JP2001254108A

JP2001254108A - 微細金属球の製造方法並びに微細金属球製造装置

Info

Publication number: JP2001254108A
Application number: JP2000069567A
Authority: JP
Inventors: Koji Sato; 光司佐藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2000-03-14
Publication date: 2001-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置などにおけるマイクロソルダリン
グに用いられるはんだボールや、ハロゲン化金属ランプ
の封印発光粒子等、粒度分布が狭く真球度の高いものが
要求される微細金属球を傷、損傷、変形なく製造する方
法とそれに適する製造装置を提供する。【解決手段】本発明は、るつぼ内の溶湯に圧力と振動
を付与して、前記オリフィスから滴下した溶湯をチャン
バー内のガス雰囲気中で冷却凝固させて直径１０００μ
ｍ以下の微細金属球とし、該微細金属球の運動量を複数
回に分けて減衰して回収する微細金属球の製造方法と、
金属の溶湯を保持し、底部にオリフィスを有するるつ
ぼ、前記溶湯に振動を与える加振部、前記オリフィスか
ら押し出された溶滴が移動凝固するチャンバー、前記移
動凝固により生成した微細金属球を複数回往復させる減
衰手段とを具備する微細金属球製造装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細金属球の製造
方法並びにそれに用いる装置に関する。本発明は、半導
体装置などにおけるマイクロソルダリング用はんだボー
ルや、ハロゲン化金属ランプの封印発光粒子等、比較的
軟質で傷、損傷、変形を受けやすい微細金属球であり、
粒度分布が狭く真球度の高い微細金属球が要求される用
途に適する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体装置の組立に用いられる
微細金属球は、真球に近いものが要求される。半導体デバイス実装技術のＢＧＡ（ボール・グリッド・
アレイ）は広く用いられている。ＢＧＡは、キャリアに
バンプを設けて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微細金属球を、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。その他、はん
だボールと同様に比較的軟質で傷、損傷、変形を受けや
すいＧａなどハロゲン化金属ランプの封印発光粒子等の
微細金属球の需要が増加してきた。

【０００３】他方、微細金属球の製造方法として、均一
溶滴法、油中造球法、球状単分散粒子法などが知られて
いる。均一溶滴法は、例えば米国特許５２６６０９８号
公報に記載され、その具体例としてピエゾ振動子の振動
を加振ディスクにより溶湯に伝達し、複数のオリフィス
から噴出させてチャンバー内を移動凝固させるものであ
る。油中造球法は、例えば特開平７−２５２５１０号公
報に記載され、はんだの融点以上に加熱された油中で定
量切断したはんだを溶融球状化し、その後の冷却域の油
中を自重沈降中に冷却、固化させるものである。球状単
分散粒子法は、特開平６−１８４６０７号公報に記載さ
れ、ピエゾ振動子で駆動されたダイヤフラムを臨界変位
以上に変位させて溶湯を不活性ガス中に噴射して球状化
し、冷却水中で冷却した後、回収するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の均一溶滴法は、
基板上への溶着金属の生成を主体として、その改良発明
である特表平１１−５０１２５８号公報では鋳型なしで
溶着のみで３次元製品を製造する方法を開示している。
しかし、均一溶滴法をはんだボール等の製造に適用する
場合、傷つき易い金属球を巧く回収する方法は考案され
ていない。一方、油中造球法は、油中で回収するもので
あり、脱脂工程が大変手間であると同時に、脱脂不良の
問題も避けられない。また生産性を落とすだけではな
く、表面に残留した炭素により、ＩＣチツプへの搭載不
良など信頼性を下げることが多かった。球状単分散粒子
法は、いずれも油中、または水中で湿式回収するもので
あり、はんだボールと液体とを分離するために篩を通
し、乾燥する工程が必須であった。湿式工程は、はんだ
ボールの表面酸化を招来することが多く、篩工程は、目
詰まりを起こしやすく生産性を著しく低下するし、更に
はんだボールに傷、損傷等を与えて、半導体組立等の信
頼性を要求される用途には問題があつた。従って、本発
明の目的は、均一で狭い粒度分布を具備した微細金属球
製造を可能とする微細金属球の製造方法並びに装置を提
供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、るつぼ内の溶
湯に圧力と振動を付与して、前記るつぼの底部に設けた
オリフィスから溶湯を押し出し、前記オリフィスから滴
下した溶湯をチャンバー内のガス雰囲気中で冷却凝固さ
せて直径１０００μｍ以下の微細金属球とし、該微細金
属球の落下の運動量を複数回に分けて減衰して回収する
微細金属球の製造方法である。また、本発明は、金属の
溶湯を保持し、底部にオリフィスを有するるつぼ、前記
溶湯に振動を与える加振部、前記オリフィスから押し出
された溶滴が移動凝固するチャンバー、前記移動凝固に
より生成した微細金属球を複数回往復させる減衰手段と
を具備する微細金属球製造装置である。

【０００６】本発明者は、凝固した微細金属球の落下の
運動量を複数回に分けて減衰させることにより、真球度
が高く均一で狭い粒度分布を具備した微細金属球を傷、
損傷、変形を無くして得られることを見いだした。好ま
しくは、微細金属球が着地する位置に傾斜面部を設け
て、微細金属球がチャンバーの内壁部との間を複数回往
復して、運動量を減衰しつつ落下するように構成すれば
よい。より好ましくは、傾斜面部とチャンバーの内壁の
少なくとも一方にはゴム等の弾性体を内貼りすると良
い。

【０００７】

【発明の実施の形態】凝固した微細金属球の落下の運動
量を複数回に分けて減衰させることにより、微細金属球
に加わる衝撃は少なくなり、真球度が高く均一で狭い粒
度分布を具備した微細金属球を傷、損傷、変形を無くし
て得られる。その為には、好ましくは微細金属球が着地
する位置を傾斜させて、微細金属球がチャンバーの内壁
部と傾斜面の間を複数回、運動量を減衰させつつ落下す
るように構成すると良い。より好ましくは、傾斜面部と
チャンバーの内壁にはゴム等の弾性体を内貼りすると良
い。金属球を帯電させている場合は必要に応じて、接近
された金属表面と急激な電荷の放出なく、徐々に放電さ
せる機構をつけても良い。

【０００８】本発明を図１により説明する。溶湯１は加
振ロッド６により振動を付与され、るつぼ３の底部に設
けられたオリフィス２から押出され、チャンバー７内に
入る。加振ロッド６を振動させる振動子は磁歪振動子、
電磁ソレノイド等、何でも使えるが、更に好ましくは、
ピエゾ振動子が適切である。高周波発生の観点から一般
に共振周波数が高く、従って振動子の振動数と同数の金
属球が生産できるからである。更に好ましくは、前記ピ
エゾ振動子が積層型であることが好ましい。小型で大き
な振動が得られるからである。ピエゾ振動子は高温（約３７０Ｋ程度）になると、ピエ
ゾ素子としての機能が損なわれるので、るつぼの放熱の
影響を少なくするために離隔距離を大きく取ったり、冷
却を行う必要がある。

【０００９】前記チャンバー７内の雰囲気は、不活性ガ
ス、または不活性ガスである窒素ガスと水素ガス（８体
積％程度）の混合ガスを用いる。水素ガスを用いた場合
には、不活性ガス中の不純物である水分、酸素を捕捉で
きる利点がある。水分、酸素は溶湯が凝固するまでの間
に、金属球の表面を酸化するので極力低くすることが好
ましい。また、水素ガスには還元力もあるため、その点
からも微細金属球の酸化防止に効果的である。ここで、
雰囲気の圧力を０．０１〜０．３ＭＰａに加圧すると良
い。０．０１ＭＰａ未満の場合には、外部に対するチャ
ンバー内の雰囲気保持が不十分であり、０．３ＭＰａを
超える場合には圧力容器の安全設計がコスト高になるか
らである。従って、より好ましくは０．０２〜０．１５
ＭＰａ、更に好ましくは０．０５〜０．１２ＭＰａに加
圧することが望ましい。このように、チャンバー７内を
０．０１〜０．３ＭＰａに加圧すれば、気密性の向上し
たチャンバー内での溶滴は良好な実質的に層流状態での
移動を保証され、且つ凝固速度もガス密度の増加と共に
向上するためチャンバーの高さを減少できる。るつぼ３
の雰囲気も、溶湯１の酸化防止のために、不活性ガスと
するか、不活性ガスの若干の（約８体積％程度の）水素
ガスを混合しても良い。また、前記雰囲気の圧力は、チ
ャンバー７内の圧力よりも正圧であることが、溶湯１の
押し出しの為に必要条件である。

【００１０】前記加振ロッド６の材質は、溶湯１と反応
を起こさないものであれば良く、通常、ステンレス具鋼
を用いるが、窒化珪素、窒化アルミ等のセラミックスを
用いると加振ロッド６の共振点が高くなり振動子４の高
周波振動が効率的に伝達されると共に低比重の為に慣性
モーメントが小さくなり大振幅が得やすい利点がある。

【００１１】溶湯１にはチャンバー７に対して０．００
５〜０．３５ＭＰａ程度の正の差圧が加えられ、この差
圧が溶湯１を流れとしてオリフィス２を通して押し出
す。溶湯１には、所定の振動が加えられる。振動と、溶
湯１の表面張力とにより、溶湯１がオリフィス２から流
出するにつれて、溶湯１の流れは、連続した滴下溶滴か
ら、破砕して均一な粒度の溶滴を形成して、凝固して均
一な微細金属球を生成する。好適実施例においては、チ
ャンバー内の作業環境は不活性雰囲気である。また、溶
湯１を入れたるつぼ３から溶湯１を約０．００５〜０．
３５ＭＰａの高圧で押し出すためにガス制御した装置を
使用出来る。作動において、必要に応じ、作業環境は酸
素レベルを制限するために不活性ガスを導入することに
より繰り返し作業することが可能である。適当な最低酸
素レベルは種々の汚染レベルに露出される最終製品の特
性を測定することにより決めれる。

【００１２】本発明の１実施例を図１で具体的に説明す
る。溶湯１はオリフィス２から押し出されて、連続して
滴下する溶滴８を経て、振動効果により均一に分離独立
した微細球９となって冷却凝固される。金属微細球は円
錐状のゴム１０上に着地した後、チャンバー７の内壁に
内張されたゴム１０との間でバウンドを繰り返し、運動
量を複数回に分けて減衰する。これにより、微細金属球
が衝撃により変形したり、損傷することが防止される。
図１において、金属球回収口２０は、製造中は閉じてお
いてチャンバー７内の気密を図る。バッチ生産の場合に
は、溶滴製造が終了した後、金属球回収口２０を開け
て、チャンバーの外に設けた金属球回収容器に移す。あ
るいは、原料供給、溶湯押し出し、溶滴の移動凝固、回
収の全工程を全て気密に連通させた製造装置の中で本発
明を適用すれば、微細金属球の連続生産が可能となる。

【００１３】別の実施例である図２の構成は、るつぼ３
に連通した溶湯供給部１１を設けたもので、滴下する溶
湯の補充を行って、溶湯供給部１１の溶湯供給速度と、
前記オリフィス２からの溶湯流出速度が装置運転中に実
質的に同一であって、溶湯の供給と押し出され滴下、凝
固する微細金属球の製造が連続する様にした。この場
合、溶湯供給部１１の供給口１２から溶湯を連続供給す
る。これによりバッチ処理ではなく、連続鋳造装置のよ
うに連続的に大量の微細金属球を製造できる。溶湯供給
手段への金属の供給は、液状でも、インゴット等の固体
状で供給した後、図示しないヒータで溶融しても良い。

【００１４】溶湯供給部１１を設け、この溶湯供給部１
１からの溶湯１の供給とオリフィス２からの溶湯の押し
出しとのバランスを取れば、微細金属球の連続製造が可
能となる。溶湯供給は、るつぼ３内の溶湯１に乱れを生
じないように行う必要がある。従って、その条件を満た
せば、原料供給口１３からインゴットで供給しても良い
し、別に設けたるつぼで溶解した溶湯を補給しても良
い。なお、溶湯供給部１１を付加せずに、るつぼ３に初
期に投入した溶湯１だけでバッチ生産する場合には、る
つぼ３の底部とオリフィス２の間に、凹部ないしは段差
部を設けると、オリフィス付近の溶湯１の流れを実質的
に層流に保つと共に、押湯効果も期待できる。

【００１５】本発明において分離独立した溶滴９に高電
圧プレートの様な荷電手段（図示せず）によって溶滴を
荷電した場合には、溶滴同士の電気的な反発力が溶滴同
士の合体をより効果的に阻止できる。溶滴は同じ極性の
電荷が与えられるので、相互に反発して弾き合い再合体
せずに個別の独立した状態に留まり、そのため元の粒度
を保つ。なお、荷電手段を用いて、電気的反発力も利用
する場合には、分離独立した滴下溶滴の合体が強力に阻
止できる為、本発明においても複数のオリフィスを設け
て、各々に荷電部を設け、各々に本発明に係る回収部を
設けると、微細金属球の生産能力を大きく増やすことが
可能である。

【００１６】本発明の微細金属球製造装置を用いて直径
３５０μｍの６３Ｓｎ−Ｐｂはんだを製造した。るつぼ
３は１．２ＭＰａの窒素ガスを充填して操業した。ピエ
ゾ振動子は、日立金属（株）製の積層型ピエゾ素子（最
大変位量１５μｍ、周波数特性１．８ＭＨｚ）を用いて
溶湯１に振動を付与して、オリフィス２から押し出し
た。チャンバー７は８体積％の水素ガスを混合した窒素
ガスで充填して、溶滴の移動経路を取り巻いて螺旋状に
設けた冷却管に液化窒素を流した。チャンバー内の温度
は、ほぼ３℃であった。その結果、表面に傷、損傷、変
形の無い真球度０．９５以上の微細金属球が得られた。

【００１７】第１比較例として、従来の油中造球法（直
径１００μｍの細線を定量切断した個片を上部を高温加
熱した大豆油中で溶融、球状化し、その後、下部低温域
の油中で自重沈降時に冷却、固化）で製造してヘキサン
で脱脂した同組成のはんだボールでは、真球度、粒度分
布共に劣るものであった。また、はんだボール表面の金
属光沢も、本発明によるものに比べて鈍かった。更に、
本発明の製造装置で製造した微細金属球の表面をＳＥＭ
で分析したところ表面の炭素濃度、酸素濃度は検出限界
よりも少なかったが、比較例のＳＥＭ分析は炭素含有量
が表面で２３原子％、酸素濃度が１８原子％と汚染が激
しかった。この場合の分析は、ＳＥＭ像を５視野で画像
分析を行ない、円と仮定した場合の粒度分布（円相当
径）を求めた。真球度分布は、５視野のＳＥＭ像の各々
の粒について画像処理を行ない、真球度＝円相当径／最
大径としてその分布を求めた。

【００１８】また、第２比較例として球形単分散粒子法
によって、同一組成、直径のはんだボールを製造した。
この場合は、１オリフィス当たり、１秒間の生産量は、
本発明によると３，０００個であるのに対して、１０個
と生産性が悪かった。ダイヤフラムで臨界変位以上の変
位をかけてオリフィスから押し出す必要があるからであ
る。この場合には、ＳＥＭ分析によるはんだボール表面
の炭素含有量は、検出限界であるものの、酸素含有量は
３２原子％と却って高かった。水中で冷却するために、
酸化が油中よりも進んだためと思われる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によると、るつぼ内の溶湯に圧力
と振動を付与して、前記るつぼの底部に設けたオリフィ
スから溶湯を押し出し、前記オリフィスから滴下した溶
湯をチャンバー内のガス雰囲気中で冷却凝固させて直径
１０００μｍ以下の微細金属球とし、該微細金属球の運
動量を複数回に分けて減衰して回収したので、傷、損
傷、変形が無く、炭素、酸素による表面汚染が実質的に
無く、さらに真球度が高く且つ均一で狭い粒度分布を具
備した微細金属球の工業的な製造が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す図である。

【図２】本発明の別の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１溶湯、２オリフィス、３るつぼ、４振動子、
５伝達部材、６加振ロッド、７チャンバー、８
連続した溶滴、９分離独立した溶滴、１０弾性体、１
１溶湯供給部、１２溶湯供給口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与し
て、前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押
出し、前記オリフィスから滴下した溶湯をチャンバー内
のガス雰囲気中で冷却凝固させて直径１０００μｍ以下
の微細金属球とし、該微細金属球の落下の運動量を複数
回に分けて減衰して回収する微細金属球の製造方法。
【請求項２】金属の溶湯を保持し、底部にオリフィス
を有するるつぼ、前記溶湯に振動を与える加振部、前記
オリフィスから押し出された溶滴が移動凝固するチャン
バー、前記移動凝固により生成した微細金属球を複数回
往復させる減衰手段とを具備する微細金属球製造装置。