JP4560683B2

JP4560683B2 - 導電性ボール配列装置

Info

Publication number: JP4560683B2
Application number: JP2005137673A
Authority: JP
Inventors: 和生新妻
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-05-10
Also published as: JP2006318994A

Description

本発明は、多数の導電性ボールを収容するボール溜まりが、配列治具上を移動することにより導電性ボールを配列する装置の改良に関するもので、特に、ボール溜まり内の導電性ボールの位置を制約する気体噴射手段に主眼をおいて開発された導電性ボール配列装置である。

搭載対象物上に所定の配列パターンで形成された各電極に、粘着材料を塗布してから半田ボールを搭載する半田ボール搭載装置として、特許文献１に示すような配列板を有するボール搭載ヘッドに半田ボールを吸引配列して吸着してから搭載対象物上の各電極に半田ボールを搭載する装置が従来より存在した。しかし、ウエハ等の搭載対象製品の大型化に伴い、１回に搭載する半田ボール数は１００万を越える状態となり、半田ボールの配列の欠陥や搭載時の欠陥を減少させることは困難であるのが現状であった。

そこで、特許文献２に示すようなフラックスが印刷された搭載対象物である電子基板上に配列マスク１９を設け、直接電子基板の電極上に半田ボール２１を落とす装置が提供されていた。特許文献２記載の装置では、配列マスク１９の導入孔に半田ボール２１を落とし込み、余分な半田ボールをかき取るため、図９に示すような配列マスク１９上でブレード８０を移動さていた。この際、半田ボール２１の落とし込みやかき取りをスムーズなものにするためブレード８０を傾斜させていた。

しかし、配列マスク１９上でブレード８０を移動させて、半田ボール２１を貫通孔１８や導入孔に落とし込む方式では、導電性ボール配列装置の処理速度を向上させるため、ブレード８０の移動速度を上げると、前後の半田ボールに邪魔され落下するまでに時間がかかり、直ぐに落下しないことがあった。半田ボール２１が直ぐに落下しないと、図９Ａに示されるようにブレード８０の移動で半田ボール２１を押圧する力が発生し、半田ボール２１が貫通孔１８や導入孔にかみ込んでしまうことがあった。このためブレード８０の移動速度を上げ、導電性ボール配列装置の処理速度を上げることができなかった。更に、図９Ｂに示すようにブレード８０が半田ボール２１を押圧する力により、落とし込まれるべき半田ボール２１が、前後の半田ボールに挟みつけられ、貫通孔１８や導入孔に落とし込まれないことが多発するという問題があった。

特開２００１−３５８４５１号公開特許公報特開平１０−１２６０４６号公開特許公報

本発明は、導電性ボールを落とし込むボール溜まり内の導電性ボールの位置を制約する気体噴射手段を設け、落とし込まれるべき導電性ボールが、貫通孔にかみ込んでしまうことや、前後のボールに挟みつけられ落とし込まれないという現象を防止し、導電性ボールを供給するボール溜まりの移動速度を上げ、生産性の向上に寄与することを目的とする。

第１の発明は、上記課題を解決するため、下面にボール落下用開口部が形成され、多数の導電性ボールが収容されるボール溜まりが、所定の配列パターンで導電性ボールが挿入されるボール挿入部が形成された配列治具上を移動することにより、各ボール挿入部内に導電性ボールを落とし込んで挿入配列する導電性ボールの配列装置において、ボール溜まり内の導電性ボールを移動方向前側に向けて押し込む気体噴射手段を設けたことを特徴とする導電性ボール配列装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明に、気体噴射手段が、ボール溜まりの移動方向に合わせ、気体吹き付け位置を切換可能であることを付加した導電性ボール配列装置である。

第１の発明は、ボール溜まり内の導電性ボールを移動方向前側に向けて押し込む気体噴射手段を設けたものであるので、落とし込まれるべき導電性ボールが、貫通孔にかみ込んでしまうことや、前後のボールに挟みつけられ落とし込まれないという現象を防止することが可能となった。その結果、ボール溜まりの移動速度を上げ、生産性の向上が図れることになった。

第２の発明は、気体噴射手段が、ボール溜まりの移動方向に合わせ、気体吹き付け位置を切換可能であるので、移動多方向への対応が可能となり装置のコンパクト化に貢献できるものとなった。

以下、図面に従って、実施例と共に本発明の実施の形態について説明する。本発明において、導電性ボールの搭載対象物としては、半導体ウエハ（以後、単にウエハと表記する）や、電子回路基板や、セラミック基板などがあるが、実施例ではウエハ１４を用いている。また、粘着材料としては、フラックスや半田ペーストや導電性の接着剤などが用いられる。

図１は、半田ボール搭載装置１の全体を示す概略平面図であり、該半田ボール搭載装置１は、図１中左方より、搬入用のウエハ受渡部２、フラックス印刷部３、ボール搭載部４、搬出用のウエハ受渡部５を有している。半田ボール搭載装置１の前工程には、ウエハ供給部６、一次アライメント部７及び搬入用ロボット８が存在し、後工程に反転ユニット９、ウエハ収納部１０及び搬出用ロボット１１が存在する。

前工程の一次アライメント部７は、ウエハ１４を水平面で回転するようになっており、ウエハ１４を回転させることによって、ウエハ１４のオリフラまたはノッチの位置を検出し、ウエハ１４のおおまかな位置を補正するとともにウエハ受渡部２に載置するウエハ１４を所定の方向にする部分である。他方、後工程の反転ユニット９は、ウエハ１４を水平方向に回転させるものであり、ウエハ１４のオリフラやノッチの位置が所定の位置となるよう回転させ、カセット３２に収容する。

半田ボール搭載装置１には、ウエハ受渡部２よりフラックス印刷部３、ボール搭載部４、ウエハ受渡部５へとウエハ１４を搬送するウエハ搬送ステージ１２及び搬送路１３が形成されている。搬送路１３には搬送ステージ１２のＸ軸（図中左右方向）移動装置４０が設けられている。

フラックス印刷部３には、フラックス供給装置１６と、ウエハ１４に粘着材料であるフラックスを印刷するための印刷マスク１５と、ウエハ１４と印刷マスク１５のアライメントマークを観察し、ウエハ１４と印刷マスク１５との位置合わせをするための上下観察カメラ３１とが配備されている。印刷マスク１５は、ウエハ１４上の電極のパターンに合わせて配列された貫通孔が形成されており、貫通孔形成領域３６内の印刷マスク１５の下面２カ所にはアライメントマーク（図示されていない）が表記され、型枠１７に張り付けられ、更にフレームなどの固定部に保持されている。

フラックス供給装置１６は、印刷マスク１５上面に沿ってスキージ（図示されていない）を移動することによってフラックスが印刷マスク１５の貫通孔内に刷り込まれ、ウエハ１４の電極上に供給されるようになっている。尚、図中３３は、印刷マスク１５に付着したフラックスを除去するクリーニングユニットである。

ボール搭載部４には、半田ボール供給装置２０と、ウエハ１４上の電極のパターンに合わせて配列された貫通孔１８が形成された配列治具としてのボール配列マスク１９と、ウエハ１４とボール配列マスク１９のアライメントマークを観察して位置合わせをするための上下観察カメラ３４とが配備されている。ボール配列マスク１９に形成された貫通孔１８が、本発明におけるボール挿入部となる。

ボール配列マスク１９の厚みは供給される半田ボール２１の径と略同等であり、貫通孔１８の径は半田ボールの径より若干大きく形成してある。尚、ボール配列マスク１９は、印刷マスク１５と同様、貫通孔形成領域３６内の下面２カ所にアライメントマーク（図示されていない）が表記され、型枠３７に張り付けられ、フレームなどの固定部に保持されている。

半田ボール供給装置２０は、多数の半田ボール２１を貯留したボールホッパ２２と、ボール配列マスク１９に半田ボール２１を落とし込むボールカップ２３と、高さ測定手段としてのマスク高さ検出センサ２７と、ボールカップ２３をＸ軸ガイド２５及びＹ軸ガイド２６に沿って移動させるボールカップ２３移動手段としての移動ユニット２４と、ボールカップ２３をＺ軸方向に変移させる昇降手段４５を有している。

ボールカップ２３は、長尺方向においてもウエハ１４の幅よりは狭く、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動して、ウエハ１４全面をカバーする。このボールカップ２３の水平面での移動手段となる移動ユニット２４は、図４に示すようにＸ軸駆動機構及びＹ軸駆動機構を備えており、Ｘ軸の駆動モータ５４で回転するボールねじ５５によりＸ軸ガイド２５に沿ってＸ軸方向に移動し、Ｘ軸駆動機構と共にＹ軸の駆動モータ５２で回転するボールねじ５３によりＹ軸ガイド２６に沿ってＹ軸方向に移動する。

ボールカップ２３の昇降手段４５は、図３に示すように移動ユニット２４に装備されたＺ軸の駆動モータ５０により回転するボールねじ５１に昇降ベース４１をナット部材４４を介して取り付け、該昇降ベース４１がガイドレール４３に沿って上下動できるようになっている。該昇降ベース４１には、ボールカップ２３がボールカップ支持ブラケット４２を通じて取り付けられており、ボールホッパ２２も、同じ昇降ベース４１に取り付けられている。尚、ボールホッパ２２は、半田ボール２１のサイズと材料により交換される。

ボールカップ２３は、下面にボール落下用開口部６０が形成されており、ボールカップ２３のＹ軸移動方向の前後の内壁６１，６２は、開口部６０に向かって傾斜して形成されている。ボールカップ２３の収納空間上方には、本発明における気体噴射手段としてのエア噴射ノズル７０が設けられている。気体噴射手段の気体として、本実施例ではエアを用いているが、窒素ガス等用途によって他の気体を用いることができる。

エア噴射ノズル７０は、図７のボールカップ２３の平面図に示されるように、ボールカップ２３の長尺方向（Ｘ軸方向）に複数本を１列に整列してホルダ７５に設置されている。実施例は複数本のエア噴射ノズル７０を用いているが、横長スリット状の吹き出し口を有するノズルでも良いし、一本のエア噴射ノズル７０が、Ｘ軸方向に往復移動可能なものとしても良い。その他、エア噴射ノズル７０の変形例は図８Ｃ，Ｄに示されるように、内壁６１，６２に多孔質体７３より構成される噴射部を形成したものや、噴射口７４を開口した噴射部を形成したものであっても良い。

エア噴射ノズル７０は、ホルダ７５を介して、シリンダ７２により進退可能とされた上で、ボールカップ２３の支持ブラケット４２に装着され、ボールカップ２３と一体として移動する。

エア噴射ノズル７０は、図３に示されるようにエア供給路７６と接続され、ボールカップ２３の一方の傾斜面６１（移動方向後側の斜面）に向かって、エアを噴射し、傾斜面６１及び開口部６０下方のボール配列マスク１９などにより気流の流れに変化を与えて、半田ボール２１をボールカップ２３の傾斜面６２側（移動方向前側）に向けて押し込むことが可能なように装着されている。エア噴射ノズル７０は、シリンダ７２により移動方向前後に進退可能に設けられているため、ボールカップ２３の移動方向に合わせ、気体吹き付け位置を切換可能である。

マスク高さ検出センサ２７は、ボールカップ２３近傍のボールカップ支持ブラケット４２に取り付けられており、接触式、非接触式であるとを問わない。具体的にはレーザセンサや静電容量センサなどが用いられる。マスク高さ検出は、初期設定時や型替え時のボール配列マスク１９の変更の際に、ボール配列マスク１９の型枠３７をストッパなどに当接させ、位置決めしてからクランプなどにより固定して行う。具体的にはボール配列マスク１９が固定された後、半田ボール２１が空の状態のボールカップ２３が、予め貫通孔形成領域３６外に設定した複数の高さ検出点（実施例では４カ所設定されている）上に順次移動し、ボール配列マスク１９の上面の高さを測定する。勿論、マスク高さ検出は、４カ所の検出点のみの測定ではなく、ボールカップ２３の移動に伴うマスク高さ検出センサ２７の移動中に連続して測定しても良い。

他方、貫通孔形成領域３６内におけるボール配列マスク１９の上面の高さは、計算で求める。更に、ボールカップ２３に半田ボール２１が収容されたときにかかる重量も考慮して各位置での高さを演算する。ボール搭載時には、この求めた高さをもとに、ボール配列マスク１９上面とボールカップ２３の下面との隙間が所定距離を越えないように、ボールカップ２３の上下動を昇降手段４５にて制御しながら移動ユニット２４を移動する。

ウエハ搬送ステージ１２は、ウエハ１４を載置するステージであって、搬送路１３上に搬送路１３によってＸ軸方向に移動可能に装着されており、ウエハ１４の搬送方向に直交する方向（Ｙ軸方向）の移動手段であるＹ軸駆動機構２８と回動手段であるθ軸駆動機構２９と、上下動手段であるＺ軸駆動機構３０を有している。

以下、図面に従って実施例の半田ボール搭載装置１の動作について説明する。まず、半田ボール２１が搭載されるウエハ１４は、ウエハ供給部６のカセット３２に収納されている。そこで、搬入用ロボット８により、ウエハ供給部６のカセット３２から１枚のウエハ１４が取り出され、一次アライメント部７へ搬入される。一次アライメント部７では、ウエハ１４を回転することによって、オリフラまたはノッチの位置を検出し、ウエハ１４のおおまかな位置を補正するとともに、オリフラまたはノッチを所定位置となるようにする。続いて、ウエハ１４は、搬入用ロボット８によって一次アライメント部７からウエハ受渡部２に待機しているウエハ搬送ステージ１２に載置される。

ウエハ１４が載置されたウエハ搬送ステージ１２は、搬送路１３に沿ってフラックス印刷部３へと移動し、所定の位置で停止する。ここでウエハ１４と印刷マスク１５のアライメントマークを上下観察カメラ３１により、それぞれ観察し、ウエハ搬送ステージ１２を、搬送路１３のＸ軸駆動機構４０によりＸ軸方向、Ｙ軸駆動機構２８によりＹ軸方向、及びθ軸駆動機構２９によりθ軸方向での位置決めをする。位置決め終了後、ウエハ搬送ステージ１２は、Ｚ軸駆動機構３０により上昇し、フラックスが準備された印刷マスク１５に対して所定の高さ位置で停止する。この状態で印刷マスク１５上のＹ軸方向一端部にフラックスが供給され、スキージを他端部に向けて移動することにより印刷マスク１５の貫通孔からウエハ１４の電極上にフラックスが印刷される。

フラックス印刷後、ウエハ搬送ステージ１２は、Ｚ軸駆動機構３０により下降し、搬送路１３によってボール搭載部４へ移動し、所定の位置で停止する。ここでも上下観察カメラ３４によりウエハ１４とボール配列マスク１９のアライメントマークをそれぞれ観察して、ウエハ搬送ステージ１２を、搬送路１３のＸ軸駆動機構４０によりＸ軸方向、Ｙ軸駆動機構２８及びθ軸駆動機構２９によりＹ軸方向、θ軸方向で位置決めをする。その後、ウエハ搬送ステージ１２は、Ｚ軸駆動機構３０により上昇し、ボール配列マスク１９との間にウエハ１４に印刷されたフラックスがボール配列マスク１９に付着しない程度の隙間を残して停止する。

ここで、まず、図３に示すようにボール配列マスク１９上を、ボールカップ２３がＹ軸方向に移動して、ボール配列マスク１９の貫通孔１８に半田ボール２１を落として、ウエハ１４上に半田ボール２１を搭載する。この際、エア噴射ノズル７０は、内壁６１に微少流量のエアを噴射し、半田ボール２１を進行方向側の内壁６２側に押し込んでいる。そのためボールカップ２３の開口部６０において、移動方向後側内壁６１近傍に半田ボール２１が密集しておらず、半田ボール２１は、ボールカップ２３に押されることがなく、かみ込みや非落下が生じない。尚、ここでの噴射されるエアは、一定流量を常時噴射でも良いし、間欠的な噴射でも良い。

その後、ボールカップ２３は、Ｘ軸方向に所定量移動した後、Ｙ軸方向移動で戻ってくる往復移動をする。復路移動の際、エア噴射ノズル７０は、シリンダ７２により図３中点線部に移動し、内壁６２に向かってエアを噴射する。エアは内壁６２にあたってからボール配列マスク１９に沿うように気流方向を変え、半田ボール２１をボールカップ２３の復路進行方向である内壁６１側に押し込んでいる。実施例では、図８Ａに示すようにエア噴射ノズル７０は、シリンダ７２により移動させられるものであるが、図８Ｂのように予め往復に対応する２カ所にエア噴射ノズル７０，７１を設置して移動機構を省略したものであっても良い。

ボールカップ２３への半田ボール２１の供給は、ボールホッパ２２より行われるが、ウエハ１４に印刷されたフラックスがボール配列マスク１９に付着しない程度の隙間を残して、ボール配列マスク１９を配置しているので、ボールカップ２３内に半田ボール２１が多いと、ボール配列マスク１９のたわみ量が大きくなり、フラックス付着の危険が生じる上、半田ボール２１が種々の原因で落ちにくくなるので、必要最小限の量となるようこまめに補充される。

尚、ボール落とし込み後に、ボール配列マスク１９をウエハ搬送ステージ１２に対して、水平方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に相対的に微動させることによって、貫通孔１８内の半田ボール２１の位置を補正する。

半田ボール搭載後、ウエハ搬送ステージ１２はＺ軸駆動機構３０により下降し、搬出用のウエハ受渡部５へ移動し、停止する。ウエハ収納部１０では、搬出用ロボット１１により、ウエハ１４をウエハ搬送ステージ１２から反転ユニット９へ移載し、オリフラまたはノッチが所定位置となるように回転させる。ウエハ１４は、更に、搬出用ロボット１１により、反転ユニット９からウエハ収納部１０のカセット３２に移載される。搬出用ロボット１１がウエハ搬送ステージ１２からウエハ１４を取り出したら、ウエハ搬送ステージ１２は元の位置であるウエハ受渡部２に戻り、１工程を完了する。本装置は以上の動作を繰り返す。

図１に示す実施例では、半田ボール搭載装置１の前方にウエハ供給部６が設けられ、後方にウエハ収納部１０が設けられているが、ウエハ搬送ステージ１２が、上記のように元の位置に戻るものであるので、図２に示されるようにウエハ供給部６とウエハ収納部１０を同一方向に設けたものであっても良い。

このように構成することにより、搬出用ロボット１１は、搬入用ロボット８で代用することができる上、搬入の際のウエハ１４の方向と同一の方向でウエハ１４が保持されて収納されるため反転ユニット９も省くことができ、更にはウエハ受渡部２，５も、一方のウエハ受渡部を省くことができるので構成部材の少数化を図ることができた。

また、印刷マスク１５及びボール配列マスク１９とウエハ１４の位置合わせ手段として、本実施例は、ウエハ搬送ステージ１２の停止時にウエハ１４と印刷マスク１５またはボール配列マスク１９とのアライメントマークを同時に撮影する上下観察カメラ３１，３４を用いているが、これに限定されるものではなく種々の構成が考えられる。

本実施例は、ウエハ１４上面の電極に直接半田ボール２１を搭載するものであり、貫通孔１８がボール挿入部になるが、本発明は、一旦ボール収納凹部などが設けられた配列治具に半田ボール２１を配列して、半田ボール吸着ヘッドで配列治具より半田ボールを吸着保持して、ウエハ１４上の電極などの搭載対象物に半田ボール２１を移載する場合にも適応できるものであり、この場合はボール収納凹部がボール挿入部となる。

本実施例にかかる半田ボール搭載装置の全体を示す概略平面図ウエハ供給部とウエハ収納部を同一方向に設けた場合の概略平面図ボール搭載部を示す一部断面の側面説明図ボール搭載部の平面図ボールカップの拡大側面断面図ウエハ搬送ステージの移動を示す説明図同平面図気体噴射手段の種類を示す説明図で、Ａはノズル１列設置の場合を示ず説明図、Ｂはノズル２列設置の場合を示す説明図、Ｃは多孔質体による場合を示す説明図、Ｄは、噴射孔による場合を示す説明図従来の配列マスクと半田ボールの関係を示す説明図で、Ａはボールかみ込み状態を示す説明図、Ｂは、ボール非落下状態を示す説明図

符号の説明

１．．．．．．半田ボール搭載装置
２，５．．．．ウエハ受渡部
３．．．．．．フラックス印刷部
４．．．．．．ボール搭載部
６．．．．．．ウエハ供給部
７．．．．．．一次アライメント部
８．．．．．．搬入用ロボット
９．．．．．．反転ユニット
１０．．．．．ウエハ収納部
１１．．．．．搬出用ロボット
１２．．．．．ウエハ搬送ステージ
１３．．．．．搬送路
１４．．．．．ウエハ
１５．．．．．印刷マスク
１６．．．．．フラックス供給装置
１７，３７．型枠
１８．．．．．貫通孔
１９．．．．．ボール配列マスク
２０．．．．．半田ボール供給装置
２１．．．．．半田ボール
２２．．．．．ボールホッパ
２３．．．．．ボールカップ
２４．．．．．移動ユニット
２５．．．．．Ｘ軸ガイド
２６．．．．．Ｙ軸ガイド
２７．．．．．マスク高さ検出センサ
２８．．．．．Ｙ軸駆動機構
２９．．．．．θ軸駆動機構
３０．．．．．Ｚ軸駆動機構
３１，３４．上下観察カメラ
３２．．．．．カセット
３３．．．．．クリーニングユニット
３６．．．．．貫通孔形成領域
４０．．．．．Ｘ軸駆動装置
４１．．．．．昇降ベース
４２．．．．．支持ブラケット
４３．．．．．ガイドレール
４４．．．．．ナット部材
４５．．．．．昇降手段
５０，５２，５４．．．．．駆動モータ
５１，５３，５５．．．．．ボールねじ
６０．．．．．開口部
６１，６２．．．．．内壁
７０，７１．．．．．エア噴射ノズル
７２．．．．．シリンダ
７３．．．．．多孔質体
７４．．．．．噴射口
７５．．．．．ホルダ
７６．．．．．エア供給路
８０．．．．．ブレード

Claims

下面にボール落下用開口部が形成され、多数の導電性ボールが収容されるボール溜まりが、所定の配列パターンで導電性ボールが挿入されるボール挿入部が形成された配列治具上を移動することにより、各ボール挿入部内に導電性ボールを落とし込んで挿入配列する導電性ボールの配列装置において、ボール溜まり内の導電性ボールを移動方向前側に向けて押し込む気体噴射手段を設けたことを特徴とする導電性ボール配列装置。
気体噴射手段が、ボール溜まりの移動方向に合わせ、気体吹き付け位置を切換可能である請求項１記載の導電性ボール配列装置。