JP4836888B2 - 導電性ボール搭載方法 - Google Patents

Description

本発明は、導電性ボールの基板への搭載方法に関し、より詳しく言えば、基板（例えば、配線基板、パッケージ基板、ウエハなど）に設けた外部接続用のパッドに吸着を利用して導電性ボールを搭載する方法と、そのような方法で使用することができる導電性ボール吸着冶具に関する。

配線基板あるいはウエハなどの基板に形成したパッドに、ほかの電子部品などとの接続用のはんだバンプを形成する方法として、吸着ヘッドにはんだボールなどの導電性ボールを吸着して基板に搭載するものがある。

例えば、特許文献１には、はんだボールを入れた容器を使用し、容器の底から空気を噴出してボールを吹き上げて、あるいは容器を振盪してボールを浮上させて、容器の上方に配置した吸着ヘッドにボールを吸着させ、次にフラックスを付けたパッドを有する基板の上方に吸着ヘッドを配置し、吸着のための吸引を停止して基板にはんだボールを搭載する技術が記載されている。

また、特許文献２には、マスクを使用し、下方から吸引しながらマスクを通して吸着冶具にボールを振り込み、その後マスクを除去して、吸着冶具からボールを基板のフラックスを付けたバンプに下方から搭載することが記載されている。

特開２００１−３５８４５１号公報 特開２００５−３２８０１７号公報

下方から吹き上げ、あるいは浮上させたボールを吸着する上方の吸着ヘッドを利用して、基板にはんだボールを搭載する技術による場合は、ヘッドにボールをしっかりと保持するために、大きな吸引力でボールを吸着する必要がある。ボールは、その直径より小さい径の、ヘッドにあけた吸引用の穴に吸着されるので、２００μｍ以下、あるいは１００μｍ以下といったような小さなボールの場合、大きな吸引力で吸着されると、ボールが吸着用の穴に食い込みやすくなり、食い込んだボールが基板に搭載されなくなるという問題が生じる。更に、小さいボールでは、１つの吸引用の穴に複数のボールが吸着されやすくなり、この場合、ボールの吸着工程をやり直すか、余分なボールを取り除く工程を追加する必要が生じ、生産性低下を招きやすくなる。

下方から吸引しながらマスクを通して吸着冶具にボールを振り込み、その後マスクを除去して下方からボールを基板に搭載する場合は、吸引力を小さくできるため、吸着用の穴にボールが食い込む問題を回避することができ、１つの吸引用の穴に複数のボールが吸着されることもなくなる。しかし、反りのある基板の場合、特にボールの径が小さくなると、吸着ヘッドから全てのボールを基板に搭載することが困難となってしまう。

本発明の目的は、直径の小さい導電性ボールの場合にも、吸着用の穴にボールが食い込んで基板へのボールの完全な搭載を妨げることがなく、反りのある基板に対してもボールを確実に搭載することができる、吸着ヘッドによる導電性ボールの搭載方法と、そのような方法で使用する導電性ボール吸着冶具を提供することである。

本発明の導電性ボール搭載方法は、パッドを備えた基板に吸着ヘッドを使用して導電性ボールを搭載する方法であって、
各パッドに対応する位置に導電性ボールを吸着できる吸着穴のあいた吸着面を有する吸着ヘッドを用意し、その吸着面を上向きにして、吸着穴に導電性ボールを吸着する工程、
導電性ボールを吸着した吸着ヘッドと、フラックスを塗布したパッドを有し、該パッドの側を下向きにした基板とを、接近させる工程、
吸着ヘッドの吸着穴から気体を噴出することにより導電性ボールを上方へ放出して、パッドに塗布したフラックスに付着させる工程、
により導電性ボールを搭載することを特徴とする。

好ましくは、吸着ヘッドの吸着穴に導電性ボールを吸着する際の吸引圧力は−０．１〜−５０ｋＰａとする。

吸着ヘッドの吸着穴に導電性ボールを吸着する際には、各吸着穴に対応していて、導電性ボールが入ることができる開口部を有するマスクを使用することができる。マスクの使用に代えて、基板の各パッドに対応する位置で上面に開口した凹部と、この凹部の底面に開口した吸着穴とを有する、マスク機能を兼ね備えた吸着冶具を備えた吸着ヘッドを使用してもよい。

本発明の導電性ボール吸着冶具は、導電性ボールを搭載しようとする基板の各パッドに対応する位置で該冶具の上面に開口した凹部と、この凹部の底面に開口した吸着穴とを有し、そして各凹部に導電性ボール１個を収容して、該導電性ボールを吸引作用により吸着穴で保持するようにされていることを特徴とする。

本発明の導電性ボール吸着冶具は、例えば、金属、シリコン又はガラスで製作することができる。

本発明の導電性ボール搭載方法によれば、直径の小さい導電性ボールの場合にも、吸着ヘッドを利用して、吸着用の穴にボールが食い込んで基板へのボールの完全な搭載を妨げることなく、且つ、反りのある基板に対しても、ボールを確実に搭載することができる。
本発明の導電性ボール吸着冶具は、マスクの機能を兼ね備えているので、ボール吸着時にマスクと冶具とを位置合せする必要なく使用することができる。それはまた、単一の部品として取り扱うことができるので、部品の管理を簡単にすることもできる。

本発明では、フラックスを塗布したパッドを下向きにして配置した基板に向けて、吸着ヘッドに吸着した導電性ボールを下方から放出することにより供給し、導電性ボールをフラックスに付着させることによって、基板への導電性ボールの搭載を行う。

導電性ボールを搭載する基板は、搭載した導電性ボールから形成したバンプを利用して外部回路へ接続される各種の基板でよい。このような基板の例として、配線基板、パッケージ基板、ウエハなどを挙げることができる。また、パッケージ基板には、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージなども含まれる。

基板は、所定のパターンで形成したパッドを有し、パッドの上面にフラックスが塗布される。フラックスは、搭載する導電性ボールの種類に応じたものが使用される。

図１に、本発明により導電性ボールを搭載する基板の例を示す。この図の基板は、後に切り離される複数（この図では３つ）の個別の基板１０の集合体として作製されている。個別の基板１０は、本発明により導電性ボールを搭載後、図中のＡで示した破線の箇所で切り離される。各個別基板１０は、コア基板１１の上面と下面にそれぞれ形成した上部配線１２ａ及び下部配線１２ｂを有し、上部配線１２ａと下部配線１２ｂは、コア基板１１を貫通するビア１３で接続されている。上部配線１２ａ及び下部配線１２ｂは、その一部分として、外部接続のためのパッド１４ａ、１４ｂを含んでいる。パッド１４ａ、１４ｂの部分を除いて、上部配線１２ａ、下部配線１２ｂはソルダレジスト層１５ａ、１５ｂにより覆われている。本発明により導電性ボール２０を搭載する下部配線のパッド１４ｂの表面に、フラックス１８が塗布されている。

本発明では、図１の１つの個別基板１０に相当する単一の基板に対して、導電性ボールを搭載してもよい。

基板に搭載する導電性ボールの代表例は、はんだボールである。とは言え、本発明では、それ以外の導電性ボールとして、例えば樹脂のコア材をはんだ材料で被覆したものなどを使用することも可能である。

次に、図面を参照して、本発明による導電性ボールの基板への搭載を説明する。ここでは、先に図１を参照して説明した両面に配線を形成した基板の片面に、導電性ボールを搭載する例を説明するが、以下で参照する図においては、簡単にするため、ボール搭載面（下面）に形成した配線１２ｂとパッド１４ｂ、ソルダレジスト層１５ｂ、パッド１４ｂ上のフラックス１８のみを図示し、そのほかの部材は図示を割愛する。また、ボールを搭載する基板としては、図１を参照して説明した１つの個別基板１０に相当する単一の基板１０’を使用する。

図２（ａ）に示したように、基板の各パッドに対応する位置に導電性ボールを吸着できる吸着穴３１のあいた吸着面３２を有する吸着ヘッド３０を用意する。吸着穴３１の開口径は、後にそこに吸着する導電性ボールの直径より小さい（図２（ｂ）参照）。吸着ヘッド３０は、吸着穴３１及び吸着面３２を有する吸着冶具３４と、真空ポンプなどの吸引源（図示せず）につながれた多孔質部材３５により構成され、吸着穴３１が多孔質部材３５を通し吸引源により吸引されることで、吸着穴３１に導電性ボールを吸着することができる。

図２（ｂ）に示したように、吸着穴３１に対応して開口部３８を有するマスク３７を位置合せして、吸着ヘッド３０の上に配置し、そしてマスク３７の開口部３８内に導電性ボール４０を振り込んで、吸着穴３１でそれらを吸着して保持する。導電性ボール４０の振り込みは、吸引源（図示せず）により吸引しながら、例えばスキージ又は刷毛を使ってボールをマスクの上から各開口部３８に落とし込むことにより、あるいはマスク上のボールを揺動又は振動などにより各開口部３８に落とし込むことにより、行うことができる。導電性ボール４０の振り込み時には吸引を行わず、振り込み後に吸引を開始して吸着することも可能である。

導電性ボールの吸着は、ボールの位置と相手のパッドの位置とを確実に一致させるために行うだけであり、吸着ヘッドの吸着面が下向きの場合のようにボールの落下を防止する必要はないので、そのための吸引圧力は小さくてよい。例えば、ボールの吸引圧力は−０．１〜−５０ｋＰａ程度で十分である。

導電性ボール４０の振り込みの完了後、マスク３７を除去する。マスク３７の除去は必須ではなく、場合によってはこれを除去しなくてもよい。吸着ヘッド上にマスクを残しておくことによって、連続で作業する際、マスクの位置合わせ、配置、取りはずしの工程が不要となる。

マスク３７を除去後、図２（ｃ）に示したように、導電性ボール４０を吸着した吸着ヘッド３０と、フラックス１８を塗布したパッド１４ｂを有し、該パッド１４ｂの側を下向きにした基板１０’とを、位置合せして、フラックス１８と吸着冶具３４とを接触させないようにして接近させる。

続いて、吸着ヘッド３０の吸着穴３１から気体（例えば空気）を噴出することにより導電性ボール４０を上方へ放出して、図２（ｄ）に示したように、導電性ボール４０をフラックス１８に付着させて基板１０’に搭載する。

本発明では、マスクの機能を兼ねる吸着冶具を使用する吸着ヘッドを用いることもでき、次にこの態様を説明する。

図３（ａ）に示したような吸着ヘッド５０を用意し、この吸着ヘッド５０は、真空ポンプなどの吸引源（図示せず）につながれた多孔質部材５５と、その上に位置して、基板の各パッドに対応する位置に導電性ボールを吸着できる吸着穴５１のあいた吸着面５２を有する吸着冶具５４により構成される。この吸着冶具５４は、吸着面５２より上に位置する上面５６を有しており、吸着面５２は冶具５４の基板の各パッドに対応する位置に上面５６から掘り下げて形成した凹部５７の底面に相当し、上面５６は通常のマスクの上面に相当している。凹部５７は、通常のマスクと同じように、そこに振り込む導電性ボールの直径より１０〜３０μｍ程度大きい開口径と、導電性ボールの直径の５０〜１４０％程度の深さを持つように形成される。吸着穴５１は、通常の吸着冶具におけるように、吸着するボールの直径の１０〜８０％程度の径の開口を有するように形成される。このような構造の冶具５４は、金属、シリコン、ガラスなどの材料から、エッチングの技術を利用して容易に製作することができる。また、この冶具を用いれば、マスク機能のない冶具を使用する場合に必要となる冶具とマスクとの位置合せを省くことができる。

次に、図３（ｂ）に示したように、冶具５４の凹部５７に導電性ボール６０を振り込んで、吸着によりそれらを保持する。導電性ボール６０の振り込みは、先に図２（ｂ）を参照して説明したとおりに行うことができる。

続いて、図３（ｃ）に示したように、導電性ボール６０を吸着した吸着ヘッド５０と、フラックス１８を塗布したパッド１４ｂを有し、該パッド１４ｂの側を下向きにした基板１０’とを、位置合せして、フラックス１８と吸着冶具５４とを接触させないようにして接近させる。次に、吸着ヘッド５０の吸着穴５１から気体（例えば空気）を噴出することにより導電性ボール６０を上方へ放出して、図３（ｄ）に示したように、導電性ボール６０をフラックス１８に付着させて基板１０’に搭載する。

以下に示す例により、本発明を更に説明する。
〔比較例１〕
２００μｍのピッチで直径１００μｍのパッド（フラックスを塗布したもの）を３０００個設けた配線基板に、特許文献１に記載された下方から吹き上げたボールを吸着ヘッドで吸着する方法を用いて、直径１００μｍのＳｎ／Ａｇはんだボールを搭載した。吸着ヘッドに取付けた吸着冶具の穴径は６０μ、ボールを吸着するための吸引圧力は−８０ｋＰａであった。４回の搭載実験を行い、ボールが冶具の吸着穴に食い込んでボールを搭載できなかったパッドの数を調べた。

〔実施例１〕
本発明に従って、吸着面を上向きにした吸着ヘッドを使用し、吸着したはんだボールを空気の噴射により下方から放出して基板に搭載したことを除いて、比較例と同じ実験を繰り返した。吸着ヘッドへのボールの吸着の際には、比較例１で使用したマスクを使用した。吸着冶具の穴径は比較例と同じ６０μｍであったが、ボールを吸着するための吸引圧力は−１０ｋＰａであった。

比較例１と実施例１の結果を表１に示す。

この結果から明らかなように、本発明によれば、直径の小さなボールの吸着穴への食い込みを防いで、基板への搭載を確実に行うことができる。

〔比較例２〕
０．１ｍｍの反りのある配線基板（配線基板を水平に配置してその上側の面の高さを観察したときに、０．１ｍｍの差が観測されたもの）を使用し、特許文献２に記載された方法で、吸着治具に吸着したボールを下方から基板に搭載したことを除いて、比較例１と同じ条件で試験し、ボールを搭載できなかったパッドの数を調べた。

〔実施例２〕
同様に、０．１ｍｍの反りのある配線基板を使用したことを除いて、実施例１の手順を繰り返し、ボールを搭載できなかったパッドの数を調べた。

比較例２と実施例２の結果を表２に示す。比較例２の２回目の実験では、未搭載のパッドが極めて多かったため、その数を調べることなく実験を中止した。

この結果から明らかなように、本発明によれば、大きな反りのある配線基板の場合にも、ボールを基板に確実に搭載することができる。

導電性ボールを搭載する基板の例を説明する模式図である。 本発明による基板への導電性ボールの搭載の例を説明する図である。 本発明による基板への導電性ボールの搭載のもう一つの例を説明する図である。

符号の説明

１０、１０’ 基板
１１ コア基板
１２ａ 上部配線
１２ｂ 下部配線
１３ ビア
１４ａ、１４ｂ パッド
１５ａ、１５ｂ ソルダレジスト層
１８ フラックス
２０、４０、６０ 導電性ボール
３０、５０ 吸着ヘッド
３１、５１ 吸着穴
３２、５２ 吸着面
３４、５４ 吸着冶具
３５、５５ 多孔質部材
３７ マスク
５６ 上面（吸着冶具の）
５７ 凹部

Claims (4)

1. パッドを備えた基板に吸着ヘッドを使用して導電性ボールを搭載する方法であって、
   各パッドに対応する位置に導電性ボールを吸着できる吸着穴のあいた吸着面を有する吸着ヘッドを用意し、その吸着面を上向きにして、吸着穴に導電性ボールを吸着する工程、
   導電性ボールを吸着した吸着ヘッドと、フラックスを塗布したパッドを有し、該パッドの側を下向きにした基板とを、接近させる工程、
   吸着ヘッドの吸着穴から気体を噴出することにより導電性ボールを上方へ放出して、パッドに塗布したフラックスに付着させる工程、
   により導電性ボールを搭載することを特徴とする導電性ボール搭載方法。
2. 前記吸着ヘッドの吸着穴に導電性ボールを吸着する際の吸引圧力を−０．１〜−５０ｋＰａとする、請求項１記載の導電性ボール搭載方法。
3. 前記吸着ヘッドの吸着穴に導電性ボールを吸着する際に、各吸着穴に対応していて、導電性ボールが入ることができる開口部を有するマスクを使用する、請求項１又は２記載の導電性ボール搭載方法。
4. 前記吸着ヘッドとして、基板の各パッドに対応する位置で上面に開口した凹部と、この凹部の底面に開口した吸着穴とを有する冶具を備えたものを使用する、請求項１又は２記載の導電性ボール搭載方法。

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