JP2005131703A

JP2005131703A - 球形状ハンダ及びその製造方法

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Publication number: JP2005131703A
Application number: JP2003406495A
Authority: JP
Inventors: Hisao Ishikawa; 久雄石川; Genzo Watanabe; 源蔵渡邊
Original assignee: NIPPON JOINT KK
Current assignee: NIPPON JOINT KK
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【目的】表面品質の優れたリードフリータイプの球形状ハンダを得る。
【構成】複数の球形状のハンダ材料（１０Ａ）を、容器（１２）に貯えられた、有機溶剤を用いたパルミチン酸の溶液（１４）中に浸漬させつつ、該容器（１２）に振動を加える処理を経て、球形状ハンダ（１０Ｂ）を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は主に、ハンダボールやハンダパウダー等の球形状ハンダ及びその製造方法に関する。

ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレー）方式等を用いた実装工程で、ハンダボールが利用されている。このハンダボールは、例えば半導体用のパッケージにハンダバンプを形成するために用いられる。そして、近時、ハンダボールとして、リードフリー（無鉛）タイプのものが利用されるようになってきている。

ところで、リードフリータイプのハンダボールには、製造時の冷却工程の際にその表面に樹枝状結晶（デンドライト）が形成される場合がある。ハンダボールの品質を向上させるためには、樹枝状結晶の量が少ない方が望ましいが、樹枝状結晶を除去するための技術は存在していなかった。また、ハンダボールの表面には、酸化膜が形成されている場合があるが、この酸化膜を効果的に除去する技術も従来は無かった。

本発明は、リードフリータイプのハンダボールの表面に形成された樹枝状結晶若しくは酸化膜または両方を効果的に除去することを目的とし、さらには、ハンダボール表面に樹枝状結晶や酸化膜が在る場合に限らず、表面状態の優れたハンダボールを得ることを目的とする。

本発明に係る、リードフリータイプの球形状ハンダは、複数の球形状のハンダ材料を、容器に貯えられた、パルミチン酸を含む有機溶剤の溶液中に浸漬させつつ、該容器に振動を加える処理を経て製造されることを特徴とする。

また、本発明に係る、リードフリータイプの球形状ハンダの製造方法は、複数の球形状のハンダ材料を、容器に貯えられた、パルミチン酸を含む有機溶剤の溶液中に浸漬させつつ、該容器に振動を加える工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る、リードフリータイプの粒子状ハンダの製造方法は、複数の粒子状のハンダ材料を液体に浸漬させつつ、該ハンダ材料に振動及び流動の少なくとも一方を生じさせる工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る、リードフリータイプの球形状ハンダの仕上げ処理方法は、複数の前記球形状ハンダを液体に浸漬させつつ、該球形状ハンダに振動及び流動の少なくとも一方を生じさせる工程を含むことを特徴とする。

本発明によれば、表面状態の優れたリードフリータイプの球形状ハンダ（粒子状ハンダ）を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るハンダボールの製造工程を示すフローチャートであり、図２（ａ）〜（ｄ）は、その製造工程の説明図であり、図３（ａ）及び（ｂ）は、その結果得られるハンダボールの表面状態を示す説明図である。

まず、ハンダボールの原料について説明する。本実施の形態では、リードフリータイプのハンダボールを製造対象としているため、鉛を含まない原料（ハンダ）を用いている。例えば、スズ・亜鉛系ハンダや、スズ・銀・銅系ハンダが用いられる。スズ・銀・銅系ハンダとしては、例えば、銀が３〜５質量％で、且つ銅が０．５〜３質量％のものが採用される。

また、本実施の形態では、粒径が０．７６ｍｍのハンダボールを製造対象としているが、これより大きいか又は小さい径のハンダボールを製造することもできる。例えば、粒径が０．１ｍｍ〜０．３ｍｍのものも対象とすることができる。なお、本実施の形態では、粒径が０．４ｍｍ以下のものを、ハンダパウダーと記す。

次に、ハンダボールの製造工程について説明する。図１に示すように、ハンダボールは、形成工程及び仕上げ工程を経て製造される。

図２（ａ）に示すように、形成工程では、完成品であるハンダボールのもととなる、ハンダ材料１０Ａが形成（製造）される。本実施の形態では、このハンダ材料１０Ａは、略球形状をしている。なお、従来では、このハンダ材料１０Ａが最終製品として市場に出されていた。

図３（ａ）に示すように、ハンダ材料１０Ａの表面には、付着物が見られる場合がある。この付着物には、ハンダ材料１０Ａの製造段階の冷却工程でできる樹枝状結晶（デンドライト）、ハンダ材料１０Ａが空気に触れた場合等に発生する酸化膜、若しくは汚れ、またはこれらの組み合わせからなるものが含まれる。本実施の形態では、これらの付着物を除くために、仕上げ工程を実施している。また、ハンダ材料１０Ａには、若干の径のばらつきが見られる場合があるが、このばらつきも、仕上げ工程にて解消するようにしている。

図１に示すように、形成後のハンダ材料１０Ａは、仕上げ工程に移される。この仕上げ工程は、ハンダ材料１０Ａを液体に浸漬させる浸漬工程と、浸漬状態のハンダ材料１０Ａに対して振動を付与する振動付与工程と、すすぎ処理等を行う後処理工程とを含む。

図２（ｂ）に示すように、ハンダ材料１０Ａは、容器１２に貯えられた液体１４に浸漬される。本実施の形態では、この液体１４は、パルミチン酸を有機溶剤に溶かした溶液である。そして、有機溶剤としては、ＨＣＦＣ−１４１ｂが用いられる。本出願の発明者により、パルミチン酸溶液を用いた場合に、優れた製品（ハンダボール）品質が得られることが確認されている。また、有機溶剤を用いることにより、後段の後処理工程において、ハンダボールの表面から余分な液体１４を効果的に取り除くことができる。なお、液体１４の他の例については後述する。

図２（ｃ）に示すように、続く振動付与工程では、液体１４及びハンダ材料１０Ａが入れられた容器１２に対して、振動（シェーキング）が加える。この振動は、例えば約３０ｃｍの幅（振幅）で容器１２を直線的に往復させることによって与える。このときの振動速度（振動数）は、粒径が０．７６ｍｍのハンダ材料１０Ａを用いた場合、約３０往復／分とし、振動継続時間は、３０分〜１時間程度としている。

ここで、他の粒径のハンダ材料１０Ａに対しては、これら振動数、継続時間等を変更することが好ましい。例えば、粒径の大きさが小さくなるにつれて振動数が高くなるように変化させたり、継続時間が長くなるように変化させたりする（これらの変更は、振動数及び継続時間の一方に対して行っても両方に対して行ってもよい）。例えば、粒径が０．３ｍｍのハンダ材料１０Ａの場合には、粒径が０．７６ｍｍの場合に比べて振動数をアップさせた上で、継続時間を例えば３時間程度にすることが好ましい。このような振動数のアップは、ハンダ材料１０Ａに与えられる単位時間かつ単位質量あたりの運動エネルギーの増大としてとらえることができる。なお、ここに示した値の振幅、振動数、振動時間等を採用した場合に、優れた品質の最終製品が得られることが本出願の発明者によって確認されているが、必ずしもこれらの値に限定されるものではない。

振動付与工程に続いて、後処理工程が行われる。この後処理工程では、液体１４からハンダ材料１０Ａを取り出すとともに、これにすすぎ処理等が施され、ハンダ材料１０Ａ表面に付着している余分な液体１４が取り除かれる。そして、この後処理工程を経た後、図２（ｄ）に示すように、製品としてのハンダボール１０Ｂが得られる。

図３（ｂ）に示すように、ハンダボール１０Ｂの表面からは、樹枝状結晶、酸化膜、汚れ等の付着物が除去されていることがわかる。そして、ハンダボール１０Ｂの表面は光沢を帯びており、ハンダ材料１０Ａ（図３（ａ））に比べて表面品質が格段に向上していることが理解できる。また、ハンダボール１０Ｂは、その大きさ（粒径）及び形状が均質化され、規則正しく整列していることがわかる。すなわち、この面から見ても、ハンダボール１０Ｂの品質が向上していることが確認できる。なお、さらに、ハンダボール１０Ｂの品質向上には、界面活性物質（パルミチン酸）による表面のコーティング作用が寄与している。これについては後述する。

次に、上記の仕上げ工程における、液体１４（特にパルミチン酸）の作用について説明する。

図４は、本実施の形態で採用する脂肪酸の一種であるパルミチン酸の分子構造を示す説明図である。符号２０で示すパルミチン酸等の脂肪酸は、水に溶けてイオン解離する親水性のカルボキシル基（極性基）２０ａと、鎖状炭化水素基である親油性のアルキル基（非極性炭化水素基）２０ｂとからなる。

図５は、上記浸漬工程及び振動付与工程（図２参照）において、ハンダ材料１０Ａの表面から付着物が除去される様子を示す説明図である。

図５（ａ）に示すように、ハンダ材料１０Ａの表面には、酸化膜や汚れ（以下、酸化膜等３０と記す。）が付着又は凝着している。

図５（ｂ）に示すように、このハンダ材料１０Ａを液体１４（パルミチン酸の溶液）に浸漬させると、パルミチン酸２０のカルボキシル基２０ａが酸化膜等３０に吸着し始める。このとき同時に、パルミチン酸２０が酸化膜等３０に浸透していく作用も働く。また、パルミチン酸２０のカルボキシル基２０ａは、ハンダ材料１０Ａの表面にも付着し始め、これによって後述するコーティング層が形成されていく。

図５（ｃ）に示すように、酸化膜等３０へのパルミチン酸２０の吸着が進み、酸化膜等３０がハンダ材料１０Ａの表面から離脱していく。この作用は、振動付与工程によって一層促進される。これと同時に、ハンダ材料１０Ａの表面に付着するパルミチン酸２０の数も増えていく。

そして、酸化膜等３０がハンダ材料１０Ａの表面から除去されると、その場所にパルミチン酸２０がほぼ整列した状態で吸着し、これによりハンダ材料１０Ａの表面全体を覆うようにコーティング層３２が形成され、製品であるハンダボール１０Ｂが得られる。

図６は、コーティング層３２の構造を拡大して示す説明図である。コーティング層３２中では、パルミチン酸２０の多数の分子が、そのカルボキシル基２０ａ側がハンダボール１０Ｂの表面に吸着された状態で配列している。このコーティング層３２の厚みは、パルミチン酸２０一分子の長さとほぼ同じ寸法、すなわち、約２６Å（オングストローム）となる。また、パルミチン酸２０一分子の幅は約５Å（オングストローム）であり、このパルミチン酸２０の多数の分子がその幅方向に凝集してコーティング層３２を形成する。このような構造のコーティング層３２が形成されることにより、ハンダボール１０Ｂ表面の酸化や、表面への汚れの付着等を効果的に防ぐことができる。

次に、本実施の形態の変形例について説明する。

まず、上記浸漬工程の主に液体１４の変形例について説明する。本実施の形態では、液体１４として、有機溶剤（ＨＣＦＣ−１４１ｂ）にパルミチン酸を溶かしたものを使用しているが、これ以外の液体を採用することもできる。例えば、パルミチン酸に代えて、ステアリン酸、オイレン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸等の脂肪酸（飽和脂肪酸／不飽和脂肪酸）を用いることもできる。特に、ステアリン酸を用いた場合に優れたコーティング品質が得られることが、本出願の発明者により確認されている。また、有機溶剤としては、ＨＣＦＣ−１４１ｂ以外のフロン系溶剤（ＨＦＣフロン、ＨＣＦＣフロン等）や、トリクロロエチレン（トリクレン）、ジクロロメタン（メチクロ）等を用いることもできる。また、水に脂肪酸を溶かして液体１４を作るようにしてもよい。更に、これら以外の液体、例えば界面活性作用を有する他の液体を用いるようにしてもよい。

次に、上記振動付与工程の変形例について説明する。図２（ｃ）に示す振動付与工程における、ハンダ材料１０Ａの挙動について検討してみると、ハンダ材料１０Ａには、複数個が集合した状態で、振動若しくは流動、またはこれらの両方（以下、振動等と記す。）が生じていることがわかる。そして、この振動等によってハンダ材料１０Ａ同士が互いに接触（又は衝突）する作用が、樹枝状結晶や酸化膜等の除去を促進させるとともに、粒径等の均質化にも貢献していることが考えられる。従って、この振動等と同様の挙動をハンダ材料１０Ａに生じさせることによって、振動付与工程と同様の効果が得られることがわかる。

例えば、振動付与工程に代えて、ハンダ材料１０Ａ及び液体１４が入れられた容器１２を回動させる工程、この容器１２を揺動させる工程、この容器１２を上下に振る工程、液体１４に浸漬されたハンダ材料１０Ａに超音波を加える工程、液体１４を定常的又は非定常的に流動させる工程、液体１４中のハンダ材料１０Ａを攪拌する工程、ハンダ材料１０Ａに対して液体１４を吹き付ける工程（この場合、浸漬工程及び振動付与工程の両方に代替されることがある。）、又はこれらの組み合わせからなる工程等が採用可能である。いずれの場合においても、ハンダ材料１０Ａが液体１４中で一体的且つ連続体的に挙動することが好ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。また、複数のハンダ材料１０Ａ中に他の物体が混在されている場合にも、本実施の形態が適用可能である。

次に、上記後処理工程の変形例について説明する。後処理工程では、ハンダ材料１０Ａに付着している余分な液体１４を取り除くためにすすぎ処理が行われるが、これに代えて（又はこれとともに）、エアーによってハンダ材料１０Ａ上の液体１４を吹き飛ばす処理を施すようにしてもよい。この処理は、特に有機溶剤を用いない脂肪酸溶液を使用している場合に効果的である。

なお、本実施の形態は、ハンダボールだけでなく、他の粒子状ハンダや球形状ハンダにも適用可能である。

図１は、本実施の形態に係るハンダボールの製造工程を示すフローチャートである。図２（ａ）〜（ｄ）は、図１の製造工程を示す説明図である。図３（ａ）及び（ｂ）は、ハンダボールの表面状態を示す説明図である。図４は、パルミチン酸の分子構造を示す説明図である。図５（ａ）〜（ｄ）は、図１の浸漬工程及び振動付与工程において、ハンダ材料の表面から付着物が除去される様子を示す説明図である。図６は、コーティング層の構造を拡大して示す説明図である。

符号の説明

１０Ａ：ハンダ材料
１０Ｂ：ハンダボール
１２：容器
１４：液体
２０：パルミチン酸
２０ａ：カルボキシル基
２０ｂ：アルキル基
３０：酸化膜等
３２：コーティング層

Claims

リードフリータイプの球形状ハンダであって、
複数の球形状のハンダ材料を、容器に貯えられた、パルミチン酸を含む有機溶剤の溶液中に浸漬させつつ、該容器に振動を加える処理を経て製造される、球形状ハンダ。
リードフリータイプの球形状ハンダの製造方法であって、
複数の球形状のハンダ材料を、容器に貯えられた、パルミチン酸を含む有機溶剤の溶液中に浸漬させつつ、該容器に振動を加える工程を含む、球形状ハンダの製造方法。
リードフリータイプの粒子状ハンダの製造方法であって、
複数の粒子状のハンダ材料を液体に浸漬させつつ、該ハンダ材料に振動及び流動の少なくとも一方を生じさせる工程を含む、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３に記載の方法において、
前記工程が、前記ハンダ材料が入れられた容器に振動を加える工程を含む、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３に記載の方法において、
前記工程が、前記ハンダ材料が入れられた容器を回動させる工程、前記ハンダ材料に超音波を加える工程、前記液体を流動させる工程、及び前記ハンダ材料に対して前記液体を吹き付ける工程の少なくともいずれか一つの工程を含む、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜５のいずれかに記載の方法において、
前記振動及び流動の少なくとも一方を生じさせる時間を、前記ハンダ材料の粒径の大きさが大きくなるにつれて短くなるように変化させる、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜５のいずれかに記載の方法において、
前記振動及び流動の少なくとも一方の単位時間かつ単位質量あたりの運動エネルギーを、前記ハンダ材料の粒径の大きさが小さくなるにつれて大きくなるように変化させる、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜７のいずれかに記載の方法において、
前記液体が、界面活性作用を有するものである、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜７のいずれかに記載の方法において、
前記液体が、脂肪酸の溶液である、粒子状ハンダの製造方法。
請求項９に記載の方法において、
前記脂肪酸が、パルミチン酸、ステアリン酸、オイレン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸のいずれかである、粒子状ハンダの製造方法。
請求項９又は１０に記載の方法において、
前記溶液が、有機溶剤を用いたものである、粒子状ハンダの製造方法。
請求項１１に記載の方法において、
前記有機溶剤が、ＨＣＦＣ−１４１ｂである、粒子状ハンダの製造方法。
請求項１１に記載の方法において、
前記有機溶剤が、フロン系溶剤、トリクロロエチレン、又はジクロロメタンである、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜１３のいずれかに記載の方法において、
前記ハンダ材料が、略球形状の材料である、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜１３のいずれかに記載の方法において、
前記粒子状ハンダが、略球形状のハンダである、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜１３のいずれかに記載の方法において、
前記粒子状ハンダが、ハンダボール又はハンダパウダーである、粒子状ハンダの製造方法。
リードフリータイプの粒子状ハンダの製造方法であって、
粒子状のハンダ材料を形成する工程と、
請求項３〜１６のいずれかに記載の方法により前記粒子状のハンダ材料から前記粒子状ハンダを得る工程と、
を含む、粒子状ハンダの製造方法。
請求項３〜１７のいずれかに記載の方法で製造された、リードフリータイプの粒子状ハンダ。
リードフリータイプの球形状ハンダの仕上げ処理方法であって、
複数の前記球形状ハンダを液体に浸漬させつつ、該球形状ハンダに振動及び流動の少なくとも一方を生じさせる工程を含む、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９に記載の方法において、
前記工程が、前記球形状ハンダが入れられた容器に振動を加える工程を含む、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９に記載の方法において、
前記工程が、前記球形状ハンダが入れられた容器を回動させる工程、前記球形状ハンダに超音波を加える工程、前記液体を流動させる工程、及び前記球形状ハンダに対して前記液体を吹き付ける工程の少なくともいずれかを含む、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９〜２１のいずれかに記載の方法において、
前記振動及び流動の少なくとも一方を生じさせる時間を、前記球形状ハンダの粒径の大きさが小さくなるにつれて長くなるように変化させる、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９〜２１のいずれかに記載の方法において、
前記振動及び流動の少なくとも一方の単位時間かつ単位質量あたりの運動エネルギーを、前記球形状ハンダの粒径の大きさが小さくなるにつれて大きくなるように変化させる、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９〜２３のいずれかに記載の方法において、
前記液体が、界面活性作用を有するものである、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９〜２３のいずれかに記載の方法において、
前記液体が、脂肪酸の溶液である、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項２５に記載の方法において、
前記脂肪酸が、パルミチン酸、ステアリン酸、オイレン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸のいずれかである、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項２５又は２６に記載の方法において、
前記溶液が、有機溶剤を用いたものである、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項２７に記載の方法において、
前記有機溶剤が、ＨＣＦＣ−１４１ｂである、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項２７に記載の方法において、
前記有機溶剤が、フロン系溶剤、トリクロロエチレン、又はジクロロメタンである、球形状ハンダの仕上げ処理方法。
請求項１９〜２９のいずれかに記載の方法で仕上げ処理が施された、リードフリータイプの球形状ハンダ。