JP5018062B2

JP5018062B2 - ハンダボール印刷装置

Info

Publication number: JP5018062B2
Application number: JP2006337720A
Authority: JP
Inventors: 範昭向井; 真本間; 猪佐雄阿部
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2008153319A; KR20080055715A; TW200900246A; KR100941275B1; TWI357381B; CN101207052A; CN100524677C

Description

本発明はスクリーン印刷装置に係り、特にはんだボール印刷によるバンプ形成法に関する。

１８０〜１５０μｍピッチのボールバンプ形成（直径８０〜１００μｍ）において、上記されている高精度スクリーン印刷装置を用い、クリームはんだを印刷後にリフローし、ハンダボール形成を実施する印刷法がある。スクリーン印刷装置の１例としては、基板搬入コンベア，基板搬出コンベア，昇降機構を備えたテーブル部，転写パターンを開口部として有するマスク，スキージ，スキージ昇降機構および水平方向移動機構を備えたスキージヘッド、これらの機構を制御する制御装置を備えている。基板を搬入コンベア部から装置内に搬入後、基板を印刷テーブル部に仮位置決め固定し、この後、基板と回路パターンに対応した開口部を有するマスクの双方のマークをカメラで認識して、双方のずれ量を位置補正し、基板をマスクに位置合わせしてから、基板がマスクと接するように印刷テーブルを上昇させ、スキージによってマスクを基板に接触させながらマスクの開口部にクリームはんだ等のペーストを充填し、さらにテーブルを下降して、基板とマスクを離すことによってペーストを基板上に転写し、その後、基板を装置から搬出することによって印刷がなされている。

また、高精度で微細な穴あけ加工された治具にハンダボールを振込み、所定のピッチで整列させ直接基板上に移載し、載置後にリフローすることでハンダボール形成するボール振込み法が知られている。更には、特開２０００−４９１８３号公報によれば、マスクを揺動または振動させ所定の開口にハンダボールを充填する方法やブラシの併進運動等による充填後に加熱する工程からなる方法がある。

特開２０００−４９１８３号公報

クリームはんだによる印刷法は設備コストが安価であり、一括して大量のバンプ形成が可能であることからスループットが高く製造コストが低く抑えられる利点がある。しかしながら、印刷法は転写体積の均一性確保が難しくフラッタリング処理により、リフロー後のハンダバンプをプレスし高さを平滑化する処理を行っており、工程数が多く設備コストがかかるという問題が存在する。また、デバイスの高密度化に伴い１５０〜１２０μｍピッチ等へファイン化が進展した場合、印刷歩留まりが悪く生産性が良くないという点が存在する。一方、ボール振込み法はハンダボールの分級精度確保により安定した高さのバンプ形成が可能でありファイン化に適しているが、ハンダボールを高精度なハンダボール吸着治具を用い、ロボットで搭載しているが、ファイン化した場合のタクト増大，治具・設備価格アップによるバンプ形成コストの増大という問題が存在する。

更には、特開２０００−４９１８３号公報によるマスクを揺動または振動させ所定の開口にハンダボールを充填する方法では、ハンダボール粒子径の小径化に伴い粒子間の密着現象が発生し、マスクの穴径が粒子径の１.３倍未満では粒子間の密着力が、粒子自重より大きく開口部に充填できない問題が存在する。また同様にスキージやブラシの併進運動等による充填においても同様な問題が存在する。

本発明の目的は、超ファインピッチのバンプ形成において、印刷法のように一括して大量のバンプ形成が可能であり、かつ、ボール振込み法のように安定した高さのバンプ形成が可能な、安価で高速に効率よく印刷・充填を可能とした生産性の高いハンダボール充填用印刷装置及びバンプ形成方法を提供することである。

上記目的を達成するために本発明においては以下の手段を実施した。まず、印刷法で用いている安価で高精度なスクリーン印刷技術をベースとし、バンプ高さが安定するハンダボール微粒子を高速・高精度に充填・印刷可能なハンダボール充填用印刷装置を開発した。またハンダボール微粒子を効率よく使用するためにハンダボールを密閉状態で保持しながら充填・印刷することを実現した。更に、ハンダボールの充填不良を抑止し安定した品質の高いバンプ形成方法を開発した。

図１に、バンプ電極形成用に使用されているメタルマスク事例を示す。図１（ａ）にはマスク全体の状態を、（ｂ）には１個のデバイスに印刷する電極群に相当する開口パターン２０ｐの例を示している。即ちマスク２０は版枠２１に取付けられている。以後版枠
２１を含み全体をマスク２０と称する。本マスクを使用した事例としては、電極パッド部直径１２０μｍ，ピッチ１５０μｍで、１個のＣＰＵチップのパッド数が数千個となる電極パッド群が数十個も配置される多数個取り基板等に対し、印刷法によりバンプ形成に用いられている。図１（ａ）の四角形状が１つの電極パッド群２０ａを示している。すなわち、１つの電極パッド群に対応して設けてあるマスク開口部２０ｃは、電極パッドの大きさに対応した径で多数開口されている。このマスク２０を使用して印刷を行い、印刷終了後、印刷テーブル１０を降下させて、印刷テーブル１０に固定された基板５が下降することで、版離れ動作を実施し、印刷する。

図２に、本発明におけるスクリーン印刷装置の構成を示す。図２（ａ）にスクリーン印刷装置の正面から見た構成とシステム構成図を示す。さらに図２（ｂ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成を示す。また図３（ａ），（ｂ）にスクリーン印刷装置を側面から見た構成で印刷中の状態を示す。

本体フレームには図示していない版枠受けが設けられており、版枠受けには印刷パターンを開口部として持つスクリーンを張ったマスク２０がセットされるように構成されている。マスク２０の上方には、充填・印刷ヘッド２が配置され、充填・印刷ヘッド２にはスキージ（本発明ではスキージの代わりにシブ状体４５とスクレーパ３等で構成して有る）からなる充填ユニットが装着されている。充填・印刷ヘッド２は充填・印刷ヘッド移動機構６により水平方向に移動が可能に構成してある。充填ユニットは充填ユニット昇降機構４によって上下方向に移動できる。マスク２０の下方にはマスク２０に対向するように印刷対象物である基板５を載置し保持する印刷テーブル１０が設けて有る。この印刷テーブル１０は、基板５を水平方向に移動してマスクとの位置合わせを行うＸＹθテーブル１１と、基板５を搬入コンベア２５から受け取り、かつ基板５をマスク２０面に近付けるか又は接触させるためのテーブル昇降機構１２とを備えている。印刷テーブル１０の上面には基板受け取りコンベア２６が設けられており、基板搬入コンベア２５によって搬入された基板５を印刷テーブル１０上に受け取り、印刷が終了すると基板搬出コンベア２７に基板５を排出する。

印刷ユニット本体１においてはマスク２０と基板５の位置合わせを自動的に行う機能を備えている。すなわち、ＣＣＤカメラ１５によって、マスク２０と基板５のそれぞれに設けられている位置合わせ用マークを撮像し、画像処理して位置ずれ量を求めて、そのずれ量を補正するようにＸＹθテーブル１１を駆動して位置合わせを行うものである。

なお、各部駆動用の印刷制御部３６やＣＣＤカメラ１５からの画像信号を処理する画像入力部３７等を行う印刷機制御部３０は、印刷機本体フレームの内部に設けてあり、制御用データの書き換えや、印刷条件の変更等を行うためのデータ入力部５０や、印刷状況等や取込んだ認識マークをモニタするための表示部４０が印刷機の外側に、配置してある。

印刷機制御部３０には、充填ユニットをコントロールする印刷制御部３６をもち、生産するバンプのピッチやハンダボール粒子径の違い及び使用するメタルマスクの種類によって適切な充填・印刷モードを簡単にセレクト設定できる。また、入力画像に応じて相関値を計算する相関値計算部３１や、取り込んだ画像や辞書３８からのデータに基づいて形状を求める形状推定部３２，位置座標を求める位置座標演算部３３，寸法演算部３４を備え、ＣＣＤカメラ１５で撮像したデータから基板とマスクに設けてある位置認識マークに基づいて、位置ずれ量を求めて、ＸＹθテーブルを駆動して位置合わせを行う構成となっている。

次に本発明の印刷装置の動作を説明する。

バンプを形成される基板５は、基板搬入コンベア２５によって基板受け取りコンベア２６に供給され、印刷テーブル１０上の所定の位置に固定される。基板固定後、予め登録設定された基板マーク位置にＣＣＤカメラ１５を移動する。続いてＣＣＤカメラ１５が基板５及びマスク２０に設けられた位置認識用マーク（図示せず）を撮像し、印刷機制御部３０に転送する。制御部内の画像入力部３７では、画像データからマスク２０と基板５の位置ずれ量を求め、その結果に基づいて印刷機制御部３０は印刷テーブル１０を移動させるＸＹθテーブル１１を動作させてマスク２０に対する基板５の位置を修正・位置合わせする。位置合わせ動作完了後、ＣＣＤカメラ１５が印刷テーブル１０と干渉しない位置まで所定量退避動作する。ＣＣＤカメラ１５が退避完了後、印刷テーブル１０が上昇し、基板５とマスク２０を接触させる。その後、充填ユニット昇降機構を動作させることで、充填・印刷ヘッド２に設けてあるシブ状体をマスク２０面に接触させる。次に、シブ状体を加振しながらマスク面上を移動させてシブ状体の開口からマスク面に設けた開口を介して基板の電極部にハンダボールが供給される。

充填・印刷ヘッド２は水平方向に一定距離ストロークした後に上昇する。そして、印刷テーブル１０が下降し、マスク２０と基板５が離れ、マスク２０の開口部に充填されたハンダボールは基板に転写される。そして、ハンダボールが印刷された基板５は基板搬出コンベア２７を経て次工程に送られる。

なお、基板５とマスク２０には相対的に同一な箇所に認識位置合わせ用マークが２ケ以上設けられており、この双方のマーク各々を、上下方向２視野を有する特殊なＣＣＤカメラ１５により、マスク２０のマークは下から認識し、基板５のマークは上から認識して、所定箇所に設けてあるマーク全ての位置座標を読み取り、マスク２０に対する基板５のずれ量を位置演算・補正し、基板５をマスク２０に対して位置合わせする。

次に本発明の印刷ヘッドについて説明する。

図４にマスク上を充填・印刷ヘッドがハンダボールをマスクに充填しながら移動するときの模式図を示す。図５に充填・印刷ヘッドの断面図を示す。

図４に示すように充填・印刷ヘッド２にはハンダボールを載置するシブ状体４５をシブ状体固定金具３ａと、シブ状体４５に垂直若しくは水平振動を与える加振手段４７と、スクリーン面上に供給され充填されていないハンダボールを残さず掻き取り可能なスクレーパ３とを具備している。尚図４ではスクレーパ３にシブ状体を取付ける構成としているが、図５に示すようにシブ状体はシブ状体固定金具３ａに取付け、スクレーパ３はその外側に設けた構成としても良い。またシブ状体固定金具３ａに刷毛を設けて、スクレーパ３を省略する構成としてもよい。シブ状体４５は網目状の開口４６或いは連続した円形，楕円形，長方形、またはスリット等の開口４６を持つ極薄の金属板で形成されている。なお、網目状の開口４６は金属板に電鋳法等により一体成型して形成することができる。シブ状体４５の上部に置かれたハンダボール４８は、シブ状体４５を垂直若しくは水平方向、或いは両者を複合させた方向（矢印４２の方向）に加振手段４７にて振動させることで、ハンダボール同士の密着力を低減・拡散すると共に、ハンダボールに回転力を作用させることが可能である。このハンダボール４８に発生させた回転力により、ハンダボール４８には鉛直方向下向き成分の力が発生する。この下向きの力により、シブ状体４５の開口４６を通してマスク２０の所定の開口位置にハンダボール４８を充填することができる。すなわち、充填・印刷ヘッド２がマスク２０面上を、シブ状体４５を加振すると共に、水平方向に移動して行くことで連続的にハンダボール４８を基板５面上の電極部５ｐに充填・印刷を行う。

図５に示すように、充填・印刷ヘッド２は、シブ状体４５によって印刷に必要な量のハンダボール４８を密閉状態で保持できるハンダボール収納手段を形成している。充填・印刷ヘッド２は、印刷動作中にハンダボール４８を収納したシブ状体４５を対向したスクレーパ３と連結振動させるように構成した。すなわち、シブ状体固定金具３ａとスクレーパ３を加振する加振手段４７を設けて、スクレーパ３とシブ状体４５とを同期して振動するように構成してある。

図６に連結振動作用のあるシブ構造図を示す。シブ状体４５は前述のように、極薄のメタル板で構成してあり、その底面に網目状等の開口４６が設けてある。そして、この両端部がシブ状体固定金具３ａの傾きに合わせて折り曲げられ、折り曲げ部がシブ状体固定金具３ａの面に取付けられる。シブ状体４５は容易に伸縮変形可能なことから、その形状特性を利用し、ハンダボール直径＞開口寸法＋伸縮変形寸法の場合は、ハンダボール４８が通過できず、ハンダボール４８の保持が可能となる。一方で、その逆に、ハンダボール直径＜開口寸法＋伸縮変形寸法の場合は、ハンダボール４８が通過できる隙間が確保され、ハンダボールの充填が可能となる。このシブ状体４５の伸縮は、シブ状体４５を加振すること若しくは磁力等の外力で発生させることができる。

図７に、図示していないシブ状体４５を介した充填・印刷ヘッドによるハンダボールの充填・印刷メカニズムの説明図を示す。図においてシブ状体固定金具３ａはアタック角度θを約６０度に設定されている。この充填・印刷ヘッド２を、図示していない加振手段４７を用いてシブ状体固定金具３ａを斜め方向（アタック角方向）に加振しながら矢印４１方向に移動させる。この振動は、シブ状体固定金具３ａを介してシブ状体４５に伝達される。シブ状体４５の底面に収納されているハンダボール４８にこの振動が伝達されると、ハンダボール４８には矢印４１ｒ方向の回転力が発生する。この回転によりハンダボール４８には矢印４１方向の力（水平方向）と、矢印４１ｇ方向（垂直方向）の力を発生する。すなわち、ハンダボール４８には、回転力により下向きの力が発生する。この状態で、シブ状体４５は伸縮を繰り返し、シブ状体４５が伸びた状態になるとその底面部に設けた開口部が大きく開口し、そこからハンダボールがマスク面に落下，移動する。マスクの開口部に落下したハンダボールはシブ状体の折り曲げ角部又はスクレーパにより、マスク開口部に押し込まれる。マスク面上の開口部以外に落下したハンダボールはシブ状体４５の折り曲げ角部又はスクレーパ３等によって掻き取られる。

なお、上記説明ではスクレーパを設けてマスク面上に残留するハンダボールを掻き取ることで説明したが、スクレーパを設けずにシブ状体固定金具３ａの下部にマスク面に接触する部分に刷毛を設けて、刷毛によりハンダボールを掃きとっても良い。また、前述までの説明では刷毛の本体部分にシブ状体を設ける構成としているが、シブ状体とは別にスクレーパや刷毛を取付けるようにしても良い。この場合、シブ状体を加振する加振機構とスクレーパや刷毛を加振する加振機構が必要になる。

次に図８に本発明に用いるマスク開口部にハンダボールを充填する状況の一例を示す。また図９にマスク下部の樹脂層部に設けた吸引流路の配置を示す。図１０にはマスク開口部の拡大図を示す。

図８に示すようにマスク２０は磁性材料からなるメタル層２０ｓの下に樹脂層２０ｎを設けた２層構造のマスク形状としたものである。なお、２０ｎは密着性・柔軟性を持たせるために樹脂層としたが、耐久性を考えるとニッケル等の薄い金属で形成することでも実現できる。電極パッド５ｐの上部にはハンダボールの接着性を増すためのフラックス５ｆ（ペースト）が供給されている。また、印刷テーブル１０の基板受け面側には、印刷テーブル１０面と同じ面になるように複数の磁石パッド１０ｂが固定されている。この磁石パッド１０ｂの磁気力でマスクのメタル層２０ｓを吸引することで、マスク２０と基板５の夫々の面の密着性を増すためのものである。

また、本実施例では、図９に示すように、メタル層２０ｓの下部の樹脂層２０ｎには、マスク面に設けた開口部から空気流を吸引するための溝が略碁盤の目状に設けてある。この溝は基板にマスクを載せたときに空気を排出する排気流路５２となるのものである。尚排気流路５２は、電極群を囲むように設けた溝で構成される排気溝５１を結ぶように形成してある。なお、図示していないが、空気を吸引するためのポンプが配置されており、このポンプと排気流路５２を接続する配管が設けてある。なお、上記説明では、ポンプを用いて排気流路５２を経由してマスク開口部から空気を吸引する構成としているが、印刷・充填ヘッド側にマスク面に空気を吹き付ける加圧空気供給手段を設けて、ハンダボールを印刷後、圧縮空気をマスク面に圧縮空気を吹き付けることで、ハンダボールをマスク開口部から電極パッド部に押し込むようにしてもよい。この場合もマスクを構成する樹脂層に排気流路を設けておきマスク周辺より空気を逃がす構成とすることで、ハンダボールがマスク開口部に供給し易くすることができる。

図１０に示すように、マスク２０はメタル層２０ｓ側の開口に比べて樹脂層２０ｎ側の開口が大きくなるように形成されている。このように、マスクの基板と接触する側に樹脂層を設けることで、マスクの基板に対する密着性を増すと共に、基板の損傷を防止し、基板の電極部に確実にハンダボールを供給できるようにしたものである。マスクの開口の間隔（ピッチ）Ｌ，メタル層２０ｓ側の開口の直径Ｒｓ，樹脂層２０ｎ側の開口の直径Ｒｒ（＝１.１Ｒｓ），排気溝５２の幅Ｒｌ（約０.４Ｒｒ）としている。マスクの開口径は供給するハンダボールの径で決定される。

以上のように、本発明によれば、ハンダバンプ高さ精度の安定した大量のハンダバンプを一括で安価に高速で形成することが可能である。また装置もシンプルな構成となり設備コストも低く抑えることができる。

メタルマスクの一事例を示す図である。スクリーン印刷装置の一事例を示す図である。スクリーン印刷装置の印刷動作の概略を説明するための図である。充填・印刷ヘッドのハンダボール充填の例を示す図である。充填・印刷ヘッドの一例の断面を示す図である。充填・印刷ヘッドの収納式シブ形状の一事例を示す図である。充填・印刷メカニズムを示す図である。メタルマスクの構造概念図である。メタルマスクの排気流路の例を示す図である。メタルマスクの開口部と排気流路の概略を示す図である。

符号の説明

１印刷ユニット本体
２充填・印刷ヘッド
３スクレーパ
５基板
１０印刷テーブル
１１ＸＹθテーブル
１５カメラ
２０マスク
４５シブ状体

Claims

ハンダボールをマスクを介して基板電極上に印刷するハンダボール印刷装置において、ハンダボールを所定のパターンで充填・転写する開口を有するマスクと、マスクを載置・固定するマスク固定手段と、バンプ形成する基板を搬入・固定し所定の印刷・転写完了後に搬出する基板固定手段と、マスクと基板の各々の基準マークを画像処理しマスクと基板を位置合せする認識位置決め手段と、基板をマスクに対して密着させるための密着手段と、マスクを通して所定の位置にハンダボールを充填するための印刷する手段と、印刷する手段をマスク面に対し平行運動させる平行移動手段と、マスク開口に充填されたハンダボールを基板上に固着し印刷テーブルを降下させて版離れすることによりハンダボールを基板上に転写する手段とを有し、
前記印刷する手段にはハンダボールを載置するシブ状体であって、網目状等の複数の開口を底面に有し取付け用の折り曲げ部を両端部に有する伸縮変形可能な極薄のメタル板で構成されたシブ状体と、前記シブ状体に垂直若しくは水平振動を与える加振手段とを具備したハンダボール印刷装置。
請求項1に記載のハンダボール印刷装置において、
前記シブ状体に印刷に必要な量のハンダボールが収納され、印刷動作中に前記シブ状体を前記加振手段で振動させることで、ハンダボールを収納したシブ状体を伸縮させて収納されたハンダボールをマスク面上に供給することを特徴とするハンダボール印刷装置。
請求項1に記載のハンダボール印刷装置において、
前記シブ状体は底面に網目状、又は連続した円形、楕円形、長方形、又はスリット状の開口が設けられていることを特徴とするハンダボール印刷装置。
請求項1に記載のハンダボール印刷装置において、
前記印刷する手段にシブ状体と併設若しくは独立したはけ状体又はスクレーパ手段を具備し、印刷動作中にはけ状体又はスクレーパ手段を振動させることを特徴とするハンダボール印刷装置。
基板上に形成された電極にマスクを介してハンダボールを供給し印刷するハンダボール印刷装置において、ハンダボールを所定のパターンで充填・転写する開口を有するマスクと、マスクを載置・固定するマスク固定手段と、バンプ形成する基板を搬入・固定し所定の印刷・転写完了後に搬出する基板固定手段と、マスクと基板の各々の基準マークを画像処理しマスクと基板を位置合せする認識位置決め手段と、基板をマスクに対して密着させるための密着手段と、マスクを通して所定の位置にハンダボールを充填するための印刷手段と、印刷手段をマスク面に対し平行運動させる平行移動手段と、マスク開口に充填されたハンダボールを基板上に固着し印刷テーブルを降下させて版離れすることによりハンダボールを基板上に転写する手段とを有し、
前記印刷手段は、ハンダボールを載置するシブ状体であって、網目状等の複数の開口を底面に有し、取付け用の折り曲げ部を両端部に有する伸縮変形可能な極薄のメタル板で構成されたシブ状体と、前記シブ状体に垂直若しくは水平振動を加える加振手段とを備え、前記加振手段によりシブ状体を加振することで前記シブ状体の開口を広げ、前記シブ状体上に収納したハンダボールを、前記マスクを介して基板上の電極に供給する構成としたことを特徴とするハンダボール印刷装置。
基板上に形成された電極にマスクを介してハンダボールを供給し印刷するハンダボール印刷装置において、ハンダボールを所定のパターンで充填・転写する開口を有するマスクと、マスクを載置・固定するマスク固定手段と、バンプ形成する基板を搬入・固定し所定の印刷・転写完了後に搬出する基板固定手段と、マスクと基板の各々の基準マークを画像処理しマスクと基板を位置合せする認識位置決め手段と、基板をマスクに対して密着させるための密着手段と、マスクを通して所定の位置にハンダボールを充填するための印刷手段と、印刷手段をマスク面に対し平行運動させる平行移動手段と、マスク開口に充填されたハンダボールを基板上に固着し印刷テーブルを降下させて版離れすることによりハンダボールを基板上に転写する手段とを有し、
前記印刷手段は、ハンダボールを載置するシブ状体であって、網目状等の複数の開口を底面に有し、取付け用の折り曲げ部を両端部に有する伸縮変形可能な極薄のメタル板で構成されたシブ状体と、前記シブ状体に垂直若しくは水平振動を加える加振手段と、基板を支え固定する基板固定手段とを備え、前記基板固定手段には磁石を内蔵し、印刷手段がマスク面上を平行移動時に基板を通して前記金属製マスクと金属製シブ状体に対し磁力を作用させシブ状体の開口を広げ、前記シブ状体上に収納したハンダボールを、前記マスクを介して基板上の電極に供給する構成としたことを特徴とするハンダボール印刷装置。
請求項５又は６に記載のハンダボール印刷装置において、
前記印刷手段にシブ状体と併設若しくは独立したはけ状体又はスクレーパ手段を具備し、印刷動作中にはけ状体又はスクレーパ手段を垂直若しくは水平振動させることを特徴とするハンダボール印刷装置。