JP2555915B2 - 金属突起物の形成方法,金属ろう材の供給方法およびそれらの治具 - Google Patents

金属突起物の形成方法,金属ろう材の供給方法およびそれらの治具

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JP2555915B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は金属突起物の形成方法,
金属ろう材の供給方法およびそれらの治具に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、LSIなどの半導体製品は各種の
民生用機器、産業用機器などその応用分野はますます拡
大してきた。これらの機器は、その利用分野拡大のため
低価格化とともにポータブル化が進められている。従っ
て、半導体製品においてもこれらの要求に対応するた
め、パッケージングや機器への組み込み工程の低価格化
や軽量化、薄型化、小型化といった高密度実装が要求さ
れている。
【0003】一般に、半導体製品の高密度実装に適した
方法としはTAB方式が知られており、実用化の拡大が
はかられてきた。TAB方式の半導体素子と実装用配線
基板間の接続には、半導体素子の電極配置に合わせてパ
ターン化されたAuまたはSnメッキをしたCuからな
る金属リードと金属リード保持用ポリイミド膜とを貼り
合わせした構成のフィルムキャリヤを用いる。ここで、
半導体素子のAl電極と金属リード間の接合を行うには
接合部を凸にする必要があり、Al電極部または金属リ
ード上にバンプと呼ばれる金属突起物が設けられる。こ
の金属突起物を介したAl電極と金属リードとの接合に
は通常熱圧着法が用いられている。
【0004】従来の金属突起物の形成方法としては、い
わゆるメッキバンプ法が広く用いられてきた。図7
(a)〜(c)は従来の第1の例を工程順に示す断面図
である。まず、半導体素子20上にTi,Crなどの接
着層25、Cu,Ptなどの拡散防止層26をスパッタ
で積層形成する。(図7(a))。次いで、Al電極部
21以外を被うレジスト層27をリソグラフィ形成した
後、Al電極部21にAuメッキ層28を約30μm形
成する。(図7(b))。その後、前記レジスト層27
を除去した後、Al電極部21を覆うレジスト層の形成
を行い、Al電極部21以外の拡散防止層26,接着層
25をエッチング除去する(図7(c))。以上のよう
に工程を踏みAl電極上にメッキにより金属突起物が形
成される。
【0005】メッキバンプ法以外では、図8(a)〜
(c)に示すAuワイヤのボールボンディングの技術を
用いるボールバンプ法が注目され、開発が進んでいる。
まず、キャピラリ30下に出たAuワイヤ31の先端を
電気トーチ32を用いて放電溶融させAuボール33を
形成する(図8(a))。次いで、Auボール33をA
l電極21にキャピラリ30で超音波接合した後(図8
(b))、キャピラリ30,Auワイヤ31を引き上げ
てAuボールのネック部からAuワイヤ31を引きちぎ
りボール部34のみをAl電極21上に残す(図8
(c))。この方法は、湿式工程がなく工程が簡略で、
電極上に1点ずつ形成するため少量多品種に適してい
る。
【0006】他に、TABフィルム側に金属突起物を形
成できるとして転写バンプ法も有力視されている。この
方法は、Al電極に対応した導体開口部を持つメッキ用
基板に電気メッキによりAuの突起物を形成した後、T
ABの金属リードと重ね合わせて加熱加圧してAu突起
物をメッキ用基板からTABの金属リード上に転写する
ものである。
【0007】近年、表面実装法は高密度化の傾向にあ
り、産業用機器、民生用機器共に搭載されている電子部
品のチップ化、パッケージ部品の微小化、および回路基
板上電極の微少化、狭ピッチ化へと進んでいる。それに
伴って部品と回路基板の電気的、機械的接続を高密度か
つ高信頼に行なう方法が求められている。
【0008】近年、回路基板への接続用金属ろう材供給
方法としては、適当な合金組成のハンダ粉末とフラック
スを混合したクリームハンダをスクリーン印刷により供
給する方法が広く用いられてきた。
【0009】第9図は(a)〜(c)は一般的なスクリ
ーン印刷法の工程を示す。まず、回路基板37上にある
接続用電極36とに対応する部分をエッチングにより除
去した金属マスク41を回路基板上に数ミリの間隙をも
たせ設置する(第9図(a))。金属製マスク22上に
適当に粘度を調整したクリームハンダ42を供給、硬質
ゴム製のスキージ40を押し当てながら金属製マスク4
1上を移動させる。金属製マスク41は周辺を弾性のあ
るフィルム43により支持してあり、スキージ40を押
し当てながら移動することによりクリームハンダ42は
順次金属製マスク41に充填され金属製マスク41を支
持するフィルム43の弾性により順次マスク41より抜
け(第9図(b))、電極上にクリームハンダ42が残
り、クリームハンダの供給を完了する(第9図
(c))。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の技術
は、下記のような欠点をもっている。 (1)メッキバンプ法は、工程が複雑であり厚いメッキ
膜を付けるため資材費や工数がかかること、大きい設備
投資が必要であること、素子歩留の低下の原因となるこ
となど形成コストが高いという欠点がある。ボールバン
プ法の場合は、湿式工程がないという利点があるもの
の、Auボールの大きさのバラツキやワイヤを引きちぎ
ったあとの高さのバラツキがあり、また、Auボールを
用いるため電極ピッチ100μm程度が限界でありそれ
以下の微細接合は困難であるとされている。さらに、T
ABフィルム接合時だけでなく、バンプ形成時にも電極
部に機械的ストレスをかけるの接合部の信頼性が問題と
なっている。転写バンプ法は、メッキ用基板へメッキを
行うのでメッキバンプ法に比べチップ歩留への影響がな
いが、工程の複雑さは解消出来ない上に、Au突起物を
不具合なくTABフィルム上に転写するにはメッキ用基
板の形成、メッキ工程などの高度の管理とノウハウが必
要である。 (2)スクリーン印刷法による回路基板への金属ろう材
供給方法は、下記のような欠点を持っている。マスクに
よる回路基板上への塗布は、そのマスクの精度とクリー
ムハンダの特性によりハンダ供給量が決定されるが、エ
ッチングによるマスクの作成精度は低く供給量は一定と
ならず、接合部のハンダ過不足、また隣接する電極間で
の短絡、すなわちハンダブリッジ等を引き起こし製品の
歩留低下を引き起こす。特に電極ピッチが0.5mm以
下と狭くなるにつれてクリームハンダ印刷が困難にな
る。また、フラックスとハンダ粉末の混合物であるクリ
ームハンダは、粉末のフラックスによる腐食によりハン
ダ濡れ性低下を招くために長期保存等、管理面での欠点
を持つ。また、マスクが必要であるので納期的に不利で
あり、特に設計に変更のあった場合に迅速かつ臨機応変
に対応できない。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の金属突起物の形
成方法は、金属線材の送り穴を有する柱状の支持ツール
の送り穴を通して金属線材を一定長送り出すとともに支
持ツールを下降させて支持ツールの先端部で金属リード
または基板を押さえた後、支持ツールと互いの長手方向
の一端面で接触する柱状の加圧ツールを摺動し送り穴か
ら一定長突き出た金属製線材を切断するとともに加圧ツ
ールの摺動を続けて金属リードまたは基板に切断された
金属線材を圧着する手順を含んで構成される。
【0012】また、本発明の金属突起物形成治具は、先
端部近傍に金属線材の送り穴を設けた柱状の支持ツール
と、支持ツールと長手方向の一端面で互いに接しながら
摺動する柱状の加圧ツールと、支持および加圧ツールの
少なくとも一方のツールの摺動案内を行う摺動ガイド
と、送り穴に金属線材を一定長送り込む機構とを含んで
構成される。
【0013】本発明の金属ろう材供給方法は、線状の金
属ろう材の送り穴を有する柱状の支持ツールを電極上の
所定位置に位置決めし、支持ツール送り穴より金属ろう
材を電極長に応じて所定長送りだし、前記支持ツールと
互いに長手方向の一端面で接触し摺動する加圧ツールに
より所定長送り出した金属ろう材を切断、その後、加圧
ツールは摺動を続け、切断された金属ろう材を電極に圧
着する事からなる。
【0014】また本発明の金属ろう材供給治具は、先端
部近傍に金属ろう材の送り穴を設けた柱状の支持ツール
と、この支持ツールと長手方向の一端面で互いに接しな
がら摺動する柱状と加圧ツール、また前記支持ツールお
よび加圧ツールの少なくとも一方のツールの摺動案内を
行う摺動ガイド、そして前記送り穴に金属ろう材を電極
長に応じて所定長送り出す送り機構からなる。
【0015】
【実施例】次に、本発明の実施例について、図面を参照
して詳細に説明する。図1は本発明の第1の実施例の金
属突起物形成治具を示す斜視図である。支持ツール1お
よび加圧ツール2は先端部を細くした柱状をしており、
これら1対のツール1,2は、摺動ガイド9により一端
面12で接触しながら互いに長手方向に摺動ができる。
支持ツール1の先端近くには金属線材3の送り穴10を
設けてあり、金属線材3は送り機構11により順次一定
長送り込まれる。ツール加圧13,14の加圧機構には
振幅拡大機構付き圧電素子などを用いる。なお、加圧ツ
ール2のみ摺動ガイド内を摺動させ、支持ツール1は摺
動ガイドと固定し、その移動は治具全体を支持する機構
の移動により行うようにしてもよい。
【0016】図2(a)〜(d)は本発明の第2の実施
例を工程順に示す断面図である。まず、TABフィルム
5の金属リード6を加熱ステージ4上に設置し、支持ツ
ール1の送り穴10に金属線材3を送り込むとともに加
圧ツール2を金属リード6の先端上に来るように位置合
わせする(図2(a))。次に、支持ツール1,加圧ツ
ール2とともに矢印方向18bの所定の圧力を加えて下
降させ、金属リード6を支持ツール1で押さえる(図2
(b))。次いで加圧ツール3のみに圧力を加えて下降
させ、金属材料3を切断するとともに、連続して加圧ツ
ール2を下降させ切断された金属線材の切片を金属リー
ド6上に圧着する(図2(c))。その後、支持ツール
1および加圧ツール2とともに上昇させると金属突起物
8の形成工程が完了する(図2(d))。
【0017】このようにして、順次TABの金属リード
上に金属線材の切片を圧着していき、半導体素子の一連
のA1電極に対応した金属突起物形成を行うことができ
る。本発明の方法では、予め支持ツールで金属突起物形
成部のすぐ横を押さえるので、金属リードに反りがあり
ステージから浮いた状態であっても金属突起物圧着時に
はステージに押さえつけられ、接合強度や位置決めの精
度が安定する。金属線材の切断においては、支持ツール
がダイス、加圧ツールがポンチの役割をする。
【0018】実施例の方法で、金属線材を直径50μm
のAuワイヤとし、先端が60μm径正方形のの加圧ツ
ールを用いて、リードピッチ100μm,リード幅60
μmとTABフィルムのAuメッキリードへ圧着を行っ
た。このとき、切断は70g以上の加圧で行うことがで
きた。Auは柔らかく伸び易い性質があるので、ツール
間のクリアランスが大きいとき、切断されたAu小片は
切断面上部に高いバリが立ち好ましくない。
【0019】本発明の場合、一平面の切断であるので、
クリアランスを0にできるので良好な形状のAu切片が
形成できる。ステージの加熱温度170℃のとき、リー
ドへの圧着は、ポンチ圧力40gでも可能である。切断
後の金属リードへの圧着では円筒形に切断されたAu小
片はつぶれて上面が平坦な高さ約30μmのAu突起物
となった。リードとの接合強度は、その後の半導体素子
のAl電極と熱圧着工程で強化されるので吸収中に外れ
ない程度であれば良い。
【0020】ポンチ加圧力は、打ち抜き後小さくし低加
圧でリードに押し付けるのが望ましく、このような加圧
力を与える手段として圧電素子が適している。本実施例
によるAu突起物を形成したリードと半導体素子のAl
電極とを熱圧着接合したところ良好な接合性を確認でき
た。なお、予めAu突起物の接合力を十分に強くしたい
ときは、一定圧力で打ち抜き、リードへの接合を行えば
よい。ただしこの場合、圧着時にはAu切片のつぶれ方
が激しくなる。
【0021】図3は本発明の第3の実施例を示し、加圧
ツール先端面を凹状にしたときの金属突起物形状を示す
断面図である。金属突起物8の上面16の形状は、加圧
ツール2の先端面15の形状に対応した凸状になるの
で、高さや形状の精度のよい金属突起物を得ることがで
きる。
【0022】以上の様に、本発明の場合、順次送り込ま
れる金属線材を順次切断、圧着していくだけであるの
で、その装置は簡単であり、かつ処理能力も高くでき
る。形成した金属突起物の形状、高さは加圧ツールの圧
力とその先端形状で制御できるので精度が良好であり、
その後の半導体素子電極との接合の信頼性も高い。本発
明は、Auボール作るボールバンプ法と異なり、ツール
径を容易に小さくすることができるので100μm以下
の狭ピッチリードを持つTABにも対応できる。また、
本発明の場合、金属突起物を金属リード上に形成できる
ので、ボールバンプ法のように半導体素子の電極に機械
的ストレスをかけず、接合部の信頼性も高くすることが
できる。
【0023】実施例では、金属材料にはワイヤを用いた
がリボンなどの金属線材を用いてもよい。又、TABフ
ィルムの金属リード上に形成する場合だけでなく、他の
金属リードへの金属突起物の形成にも適用できる。本発
明の金属突起物の材料としては、機械加工法を用いるの
で種々の材料選択が可能である。半導体素子の電極と金
属リードとの接続に適用するときは、主成分がAu,A
g,Al,Cu,In,各種ハンダ合金などを用いるこ
とができる。安価な材料を使うことにより低コスト化を
はかることができる。
【0024】第4図は本発明の第4の実施例の金属ろう
材供給治具を示す斜視図である。支持ツール1および加
圧ツール2は先端を細くした柱状であり、これら一対の
ツールは摺動ガイド9により一端面で接触しながら互い
に長手方向に摺動ができる。支持ツール1の先端近くに
は金属ろう材35の送り穴10を設けてあり、金属ろう
材35は送り機構11により順次所定長送り込まれる。
ツール加圧13,14の加圧機構には振幅拡大機構付き
圧電素子を用いる。なお、加圧ツールのみ摺動ガイド9
内を摺動させ、支持ツール1は摺動ガイド9と一体であ
り、その移動は治具全体を支持する機構の移動により行
う。
【0025】図5(a)〜(d)は、本発明の第4の実
施例の工程を示す断面図である。まず回路基板37上の
電極36を加熱ステージ38上に設置し、支持ツール1
の送り穴10に金属ろう材35を送り込むと共に加圧ツ
ール2を電極36の上にくるように位置合わせをする
(図5(a))。次に支持ツール1、加圧ツール2とも
に矢印方向18bに所定の圧力を加えて下降させ、回路
基板37を支持ツール1で押さえる(図5(b))。つ
いで加圧ツール2のみに圧力を加えて下降させ、金属ろ
う材35を切断すると共に連続して加圧ツール2を下降
させ切断された金属ろう材35の切片を回路基板37上
の電極36に圧着する(図5(c))。その後、支持ツ
ール1および加圧ツール2ともに上昇させると金属ろう
材供給工程が完了する(図5(d))。なお、支持ツー
ル1による回路基板押さえの機構はなくても良く電極の
種類により支持ツール1先端の下降位置は自由に設定す
ることができる。
【0026】この治具による金属ろう材35の切断にお
いては支持ツール1がダイス、加圧ツール2がポンチの
役割をする。実施例の方法によりピッチ0.5mm、形
状0.2mm×1.0mmである電極に、金属ろう材が
直径0.1mmのハンダワイヤを用い、先端が0.1m
m×1.5mmの長方形である加圧ツールを使用し、ハ
ンダ材を供給した。この時、ステージの加熱温度100
℃であり、ワイヤの切断は30g以上の加圧で行うこと
ができ、圧着も良好に行えた。ハンダは軟らかく伸び易
い性質を持つので、ツール間のクリアランスが大きい
と、切断されたハンダワイヤは切断面上部に高いバリが
たち好ましくない。本発明の場合、一平面での切断であ
るので、クリアランスをゼロにでき、良好な形状のハン
ダ供給ができる。圧着後のハンダ小片の形状は加圧ツー
ルにより潰されて、上面が平坦であり、高さ0.06m
mの形状を呈した。電極とハンダ小片の接合強度は、電
子部品を乗せてのハンダ溶融工程によりハンダ接合を完
全なものとするので、取り扱い中にはずれない程度で良
い。本実施例によるハンダ供給を施した回路基板で電子
部品を接合したところ良好な接合性を確認した。
【0027】図6は、加圧ツール先端面15を凹状にし
たときのハンダ供給形状39を示す構造図である。図の
ように金属ろう材35の上面形状は、加圧ツール15の
先端面の形状に対応した凸状になるので、高さや形状の
精度が良く隣接する電極との接触を防ぐことができる。
【0028】以上のように本発明の場合、順次送り込ま
れる金属ろう材を順次切断、圧着していくだけであるの
で、その装置は簡単であり、かつ処理能力も高くでき
る。金属製マスクを用いたスクリーン印刷法とことな
り、ツールの形状を容易に変化させることが可能で狭ピ
ッチに配列した電極、大小取り混ぜた複雑な電極配列に
もあらかじめ設定した必要量のろう材を精密に供給でき
る。
【0029】実施例では金属材料にはワイヤを用いたが
リボン状のなどの金属材料を用いても良い。また、回路
基板上の電極だけでなく、電子部品の金属リードに金属
ろう材を供給し接合する場合にも適用できる。
【0030】
【発明の効果】本発明の金属突起物の形成方法は、湿式
工程がなく工程が簡略であり、簡単な構造かつ処理能力
のある装置で済むので、資材費や設備投資が少なくて済
むなどの低コストの金属突起物の形成ができる効果があ
る。金属リード上に金属突起物が形成できるので機械的
ストレスによる接合部の信頼性低下の心配がないという
効果がある。
【0031】また、金属突起物の形状や高さは加圧ツー
ルの先端形状で制御できるので、精度の高い金属突起物
の形成ができ、接合を高信頼化できるとともに狭ピッチ
接合にも対応できる利点がある。更に、実装の構成に応
じて金属突起物材料を選択でき、低コスト化、高信頼化
構造を実現できるという効果もある。
【0032】本発明の金属ろう材供給方法はコンピュー
タなどで設計したデータをもとにマスクを必要とせず金
属ろう材を供給することが可能で設計の変更や、少量多
品種の生産に対応でき、スクリーン印刷法のように湿式
工程がなく工程が簡略であり、簡単な構造かつ処理能力
のある装置なので、資材費や設備投資が少なくて済む等
の低コストのろう材供給ができる利点がある。また、金
属ろう材の供給量をワイヤ径で制御するため高精度の供
給管理ができ、ハンダ過不足などの問題を解消するため
接合を高信頼化できると共に、加圧ツールの先端形状に
より供給時のろう材形状が制御され、溶融、凝固時に隣
接する電極との短絡が発生せず、狭ピッチ接合にも対応
できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示すブロック図であ
る。
【図2】(a)〜(d)は本発明の第2の実施例を示す
工程断面図である。
【図3】図1に示す加圧ツールが凹状のときの形成され
た金属突起物形状を示す断面図である。
【図4】本発明の第4の実施例を示す斜視図である。
【図5】(a)〜(d)は第4の実施例の工程断面図で
ある。
【図6】図4に示す加圧ツールが凹状の時の形成された
金属ろう材形状を示す斜視図である。
【図7】(a)〜(c)は従来の第1の例を工程順に示
す断面図である。
【図8】(a)〜(c)は従来の第2の例を工程順に示
す断面図である。
【図9】(a)〜(c)は従来の金属ろう材供給方法で
あるスクリーン印刷法を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
1 支持ツール 2 加圧ツール 3 金属材料 4 ステージ 5 TABフィルム 6 金属リード 7 ポリイミド膜 8 金属突起物 9 摺動ガイド 10 送り穴 11 送り機構 13,14 ツール加圧 15 加圧ツール先端面 16 金属突起物上面 17,17c,18b,18d ツールの移動方向 20 半導体素子 21 Al電極部 22 Al層 23 保護層 24 シリコン基板 25 接着層 26 拡散防止層 27 レジスト層 28 Auメッキ層 30 キャピラリ 31 Auワイヤ 32 電気トーチ 33 Auボール 34 Auボール部 35 金属ろう材 36 電極 37 回路基板 38 加熱ステージ 39 ろう材供給形状 40 スキージ 41 金属製マスク 42 クリームハンダ 43 支持フィルム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 芳正 東京都港区芝五丁目7番1号日本電気株 式会社内 (56)参考文献 特開 平2−33944(JP,A) 特開 平2−206137(JP,A) 特開 平2−273945(JP,A) 特開 平4−65846(JP,A)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属線材の送り穴を有する柱状の支持ツ
    ールの前記送り穴を通して前記金属線材を一定長送り出
    すとともに前記支持ツールを下降させて前記支持ツール
    の先端部で金属リードまたは基板を押さえた後、前記支
    持ツールと互いの長手方向の一端面で接触する柱状の加
    圧ツールを摺動し前記送り穴から一定長付き出た金属製
    線材を切断するとともに前記加圧ツールの摺動を続けて
    前記金属リードまたは基板に前記切断された金属線材を
    圧着することを特徴とする金属突起物の形成方法。
  2. 【請求項2】 金属リードまたは基板はTAB方式のフ
    ィルムキャリヤの金属リードまたは半導体素子である請
    求項1記載の金属突起物形成方法。
  3. 【請求項3】 先端部近傍に金属線材の送り穴を設けた
    柱状の支持ツールと、前記支持ツールと長手方向の一端
    面で互いに接しながら摺動する柱状の加圧ツールと、前
    記支持および加圧ツールの少なくとも一方のツールの摺
    動案内を行う摺動ガイドと、前記送り穴に金属線材を一
    定長送り込む機構とを有することを特徴とする金属突起
    物形成治具。
  4. 【請求項4】 加圧ツールの先端面に凹部を設けた請求
    項3記載の金属突起物形成治具。
  5. 【請求項5】 線状の金属ろう材の送り穴を有する柱状
    の支持ツールを電極上の所定位置に位置決めするととも
    に、前記支持ツール送り穴より金属ろう材を電極長に応
    じて所定長送りだし、前記支持ツールと互いに長手方向
    の一端面で接触し摺動する加圧ツールにより前記送り出
    された金属ろう材を切断した後、加圧ツールの摺動を続
    け切断された金属ろう材を前記電極に圧着することを特
    徴とする金属ろう材の供給方法。
  6. 【請求項6】 電極がプリント回路基板上の電極である
    ことを特徴とする請求項5記載の金属ろう材供給方法。
  7. 【請求項7】 電極が電子部品と金属リードであること
    を特徴とする請求項5記載の金属ろう材供給方法。
  8. 【請求項8】 先端部近傍に金属ろう材の送り穴を設け
    た柱状の支持ツールと、この支持ツールと長手方向の一
    端面で互いに接しながら摺動する柱状の加圧ツールと、
    前記支持ツールおよび加圧ツールの少なくとも一方のツ
    ールの摺動案内を行う摺動ガイドと、前記送り穴より金
    属ろう材を電極長に応じて所定長送り出す送り機構とを
    有することを特徴とする金属ろう材供給治具。
  9. 【請求項9】 加圧ツールの先端面に凹部を設けたこと
    を特徴とする請求項8記載の金属ろう材供給治具。
  10. 【請求項10】 金属線材の送り穴を有する柱状の支持
    ツールまたは基板ステージを駆動させ前記支持ツールの
    先端面と前記基板面とが所定距離になるように位置決め
    した後、前記支持ツールと互いの長手方向の一端面で接
    触する柱状の加圧ツールを摺動し前記送り穴から一定長
    送り出された金属線材を切断するとともに前記加圧ツー
    ルの摺動を続けて前記切断された金属線材を前記基板に
    圧着することを特徴とする金属突起物の形成方法。
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