JP4091882B2

JP4091882B2 - 微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッド

Info

Publication number: JP4091882B2
Application number: JP2003202651A
Authority: JP
Inventors: 英児橋野; 信二石川; 太郎河野
Original assignee: Nippon Steel Materials Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005044985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドに関し、特に、導電性ボールの吸引配列治具および配列搭載装置に係り、ボール吸着孔が複数個形成されているボール配列板上に、複数の微細ボールを一括保持して、ウエハやプリント基板、半導体チップ等の電子部品の電極上に一括搭載させるために用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時においては、半導体チップの電気的接続に微細導電性ボールを用いたボールバンプが用いられるようになっている。ボールバンプを用いることにより、パッケージの小型化、多ピン化等の数々のメリットを得ることができる。このような微細導電性ボールを用いたバンプ形成技術はたとえば、特許文献１に記載されている。
【０００３】
前記特許文献１に記載されているバンプ形成方法は、少なくとも半導体チップ１つ分の金属ボール群を吸着保持するようにしている。そして、複数の金属ボール群を吸着保持するために、半導体チップ上のバンプ形成位置に対応した全ての位置に吸着孔が形成されているボール配列板を用いる。このボール配列板に微小金属球を吸着保持した後、前記ボール配列板を接合用ステージまで搬送して被接合部に接合するようにしている。
【０００４】
この方法によれば、均一に形成された微細導電性ボールをバンプ形成位置に一括接合することができるので、高い信頼性が得られるボールバンプを容易かつ効率的に形成することができる。ところで最近は、半導体装置の微細化が益々進み、電極の配線ピッチは極めて小さくなってきている。
【０００５】
そのため、電極上にボールバンプを形成する場合に用いられる微細導電性ボールは、電極の配線ピッチの微細化に応じて極めて微細になってきている。また、一方で、チップの高性能化のため電極数は増加し、バンプ形成のための一括で吸着配列するボールの数も増加している。
【０００６】
このような状況において半導体チップ１つ分の配列を行なうことは、工程が煩雑となりコスト面、時間的にもデメリットが大きい。このため、ウエハを個々のチップ毎に切断する前、すなわちダイシング工程を行なう前に、ウエハ上の複数のチップに相当する全ての電極上にボールバンプを配置することが行われている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１５３７６５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数の半導体チップが形成されたウエハ上の全ての電極上に一括してボールバンプを配置しようとした場合、ボール吸引工程において吸引エリアの外周部にボールが吸着できない吸引不良が発生し、配列板への吸着配列時間が長くかかるという問題が生じていた。
【０００９】
この問題の要因としては、いくつかの要因が挙げられる。
第１に、半導体チップ１つ分の導電性ボールを吸着する場合と比較して、吸引面積が大きくなるとともに、吸引孔数が増加するため吸引の風量が極めて大きくなることがある。
【００１０】
また、風量が増大し、ボール容器と配列板間の空間が１センチから１５センチ程度で狭いため、配列ヘッドと容器との間に流れ込む横風の速度は非常に大きくなることが上げられる。
【００１１】
第２に、風量の増大により、配列ヘッドとボール収容容器との間でガスの乱れ（渦流）が発生し易くなっていることが上げられる。この渦流によってボール収容容器上のボール群に粗密が発生し粗の部分ではボールの存在率が低いためになかなかボールが吸着されなかった。
【００１２】
本願の発明者等は、ボール吸引時のガス流の解析を行いこれら要因のため、吸引エリアの外周部で吸着を良好に行なうことが難しく、吸引配列に時間を要していたことを見出した。
【００１３】
本発明はこのような問題を解決するために成されたものであり、大面積の吸着エリアの全域にわたって吸着に要する時間を短縮するとともに、大面積のウエハに対して安定して一括で大量の導電性ボールを配置することのできる微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドを提供できるようにすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドは、円形のボール収容容器内の導電性ボールを、前記ボール収容容器の円形サイズより大きいサイズである角型配列ヘッドに装着されたボール配列板に吸引配列した後、前記導電性ボールを複数の半導体チップが形成されたウエハ上の全ての電極に対して一括で搭載する微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドであって、前記ボール配列板が、その周縁部でボール配列板を固定枠である配列板押え治具で支持され、前記ボール配列ヘッドの下部に前記配列板押え治具で脱着可能なように設置され、前記ボール配列板のボール吸着面と前記配列板押え治具との段差を２ｍｍ以下にして、ボール吸着面全体を平坦にしたことを特徴としている。また、前記配列ヘッドが、角型配列ヘッドであることを特徴としている。
また、本発明の他の特徴とするところは、円形のボール収容容器内の導電性ボールを、前記ボール収容容器の円形サイズより大きいサイズである角型配列ヘッドに装着されたボール配列板に吸引配列した後、前記導電性ボールを複数の半導体チップが形成されたウエハ上の全ての電極に対して一括で搭載する微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドであって、前記ボール配列板が、その周縁部で配列板固定枠と一体化され、前記一体化された前記配列板と前記配列板固定枠とを前記ボール配列ヘッドに脱着可能とし、前記ボール配列板の吸引孔のない外周部に傾斜を設け、前記ボール配列板のボール吸着面の延長面と、前記ボール収容容器周縁の延長面との間の空間に、吸着過程で発生するガス流に影響を与える障害物を無くして、前記ボール配列板を設置した配列ヘッドが、導電性ボールの収容容器を接近させて導電性ボールを吸着する工程で、前記ガス流の乱れを抑制するようにしたことを特徴としている。また、前記ボール配列板が、その周縁部で配列板固定枠と収縮性樹脂で接合して一体化され、前記一体化された前記配列板と前記配列板固定枠とを前記ボール配列ヘッドに脱着可能としたことを特徴としている。また、上記２つの発明において、前記ボール配列板の材質が磁性材料であり、配列ヘッドの少なくとも一部に磁石が配置されてなることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら本発明の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドの実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、一例でありその範囲を限定するものではない。
【００１６】
先ず、一般の微細ボール吸着工程の一例を図１に示す。導電性ボール７をボール収容容器９の振動によって跳躍させた状態で、配列ヘッド１をボール収容容器９に接近させる。配列ヘッド１には図示しない真空発生源がつながれており、減圧空間２を減圧する。
【００１７】
配列板支持部４には配列ヘッドの導通穴３があり、配列板支持部４に設置される配列板５の吸引孔６と減圧空間２とをつないでいる。配列板５と配列板支持部４の間に多孔質体やメッシュなどを挿入して通気性を確保してもよい。これらにより、跳躍する導電性ボール７は配列板５の吸引孔６へ吸着される。
【００１８】
ボール配列板５を固定するための配列板押え治具１０には種々の形状があるが、一般には図１及び図２に示す形状で、配列板押え治具１０自身の厚みが５〜１０ｍｍ程度であった。
【００１９】
さらに、図２に示すように、配列板押え治具１０の外形は、加工上の容易さから角型が一般に用いられている。しかし、発明者等はこの形状がボール吸引エリアの外周部に吸着しにくい原因であることを発見した。配列板押え治具１０の外形が角型である場合は、図２に示すようにボール収容容器９と配列板押え治具１０とを結ぶ空間距離が不均一となる（第２の個所Ｂ＞第１の個所Ａ）。
【００２０】
また、配列板押え治具１０の肉厚が厚いと第１の個所Ａの空間が極端に狭くなる。このためボール７を吸引する際に発生するガス流の流速が距離Ａの部分では他の部分、特に第２の個所Ｂに比べると遅く、そのためにガス流が乱れ、その影響で跳躍するボール群に粗密が発生する。特に、ガス流の流速が早い外周部ではボールが吸着できない傾向があり、ボールを吸着する時間が長くなるなどの不具合となる原因であることを見出した。
【００２１】
図３に示すように、本実施の形態の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドは、ボール配列板の吸着面と配列板押え治具１０の段差を２ｍｍ以下とし、好ましくは１ｍｍ以下とした。これによりボール収容容器９が円形で、配列ヘッドの外形が角型でも段差を極力無くすことによって、ボール吸引によって発生するガス流の乱れを抑制することができる。
【００２２】
好適には、ボール収容容器９と配列ヘッドおよび配列板押え治具１０の外形を同一形状に統一し、容器周縁部とボール配列ヘッドの周縁部との距離が全周にわたって均一であることが望ましい。配列板押え治具１０は配列ヘッド１に対して容易に取外しができ、取り付けた際には毎回の取り付け位置のズレが無いような構造が望ましい。
【００２３】
本実施の形態の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドを用いることでガス流の不均一が解消し、跳躍するボールの粗密が発生するなどの悪影響がなくなり、吸着時間の短縮、歩留を向上させた。最も好適なのはボール配列板の吸着面と配列板押え治具の段差が０ｍｍであるが、現実には僅かな段差が存在し、０ｍｍの加工が困難であるため、その好ましい範囲を解析し実施例に示すように実証した。
【００２４】
図５は、本実施の形態の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドの概略構成を示している。この実施の形態において、半導体基板もしくはウエハＷは紙面と垂直方向のウエハ搬送路に沿ってウエハステージ２０上に固定された状態で移動し、所定の位置で待機する。
【００２５】
ここで、本発明の実施形態では、たとえば４インチ以上のサイズのウエハを対象としている。このウエハＷによれば、図６に示されるように形成すべき複数の半導体チップＣ（個々の正方形部分）を得ることができ、各半導体チップＣの電極部には本発明のボール配列板を用いて複数の導電性ボールが搭載される。
【００２６】
図６においては、導電性ボールを簡略化して示しているが、これらの半導体チップＣ全体で使用する導電性ボールは、数十万個になる。本実施の形態の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドは、このように極めて大量の導電性ボールを一括でウエハＷに搭載する工程で用いるボール配列板に関するものである。
【００２７】
また、図５に示されるようにウエハ搬送路と直交する方向（Ｘ方向）に沿ってガイドもしくはガイドレール２１が設置され、このガイドレール２１にはＸ−Ｚ方向に移動可能なボール配列ヘッド１が支持される。ボール配列ヘッド１は、図３に示すように減圧空間２と、ボール配列板５の吸引孔６と減圧空間２とを結ぶ導通穴３を備えており、導通穴３の設置されている下面にボール配列板５を固定し、導電性ボール７をボール配列板に吸引配列する。
【００２８】
ボール配列板５と配列板押え治具１０とを配列ヘッド１に設置した際は、ボール配列板５のボール吸着面とその延長面上の段差を２ｍｍ以下となるようにしなければならない。配列板５の支持方法はテープや樹脂製の接着剤によって配列板押え治具１０に接着しても良いし、溶接やろう付けなどによって接合しても良い。
【００２９】
あるいは、吸引孔６の存在する配列エリアに掛からないような形状の配列板押え治具であって、配列板の外周部分を覆う部分が、厚みが２ｍｍ以下の板バネ状の張力部材によって成ることにより、配列板５をその張力で配列板支持部４に押えつけるようなものであっても良い。
【００３０】
あるいは、配列板５と配列板押え治具１０との間を収縮性樹脂１１で接合することにより、配列板自身に面方向の張力を持たせることもできる。配列板５により張力を加えたい場合は、図４のようにボール配列板の吸引孔６のない外周部に傾斜を設け、面外方向に配列板に張力を持たせることができる。
【００３１】
配列板に張力を持たせることによってボール搭載時に減圧空間２を陽圧に切り替えるなどした際に、配列板自身がたわむなどしてボール搭載位置がずれたり、過荷重が加わったりすることを抑制する効果がある。また、配列板を磁性材料で作製し、少なくともその一部に磁石を配設して、磁力によって配列板支持部に接着しても良い。
【００３２】
また、吸引孔６が存在するボール配列板のボールを吸着するエリア以外の部分を、ボール吸着する真空系とは独立した真空吸着によって固定しても良いが、この場合でも一度配列板押え治具に仮固定し、配列ヘッドに真空吸着によって配列板を保持した後、配列板押え治具を取り外すようにすると毎回の脱着時にズレがないようにできる。そして、ウエハＷ上に形成された半導体チップＣの電極部に対して、その導電性ボール７を一括で搭載する。
【００３３】
ガイドレール２１の一端側にてボール配列ヘッド１の下方に位置するようにボール供給装置１３が配置される。ボール供給装置１３は相当量の導電性ボール７を収容するボール収容容器９と、前記ボール収容容器９を加振させてボール収容容器９内で導電性ボール７を跳躍させる加振機１５を含んでいる。
【００３４】
ボール配列ヘッド１には、例えば超音波振動子のような図示しない振動発生源を備え、ボール吸着中や、吸着終了時に振動を加えることによって、吸引孔６の周辺や吸引孔以外の部分に付着する余剰ボールの発生を抑制することができる。この場合、振動周波数は数Ｈｚ〜１ＧＨｚ程度が好ましい。振動印加時間、振幅、周波数、印加タイミングは任意に設定できることが望ましい。
【００３５】
振動発生源の設置場所は、ボール配列板に振動が伝達されれば特に問わないが、よりボール配列板に近い位置が好ましく、配列ヘッドの壁面か、配列板押え治具１０に設置しても良いし、直接ボール配列板に設置しても良い。
【００３６】
ボール供給装置１３とボール搭載ステージ２０の間には、配列不良ボール除去機構１６と配列検査用カメラ１７が配置される。ボール除去機構１６は、ボール配列ヘッド１における配列不良ボールを、吸引またはガス吹付けによって除去する。除去する際に、配列ヘッド１に前述の振動発生源によって振動を加えると、より効果的に除去することができる。また、配列検査カメラ１７はボール配列ヘッド１におけるボール配列不良を検査する。
【００３７】
ボール配列ヘッド１は、ボール供給装置１３とボール搭載ステージ２０との間を往復運動するが、減圧空間２は負圧もしくは真空源に接続された図示しない吸引機構に繋がれており、ボール配列板５にて多数の導電性ボール７を吸引配列するようになっている。
【００３８】
また、この減圧空間２と吸引機構の間にバルブを設け、ボール搭載過程でバルブを切り替えて吸引機構から加圧ポンプに繋ぎかえることにより、減圧空間を陽圧にすることもできる。ボール配列板５は、ウエハＷにおける複数の半導体チップＣの電極部に対応する吸引孔６を有する。そして、吸引機構によって、ボール収容容器９内で跳躍する導電性ボール７を各吸引孔６に１つずつ吸着させることができる。
【００３９】
前記構成において、ボール配列ヘッド１がボールを吸引し始め、搭載対象物に導電性ボール７を搭載するまでの配列動作について説明する。
ボール供給装置１３において、ボール収容容器９内の導電性ボール７は、加振機１５によって跳躍している。図５の点線のように、ボール配列ヘッド１をボール収容容器９上の所定の高さまで降下させ、その跳躍する導電性ボール７を吸着する。
【００４０】
次に、導電性ボール７を吸着した後、ボール配列ヘッド１は上昇し、ガイドレール２１に沿ってボール搭載ステージ２０まで移動する。この移動途中に、不良ボールの除去を行なう。この後、配列検査用カメラ１７が紙面と垂直方向に移動して、ボール配列板１９の配列面全域のボール吸着状態を検査する。
【００４１】
検査結果が良好である場合には、ボール搭載ステージ２０まで移動する。また、この検査時に配列不良が発見された場合には、ボール除去機構１６の位置に戻って不良除去を行なうことも可能である。
【００４２】
次に、ボール配列ヘッド１は、ボール搭載ステージ２０で待機しているウエハＷに対する位置合せが行われる。そして、ボール配列ヘッド１を降下させることにより、ボール配列板５に吸着されている導電性ボール７が、フラックスが塗布されていたウエハＷの電極部に搭載される。
【００４３】
なお、ボール配列ヘッド１はウエハＷに接触する際の搭載荷重が導電性ボールの種類等に応じて制御可能に構成されている。これにより、導電性ボール７をウエハＷに対して最適荷重で接触させ、導電性ボール７をつねに適性かつ円滑に搭載することができる。
【００４４】
また、前述したようにボール配列ヘッド１には、図示しない振動発生源を備えており、ボール搭載過程で振動を加えることによって、吸引孔６に吸引した導電性ボールを吸引孔から容易に開放することができるようにしている。この場合、振動周波数は数Ｈｚ〜１ＧＨｚ程度が好ましい。振動印加時間、振幅、周波数、印加タイミングは任意に設定できることが望ましい。
【００４５】
ウエハＷ上にボール搭載後、ボール配列板５上に残存するボールがあることを考慮して、ボール除去機構１６によって吸引除去動作をすることもできる。
【００４６】
【実施例】
以下、実施例を示す。
実施条件：
使用ボールサイズ：１００μｍφ、ボール材質：Ｓｎ６３ＰＢ共晶
配列板：８インチ(２００ｍｍ)ウエハ対応、吸引孔数：３８５０００個／ウエハ（６２５個／チップ）、チップ数：６１６個／ウエハ
配列板板厚：１００μｍ、吸引孔径：７０μｍφ、吸引孔ピッチ：２００μｍ
吸引時間：９０秒
以下、一回の吸着動作で発生したボール未吸着の吸引孔数を示す。
【００４７】
【表１】

【００４８】
なお、実施例は一例のみだが、他に６０μｍφ、８０μｍφ、１５０μｍφのボールサイズや、ＰＢフリー材（Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系、Ｓｎ-Ａｇ系）においても同様の試験を実施し、本発明の配列ヘッドが従来の配列ヘッドでは達し得ない、前記と同等の良好な結果を得ている。但し、ボールサイズが６０μｍφの場合は配列板の板厚が７０μｍ、吸引孔径が４０μｍφ、吸引孔ピッチが１００μｍで実施した。
【００４９】
（本発明の他の実施の形態）
本発明は複数の機器から構成されるシステムに適用しても１つの機器からなる装置に適用しても良い。
【００５０】
また、前述した実施の形態の機能を実現するように各種のデバイスを動作させるように、前記各種デバイスと接続された装置あるいはシステム内のコンピュータに対し、記憶媒体から、またはインターネット等の伝送媒体を介して前記実施の形態の機能を実現するためのソフトウェアのプログラムコードを供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（ＣＰＵあるいはＭＰＵ）に格納されたプログラムに従って前記各種デバイスを動作させることによって実施したものも、本発明の範疇に含まれる。
【００５１】
また、この場合、前記ソフトウェアのプログラムコード自体が前述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそのプログラムコードをコンピュータに供給するための手段、例えばかかるプログラムコードを格納した記憶媒体は本発明を構成する。かかるプログラムコードを記憶する記憶媒体としては、例えばフレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。
【００５２】
また、コンピュータが供給されたプログラムコードを実行することにより、前述の実施の形態で説明した機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードがコンピュータにおいて稼働しているＯＳ（オペレーティングシステム）あるいは他のアプリケーションソフト等と共同して前述の実施の形態で示した機能が実現される場合にもかかるプログラムコードは本発明の実施の形態に含まれることは言うまでもない。
【００５３】
さらに、供給されたプログラムコードがコンピュータの機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに格納された後、そのプログラムコードの指示に基づいてその機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現される場合にも本発明に含まれる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、大面積の搭載エリアであっても確実にボール吸引配列を行なうことができ、ボール搭載歩留を向上させてバンプ形成対象の電極上に高精度で微小導電性バンプを形成するようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドの背景技術を示し、ボール吸着時の様子を示す図である。
【図２】配列板押え治具の構成を説明する図である。
【図３】微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドの構成を説明する図である。
【図４】配列板と配列板押え治具との間を収縮性樹脂で接合する例を示す図である。
【図５】本実施の形態を示し、微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドの概略構成を示す図である。
【図６】微細ボールが搭載されるウエハの一例を示す図である。
【符号の説明】
１配列ヘッド
２減圧空間
３配列ヘッドの貫通穴
４配列板支持部
５配列板
６吸引孔
７導電性ボール
９ボール収容容器
１０配列板押え治具
１１収縮性樹脂

Claims

円形のボール収容容器内の導電性ボールを、前記ボール収容容器の円形サイズより大きいサイズである角型配列ヘッドに装着されたボール配列板に吸引配列した後、前記導電性ボールを複数の半導体チップが形成されたウエハ上の全ての電極に対して一括で搭載する微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドであって、
前記ボール配列板が、その周縁部でボール配列板を固定枠である配列板押え治具で支持され、前記ボール配列ヘッドの下部に前記配列板押え治具で脱着可能なように設置され、
前記ボール配列板のボール吸着面と前記配列板押え治具との段差を２ｍｍ以下にして、ボール吸着面全体を平坦にしたことを特徴とする微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッド。
円形のボール収容容器内の導電性ボールを、前記ボール収容容器の円形サイズより大きいサイズである角型配列ヘッドに装着されたボール配列板に吸引配列した後、前記導電性ボールを複数の半導体チップが形成されたウエハ上の全ての電極に対して一括で搭載する微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッドであって、
前記ボール配列板が、その周縁部で配列板固定枠と一体化され、前記一体化された前記配列板と前記配列板固定枠とを前記ボール配列ヘッドに脱着可能となるように設置され、
前記ボール配列板の吸引孔のない外周部に傾斜を設け、
前記ボール配列板のボール吸着面の延長面と、前記ボール収容容器周縁の延長面との間の空間に、吸着過程で発生するガス流に影響を与える障害物を無くして、前記ボール配列板を設置した配列ヘッドが、導電性ボールの収容容器を接近させて導電性ボールを吸着する工程で、前記ガス流の乱れを抑制するようにしたことを特徴とする微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッド。
前記ボール配列板が、その周縁部で配列板固定枠と収縮性樹脂で接合して一体化され、前記一体化された前記配列板と前記配列板固定枠とを前記ボール配列ヘッドに脱着可能としたことを特徴とする請求項２に記載の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッド。
前記ボール配列板の材質が磁性材料であり、配列ヘッドの少なくとも一部に磁石が配置されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細導電性ボール搭載装置の配列ヘッド。