JP4990325B2 - 導電性ボール搭載方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、導電性ボールの基板への搭載方法と搭載装置に関し、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導電性ボールを搭載する方法及び装置に関する。

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場合、従来は印刷によりパッド上にはんだペーストを転写し、加熱により半球状のバンプにしていた。電子部品類の高密度化に伴いパッドのピッチが狭くなるにつれて、この方法では隣接バンプどうしがブリッジにより短絡されてしまうなどの問題が顕在化してきた。印刷法でのバンプの形成は、２００μｍ程度のバンプピッチが限界とされている。

より狭いピッチでバンプを形成する場合、前もって球状に形成したはんだボールを利用する技術が用いられている。この技術によれば、例えば特許文献１に記載されたように、基板の各パッドに対応する位置にはんだボール１個が入る貫通孔を有するメタルマスクを位置合せして基板に重ね、マスク上に載せた多数のはんだボールをその貫通孔に１個ずつ落とし込んで、パッドに予め塗布されたフラックスに付着させ、マスク上の余分なはんだボールをスキージで除去後にマスクを取り除くことで、基板にはんだボールを搭載する。

一方、本願の発明者らは、各パッドに対応する位置にはんだボール１個が入る貫通孔を有するメタルマスクを重ねたはんだボール搭載面を下向きにした基板の下に、はんだボールを入れた容器を配置し、容器の底部にあけた孔から空気を吹き出す、あるいは容器に振動を加えることにより浮上したはんだボールをマスクの貫通孔を通して、パッドに予め塗布されたフラックスに付着させ、その後マスクを取り除くことで、基板にはんだボールを搭載する技術を開発し、これについて特許出願した（特許文献２）。

特開平１１−２９７８８６号公報 特願２００７−５７７８５号明細書

２００μｍ以下のような狭ピッチのパッドの基板にバンプ形成用のはんだボールなどの導電性ボールを搭載するのに、上述のメタルマスクの貫通孔に１個ずつボールを落とし込む技術による場合は、落とし込みによるパッド上へのボールの配置と、マスク上に残ったボールの除去を、別々の工程で行う必要があり、搭載作業に要する時間が長くなるのが難点である。また、マスク上に残ったボールを除去する際に、マスクとの摩擦のためにボール表面に傷が付きやすく、そうするとボールが酸化しやすくなって、回収したボールを再利用するのに支障を生じる問題もある。

空気の吹き出しによりボールを浮上させる技術を用いた場合には、吹き出す空気の勢いを強くするとボールが容器の外に飛出してしまうため、ボールを高密度に一度に浮上させることが難しい。そのため、この場合にはボールの搭載率の向上が求められている。

振動によるボールの浮上を利用する場合は、ボールは均一に浮上するが、高密度のパッドパターンになると、浮上したボールどうしが衝突して所定のパッドにうまくボールを供給できないという問題がある。また、容器内のボールの量を増加させると、ボールが浮上しなくなるという問題もある。

このように、狭ピッチのパッドの基板にはんだボールなどの導電性ボールを搭載する従来の技術では、搭載時間の短縮、搭載率の向上、搭載されずに回収したボールの簡単な再利用の必要性を同時に満たすことができなかった。

本発明の目的は、これらの必要性を同時に満たすことができる、狭パッドピッチ基板への導電性ボールの効率的な搭載を可能にする方法と装置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導電性ボールを搭載する方法であって、粘着剤を塗布したパッドを有する基板を、該パッドの面を下向きにして、導電性ボールを入れた、上部が開放の容器の上方に配置する工程、前記容器を上方へ所定のストロークで移動させて急上昇させることにより、容器内の導電性ボールを一括して上方へ投げ出して、パッドに塗布した粘着剤に付着させる工程、全てのパッドの粘着剤に導電性ボールが付着するまで、投げ出しにより導電性ボールを付着させる前記工程を繰り返す工程、により導電性ボールを基板に搭載すると共に、前記基板は後工程で切り離される複数の個別基板の集合体として作製されたものであって、導電性ボール収容容器は該個別基板の面積に相当する大きさを有し、導電性ボールの搭載を個別基板ごとに行うことを特徴とする。

容器の移動ストロークは０．５〜１０００ｍｍ、好ましくは１０〜５０ｍｍとすることができ、導電性ボールの投げ上げの周期は１秒間に０．０１〜２０回、好ましくは１秒間に０．１〜１０回とすることができる。

容器の移動ストロークは０．５〜１０００ｍｍ、好ましくは１０〜５０ｍｍとすることができ、導電性ボールの投げ上げの周期は１秒間に０．０１〜２０回、好ましくは１秒間に０．１〜１０回とすることができる。

各パッドに対応する位置に導電性ボール１個が入る貫通孔を有するマスクを使用してもよい。マスクを使用する場合、それは基板の導電性ボールを搭載する面に重ねて使用するのが好ましい。

前記各工程を、減圧下、あるいは不活性ガスが充填された雰囲気下で行う。また、基板を、導電性ボールの投げ上げ動作に合わせて上下動させる。

基板への導電性ボールの搭載完了後に、該基板上に残った導電性ボールを、該基板への空気の吹き付け、吸着ヘッドによる吸引、又は刷毛による払い落とし、により除去することを特徴とする。

本発明の導電性ボール搭載装置は、パッドを備えた基板に導電性ボールを搭載する装置であって、上部を開放した、導電性ボール収容容器、フラックスなどの粘着剤を塗布したパッドを有する基板を、該パッドの面を下向きにして、前記導電性ボール収容容器の上方で保持する基板保持装置、前記導電性ボール収容容器を上方へ所定のストロークで移動させて急上昇させることにより、該容器内の導電性ボールを一括して上方へ投げ上げて、基板のパッドに塗布した粘着剤に付着させるための導電性ボール投げ上げ装置、を具備すると共に、前記基板は後工程で切り離される複数の個別基板の集合体として作製されたものであって、前記導電性ボール収容容器は該個別基板の面積に相当する大きさを有し、前記導電性ボール投げ上げ装置は、導電性ボールの搭載を個別基板ごとに行うことを特徴とする。

導電性ボール投げ上げ装置が０．５〜１０００ｍｍのストロークで前記容器を移動させる。また、導電性ボール投げ上げ装置が１秒間に０．０１〜２０回の周期で前記容器を移動させる。更にまた、前記導電性ボール投げ上げ装置を複数設け、交互に投げ上げ動作を行わせるようにしてもよい。

本発明によれば、基板に導電性ボールを短い所要時間で、且つ向上した搭載率で、搭載することが可能になる。また、ボールの搭載にマスクを使用した場合、マスク上にボールが付着して残ることがあっても、ボールはマスクの下面に付着しているので、簡単に除去して再利用可能である（メタルマスク貫通孔への落とし込みによりボールを搭載する従来法の場合、ボールはマスクの上面を擦過して回収されるため、表面に傷が付きやすく、傷の部分で酸化し易いことが、回収したボールの再利用を妨げる要因となっている）。

本発明では、粘着剤を塗布したパッドを下向きにして配置した基板に、導電性ボールを下方から投げ上げることにより供給し、導電性ボールを粘着剤に付着させることにより、基板への導電性ボールの搭載を行う。粘着剤としては、フラックスや接着剤、導電性ペースト等を用いることができる。以下においては、粘着剤の一例としてフラックスを使用して、本発明を説明することにする。

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。パッドパターンのピッチは特に限定されないが、本発明では、２００μｍ以下の狭いピッチにも対応可能であり、例えばパッドピッチが１００〜２００μｍ程度の基板に導電性ボールを効率よく搭載することができる。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して加熱（リフロー）した後、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。

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、本発明による基板への導電性ボールの搭載を説明する。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、以下の説明で参照する図には、導電性ボール搭載後に切り離す個別の基板を２つ有する基板を示すことにする。

図２（ａ）に示したように、２つの個別基板１０が一緒になった被処理基板に、各パッド１４ｂに対応する位置に導電性ボール１個が入る貫通孔２５を有するマスク２１を位置合せして重ね、マスク２１を重ねた側を下向きにして、基板を保持装置３１により保持する。基板保持装置３１は、吸着や、機械的な保持手段（例えばクランプなど）によって、上方から基板を保持することができる。

保持装置３１で保持した基板を、導電性ボール２２を収容し、上部を開放した導電性ボール収容容器３２の上方に配置する。図示した導電性ボール収容容器３２は、上部の開放面積が１つの個別基板１０の面積に相当するように設計して、各個別基板１０ごとに導電性ボールを搭載するように作製されているが、複数の個別基板、あるいは集合体の全ての個別基板に同時にボールを搭載するように設計することも可能である。

導電性ボール収容容器３２は、個別基板１０のパッド１２ｂの表面のフラックス１８に付着するようボール２２を供給するために、ボール２２を上方へ投げ上げるための導電性ボール投げ上げ装置３３に連結している。

次いで、図２（ｂ）に示したように、投げ上げ装置３３を作動させて容器３２を急上昇させ、投げ上げストロークの上端に達したところで、容器３２からボール２２を上方へ投げ出すようにする。投げ出されたボール２２の一部がマスク２１の貫通孔２５に入り込み、フラックス１８に付着する。投げ上げ装置３３が下降動作に移行することで、容器３２は下向きに移動し、その容器３２内に、フラックス１８に付着しなかったボール２２が落下して戻る。この操作を、全ての貫通孔２５内にボール２２が入り込んでフラックス１８に付着するまで繰り返す。続いて、もう一つの個別基板１０について、やはり全ての貫通孔２５内にボール２２が入り込んでフラックス１８に付着するまで、ボールの投げ上げを繰り返す。

導電性ボール２２の搭載は、導電性ボール２２の融点以下（通常は常温）にて行う。
基板の保持装置３１、導電性ボール収容容器３２、導電性ボール投げ上げ装置３３を含めたボール搭載装置は、大気中に置くことができる。ボール搭載装置は、減圧下、あるいは不活性ガスが充填された雰囲気下に置いてもよく、それにより基板へのゴミの付着、パッド又は導電性ボールの酸化を防止することができる。

基板を保持した保持装置３１は、ボール２２が基板１０にぶつかるときの衝撃をやわらげるように、投げ上げ装置３３によるボール２２の投げ上げ動作に合わせて上下動させてもよい。これにより、基板１０又は導電性ボール２２の破損を防止することができる。
図２（ａ）、２（ｂ）には１つの投げ上げ装置３３だけを示しているが、ボールを搭載する１つの基板１０に対しボール投げ上げ装置３３を複数設けて、交互に投げ上げ動作を行ってもよい。これにより、生産効率を高めることができる。

投げ上げによる導電性ボール搭載の過程で、フラックス１８に付着しなかったボール２２は落下して容器３２へ戻るが、一部のボール２２が、図３に示したようにマスク２１上に残ることがある。場合により、ボール２２は基板１０に付着して残ることもある。マスク２１や基板１０上に残ったボール２２は、全ての個別基板１０へのボールの搭載完了後に、一括して除去することができる。そのためには、マスク又は基板上のボールを、空気を吹き付けて飛ばす、吸着ヘッドで吸引して取り除く、刷毛で払い落とす、といった方法を利用することができる。あるいは、保持装置３１（図２（ａ）、２（ｂ））、基板１０、マスク２１のいずれかに衝撃を加え、マスク２１又は基板１０に付着した余剰ボールを落とすことにより除去してもよい。

本発明で用いる、容器３２を所定のストロークで上下方向に移動させることで導電性ボールの投げ上げを可能にする導電性ボール投げ上げ装置３３は、例えば、カム機構や、ピストン運動を可能にするシリンダーを利用することにより、ボールの投げ上げを可能にする。ボールの投げ上げのため容器３２を移動させる投げ上げ装置３３のストロークが長いと動作時間が長くなって生産効率が低下し、ストロークが短いとボールが十分な高さまで上がらない。そのため、投げ上げ装置３３のストロークは、一般には０．５〜１０００ｍｍ、好ましくは１０〜５０ｍｍとすることができる。投げ上げ装置３３による投げ上げ動作の周期が長いと動作時間が長くなって生産効率が低下し、周期が短いと装置の負荷（パワー）が大きくなる。そのため、投げ上げ装置３３による投げ上げ動作の周期は、一般には１秒間に０．０１〜２０回（０．０１〜２０Ｈｚ）、好ましくは１秒間に０．１〜１０回（０．１〜１０Ｈｚ）とすることができる。このような投げ上げ動作によって、容器３２内のボール２２を一括して基板に向け上方に供給することができる。このため、パッドを高密度パターンで形成した基板であっても、導電性ボールを短時間で搭載することができる。

それに対し、特許文献２に記載のようにボールを入れた容器に振動を加えてボールを浮上させることで基板にボールを搭載する場合、一般に、振動の周期は１００〜１５０Ｈｚ程度、振幅は１５０μｍ未満である。ボールは、ランダムな動きをして均一に浮上するが、浮上したボールどうしの衝突が起きるため、高密度のパッドパターンになると所定のパッドにうまくボールを供給するのが困難になる。また、容器内のボールの量を増加させると、ボールを浮上させることができなくなってしまう。

先に説明した例では、投げ上げたボール２２が各パッド１４ｂのフラックス１８に付着するのをより確実にする目的で、各パッド１４ｂに対応する位置に導電性ボール１個が入る貫通孔２５を有するマスク２１を基板に位置合せして重ねて使用した。マスク２１は、基板１０から離間させて設置してもよい。この場合は、基板１０との相対的な位置がずれないように、マスク２１は基板１０又は保持装置３１（図２（ａ）、２（ｂ））に固定する。場合によっては、このようなマスクは、導電性ボール収容容器３２側に設けることも可能である。マスク２１を設けた導電性ボール収容容器３２を用いて基板１０に導電性ボールを搭載する例を、図４（ａ）、４（ｂ）に示す。また、マスクの使用を省くことも可能である。

ボールを搭載した基板をボール搭載装置から取り出し、ボールのリフロー処理を行う。リフロー処理により加熱されることで、ボールが溶融してパッドに固定される。

以下に示す例により、本発明を更に説明する。

〔比較例〕
１５０μｍのピッチで直径９０μｍのパッド（フラックスを塗布したもの）を４０００個設けた配線基板に、特許文献２に記載された振動によりボールを浮上させて基板に搭載する方法を用いて、直径６０μｍ、８０μｍ、１００μｍの３種類のＳｎ／Ａｇはんだボールを搭載した。搭載時には、はんだボールの各直径に応じて、開口径がそれぞれ８０μｍ、１００μｍ、１２０μｍのマスクを、基板の搭載面に重ねて使用した。はんだボールを入れた容器を１００Ｈｚ、１００μｍの振幅で１０秒間振動させて基板にボールを搭載した後に、ボールが搭載されなかった（ボールがフラックスに付着しなかった）パッドの数を調べた。

〔実施例〕
本発明に従ってはんだボールを上方へ投げ上げることで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。はんだボールの投げ上げは、１秒間に２回（２Ｈｚ）の周期、及び２０ｍｍのストロークで行った。投げ上げを行った時間は、比較例と同じ１０秒間であった。

比較例と実施例の結果を表１に示す。

この結果から明らかなように、本発明によれば、短い時間で、確実に、導電性ボールを基板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搭載の例を説明する図である。 導電性ボール搭載後にマスク上に残ったボール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搭載のもう一つの例を説明する図である。

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（粘着剤）
２０、２２ 導電性ボール
２１ マスク
２５ マスクの貫通孔
３２ 導電性ボール収容容器
３３ 導電性ボール投げ上げ装置

Claims (12)

1. パッドを備えた基板に導電性ボールを搭載する方法であって、
   粘着剤を塗布したパッドを有する基板を、該パッドの面を下向きにして、導電性ボールを入れた、上部が開放の容器の上方に配置する工程、
   前記容器を上方へ所定のストロークで移動させて急上昇させることにより、容器内の導電性ボールを一括して上方へ投げ出して、パッドに塗布した粘着剤に付着させる工程、
   全てのパッドの粘着剤に導電性ボールが付着するまで、投げ出しにより導電性ボールを付着させる前記工程を繰り返す工程、により導電性ボールを基板に搭載すると共に、
   前記基板は後工程で切り離される複数の個別基板の集合体として作製されたものであって、導電性ボール収容容器は該個別基板の面積に相当する大きさを有し、導電性ボールの搭載を個別基板ごとに行うことを特徴とする導電性ボール搭載方法。
2. 前記容器の移動ストロークを０．５〜１０００ｍｍとする、請求項１記載の導電性ボール搭載方法。
3. 前記導電性ボールの投げ上げの周期を１秒間に０．０１〜２０回とする、請求項１又は２記載の導電性ボール搭載方法。
4. 各パッドに対応する位置に導電性ボール１個が入る貫通孔を有するマスクを使用する、請求項１から３までのいずれか一つに記載の導電性ボール搭載方法。
5. 前記マスクを前記基板の導電性ボールを搭載する面に重ねて使用する、請求項４記載の導電性ボール搭載方法。
6. 前記各工程を、減圧下、あるいは不活性ガスが充填された雰囲気下で行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の導電性ボール搭載方法。
7. 基板を、導電性ボールの投げ上げ動作に合わせて上下動させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の導電性ボール搭載方法。
8. 基板への導電性ボールの搭載完了後に、該基板上に残った導電性ボールを、該基板への空気の吹き付け、吸着ヘッドによる吸引、又は刷毛による払い落とし、により除去することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の導電性ボール搭載方法。
9. パッドを備えた基板に導電性ボールを搭載する装置であって、
   上部を開放した、導電性ボール収容容器、
   粘着剤を塗布したパッドを有する基板を、該パッドの面を下向きにして、前記導電性ボール収容容器の上方で保持する基板保持装置、
   前記導電性ボール収容容器を上方へ所定のストロークで移動させて急上昇させることにより、該容器内の導電性ボールを一括して上方へ投げ上げて、基板のパッドに塗布した粘着剤に付着させるための導電性ボール投げ上げ装置、を具備すると共に、
   前記基板は後工程で切り離される複数の個別基板の集合体として作製されたものであって、前記導電性ボール収容容器は該個別基板の面積に相当する大きさを有し、前記導電性ボール投げ上げ装置は、導電性ボールの搭載を個別基板ごとに行うことを特徴とする導電性ボール搭載装置。
10. 導電性ボール投げ上げ装置が０．５〜１０００ｍｍのストロークで前記容器を移動させる、請求項９記載の導電性ボール搭載装置。
11. 導電性ボール投げ上げ装置が１秒間に０．０１〜２０回の周期で前記容器を移動させる、請求項９又は１０記載の導電性ボール搭載装置。
12. 前記導電性ボール投げ上げ装置を複数設け、交互に投げ上げ動作を行わせることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の導電性ボール搭載装置。

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