JP2006120695A - はんだボールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだボールを製造する従来の粉末溶融法は、シートの窪みの中にはんだ粉末を大量に充填するようにしたため、はんだ粉末が大量に充填されたり少なく充填されたりして、一定量とならなかった。そのため窪みに充填されたはんだ粉末を溶融させてはんだボールを形成すると、その径が一定とならなかった。
【解決手段】本発明は、シートの窪み底部に粘着剤を存在させ、シート上にはんだ粉末を置いて、全ての窪みにはんだ粉末を充填する。その後、窪み底部の粘着剤で保持されていないはんだ粉末を除去し、フラックスを塗布してからはんだ粉末を溶融して、窪み内ではんだボールを形成させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面実装部品のようなワークの電極にはんだバンプを形成するのに用いるはんだボール、特に直径が0.3ｍｍ以下の微小はんだボールを製造する方法に関する。

表面実装部品とは、プリント基板の表面に形成されたランドに直接電子部品をはんだで接合して実装するものであり、一般にはQFP、PLCC、SOP、SOJ等がある。これらの表面実装部品をプリント基板に実装する場合は、プリント基板のランドにソルダペーストを塗布し、該塗布部に表面実装部品を搭載してからリフロー炉でソルダペーストを溶融することにより、表面実装部品とプリント基板とをはんだ付けしていた。

上記表面実装部品は、ある程度多機能化されたものであるが、近時の電子機器の小型化、多機能化から表面実装部品もさらに小型で高機能が必要となり、現在ではBGA(Ball Grid Arrey)、CSP(Chip Size Package)、TAB(Tape Automated Bonding)、MCM(Multi Chip Module)等の多機能化された表面実装部品（以下、ワークという）が多く使用されるようになってきた。

ワークをプリント基板に実装する場合は、予めワークの電極にはんだバンプを形成しておき、該はんだバンプでプリント基板にはんだ付けを行う。ワークの電極にはんだバンプを形成するには、先ずワークの電極に粘着性のフラックスまたはソルダペーストを塗布し、該塗布部にはんだボールを搭載装置で搭載する。そして、はんだボールが搭載されたワークをリフロー炉で加熱してはんだボールを溶融させることにより、ワークの電極にはんだバンプを形成する。

このようにしてはんだバンプが形成されたワークをプリント基板に実装するときは、プリント基板のランドにフラックスを塗布し該塗布部にワークのはんだバンプを合わせて搭載する。そしてワークを再度リフロー炉で加熱し、はんだバンプを溶融させてワークとプリント基板とをはんだ付けするものである。

従来のワークでは、30×30(mm)のワーク基板に150〜250個の電極が形成されたものであり、隣接した電極間のピッチは1.0〜1.2mmのような広いピッチであるため、該広ピッチのワークには、0.76mmという比較的大きな直径のはんだボールが使用できた。しかしながら近時のワークは電子機器のさらなる小型化にともない、より小型化されてきており、この小型化されたワークに使用するはんだボールも小さいものとなってきている。例えば、10×10(mm)のワークには400個の電極が形成されており、隣接した電極間のピッチが0.5mm以下という狭ピッチになっている。このような狭ピッチのワークに使用するはんだボールは直径が0.3mm以下という非常に微小径サイズのものである。

従来の微小はんだボールの製造方法としては、油中造球法（特許文献１）、気中造球法（特許文献２）、粉末溶融法（特許文献３）等がある。
特開平7-252510号公報 2001-254108号公報 特開昭64-4402号公報

油中造球法とは、上部が高温、下部が低温となった油中に一定寸法のはんだチップを上部から投入して製造する。油中に投入されたはんだチップは、上部の高温域で溶融して自らの表面張力により球状化し、さらに該球状化した溶融はんだは油中を落下していくうちに、下部の低温域で冷却されて固化し、はんだボールとなるものである。この油中造球法は、はんだチップを得るために先ず細径の線状はんだを作らなければならない。細径の線状はんだの製造は、はんだで太いビレットを作り、該ビレットを押出機で中間径の線状はんだにする。そして中間径の線状はんだを多数のダイスが設置された伸線機で所定の細径まで伸線する。このように細径の線状はんだを作るのに多大な手間がかかるばかりでなく、細径の線状はんだを一定寸法に切断してはんだチップにするにも、１個のチップの長さが短いため大量のチップを作るには時間のかかるものである。つまり油中造球法は、はんだボールを製造する前に細径はんだの製造、およびはんだチップの製造を行わなければならず、これらの製造に多大な手間がかかっていたものである。しかも油中造球法では、伸線機での伸線に限度があるため、0.3ｍｍ以下のはんだボールを得るための細径の線状はんだを作ることが困難であった。

気中造球法とは、坩堝内の溶融はんだに圧力と振動を付与し、坩堝下部のオリフィスから滴下した球状の溶融はんだをチャンバー内のガス雰囲気中で冷却固化してはんだボールを得る方法である。この気中造球法は、前述の油中造球法に比べて工程数が少ないため、生産性に優れているものである。しかしながら、気中造球法は、イニシャルコストとランニングコストが高価になるという経済性の面で問題のあるものである。つまり気中造球法は、坩堝のオリフィスから滴下された球状の溶融はんだをチャンバー内のガス雰囲気中で冷却固化しなければならないが、ガス雰囲気は油中造球法における液体の油よりも熱伝導性が悪いため、溶融はんだを完全に固化させるには長い落下距離が必要である。そのため溶融はんだを落下冷却させるチャンバーは、高さを充分に高くしなけらばならず、大きなチャンバーの製造と設置に莫大な費用がかかっていた。しかも気中造球法は、チャンバー内を常に高価な不活性ガスの窒素ガス、または窒素ガスと水素ガスの混合ガス等を充満させていなければならないため、ランニングコストも高価となるものであった。

粉末溶融法とは、多数の凹部が形成されたカーボンまたはセラミックの治具を用い、該凹部に金属粉末（はんだ粉末）を充填してから、該治具を非酸化雰囲気中で加熱して金属粉末を溶融させることにより球状化する方法である。この粉末溶融法は、設備としてはカーボンやセラミックの治具と電気炉が必要であるが、治具自体は安価であり、また電気炉は既存の電気炉を使用できるため油中造球法や気中造球法に比べて経済的な面では、はるかに優れている。

上記のように粉末溶融法は、油中造球法や気中造球法に比べて経済的な面では優位であるが、従来の粉末溶融法ではんだボールを製造するとはんだボールの粒径が一定とならないことがあった。その理由は、はんだ粉末を治具の凹部に一定量充填することが困難であるからである。つまり、粉末を深さのある凹部に充填したときに、粉末がそれぞれの凹部に粗密に充填されると、或る凹部でははんだ粉末の量が少なかったり、また或る凹部でははんだ粉末の量が多かったりする。従って、治具の凹部にはんだ粉末を充填する従来の粉末溶融法では、凹部に充填するはんだ粉末の量が一定とならないため、凹部内で作られるはんだボールの径も一定とならなかった訳である。

また従来の粉末溶融法は、凹部に充填したはんだ粉末が完全に溶融せず、一部がはんだ粉末のまま残って、はんだボールの周囲に付着するという問題もあった。従来の粉末溶融法は、凹部にはんだ粉末を充填した後、窒素ガスのような非酸化性雰囲気中で加熱溶融するが、窒素ガスは表面が酸化したはんだ粉末の酸化膜を完全に還元除去できないため、表面が酸化したは溶融温度以上になっても完全に溶融せず粉末状態で残ってしまう。この溶融しなかったはんだ粉末がはんだボールの周囲に付着してしまうものである。本発明は、粉末溶融法において、一定の径のはんだボールが得られるばかりでなく、はんだボールの周囲にはんだ粉末が付着しないというはんだボールの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、一定の径の窪みを多数形成し、該窪みの底部に粘着剤を置いて該粘着剤にはんだ粉末を付着させれば、全ての窪み内のはんだ粉末は一定量になり、またフラックスは酸化物の還元除去作用が極めて強いことに着目して本発明を完成させた。

本発明は、
A.多数の窪みが形成されており、しかも該窪みの底部に粘着剤が存在するシートを準備する工程；
B.窪みが形成されたシートの面にはんだ粉末を散布して窪み内に充填し、窪み底部の粘着剤と接したはんだ粉末を粘着剤で付着保持する工程；
C.粘着剤で保持されていない窪み内のはんだ粉末を除去する工程；
D.シートの窪み内で粘着剤により付着されたはんだ粉末にフラックスを塗布する工程；
E.上記シートを加熱して窪み内のはんだ粉末を溶融させ、溶融したはんだの表面張力で球状にする工程；
F.球状となった溶融状態のはんだを冷却固化してはんだボールにする工程；
G.シートとはんだボールを溶剤に浸漬してシートの窪みからはんだボールを離脱させるとともに、はんだボールに付着しているフラックスを洗浄除去する工程；
から成ることを特徴とするはんだボールの製造方法である。

本発明のはんだボールの製造方法は、材料コスト、生産設備等において、油中造球法や気中造球法よりも安価であるため経済性の面で優位である。また本発明のはんだボールの製造方法は、酸化物を還元除去作用のあるフラックスがはんだ粉末に塗布されており、窪み内にあるはんだ粉末は溶融時に表面の酸化物が完全になくなって清浄な金属表面となっているため、はんだボールは周囲にはんだ粉末が付着するようなことがない。さらにまた本発明のはんだボールの製造方法は、全ての窪みの直径を均一にできるため、該窪みの底部の粘着剤に付着するはんだ粉末の量は均一となり、ここで溶融して得られるはんだボールは全てバラツキの少ない径となる。

本発明に使用するシートは、多数の窪みが形成され、該窪みの底部に粘着剤が存在するものである。そこでシートとしては、単体の板材を用い、該板材に対して所定の位置に窪みを形成後、該窪みの低部に粘着剤を塗布するようにしてもよいが、大量にある窪みに粘着剤を塗布するには多大な手間がかかる。そこでシートを複層材にし、膜状の粘着剤を粘着剤として使用するとよい。ここで本発明に使用して好適なシートについて簡単に説明する。図１（A）がシートの構成を説明する図である。シート１は耐熱性基材２、膜状粘着剤３、レジスト４から構成されており、耐熱性基材２の上に膜状粘着剤３が膜状粘着剤の粘着力で貼り付けられており、該膜状粘着剤の上にレジスト４がやはり膜状粘着剤の粘着力で貼り付けられている。

耐熱性基材は、はんだ粉末を溶融させたときに炭化したり変形したりしないような耐熱性を有するとともに、溶融したはんだが接合しないような材料でなければならない。本発明に使用して好適な耐熱性基材は、ステンレス、チタン、アルミニューム等の金属、耐熱性樹脂、セラミック等の非金属である。耐熱性基材の厚さについては特に限定されるものではないが、製造するはんだボールの大きさやハンドリング等を考慮すると100〜200μｍが適している。

はんだ粉末を粘着保持する粘着剤としては、付着したはんだ粉末が容易に脱落しない程度のタック力を有するものであれば如何なる粘着剤でも使用可能であるが、本発明に使用して好適な粘着剤としてはアクリル系、シリコーン系、ゴム系である。粘着剤の厚さは、5〜10μｍが適当であり、10μｍを超えても効果が変わらないので非経済的である。

窪みを形成するレジストとしては、感光性、耐熱性を有するものが適当であり、ドライフィルムまたは液状レジストの形で使用する。レジストの厚さは、はんだ粉末が溶融してはんだボールが形成されたときに、はんだボールが容易に移動したり落下したりしない厚さにする。レジストの厚さは、10μｍ以上、好ましくは20μｍ以上である。レジストに窪みを形成する方法としては、所定箇所を露光して現像する方法がある。また他の窪み形成方法としてはパンチング、ドリル、レーザ等で加工する方法があるが、これらを単独、または組み合わせて使用することもできる。

本発明に使用するはんだ粉末は、アトマイズ法、回転円盤法、油中攪拌法等で得られたものを適宜分級したものでよい。はんだ粉末の粒径については窪み底部に付着する個数が多いほどバラツキが少なくなるため、粒径の小さいはんだ粉末の方が好ましい。

はんだ粉末を窪みに充填するには、窪みが形成された面に多めのはんだ粉末を置き、該はんだ粉末をブラシやスキージで掻き均すことにより、全ての窪みにはんだ粉末を充填する。そして窪みに充填したはんだ粉末を窪み底部の粘着剤で粘着させ、その後に窪み内の余剰のはんだ粉末を窪みから除去するとともに、レジストの表面に残ったはんだ粉末も除去する。これら窪み内の余剰のはんだ粉末やレジスト表面のはんだ粉末の除去は、シートを裏返して軽くシートをたたいたり圧縮空気で吹き飛ばしたりするだけで容易に除去できる。

次に本発明のはんだボールの製造方法を図面に基づいて説明する。図1の(A)〜(G)は本発明の製造方法における各工程を説明する図である。

A.シートの準備工程
前述のようにシート１は、耐熱性基材２の片面に膜状粘着剤３が貼り付けられており、その上にレジスト４が貼り付けられている。レジスト４には同一形状の多数の窪み５・・・が一定間隔で形成されている。このように耐熱性基材２、膜状粘着剤３、レジスト４から成るシート１を準備しておく。
B.はんだ粉末の充填工程
多数の窪み５・・・が形成された面を上側にし、レジスト４の上に多めのはんだ粉末６を載置する。そして該はんだ粉末６をスキージ７で矢印方向に掻いて、はんだ粉末６を窪み５内に充填する。窪み５内に充填されたはんだ粉末は、最下部で膜状粘着剤３に接しているものだけが膜状粘着剤３に付着保持される。
C.余剰はんだ粉末の除去工程
はんだ粉末６が全ての窪み５・・・に充填されたならば、シート１を反転して窪み５内で膜状粘着剤３で付着されていない余剰のはんだ粉末を除去する。
D.フラックス塗布工程
窪み５内の余剰のはんだ粉末が除去されたならば、スプレーフラクサー８で窪み５内のはんだ粉末６にフラックス９を塗布する。
E.加熱溶融工程
窪み５内のはんだ粉末６にフラックスを塗布した後、シート１をリフロー炉のような加熱装置で加熱して、窪み５内のはんだ粉末６を溶融させる。このとき多数のはんだ粉末６は、フラックスによりはんだ粉末表面に生成していた酸化物や汚れが除去され清浄な表面となるため、溶融したときに合一する。多数のはんだ粉末が溶融して合一すると、溶融はんだ塊１０となり、該溶融はんだ塊は自らの表面張力で球状となる。
F.冷却工程
溶融はんだが窪み５内で球状となったならば、シート１を図示しない冷却装置で冷却する。球状の溶融はんだを冷却すると球状の溶融はんだは固化してはんだボール１１となる。またフラックスは溶媒が揮散して固形物が残り、固化したはんだボールを固着する。
G.洗浄工程
はんだボール１１は、シートの窪み内でフラックス６により固着されているため、該シートを溶剤１２中に浸漬してフラックスを溶剤で溶解する。フラックスの溶解でシートから離脱したはんだボールは、適宜な乾燥を行って溶剤を揮散させる。

上記製造方法において、耐熱性基材として200μｍのアルミニュームを用い、該アルミニュームの片面にアクリル系の膜状粘着剤を貼り付け、さらにその上に膜厚25μｍのドライフィルムソルダレジストをラミネートした。シートはA4の大きさであり、該シートには開口径120μm、ピッチ200μｍの窪みが150万個形成されるように、露光、現像処理を行った。次いでレジスト表面に5〜15μｍのはんだ粉末（Sn-3Ag-0.5Cu、融点217℃)を置き、スキージで掻き均して全ての窪みにはんだ粉末を充填し、その後、余剰のはんだ粉末はシートを反転するとともに圧縮空気を吹き付けて除去した。そして窪み内のはんだ粉末に水溶性フラックスをスプレーフラクサーで塗布し、窒素雰囲気のリフロー炉で加熱した。リフロー炉内では、はんだ粉末が溶融し、合一して球状となり、その後、リフロー炉内の冷却装置で冷却され固化して全ての窪み内に直径60±2（μｍ）のはんだボールが形成されていた。はんだボールは、窪み内で固化したフラックスにより保持されていて、そのままでははんだボールを窪みから取り出すことが困難であった。そこで該シートを40℃の温湯中に浸漬するとともに超音波洗浄し、はんだボールをシートから分離した。そしてさらにはんだボールを湯洗し、最後にIPA(イソプロピルアルコール）で洗浄し、乾燥させた。

本発明は、直径が300μｍ以下の微小はんだボールを製造するのに適したものであるが、直径が300μｍ以上のはんだボールを製造することも可能である。

本発明の製造方法における各工程を説明する図

符号の説明

１ シート
２ 耐熱性基材
３ 粘着剤
４ レジスト
５ 窪み
６ はんだ粉末
９ フラックス
１１ はんだボール
１２ 溶剤

Claims (1)

1. A.多数の窪みが形成されており、しかも該窪みの底部に粘着剤が存在するシートを準備する工程；
   B.窪みが形成されたシートの面にはんだ粉末を散布して窪み内に充填し、窪み底部の粘着剤と接したはんだ粉末を粘着剤で付着保持する工程；
   C.粘着剤で保持されていない窪み内のはんだ粉末を除去する工程；
   D.シートの窪み内で粘着剤により付着されたはんだ粉末にフラックスを塗布する工程；
   E.上記シートを加熱して窪み内のはんだ粉末を溶融させ、溶融したはんだの表面張力で球状にする工程；
   F.球状となった溶融状態のはんだを冷却固化してはんだボールにする工程；
   G.シートとはんだボールを溶剤に浸漬してシートの窪みからはんだボールを離脱させるとともに、はんだボールに付着しているフラックスを洗浄除去する工程；
   から成ることを特徴とするはんだボールの製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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