JP4557821B2 - 微小粒子の配置装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、直径が１ｍｍ程度以下の微小な粒子を所定の位置に配置あるいは配列する装置および方法に関し、特に、集積回路装置、表示パネルなどの半導体デバイスあるいは光学デバイスの実装などに用いられる導電性の微小粒子を配置するのに好適な装置および方法に関するものである。

ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）を始めとする半導体デバイスあるいは光学デバイスを実装する際に、電気的な接続を得るためにはんだあるいは他の導電性金属、さらには金属をコーティングした微小粒子を所望のパターンになるように配置したパッケージあるいは基板などが用いられている。特開平９−１４８３３２号公報には、空気流や振動を用いる代わりに、スキージ（squeegee）と称されるブラシ状の移動手段を用いて微小粒子を移動させることが記載されている。

特開平９−１４８３３２号公報には、スキージの幾つかのタイプが開示されている。１つのタイプは、導電繊維が植毛されたブラシ状のものであり、スキージをマスクの上で往復移動させることにより微小粒子をマスク状で移動させるようにしている。他のタイプは、スキージを往復させる代わりに、リング状の溝を備えたマスクの上で、ブラシ状のスキージを溝に沿って回転させるものである。また、導電性の微小粒子をマスクの開孔部に挿入し易いように、スキージの移動方向の面に窪みを設けることが開示されている。
特開平９−１４８３３２号公報

微小粒子をスキージなどにより、マスクにパターニングされた開孔に振込む際、微小粒子が配置されない開孔が発生しないようにするためには、開孔の数（密度）に対して十分に多い数の微小粒子を供給する必要がある。しかしながら、マスク上を移動する時間が長くなれば、様々な要因、例えば、大気と接触することによる表面劣化、粒子同士、粒子とマスク、さらには粒子とスキージとの摩擦および衝突により、微小粒子は劣化し、性能は低下する。したがって、移動時間が経過した微小粒子はロスとして廃棄する必要がある。直線的なブラシ状のスキージを往復動させるタイプでは、スキージの長手方向に微小粒子の粗密が発生し易く、歩留まりを向上するために微小粒子の密度を上げれば、微小粒子のロス率が高くなる。リング状の溝の内部をスキージが回転するタイプは、スキージの前面の形状を微小粒子が拡散し難いものにすることにより、微小粒子の密度を上げることができ、微小粒子のロス率を低くできる可能性がある。しかしながら、リング状のマスクを用意する必要があり、リング状のマスク内でしか微小粒子の振込みができないので、ワークの大きさあるいは形状は限られる。あるいは、微小粒子を所望の位置に配置する振込み装置が非常に大型になる。

そこで、本発明においては、微小粒子の密度を一定に保持した状態で、マスク上をＸ−Ｙ方向のいずれにも自由に移動することができるヘッドを備えた装置と、それを用いた微小粒子の配置方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、微小粒子をワークの所定の位置に配置するための開孔パターンを備えたマスクの上で微小粒子を移動させるためのヘッドであって、内円の周りに配置されたスウィーパを備え、内円の周りから微小粒子を内円の方向に集め、内円の範囲のマスクの開口の数に対して過剰な前記微小粒子の密度を高くするヘッドと、ヘッドをマスクの表面に沿って移動させるヘッド移動手段と、ヘッド移動手段により、ヘッドとともに移動し、内円の範囲へ微小粒子を供給し、内円の範囲の過剰な微小粒子の密度を維持する供給手段とを有する装置である。

この装置は、ヘッドにより、内円に半田ボールなどの微小粒子を集めて、ヘッドを移動しながら、マスクの開孔パターンに微小粒子を振込むことができる。その際、内円に集められた過剰な微小粒子の密度が低下すると、開孔パターンに振込まれる確率が低下する。それを防止するため、適当な密度が維持されるように供給手段から微小粒子を内円に供給できる。

ヘッド移動手段は、ヘッドをマスクに対し垂直な軸まわりに回転させながら移動し、ヘッドは回転中心に内円があり、スウィーパは当該ヘッドが回転すると微小粒子を内円の方向に移動させる、ことが好ましい。

供給手段は、ヘッドを通して、内円へ微小粒子を供給することが好ましい。

さらに、供給手段は、内円の微小粒子の密度が低下すると、新しい微小粒子を補給することが好ましい。

さらに、装置は、内円の微小粒子の密度を検出する光学センサーをさらに有することが好ましい。

本発明の他の態様は、装置を用いて、微小粒子をワークの所定の位置に配置する方法である。装置は、微小粒子をワークの所定の位置に配置するための開孔パターンを備えたマスクの上で微小粒子を移動させるためのヘッドであって、内円の周りに配置されたスウィーパを備え、内円の周りから微小粒子を内円の方向に集め、内円の範囲のマスクの開口の数に対して過剰な前記微小粒子の密度を高くするヘッドと、ヘッドをマスクの表面に沿って移動させるヘッド移動手段と、ヘッド移動手段により、ヘッドとともに移動し、内円の範囲へ微小粒子を供給する供給手段とを有する。本発明の方法は、ワークの表面にマスクを積層させることと、ヘッド移動手段によりヘッドを移動することにより、マスクに形成された開孔パターンの中に微小粒子を振り込むことと、供給手段により、内円の範囲へ、ヘッドを通して微小粒子を供給し、内円の範囲の前記過剰な微小粒子の密度を維持することとを含む。

さらに、ワークは、マスクの開孔パターンの部分のレジストが除去されており、上記の積層させる工程は、マスクを、ワークの表面であって微小粒子を装着する面に対してレジストを介して、積層させることを含む。

図面を参照しながら、本発明についてさらに説明する。図１に、本発明に係る微小粒子配置装置の概略構成を示してある。この装置１はボールマウンタと称されており、半導体基板あるいはプリント基板などのワークに対して微小な半田ボールなどを実装することができる。ボールマウンタ１は、ワーク１０を水平にセット可能な台盤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、このヘッド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。なお、ワーク１０は、例えば、８インチ半導体ウェハーである。

ヘッド２０は、円盤状のスキージサポート２１と、このスキージサポート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の中心には、マスク１１に対し垂直に延びた回転シャフト２５が取り付けられており、回転駆動用のモータ３０により、スキージサポート２１を上方から見て時計方向に回転されるようになっている。したがって、この微小粒子配置装置１においては、シャフト移動機構４３、キャリッジ４２、および回転駆動用のモータ３０をヘッド移動手段として、ヘッド２０を回転させながら、その回転の中心、すなわち回転シャフト２５を台盤２のＸ−Ｙ方向のいずれにも移動できるようになっている。

さらに、キャリッジ４２には、ヘッド２０により移動する対象となる微小粒子を回転シャフト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。本例においては、直径が１５０μｍの半田ボールをマスク１１の上に供給し、マスク１１に形成されたパターンにしたがって、ワーク１０の上に配置する。

図２に、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の配置を、スキージサポート２１の上方から透かした状態で示してある。また、図３に、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を示してある。各々のスキージ２２は、図３に示すように、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。さらに具体的には、図４に拡大して示すように、複数のスウィープ部材２３が、スキージ２２の進行方向Ａに対して先端が後退するようにサポート２１に取り付けられている。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Ａ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１２の中に半田ボール１９を挿入する。

マスク１１は、ワーク１０の表面で半田ボール１９を装着する面１０ａに対してレジスト１３を介して積層されており、パターン１２の部分だけレジスト１３が除去されている。このため、パターン１２に挿入された半田ボール１９はワーク１０の接続層１０ａと接触し、個々の半田ボール１９が接続端子としての機能を果たす。

スウィープ部材２３は、半田ボール１９などの接続端子として機能する微小な粒子、例えば、直径が３０〜３００μｍ程度の半田ボール、金ボールまたは銅ボールを適度な力で押し流すことができるものであれば良く、さらに、いったんパターン１２に挿入されたボール１９を掻き出さない程度の弾性を備えたものであることが望ましい。適当なスウィープ部材２３の１つは、スキージ２２の長手方向に延びた樹脂製あるいは金属製のワイヤーである。マスク１１の表面に沿って長手方向に延びたワイヤーの両端をＵ字型に曲げてスキージサポート２１に取り付けた構成を採用することにより、ワイヤーの腹の部分がマスク１１に接する。したがって、マスク１１に損傷を与えず、適当な弾性を持った状態でスウィープ部材２３をマスク１１に押し付けることができ、マスクの孔に入っている半田ボールをワイヤーの先端で掻き出すことがなく、さらに、スキージ２２の進行方向に対して直交する方向に延びた状態でボール１９を押し払う部材とすることができる。そして、スキージ２２の進行方向に対して多層になるように複数のワイヤーをスウィープ部材２３としてスキージサポート２１に取り付けることにより、マスク１１の上に過剰に残ったボール１９をスキージ２２の前方に、ほぼ確実に掃きだすことができる。さらに、本例のヘッド２０においては、複数のスキージ２２が取り付けられたスキージサポート２１が回転するので、１つのスキージ２２から漏れたボール１９も確実に所望の方向に押し払うことができる。

スウィープ部材２３の他の好適な例は、樹脂製あるいは金属製の薄膜であり、スキージ２２の長手方向に延びるようにスキージサポート２１に多層に取り付けることにより、上記と同様にボール１９を押し払うことができる。これら薄膜がマスク１１に接する先端の部分はエッジであっても良く、あるいは薄膜を折り返すことにより薄膜の面がマスク１１に接するようにすることも可能である。スウィープ部材２３のさらに他の例は、樹脂製あるいは金属製の極細のワイヤーをブラシの毛のようにスキージサポート２１に取り付けたものである。

図２に示すように、本例のヘッド２０は、複数のスキージ２２が裏面、すなわち、マスク１１に面する側に取り付けられた円盤状のスキージサポート２１がマスク１１に対し垂直な回転軸２５の回りに回転しながら移動する。６セットのスキージ２２は、それぞれが上方から見ると長方形になるように取り付けられたスウィープ部材２３により構成され、これらのスキージ２２は、回転軸２５と同軸の内円２６の周りに、円周方向に均等なピッチで、内円２６の接線方向の時計方向に、外円２７まで直線的に延びるように配置されている。したがって、スキージサポート２１を上方から見て時計方向に回転させると、スキージ２２は進行方向にある半田ボール１９を矢印１８のように内円２６の方向に移動するように押し払う。したがって、このヘッド２０は、回転することにより、マスク１１の上に残った、外円２７の範囲内の過剰な半田ボール１９をヘッド２０の中心の内円２６の方向に集める。

このヘッド２０は、キャリッジ４２によりＸ方向に往復動し、シャフト移動機構４３によりＹ方向に適当な速度で動かすことにより、ヘッド２０をマスク１１の上でＸ方向をスキャン方向、Ｙ方向をサブスキャン方向として動かすことができ、ヘッド２０をマスク１１の全ての領域をカバーするように移動することができる。そして、このヘッド２０のボール１９を内円２６に集める機能は、ヘッド２０をマスク１１の上のＸ−Ｙのいずれの方向に動かしても変わらない。したがって、ヘッド２０の移動中に、マスク１１の上の過剰な半田ボール１９を常に内円２６に集めることができ、内円２６の中の半田ボール１９の密度を高めることができる。また、外円２７の中の半田ボール１９は内円２６に集めることができる。このため、外円２７の直径を内円２６の直径の３倍程度以上とし、ヘッド２０を内円２６の直径以内のピッチでサブスキャンすることにより、ヘッド２０から半田ボール１９を漏らすことなく内円２６の領域に回収することができる。

ヘッド２０の移動方向は、上記に限定されるものではない。例えば、ワーク１０およびマスク１１が円盤状であれば、ヘッド２０をマスク１１の周方向に螺旋を描くように移動することによっても、マスク１１の全面をカバーできる。そのようなケースであっても、ヘッド２０を時計方向に回転させながら、中心軸２５を、螺旋を描くように移動することにより、上記と同様にヘッド２０の内円２６に半田ボール１９を集めることができる。そして、内円２６の半田ボール１９の密度を高め、半田ボール１９の回収率を高めることができる。

このように、本例のヘッド２０は、ヘッド２０の移動方向にかかわらず、過剰な半田ボール１９を内円２６に集め、内円２６に存在する半田ボール１９の密度を高くできる。したがって、内円２６が通過するマスク１１のパターン１２に対して効率良く半田ボール１９を振込むことができ、歩留まりを向上できる。それと共に、半田ボール１９がパターン１２に振込まれずに移動する時間（残存時間）を短縮することができる。このため、半田ボール１９の残存時間が長すぎて品質が低下することによるロスを低減できる。

さらに、ヘッド２０は、内円２６という限られた領域に過剰な半田ボール１９を常に集めることができるので、内円２６に集められた半田ボール１９の状態を監視することにより、マスク１１のパターン１２に半田ボール１９が振込まれる状況を制御することができる。例えば、半田ボール１９がパターン１２に振込まれて消費されることにより、内円２６の半田ボール１９の密度が低下すると、パターン１２に振込まれる確率が低下する可能性がある。その場合は、図３に示すように、内円２６の半田ボール１９の密度を光学センサー５１により検出して、適当な密度が維持されるようにボール供給装置５０から新しい半田ボール１９を内円２６に供給することができる。さらに、ボール１９のリサイクルが必要な場合は、内円２６からボール１９を回収して、リサイクルするような機能を設けることも可能である。

ヘッド２０が回転することにより、内円２６の方向にボール１９を集めるためのスキージ２２の配置および数は、本例に限定されるものではない。スキージ２２を内円２６の接線方向よりも半径方向に角度を広げて配置しても良い。ただし、スキージ２２の角度が、内円２６の半径方向よりも大きくなると、スキージ２２は、ヘッド２０が回転したときにボール１９を周囲に拡散する方向に移動するので好ましくない。また、スキージ２２は、それ自体が湾曲していても良く、各々のスキージ２２を、螺旋を描くように配置することも可能である。

また、半田ボール１９を内円２６の方向にスウィープする手段は、ボール１９を押し払うスキージに限られることはなく、適当な気体によりボール１９を吹き払うタイプであっても良い。図５に、その一例を示してある。図５に示したエアーノズル６２は、スキージ２２の代わりにサポート２１に取り付けられるものであり、スキージ２２と同様に内円２６の接線方向に外円２７まで延びた先端６３から、焼結金属製などのフィルタ６４を介してエアー６５をマスク１１の表面に沿って出力する。このタイプのスウィープ手段であっても、エアー６５によりエアーノズル６２に沿って半田ボール１９を内円２６の方向に吹き払いながら移動させることが可能である。エアーノズル６２のエア吐出部はフィルタ６４以外にスリットや微小な円柱状孔の集合でも良い。また、エアーは、窒素ガス、アルゴンガスやイオン化した気体でも良い。

また、エアーノズル６２を配したヘッド２０においては、エアーの吹出し圧力により半田ボール１９を駆動できる。したがって、ボールマウンタ１により半田ボール１９をワークの所定の位置に配置する工程においては、半田ボール１９を駆動するためにヘッド２０を回転させても良いが、回転させなくても内円２６に半田ボール１９を集合させることができる。したがって、このヘッドを用いたボールマウンタ１においては、ヘッド２０を回転駆動するモータ３０を省くことが可能である。このため、ヘッド２０を移動できる機能としては、回転駆動する機構は不用であり、シャフト移動機構４３とキャリッジ４２を備えたものであれば良い。したがって、さらに簡易な機構のボールマウンタを提供することが可能となる。
上記においては、微小粒子の密度を一定に保持した状態で、マスク上をＸ−Ｙ方向のいずれにも自由に移動することができる、微小粒子の移動用のヘッドと、それを用いた微小粒子の配置方法を開示している。そして、このヘッドを用いることにより、ワークに対して微小粒子を配置する微小粒子配置装置であって、大口径の半導体ウェハーのバンプに微小な半田ボールを搭載することを可能にし、歩留まりが高く、それと共に、微小粒子のロス率の少ない微小粒子配置装置を開示している。
上記の微小粒子配置装置は、微小粒子をワークの所定の位置に配置するためのパターンを備えたマスクの上で、微小粒子を移動させるためのヘッドと、ヘッドをマスクの表面に沿って移動させるヘッド移動手段とを有し、ヘッドは、内円の周りに配置された複数のスウィーパ（sweeper）を備えており、各々のスウィーパは、微小粒子を内円の方向に移動させるものである。すなわち、上記のヘッドは、微小粒子を所定の位置に配置するためのパターンを備えたマスクの上で、微小粒子を移動させるためのヘッドであって、内円の周りに配置された複数のスウィーパを備えており、各々のスウィーパは、微小粒子を内円の方向に移動させる。このヘッドは、マスク上に残った過剰な微小粒子を、ヘッドの内円の方向に集める。したがって、ヘッドをマスク上のＸ−Ｙのいずれの方向に動かしても、過剰な微小粒子は内円に集められるので、内円の中の微小粒子の密度が高くなり、内円が通過する部分のマスクパターンに対する微小粒子の振込みの確率が高くなる。
このヘッドは、ヘッドの進行方向に依存性のないヘッドの内円に過剰な微小粒子を集める。このため、このヘッドを、微小粒子を所定の位置に配置するためのパターンを備えたマスクの表面に沿って移動することにより微小粒子を配置する工程を有する微小粒子の配置方法により、微小粒子を配置するワークの歩留まりを向上でき、それと共に、内円という限られた領域の微小粒子の密度を高くすることにより、微小粒子がマスクのパターンに振込まれずに移動する時間を低減できるので微小粒子のロス率も低減できる。
内円方向に微小粒子を集めるヘッドの１つの形態は、マスクに対して垂直な軸の回りに回転しながら移動可能なものであり、ヘッドは、回転中心に内円となる領域があり、ヘッドが回転すると微小粒子を内円の方向に移動させるスウィーパを備えている。そのようなスウィーパの１つの形態は、当該ヘッドが回転すると、マスクの表面と少なくとも一部が接触しながら移動するものであり、微小粒子を押し払いながら、マスク上に存在する過剰な微小粒子を内円の方向に移動できる。このようなスウィーパの１つはスキージであり、少なくとも当該スウィーパの移動方向に多重に配置され、微小粒子に接して押し払う部材を備えている。また、スウィーパは、マスクの表面に微小粒子を吹き払うための気体を出力するものであっても良い。
スキージのように微小粒子を押し払うタイプのスウィーパは、ヘッドが回転することにより微小粒子を駆動させる力が得られる。したがって、ヘッドを回転することにより微小粒子を内円の方向に移動できる。これに対し、気体により微小粒子を吹き払うタイプのスウィーパは、気体を吹き出すことにより微小粒子を駆動させる力が得られる。したがって、ヘッドを回転させても良いが、ヘッドを回転させずにヘッドをマスクの表面に沿って移動するだけで、微小粒子を内円の方向に移動できる。
スウィーパは、微小粒子を内円の方向に移動させる配置あるいは形状であれば良い。例えば、渦巻状に湾曲した形状、半径方向に対して回転の中心に向いた形状などがある。内円の接線方向に延びているスウィーパは、直線的な形状のスウィーパで、微小粒子を効率よく内円の方向に移動できるものの１つの例である。
供給手段は、内円の範囲に、微小粒子を供給するものであることが望ましい。このヘッドは、内円の方向に過剰な微小粒子を集合させる。したがって、マスクの表面の過剰な微小粒子の量は、内円の微小粒子の密度を光学センサーなどの適当な方法で検出でき、それを一定に保つように微小粒子を供給することにより、消費された微小粒子に対応する適度な量の微小粒子を補給できる。微小粒子の好適な例は、半導体デバイスあるいは光学デバイスの実装において使用される接続用の粒子であり、直径３０〜３００μｍ程度の半田ボール、金ボールまたは銅ボールである。
このヘッドは、ヘッドの移動方向に係らず、ヘッドの内円に、マスク上に過剰に残った微小粒子を集めることができる。したがって、このヘッドを使うことにより、例えば、マスク上をＸ方向にスキャンしながら、Ｙ方向にサブスキャンすることにより、大きな面積のマスクを用いて、大きなワークあるいは数多くのワークに短時間で効率よく微小粒子を実装することが可能となる。マスクの形状はリング状に限定されることはなく、どのような形状であっても良い。したがって、歩留まりが高く、微小粒子のロスの少ない微小粒子配置装置を提供することができる。また、フレキシブルな形状のマスクを使用できる、コンパクトな設計の微小粒子配置装置を提供できる。

本発明のボールマウンタの概略構成を示す図である。 ヘッドの構成を示すために、ヘッドを上方から透かして示す図である。 ヘッドの断面を示す図である。 スキージを拡大して示す図である。 スキージに代わるエアーノズルを示す図である。

符号の説明

１ ボールマウンタ（微小粒子配置装置）
１９ 半田ボール
２０ ヘッド
２１ スキージサポート
２２ スキージ

Claims (7)

1. 微小粒子をワークの所定の位置に配置するための開孔パターンを備えたマスクの上で微小粒子を移動させるためのヘッドであって、内円の周りに配置されたスウィーパを備え、前記内円の周りから微小粒子を前記内円の方向に集め、前記内円の範囲の前記マスクの開口の数に対して過剰な微小粒子の密度を高くするヘッドと、
   前記ヘッドを前記マスクの表面に沿って移動させるヘッド移動手段と、
   前記ヘッド移動手段により、前記ヘッドとともに移動し、前記内円の範囲へ微小粒子を供給し、前記内円の範囲の前記過剰な微小粒子の密度を維持する供給手段とを有する、装置。
2. 請求項１において、前記ヘッド移動手段は、前記ヘッドを前記マスクに対し垂直な軸まわりに回転させながら移動し、
   前記ヘッドは、回転中心に前記内円があり、前記スウィーパは、当該ヘッドが回転すると微小粒子を前記内円の方向に移動させる、装置。
3. 請求項１において、前記スウィーパは、前記マスクの表面に微小粒子を吹き払うための気体を出力する、装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記供給手段は、前記ヘッドを通して、前記内円の範囲へ微小粒子を供給する、装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記内円の範囲の微小粒子の密度を検出する光学センサーを、さらに有する、装置。
6. 装置を用いて、微小粒子をワークの所定の位置に配置する方法であって、
   前記装置は、
   微小粒子をワークの所定の位置に配置するための開孔パターンを備えたマスクの上で微小粒子を移動させるためのヘッドであって、内円の周りに配置されたスウィーパを備え、前記内円の周りから微小粒子を前記内円の方向に集め、前記内円の範囲の前記マスクの開口の数に対して過剰な微小粒子の密度を高くするヘッドと、
   前記ヘッドを前記マスクの表面に沿って移動させるヘッド移動手段と、
   前記ヘッド移動手段により、前記ヘッドとともに移動し、前記内円の範囲へ微小粒子を供給する供給手段とを有し、
   当該方法は、
   前記ワークの表面に前記マスクを積層させることと、
   前記ヘッド移動手段により、前記ヘッドを移動することにより、前記マスクに形成された前記開孔パターンの中に微小粒子を振り込むことと、
   前記供給手段により、前記内円の範囲へ、前記ヘッドを通して微小粒子を供給し、前記内円の範囲の前記過剰な微小粒子の密度を維持することとを含む、方法。
7. 請求項６において、前記ワークは、前記マスクの前記開孔パターンの部分のレジストが除去されており、
   前記積層させることは、
   前記マスクを、前記ワークの表面であって微小粒子を装着する面に対してレジストを介して、積層させることを含む、方法。

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