JPH11102934A - マイクロ・ボール・グリッド・アレイ用エア・ブローはんだボール装填システム - Google Patents
マイクロ・ボール・グリッド・アレイ用エア・ブローはんだボール装填システムInfo
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- JPH11102934A JPH11102934A JP10216427A JP21642798A JPH11102934A JP H11102934 A JPH11102934 A JP H11102934A JP 10216427 A JP10216427 A JP 10216427A JP 21642798 A JP21642798 A JP 21642798A JP H11102934 A JPH11102934 A JP H11102934A
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Abstract
けるために、はんだボール(14)のアレイを装填する
方法および装置を提供する。 【解決手段】 所定量の真空アパーチャ(90)を含む
真空ヘッド(70)を備えたロボット・アーム(60)
を有するBGAステーション(50)において、真空ヘ
ッドを収容するヘッド開口(510)を有するタブ(5
00)にはんだボールを供給する。ロボット・アーム
(60)によって真空ヘッドをタブ(500)のヘッド
開口(510)に向けて位置付けた後、適切な流体圧力
をタブ内のはんだボール(14)に加えて、ガス圧上で
はんだボールを真空アパーチャ(90)に向かって浮遊
させる。真空アパーチャは、適切な大きさで環状に形成
されており、アパーチャを通じて少なくとも部分的に真
空状態とし、所望量のはんだボールを拾い上げ、最終的
にBGAキャリア上に配置する。
Description
法に関し、更に特定すれば、はんだボールをボール・グ
リッド・アレイ(BGA:ball grid array )ロボット
・アームに装填する方法に関するものである。
(BGA)は、電子工業界において既知であり、チップ
が既にキャリア上に実装されている場合に、チップ・キ
ャリア上に高密度の入出力(I/O)はんだパッドの取
り付けを行うものである。BGAは、一種のチップ・ス
ケール・パッケージ構造(Chip Scale Package structur
e)であり、キャリアの底面側上においてはんだボール取
り付けプロセスを用いて、基板上にチップ・キャリアを
実装する。基板は、プリント回路ボード、または他のタ
イプのマザー・ボードとすることができる。
はんだパッドを形成し、最終的に基板との接続を行うた
めには、キャリア上のアレイ当たり、数百、多くの場合
数千ものはんだ球即ちボールを、精度高くしかも同一平
面に取り付けることが必要となる。大量生産では、ボー
ル取り付けプロセス後におけるキャリア上のはんだボー
ルの共平面性品質(co-planarity quality)は、品質プロ
セスの重要な関心事である。キャリアおよび基板間に良
好な電気的および機械的接続を得るには、はんだボール
の高さを均一に分布させ共平面取り付けを可能にするこ
とが必要である。
レイ(BGA)チップ・スケール・パッケージの非平面
性140問題の要因源の1つが表れており、この図で
は、はんだボールの高さが均一でないために、これらが
基板40およびキャリア20間に狭持された場合に、良
好な接続が行われない可能性がある。したがって、はん
だボール配置プロセスの共平面性を最適化するために
は、予備形成されたはんだボールが必要となる。予備形
成はんだボールは、はんだペーストを用いたスクリーン
・プリンティング(screen printing) のような他のプロ
セスよりもコストがかかることもあるが、他の方法では
共平面性が得られない場合には、高さが一定のはんだボ
ールを与える予備形成はんだボールは、好ましいもので
ある。
子10がキャリア20上に実装されている状態が示され
ている。キャリア20は、最終的に基板40に実装する
ためのチップ・キャリアとして機能する。基板40の一
例は、プリント回路(PC)ボード,マルチ・チップ・
モジュール,またはマザー・ボードである。基板上面上
の複数の半円状空洞または平坦な接触パッドは、通常、
正方形,または対応するBGAはんだバンプ・チップ・
キャリア20を受容するのに適したその他の幾何学的パ
ターン等に配列される。空洞または接触パッドの各々は
メタライズされ、はんだ付けが可能となり、更に導電性
を有し、チップ・キャリア20および基板40間に電気
的相互接続が得られる。はんだバンプ・チップ・キャリ
ア(またはその他の部材)20は、キャリア20の下
側、即ち、底面16上に、複数のBGAはんだバンプ1
4を含む。
はんだボール配置には、ロボットが用いられる。多くの
場合、オール・イン・ワン型ロボット・ステーション(a
ll-in-one robot station)が、ボールの共平面的配置の
みならず、フラックス添加(fluxing) 過程の処理も行
う。精密加工真空ヘッド(precision tooled vacuum hea
d)を装備された高精度のロボット・アームが、これらの
小さなボールを拾い上げ、フラックスを塗布し、配置す
る。使用されるロボット・アームは、多くの場合、Seik
o XMロボット・アームのように、視力を備えている。キ
ャリアへの配置のために、はんだボールの装填および除
去について視覚検査を行い、明らかなはんだボール配置
キャリアの不良品(reject)を回避または捕獲(trap)す
る。MMS SA-150 BGA Sphere Attach System という名称
の完成されたシステムが、MotorolaのMotorola Manufac
turing Systemsから入手可能である。
ロボット・アームは、エンド・イフェクタ(end-effecto
r)と呼ばれる真空ツール先端を備えた、真空ヘッドを有
する。図2を見ると、真空ヘッドの従来の真空ツール先
端の断面が示されている。真空ツール先端のエンド・イ
フェクタを降下させ、数千ものはんだ球を含むバルク・
ビン(bulk bin)から、予備形成ボールを全て同時に拾い
上げる。しかしながら、真空ヘッドを用いてビンからボ
ールを拾い上げることは単純ではない。何故なら、ボー
ルの供給高さ位置が常に変化しており、ボールは、真空
ヘッド開口の1つにおいて互いにくっつきやすいからで
ある。更に、真空ヘッドの下方向力は、ビンに収容され
ているはんだボールのいくつかを破損し易く、しかも1
つ以上のボールをヘッド開口内に詰まらせる可能性もあ
る。
ールよりもその直径が大きく、真空ヘッド開口の球状周
面が、はんだボール全体を把持することができる。しか
しながら、BGAボールのサイズは、マイクロエレクト
ロニクスの発展によって、その直径が約12ミル(0.
305mm)程度と極小化しているため、その結果増々
小さくなる真空孔の球状部分を均一に形成することは一
層困難となる。
が増々小さくなるに連れて、それらの静電気に対する感
度が高くなり、重力に対する感度が低くなる。このよう
に、0.305mmの予備形成はんだボールの扱いが難
しいために、真空孔周囲でボール集束(ball cluster)の
発生量が増大する結果となっている。そのために、従来
技術の装填システムは、シェーキング型コンテナ(shaki
ng-type container)のような、振動式または加熱式装置
を用いて、過剰なはんだボールの集束という望ましくな
い現象の除去に役立てようとしたが、それでもなお、重
力が通用しない0.305mmはんだボールには殆ど効
果がない。従来のシェーキング型コンテナにおいて適正
な接続を得るために、0.305mmのはんだボールを
無傷で拾い上げるのに成功する割合は殆ど皆無である。
く、しかも損傷を防止するはんだボール装填プロセスを
提供することができないために、最小のイン・ライン自
動化機器,再現可能な自動プロセス制御,およびプリン
ト回路(PC)ボード,マルチ・チップ・モジュール,
またはマザー・ボードのような基板上における高いスル
ー・プットのチップ・キャリアの生産を利用して、大量
生産環境において信頼性の高いBGA実装技法を提供す
る試みを行ってきたが、失敗に終わっている。したがっ
て、当技術分野では、はんだボールの取り付けにおいて
共平面性および一貫性を与えつつ、従来の製造が困難な
真空球状孔に起因する難点を回避し、しかもロボット・
アーム・ステーションにおける集束除去装置の余分なコ
ストおよび必要性を排除する、はんだボール装填システ
ムを提供することが必要とされている。
アパーチャを含む真空ヘッドを備えたロボット・アーム
を有するBGAステーションにおいて、BGAキャリア
にはんだバンプを設けるために、はんだボールのアレイ
を装填する方法および装置を提供する。真空ヘッドを収
容するヘッド開口を有するタブにはんだボールを供給す
る。ロボット・アームによって真空ヘッドをタブのヘッ
ド開口に向けて位置付けた後、適切な流体圧力をタブ内
のはんだボールに加えて、ガス圧上ではんだボールを真
空アパーチャに向かって浮遊させる。真空アパーチャ
は、適切な大きさで環状に形成されており、アパーチャ
を通じて少なくとも部分的に真空状態とし、所望量のは
んだボールを拾い上げ、最終的にBGAキャリア上に配
置する。
3のボール・グリッド・アレイ(BGA)キャリア即ち
パッケージ20上において、はんだボール即ちはんだ球
14の正確な配置を行うためのBGA製造ライン51に
おけるはんだボール取付ステーション50は、図5の真
空ヘッド70を有するロボット・アーム60を用いてい
る。真空ヘッドは、図4に拡大して示す、開口,孔,ま
たはその他のアパーチャ90が端部に形成された、複数
の真空ダクト18を含むツール・エンド即ちエンド・イ
フェクタ80を有する。所定数のアパーチャ90が、必
要なキャリアはんだバンプ数に対応する。これらのアパ
ーチャ即ち孔は、図示の簡略化のために、正方形、また
は図3における基板の、予めフラックスを塗布した接触
パッド・パターン143に対応するその他の幾何学的パ
ターンに配列されている。
形または環状で、好ましくは平坦な周囲を有し、ダクト
の一部として、用意されたはんだボールに接触し、これ
を拾い上げ、続いて予めフラックスを塗布した基板上に
このボールを配置する。本発明の教示によれば、従来の
図2の球状真空開口を、適切に長形化した円形真空チャ
ネル即ちダクトと交換し、このダクトの端部に円形孔即
ち円形周囲を形成し、ボールの破損を発生することな
く、はんだボールをわずかだけ持ち上げるようにした。
真空孔は、ダクトを平らに切り落とすことによって、図
2の従来の球状端部89を形成するよりは、簡単にしか
も精度高く均一に形成することができる。約0.3mm
の直径を有する微小はんだボールを拾い上げることに対
処するために、図4の真空アパーチャの各々は、その直
径が約0.203mmないし0.254mmの範囲であ
ることが好ましい。通常、いずれのサイズのはんだボー
ルまたははんだ球についても、各真空アパーチャの直径
は、予備形成はんだボールの直径の約60%ないし90
%の範囲とすることが好ましい。
い上げた、即ち、吸引した後、真空孔ツール・ヘッド8
0がはんだボールで満たされたロボット・アームはキャ
リア20まで下方に移動し(300)、図3のキャリア
20上にはんだボール14を配置する。
ード(bare board)を用いて,予めフラックスが塗布され
ている接触パッド143を有するキャリア20を保持
し、(ローラ上を)運搬する。パレットはステーション
に入り、基準識別点(identification of fiducials) に
位置付けられ、整合される。一旦はんだボールがキャリ
ア20上に配置されたなら、パレットはBGAはんだバ
ンプ・キャリア20を、次のステーションに向かってロ
ーラ上で運搬する。はんだボールおよび基板のベース・
メタル間に金属結合を形成するために、はんだリフロー
・ステーションが次のステーションとなっており、はん
だボール取り付けプロセスが完了した後に、パレットは
このステーションに入る。その後、マーキングおよびシ
ンギュレーション(marking & singulation) ステーショ
ンのような他のステーションに順次送り込み、個々の素
子に分離する。
ィスペンサ(bulk dispenser)即ち予備形成はんだボール
(図示せず)のビンを含む。空気式リフトまたはその代
わりとして油圧式リフトを用いて、ビンを持ち上げ、は
んだボールをビンからタブに分与し、続いてディスペン
サをその元の位置に戻す。一旦パレットを持ち上げ、配
置、または別の場合には整合を行ったなら、ビン即ちバ
ルク・ディスペンサは図5のタブ500にはんだボール
を注ぎ込む。
GAキャリア20上におけるはんだバンピングのために
はんだボールのアレイを装填するタブ500は、全体的
に、図5におけるガス流を受けるためのL字状屈曲部を
含むステムを有するファンネル(funnel)として表されて
いる。しかしながら、タブには他の形状も可能であり、
本発明の教示によって想起されよう。
る矩形箱形チャンバが、第1ポート即ちヘッド開口51
0を形成する。開口510は真空ヘッド70の形状と一
致し、ヘッドが十分に降下された場合、あるいは4つの
矩形側壁520の最上部(510)の至近に位置付けら
れたときに、これを収容する。続いて、ファンネルの口
としての第2ポート540を有する三角形状チャンバ5
30および4つの三角形状側壁630が、ファンネルの
円錐を形成する。三角形状側壁630は、矩形箱形チャ
ンバ520から、第2ポート540に向かって収束す
る。第2ポート540は、ファンネルの垂直パイプ・ベ
ース550と一致するように円形とすることが好まし
い。このように、タブの垂直ファンネル部分が形成さ
れ、ファンネルの最上部は矩形箱形チャネルおよび三角
形状チャンバによって形成され、第2ポートは第1ポー
トよりもサイズが小さく、同心状となっている。
部分を形成するために、水平パイプ560を、垂直パイ
プ550に、好ましくは直角に接続する。水平パイプ5
60は、ブローア入力ポート570を含み、ガス圧の流
入580を受け入れ、このガス圧をファンネルの第2ポ
ート540に導く。はんだボール14を静電放電から保
護するために、タブを接地し(590)、金属または静
電防止アクリルのような静電防止材料でタブを作ること
が望ましい。
うに、第2ポート540の下でタブ500の第3ポート
の上において、垂直パイプ550に実装、または配置さ
れた環状リング594も含む。リング594がわずかに
突出しているために、パイプを部分的に三角形状チャン
バ530から区分し、垂直パイプ部分550に沿って見
た図5の回転ガス流596が、真空ツール・ヘッド80
に向かう所望のはんだボール流を妨害するのを阻止す
る、制限する、あるいは禁止する。
テーションはオプションのシュート取付具600を含
み、このシュート取付具600は、第3ポート、あるい
は別名ボール供給入力ポートまたはシュート開口610
に結合し、予備形成はんだボール14をタブ500に分
与することができる。第3ポート即ちシュート開口61
0は、いずれの形状とすることも可能であるが、予備形
成はんだボール14の供給を滑らかにタブ500に受け
入れるためには円形が好ましく、オプションとして、環
状リング594によって分離された第2ポート540の
下に、これに垂直に配置する。シュート取付具600
は、スライド632および上部開口640を有し、ボー
ルの投げ落とし(dumping in)を行うための補助貯蔵部と
して示されているが、ビンからの一定の供給を受け、は
んだボールをタブに連続的に押し出して供給するボール
入力システムであれば、あらゆるものが使用可能であ
る。
580の有向流が、はんだボールを図5の真空ヘッド7
0に向かって移動させることを可能にする。このガス5
80の同じ有向流が、十分な撹拌を与え、真空ヘッドに
付着した余分なはんだボール、または静電気のために互
いに付着し合ったはんだボールを吹き飛ばす、または除
去する。適切なガス圧およびガス流を設定し、数秒間供
給して、ツール・エンド80附近の真空ヘッドの中心に
向かってはんだボールを駆り立てる、あるいは方向付け
る。真空はこの時点では加えられない。
はんだボール22の連続ガス・ブロー供給によって、加
えられた流体圧力による吹き込みのために、真空ヘッド
・ツール・エンド80の周囲全体にわたって(4つの側
面全て、またはGBAパッケージはんだパターンによっ
て決まる他の形状)分与される。最適なガス圧即ち流体
圧力は、供給されるガスによって発生され、その流れを
図8の電気式ガス・コントローラ802で制御すること
によって、適切な圧力を発生させる。
的に、図4の真空ヘッド開口90のダクト18によって
設けられた真空チャンバに到達することができる。ガス
は、制御された速度で加えられ、図8の制御バルブ80
4および電気式ガス・コントローラ802によって供給
される連続流となる。流体またはガスの大気圧は、概ね
図4の真空ヘッド開口90の方向および領域にはんだボ
ール14を押しやる。ガス・コントローラ802によっ
て制御され、ガスが適切に加えられた後では、はんだボ
ールは、真空ヘッドの孔全てに非常に接近した領域全体
を覆う。
802によって適切に制御され、タブ500内に連続的
に吹き込まれる。タブの最上部即ちヘッド開口510を
覆うように、真空ヘッド70を多少降下させる、または
位置付ける前に、はんだボールが自由にタブ内を水平方
向に浮遊することができるように、あるいは、図5の水
平パイプ部分560内に集束するのを防止するために、
ガスを弱いブローに単に調節する。しかしながら、真空
ヘッドを降下させた後、ガスを整流して一定の所定ガス
圧とし、図4の真空アパーチャ90に向けて必要な一定
の高さに、ガスがはんだボールを飛翔させる。タブの垂
直方向の正方形または矩形チャンバ部分520は、図5
の真空ヘッド70の底面の対応する正方形または矩形制
限領域(confines)内にはんだボールを閉じ込めるように
作用する。
22がアパーチャ90に接近した後、真空バルブによっ
て制御された、図4の真空34を連続的に加える。はん
だボールおよび真空ヘッド孔90間のダクト18に封じ
込められたガスは減圧され、真空ヘッド孔90周囲に、
はんだボール14を吸い付ける、あるいは保持する。サ
イズが大きくかつ球面が広いはんだボールの各々は、転
がり、対応する孔開口90の中心に入り、ダクト18を
充填する。ガス圧によって与えられる撹拌により、吸着
されていないはんだボール14は、真空ヘッド70また
はタブの側壁520,630から跳ね返り、図5のタブ
500の水平部分に再び落下する。本発明によれば、上
述の工程によって、はんだボール装填にかかる総時間を
効果的に短縮することができる。装填の後のこの時点に
おいて、ガス流を軽いブローに戻す。したがって、流体
圧力は、真空ヘッドに付着した余分な予備形成はんだボ
ールや静電気によって互いにくっつき合った予備形成は
んだボールを除去し、十分な量のはんだボールを真空ヘ
ッドに供給するという、重要な役割を果たす。
めに、好ましくは窒素(N2 )のような酸化防止ガスを
用いることが好ましい。しかしながら、酸化プロセスが
始まる前に、予備形成はんだボールを2ないし3日の期
間で消費する大量生産環境においては、窒素ガスの代わ
りに、乾燥空気を用いることができる。
て、BGAはんだボールをロボット真空ヘッドに装填す
る。このプロセスは、複数のはんだボールのタブへの連
続分与から開始する。ガス・コントローラによって制御
されたガスによって与えられる流体圧力を複数のはんだ
ボールに加え、少なくとも一部のはんだボールを真空ヘ
ッドの方向に向かわせる。ガス・コントローラによって
制御され、ボールは緩やかに吹き飛ばされ、あるいは真
空ヘッド孔に向かって浮遊する。はんだボールが孔に近
づくと、これらは真空ヘッドの毛管現象によってダクト
に「吸着される」。真空流の期間は、分単位の比較的短
いサイクル時間である。少なくとも真空を真空ヘッド孔
および最も近いはんだボールに部分的に加え、真空ヘッ
ド孔およびはんだボール間の領域をほぼ真空状態とす
る。加えて、ガス圧および真空の連続的な供給は、イン
・ライン自動化、再現可能な自動プロセス制御、および
あらゆる適切な基板上におけるスルー・プットの高いチ
ップ・キャリアの生産にも有効である。
ャリアおよび基板パッケージの断面図。
ング・プロセスの断面図。
の断面図。
ーションの断面図。
図。
面図。
図。
Claims (3)
- 【請求項1】ボール・グリッド・アレイ・キャリア上に
おけるはんだボールのマイクロ・ボール・グリッド・ア
レイ装填用エア・ブローはんだボール装填システムであ
って:ヘッド開口(510),シュート(600),お
よびブロア入力ポート(540)を有するタブ(50
0);複数のはんだボールを前記タブの前記シュートに
供給するディスペンサ;真空ツール(80)を有し、該
真空ツールを前記タブの前記ヘッド開口に向かって位置
付けるロボット・アーム(60);前記タブの前記ブロ
ア入力ポート(540)に配置され、流体圧力を前記複
数のはんだボールに供給し、前記複数のはんだボールの
少なくとも一部を、前記真空ツールに向かって浮遊させ
るブロア;および前記真空ツール内に配置された真空ヘ
ッド(70)であって、所定量の真空アパーチャ(9
0)を有し、該所定量の真空アパーチャを通じて少なく
とも部分的な真空を供給し、前記ブロアによって吹き込
まれた前記複数のはんだボールと同じ所定量を拾い上げ
る真空ヘッド(70);から成ることを特徴とするアレ
イ装填用エア・ブローはんだボール装填システム。 - 【請求項2】前記真空アパーチャの各々の直径は、約
0.203mmから0.254mmまでの範囲であり、
約0.3mmの直径を有するはんだボールを拾い上げる
ことを特徴とする請求項1記載のシステム。 - 【請求項3】所定量の真空アパーチャを含む真空ヘッド
を備えたロボット・アーム(60)を有するボール・グ
リッド・アレイ(BGA)ステーション(50)におい
て、キャリアにはんだバンプを設けるために、はんだボ
ールのアレイを装填する方法であって:ヘッド開口(5
10)を有するタブ(500)内に複数のはんだボール
を供給する段階;前記真空ヘッドを前記タブの前記ヘッ
ド開口に位置付ける段階;前記タブ内の前記複数のはん
だボールに流体圧力を加え、同じ所定量の前記複数のは
んだボールを、対応する所定量の真空アパーチャに向か
わせる段階;および少なくとも部分的な真空を前記所定
量の真空アパーチャ(90)に加え、前記同じ所定量の
前記複数のはんだボールを拾い上げる段階;から成るこ
とを特徴とする方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/891,963 US6003753A (en) | 1997-07-14 | 1997-07-14 | Air-blow solder ball loading system for micro ball grid arrays |
| US891963 | 2001-06-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11102934A true JPH11102934A (ja) | 1999-04-13 |
Family
ID=25399133
Family Applications (1)
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