CN1157503C - 微小金属球的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种高效制造外径1mm以下的Cu球等微小金属球的方法，使用由在槽内圆周部配设有阴极4、在槽内中央部配设有阳极6的可沿水平方向旋转的密闭镀槽3、和在其外侧配设的防溅槽8构成的2重结构容器的施镀装置，将直径0.3mm以下的金属线切断成要求长度并将其熔融凝固得到的起始金属片11装入镀槽3内，在将镀液送入槽内的同时使镀槽(3)以50～800rpm沿水平方向高速正转和反转并使槽内的镀液由圆周部侧排出，周期性地重复上述步骤，在所要求的条件下进行电镀，由此不产生凝集，而在上述起始金属片上以要求的膜厚得到良好的镀膜，从而能够得到外径1mm以下的高精度的微小金属球。

Description

微小金属球的制造方法
本发明涉及高效地制造外径1mm以下的Cu球等微小金属球的方法，涉及将直径0.3mm以下的Cu等金属线切断成要求长度、将其熔融凝固制成起始金属片、使用可以水平旋转的镀槽、使其周期地高速反复正转反转、藉此在表面镀上Cu、钎料等合金或金属、得到外径1mm以下的高精度的微小金属球的微小金属球的制造方法。
历来，作为BGA(Ball Grid Array)型半导体插件凸出芯材使用的微小球，直径为0.1mm-1.0mm程度，作为材质，除了规定组成的钎料之外，最近考虑到电特性和机械特性，提出了将科瓦铁镍钴合金(Ni-Co-Fe合金)、Cu、42Ni-Fe合金等金属球作为芯材，再被覆焊料材的镶尖载体(特开昭62-112355号)。
作为上述微小球的制造方法，提出了将熔融金属滴下到一定温度的液体中、因金属自身的表面张力而球形化、再直接凝固的所谓液体中滴下方法(特开平7-252510号)，用金属模成形等所谓机械的塑性加工方法(特开平4-354808号)，将金属粒或金属片在非氧化气氛中载置在平板上、一边施加振动一边加热熔融、因其表面张力而球形化、再直接凝固的振动加热法(特公平2-50961号)等。
使用上述的液体中滴下方法或机械的塑性加工方法，能够得到比较大直径的微小球，但是作业性都很恶劣，不适合大量生产，特别是液体中滴下方法尺寸精度波动大，为确保具有BGA型半导体插件用凸出部所要求的尺寸精度的微小球，还有必要经分级分离出所要外径的金属球，这成为产率非常低而成本高的主要原因。
此外，使用机械的塑性加工方法必须按球径选用各种金属模，也成为上述作业性差成本高的主要原因。
使用在夹具内加热熔融得到金属球的方法时，因各个切断片单重的波动引起所得金属球外径的波动，例如在钎料那样柔软金属的场合，由于得到具有同样单位重量的金属球很困难，所以产生球径波动，具有与液体中滴下方法同样的产率非常低的问题。
本发明解决了上述问题，其目的在于，提供一种能够极有效地制造作为BGA(Ball Grid Array)型半导体插件凸出芯材有效的、产量性优良而且尺寸精度高的微小金属球、特别是外径1mm以下的微小金属球的微小金属球的制造方法
本发明人以高效地制造外径1mm以下的Cu球等微小金属球的方法作为目的，进行了种种研究，结果得知，将直径0.3mm以下的Cu等金属线切断成要求长度、将其熔融凝固球状化制成起始金属片、使用可以水平旋转的镀槽、使其周期地高速反复正转反转、在表面镀上Cu等金属或钎料等合金、由此可得到高精度的外径1mm以下的微小金属球，从而完成了本发明。
即，本发明是以下这样一种微小金属球的制造方法，例如，使用可沿垂直轴水平旋转的电镀槽，所述可沿水平方向旋转的槽的内圆周部配设有阴极、在槽内中央部配设有阳极，镀槽的构造使得供入槽内的镀液由旋转圆周部排出，将直径0.3mm以下的金属线切断成要求长度，例如切断成金属线长度L和直径D的比L/D为0.7～1.5，将其熔融凝固得到的起始金属片装入上述镀槽内，一边使该镀槽周期重复地以转速50～800rpm按要求方向正转接着反转，一边例如在离子浓度1～70g/l、电流密度0.05～10A/dm2的镀浴条件下，使起始金属片与槽内圆周部的阴极电接触，施加所要金属或合金的电镀，得到外径1mm以下的微小金属球。
图1A是本发明用的水平旋转型施镀装置的纵断面说明图，图1B是详细显示镀槽底部的主要部位的纵断面说明图。图2是显示控制镀槽旋转的基本控制曲线一例的说明图。
图1示出了本发明方法所用的水平旋转型施镀装置的构造。施镀装置的构成如下：以垂直轴1支持的台面2上载置的圆锥状镀槽3作为主体，镀槽3因垂直轴1的旋转而水平旋转，在镀槽3的底部圆周上设置环状的阴极部(阴极)4，在镀槽3的中央部设置阳极部(阳极)6，如图所示，镀液用泵由溶液管7送入镀槽3内，同时通过设置在阴极部4下部的由通气性良好的多孔质板构成的多孔环5以对应于水平旋转速度的流速排出到镀槽3的圆周部外，由以覆盖镀槽3的方式配置的防溅槽8的排出口9排出镀液。
镀槽3旋转时，通过安装在镀槽3内的液面传感器10，补给对应于转速而由多孔环5流出的镀液，将镀液面维持在所定的高度。
本发明施镀方法的特征是，由于使镀槽3以特定的转速正转、然后反转、使其周期地反复进行，因此微小的起始金属片11由于镀槽3旋转和停止时引起的离心力和惯性力而反复对圆周壁面堆积和崩散，慢慢地一边改变位置一边施镀，因此难以引起凝集。
因而，在本发明的施镀方法中，起始金属片11反复对圆周壁面堆积和崩散，但外径大的金属片不能获得达到阴极的足够的运动能量而不施镀，相反，外径小的金属片则可以因施镀而增大镀层直到作为目的的外径，结果，起始金属片11经镀层而成为外径一致的微小金属球。
在本发明中，要将起始金属片11制成所定外径的微小金属球，虽然也会因后述的转速而不同，但通过改变镀槽底部3a面和阴极部4下面之间的距离h，就可以得到任意外径的微小金属球，因此要得到所定外径的微小金属球，就可以适宜选定多孔环5或代替它的绝缘体垫板的厚度，因此具有能够降低设备成本的优点。
图2示出了控制镀槽3旋转的基本控制曲线的一个例子。基本上由加速旋转→匀速(高速)旋转→减速旋转→停止的动作组成，各部分的时间设定可以自由编程。在本发明中，由于只在所定的高速旋转的匀速旋转时通电进行施镀，所以微小金属球因旋转造成的离心力使其与阴极充分接触，因此生成均一优质的金属薄膜，可得到优质的微小金属球。
在本发明中，将金属线切断成要求长度并熔融制成起始金属片，但金属线的直径超过0.3mm时，线材切断长度不可避免的波动引起起始金属片外径波动增大，由于使外径达到均一一致的施镀需要更多的时间，因此不佳，金属线的直径优选在0.3mm以下。
在本发明中，金属线的长度L和直径D之比L/D不足0.7时，线材的切断困难，超过1.5时，要经熔融得到接近球体的金属片变得困难，因此L/D为0.7～1.5较佳。
在本发明中，与一般的电镀同样，按照目的金属的种类、合金组成使用金属作为阳极，但阴极可将钛、铂等不溶性电极在圆周壁安装成环状使用，对应于目的微小金属球的外径，在离镀槽底部面设定一定距离的位置配设使用。例如，在镀槽转速500rpm的条件下制造外径0.25mm的Cu球的场合，在离镀槽底部面15mm的位置配设阴极为佳。
在本发明中，Cu、钎料、科瓦铁镍钴合金(Ni-Co-Fe合金)等任何能够经施镀形成金属薄膜的金属都可用来制造微小金属球，镀液中的离子浓度、阴极电流密度按照作为对象的起始金属片和施镀金属适宜选定，作为镀浴条件，希望离子浓度1～70g/l，电流密度0.05～10A/dm2。
例如，在制造Cu球时，镀液中的Cu离子浓度不足40g/l时，极间电压高，发生气体，超过70g/l时，引起不均化反应，得不到优质的镀膜，因此优选40～70g/l，更佳的条件是50～60g/l。电流密度不足1A/dm2时生产性差，镀膜表面有麻点，得不到良好的镀膜，超过10A/dm2时，施镀反应时产生的气体多，担心产生气孔。因此优选1～10A/dm2，更佳为3～5A/dm2。
另外，在制造Au球时，镀液中的Au离子的浓度优选为1～15g/l，更佳的条件为2～12g/l，电流密度优选为0.05～2A/dm2，更佳为0.1～1A/dm2。
在本发明中，镀槽的转速不足50rpm时，得不到足够的离心力，与阴极的接触不充分，因此镀层表面的突起多，有麻点，得不到良好的镀膜，而超过800rpm时，发生镀液的飞散，不能稳定施镀，因此优选50～800rpm。
在本发明中，正转、反转的周期不足3秒时，通电时间的比例小，能量不够，超过8秒时，与阴极的接触时间长，金属球的一部分会粘着在阴极部，因此正转反转的周期优选为3～8秒，通电的匀速旋转时间优选为2～6秒，此外，正转时间和反转时间不论相同或不同均可。
在本发明中，使用的镀液按照金属种类适宜选定，在镀Cu时，可以使用含硫酸铜、焦磷酸铜等的镀液，在镀钎料的场合，可使用含烷醇磺酸锡、烷醇磺酸铅、苯酚磺酸锡、苯酚磺酸铅等的镀液。
实施例
实施例1
将直径D 0.20mm的Cu细线切断成长度L为0.2mm，长度L和直径D之比L/D为1，将其熔融球状化，制成15万个起始金属片，为了得到外径0.25mm±0.015mm的Cu球，使用含Cu55g/l的硫酸浴作为Cu镀浴，在浴温30℃实施电镀。
施镀条件：将钛环配置在离槽底部15mm的位置作为阴极，使用含磷铜作为阳极板，进行9小时由镀槽水平转速500rpm、电流密度3A/dm2、正转、反转周期6秒构成的电镀，在Cu起始金属片表面镀覆Cu镀层。
测定所得金属球的粒度分布，以及以外径0.25mm±0.015mm作为合格时的收率，示于表1。此外，粒度分布由取样200个测定的平均值及最大值、最小值求出。
比较例1
为了得到外径0.25mm±0.015mm的Cu球，将直径0.20mm的Cu细线切断成长度L为0.25mm，测定在振动平板上用加热熔融法所得金属球的粒度分布，以及以外径0.25mm±0.015mm作为合格时的收率，示于表1。粒度分布采用与实施例1同样的方法进行。
实施例2
将直径D 0.15mm、Sn/Pb＝1/9的钎料细线切断成长度L为0.15mm，长度L和直径D之比L/D为1，将其熔融球状化，制成10万个起始金属片，为了得到外径0.20mm±0.012mm的钎料球，使用含有含锡2.3g/l、铅7.7g/l的烷醇磺酸、和半光泽剂的pH小于1的镀液作为钎料镀浴，在浴温23℃实施电镀。
施镀条件，将钛环配置在离槽底部18mm的位置作为阴极，使用Sn/Pb＝1/9的钎料作为阳极板，进行6小时由镀槽水平转速600rpm、电流密度0.4A/dm2、正转、反转周期5秒构成的电镀，在钎料起始金属片表面被覆钎料镀层。
测定所得金属球的粒度分布，以及以外径0.20mm±0.012mm作为合格时的收率，示于表1。粒度分布采用与实施例1同样的方法进行。
比较例2
为了得到外径0.20mm±0.012mm的钎料球，将直径0.18mm、Sn/Pb＝1/9的钎料细线切断成长度L为0.17mm，测定在振动平板上用加热熔融法所得金属球的粒度分布，以及以外径0.20mm±0.012mm作为合格时的收率，示于表1。粒度分布采用与实施例1同样的方法进行。
表1
  粒度分布  收率
实施例1   0.253±0.018mm  97％
实施例2   0.197±0.015mm  95％
比较例1   0.246±0.035mm  86％
比较例2   0.205±0.029mm  82％
本发明如实施例所述，将直径0.3mm以下的Cu等金属线切断成要求长度、将其熔融凝固球状化制成起始金属片、使用可以水平旋转的镀槽、使其周期地高速反复正转反转、在表面镀上Cu等金属或钎料等合金，因此微小金属球自身不发生凝集，制成高精度的具有1mm以下所要求外径的微小金属球，并且可以高效率地大量生产。

Claims (3)

1、微小金属球的制造方法，其特征在于，使用可沿垂直轴水平旋转的电镀槽，所述槽内圆周部配设有阴极、在槽内中央部配设有阳极，镀槽的构造使得供入槽内的镀液由旋转圆周部排出，将金属细线切断成要求长度，将其熔融凝固得到的起始金属片装入上述镀槽内，一边使该镀槽周期重复地按要求方向正转接着反转，一边使起始金属片与槽内圆周部的阴极电接触，施加所要金属或合金的电镀，制成外径1mm以下的微小金属球，其中该金属细线具有0.3mm或更小的直径和一定长度，使得金属细线长度L和直径D的比值L/D为0.7～1.5；并且镀浴条件包括1-70g/l的离子浓度。
2、权利要求1所述的微小金属球的制造方法，其特征在于，使镀槽以转速50～800rpm旋转。
3、权利要求1所述的微小金属球的制造方法，其特征在于，镀浴条件包括0.05～10A/dm2的电流密度。
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Termination date: 20160930