JP2004512952A - フラッシュエバポレーションによるロウの液滴の迅速な表面冷却 - Google Patents

Abstract

液体冷却剤のミストが、霧化された、溶融されたロウの液滴の経路中に導入される。チャンバ内のミストの条件および他の条件は、ミスト中の液体冷却剤の液滴が、溶融されたロウの液滴の表面と接触しそして接触時にフラッシュ蒸発されるのを可能にするように操作され、それによって、溶融されたロウの液滴から熱を迅速に抽出しそして冷却および凝固を加速して、増強されたロウ球をこのプロセスの生成物として生成する。ロウ球を生成するための方法であって、以下の工程：溶融されたロウを霧化して、溶融されたロウ球のスプレーを形成する工程；および該溶融されたロウ球のスプレーの経路中に液体冷却剤の液滴のミストを生成する工程であって、該液体冷却剤は、該冷却剤の液滴が該溶融されたロウ球と接触しそして該ロウ球との接触の際にフラッシュ蒸発されるのを可能にする、温度および液滴サイズを有する、工程、を包含する、方法。

Description

【０００１】
（背景）
表面取付け技術（ＳＭＴ）は、電子部品（例えば、抵抗、コンデンサー、コイル、トランジスタ、集積回路、チップキャリアなど）を回路基板および他の電子基板に取り付けるための望ましい方法であり、そして特に、小さい回路構造を製造するために望ましい。さらに、表面取付け技術は、プロセスの自動化および高密度電子機器製造に十分役に立つ。プロセスの自動化および高密度電子製造において、表面に取付け可能なマイクロエレクトロニクスデバイスが、ロウリフローイングプロセスによって、回路基板および電子基板に結合される。
【０００２】
例えば、表面に取付け可能な一般的なマイクロエレクトロニクスデバイス（「フリップチップ」と呼ばれる）は、集積回路デバイスを備え、その集積回路デバイスでは、多数の接続リード線が、その集積回路デバイスの下側に取り付けられたパッドに接続している。回路基板（フリップが取り付けられる）またはフリップチップ自体のいずれがが、小さいロウ（鑞）のバンプまたはロウの球（本明細書中で「ロウ球（ｓｏｌｄｅｒ　ｂａｌｌ）」または「ロウ球（ｓｏｌｄｅｒ　ｓｐｈｅｒｅ）」）を備え、そのロウ球は、チップパッドに対応する基板またはチップ上の位置に、位置決めされる。フリップチップは、（ａ）そのフリップチップを回路基板と接触させて、その基板とそのチップ下側の対応するパッドとの間で、そのロウ球が挟まれるように配置してアセンブリを形成すること；（ｂ）そのロウがリフロー（ｒｅｆｌｏｗ）する点までそのアセンブリを加熱すること；および（ｃ）そのアセンブリを冷却することによって、その回路基板に取り付けられる。冷却する際、そのロウは硬化し、それにより、その回路基板の表面にそのフリップチップが取り付けられる。
【０００３】
フリップチップ技術を使用するアセンブリにおける許容誤差は重要である。なぜなら、個々のマイクロエレクトロニクスデバイス間の間隔、およびチップと回路基板との間の間隔が、代表的には非常に小さいからである。例えば、基板の表面からチップまでの間隔は、約０．５〜約３．０ミル（約１２．７〜約７６．２μｍ）の範囲であり得、そして近い将来に、ミクロン単位の間隔に達すると予測される。
【０００４】
電子的接続はまた、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージを用いて達成され、このＢＧＡパッケージは、正確に制御された直径でありかつ傷のない表面状態のロウ球を、回路パッド間に配置することによって作製される。その後、ロウ球は、そのロウの合金の液化温度を超えるまで加熱し、それによってそのロウ球を融解し（これは、接触パッドをぬらし、そして流れる）、その回路基板と取り付けられる部品との間で、機械的接続および電子的相互接続を作製する。
【０００５】
リフローイング用およびＢＧＡロウ付け適用のためのロウおよびロウ球を製造するために一般的に使用される、ロウ合金としては、比較的軟らかい卑金属（例えば、鉛、錫、銀、アルミニウム、または銅）が挙げられ、このような卑金属は、ロウ球の製造の間、ならびにロウ球の輸送および貯蔵の間に、容易に損傷し得る。詳細には、ロウ合金球の流動噴射（ｓｔｒｅａｍ−ｊｅｔ）製造の間は、球の冷却および凝固が、平滑であり、傷がなく、かつ均質な、球表面の仕上げに重要である。ロウ球作製の冷却段階および凝固段階は、代表的には、制御された雰囲気（例えば、窒素ガスにより作製される、不活性雰囲気）にて行われる。しかし、窒素ガスが、所望の表面仕上げを形成するに十分に迅速にロウ球を冷却する能力は、窒素の伝熱係数と、窒素ガスの温度と溶融されたロウ液滴の温度との間の絶対的差異とによって、制限される。この制限された伝熱により、金属相がロウ液滴を冷却する表面上で分離し、凝固したロウ球上で傷のない表面仕上げを形成する。さらに、比較的低速度の冷却により、凝固した球の表面仕上げを傷つける、大きいかまたは粗い金属粒の成長が促進される。
【０００６】
ロウ球の表面へ損傷は、多数の結果を有し得る。例えば、表面損傷に起因してロウ球の表面反射率が減少した場合には、自動化視覚システムは、バックグラウンドからそのロウ球を識別できないかもしれない。物理的な表面損傷もまた、ほとんどの自動化ＢＧＡアセンブリハードウェアが個々のロウ球を拾って配置する能力を妨げる。さらに、ロウ球表面上に外来の粒子または粒が存在すると、そのＢＧＡアセンブリハードウェアの機械的機能を損ない得る。外来の粒子および粒はまた、マイクロエレクトロニクスデバイス上の接触パッドと、回路基板または他の電子基板との間で、低抵抗率または電子的ショートを引き起こし得、そして一旦形成されたＢＧＡ接続の電子的性能を損ない得る。最後に、表面損傷は、ロウ球表面の卑金属の酸化を悪化させる。表面酸化は、信頼できる機械的接続および電子的相互接続を形成するためにＢＧＡパッケージに必要な、接触パッド上へのロウ球の適切なぬれおよびロウ球の流動を損なう。
【０００７】
金属球および微小金属粉末を製造するための既存の方法としては、噴霧技術および遠心分離技術が挙げられ、これらの技術において、金属融解物が微細に分割されて、溶融された金属液滴を形成する。溶融された金属液滴は、しばしば、噴霧位置または遠心分離位置の下流で、冷却媒体と接触して、小液滴金属を冷却および凝固して、粒子および球にする。代表的には、その冷却媒体は、気体である。いくつかの場合において、他者が、その冷却ガスから熱を抽出するために、噴霧器の近傍にミストを導入した。
【０００８】
（要旨）
本明細書により十分に記載される方法によれば、ロウ球は、霧化された溶融ロウの表面から液体冷却剤をフラッシュ蒸発することによって形成される。なぜならば、霧化された溶融ロウは、不活性気体中で液体冷却剤のミスト中に噴霧されてロウ球を冷却および固化するからである。この溶融ロウは、流動（ｓｔｒｅａｍ）噴射で霧化され得、そして冷却液は、ミスト生成ノズルを介して導入され得る。
【０００９】
この液体冷却剤は、溶融ロウ球表面と接触され得、そして例えば、液体冷却剤の温度および／または組成を調節すること、液体冷却剤の液滴粒径を調節すること、ならびにミストまたはエアロゾルの液体冷却剤液滴の密度を制御することにより、溶融ロウ球の表面上で、（チャンバ中の高温気体への曝露の結果としての液体冷却剤の単純な蒸発ではなく）フラッシュ蒸発し得る。一般的に、液体冷却剤との溶融ロウ球の最適かつ／または最も有効な表面接触は、液体冷却剤の温度を減少させること、ミストの液体冷却剤のより小さな液滴を生成すること、および溶融ロウ球表面に近接するミストの液滴密度を増加することの任意の組合せにより達成され得る。これらの変数の各々についての理想的な値は、独立であり、かつまた霧化された溶融球の温度、大きさおよび組成に依存し；そして上記の調節は、液体冷却剤が溶融ロウ球との接触の際に「フラッシュ」蒸発するのを防ぐ程度まで行われるべきではない。
【００１０】
本明細書に記載される方法は、迅速かつ効率的な、溶融ロウの表面を冷却する方法を提供する。液体冷却剤液滴のフラッシュ蒸発およびそれに続くロウ球の急速な冷却は、その表面がその表面における非常に微細な粒径および改善された球形度を有する固化したロウ球を生成し得る。これらの方法をまた使用して、ロウ球表面上の金属酸化物の形成を抑制し得、そしてロウ球における相分離を抑制し得る。結果として、得られたロウ球は、非常に狭い粒径分布を有することに加えて、滑らかで、欠点が無く、かつ均一な表面仕上げを有し得る。これらの方法によって提供される、ロウ球の特徴および性質に対する増強された制御は、部品の非常に小さな間隔を特徴とし、かつ非常に細かい寸法許容範囲を有するマイクロエレクトロニクスにおいてそれらが使用される場合に、特に有利である。さらに、フラッシュ蒸発によりもたらされるロウ球の増強された冷却により、より小さな霧化チャンバを有するより小さな装置を使用することが可能になる。なぜならば、このロウ球は、その形状を損なうことなく回収表面に接触するのに十分に固化される前に不活性気体を通って移動するのに必要な時間がより少なくかつ経路がより短いからである。
【００１１】
本発明の前述およびその他の特徴および利点は、以下のより詳細な説明から明らかとなる。図面は、必ずしも尺度を示すのではなく、その代わりに、以下に議論される特定の原理を例示することが強調されるべきである。
【００１２】
（詳細な説明）
本発明は、金属の粉末、粒子、顆粒および球の製造において使用される多数の流動噴射製造技術のうちの１つと組み合わせて使用するための、溶融金属液滴の急速な冷却のための装置および方法を提供する。より詳細には、溶融ロウは、この方法および装置により急速に冷却されて、ロウ合金粉末およびロウ球を生成し得る。
【００１３】
本明細書に記載される方法による、固体金属球または粒子（特にロウ球）を形成するための装置の１つの実施形態は、図面に図示される。この装置は、囲い（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）１６（例えば、可撓性ポリエチレン管）の一端において溶融ロウ１４で満たされた噴射カートリッジ１２を備える流動噴射１１を備える。溶融ロウ液滴１８は、囲い１６を通ってカートリッジ１２から続々と発射される。この囲い１６は、溶融ロウ液滴１８の経路中に液体冷却剤のミストを噴霧するために囲い１６内に位置付けされた噴霧ノズル２０を備える。この液体冷却剤は、囲い１６の底部にプール２２を形成し、ロウ球は、固化した後にこのプール２２に到着する。次いで、このロウ球は、閉鎖型冷却剤貯蔵器２６内の容器２４に収集される。この容器２４も同様に液体冷却剤で満たされる。この液体冷却剤は、閉鎖型冷却剤貯蔵器２６から５ミクロンフィルタ２８を通り、高圧ポンプ３０を通り、次いで熱交換器３２を通って循環され、この液体冷却剤が囲い１６に再び入る（ここでノズル２０アレイを通って供給される）前に閉鎖型ループグリコール深冷器３４により冷却される。
【００１４】
ロウ合金粉末および球の生成は、代表的には、不活性雰囲気下での流動噴射技術（例えば、霧化）を使用して達成される。基本的な流動噴射技術は、制御されたＲａｌｅｉｇｈ破壊の適用である。この溶融ロウ１４は、薄い金属プレート（代表的にはステンレス鋼またはモリブデン）の円形開口部３５を通り、３〜３０ｐｓｉ（２１〜２１０ｋＰａ）の圧力で排出される。使用される圧力は、溶融金属の流体力学特性を扱う種々の等式により決定される。開口３５の大きさは、Ｒａｌｅｉｇｈ関係式Ｓ＝１．８９Ｄにより決定され、この場合、所望の球径Ｓは、開口部直径の約１．８９倍である。約１，０００Ｈｚ〜５０，０００Ｈｚの周波数で変化する周期関数は、電気化学的変換器３６によりこの流れに付与される。この電気化学的変換器３６は、噴射カートリッジ１２（溶融ロウを含み、そして噴射開口に適応した開口部をその底部に有する閉鎖型ステンレス鋼容器）内の溶融ロウ１４と接触している。変換器３６は、磁歪変換器（例えば、Ｅｔｒｅｍａ　ＵＳＡ（Ａｍｅｓ，Ｉｏｗａ）製）であり得る。
【００１５】
不活性気体は、酸素濃度および溶融ロウ液滴１８の表面に対するその酸化効果を最小限にする製造環境を生成するために使用される。ロウ合金粒子およびロウ合金球は、製造中および製造後の酸素の酸化効果に対して特に敏感である。なぜならば、ロウは、ほとんど軟質のベース金属（例えば、鉛、すず、銀、ビスマス、インジウム、アンチモン、カドミウムおよびそれらの組合せ）から構成されるからである。
【００１６】
他の場合において、この生成物の混入が問題である場合、非可燃性および非反応性の不活性ガスが雰囲気として所望される。アルゴンおよび窒素が、適切な非反応性冷却ガスの例である。窒素は、ロウ粉末およびロウ球生成物の場合に特に所望される。ロウ粉末およびロウ球生成物の場合、低酸素濃度を有する非酸化性雰囲気を使用して、ロウの粒子または球の表面における酸化膜の形成を抑制し得る。窒素は、正の内圧を作製し、かつチャンバ内への酸素の逆流（ｂａｃｋｓｔｒｅａｍｉｎｇ）（これは、球生成に対して有害である）を最小化するために、周囲大気圧よりも高い。チャンバ内の代表的な窒素ゲージ圧は、０．０３ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）と０．２５ポンド／平方インチとの間（０．２ｋＰａ〜１．７ｋＰａ）である。窒素はまた、噴射カートリッジ１２を加圧して、溶融ロウ１４を開口部３５を通して押し出すために使用される。この場合、窒素は、カートリッジ１２を、３ｐｓｉと３０ｐｓｉとの間（２１〜２１０ｋＰａ）の圧力まで加圧する。
【００１７】
窒素は、酸化物の形成を抑制する遮蔽ガスとしてのみならず、粒子および球への溶融ロウ液滴の冷却および凝固を容易にする熱表面移動の主な手段としても機能する。しかし、窒素が、凝固したロウ液滴において滑らかで欠陥なくかつ均質な表面仕上がりを生成するために十分に急速な速度で冷却を達成する能力は制限される。窒素の伝熱率ならびに窒素および溶融ロウ液滴の温度の絶対的な差異は、所望される滑らかで欠陥なくかつ均質なロウ球表面の仕上がりを達成するために十分な冷却速度および冷却程度を妨げる制限変数である。
【００１８】
溶融液滴の表面冷却の速度および程度における顕著な改善は、低い沸点（すなわち、溶融液滴の凝固温度付近またはそれより低い沸点）を有し、かつ溶融液滴に対して化学的に不活性である液体冷却剤（ｃｏｏｌａｎｔ）を窒素ガスに導入することによって達成される。液体冷却剤としては、脱イオン水、メタノール、イソプロパノール、過フルオロカーボン、メチレンクロリド、エチレングリコール、プロピレングリコール、およびそれらの組み合わせが挙げられ得るが、これらに限定されない。水（その低コスト性および単位質量あたりの高い比熱に起因する）および水／グリコール混合物（５０：５０〜８０：２０の範囲の比率）は、これらの方法において特に有効であることが見出された。過フッ素化エーテル（例えば、３Ｍにより商用名ＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴおよびＡｌｔｉｍｏｎｔよりＧＡＬＤＥＮのもとで市販されているもの）もまた、本明細書中に記載される方法において、極めて良好に機能する。アルコールもまた機能するが、空気の漏れがこの系に侵入しないように、そして溶融ロウの高熱表面の存在下においてアルコールと爆発性混合物を形成しないように、注意がなされるべきである。
【００１９】
液体冷却剤は、シェル熱交換器３２中の鋼管（ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅ−ｉｎ−ｓｈｅｌｌ　ｈｅａｔ　ｅｘｃｈａｎｇｅｒ　３２）の中を通されて、それが噴霧ノズル給排水設備に供給される前に冷却剤を冷却する。次いで、熱交換機３２は、市販のグリコール実験用深冷器３４で冷却される。次いで、液体冷却剤は、液体冷却剤の霧化によって形成される噴霧またはエアロゾルとして窒素雰囲気中に導入される。なぜなら、これは、約４００〜約２０００ｐｓｉ（約２．８〜約１４ＭＰａ）の液体圧で、ノズル２０において約０．００４〜約０．０２５インチ（約０．１〜約０．６ｍｍ）の直径を有する丸い開口部を通して三段階高圧ポンプ３０を介して高圧［例えば、約４００〜約１５００ｐｓｉ（約２．８〜約１０．３ＭＰａ）の液体圧］で駆動されるからである。適合性のノズル２０は、ＨｏＨｏＫｕｓ、Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ、ＵＳＡのＡｔｏｍｉｚｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．によって製造される、レーザードリル合成ルビーのエアレス噴霧ノズルを含む。
【００２０】
直径約０．１ミクロン（μｍ）〜約３ミクロンのサイズの範囲の液体冷却剤液滴は代表的に、この手順を介して生成される。これらの冷却剤液滴サイズは、代表的に、噴射開口部３５から発射される溶融液滴の直径の２〜４オーダー小さい。エアロゾル（ミスト）は代表的に、囲い１６の開放容量の１〜２０％を占め、その平衡は代表的に窒素ガスである。溶融液滴のサイズと比較して小さなサイズの冷却剤液滴および溶融液滴の温度範囲で瞬間沸騰させる（そして、それによって溶融液滴から熱を抽出する）ために適切な比熱を有する液体冷却剤の選択と組み合わせた、冷却剤液滴の高容量飽和密度の組み合わせはすべて、霧化後の溶融液滴の急速冷却を可能にする因子である。所望される場合、冷却剤液滴の直径は、異なる開口部サイズを有するノズル３０を使用することによって調整され得る。
【００２１】
溶融ロウ液滴の急速な表面冷却は、溶融ロウ液滴の表面と液体冷却剤液滴の親密な接触を通して達成される。ロウ液滴の熱は、接触に際して、溶融ロウ液滴表面から液体冷却剤液滴へと移動して冷却剤液滴をフラッシュ蒸発させ、ここで移動された熱は、液体から蒸気へのすべての液体冷却剤のほぼ即効の相転移をもたらす。液体冷却剤の気化熱に対応する相転移は、溶融ロウ液滴の表面から熱を急速に取り払う。この冷却サイクルは、ロウ液滴表面と液体冷却剤液滴との間での熱平衡が達成されるまで繰り返される。４〜４０ミル（０．１〜１ｍｍ）の範囲の直径を有するロウ液滴が生成される場合、凝固は代表的に、これらの方法で開口部駆出から３〜２０フィート（０．９ｍ〜６ｍ）で起こる。
【００２２】
溶融ロウ液滴との接触に際した液体冷却剤液滴の気相転移により促進された急速な冷却速度は、治金相転移または相分離が起こり得る前に、ロウ液滴表面の急速な凝固を誘導する；このロウ球の急速な冷却はまた、代表的により規則的（より小さな標準偏差）なロウ球表面上での冷却液体のフラッシュ蒸発の不在下において得られる１０〜２０％小さな結晶粒度を生成する。これらの特徴は、物理的に滑らかで欠陥なくかつ均質なロウ球表面の形成を容易にする。
【００２３】
次いで、これにより形成されたロウ球を使用して、上記の背景の節において記載したように、電子成分を表面にマウントし得る。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、急速冷却方法を使用して、他の金属（例えば、高融点金属（例えば、銅および銀））を冷却し、溶融液滴の表面冷却の速度および程度を増加させて、所望の表面仕上がりを達成し得る。これらの実施形態では、溶融金属は単純に、上記の実施形態における溶融ロウの代わりであり、そしてこの方法は、実質的に同じ様式で実施される。
【００２５】
このように、本発明の少なくとも１つの例示的な実施形態を記載したが、種々の変更、改変および改良が、当業者に容易に思い浮かぶ。このような変更、改変および改良は、本発明の範囲および精神の範囲内であると意図される。従って、前述の記載は、例示目的のためのみであり、そして制限として意図されない。本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲およびそれに対する等価物にのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１は、本発明の方法を実施する際に使用するための装置の例示である。

Claims (13)

1. ロウ球を生成するための方法であって、以下の工程：
   溶融されたロウを霧化して、溶融されたロウ球のスプレーを形成する工程；および
   該溶融されたロウ球のスプレーの経路中に液体冷却剤の液滴のミストを生成する工程であって、該液体冷却剤は、該冷却剤の液滴が該溶融されたロウ球と接触しそして該ロウ球との接触の際にフラッシュ蒸発されるのを可能にする、温度および液滴サイズを有する、工程
   を包含する、方法。
2. 該溶融されたロウのスプレーが、該溶融されたロウを流動噴射で微粒化することによって形成される、請求項１に記載の方法。
3. 該ロウ球が、約０．１ｍｍ〜約１ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記ロウ球が、前記液体冷却剤の液滴のフラッシュ蒸発によって冷却および結晶化され、該ロウ球の表面での結晶粒度を減少し、そして該ロウ球の球形度を改善する、請求項１に記載の方法。
5. 前記ロウが、以下の軟性卑金属：鉛、錫、銀、ビスマス、インジウム、アンチモンおよびカドミウムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記溶融されたロウ球が、不活性ガス環境中にスプレーされ、該環境中で前記液体冷却剤のミストが生成される、請求項１に記載の方法。
7. 前記不活性ガスが窒素である、請求項６に記載の方法。
8. 前記液体冷却剤が、以下の液体：水、メタノール、イソプロパノール、過フッ化炭素、塩化メチレン、エチレングリコールおよびプロピレングリコールのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記液体冷却剤の液滴の直径が、約０．２ミクロン〜約２０ミクロンの範囲にある、請求項１に記載の方法。
10. 前記ロウ球の少なくとも表面が、該ロウ球の表面での前記液体冷却剤のフラッシュ蒸発に起因する熱抽出の結果として、凝固される、請求項１に記載の方法。
11. 前記液体冷却剤が、前記少なくとも部分的に凝固されたロウ球が落ちるプールを形成する、請求項１０に記載の方法。
12. 凝固された金属の球または粒子を生成するための方法であって、以下の工程：
    溶融された金属を霧化して、溶融された金属の液滴のスプレーを形成する工程；および
    該溶融された金属の液滴のスプレーの経路中に液体冷却剤の液滴のミストを生成する工程であって、該液体冷却剤は、該冷却剤の液滴が該溶融された金属の液滴と接触しそして該溶融された金属の液滴との接触の際にフラッシュ蒸発されるのを可能にする、温度および液滴サイズを有する、工程
    を包含する、方法。
13. 溶融された球を形成しそしてその球を冷却して、固体の球を形成するための装置であって、該装置は、以下：
    溶融された球を生成するための流動噴射噴霧器；および
    該溶融された球の経路中にミストを指向するために配置されたミスト生成ノズル
    を備える、装置。

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