JP4789732B2

JP4789732B2 - 微小導電性ボール搭載装置

Info

Publication number: JP4789732B2
Application number: JP2006199806A
Authority: JP
Inventors: 英児橋野; 太郎河野; 信二石川
Original assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2006-07-21
Filing date: 2006-07-21
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-07-21
Also published as: JP2008028190A

Description

本発明は、微細導電性ボール搭載装置に関し、特に微小導電性ボールの吸引配列治具及び配列搭載装置に係り、ボール吸着孔が複数個形成されているボール配列板上に複数の微小ボールを一括保持して、ウエハやプリント基板、半導体チップ等の電子部品の電極上に一括搭載させるために用いて好適なものである。

近時においては、半導体チップの電気的接続に微小導電性ボールを用いたボールバンプが用いられるようになっている。ボールバンプを用いることにより、パッケージの小型化、多ピン化等の数々のメリットを得ることができる。このような微小導電性ボールを用いたバンプ形成技術は、例えば特許文献1に記載されている。

特許文献1に記載されているバンプ形成方法は、少なくとも半導体チップ1つ分の金属ボール群を吸着保持するようにしている。そして、複数の金属ボール群を吸着保持するために、半導体チップ上のバンプ形成位置に対応した全ての位置に吸着孔が形成されているボール配列板を用いる。このボール配列板に微小金属球を吸着保持した後、ボール配列板を接合用ステージまで搬送して被接合部に接合するようにしている。

この方法によれば、均一に形成された微小導電性ボールをバンプ形成位置に一括接合することができるので、高い信頼性が得られるボールバンプを容易かつ効率的に形成することができる。ところで最近は、半導体装置の微細化が進み、電極の配線ピッチは極めて小さくなってきている。

そのため電極上にボールバンプを形成する場合に用いられる微小導電性ボールは、電極の配線ピッチの微細化に応じて極めて微小になってきている。また一方で、チップの高性能化のために電極数は増加し、バンプ形成のための一括で吸着配列するボールの数も増加している。

このような状況において、半導体チップ1つ分の配列を行なうことは、工程が煩雑となりコスト面、時間的にもデメリットが大きい。このため、ウエハを個々のチップ毎に切断する前、即ちダイシング工程を行なう前に、ウエハ上の複数のチップに相当する全ての電極上にボールバンプを配置することが行われている。

特開平７−１５３７６５号公報

しかしながら、複数の半導体チップが形成されたウエハ上の全ての電極上に一括してボールバンプを配置しようとした場合、ボール吸引工程において吸引エリアの外周部にボールが吸着できない吸引不良が発生し、配列板への吸着配列時間が長くかかるという問題が生じていた。また、吸着配列時間の長尺化により、跳躍するボールがボール収容容器から飛散し、無駄に消耗するボールも増加する問題も生じた。

これらの問題の要因としては、いくつかの要因が挙げられる。
第1に、半導体チップ1つ分の導電性ボールを吸着する場合と比較して、吸引面積が大きくなると共に、吸引孔数が増加するため吸引の風量が極めて大きくなることがある。
また、風量が増大し、ボール容器と配列板間の空間が１cm〜10cm程度で狭いため、配列
ヘッドと容器との間に流れ込む横風の速度は非常に大きくなることが挙げられる。

第2に、風量の増大により、配列ヘッドとボール収容容器との間でガスの乱れ(渦流)が発生し易くなっていることが挙げられる。この渦流によってボール収容容器上のボール群に粗密が発生し、粗の部分ではボールの存在率が低いために、なかなかボールが吸着されなかった。

また、ボールの微小化に伴ってボール自身が受けるガス流の影響も大きいため、この乱流によってボール収容容器外に飛散するボールも増大していることが分かった。ボール収容容器の外周部に傾斜を持たせることにより、跳躍するボールをボール収容容器の内側へ跳躍させることで飛散を防止していたが、乱流によるボールの飛散はこれだけでは十分ではなかった。

本発明者等は、ボール吸引時のガス流の解析を行い、これら要因のため吸引エリアの外周部で吸着を良好に行なうことが難しく、吸引配列に時間を要していたことを見出した。
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、大面積の吸着エリアの全域に亘って吸着に要する時間を短縮すると共に、大面積のウエハに対して無駄なく安定して一括で大量の導電性ボールを配置することのできる微小導電性ボール搭載装置を提供することを目的とする。

本発明の微小導電性ボール搭載装置は、ボール跳躍容器内の微小導電性ボールを跳躍させてボール配列板に吸引配列した後、前記微小導電性ボールを搭載すべき搭載対象物の搭載位置に対して一括で搭載する微小導電性ボール搭載装置であって、該微小導電性ボール搭載装置のボール吸着部でボール吸着時に発生する吸引ガスの乱流を整流するための整流手段を、前記ボール配列板と前記ボール跳躍容器との間に有することを特徴とする。
また、前記整流手段が整流板であることが好ましい。

また、本発明の他の特徴とするところは、前記微小導電性ボール搭載装置の前記ボール吸着部でのボール吸着時に、前記ボール配列板の前記微小導電性ボールを吸着するエリア以外の面に対して前記微小導電性ボールの跳躍を抑える遮蔽手段を有することである。
また、前記遮蔽手段が遮蔽板であることが好ましい。
また、前記遮蔽板の最外周部が内側よりも低くなるように傾斜を持っていることが好ましい。
また、前記遮蔽板が、使用する前記微小導電性ボールの径よりも小さな開口を持つメッシュ部材であることが好ましい。
また、前記遮蔽板が、少なくとも２層以上の構造であることが好ましい。

本発明によれば、大面積の搭載エリアであっても確実にボール吸引配列を行なうことができ、ボール搭載歩留を向上させて、バンプ形成対象の電極上に高精度で微小導電性バンプを効率よく形成することができる。

次に、添付図面を参照しながら本発明の微小導電性ボール搭載装置の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は一例であり、その範囲を限定するものではない。
ここで先ず、一般の微小ボール吸着工程の一例を図1に示す。導電性ボール7をボール収容容器9の振動によって跳躍させた状態で、配列ヘッド1をボール収容容器9に接近させる。配列ヘッド1は図示しない真空発生源がつながれており、減圧空間2を減圧する。

配列板支持部4には配列ヘッド1の導通穴3があり、配列板支持部4に設置されるボール配列板5の吸引孔6と減圧空間2とをつないでいる。ボール配列板5と配列板支持部4の間に多孔質体やメッシュ等を挿入して通気性を確保してもよい。これらにより、跳躍する導電性ボール7はボール配列板5の吸引孔6へ吸着される。

ボール配列板5を固定するための配列板押え治具10には種々の形状があるが、一般には図1及び図2に示す形状で、配列板押え治具10自身の厚みが5〜10mm程度である。
さらに、図2に示すように配列板押え治具10の外形は、加工上の容易さから角型が一般に用いられている。しかし、発明者等はこの形状がボール吸引エリアの外周部に吸着し難い原因であることを知見した。配列板押え治具10の外形が角型である場合は、図2に示すようにボール収容容器9と配列板押え治具10とを結ぶ空間距離が不均一となる(第2の個所B>第1の個所A)。

また、配列板押え治具10の肉厚が厚いと、第1の個所Aの空間が極端に狭くなる。このため導電性ボール7を吸引する際に発生するガス流の流速が距離（A）の部分では他の部分、特に第2の個所Bに比べると遅く、そのためにガス流が乱れ、その影響で跳躍するボール群に粗密が発生する。特に、ガス流の流速が早い外周部では導電性ボール7が吸着できない傾向があり、導電性ボール7を吸着する時間が長くなる等の不具合となる原因であることを見出した。

図3（ａ）に示すように本発明における整流手段の一例としての整流板11は、筒状部材11aの集合体で形成されている。また、板状、筒状でなくとも横方向の乱流を抑制するものであれば、図3（ｂ）に示すブロック状部材11bであっても良いが、導電性ボール7の跳躍を妨げない形状が好ましい。

この筒状部材11ａの壁がボール吸引によるガス流の横方向の乱流、あるいは場所による横方向の流速の違いを抑える役割を持つ。筒形状は、図3（a）では円柱を例に記しているが、それ以外にも四角柱やハニカム状、あるいは同心円状に壁を形成するものであっても良い。但し、少なくとも吸引エリアを4つ以上に隔てるように壁を設けるか、ボール収容容器9の外周から中心に向かって直線でガス流路が得られないよう障害物を設けるようにすると効果が得られる。

また、整流板11全体の高さは、図4の整流板11の装着状態のようにボール跳躍高さやボール収容容器9の振幅によって制限されるが、好ましくは5mm以上あると、より効果が得られる。高さの上限はボール跳躍高さ未満であるが、好ましくは20mm以下であれば、40μmφ〜500μmφのボールサイズで比較的容易に跳躍できる。これによりボール吸引によって発生する横方向のガス流の乱れを抑制し、縦方向のガス流に整流することができる。

筒状部材11ａの筒内径は、小さ過ぎるとガス流の抵抗が大きくなり吸着効率が低下し、大き過ぎると整流効果がなくなるため、20mm〜50mm程度が望ましい。肉厚については、厚過ぎると負荷になるため0.05mm〜1.0mm程度が望ましい。これら整流手段は直接ボール収容容器9に設置しても良いが、ガス流を整流手段の上下に有効に通過させるため、ボール収容容器9外に支柱を設け、ボール配列板5とボール収容容器9の空間に浮かせた状態に設置するのが望ましい。

図5に、本発明における遮蔽手段の一例として遮蔽板12を示す。遮蔽板12は、板状であっても良いし、通気性を持たせるためにメッシュ状のものでも良い。但し、網目部の開口はボールサイズ未満が良い。図示した遮蔽板12の例はリング形状であるが、配列パターンに応じて、形状を変えても良い。

図6に示すように本遮蔽板12は整流板11より下側で、ボール収容容器9の上側に装着される。ボール跳躍はボール収容容器９の振動エネルギーによって導電性ボール7を跳躍させ、ボール配列板5に到達させる。ボール収容容器9の外周部には該ボール収容容器9内側に傾斜を持っているため、この傾斜上で跳躍した導電性ボール7はボール収容容器9内側へ向かい、導電性ボール7の外部への飛散を防止する効果を持っている。しかし、これだけでは高さのあるボール跳躍行程で吸引ガスの乱流の影響を受け、外部へ飛散する導電性ボール7を抑えきれない。

本遮蔽板12は、ボール収容容器9外周部で跳躍する導電性ボール7の跳躍高さを抑え、外部への飛散を抑制するものである。図示するように遮蔽板12自身に傾斜を持たせ、下から跳躍してきた導電性ボール7が衝突後にボール収容容器9内側へ向かうように考慮されている。ボール収容容器9の外周部にも傾斜があるため、遮蔽板12自身に傾斜がなくても良いが、好ましくは0〜30度の傾斜を持つ方がより効果が得られる。

遮蔽手段はボール収容容器9外に支柱を設け、整流手段の下側に設置するようにする。整流手段と遮蔽手段は接合されていても良いが、ガス流の負荷を軽減するために、整流手段と遮蔽手段の間に空間を持たせた方が良い。遮蔽手段の鍔部は外周をボール収容容器9の縁以下の大きさに、内径をボール配列板5の吸着エリア以上のサイズとなるようにするのが好ましい。
これら双方を同時に用いることにより、吸着エリア内のガス流の不均一を抑制し、また、飛散ボールも減少させることができるので、吸着時間の短縮、歩留を向上、コスト削減をすることができる。

図7は、本発明における微細導電性ボール搭載装置の概略構成を示している。この実施の形態において、半導体基板もしくはウエハWは紙面と垂直方向のウエハ搬送路に沿ってウエハステージ20上に固定された状態で移動し、所定の位置で待機する。

ここで、本発明の実施形態では、例えば4インチ(100mm)以上のサイズのウエハを対象としている。このウエハWによれば、図8に示されるように形成すべき複数の半導体チップC(個々の正方形部分)を得ることができ、各半導体チップCの電極部には本発明のボール配列板5を用いて複数の導電性ボール7が搭載される。

図4、図6、図7においては、導電性ボール7を簡略化して示しているが、これらの半導体チップC全体で使用する導電性ボール７は、数十万個になる。本実施の形態の微細導電性ボール搭載装置の吸着部は、このように極めて大量の導電性ボール７を一括でウエハWに搭載する工程で用いるボール吸着部に関するものである。

また、図7に示されるようにウエハ搬送路と直交する方向(X方向)に沿ってガイドもしくはガイドレール21が設置され、このガイドレール21にはX-Z方向に移動可能なボール配列ヘッド1が支持される。ボール配列ヘッド1は、図4に示すように減圧空間2とボール配列板5の吸引孔6と減圧空間2とを結ぶ導通穴3を備えており、導通穴3の設置されている下面にボール配列板5を固定し、導電性ボール7をボール配列板に吸引配列する。

整流板11を設置した際は、整流板11の上部がボール配列板5のボール吸着面から少なくとも使用するボール径の2倍以上の距離を持った状態でボール吸着動作をすることが望ましい。整流板11の円筒状の集合体は互いに接触するように密集させても良いし、間隔を持って配置しても良い。
また、遮蔽板12を設置した際は、ボール収容容器9との距離が、ボール収容容器9の最外周付近で最も近接させることが好ましいが、導電性ボール７を跳躍させるためにボール収容容器9が振幅動作をしても、遮蔽板12に接触しない位置にしなければならない。

あるいはまた、図中では遮蔽板12は1枚のみ設置されているが、径の異なるリング状のものを複数段の構成としても良いし、リングではなく板状のものを互いが横方向には重なり、上下方向には接触しないような配置で、ボール収容容器9外周部に設置しても良い。例えば整流板11の上下に1枚ずつ設置しても良い。これは、サイズが大きく傾斜角度を持った遮蔽板12を用いた場合、吸引時のガス流の抵抗となり、負圧が生じてしまうため、比較的サイズの小さな遮蔽板を多層に配置した方が、悪影響が少ないためである。また、遮蔽板12はボール吸着動作時に、ボール配列板5に接触しても良い。接触させることで、ボール配列板5外周部は遮蔽板12によってカバーされるため、乱流によって跳躍してきた導電性ボール7が接触することを防ぎ、吸着エリア外に付着する余剰ボールを防止することもできる。

そして、ウエハW上に形成された半導体チップCの電極部に対して、その導電性ボール7を一括で搭載する。ガイドレール21の一端側にてボール配列ヘッド1の下方に位置するようにボール供給装置13が配置される。ボール供給装置13は相当量の導電性ボール7を収容するボール収容容器9と、前記ボール収容容器9を加振させてボール収容容器9内で導電性ボール7を跳躍させる加振機15を含んでいる。

ボール配列ヘッド1には、例えば超音波振動子のような図示しない振動発生源を備え、ボール吸着中や、吸着終了時に振動を加えることによって、吸引孔6の周辺や吸引孔6以外の部分に付着する余剰ボールの発生を抑制することができる。この場合、振動周波数は数Hz〜1GHz程度が好ましい。振動印加時間、振幅、周波数、印加タイミングは任意に設定できることが望ましい。

振動発生源の設置場所は、ボール配列板5に振動が伝達されれば特に問わないが、よりボール配列板5に近い位置が好ましく、配列ヘッド1の壁面か、配列板押え治具10に設置しても良いし、直接ボール配列板5に設置しても良い。

ボール供給装置13とボール搭載ステージ20の間には、配列不良ボール除去機構16と配列検査用カメラ17が配置される。ボール除去機構16は、ボール配列ヘッド1における配列不良ボールを、吸引又はガス吹付けによって除去する。除去する際に、配列ヘッド1に前述の振動発生源によって振動を加えると、より効果的に除去することができる。また、配列検査カメラ17はボール配列ヘッド1におけるボール配列不良を検査する。

ボール配列ヘッド1は、ボール供給装置13とボール搭載ステージ20との間を往復運動するが、減圧空間2は負圧もしくは真空源に接続された図示しない吸引機構に繋がれており、ボール配列板5にて多数の導電性ボール7を吸引配列するようになっている。
また、この減圧空間2と吸引機構の間にバルブを設け、ボール搭載過程でバルブを切り替えて吸引機構から加圧ポンプに繋ぎかえることにより、減圧空間を陽圧にすることもできる。ボール配列板5は、ウエハWにおける複数の半導体チップCの電極部に対応する吸引孔6を有する。そして、吸引機構によって、ボール収容容器9内で跳躍する導電性ボール7を各吸引孔6に1つずつ吸着させることができる。

前記構成において、ボール配列ヘッド1が導電性ボール7を吸引し始め、搭載対象物に導電性ボール7を搭載するまでの配列動作について説明する。
ボール供給装置13において、ボール収容容器9内の導電性ボール7は、加振機15によって跳躍している。図7の点線のように、ボール配列ヘッド1をボール収容容器9上の所定の高さまで降下させ、その跳躍する導電性ボール7を吸着する。

次に、導電性ボール7を吸着した後、ボール配列ヘッド1は上昇し、ガイドレール21に沿ってボール搭載ステージ20まで移動する。この移動途中に、不良ボールの除去を行なう。この後、配列検査用カメラ17が紙面と垂直方向に移動して、ボール配列板19の配列面全域のボール吸着状態を検査する。
検査結果が良好である場合には、ボール搭載ステージ20まで移動する。また、この検査時に配列不良が発見された場合には、ボール除去機構16の位置に戻って不良除去を行なうことも可能である。

次に、ボール配列ヘッド1は、ボール搭載ステージ20で待機しているウエハWに対する位置合せが行われる。そして、ボール配列ヘッド1を降下させることにより、ボール配列板5に吸着されている導電性ボール7が、フラックスが塗布されていたウエハWの電極部に搭載される。

なお、ボール配列ヘッド1はウエハWに接触する際の搭載荷重が導電性ボール7の種類等に応じて制御可能に構成されている。これにより、導電性ボール7をウエハWに対して最適荷重で接触させ、導電性ボール7を常に適性かつ円滑に搭載することができる。
また、前述したようにボール配列ヘッド1には、図示しない振動発生源を備えており、ボール搭載過程で振動を加えることによって、吸引孔6に吸引した導電性ボール7を吸引孔6から容易に開放することができるようにしている。この場合、振動周波数は数Hz〜1GHz程度が好ましい。振動印加時間、振幅、周波数、印加タイミングは任意に設定できることが望ましい。

ウエハW上にボール搭載後、ボール配列板5上に残存する導電性ボール7があることを考慮して、ボール除去機構16によって吸引除去動作をすることもできる。
なお、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、1つの機器からなる装置に適用しても良い。

以下、実施例を示す。
実施条件
使用ボールサイズ:100μmφ、ボール材質:Sn-63Ｐb共晶
配列板:8インチ(200mm)ウエハ対応、吸引孔数:385000個/ウエハ(625個/チップ)、チップ数:616個/ウエハ
配列板板厚:100μm、吸引孔径:70μmφ、吸引孔ピッチ:200μm
吸引時間:90秒
整流板:厚さ10mm、円筒直径40mm × 30個
遮蔽板:内径/外形=195mm/210mm、傾斜角3°

以下、20回の吸着動作で発生した平均(1枚当り)の不良吸着数、飛散したボール数を表１に示す。

なお、上記実施例では100μmのSn-Pbハンダボールの例を具体的に示したが、他に60μmφ、80μmφ、150μmφのボールサイズや、Pbフリー材(Sn-Ag-Cu系、Sn-Ag系)においても同様の試験を実施した結果、本発明の吸着部が従来では達し得ない、上記と同等の良好な結果を得ている。但し、ボールサイズが60μmφの場合は、配列板の板厚が70μm、吸引孔径が40μmφ、吸引孔ピッチが１００μmで実施した。

本発明の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドの背景技術を示し、ボール吸着時の様子を示す図である。本発明に係る配列板押え治具の構成を説明する図である。本発明に係る整流板の例を説明する図である。本発明に係る微細導電性ボール搭載装置の整流板の装着状態を説明する図である。本発明に係る遮蔽板の例を示す図である。本発明に係る微細導電性ボール搭載装置の整流板と遮蔽板とを同時に装着した状態を説明する図である。本発明における本実施の形態を示し、微細導電性ボール搭載装置の吸着部の概略構成を示す図である。本発明に係る微細ボールが搭載されるウエハの一例を示す図である。

符号の説明

１配列ヘッド
２減圧空間
３配列ヘッドの貫通穴
４配列板支持部
５配列板
６吸引孔
７導電性ボール
９ボール収容容器
１０配列板押え治具
１１整流板
１２遮蔽板
W ウエハ
C 半導体チップ

Claims

ボール跳躍容器内の微小導電性ボールを跳躍させてボール配列板に吸引配列した後、前記微小導電性ボールを搭載すべき搭載対象物の搭載位置に対して一括で搭載する微小導電性ボール搭載装置であって、
該微小導電性ボール搭載装置のボール吸着部でボール吸着時に発生する吸引ガスの乱流を整流するための整流手段を、前記ボール配列板と前記ボール跳躍容器との間に有することを特徴とする微小導電性ボール搭載装置。
前記整流手段が整流板であることを特徴とする請求項１に記載の微小導電性ボール搭載装置。
前記微小導電性ボール搭載装置の前記ボール吸着部でのボール吸着時に、前記ボール配列板の前記微小導電性ボールを吸着するエリア以外の面に対して前記微小導電性ボールの跳躍を抑える遮蔽手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の微小導電性ボール搭載装置。
前記遮蔽手段が遮蔽板であることを特徴とする請求項３に記載の微小導電性ボール搭載装置。
前記遮蔽板の最外周部が内側よりも低くなるように傾斜を持っていることを特徴とする請求項４に記載の微小導電性ボール搭載装置。
前記遮蔽板が、使用する前記微小導電性ボールの径よりも小さな開口を持つメッシュ部材であることを特徴とする請求項４又は５に記載の微小導電性ボール搭載装置。
前記遮蔽板が、少なくとも２層以上の構造であることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の微小導電性ボール搭載装置。