JP2000332047A - はんだボールの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 はんだボールの形状不良率を下げてその歩留
まりが改善されるはんだボールの製造方法を提供するこ
と。 【解決手段】 先端側が油面内に浸漬されたノズル６先
端からはんだの融点以上に加熱された油２中に向けて熔
融はんだ５を吐出させ、かつ、この吐出された熔融はん
だをはんだの融点以上に加熱された油内高温領域中で分
断させながら油内下方へ降下させると共に、分断された
はんだの液球を油内高温領域下方に隣接する油内低温領
域で固化させてはんだボール８を得るはんだボールの製
造方法であって、ノズル直下から油内下方へ向けその長
さが１５ｃｍ以上の油内高温領域を設けると共に油内高
温領域下方に隣接する油内低温領域の温度勾配を１５℃
／ｃｍ以上に設定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パッケージ
における実装の際等に利用されるはんだボールの製造方
法に係り、特に、はんだボールの形状不良率を下げてそ
の歩留まりが改善されるはんだボールの製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体パッケージの実装形態は、
図３に示すようにパッケージａの周囲にリード端子ｂを
配列させたいわゆるＱＦＰ（クワッドフラットパッケー
ジ）が主流であった。しかし、近年における電子機器の
小型軽量化に伴い半導体パッケージの高密度実装の要求
が高まってきた。

【０００３】このため、最近では高密度実装が可能な外
部端子として図４に示すようにはんだバンプｃを格子状
に配列させたＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）や、より
高密度実装が可能なＣＳＰ(チップサイズパッケージ）
等が使用され、更に、半導体チップの電極パッドに突起
電極を形成しパッケージ内基板と直接電気的接続を行う
フリップチップ実装等も使用されてきている。尚、図
３、図４中のｄは半導体チップを示し、また、図４中の
ｅはセラミックキャリア（パッケージ内基板）、ｆは半
導体チップｄの電極パッド、ｇはセラミックキャリアｅ
に設けられ電極パッドｆとはんだバンプｃとを接続させ
る配線パターンをそれぞれ示している。

【０００４】そして、はんだボールは上記ＢＧＡ等半導
体パッケージの外部端子用材料として利用されており、
また、ＣＳＰやフリップチップ実装の突起電極用として
は小径のはんだボールが要求される。

【０００５】ところで、半導体パッケージにおける実装
等に用いられるはんだボールは真球に近いものが望まれ
る。

【０００６】このため、上記はんだボールは、従来、油
中アトマイズ法と呼ばれる以下に述べるような方法によ
り製造されている。図５は、油中アトマイズ法に用いら
れる製造装置の一例を示している。

【０００７】すなわち、この製造装置ｉは、内部に大豆
油等の油ｊが収容されその上方部に加熱手段ｋが設けら
れたカラム（管体）ｍと、このカラムｍの上方側に配置
されその先端側がカラムｍの油面内に浸漬されかつ内部
に熔融はんだｈが収容されたノズルｎとでその主要部が
構成されている。そして、熔融はんだｈは上記ノズルｎ
先端からはんだの融点以上に加熱された油ｊ中に向け吐
出され、この吐出された熔融はんだｈの液柱ｐは、熔融
はんだ自身の表面張力や重力等の作用を受けて油内高温
領域中で分断され、熔融はんだ自身の表面張力で球形と
なり、かつ、このはんだの液球が油内下方へ降下し、油
内高温領域下方に隣接する油内低温領域で固化されて球
形のはんだボールが得られる。

【０００８】尚、上記カラムｍ内における油ｊ中の温度
分布は、ノズルｎ先端とその近傍領域を含む油内高温領
域（すなわち、加熱手段ｋが配設されて加熱されている
油内領域）HTがはんだの融点より約１０℃以上高い温度
になっており、この油内高温領域HT下方に隣接する油内
低温領域（すなわち、加熱手段が配設された部位より下
部側で加熱されていない油内領域）LTから温度が下が
り、カラムｍの最下部では略室温程度の温度になってい
る。また、アトマイズ（すなわち、はんだボールの製
造）を続けると、徐々に上記油内高温領域HTの長さがカ
ラムｍ下方へ向かって伸びていく。すなわち、はんだボ
ールの製造開始時点では上記油内高温領域HTの長さは短
くその直下の油内低温領域LTの温度勾配は比較的大きく
なっているが、製造開始後２時間程度の時点では、はん
だ液球が油内下方へ持ち込む熱エネルギーの累積により
油内高温領域HTが長くなりその下方の油内低温領域LTの
温度勾配は小さくなっている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
製造装置を用いた油中アトマイズ法では大量のはんだボ
ールが簡便に得られる利点を有する反面、はんだボール
が２個連なって固化したヒョウタン型不良品（図６参
照）が含まれ易い欠点を有していた。

【００１０】そして、球形でないはんだボール不良品の
存在比（不良率）は、上述した油内高温領域の長さと油
内低温領域における温度勾配の経時変化に起因してアト
マイズ開始からの時間変動と日毎の変動があり、その幅
は５〜２０％程度に達し、その分、歩留まりが下がると
いった問題点を有していた。

【００１１】本発明はこのような問題点に着目してなさ
れたもので、その課題とするところは、はんだボールの
形状不良率を下げてその歩留まりが改善されるはんだボ
ールの製造方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明者が鋭意
検討を行った結果、油中アトマイズ法においては、ノズ
ル先端から油中に吐出された熔融はんだの液柱が分断さ
れかつはんだの液球となって油内下方へ降下する長さと
この液球が固化する領域における温度勾配の大きさが上
記はんだボールの形状不良率に影響していることを見出
すに至った。本発明はこのような検討を経て完成された
ものである。

【００１３】すなわち、請求項１に係る発明は、先端側
が油面内に浸漬されたノズル先端からはんだの融点以上
に加熱された油中に向けて熔融はんだを吐出させ、か
つ、この吐出された熔融はんだをはんだの融点以上に加
熱された油内高温領域中で分断させながら油内下方へ降
下させると共に、分断されたはんだの液球を油内高温領
域下方に隣接する油内低温領域で固化させてはんだボー
ルを得るはんだボールの製造方法を前提とし、上記ノズ
ル直下から油内下方へ向けその長さが１５ｃｍ以上の油
内高温領域を設けると共に、この油内高温領域下方に隣
接する油内低温領域の温度勾配を１５℃／ｃｍ以上に設
定することを特徴とするものである。

【００１４】そして、請求項１記載の発明に係るはんだ
ボールの製造方法によれば、上記ノズル直下から油内下
方へ向けその長さが１５ｃｍ以上の油内高温領域が設け
られているため、油内高温領域を降下して油内低温領域
に達するまでにはんだ液球の存在密度が小さくなり、か
つ、油内高温領域下方に隣接する油内低温領域の温度勾
配が１５℃／ｃｍ以上に設定されているため、上記はん
だ液球が固化するために要する時間が短くなる。従っ
て、上記油内低温領域において固化途中におけるはんだ
ボールの衝突する確率が低下するためはんだボールの形
状不良率を低下させることが可能となる。

【００１５】更に、油内高温領域下方に隣接する油内低
温領域の温度勾配が１５℃／ｃｍ以上に設定されている
ため、アトマイズにより上記はんだ液球が油内下方へ熱
エネルギーを持ち込む状態が続いても冷却されて熱エネ
ルギーが蓄積され難くなることから、油内における温度
分布の経時変化が小さくなり、その分、はんだボールの
形状不良率を更に低下させることが可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１７】この実施の形態に係るはんだボールの製造
装置１は、図１に示すように内部に油２が収容されその
上方内部に第一加熱手段３１が設けられたカラム（管
体）４と、このカラム４の上方側に配置されその先端側
がカラム４の油面内に浸漬されると共に内部に熔融はん
だ５が収容されたノズル６と、このノズル６先端近傍の
下方側でかつ上記カラム４外周面に設けられノズル６直
下から油内下方領域を加熱する第二加熱手段３２と、こ
の第二加熱手段３２の下方側でかつ上記カラム４外周面
に設けられ第二加熱手段３２により加熱される領域と隣
接する油内下方領域を冷却させる冷却手段７とでその主
要部が構成され、上記カラム４の下方側には製造された
はんだボール８を堰止めるバルブ９が設けられている。

【００１８】尚、上記カラム４やノズル６は一般にガラ
スを用いて作製され、カラム４内に収容される油２とし
てはヤシ油、大豆油等の植物油やシリコーン油等の合成
油が用いられる。また、油２を加熱して油内高温領域を
形成する加熱手段としては、油中に配設されたステンレ
ス製パイプヒーター等の加熱手段３１あるいは上記カラ
ム４の外周に取り付けられたマントルヒーター状の加熱
手段３２等任意のものが適用される。また、油内高温領
域下方に隣接する油内下方領域を冷却させて油内低温領
域を形成する冷却手段としては、水冷方式あるいは空冷
方式等任意の方式の冷却器が適用できる。

【００１９】また、ノズル６から熔融はんだ５を吐出さ
せる駆動力は、熔融はんだの自重であったり、自重と熔
融はんだ上面に作用するガス圧であったりする。尚、ノ
ズル口径、熔融はんだの液面高さ（すなわち、ノズル６
内に収容された熔融はんだ５のノズル先端から熔融はん
だ５液面までの距離）、ガス圧は、所望のはんだボール
を得るために必要とされる熔融はんだの吐出流量に影響
し、目的とするはんだボール径により適宜選択される。

【００２０】ところで、はんだボールが２個連なった上
述のヒョウタン型不良品は、はんだ液球が固化する途中
で衝突することにより形成される。この不良品の形成を
抑制するためには、固化途中の２個のはんだボール(は
んだ液球)が衝突する確率を減らすことが必要である。
そして、この衝突の確率を下げるためには、油内低温領
域(すなわち冷却領域)における固化途中のはんだボール
(はんだ液球)の存在密度を下げることと、固化途中で存
在する時間を短くすることが有効である。

【００２１】そして、油中アトマイズ法に使用される製
造装置においてノズル先端から吐出されかつ分断された
液球は分断直後は一直線上に並んで降下しているが、油
内を降下しながら徐々に広がっていく。すなわち、固化
する前の降下距離が長いほど液球の存在密度が小さくな
る。そこで、油内低温領域(冷却領域)に到達する前に液
球の存在密度が十分小さくなるように上記ノズル直下に
おける油内高温領域の長さを十分大きくとることが不良
品形成の抑制に有効である。そして、この油内高温領域
の形成は、上記ノズル先端近傍の下方側に上述の第二加
熱手段３２を配置することで実現でき、その長さは加熱
手段の長さにより、あるいは図２に示すように第二加熱
手段を複数の加熱手段３２ａ、３２ｂで構成することに
より変更可能である。

【００２２】尚、上記ノズル６直下から油内下方へ伸び
る油内高温領域の長さは、図１の製造装置において１５
ｃｍ、図２の製造装置において２６ｃｍであった。

【００２３】次に、上記第二加熱手段により形成された
油内高温領域を降下してきた液球は、第二加熱手段の配
置部位から下方へ離れるに従い冷却が開始される。液球
が冷却されて固化が終了するまでの長さ(固化速度)は上
記油内高温領域下方に隣接する油内低温領域の温度分布
(温度勾配)により決まる。すなわち、油内低温領域の温
度勾配を大きくすることで液球が固化するのに要する時
間(固化時間)を小さくすることができ、固化時間を小さ
くすることが固化途中におけるはんだボールの衝突する
機会を減らすことに有効である。そして、上記油内低温
領域の温度分布(温度勾配)は、油内高温領域を形成する
上記第二加熱手段の温度とこの二加熱手段の下方側に設
けられた冷却手段の冷却レベルにより決定される。

【００２４】尚、上記油内低温領域の温度勾配は、図１
および図２の製造装置においては１５〜２０℃／ｃｍで
あった。

【００２５】また、図１および図２の製造装置において
は油内低温領域の温度勾配が上述したように１５〜２０
℃／ｃｍに設定されていることから、はんだ液球が油内
下方へ熱エネルギーを持ち込む状態が続いても冷却され
て熱エネルギーの蓄積が起こり難くなっているため、ア
トマイズ開始時点からの油内における温度分布の経時変
化は小さいものであった。

【００２６】このようにこの実施の形態に係るはんだボ
ールの製造装置１においては、ノズル６直下から油内下
方へ向けその長さが１５ｃｍ以上の油内高温領域が設け
られているため油内高温領域を降下して油内低温領域に
達するまでにはんだ液球の存在密度が小さくなり、か
つ、油内高温領域下方に隣接する油内低温領域の温度勾
配が１５℃／ｃｍ以上に設定されているため上記はんだ
液球の固化時間が短くなる。

【００２７】従って、上記油内低温領域において固化途
中におけるはんだボールの衝突する機会が少なくなるた
め、はんだボールが２個連なったヒョウタン型不良品の
形成を低減できる利点を有している。

【００２８】また、油内高温領域下方に隣接する油内低
温領域の温度勾配が１５℃／ｃｍ以上に設定されている
ため、油内における温度分布の経時変化が小さくなり、
その分、上記ヒョウタン型不良品の形成を更に低減でき
る利点を有している。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００３０】[実施例１〜３]図１および図２に示した構
成の製造装置１を使用して以下の表１に示す温度分布の
条件［すなわち、ノズル直下から油内下方へ伸びる油内
高温領域の長さ(ｃｍ)、油内低温領域の温度勾配(℃／
ｃｍ)］で、５時間連続してアトマイズを行いはんだボ
ールを製造した。

【００３１】尚、はんだの組成は錫６３％(重量)と鉛３
７％(重量)とし、使用した油は大豆油、ノズル口径は４
００μｍ、ノズル先端近傍の油の温度は２３０℃とし
た。

【００３２】そして、これ等製造装置を用いて得られた
はんだボールについてアトマイズ開始直後から１時間毎
にサンプリングし、はんだボールが２個連なったヒョウ
タン型不良品の存在比(不良率)の経時変化を評価した。
この形状不良率の５時間の平均値を以下の表１に示す。

【００３３】［比較例１〜２］表１に示した温度分布の
条件［すなわち、ノズル直下から油内下方へ伸びる油内
高温領域の長さ(ｃｍ)、油内低温領域の温度勾配(℃／
ｃｍ)］を除き実施例１〜３と同様の条件によりはんだ
ボールを製造した。すなわち、比較例１では油内高温領
域の長さ(ｃｍ)が本発明の条件外である１２ｃｍに設定
され、比較例２では油内低温領域の温度勾配(℃／ｃｍ)
が本発明の条件外である１０℃／ｃｍに設定されてい
る。

【００３４】そして、実施例と同様に得られたはんだボ
ールについてアトマイズ開始直後から１時間毎にサンプ
リングし、はんだボールが２個連なったヒョウタン型不
良品の存在比(不良率)の経時変化を評価した。この形状
不良率の５時間の平均値も以下の表１に示す。

【００３５】

【表１】 『確 認』表１の結果から、実施例１〜３では形状不
良率の５時間平均値が１．２％以下であるのに対し、比
較例１〜２では形状不良率の５時間平均値が５％以上で
あり実施例の優位性が確認される。

【００３６】また、表１に示してはいないが、実施例１
〜３での形状不良率の経時変化ではアトマイズ開始直後
がいずれも１％を超えていたが２％未満であり、かつ、
以降はいずれの時間帯でも１％未満であった。すなわ
ち、各実施例における形状不良率の経時変化は従来に較
べて小さいことが確認された。

【００３７】

【発明の効果】請求項１記載の発明に係るはんだボール
の製造方法によれば、ノズル直下から油内下方へ向けそ
の長さが１５ｃｍ以上の油内高温領域が設けられている
ため、油内高温領域を降下して油内低温領域に達するま
でにはんだ液球の存在密度が小さくなり、かつ、油内高
温領域下方に隣接する油内低温領域の温度勾配が１５℃
／ｃｍ以上に設定されているため、上記はんだ液球が固
化するために要する時間が短くなる。

【００３８】従って、上記油内低温領域において固化途
中におけるはんだボールの衝突する機会が低下するため
はんだボールの形状不良率を低下できる効果を有する。

【００３９】また、油内高温領域下方に隣接する油内低
温領域の温度勾配が１５℃／ｃｍ以上に設定されている
ため、アトマイズにより上記はんだ液球が油内下方へ熱
エネルギーを持ち込む状態が続いても冷却されて熱エネ
ルギーの蓄積が起こり難いことから、油内における温度
分布の経時変化が小さくなり、その分、はんだボールの
形状不良率を更に低下できる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態(実施例１〜３)に係る製造装置の概
略構成説明図。

【図２】他の実施の形態(実施例１〜３)に係る製造装置
の概略構成説明図。

【図３】ＱＦＰ(クワッドフラットパッケージ)の一部切
り欠き概略斜視図。

【図４】ＢＧＡ(ボールグリッドアレイ) の一部切り欠
き概略斜視図。

【図５】従来例に係るはんだボール製造装置の概略構成
説明図。

【図６】従来例に係る製造装置で形成され易いヒョウタ
ン型不良品の説明図。

【符号の説明】

１ はんだボール製造装置 ２ 油 ４ カラム（管体） ５ 熔融はんだ ６ ノズル ７ 冷却手段 ８ はんだボール ３１ 第一加熱手段 ３２ 第二加熱手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端側が油面内に浸漬されたノズル先端か
   らはんだの融点以上に加熱された油中に向けて熔融はん
   だを吐出させ、かつ、この吐出された熔融はんだをはん
   だの融点以上に加熱された油内高温領域中で分断させな
   がら油内下方へ降下させると共に、分断されたはんだの
   液球を油内高温領域下方に隣接する油内低温領域で固化
   させてはんだボールを得るはんだボールの製造方法にお
   いて、 上記ノズル直下から油内下方へ向けその長さが１５ｃｍ
   以上の油内高温領域を設けると共に、この油内高温領域
   下方に隣接する油内低温領域の温度勾配を１５℃／ｃｍ
   以上に設定することを特徴とするはんだボールの製造方
   法。