(57)【要約】【課題】  バンプ高さの均一性に優れ、及び多種多様の材料・大きさの半田ボールに適用ができる半田ボール発射装置および半田ボール搭載システムを提供する。【解決手段】  本発明の半田ボール発射装置１０は、固体状態の複数の半田ボール１を貯留する半田ボール保管部２と、複数の半田ボール間の凝集を防止する凝集防止手段としての窒素ガス供給手段９、イオナイザー８、及び焼結材３からなる窒素ガス透過手段と、半田ボール１を半田ボール発射部６へと導く半田ボール通路管５と、半田ボール通路管５内における半田ボール１の移動を補助する半田ボール移動補助手段としてのビエゾ素子４Ａ，４Ｂと、凝集防止手段と半田ボール移動補助手段とを制御する制御手段７とを備え、半田ボール１を連続的に発射することを特徴とする。【選択図】      図１
2006135014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体状態の複数の半田ボールを貯留する半田ボール保管部と、
前記複数の半田ボール間の凝集を防止する凝集防止手段と、
前記半田ボールを半田ボール発射部へと導く半田ボール通路管と、
前記半田ボール通路管内における前記半田ボールの移動を補助する半田ボール移動補助手段と、
前記凝集防止手段と前記半田ボール移動補助手段とを制御する制御手段とを備えた半田ボール発射装置であって、
前記半田ボールを連続的に発射することを特徴とする半田ボール発射装置。
【請求項２】
前記凝集防止手段は、窒素ガス供給手段と、イオナイザーと、多孔性基材からなる窒素ガス透過手段とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の半田ボール発射装置。
【請求項３】
前記多孔性基材は、焼結材であることを特徴とする請求項２に記載の半田ボール発射装置。
【請求項４】
前記半田ボール移動補助手段は、ピエゾ素子を利用したピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項１に記載の半田ボール発射装置。
【請求項５】
前記半田ボールは、直径が５０〜３００μｍの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の半田ボール発射装置。
【請求項６】
前記半田ボール通路管は、半田ボール通路外管と、多孔性基材からなる半田ボール通路内管と、前記半田ボール通路外管と前記半田ボール通路内管の間に形成される半田ボール通路中空とから構成されることを特徴とする請求項１に記載の半田ボール発射装置。
【請求項７】
フッラクスを貯留するフラックス保管部をさらに備え、前記フッラクスを連続的に発射することを特徴とする請求項１に記載の半田ボール発射装置。
【請求項８】
固体状態の半田ボールをインクジェット方式により連続的に発射することを特徴とする半田ボール発射装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の半田ボール発射装置を備えることを特徴とする半田ボール搭載システム。
【請求項１０】
フラックス塗布ユニットと、半田ボール搭載・検査・リペアーユニットと、リフローユニットと、冷却ユニットとから構成される半田ボール搭載システムであって、
前記半田ボール搭載・検査・リペアーユニットは、請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の半田ボール発射装置を備えることを特徴とする半田ボール搭載システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田ボール発射装置及び半田ボール搭載システムに関し、特に、バンプ高さの均一性に優れ、及び多種多様の材料・大きさの半田ボールに適用ができる半田ボール発射装置及び半田ボール搭載システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップと実装基板とを電気的に接続する半田ボールを形成する方法として、フォトレジスト膜を利用しためっき方式や印刷方式、メタルマスクを利用した印刷方式、半田ボールを吸引機で吸引して所定箇所にて半田ボールを落下させて搭載を行うボールバンプ方式等が知られている。
【０００３】
また、近年の半導体装置の高集積化・小型化に対応するため、及びバンプ形成の作業時間の短縮を目的に、ピエゾ素子を利用した開閉手段により溶融状態の半田を押し出して半田ボールを形成する方法（特許文献１参照）や、半田合金材料を構成するインク組成物を用いてインクジェット方式により半田ボールを形成する方法（特許文献２及び特許文献３参照）が提案されている。
【０００４】
特許文献１によれば、半田バンプ形成工程の複雑さを解消できる、と記載され、特許文献２及び特許文献３によれば、半田バンプ形成工程における作業時間を大幅に短縮でき、また、３０μｍ以下のバンプ径を実現できる、と記載されている。
【特許文献１】特開２００１−７７１４１号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２６１２号公報
【特許文献３】特開２００４−１７４５３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の半田ボール形成方法によると、バンプの高さ・形状が不揃いとなり易いという問題が生じる。半田バンプの高さが不揃い（半田ボール径及び半田ボール形状のバラツキ）であると、電気的接続が一部不良となる可能性があり、また、高さを揃えるために半田バンプを削る等の工程を要し、製造コストのアップに繋がるほか、高さを揃えるための工程が困難である場合もあるため歩留まりが低下する。
【０００６】
また、特許文献２及び特許文献３の半田ボール形成方法によると、上記の不揃いの問題において誤差を小さくするために１０〜５０ｎｍ以下の粒径の超微粒子材料を噴射することによる３０μｍ以下のバンプ形成を対象としており、直径５０〜３００μｍ程度のバンプ形成には適していない。
【０００７】
さらに、近年の鉛フリー化等の趨勢に対応して、半田ボールの材料選択性の要求に応える必要も生じているが、溶融半田を用いる特許文献１等では材料を換える毎に溶融槽の完全清掃が必要になる等の問題がある。
【０００８】
従って、本発明の目的は、バンプ高さの均一性に優れ、及び多種多様の材料・大きさの半田ボールに適用ができる半田ボール発射装置及び半田ボール搭載システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するため、固体状態の複数の半田ボールを貯留する半田ボール保管部と、前記複数の半田ボール間の凝集を防止する凝集防止手段と、前記半田ボールを半田ボール発射部へと導く半田ボール通路管と、前記半田ボール通路管内における前記半田ボールの移動を補助する半田ボール移動補助手段と、前記凝集防止手段と前記半田ボール移動補助手段とを制御する制御手段とを備えた半田ボール発射装置であって、前記半田ボールを連続的に発射することを特徴とする半田ボール発射装置を提供する。
【００１０】
また、本発明は、上記目的を達成するため、固体状態の半田ボールをインクジェット方式により連続的に発射することを特徴とする半田ボール発射装置を提供する。
【００１１】
本発明の好ましい形態においては、前記凝集防止手段は、窒素ガス供給手段と、イオナイザーと、多孔性基材からなる窒素ガス透過手段とから構成され、前記半田ボール移動補助手段は、ピエゾ素子を利用したピエゾアクチュエータであることを特徴とする。また、前記半田ボールは、直径が５０〜３００μｍの範囲内であることを特徴とし、前記半田ボール通路管は、半田ボール通路外管と、多孔性基材からなる半田ボール通路内管と、前記半田ボール通路外管と前記半田ボール通路内管の間に形成される半田ボール通路中空とから構成されることを特徴とする。さらに、前記半田ボール発射装置は、フッラクスを貯留するフラックス保管部をさらに備え、前記フッラクスを連続的に発射することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するため、上記の半田ボール発射装置を備えることを特徴とする半田ボール搭載システム、さらには、フラックス塗布ユニットと、半田ボール搭載・検査・リペアーユニットと、リフローユニットと、冷却ユニットとから構成される半田ボール搭載システムであって、前記半田ボール搭載・検査・リペアーユニットは、上記の半田ボール発射装置を備えることを特徴とする半田ボール搭載システムを提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半田ボール発射装置及び半田ボール搭載システムによれば、バンプ高さの均一性に優れ、及び多種多様の材料・大きさの半田ボールに適用ができる半田ボール発射装置及び半田ボール搭載システムの提供が可能となるため、半田ボール搭載の作業時間の大幅減少、歩留まりの上昇、材料選択の柔軟性アップ等の効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（半田ボール発射装置の構成）
図１は、本発明の半田ボール発射装置の概略構成を示す。この半田ボール発射装置１０は、複数の半田ボール１を貯留する半田ボール保管部２と、半田ボール１を半田ボール発射部６へと導く半田ボール通路管５と、半田ボール発射装置１０を制御する制御手段７とを有して概略構成されている。本発明における半田ボールの発射には、いわゆるインクジェット方式を適用しているため、作業時間の大幅な軽減を図ることができる。制御手段７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなり、後述するピエゾ素子４Ａ，４Ｂ、窒素ガス供給手段９、及びバルブ調節手段１３等の制御を行っている。制御手段７は一体に限らず、それぞれを制御する部分毎に別体として設けてもよい。
【００１５】
半田ボール１は、チップ状の半田を溶かしてボールにする方法や溶融半田を噴射滴下してボールにする方法にて製造した後、バンプ高さの均一化のため、基準となる直径サイズごとに選別し、個々のボールのサイズが所定の誤差範囲内にあるものを用いる。もちろん、このような製造・選別がなされて販売されている市販の半田ボールを使用することもできる。
【００１６】
本発明においては、半田ボールの直径はあらゆるサイズのものをその用途・条件等に合わせて使用することができるが、特に、従来のボールバンプ方式では困難であった、直径５０〜３００μｍの範囲内、より限定すれば直径６０〜２５０μｍの範囲内の半田ボールを短時間、かつ正確に搭載することができる点で優れている。正確に搭載することができるため、ロストボールが極めて少なく、半田ボール材料コストの無駄を防止できる。
【００１７】
また、本発明においては、ロット切り替え作業が極めて容易であるため、銅コアボール、樹脂コアボール、三元系や四元系等の合金からなる鉛フリーボール等の種々の材料からなる半田ボールを適用でき、材料選択性の要求に応えることができる。
【００１８】
半田ボール保管部２は、例えば、直径２００μｍの半田ボール１が数千万〜１億個程度、保管されており、個々の半田ボール１が静電気力等により凝集するのを防止する凝集防止手段を備えている。凝集防止手段として、多孔質基材である焼結材３と、半田ボール保管部２へ供給する窒素ガスをイオン化するためのイオナイザー８と、窒素ガス供給手段９と、窒素ガス通路１１と、ガス排気を調節するバルブ１２と、バルブ調節手段１３と、排気通路１４とが備えられている。
【００１９】
半田ボール保管部２は焼結材３によって内部空間が二分されており、焼結材３は半田ボール保管部２の内壁（下部の内壁が好ましい）に設けられた支持部２Ａにより支持され、半田ボール１の保管された上側の空間（以下、「上側空間Ａ」という）の底面を形成している。材質は特に限定されるものではないが、Ａｌ系セラミックス等を使用することができる。
【００２０】
半田ボール保管部２の壁面に窒素ガス通路１１が設けられ、二分された下側の空間へ窒素ガスが導入される。下側の空間（以下、「下側空間Ｂ」という）へ送り込まれた窒素ガスは焼結材３を通して上側空間Ａへ送り込まれる。窒素ガス通路１１が設けられる位置は、半田ボール保管部２の壁面に限られず、底面であってもよい。
【００２１】
図２は、半田ボールの凝集が上記の凝集防止手段により防止される概念図を示したものである。以下に、図２を参照して、凝集防止の方法を説明する。
【００２２】
数μｍ〜数百μｍオーダの半田ボール１では、静電気力、分子間力、摩擦力等の重力以外の力が支配的となり、半田ボール１同士の凝集が生じる。そこで、かかる凝集を防止するために、イオナイザー８を通したイオン化した窒素ガスを図２（１）に示すように送り込むことにより、個々の半田ボール１を除電して、半田ボール１の集合体を流動化させる。
【００２３】
下側空間Ｂに適当な圧力Ｐ、流量Ｑ0にて静電除去されたイオン化窒素ガスを導入し、焼結材３を介して上側空間Ａへ送り込む。適当な速度Ｖ0で上側空間Ａへ送り込まれた窒素ガスは、速度Ｖ0が所定の値に達すると半田ボール１間の狭い領域をすり抜ける。その際、窒素ガスの速度は速くなり（Ｖ）、半田ボール１に加わる力ＦがＦ＞ｍｇ（ｍ：半田ボールの質量、ｇ：重力加速度）になると半田ボール１は浮く（図２（２））。但し、Ｆ∝Ｒ×η×Ｖ（Ｒ：半田ボール１の半径、η：ガスの粘性率、Ｖ：半田ボール１の周囲を流れる窒素ガスの速度）の関係が成立している（図２（３））。半田ボール１が浮くとボールとボールの間隔が広くなり、その間を流れるガスの速度は遅くなり、Ｆの値も小さくなり、半田ボール１は重力とバランスを保った位置・状態（Ｆ＝ｍｇ）で保たれる。この状態が全ての半田ボール１に生じ、結果として、半田ボール１の集合体は個々に離れ、流動化する。流動化した個々の半田ボール１は、凝集することなく個々の取り扱いが容易となる。
【００２４】
ここでは、イオン化した窒素ガスを用いたが、これに限られるものではなく、そのほかの不活性ガスを適用することもできる。また、半田ボール保管部２内をエチルアルコール等のアルコール雰囲気とすることによりボール間の凝集を防止して半田ボール１を流動化させる方法を取ることもできる。
【００２５】
また、上述した流動化状態を保たれるように、バルブ調節手段１３によりバルブ１２が調節され、排気通路１４を通して排気される窒素ガス量が調節される。
【００２６】
なお、凝集防止手段は、上記の構成に限られず、個々の半田ボール１が凝集することを防止できればあらゆる手段を適用することができ、例えば、半田ボール保管部２に振動を生じさせる手段を設けることにより凝集防止ができる。また、凝集防止手段は、半田ボール保管部２と一体であっても別体であってもよい。
【００２７】
次に、半田ボール通路管５へ半田ボール１を誘導する方法について説明する。半田ボール１を半田ボール発射部６へと導く半田ボール通路管５は、半田ボール保管部２の底面及び焼結材３を連通して、その入口５Ａが半田ボール保管部２の上側空間Ａに突出するように設けられている。
【００２８】
図３は、半田ボール通路管５の入口５Ａ付近の拡大断面図を示すものであり、半田ボール通路管５の入口５Ａへの半田ボール１の誘導機構をあらわしている。入口５Ａへ誘導された半田ボール１は、半田ボール通路管５を通って半田ボール発射部６へと導かれる。入口５Ａは上向きでその開口が設けられ、入口５Ａの真上に来た半田ボール１Ａはその周囲の窒素ガスによる上昇流速度Ｖが一時的に小さくなるため、Ｆ＜ｍｇとなり、下向きの力が働く。ここで、上側空間Ａへの半田ボール通路管５の突出高さＨは、半田ボール１の直径の１〜１０倍程度であることが好ましく、２〜３倍程度であることがより好ましい。
【００２９】
また、バルブ１２の流量を制御することにより、通路管５内にＱ2（＝Ｑ0−Ｑ1）（Ｑ0：下側空間Ｂに供給された窒素ガス流量、Ｑ1：排気ガス流量）の流れが生じ、その流れによって半田ボール１Ａに下方向の力ＦA（＝Ｒ×η×ＶA＋ｍｇ）が加わり、入口５Ａへより吸い込まれやすくなる。この現象が連続して起こることにより、半田ボールが順番に半田ボール発射部６へ導かれる。
【００３０】
次に、半田ボール通路管５の入口５Ａから半田ボール発射部６までの半田ボール１の移動方法についてについて説明する。
【００３１】
図４は、半田ボール通路管５の拡大断面図を示すものであり、半田ボール通路管５内における半田ボール１の移動機構をあらわしている。入口５Ａから入り込んだ半田ボールは横方向への移動の始点となる半田ボールＡnの位置まで落下し、その位置で待機する。
【００３２】
半田ボール通路管５内における半田ボール１の移動は、ピエゾ素子を利用したピエゾアクチュエータにより行われる。ピエゾ素子４Ｂにかかる電圧が制御され、ピエゾ素子４Ｂの伸縮動作により半田ボールＡnが順次、半田ボールＡ1の方向へ弾かれて移動し、図４に示す状態となる。半田ボール通路管に形成される隅部の数だけピエゾ素子を利用したピエゾアクチュエータを設けることが好ましい。
【００３３】
図５は、ピエゾ素子４Ａとピエゾ素子４Ｂの動作を示すタイムチャート図である。ピエゾ素子４Ａとピエゾ素子４Ｂは、半サイクル位相をずらして動作させる。つまり、ピエゾ素子４Ｂを凸変形させ、図４に示す状態にしたところで、ピエゾ素子４Ａを凸変形させ、半田ボールＡ1を発射し、ウエハ１６上の所定のフラックス１５上へ搭載させる。その時、ピエゾ素子４Ｂは凹変形され、引き続き、凸変形され、半田ボールＡnを図４の半田ボールＡn-1の位置に移動させる。そして、ピエゾ素子４Ａを凸変形させ、ピエゾ素子４Ｂを凹変形させると、半田ボールＡ2が発射され、半田ボールＡn+1が図４の半田ボールＡnの位置に落下移動する。このような一連の動作が連続して行われる。
【００３４】
図４において、半田ボール通路管５の中間部は水平としたが、半田ボールの移動をよりスムーズにするために下方向へ傾斜させる形態とすることも好ましい形態である。
【００３５】
図６は、第２の実施の形態に係る半田ボール通路管５の拡大断面図を示すものであり、図４に示される第１の実施の形態と相違する部分についてのみ以下に説明する。第２の実施の形態においては、半田ボール１が半田ボール通路管５内をより移動しやすくするための手段が設けられている。すなわち、半田ボール通路管５が半田ボール通路外管５Ａと、焼結材等の多孔質基材からなる半田ボール通路内管５Ｃと、その間の半田ボール通路中空５Ｂとから構成されてなる。半田ボール通路中空５Ｂには、半田ボール保管部２の下側空間Ｂに送り込まれたイオン化された窒素ガスが流れ込み、該窒素ガスは半田ボール通路内管５Ｃ壁を介して、半田ボール通路内管５Ｃ内に導入され、半田ボール１を浮遊状態とし、通路管５Ｃ内での移動をスムーズにする。
【００３６】
なお、本発明においては、上述したピエゾ素子を利用したピエゾアクチュエータを用いることが望ましいが、その他に、例えば、高速にｏｎ−ｏｆｆが可能な圧縮エアー（窒素ガス）源や電磁ソレノイド等を利用したアクチュエータなど半田ボールに移動力を与えることができるものであれば用いることができる。
【００３７】
（半田ボール搭載システム）
次に、本発明の半田ボール発射装置１０を利用した半田ボール搭載システム２０について説明する。通常、半田ボールの搭載手順として、ウエハ上の所望の箇所にフラックスを塗布し、続いてその上に半田ボールを搭載し、リフローされる、という工程がとられる。
【００３８】
図７は、本発明の半田ボール搭載システム２０の作業工程を示す図であり、図８は、本発明の半田ボール搭載システム２０のユニット間ハンドラを示す図である。本発明の半田ボール搭載システム２０は、待機ユニットと、フラックス塗布ユニットと、半田ボール搭載・検査・リペアーユニットと、リフローユニットと、冷却ユニットと、予備ユニットとから構成されている。ウエハ１６は、ローダーされた（１００）後、待機ユニットにて待機する（２００）。
【００３９】
初めに、ウエハ１６は、待機ユニットからフラックス塗布ユニットへ移動され、そこでフラックス１５が所望の箇所に塗布される（３００）。フラックス１５の塗布は、半田ボール１と同様にインクジェット方式にて連続発射して塗布されることが好ましい。これにより、作業時間の大幅短縮が図れ、また、塗布量の無駄も省ける。塗布に際して、フラックス１５が所望の塗布箇所からはみ出すのを防止するために、ウエハ１６が低温（１０℃以下、好ましくは、５℃以下）にされていることが好ましい。
【００４０】
その後、フラックス１５が塗布されたウエハ１６は、半田ボール搭載・検査・リペアーユニットへ移動され、該工程が行われる（４００）。半田ボール搭載工程では、上述の半田ボール発射装置１０により、フラックス１５が塗布された箇所へ向けて半田ボール１が発射され、ウエハ１６上に半田ボール１が搭載される。本発明においては、搭載洩れが発生する確率は低いが、搭載洩れをチェックするための検査工程を、さらに、搭載洩れ箇所に半田ボール１を発射し搭載するためのリペアー工程を設けることができる。検査工程及びリペアー工程は、必要に応じて２回以上行ってもよい。検査機能及びリペアー機能は、半田ボール発射装置１０に付随させてもよいし、別装置として設けることもできる。このような構成とすることにより、極めて短時間に搭載作業を完了でき、搭載率１００％も比較的容易に達成が可能となる。
【００４１】
また、バンプ高さの調節も可能であり、バンプを高くしたい場合には、再度、ウエハ１６をフラックス塗布ユニットへ移動し、半田ボール１を搭載した箇所に向けてフラックス１５を発射し、半田ボール１上に塗布する。その後、ウエハ１６を半田ボール搭載・検査・リペアーユニットへ移動し、上述の半田ボール搭載・検査・リペアー工程を再度行う。
【００４２】
次に、ウエハ１６は、リフローユニットへ移動され、リフローが行われる（５００）。かかるシステムによれば、完全窒素雰囲気でのボール搭載とリフローの連続処理が可能となる。
【００４３】
リフロー後、ウエハ１６は、冷却ユニットへ移動され、冷却工程に付される（６００）。冷却工程後、アンロード（７００）前に、予備ユニットを設けることもでき、スピン洗浄、乾燥、アンダーフィール材のスピン塗布等の工程を追加できる（８００）。
【００４４】
以上説明したユニット間の移動、ユニット間相互の調整、及び各ユニットにおける作業の開始・終了等の指令は、図示されていない制御手段により制御されている。
【００４５】
ユニット間ハンドラとして本発明の半田ボール搭載システム２０を説明したが、本発明の半田ボール発射装置１０にフラックス塗布やリフロー等の機能を付加することもできる。枚様式処理とすることが好ましいが、バッチ式処理にて行うこともできる。
【００４６】
本発明においては、樹脂基板、ウエハの共用が可能であり、またサイズ・形状も種々のサイズ・形状のものに適用できる。また、ワークサイズの設定もユーザにて自由に設計可能である。
【００４７】
なお、本発明において、めっき方式や印刷方式で用いられるフォトレジスト膜を併せて用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の半田ボール発射装置の概略構成を示す図である。
【図２】半田ボールの凝集が凝集防止手段により防止される概念図を示す。
【図３】半田ボール通路管の入口付近の拡大断面図を示す。
【図４】半田ボール通路管の拡大断面図を示す。
【図５】各ピエゾ素子の動作を示すタイムチャート図である。
【図６】第２の実施の形態に係る半田ボール通路管の拡大断面図を示す。
【図７】本発明の半田ボール搭載システムの作業工程を示す図である。
【図８】本発明の半田ボール搭載システムのユニット間ハンドラを示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ：半田ボール
２：半田ボール保管部
２Ａ：支持部
３：焼結材
４Ａ，４Ｂ：ピエゾ素子
５：半田ボール通路管
５Ａ：入口
５Ａ：半田ボール通路外管
５Ｂ：半田ボール通路中空
５Ｃ：半田ボール通路内管
６：半田ボール発射部
７：制御手段
８：イオナイザー
９：窒素ガス供給手段
１０：半田ボール発射装置
１１：窒素ガス通路
１２：バルブ
１３：バルブ調節手段
１４：排気通路
１５：フラックス
１６：ウエハ
１７：電極
１８：封止樹脂
２０：半田ボール搭載システム
【図１】
2006135014.tif 000003
【図２】
2006135014.tif 000004
【図３】
2006135014.tif 000005
【図４】
2006135014.tif 000006
【図５】
2006135014.tif 000007
【図６】
2006135014.tif 000008
【図７】
2006135014.tif 000009
【図８】
2006135014.tif 000010