたマスクを用い、その位置決め開口部に導電性ボールを振り込んで導電性ボールをパッド電極７２（８２）に搭載する、いわゆる振込み方式がある。

振込み方式により導電性ボールをパッド電極７２（８２）に搭載する方法の一例が、下記特許文献２に開示されている。下記特許文献２に記載された搭載方法は、パッド電極７２（８２）にフラックスを塗布し、パッド電極７２（８２）と位置決め開口部を平面方向に位置合わせして配線基板８の上にマスクを載置し、マスクの上に導電性ボールを供給し、該導電性ボールをブレード（スキージ）で移動させて位置決め開口部に導電性ボールを振込み、パッド電極７２（８２）に導電性ボールを搭載するものである。

かかる振込み方式によれば、上記した吸着方式の問題を解消することができる。すなわち、振込み方式では、導電性ボールに過大な力を作用させないので導電性ボールの変形を防止でき、導電性ボールの搭載は重力の作用で行われるので前記吸着にともなう搭載不良の問題を解消できる。更に、振込みにより導電性ボールが帯電した場合でも、位置決め開口部の大きさの規制により団子状態となった導電性ボールの集合体はパッド電極７２（８２）に搭載されず、加えてパッド電極７２（８２）以外のワーク７（８）の表面はマスクで遮蔽しているので余剰ボールは付着しない。

特開２００１−２２３２３４号公報特開平１０−１２６０４６号公報

しかしながら、上記特許文献２で例示した従来の振込方式による導電性ボールの搭載には、次のような問題があった。すなわち、図６（ａ）に示すように、パッド電極７２（８２）及び導体パターンとワーク７（８）の膨張率の差や、製造条件などに起因する板厚方向の不可避の反り、或いは板厚のバラツキなどの変形をワーク７（８）は有している。変形を有するワーク７（８）の上にマスク９２を載置すると、ワーク７（８）とマスク９２の間に空隙が生じこととなる。その空隙が導電性ボール６より大きい場合には、空隙から導電性ボールが漏れて図において符号６ｃで示す余剰ボールとなり、導体パターンを短絡させる原因となる。さらに、図において符号６ｂで示すように、空隙から漏れた導電性ボール６ｂがパッド電極７２（８２）の外周部に付着し、導電性ボール６ｂ同士が連結してブリッジを形成する原因となる。そのように短絡やブリッジなど接続不良が生じたワーク７（８）を電子部品５に組込んだ場合、電子部品５の信頼性を低下させる問題があった。

本発明は、上記問題を解決するため本願発明者らが鋭意検討してなされたものであり、その目的は、半導体素子、配線基板及び電子部品用パッケージに形成される接続バンプの製造において、上記接続不良の発生を防止できる導電性ボールの搭載装置を提供し、より信頼性の高い電子部品を市場に供給することにある。

本発明に係る導電性ボールの搭載装置は、接続バンプとして導電性ボールを採用し、所定のパターンで一面にパッド電極が配列された均一な厚みを有する平板状のワークと、前記パッド電極が配列された一面を上方に向け前記ワークが装着される有底孔部が上面の中央部に形成されたテーブルと、前記パッド電極の配列パターンに対応し、前記導電性ボールが挿通可能な位置決め開口部が形成されたマスクとを有し、前記パッド電極が配列された面に前記マスクを対面させるとともに、前記パッド電極に前記位置決め開口部を位置合わせし、前記位置決め開口部を通して前記パッド電極に前記導電性ボールを搭載する搭載装置であって、前記テーブルは、前記位置合わせされたマスクを吸引し、前記パッド電極が配列された面に密着させるため当該テーブルの上面の外周部に開口した開口部を有する真空吸着手段を備えることにより前記ワークと対面しない前記マスクの外周領域において当該マスクを吸引するよう構成され、前記有底孔部は、前記テーブルの外周部に開口した前記吸着手段の開口部よりも内側に配置され、さらに前記有底孔部は、前記テーブルの上面からの深さが前記ワークの厚みとほぼ同一である平坦な底面と、当該有底孔部に装着された前記ワークの側面との間に間隙が形成される内側壁とを有し、加えて前記有底孔部は、前記マスクが前記ワークに位置あわせされたときに当該マスクの底面で塞がれた状態となるよう構成されていることを特徴としている。

本発明に係る搭載装置によれば、パッド電極が配列された面を上方に向けたワークに対して、パッド電極の配列パターンに対応し、導電性ボールが挿通可能な位置決め開口部が形成されたマスクは、前記パッド電極が配列された面に対面され、前記パッド電極に前記位置決め開口部を位置合わせされ、前記真空吸着手段により吸引され、前記接続面に密着する。したがって、前記パッド電極が配列された面と前記マスクの間に空隙が生ずることがなく、前記空隙から漏れた導電性ボールによるワークの短絡や接続バンプ同士のブリッジなど接続不良の発生を防止でき、ワークが組込まれる電子部品の信頼性を向上することが可能となる。

本発明の導電性ボールの搭載装置について以下図面を参照して説明する。図１は、本発明の搭載装置の一態様を示す概略構成図である。図２は、図１の要部を説明する図であって、同図（ａ）はマスクの部分拡大平面視、同図（ｂ）はマスクの拡大断面視である。図３は、図１の搭載装置により導電性ボールを搭載し、接続バンプを製造する方法を説明する図である。図４は、図１のテーブルの詳細な構造を説明する図である。以下、導電性ボールとして半田ボールを使用した場合を例に説明するが、接続バンプを形成するために使用される、例えば銅ボールなどの導電性ボールにも同様に本発明は適用することができる。

本発明の搭載装置１は、図１、２に示すように、少なくとも、接続バンプ８３として半田ボール６を採用し、所定のパターンでパッド電極７２（８２）が配列されたワーク７（８）と、パッド電極７２（８２）が配列された面（以下接続面と称する。）を上方に向けワーク７（８）を載置するテーブル１１と、パッド電極７２（８２）の配列パターンに対応し、半田ボール６が挿通可能な位置決め開口部１２３が形成されたマスク１２とを有し、前記接続面にマスク１２を対面させるとともに、パッド電極７２（８２）に位置決め開口部１２３を位置合わせし、位置決め開口部１２３を通してパッド電極７２（８２）に半田ボール６を搭載する搭載装置１であって、前記テーブル１１は、前記位置合わせされたマスク１２を吸引し、前記接続面に密着させるマスク吸引手段を備えている。

前記マスク１２は、図２に示すように、パッド電極７２（８２）の配列パターンに応じ形成され、半田ボール６が挿通可能な位置決め開口部１２３を有している。なお、マスク１２の材料は、ステンレスやニッケルなどの金属、或いはポリエチレンやポリエステルなどの樹脂から適宜必要に応じ選択することができる。

マスク１２の着脱は、人手で行ってもよいが、例えば図１（ａ）で符号１３で示す、紙面において左右方向に横動するマスク移動手段にその一端部を支持され、半田ボール６を搭載する場合にはワーク７（８）の上方に位置決めされ、テーブル１１から配線基板８を取外す際には、図１（ｂ）に示すように、ワーク７（８）の上方から離脱される構成とすれば、マスク１２の位置決めを効率的に行えるので望ましい。

前記テーブル１１は、マスク吸引手段として、図４（ａ）において符号１１３で示す、磁気を発生する磁気発生装置を備えている。磁気発生装置１１３は、配線基板８の接続面の上方に載置されたマスク１２に相対しテーブル１１に内蔵されるとともに、テーブル１１の外部に設けられ磁気発生装置１１３に給電する給電制御手段に連結されている。磁気発生装置１１３は、給電制御手段により給電されることにより、ワーク７（８）の上方に載置されたマスク１２を磁力により吸引し、ワーク７（８）の接続面にマスク１２の下面を密着させる。もって、マスク吸引手段として磁気発生装置１１３を用いる場合、マスク１２は、少なくとも前記接続面の対面（下面）が磁力により吸引可能な磁性体で形成されてなることが望ましい。

また、テーブル１１は、マスク吸引手段として、図４（ｂ）に示すように、前記磁気発生装置１１３と同様に配設され、外部に設けられた印圧制御手段により正極または負極に印圧される静電気力発生装置１１４を備えていても良い。静電気力発生装置１１４は、印圧制御手段により正極または負極に印圧されることにより、ワーク７（８）を介して上方に載置されたマスク１２を印圧された極性と逆の極性に帯電させ、マスク１２を静電力により吸引し、ワーク７（８）の接続面にマスク１２の下面を密着させる。もって、マスク吸引手段として静電気力発生装置１１４を用いる場合、マスク１２は、帯電しやすい材料で形成することが望ましく、例えば誘電率が４〜１２と比較的誘電率が高く、電気抵抗率が１０^８〜１０^１２Ωｃｍ程度の導電性を有する絶縁材料、具体的にはポリミイド樹脂、フェノール樹脂、ケイ素樹脂、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、アセチルセルロース、アセチルブチルセルロース、ウレタンエラストマー、クロロプレンゴム、二トリルゴムおよびこれらの混合物や、それらに適宜カーボンブラックを配合したものを選択するとよい。

さらにまた、テーブル１１は、マスク吸引手段として、図４（ｃ）に示すように、ワーク７（８）が載置される部分以外のテーブル１１の上面に開口した開口部１１１ａと、側面に開口した開口部１１１ｂと、前記開口部１１１ａと１１１ｂを連結しテーブル１１の内部に画成された流体通路１１１と、前記開口部１１１ｂに連結された真空発生手段を備えた真空吸着装置１１５を有していてもよい。真空吸着手段１１５は、真空発生手段により負圧を発生し、流体通路１１１を通じてテーブル１１の上方に載置されたマスク１２を負圧により吸引し、ワーク７（８）の接続面にマスク１２の下面を密着させる。

上記マスク吸引手段によれば、図６（ｂ）に示すように、マスク１２は、ワーク７（８）を介してマスク吸引手段の側に吸引され、ワーク７（８）の変形に倣いその接続面に密着するので、ワーク７（８）とマスク１２の間に空隙が生ずることがない。したがって、位置決め開口部１２３を通してパッド電極７２（８２）に搭載された半田ボール６は、空隙から漏れることなく、搭載された位置を保持することが可能となる。

なお、テーブル１１の位置決めは、人手で行ってもよいが、例えば図１（ａ）で符号１９で示す、紙面において上下方向に昇降するテーブル昇降手段にテーブル１１を連結し、半田ボール６を搭載する場合には所定位置にテーブル１１を上昇させ、半田ボール６を搭載した後には、図１（ｂ）に示すように、テーブル１１を下降させる構成とすれば、テーブル１１の位置決めを効率的に行えるので望ましい。

半田ボール６の供給手段、すなわち、ワーク７（８）の接続面の上方に位置決めしたマスク１２の上面に、位置決め開口部１２３の個数より多い半田ボール６を供給する手段は、特に限定されることはないが、例えば、図１（ａ）に示すように、マスク１２の右方端（一方端）の上方に配設した供給口１４１を備えた半田ボール供給手段１４を設け、該半田ボール供給手段１４により半田ボール６を定量供給すれば半田ボール６の供給を効率的にできるので望ましい。

マスク１２に供給された半田ボール６を位置決め開口部１２３に振り込む振込手段の構成は、特に限定されることはないが、例えば図１（ａ）において符号１５で示すように、紙面においてマスク１２の右方端（一方端）と左方端（他方端）の間をマスク１２の上面と先端部が接触しつつ横行可能な、柔軟性のあるヘラ状或いは刷毛状のものとすればよい。この振込手段１５によれば、マスク１２の上面に供給された半田ボール６は、振込手段１５の先端部で捕捉されるとともにマスク１２の両端間を移動され、順次位置決め開口部１２３に挿入されることとなる。

半田ボール６の除去手段、すなわち、位置決め開口部１２３に挿入されない残余の半田ボール６をマスク１２の上面から除去する手段は、特に限定されることはないが、例えば、図１（ａ）に示すように、マスク１２の左方端（他方端）の上方に配設した供給口１６２を備えた半田ボール除去手段１６を設け、前記振込手段１５で左方端に移動された残余の半田ボール６を半田ボール供給手段１６で除去すれば、半田ボール６の除去を効率的にできるので望ましい。

かかる構成の搭載装置１による半田ボール６の搭載方法は、接続バンプ８３として半田ボール６を採用し、所定のパターンでパッド電極７２（８２）が配列されたワーク７（８）と、ワーク７（８）のパッド電極７２（８２）の配列パターンに対応し、半田ボール６が挿通可能な位置決め開口部１２３が形成されたマスク１２とを、パッド電極７２（８２）が配列されたワーク７（８）の接続面に対しマスク１２を上方で対面させるとともに、パッド電極７２（８２）に位置決め開口部１２３を位置合わせし、位置決め開口部１２３を通してパッド電極７２（８２）に半田ボール６を搭載する搭載方法であって、前記位置合わせされたマスク１２をワーク７（８）側へ吸引し、前記接続面にマスク１２を密着させるものである。以下、半田ボール６の搭載方法について図３を参照し詳述する。

［マスク挿着工程］
磁性体からなるマスク１２を準備する。図３（ａ）に示すように、ワーク７（８）の接続面に対しマスク１２の下面が上方で対面するよう位置決めするとともに、パッド電極７２（８２）に位置決め開口部１２３を位置合わせする。なお、前記位置決めの際、マスク１２は、前記磁気発生装置１１３の発生する磁力（吸引力）の大きさに応じ適宜設定される隙間により前記接続面と離間した状態に位置決めされてもよいし、前記接続面と当接した状態に位置決めされてもよい。次に、前記磁気発生装置１１３に給電し、磁力によりマスク１２をワーク７（８）の側へ吸引し、前記接続面にマスク１２の下面を密着させる。なお、必要に応じ、搭載された半田ボール６がパッド電極７２（８２）から離脱することを防止するため、例えばソルダーペースト、フラックスなど適当な粘性を有し半田ボール６を仮固定する仮固定材をパッド電極７２（８２）に塗布する工程をマスク挿着工程の前に設けてもよい。

［半田ボール搭載工程］
図３（ｂ）に示すように、前記位置決め開口部１２３の個数以上の半田ボール６をマスク１２の上面に供給し、該半田ボール６を位置決め開口部１２３に振り込み、位置決め開口部１２３を通してパッド電極７２（８２）に搭載するとともに、残余の半田ボール６をマスク１２の上面から除去する。なお、必要に応じ、搭載された半田ボール６がパッド電極７２（８２）から離脱することを防止するため、例えば搭載された半田ボール６をパッド電極７２（８２）に押圧し、パッド電極７２（８２）に半田ボール６を圧着する工程を半田ボール搭載工程の後に設けてもよい。

［マスク取外工程］
図３（ｃ）に示すように、前記電磁コイル装置１１３への給電を切り、マスク１２を取り外す。

その後、図３（ｄ）に示すように、パッド電極７２（８２）に搭載された半田ボール６を適宜な方法でリフローすれば、所望の接続バンプ８３が形成される。

本発明の導電性ボールの搭載装置の一例を示す概略構成図である。図１の搭載装置のマスクの詳細を示す部分拡大図である。図１の搭載装置による導電性ボールの搭載方法を説明する図である。図１の搭載装置のテーブルの詳細を示す図である。ＢＧＡ又はＣＳＰタイプのパッケージの構造を示す図である。従来の方法により導電性ボールが搭載された状態を説明する図である。

符号の説明

１：搭載装置、１１：テーブル、１２：マスク
４：パッケージ
５：電子部品
７：半導体素子、７２：パッド電極
８：配線基板、８２：パッド電極、８３：接続バンプ

Claims

接続バンプとして導電性ボールを採用し、所定のパターンで一面にパッド電極が配列された均一な厚みを有する平板状のワークと、前記パッド電極が配列された一面を上方に向け前記ワークが装着される有底孔部が上面の中央部に形成されたテーブルと、前記パッド電極の配列パターンに対応し、前記導電性ボールが挿通可能な位置決め開口部が形成されたマスクとを有し、前記パッド電極が配列された面に前記マスクを対面させるとともに、前記パッド電極に前記位置決め開口部を位置合わせし、前記位置決め開口部を通して前記パッド電極に前記導電性ボールを搭載する搭載装置であって、前記テーブルは、前記位置合わせされたマスクを吸引し、前記パッド電極が配列された面に密着させるため当該テーブルの上面の外周部に開口した開口部を有する真空吸着手段を備えることにより前記ワークと対面しない前記マスクの外周領域において当該マスクを吸引するよう構成され、
前記有底孔部は、前記テーブルの外周部に開口した前記吸着手段の開口部よりも内側に配置され、
さらに前記有底孔部は、前記テーブルの上面からの深さが前記ワークの厚みとほぼ同一である平坦な底面と、当該有底孔部に装着された前記ワークの側面との間に間隙が形成される内側壁とを有し、
加えて前記有底孔部は、前記マスクが前記ワークに位置あわせされたときに当該マスクの底面で塞がれた状態となるよう構成されていることを特徴とする搭載装置。