JP5376827B2 - ボール搭載装置およびボール搭載方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板の電極にボールを搭載するボール搭載装置およびボール搭載方法に係る。

線状部材を用いてボールを搭載する技術は、特開２００４−６２５０５号公報や特開２００６−１９７４１号公報等に開示されている。

しかし、従来技術は、線状部材の軸芯が実質的に平行であるため、ボールが線状部材の間に入り込む現象が生じる。線状部材の間に入り込んだボールは、（１）表面が長時間空気に晒されて酸化したボールを混入して搭載するため、電気接続性能を低下させる欠点や（２）ボールを他の機種に変更した時、機種の異なるボールが混入する欠点等がある。これらの欠点は、バンプの信頼性を低下させる。更に、軸芯をほぼ揃えた状態で配設された線状部材は、線径が小さく剛性が低いため、ボールを乗り越えて、ボールの搬送ミスが生じる。この欠点は、線状部材の送り速度を速くすると生じ易くなり、高い処理能力（スループット）を達成することを困難にする。なお、線状部材の線径を太くするとボールを乗り越えたり、挟んだりする確率は低下するが、ボールに損傷を与える致命的な不良が生じる。
特開２００４−６２５０５号公報 特開２００６−１９７４１号公報

解決しようとする課題は、上記欠点を改良することにある。即ち、第1の課題は、線状部材の間にボールが入り込み難い結束線状部材を提供することである。そして、第2の課題は、ボールを乗り越えて移動し難い結束線状部材を提供することである。

筆者らは、従来技術の欠陥が、線状部材の相互干渉が殆どないとに起因するとの知見を得た。本発明は、この知見に基づくもので、線状部材間の相互干渉を大きくすることにある。以下具体的に本発明の手段について記載する。

本発明は、基板に形成された電極に対応する開口を有する振込マスクと、基板を載置して、電極を開口に位置合せするステージと、電極にバンプを形成するボールを振込マスク上に供給するボール供給装置と、複数本の線状部材の両端部を固定した結束線状部材が配設された振込ヘッドと、線状部材を振込マスク上で水平に動かしボールを開口に振り込む振込ヘッド駆動装置と、を含むボール搭載装置において、結束線状部材を捩じった状態で振込ヘッドに固定したことを特徴とする。

本発明は、バンプとなる電極に対応する開口を有する振込マスクと、電極が形成された基板を載置して、電極を開口に位置合せするステージと、電極にバンプを形成するボールを振込マスク上に供給するボール供給装置と、複数本の線状部材の両端部を固定した結束線状部材を捩じった状態で取付けられた振込ヘッドと、線状部材を振込マスク上で水平に動かしボールを開口に振り込む振込ヘッド駆動装置を含むボール搭載装置を用いて、線状部材をマスクに押圧しながらボールを振込マスク上で移動させて開口にボールを振り込んだ後、振込マスクと基板を離間させてボールを開口から離脱させることを特徴とする。

ボール搭載方法において、基板をステージの基板載置台に載置する工程と、ステージを移動して基板に形成された電極と振込マスクに形成された開口を位置合せする工程と、振込マスク上に供給したボールを振込ヘッドに両端部を固定され取付けられた複数本の線状部材からなる捩じられた状態の結束線状部材で移動させてボールを開口に振り込む工程と、ステージを移動してボールが搭載された基板が載置された基板載置台を下方に移動しボールを開口から離間する工程とを有することとする。

基板を振込マスクから離間させた後、ボールをリフローして、電極にバンプを形成することを特徴とする。

本発明のボール搭載装置は、線状部材の両端部を結束した結束線状部材を捩じって振込ヘッドに取り付けることにより、線状部材の間にボールが入り込むとこと、線状部材がボールを乗り越えることを防止することができた。

更に、本発明により、ボールを正常に送るために必要な線状部材の本数を少なくすることも実現した。

本発明のボール搭載装置は、基板に形成された電極と振込マスクに形成された開口を位置合せし、振込マスク上に供給されたボールを線状部材で移動させて開口から電極上に振り込むボール搭載装置であって、線状部材の間にボールが入り込むことと、ボールを線状部材が乗り越えることとを防止する線状部材を用いたボール搭載装置とボール搭載方法を提供する目的を、複数本の線状部材からなる結束線状部材を捩じって振込ヘッドに取付けることにより実現した。

本発明において、ボールとは、半田ボール、金属ボール、導電性プラスチックボール、導電性セラミックボール等の導電性を有し、その形状が球状のものを指す。球状とは、真球以外に多角形や表面に凹凸がる粒状をも含む。電極とは、外部接続のために形成される電極で、その上にバンプ（凸状電極）を形成するもので、バンプを形成しないダミー電極等は含まれないこともある。また、線状部材は、金属線、プラスチック線、カーボン繊維等で、形状として扁平形状にした線や、断面が矩形のリボンや、鎖状のものも含む。例示すると、金属線は、ステンレス線、鉄線、パーマロイ線、銅線、アモルファス線等、プラスチック線は、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、ポリイミド繊維、液晶ポリマー繊維や導電性高強度繊維等を含む。

基板とは、ウエハとプリント配線板を含む。ウエハとは、シリコン半導体基板や化合物半導体基板を指し、半導体素子が実装された基板と、半導体素子が形成された面が再配線層で覆われたものも含まれる。

プリント配線板は、電子部品を固定して配線するための板状またはフィルム状の部品で、半導体集積回路を初めとする電子部品が実装したのも含む。バンプは、外部接続のための突起電極である。フラックスは、半田等の濡れ性を増すためのもので、ボールが例えば金ボールの場合、ペースト半田となる。又、フラックスは、ロジン系と水溶性系の何れでも良いが、振り込まれたボールが移動しないように、粘着力が大きい組成を選択する。

図１は、本発明のボール搭載装置の１実施例の平面図である。１はボール搭載装置、２は基板ストッカ、２ａは基板、３は基板搬送ロボット、４はプレアライナ、５はステージ、６は基板矯正装置、７は印刷装置、８はクリーニング装置、９はボール振込装置、１０は検査装置、１１はＸテーブル、１２はＹテーブル、１３は基板載置台、１９は振込ヘッドユニットである。

基板ストッカ２は、ロードポートとアンロードポートからなり、基板搬送ロボット３は、ロードポートから基板２ａを取り出して、プレアライナ４に搬送する。次に、基板２ａがウエハの場合、プレアライナ４で基板２ａの中心位置と基板２ａの外周に形成されたノッチ方向の双方が補正させられた基板２ａをステージ５へ搬送する。その後、基板搬送ロボット３は、待機位置に戻る。ステージ５の基板載置台１３に載置された基板２ａは、減圧吸着されるとともに、基板２ａを基板矯正装置６により押圧することにより反りが矯正される。

基板矯正装置６は、８個の押圧部材で基板２ａの外周部を押圧して基板２ａの反りを矯正するものである。反りが比較的大きいプリント配線板に特に有効である。これらの押圧部材は、空気シリンダのシリンダロッドの下部に治具を介して取付けられており、基板搬送ロボット３で基板２ａをステージ５に載置する時と、基板２ａを載置したステージ５を移動する時と、基板搬送ロボット３で基板２ａをステージ５から取り取り外す時に、上方向に逃げることができるようになっている。基板矯正装置６に対応するステージ５の位置が、基板２ａをステージ５に載置と取外しする位置である。

ステージ５は、基板載置台１３を移動させる機構としてＸテーブル１１と、Ｙテーブル１２と、Ｚテーブル（図示略）と、θテーブル（図示略）とを有している。ステージ５は、印刷装置７とボール振込装置９の下方へ基板２ａを搬送することができるようになっていて、Ｘテーブル１１は、ステージ５を基板矯正装置６と印刷装置７とボール振込装置９との間を往復する。なお、基板２ａが回転困難なテープ状の長尺の場合等では、θテーブルを振込ヘッドユニット１９に配置することが好ましい。

基板２ａを載置したステージ５を印刷装置７の下方へＸ軸レール１１上を移動させた後、フラックス２６ａ（図５参照）を基板２ａに印刷する。なお、フラックス２６ａが、予め他所又は他工程で基板２ａに印刷されている場合は、この印刷工程をスキップする。クリーニング装置８は、印刷マスク１５ｂの下面に付着したフラックスを、溶剤を含ませたシート又はロールを用いて、除去する装置である。

フラックス２６ａが印刷された基板２ａは、ステージ５に載置された状態で、ボール振込装置９の下方へＸ軸レール１１上を移動する。ステージ５は、基板２ａに形成された電極２６（図５参照）と振込マスク１５ａに形成された開口３６（図５参照）を位置合せする。その後、振込マスク１５ａ上に、ボール供給装置３０からボール３４（図５参照）が供給される。供給されたボール３４は、振込ヘッドユニット１９により振込マスク１５ａ上で移動させられて、基板２ａの電極上に振り込まれる。

ボール３４を搭載した基板２ａは、ステージ５が基板２ａの載置・取外し位置に戻り、吸着が解除され、基板搬送ロボット３により検査装置１０へ搬送される。ボール３４の搭載ミスや余剰ボール等の検査が終了した後、基板２ａは、基板搬送ロボット３により基板ストッカ２に収納される。ボール搭載ミスが継続的に少ない場合、検査を省略し、ボール３４が搭載された基板２ａをリフロー炉に送る場合もある。

他方、検査装置１０は、搭載不良を修正するリペア装置と一体の構成にして、ボール搭載装置１の外に設置しても良い。基板ストッカ２に収納された基板２ａは、リフロー装置（図示略）に送られバンプを形成する。バンプを形成した基板２ａは、次工程で処理が続くか、切断機で個別チップに切断される。

図２は、ボール振込装置９の平面図である。１４はマスク枠、１５ａはボールの振込マスク、１６は開口の形成領域、１７は振込ヘッド用Ｙ軸駆動ユニット、１８は振込ヘッド用Ｘ軸駆動ユニット、１９は振込ヘッドユニット、２０はヘッド用スライダ、２１と２１ａはカメラ、２２は残留ボール除去ユニット、２３は残留ボール除去ヘッド用結束線状部材である。

ボール３４を振り込む開口３６が形成されている形成領域１６は点線で示されている。この領域内の開口３６の配置を開口パターンも呼ぶ。

振込マスク１５ａに形成された開口３６の直径は、振り込まれるボール３４の直径より大きく且つ１個のボボール３４が通過できる大きさで、同時に２個のボール３４が通過できない大きさである。なお、印刷マスク１５ｂに形成された開口３６の直径は、振り込まれるボール３４の直径より小さい。フラックス２６ａの印刷マスク１５ｂとボール３４の振込マスク１５ａは、開口３６の寸法は異なるが、開口パターンはほぼ同じである。

電極２６と開口３６の位置合せするカメラは、離間して配設された２台のカメラ２１と１台のカメラ２１ａからなる。カメラ２１は、移動してきた基板２ａの位置マーク（図示略）が視野に入る位置に配設される。これらのカメラ２１は、装置の架台９ａに取付けられたペアのカメラで、基板２ａの位置マーク（図示略）を画像認識して、基板２ａの位置と角度を算出するために用いられる。カメラ２１の視野は、例えば、２ｍｍ角に設定される。プレアライナ４の役割は、基板２ａの位置マークをカメラ２１がミスしないようにすることである。

一方、カメラ２１ａは、振込ヘッドユニット１９と一緒に移動するカメラで、開口３６と電極２６の位置ずれや振込マスク１５ａの上面の位置マークを振込マスク１５ａの上方から画像認識するために用いられる。なお、フラックス２６ａ印刷の場合も同様な位置合せをすることもできる。

振込ヘッド用Ｙ軸駆動ユニット１７は、架台９ａ上に固定されている。一方、マスク枠１４は、架台９ａに取付治具（図示略）を介して脱着可能に取付けられている。

振込ヘッドユニット１９は、ヘッド用スライダ２０を介して振込ヘッド用Ｘ軸駆動ユニット１８に移動可能に連結し、更に振込ヘッド用Ｘ軸駆動ユニット１８は、振込ヘッド用Ｙ軸駆動ユニット１７と移動可能に連結している。また、ヘッド用スライダ２０には、Ｚ軸駆動ユニット（図示略）が配設されている。このような駆動機構により、振込ヘッドユニット１９は、振込マスク１５ａ
上を水平移動と垂直移動ができるようになっている。ボール３４が開口３６に振り込まれて基板２ａに搭載された後、基板載置台１３を下方へ移動させて、ボール３４を開口３６から離間する。

この図において、振込ヘッドユニット１９を２個横方向に並べた例を記載したが、縦方向に並べること、振込ヘッド３２の形状を大きくして１個とすること、逆に、３個以上の振込ヘッド３２を、一列又は複数列に並べることもできる。

Ｙ軸テーブル１２は、振込マスク１５ａ等の下に隠れて上からは見えない。また、振込マスク１５ａの下面にフラックスが付着するエラーが多発する場合、図示していないが、印刷装置７と同様に振込マスク１５ａのクリーニング装置を設ける。

振込ヘッド３２は、ボール給材装置３０（図４参照）から基板２ａ上に給材されたボールを逸散させないように工夫されている。しかし、振込ヘッド３２に逸散したボールが、振込マスク１５ａ上に残留する場合が生じる。この残留したボールを振込マスク１５ａから除去する装置が、残留ボール除去ユニット２２である。残留ボール除去ユニット２２は、残留ボール除去ユニット用スライダ２４に取付けられ、Ｙ軸方向に移動できるようになっている。

そして、残留ボール除去ユニット２２には、残留ボール除去用結束線状部材２３が取り付けられている。この残留ボール除去用結束線状部材２３でマスク上の残留ボールを押して、振込マスク１５ａを清掃できるようになっている。残留ボール除去用結束線状部材２３は、振込ヘッド３２に取り付けられた結束線状部材４５と同様に捩じられて取り付けられても良く、又その代わりにゴムや金属のブレイド、空気を吹き出すエアナイフ等でも良い。図２において、２組の残留ボール除去用結束線状部材２３の間を空けて図示しているが、この個所を清掃する残留ボール除去用結束線状部材２３が他の見えない個所に配設されていて、それらを保持する長尺部材を回転させることにより振込マスク１５ａ上の残留ボールを全て清掃できるようになっている。

図３は基板２ａ（ウエハ）の１例で、図３（a）はシリコンウエハの平面図、図３（ｂ）は図３（a）の点線円内を拡大した図である。２５はウエハ、２６は電極、２７は半導体集積回路、２８はスクライブライン、２９は電極の形成領域（半導体集積回路の形成領域）である。半導体集積回路２７は、スクライブライン２８で４辺を囲まれ、スクライブラインを切断することにより、個別の半導体集積回路チップとなる。この切断は、ボールを搭載したウエハ２５をリフロー炉でリフローした後や、実装工程の最後に、通常、行なわれる。

ウエハ２５は、接続に必要な電極部分を除く領域を保護膜３８（図５参照）が覆い保護する構造となっている。ウエハ２５に形成された半導体集積回路２７には、その外周部に外部接続端子（電極）が形成されているが、電極の面積が小さく且つ電極間の間隔が狭いので、そのピッチを拡大するために半導体集積回路の全面に再配線層が形成されている。電極２６は再配線された電極である。再配線の電極２６のピッチは、大略５０〜４００μｍである。図３は、ウエハ２５に形成された電極２６と、電極２６が形成されている電極２６の形成領域２９と、電極２６の配置とを説明するためのものであり、電極の大きさ、分布や電極の形成領域２９の形状は、実物とは異なり、更に相似していない。

ウエハ２５は、直径が１２インチや、８インチ等である。点線で囲われた多角形の電極２６の形成領域２９に形成された電極２６の配置を電極パターンという。振込マスク１５ａに形成されている開口３６のパターンは、ウエハ２５に形成された電極パターンに類似したパターンである。

図４は、振込ヘッドユニット１９の図である。３０はボール供給装置、３０ａはボール供給管、３１は回転モータ、３２は振込ヘッド、３３は振込ヘッドユニット用取付板、３４はボールである。ボールは、３０〜３００μｍ程度と小さいので拡大して図示し、図４の縮尺は、部品により一定ではない。

ボール供給装置３０は、特願２００８−０４７００４に記載されている如く、ボール供給装置３０を傾動させることによりボールを計量し供給するものである。ボール供給装置３０は、振込ヘッド３２一つに対して１台が配設されている。図４に図示したボール３４は、振込ヘッドユニット１９を移動させない状態で、ボール３４をボール供給装置３０から振込マスク１５ａ上に供給したボール３４を、説明用に、示している。実際は、このようにボールが１ヵ所に堆積しないで、飛散する。結束線状部材４５（図６参照）は、落下してきたボール３４の飛散の防止の役目も果たす。

振込ヘッド用取付板３３をヘッド用スライダ２０に取付けることにより、振込ヘッド３２は、振込ヘッド用Ｘ軸駆動ユニット１８、振込ヘッド用Ｙ軸駆動ユニット１７およびＺ軸駆動ユニット（図示略）と連結し、ボール３４を振込マスク１５ａ上に保持しながら移動させることができる。振込ヘッドユニット１９が移動するとボール３４は中心部から振込ヘッド３２の移動方向と反対方向へ偏る。振込ヘッド３２は、モータ３１により自転し、ボール３４を所定領域に囲い込むことができるようになっている。又、モータ３１で振込ヘッド３２を回転する必要がない場合は、モータ３１を回転させないか又は配設しないようにする。

図５は、ボール３４が線状部材３９に押されて移動し、振込マスク１５ａの開口３６から自然落下し、プリント配線板３７に設けられた電極２６上に振り込まれる状態を説明するための断面図である。３５はスペーサ、３６はボール振込用の開口、３７はプリント配線基板、３８は保護膜、２６ａはフラックス、である。本発明において、構成部品が小さいので、部品の断面に斜線を記入していない。

振込マスク１５ａには、ボール３４が１個通る開口３６が形成されている。開口３６の直径は、ボール３４の直径に依存し、それより１０％程度大きい。そして振込マスク１５ａとプリント配線板３７との間隔を一定に保持するようにスペーサ３５がスクライブライン２８や、開口３６と開口３６の間に設けられている。保護膜３８は、半導体素子の能動面を保護するもので、電極２６の外周部を覆うように形成される。フラックス２６ａは、保護膜３８が被覆していない電極面に印刷され、保護膜の孔の中で、中央が少し盛り上がるように印刷されることが好ましい。

振込マスク１５ａの厚みは、ボール３４が開口３６に安定して保持されるように、ボール３４の頂点が振込マスク１５ａ上面より下になるようになっている。ボール３４の頂点が振込マスク１５ａ上面から下がる距離は、ボール径の５％程度が良く、２〜１０％が適している。このようにボール３４が振込マスク１５ａ上面より沈むことにより、線状部材３９により開口３６に振り込まれたボール３４を掻き出すことが少なくなる。なお、ボール３４の頂点が振込マスク１５ａ上面より上に出ると、開口３６内に振り込まれたボール３４が線状部材３９で掻き出され易くなる。

線状部材３９が、図５で左から右へ移動するとボール３４は押されて次々と開口３６へ振り込まれる。線状部材３９は、その直径が３０〜１００μｍと小さく且つ剛性が低いので、開口３６から下方へ少々曲がり、開口３６の中へ少々入り込む。従って、振り込まれたボール３４は、線状部材３９により、電極２６上に印刷されたフラックス２６ａの中に押し込まれ、プリント配線板３７に大きな衝撃を与えなければ、移動しない程度に固定される。線状部材３９は、少々ではあるが、開口３６に振り込まれたボール３４を上から押圧する程度に変形することが好ましい。振り込まれたボール３４がフラックス２６ａ中に押し込まれないと、後工程（基板搬送、検査、リフロー等）においてボール３４が所定位置から離脱することが生じ易くなる。

線状部材３９は、ボール３４と傾斜した状態で当接するので（図５参照）、その垂直断面は、楕円形を呈する。しかし、結束線状部材４５の位置により、それぞれの傾きが異なる。この図からも、線状部材３９が軸芯を揃えた状態では、ボール３４が開口の端部に引っかかったりしてボール３４の移動に対して大きな抵抗が生じた場合、容易に、ボール３４が線状部材３９の間に入り込むことと、ボール３４が線状部材３９を潜ることが理解できよう。

図６は、振込ヘッド３２の図である。図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は裏面図である。４０は結束線状部材４５の固定部材、４１は押え板、４２は貫通孔、である。固定部材４０の断面は、逆Ｔ字型をしており、その中心には、貫通孔４２が加工されている。この貫通孔４２は、ボール供給装置３０から振込マスク１５ａへのボール３４を通すものである。下面４０ａに取り付けられる結束線状部材４５の本数は、囲い込み領域（４９、５０）（図１６参照）の大きさに主に依存し、２本、３本、４本、５本、８本、１０本でも良い。固定部材４０の下面４０ａには、６本の結束線状部材４５が固定されている。ボール３４を結束線状部材４５の固定部分に付着させない目的等で、押え板４１が設けられている。

結束線状部材４５は、固定部材４０の下面４０ａに取り付けられているが、それらの取付個所は、固定部材４０の側面でも良い。側面に取り付けることにより、結束線状部材４５の水平部分を長くとることができる。その場合、共通した必須条件は、結束線状部材４５の水平部分と下面４０ａとが密着しなく、それらの間に空間を設けることである。

線状部材３９の直径は、１００μｍ以下と細いので、線状部材３９の代表として数本だけ太い黒線で表示している。線状部材３９の直径は、線状部材３９の材質やボール３４の直径等によるが、４０〜１００μｍが好ましい。円形に結束された結束線状部材４５は、振込マスク１５ａと接触する部分で押し潰されて、擬似楕円形となるが、線状部材３９自身は潰されず、ボール３４と振込マスク１５ａと双方に斜めに当接する。１本１本の線状部材をみると、振込マスク１５ａと斜めに当接するので多くの線状部材３９が振込マスク１５ａと交互に当接し、より多くの線状部材３９が振込マスク１５ａと順次に当接する。即ち、捩じらない線状部材のように、振込マスク１５ａと接する線状部材が交代しないで接触することない。例えば、３６０°捩じって結束線状部材４５を下面４０ａに固定すると結束線状部材４５の外周を構成する線状部材３９は、その大半が振込マスク１５ａと接触することとなる。

図７は、結束線状部材４５の固定図で、結束線状部材４５を振込ヘッド３２に取付けた１例を示す。４３は固定リング４４用の穴、４４は固定リングである。矢印は、結束線状部材４５が移動する方向を示す。

結束線状部材４５の両端は、固定リング４４で、固定されている。固定リング４４を挿入し、結束線状部材４５を固定する穴４３は、水平から６０度傾斜して固定部材４０に加工されている。固定リング４４は、穴４３へ圧入し、接着剤で補強し固定される。穴４３は、結束線状部材４５の傾き等の取付仕様に対応して加工される。取付角度は、２０度〜９０度で良い。更に、穴４３の位置は、固定部材４０の下面４０ａに限定されず、固定部材４０の側面でも良い。結束線状部材４５の固定位置は、両端が固定部材４０の側面、一方の固定端が固定部材４０の側面で他方が下面４０ａであっても良い。穴４３の方向は、線状部材３９が送られる方向に上向きに傾いている。線状部材３９は、ボール３４を押しながら動かすより、ボール３４を引っ張りながら動かす方が好ましい。

図８は、結束線状部材４５の正面図である。固定リング４４は、円筒型をしているが、線状部材３９を固定するために、カシメ部４６が設けられている。カシメ部４６は、カシメにより、小さな直径または多角形（６〜８角形）に変形される。線状部材３９は、カシメ端部Ａ（カシメ部４６と接触する部分）にカシメの応力がかかるとともに、移動に伴う線状部材３９の変形による応力集中が生じるで、その近傍で破断しやすい。その破断を防止するために、カシメ端Ａ近傍の線状部材３９と固定パイプを弾性のある樹脂で接着することにより、線状部材３９に発生する応力集中を緩和できる。結束線状部材４５を捩じった状態（結束線状部材４５を固定部材４０に捩じって取り付けた状態）で、カシメ端部Ａ近傍を弾性のある樹脂で固定すると、その部分の寿命を長くすることができる。

例えば、結束線状部材４５の長さが５０ｍｍ、固定リング４４の内径が２ｍｍ、線状部材３９がナイロンで線径が５０ミクロンの場合、有効な捩じり角度は、５〜７２０度で、より効果的な角度は、４５〜３６０度である。角度が小さ過ぎると、線状部材３９の干渉力が小さく、大き過ぎると線状部材３９と線状部材３９とが結束して一本のねじれ線のようになり、振込マスク１５ａと当接しない個所が生じる。また、捩じり角度が線状部材３９の干渉力に与える程度は、線状部材３９の太さと長さと、結束される線状部材３９の本数による。これらの数値は、線状部材３９の材質と線径、結束線状部材４５の長さと固定リング４４の内径により変化し、線状部材３９がほど良い結束をするように定められる。

図９は、捩じった結束線状部材４５の中央部付近の拡大図である。一点鎖線５２は、結束線状部材４５の中心線である。（ａ）は、結束線状部材４５を中心線５２を中心として右回転で捩じった図で、（ｂ）は、左回転で捩じった図である。外から見える線状部材３９を代表して太い実線で示し、見えない線状部材３９を代表して、破線で示してある。太線と太線の間には、複数本の線状部材があるが、図示を省略している。参考のために、少量ではあるがボール３４を破線で示してある。ボール３４が線状部材３９の間に入り込む現象は、図９（ａ）の方が図９（ｂ）より小さい。

図１０は、中央部が膨らんだ結束線状部材４５を捩じった状態を示している。線状部材３９がナイロン、ポリエステル等の場合は、結束線状部材４５の中央部は、膨らむが、アモルファス金属線やステンレス線では、中央部の膨らみは殆どでない。これは、線状部材３９をその両端でカシメ固定する時、剛性の小さいプラスチック線が不規則に移動し、結合リング間の一本一本の線状部材３９の長さが変化することが原因の１つである。このように中央部が膨らんだ結束線状部材４５の移動方向は、矢印で示すように、結束線状部材４５の中心線に対して、垂直でなく、鋭角方向に傾いた方向が好ましい。

図１１は、結束線状部材４５を曲げて且つ捩じった状態を示す。結束線状部材４５は、全体が直線状ではなく、下方へ曲がるように取付部材４０に取り付けられる。曲げられた結束線状部材４５の中央部Ｂは、端部と比較してより押し潰された擬似楕円形となる。結束線状部材４５が中央部Ｂの近傍で振込マスク１５ａに当接した場合、楕円形は更に押し潰されて不定形に変形する。なお、捩じってない平行な結束線状部材４５を曲げて振込マスク１５ａに当接させると、中央部Ｂ近傍が極めて薄い扁平となり、さらに曲げると中央部Ｂ近傍の結束線状部材４５の高さ方向の重なりは、数本となり、最後には１本となる。しかし、捩じった結束線状部材４５の場合は、捩じりの効果により、捩じらない結束線状部材４５のような扁平になることはない。結束線状部材４５を捩じることにより、少ない本数の線状部材で、ボールを送ることができる。

図１２は、ボール３４が搭載された後、半田がリフローされたプリント配線板２ｂの１例で、図１２（ａ）は平面図、図１２（ｂ）は断面図を示す。４７はリフローされた半田ボール、破線で囲まれた領域４８は半導体集積回路チップ１個に対応する。プリント配線板２ｂの１面は、電極の部分を除き保護膜３８で覆われている。このプリント配線板２ｂの上に半導体集積回路チップが６個載置されて再度リプローされ、プリント配線板２ｂと半導体集積回路が接続される。その後、他のプリント配線板と接続するために、プリント配線板２ｂの裏面に新たにボールを搭載するケースもある。この場合、最初に搭載する半田ボール４７の融点は、２回目のボールより高い。このようにボールを搭載した後、半導体集積回路の実装や樹脂封止等の幾つかの実装工程を経て、破線４８で示された形状に切断されて半導体集積チップが完成する。

図１３は、半田バンプの断面図である。基板２ａは、ウエハ２５またはプリント配線板２ｂである。表面に形成されている電極２６は、半田バンプ４７を形成する領域のみ露出しており、他は、保護膜３８で覆われている。この場合、露出する電極２６の直径をボール３４の直径より小さくすることにより、高い高さの半田バンプ４７を製造できる。

図１４は、本発明になるボール搭載方法のフローチャートである。本発明のフローチャートは、ステップ５に特徴がある。ステップ１において、基板搬送ロボット３が基板ストッカ２のロードポートに基板２ａを取りに行く。基板搬送ロボット３の先端部（ハンド）で、基板２ａをすくい持ち上げてから、移動して、基板２ａをプレアライナ４に載置する。

プレアライナ４は、印刷装置７とボール振込装置９で振込マスク１５ａと基板２ａとの位置合せ工程で、基板２ａの基準マークがカメラ２１の視野（２×２ｍｍ）内に収まるように基板２ａの中心点とノッチのθをレーザで計測して調整する。この工程がステップ２で、好ましくは、中心点はプラスマイナス０．３ｍｍ、θは０．３度程度に調整する。

ステップ３は、プレアライナ４から搬送された基板２ａをステージ５の基板載置台１３に載せる。図示した基板載置台１３は、１２インチウエハ用で、同心円状に減圧吸着孔が配設されている。基板載置台１３は、基板２ａに対応した形状に加工されているので、寸法が異なる基板２ａにボール搭載を行なう場合、基板載置台１３を交換する。次に、待機位置にあった基板矯正装置６の押圧端子が降下して基板２ａの反りを矯正した状態で基板２ａを減圧吸着し続け、基板２ａが矯正された状態を保持する。基板２ａを矯正した後、押圧端子は、上昇して待機位置へ退避する。基板２ａの反りが小さく且つ減圧吸着で基板２ａが基板載置台１３に密着する場合は、矯正のステップは不要である。基板２ａがウエハ２５の場合、必ずしも矯正の工程を経なくても良い。

基板２ａがプリント配線板３７の場合、反りの矯正をより効果的にするために基板２ａをステージ５に設けられた加熱装置で１００℃前後に加熱すると良い。この加熱温度は、基板２ａや半田等の条件によるが、最低は５０℃で、上は、半田が溶融したりしない温度で、例えば１５０℃である。

ステップ４は、基板載置台１３に載置され、反りが矯正された基板２ａにフラックス２６ａを印刷する工程である。先ず、ステージ５をカメラ２１の下方へ移動させる。そして、基板２ａに形成されている２ヶ所の位置マーク（図示略）をカメラ２１で画像認識し、グレー処理によるパターンマッチングで得たデータを用いて、位置補正データを演算し算出する。この位置補正データに基づいて、Ｘテーブル１１、Ｙテーブル１２及びθテーブル（図示省略）を駆動させて、基板２ａの電極と印刷マスク１５ｂの開口とを位置合せする。そして、基板２ａと印刷マスク１５ｂの間隔を所定の値になるように基板２ａを上昇させた後、印刷マスク１５ｂ上に供給されたフラックス２６ａをスキージ（図示略）で移動させながら、印刷マスク１５ｂに設けられて開口に押し込む。印刷が終了後、基板２ａを降下させて、ボール振込装置９の下方へ移動させる。フラックス２６ａの印刷は、ボール径が小さい場合にはコンタクト印刷が、大きい場合にはギャップ印刷を用いる。

ステップ５は、フラックス２６ａが印刷された基板２ａにボールを振込・搭載する工程である。図４に示すように、ボール３４は、ボール供給装置３０が傾斜して間欠的に、振込マスク１５ａ上に供給される。振込ヘッド３２は、供給されたボール３４が逸散しないように線状部材３９が振込マスク１５ａと当接する位置まで降下している。振込ヘッド３２は、モータ３１により回転し、固定部材の下面４０ａに配設された捩じられた結束線状部材４５が回転することにより、落下したボール３４が所定の領域４９から逸散しないように振込マスク１５ａ上に囲い込む。この所定領域がボール３４の囲い込み領域４９である。ボール３４は、囲い込み領域４９内部の一部または全部に分布する。又、この囲い込み領域から逸散し、振込マスク１５ａ上に残ったボール３４が残留ボールである。

また、電極パターンは、電極２６の寸法が振込マスク１５ａの開口３６と異なるが、開口パターンと同じである。基板２ａの電極パターンと振込マスク１５ａの開口パターンの位置合せは、電極２６と開口３６の中心点同志を合わせる。

カメラ２１の座標初めとする装置構成要素の経時変化等が問題となる場合は、カメラ２１の画像認識で位置合せをした後、ヘッド用スライダ２０に配設されたカメラ２１ａで開口３６と電極２６の位置ズレを複数点直接観察し、それぞれの中心が一致するように位置補正する。観察する開口３６は、等間隔にはなれている３点を用いる。この位置補正は、極めた高い精度の補正を可能にする。なお、印刷装置７における位置合せもボール振込装置９と同様である。

落下したボール３４が偏在して困る場合は、ボール３４が貫通孔４２内で落下する位置を変更できるようにボール供給装置３０又はその給材管３０ａを移動できるようにすると良い。周辺部のボール３４が不足する場合は、周辺部にボール３４を多く供給できるようにし、逆に中心部のボール３４が不足する場合は、中心部にボール３４を多く供給するように、ボール落下位置の軌跡と落下量を設定する。このような方法は、囲い込み領域が大きく且つ結束線状部材４５に回転をかけないで、結束線状部材４５を水平方向に直線的に移動させて、ボール３４を開口に振り込む場合に好適である。一方、ボール３４の落下個所が貫通孔４２の中の１ヵ所でなく、いろいろの位置を移動する軌跡でボール３４を落下させることは、ボール３４の振込速度を速める上で有効である。

ステップ６は、基板２ａをステージ５から取外しする位置にステージ５を移動し、基板２ａを検査装置１０に載置する。基板２ａの電極２６上に搭載されたボール３４に搭載ミスがあるか、過剰ボールの搭載があるがや、ボール３４が正しい位置にあるか等を検査する工程である。この検査結果は、基板２ａの処理属性として記憶され、フラック２６ａの印刷とボール３４の振込を中止するべき処理属性が見出された場合、予め定められた手続で、処理を中止するようになっている。

ステップ７は、検査が終了した基板２ａを検査装置１０からロボット３で基板ストッカ２のアンロードポートへ移動する。この後、ロボット３が待機位置に戻り処理が終了する。未処理の基板２ａが場合、操作は、ステップ１へ戻る。

次に振込ヘッド３２が振込のために移動する軌跡について、図２に示す振込ヘッドユニット１９が２個並列に配設された場合を例にとり説明する。２個の振込ヘッドユニット１９は、一体に固定されているので、振込マスク１５ａ上を一緒に、個々別々でなく移動する。２つの振込ヘッド３２によって形成される囲い込み領域を符号４９と符号５０で表示する。

図１５は、ウエハ２５にボール３４を振り込む時の振込ヘッド３２の軌跡の１例を示している。スタート位置４９ｓからエンド位置４９ｅへ図１５で図示した矢印に従い移動する。この囲い込み領域４９は、直径が４ｃｍ程である。図１５に図示した矢印とその延長線は、囲い込み領域の中心位置の軌跡を表示している。囲い込み領域４９の軌跡は、重複するため囲い込み領域４９の軌跡を全て表示すると複雑となるので、中心位置の軌跡のみを表示した。その軌跡のピッチ（横方向の移動）は、囲い込み領域の半分で、電極形成領域２９は、囲い込み領域が２回通過するようになっている。１回目の軌跡が、囲い込み領域の端部に当たった領域は、２回目の軌跡が、囲い込み領域の中心部に当たるようになっている。更に、ボール３４が開口３６に振り込まれる状態には、振込方向により差があるケースがあるので、１８０度異なった振込方向の組合せとなっている。

他の振込ヘッド３２に対応する囲い込み領域５０は、スタート位置５０Ｓと途中までの中心位置軌跡のみを図示して、軌跡の後半を省略してある。しかし、図１５において、囲い込み領域４９のスタート軌跡（４９ｓ）の右半分は、一回の振込となるので、囲い込み領域５０のエンド軌跡でもう一度振り込むようにする。２つの振込ヘッド３２の中心間隔は、囲い込み領域の１／２の整数倍が好ましく、より好ましくは、2以上の整数倍である。２つの振込ヘッドユニット１９は、その間隔を任意に設定できる機構（特開２００８−４２１７２公報参照）が付属されている。

囲い込み領域の中心部と周辺部では、ボール３４が振込まれないこと（以下、振込ミスという）の発生確率が異なる。中心部の振込ミスが極めて小さく（搭載後のリペアで生産に支障をきたさない）且つ周辺部で振込ミスが問題となる場合、中心部の重複を省き、周辺部のみを重複させれば良い。このようなことから、囲い込み領域を重複させる方法は、その重複が１．２〜３が好ましい。重複が１．２の場合は、２つの振込ヘッド３２の中心間隔は、囲い込み領域の１／１．２の倍数で、重複が３の場合は、２つの振込ヘッド３２の中心間隔は、囲い込み領域の１／３の倍数である。

囲い込み領域は、振込ヘッド３２に対応し、振込マスク１５ａ上を移動するもので、振込マスク１５ａに固定的に規定される領域ではなく、動領域である。囲い込み領域内のボール量が多すぎると、ボールが囲い込み領域の外へ逸散し易くなる。囲い込み領域の５０パーセント程度をボールが占めるようにボールを供給する。ボール量が多い場合、振込ヘッド３２の回転速度を早くするとボールの逸散を防ぐことができる。一方、囲い込み領域内のボール量が少ないと、振込ヘッド３２の移動速度を速くすると、ボール３４が開口に振り込まれない確率が増大する。

図１６は、プリント配線板２ｂにボールを振り込む時の囲い込み領域（４９、５０）の軌跡の１例である。プリント配線板２ｂは、１個の半導体素子（チップ）の電極群に対応した開口群１６ａが、６×５の配列で形成されている。囲い込み領域４９の直径は、１チップ対応の開口群１６ａの短辺より大きくなるように設計されている。囲い込み領域の振込軌跡は、Ａ→Ｂ１→Ｃ１→Ｂ１→Ｂ２→Ｃ２→Ｂ２→Ｂ３→Ｃ３→Ｂ３→Ｂ４→Ｃ４→Ｂ４→Ｂ５→Ｃ５→Ｂ５→Ａで、振込マスク１５ａ上で開口が形成されていないスタート位置（Ａ）から、Ｂ１点まで振込ヘッド３２が移動した後、横（左）方にＣ１まで移動し、同一軌跡上をＢ１まで戻る。Ｂ１に戻った囲い込み領域４９は、Ｂ２へ移動し、上記と同様な軌跡を描き。Ｃ５からＢ５を経てＡに戻る。スタート位置とエンド位置を同一としているので、囲い込み領域を４９（４９ｓ,４９ｅ）と５０（５０ｓ,５０ｅ）で表示してある。

囲い込み領域４９は、同一軌跡を往復する。囲い込み領域に保持されたボール３４は、行きで殆どの開口に振り込まれるが、帰りの囲い込み領域が振り込まれはぐった開口に通過することにより、ボール３４が振り込まれる。囲い込み領域４９の振込軌跡のスタート位置とエンド位置を異なる位置としても良い。この場合は、スタート位置とエンド位置が１回毎に交代するようにする。また、振込ミスが極めて少ない場合は、振込軌跡を重複させる必要はない。

本発明において、囲い込み領域は、振込ヘッド３２を回転させて形成される円形に限られない。振込ヘッド３２の回転をしない場合、４角形を初めとする多角形でも良い。又、結束線状部材４５は、線状部材３９が中心部まで詰められたもので説明したが、固定リング４４の中心部に円柱状部材を配設し、中心部に線状部材３９が配置されないようにすることも良い。

本発明において、基板２ａに形成された電極２６と振込マスク１５ａに形成された開口３６の位置合せは、電極パターンと開口パターンの位置合せと同じである。

本発明において、線状部材３９同志の干渉は、結束線状部材４５を捩じる方法以外に、線状部材３９を磁性材料とし、磁場を印加することによっても達成できる。その場合、線状部材３９の材質は、軟鋼、へライト系ステンレス鋼、線引オーステナイ系ステンレス、アモルファス鉄合金等である。磁場印加は、固定リング４４の片方または両方の近傍に磁石を配置する方法や、ステージ５に磁石を配設し、基板２ａとマスクを通して、下方から印加すると良い。

本発明において、線状部材３９の直径は、３０〜２００μｍで、結束線状部材４５の長さは、３０〜４５０ｍｍである。長さが４５０ｍｍの結束線状部材４５は、残留ボールの除去や、１２インチウエハ用に用いられる。

本発明において、ボール搭載のために最低必要なユニットは、ステージ５とボール振込装置９である。例えば、印刷装置７は、フラックス２６ａ等が印刷された基板２ａを用いれば、この装置でフラックス２６ａ等を印刷しない。同様に、基板ストッカ２と、基板搬送ロボット３と、プレアライナ４と、基板矯正装置６と検査装置１０を省くこともできる。

本発明は、半導体装置のボール・グリッド・アレイ実装に広く利用できる他、絶縁材料で構成されるボールを用いることにより位置精度と高さ精度の高いスペーサを配置させる用途にも適している。

ボール搭載装置の１実施例の平面図。 ボール振込装置の平面図。 振込ヘッドユニットの正面図。 ウエハの平面図。 ボール振込を説明する図。 振込ヘッドの正面図（ａ）と裏面図（ｂ）。 結束線状部材の固定構造を説明する図。 結束線状部材の正面図。 捩じった結束線状部材を説明する図。 膨れた結束線状部材を説明する図。 捩じれ且つ曲げられた結束線状部材の斜視図。 基板の平面図（ａ）と正面図（ｂ） バンプの断面図。 ボール搭載方法のフローチャート。 ヘッドの軌跡の図。 ヘッドの軌跡の図。

１・・・ボール搭載装置、２・・・基板ストッカ、２ａ・・・基板（ウエハ）、２ｂ・・・基板（プリント配線板）、３・・・基板搬送ロボット、４・・・プレアライナ、５・・・ステージ、６・・・基板矯正装置、７・・・印刷装置、８・・・クリーニング装置、９・・・ボール振込装置、９ａ・・・架台、１０・・・検査装置、１１・・・Ｘテーブル、１２・・・Ｙテーブル、１３・・・基板載置台、１４・・・マスク枠、１５ａ・・・振込マスク、１５ｂ・・・印刷マスク、１６・・・開口の形成領域、１６ａ・・・チップ１個に対応する開口群の形成領域、１７・・・振込ヘッド用Ｙ軸駆動ユニット、１８・・・振込ヘッド用Ｘ軸駆動ユニット、１９・・・振込ヘッドユニット、２０・・・ヘッド用スライダ、２１・・・カメラ（基板位置検出用）、２１ａ・・・カメラ（マスク位置検出用）、２２・・・残留ボール除去ユニット、２３・・・残留ボール除去用結束線状部材、２４・・・残留ボール除去ヘッド用スライダ、２５・・・ウエハ、２６・・・電極、２６ａ・・・フラックス、２７・・・半導体集積回路、２８・・・スクライブライン、２９・・・電極群の形成領域、３０・・・ボール給材装置、３０ａ・・・ボール供給管、３１・・・回転ボータ、３２・・・振込ヘッド、３３・・・振込ヘッドユニット用取付金具、３４・・・ボール、３５・・・スペーサ、３６・・・開口、３７・・・プリント配線板、３８・・・保護膜、３９・・・線状部材、４０・・・結束線状部材（ブラシ）の固定部材、４０ａ・・・固定部材の下面、４１・・・押え板、４２・・・貫通孔、４３・・・固定リング取付用の穴、４４・・・固定リング、４５・・・結束線状部材、４６・・・固定材のカシメ部、４７・・・半田バンプ、４８・・・チップ、４９・・・円形囲い込み領域、５０・・・方形囲い込み領域、５１ａ・・・面の軌跡、５１ｂ・・・中心の軌跡、５２・・・結束線状部材の中心線、Ａ・・・カシメ端部、Ｂ・・・結束線状部材の中央部

Claims (4)

1. 基板に形成された電極に対応する開口を有する振込マスクと、上記基板を載置して、上記電極を上記開口に位置合せするステージと、上記電極にバンプを形成するボールを上記振込マスク上に供給するボール供給装置と、複数本の線状部材の両端部を固定した結束線状部材が配設された振込ヘッドと、上記線状部材を上記振込マスク上で水平に動かし上記ボールを上記開口に振り込む振込ヘッド駆動装置と、を含むボール搭載装置において、
   上記結束線状部材を捩じった状態で上記振込ヘッドに固定したことを特徴とするボール搭載装置。
2. 基板に形成されたバンプとなる電極に対応する開口を有する振込マスクと、上記電極が形成された上記基板を載置して、上記電極を上記開口に位置合せするステージと、上記電極にバンプを形成するボールを上記振込マスク上に供給するボール供給装置と、複数本の線状部材の両端部を固定した結束線状部材を捩じった状態で取付けられた振込ヘッドと、上記線状部材を上記振込マスク上で水平に動かし上記ボールを上記開口に振り込む振込ヘッド駆動装置を含むボール搭載装置を用いて、上記線状部材を上記振込マスクに押圧しながら上記ボールを上記振込マスク上で移動させて上記開口に上記ボールを振り込んだ後、上記振込マスクと上記基板を離間させて上記ボールを上記開口から離脱させることを特徴とするボール搭載方法。
3. 基板をステージの基板載置台に載置する工程と、
   上記ステージを移動して上記基板に形成された電極と振込マスクに形成された開口を位置合せする工程と、
   上記振込マスク上に供給したボールを振込ヘッドに両端部を固定され取付けられた複数本の線状部材からなる捩じられた状態の結束線状部材で移動させて上記ボールを上記開口に振り込む工程と、
   上記ステージを移動して上記ボールが搭載された上記基板が載置された基板載置台を下方に移動し上記ボールを上記開口から離間する工程と、
   を有するボール搭載方法。
4. 前記基板を前記振込マスクから離間させた後、前記ボールをリフローして、前記電極に
   バンプを形成することを特徴とする請求項２または３記載のボール搭載方法。