(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の第１のマスクと、前記第１のマスクの上面にその下面が接して配置された金属製の第２のマスクと、前記第２のマスクの上方にあって前記第２のマスクと共に減圧室を構成する吸着ブロックとを有し、前記第１のマスクに形成された円錐台形状の第１の開口と前記第２のマスクに形成された複数の第２の開口との重なり部によって形成される隙間を通して導電性ボールを吸着するようにしたボール吸着ヘッドであって、前記第１の開口の中心線上には前記第２の開口は存在しておらず、かつ、前記第２の開口は、前記第１の開口の上面の端部に掛かるようにのみ形成されていることを特徴とするボール吸着ヘッド。
【請求項２】
第１のマスクと、前記第１のマスクの上面にその下面が接して配置された第２のマスクと、前記第２のマスクの上方にあって前記第２のマスクと共に減圧室を構成する吸着ブロックとを有し、前記第１のマスクに形成された円錐台形状の第１の開口と前記第２のマスクに形成された複数の第２の開口との重なり部によって形成される隙間を通して導電性ボールを吸着するようにしたボール吸着ヘッドであって、導電性ボールの吸着時において前記第１の開口が導電性ボールによってその全周にわたって塞がれることがないことを特徴とするボール吸着ヘッド。
【請求項３】
前記第２の開口は、前記第１の開口の上面の端部に掛かるようにのみ形成されていることを特徴とする請求項２に記載のボール吸着ヘッド。
【請求項４】
前記第１のマスクおよび前記第２のマスクは金属製であることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載のボール吸着ヘッド。
【請求項５】
前記第１のマスクの前記第１の開口と前記第２のマスクの前記第２の開口は、エッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のボール吸着ヘッド。
【請求項６】
前記第２のマスクが前記第１のマスクに固着されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のボール吸着ヘッド。
【請求項７】
前記第１のマスクに対し、前記第２のマスクが前記吸着ブロックと共に上下動可能に支持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のボール吸着ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップやパッケージにはんだボールなどの導電性ボールを搭載する際に用いられるボール吸着ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＢＧＡ(Ball Grid Array)やＣＳＰ(Chip Size Package)などのパッケージ、あるいは半導体チップに外部接続端子としてのバンプ電極を形成する際には、ボール吸着ヘッドを用いて真空吸着により複数の導電性ボールを一括して吸着し、ボール吸着ヘッドをパッケージ上あるいは半導体チップ上に移動させた後、真空引きを解除して導電性ボールを一括してパッケージ上あるいは半導体チップ上に供給することが行なわれている。
図１２は、従来のボール吸着ヘッドを用いたはんだボール工程工程を示す概略図である。図１２に示されるように、従来のボール吸着ヘッドは、下部にテーパを有する吸着穴１２ａが開けられ、内部に減圧室１２ｂを有するボール吸着ブロック１２によって構成されている。この減圧室１２ｂは、配管を介して真空源１４に連結されている。パッケージの接続端子にはんだボールを搭載する場合、まず、ボール吸着ヘッドをはんだボール６が収容されたはんだボール溜函７上に移動させ、そして吸着穴１２ａがはんだボール６に接近する位置までボール吸着ヘッドを降下させる。その状態で、真空源１４より真空引きが行なわれ減圧室１２ｂ内が減圧状態となる。すると、図に示されるように、各吸着穴１２ａにはんだボール６が吸着される。ボール吸着ヘッドは、はんだボール６を吸着した状態で上昇され、パッケージ１１上に移動される。パッケージ１１上には接続端子１１ａが形成されており、接続端子１１ａ上には予めフラックス（図示なし）が塗布されている。ボール吸着ヘッドは、はんだボール６が接続端子１１ａ上に位置するように位置決めされた後、はんだボール６が接続端子１１ａに接触する位置まで降下される。次いで、真空源１４による真空引きが解除されることにより、はんだボール６の吸着が解除され、はんだボール６は、パッケージ１１の接続端子１１ａ上に搭載される。その後、ボール吸着ヘッドは、はんだボール溜函７上に移動される。一方、はんだボール６の搭載されたパッケージ１１は、リフロー炉内に搬入され、リフロー処理が行なわれて、パッケージに外部接続端子としてのはんだバンプが形成される。
【０００３】
ところで、テーパ形状に形成された吸着穴１２ａ（通常、数百から数千個所存在する）の全てにはんだボールが吸着されると、減圧室１２ｂの真空度が高くなり、はんだボールが強く吸引されることになる。はんだボール６は、柔らかいものであるため、高真空で吸引された場合、衝突によりあるいは高真空で吸引されることにより図１３に示されるように変形し、吸着穴１２ａに嵌り込むことがある。また、はんだボール６を吸着したボール吸着ヘッドが、パッケージ１１上に降下した際に、はんだボールがボール吸着ヘッド−パッケージ間で押圧されることにより、変形し、吸着穴１２ａに嵌り込むことがある。一方、はんだボールが変形することのない程度の低真空で真空引きを行なう場合には、吸着ブロック１２の吸着穴１２ａの全てがはんだボール６を吸着することができないか、吸着に時間がかかってしまう。吸着穴１２ａにはんだボール６が嵌りこみ、固着した場合、パッケージ１１への搭載時、パッケージ１１に搭載されずに吸着穴１２ａにはんだボール６が残ったままとなり、結果としてパッケージ１１にははんだボール不足でバンプが形成されず、パッケージ１１は不良となる。
【０００４】
吸着穴１２ａにはんだボール６が吸着された際に減圧室１２ｂ内が高真空となることによるもう一つの問題点は、ボール吸着ブロック１２の吸着穴１２ａの形成された面が湾曲してしまい、ボール吸着ブロック１２底面とパッケージとの平行度を確保することが難しくなり、結果としてはんだボール６のパッケージ１１への搭載位置精度が低下してしまうことである。
上記の前者の問題（はんだボールが吸着穴に嵌まり込んでしまう問題）の従来の対策として、例えば、特許文献１には、ボール吸着ヘッドの吸着穴に凹凸の加工を施す技術が開示されている。また、後者の問題（ボール吸着ヘッド底面の平面性が損なわれる問題）の対策として、例えば、特許文献２には、多数の吸着穴の形成されたボール配列板上に、金属箔により形成されたメタルハニカム体を配置したボール吸着ヘッドが開示されている。
【特許文献１】特開２００３−０８６６１９号公報
【特許文献２】特開２００６−３０２９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された方法では、数百から数千箇所存在する吸着穴に凹凸の加工を施す必要があり、設備コスト、製造コストが上がってしまう。さらに、吸着穴に形成された凸部が反対にはんだボールに食い込み、はんだボールが変形される可能性があり、真空解除時にはんだボールの吸着穴からの離脱が困難となる可能性もある。また、特許文献２に記載されているボール吸着ヘッドでは、はんだボール吸着時に、ボール吸着用の真空空気経路として機能するメタルハニカム体にはんだボールが接触すたるめ、はんだボールがメタルハニカム体の真空空気経路に嵌り込んだり、メタルハニカム体を構成する金属箔に食い込んでしまう可能性がある。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、ボール吸着ヘッドのボール吸着時に導電性ボールがボール吸着ヘッドの吸着穴に嵌まり込むことのないようにすることであり、第２に、ボール吸着ヘッドのボール吸着時にボール吸着ヘッド底面の平坦性が損なわれることのないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、金属製の第１のマスクと、前記第１のマスクの上面にその下面が接して配置された金属製の第２のマスクと、前記第２のマスクの上方にあって前記第２のマスクと共に減圧室を構成する吸着ブロックとを有し、前記第１のマスクに形成された円錐台形状の第１の開口と前記第２のマスクに形成された複数の第２の開口との重なり部によって形成される隙間を通して導電性ボールを吸着するようにしたボール吸着ヘッドであって、前記第１の開口の中心線上には前記第２の開口は存在しておらず、かつ、前記第２の開口は、前記第１の開口の上面の端部に掛かるようにのみ形成されていることを特徴とするボール吸着ヘッド、が提供される。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、第１のマスクと、前記第１のマスクの上面にその下面が接して配置された第２のマスクと、前記第２のマスクの上方にあって前記第２のマスクと共に減圧室を構成する吸着ブロックとを有し、前記第１のマスクに形成された円錐台形状の第１の開口と前記第２のマスクに形成された複数の第２の開口との重なり部によって形成される隙間を通して導電性ボールを吸着するようにしたボール吸着ヘッドであって、導電性ボールの吸着時において前記第１の開口が導電性ボールによってその全周にわたって塞がれることがないことを特徴とするボール吸着ヘッド、が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のボール吸着ヘッドによると、ボール吸着穴である第１の開口の中心線上には、空気流通経路は形成されず、第１の開口の上面の中心部には、第２のマスクの底面が存在することになる。導電性ボールは吸着時には第２のマスクの底面に当接することになり、導電性ボールが吸着穴に嵌合する可能性は低くなる。これと共に吸着穴の側面と導電性ボールとの間に空気流通路となる隙間が確保されることになり、ボール吸着ヘッドの減圧室内が過度に高真空状態となることが回避され、ボール吸着ヘッド底面が湾曲することが抑制される。したがって、本発明によれば、ボール吸着ヘッドへの真空引きが解除された際に導電性ボールがボール吸着ヘッド側に残される可能性が低くなり、バンプ欠落不良の発生が回避される。また、ボール吸着ヘッドの導電性ボール吸着時において、ボール吸着ヘッドの底面平坦性を良好に維持することが可能になり、導電性ボールの搭載位置の精度を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す断面図であり、図２は第１の実施の形態のボール吸着ヘッドを底面側から見た平面図である。図１に示されるように、本発明のボール吸着ヘッド４は、第１のメタルマスク１と、第２のメタルマスク２と、吸着ブロック３によって構成される。第１のメタルマスク１および第２のメタルマスク２は、ステンレスなどからなる金属板にエッチングによる穴加工の施されたものである。図１、図２に示されるように、第１のメタルマスク１には、円錐台形状の吸着穴１ａが、搭載すべきはんだボールの搭載個数とその配置パターンに応じた個数とパターンで開けられている。第２のメタルマスク２には、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａの底面側の径と等しい径を有する開口２ａが、吸着穴１ａとは半ピッチずらされて形成されている。吸着ブロック３は、断面が概略冂字状の形状を有する金属部材であって、その天井部中央には、真空源に接続される吸気孔３ａが開けられている。これら第１、第２のメタルマスク１、２および吸着ブロック３は、接着あるいはろう付けにより図示されたように合体され、ボール吸着ヘッド４が構成される。このとき、第２のメタルマスク２と吸着ブロック３との間に減圧室４ａが形成される。また、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａと第２のメタルマスク２の開口２ａとの重なり部分により隙間５が形成され、この隙間５を通して吸気が行なわれることによりはんだボールが吸着されることになる。吸着穴１ａと開口２ａとの間に位置ずれがあると各吸着穴１ａでの吸気がばらつくことになり、安定したボール吸着が困難となるので、第１、第２のメタルマスク１、２を形成するための穴加工は精度高く行なうことが肝要である。そこで、吸着穴１ａと開口２ａとはエッチングによって形成することが望ましい。
【００１０】
図３は、本実施の形態のボール吸着ヘッドにはんだボールが吸着された状態を示す拡大断面図である。同図に示されるように、はんだボール６は吸着穴１ａ内に吸着された際に第２のメタルマスク２の底面に当接することになる。そのため、はんだボール６の吸着穴１ａへの嵌まり込みは回避される。ここで、はんだボール６が吸着穴１ａ面と第２のメタルマスク２の底面間に嵌まり込む可能性がない訳ではないが、吸着穴１ａの傾斜面と第２のメタルマスク２の底面とのなす角度は、角度の大きい鈍角であるためその可能性は低い。従って、ボール吸着ヘッドからはんだボール６が解放された際にはんだボール６がボール吸着ヘッド側に残される事故を防止することができる。また、はんだボール６が吸着された際に、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａがはんだボール６によって塞がれることがなくなり、はんだボール６と吸着穴１ａ内壁との間に空気流通路が確保されることにより、減圧室内が過度に高真空状態に真空引きされることがなくなり、はんだボール吸着時に第１のメタルマスク１が湾曲されることが回避される。
【００１１】
次に、本実施の形態のボール吸着ヘッド４を用いたはんだボールの搭載動作について説明する。まず、ボール吸着ヘッド４を、はんだボール６が収納されたはんだボール溜函７上に移動させ、次いで、降下させてボール吸着ヘッド４をはんだボール溜函７内のはんだボール６に近づける。そして、真空源（図示なし）真空引きをを行なうと、減圧室４ａ内の真空度が高まり、第１のメタルマスク１と第２のメタルマスク２との隙間５を介してはんだボール６が真空吸引される。このとき、はんだボール６をボール吸着ヘッド４に吸引させるために、はんだボール溜函７の下面からの気体の吹き上げ、または振動などによりはんだボール６を浮遊させるようにしてもよい。図３に示されように、はんだボール６が吸着された際、はんだボール６の上部頂点が第２のメタルマスク２の下面の平面と接触することになり、はんだボール６は第１のメタルマスク１の吸着穴１ａのテーパ部分の円周すべてとは接触しない。はんだボール６と吸着穴１ａとの隙間から真空空気の漏れはあるが、真空の負圧吸引によってはんだボール６はボール吸着ヘッド４に保持される。従って、はんだボール６はボール吸着ヘッド４に嵌り込むことなく吸着される。その後、ボール吸着ヘッド４は、パッケージ（図示なし）上に移動され、パッケージの接続端子上にはんだボールを供給する。
上記したはんだボール溜函７からはんだボールを吸着する方法に代え、図５に示すように、被搭載物のはんだボール搭載位置、数に合わせて凹状に穴を設けた整列プレート８に一度はんだボール６を整列させ、そこからはんだボールを吸着するという方式を用いることも可能である。
【００１２】
〔第２の実施の形態〕
図６は、本発明の第２の実施の形態のボール搭載ヘッドを示す断面図であり、図７は、第２の実施の形態のボール搭載ヘッドを下方から見た平面図である。図６、図７において、図１、図２に示される第１の実施の形態の部分と同等の部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図６、図７に示すように、第２のメタルマスク２には、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａの中心から一定距離離れた位置に２個所ずつ、開口２ｂが開けられている。先の第１の実施の形態の場合と同様に、はんだボール６をボール吸着ヘッド４に真空吸着させた際、吸着されたはんだボール６の上部頂点は第２のメタルマスク２の下面の平面と接触し、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａのテーパ部分の円周すべてとは接触せずにはんだボール６はボール吸着ヘッド４に保持される。従って、はんだボール６はボール吸着ヘッド４に嵌り込むことなく吸着され、安定したはんだボールの吸着搭載が可能になる。また、減圧室４ａの真空度が過度に上昇することがないため、はんだボール吸着時においてボール吸着ヘッド４底面の平坦度は良好に維持される。
【００１３】
〔第３の実施の形態〕
図８は、本発明の第３の実施の形態のボール搭載ヘッドを下方から見た平面図である。図８において、図７に示される第２の実施の形態の部分と同等の部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図８に示すように、第２のメタルマスク２には、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａの中心から一定距離離れた位置に３個所ずつ、開口２ｂが開けられている。先の第１、第２の実施の形態の場合と同様に、はんだボール６をボール吸着ヘッド４に真空吸着させた際、吸着されたはんだボール６の上部頂点が第２のメタルマスク２の下面の平面と接触し、はんだボール６は、第１のメタルマスク１の吸着穴１ａのテーパ部分の円周すべてとは接触せずにボール吸着ヘッド４に保持される。したがって、第１、第２の実施の形態と同様の効果を期待することができる。
第２、第３の実施の形態では、吸着穴１ａ当たり２個ないし３個ずつ開口２ｂが開けられていたが、４個ずつ以上であってもよく、開口２ｂの個数に特に制限はない。
【００１４】
〔第４の実施の形態〕
図９は、本発明の第４の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す断面図である。図９において、図１に示される第１の実施の形態の部分と同等の機能を有する部材には同一の参照符号を付し、重複する説明は適宜省略する。本実施の形態においては、第１のメタルマスク１に固着されていた第２のメタルマスク２は、吸着ブロック３には固着されているが、第１のメタルマスク１には固着されていない。第２のメタルマスク２と吸着ブロック３とは、上下駆動手段１０に支持されており、第１のメタルマスク１とは独立に上下動できるように構成されている。第２のメタルマスク２と吸着ブロック３とは、第１のメタルマスク１と、第１のメタルマスク１に固着された、断面が概略冂字形状を有する外枠ブロック９とによって構成される空間内に収容されており、その空間内で上下動される。吸着ブロック３には、真空源と真空破壊エア供給源（いずれも図示なし）とに切り換えて接続される吸気・吐気口３ｂが設けられている。
【００１５】
次に、図１０を参照して第４の実施の形態のボール吸着ヘッド４の動作について説明する。初めに第２のメタルマスク２は第１のメタルマスク１に接する位置にある。この状態でボール吸着ヘッド４は、図４または図５に示されるように、ボール溜函７上またはボール整列プレート８上に移動され、降下される。そして、吸気・吐気口３ｂを介して真空引きが行なわれ、減圧室４ａ内の気圧が低下され、ボール吸着ヘッド４にはんだボール６が吸着・保持される。続いて、ボール吸着ヘッド４をパッケージ１１上に移動させ、降下させて、はんだボール６をパッケージ１１上の接続端子１１ａに接触させる〔図１０（ａ）〕。このとき、接続端子１１ａ上には既にフラックスが塗布されている。次いで、吸気・吐気口３ｂに接続されていた真空源が真空破壊エア源に切り換えられ、所定の時間真空破壊エアが減圧室４ａ内に供給される。その後、第１のメタルマスク１と外枠ブロック９とを固定したまま、第２のメタルマスク２と吸着ブロック３を上下駆動手段１０によって上昇させる〔図１０（ｂ）〕。このとき、図１１（ａ）に示されるように、はんだボール６が、第１のメタルマスク１の吸収穴１ａの傾斜面と、第１のメタルマスク２の下面との間に嵌り込んでいたとしても、第２メタルマスク２が離れることにより、図１１（ｂ）に示されるように、嵌り込みが解消され、はんだボール６は正常にパッケージ１１に搭載される。その後、ボール吸着ヘッド４は上昇し、所定の位置に復帰すると共に、上下駆動手段１０によって第２メタルマスク２は降下せしめられ、その下面が第１のメタルマスク１の上面と接触する。
【００１６】
以上、好ましい実施の形態により本発明について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更が可能なものである。例えば、実施の形態では、第２のマスクに形成される開口は必ずしも円形である必要はなく、正方形、長方形などの多角形や楕円形などであってもよい。また、実施の形態では、はんだボールを吸着する吸着ヘッドについて説明したが、パッケージ等に搭載される導電性ボールははんだボールに限定されず、絶縁性ボールに金属製被覆を施したものであってもよい。また、導電性ボールの搭載される対象となる基体は、パッケージ、配線基板、半導体チップなどのいずれであってもよく特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態のボール吸着ヘッドによるボール吸着状態を示す拡大断面図。
【図４】本発明の第１の実施の形態のボール吸着ヘッドの使用状態を示す断面図（その１）。
【図５】本発明の第１の実施の形態のボール吸着ヘッドの使用状態を示す断面図（その２）。
【図６】本発明の第２の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す断面図。
【図７】本発明の第２の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す平面図。
【図８】本発明の第３の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す平面図。
【図９】本発明の第４の実施の形態のボール吸着ヘッドを示す断面図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態のボール吸着ヘッドの使用状態を示す断面図。
【図１１】本発明の第４の実施の形態のボール吸着ヘッドの動作を示す断面図。
【図１２】従来のボール搭載装置とその動作を説明するための断面図。
【図１３】従来のボール吸着ヘッドの問題点を説明するための断面図。
【符号の説明】
【００１８】
１  第１のメタルマスク
１ａ  吸着穴
２  第２のメタルマスク
２ａ、２ｂ  開口
３  吸着ブロック
３ａ  吸気孔
３ｂ  吸気・吐気口
４  ボール吸着ヘッド
４ａ  減圧室
５  隙間
６  はんだボール
７  ボール溜函
８  ボール整列プレート
９  外枠ブロック
１０  上下駆動手段
１１  パッケージ
１１ａ  接続端子
１２  ボール吸着ブロック
１３  吸着穴
１４  真空源
【図１】
0005211724.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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