JP2008163373A - Method for manufacturing microball of active metal, and microball - Google Patents

Method for manufacturing microball of active metal, and microball Download PDF

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正 紀伊
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康仙 菊地
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide microballs of active metal having uniform size and its manufacturing method and further to provide the microballs stable in the air by covering the surface thereof with passivation film. <P>SOLUTION: Active metal is filled into a crucible 10 and a microball recovery bowl 19 is inserted on the underside of an orifice 17, and a gate valve 20 is closed. After an inside of the crucible 10, a space into which the recovery bowl 19 is inserted and a microball discharge chamber 22 are evacuated, inert gas is introduced. Subsequently, the active metal is melted by heating using a heating device 13, and then a piezoelectric pulse is applied to a piezoelectric actuator 11 to jet the molten active metal through the orifice 17. The jetted molten metal is formed into a microball having a size nearly the same as the bore diameter of the orifice 17 and recovered in the recovery bowl 19. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、アルミニウム、マグネシウム、チタン等の活性金属から成るマイクロボールの製造方法及びマイクロボールに係る。特に、小径かつ均一なサイズを有し、超音波接合も可能な活性金属のマイクロボールの製造が可能な活性金属マイクロボールの製造方法及びマイクロボールに関する。   The present invention relates to a method for producing a microball made of an active metal such as aluminum, magnesium, titanium, and the like. In particular, the present invention relates to an active metal microball manufacturing method and a microball capable of manufacturing an active metal microball having a small diameter and a uniform size and capable of ultrasonic bonding.

特開2004−317096号公報JP 2004-317096 A 特開2005−146370号公報 半導体実装では、接続温度を低温に保ちながら短時間に処理できる超音波接合技術が有効である。 図4に超音波接合方法の概略図を示す。半導体基板43に接続しようとする、半導体チップ44の配線パターン45にバンプ46を取り付ける。そして半導体チップ44と、ボンディングステージ41に置かれた半導体基板43とを、正確に位置決めを行なって接触させる。その後、ボンディングツール42で抑えて加熱すると共に、超音波振動を与えることにより接合させる。JP, 2005-146370, A An ultrasonic joining technique which can be processed in a short time, keeping connection temperature low is effective in semiconductor mounting. FIG. 4 shows a schematic diagram of the ultrasonic bonding method. A bump 46 is attached to the wiring pattern 45 of the semiconductor chip 44 to be connected to the semiconductor substrate 43. Then, the semiconductor chip 44 and the semiconductor substrate 43 placed on the bonding stage 41 are accurately positioned and brought into contact with each other. Then, while being suppressed and heated with the bonding tool 42, it joins by giving an ultrasonic vibration.

しかし、超音波接合で使えるバンプは限られている。これまでは極めて安定な金ボールが使われている。しかし、金ボールは価格も高く、資源としても多くないので工業的に広く使われることは難しい。
代替可能な金属として、活性金属の1つであるアルミニウムがある。しかし、次に述べるとおり、小径(特に、粒径20μm以下)のボールにすることが難しく、また、均一なサイズのマイクロボールを製造する方法は現在確立されていない。
微小なアルミニウムボールを製造する方法として、ガスアトマイズ法、均一液滴法などがある。
However, the bumps that can be used for ultrasonic bonding are limited. Until now, extremely stable gold balls have been used. However, since gold balls are expensive and not a lot of resources, it is difficult to use them widely industrially.
An alternative metal is aluminum, which is one of the active metals. However, as described below, it is difficult to make a ball having a small diameter (particularly, a particle diameter of 20 μm or less), and a method for producing a microball having a uniform size has not been established.
As a method for producing a minute aluminum ball, there are a gas atomizing method, a uniform droplet method, and the like.

ガスアトマイズ法は、金属を溶湯の状態で落下させ、そこに高圧ガス、高圧水等を吹き付けて粉化することにより、微小なサイズのボールを製造する方法である。また、浮揚溶解技術とガスアトマイズ技術とを組み合わせてアルミニウム等の活性金属粒子を作る技術も提案されている(特許文献1)。
しかし、これらの技術では、得られた粒子が広い粒度分布を持ち、高精度の粒子は得られない。
The gas atomization method is a method of manufacturing a ball of a minute size by dropping a metal in a molten state and spraying it with high pressure gas, high pressure water, or the like to powder it. Moreover, the technique which makes active metal particles, such as aluminum, combining a flotation melt | dissolution technique and a gas atomization technique is also proposed (patent document 1).
However, with these techniques, the obtained particles have a wide particle size distribution, and highly accurate particles cannot be obtained.

均一液滴法は、例えば特許文献2に記載されている。
この方法は、金属溶湯に圧力をかけて下部ノズル先端から溶湯を噴射させると同時に溶湯に振動を与え、ノズル出口でその振動を噴射流れに伝えるものである。振動が噴射流に伝わると、噴射流にくびれが生じ、そのくびれが発達することにより微小なサイズのボールができる。
The uniform droplet method is described in Patent Document 2, for example.
In this method, pressure is applied to the molten metal to inject the molten metal from the tip of the lower nozzle, and at the same time, vibration is applied to the molten metal and the vibration is transmitted to the injection flow at the nozzle outlet. When the vibration is transmitted to the jet stream, the jet stream becomes constricted, and the constriction develops, so that a ball of a minute size can be formed.

しかし、この方法では共鳴等から振動の伝わり方を均一に制御することが難しい。その結果、粒子も高精度な粒径を保つことは困難である。また、その制御は小径になるほど難しい。特に、アルミニウムのような活性な金属においては、その制御がより困難になるため、唯一、0.5mmφの粒径のアルミニウムボールが提案されているだけである。   However, with this method, it is difficult to uniformly control how vibration is transmitted from resonance or the like. As a result, it is difficult for the particles to maintain a highly accurate particle size. Also, the control becomes more difficult as the diameter becomes smaller. In particular, an active metal such as aluminum is more difficult to control, so only an aluminum ball having a particle diameter of 0.5 mmφ has been proposed.

本発明は、小径で均一なサイズの活性金属のマイクロボールを製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、更に、その表面を不動態膜で覆うことにより、大気中で安定なマイクロボールを提供することを目的とする。
An object of this invention is to provide the manufacturing method which can manufacture the microball of the active metal of a small diameter and uniform size.
Another object of the present invention is to provide a microball that is stable in the atmosphere by covering the surface with a passive film.

請求項1に係る発明は、内部表面が活性金属との間で反応生成物を生成しない材料からなる溶解室内に活性金属を導入する工程、
該溶解室内を1×10−2Pa以下の真空に引く工程、
該溶解室内を、酸素濃度が0.1ppm以下であり水分濃度が0.55ppm以下である不活性ガスにより置換する工程、
前記不活性ガスの雰囲気中で前記活性金属を溶解させて溶湯とする工程、
前記溶湯にパルス圧力を加えることにより、前記溶解室の下部に形成されたオリフィス孔から前記溶湯を回収部に噴射させてボールを形成する工程、
を有することを特徴とする活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項2に係る発明は、請求項1記載の工程の後、表面に、10nm以下の不動態膜を形成することを特徴とする活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項3に係る発明は、前記回収部に、ゲートバルブを介して取り出し室を設けておき、該取り出し室において前記不動態膜の形成を行うことを特徴とする請求項2記載の活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項4に係る発明は、マイクロボールが常温になったとき、前記ゲートバルブを閉の状態として前記回収部に酸化性ガスを導入することにより不動態膜の形成を行うことを特徴とする請求項2または3記載の活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項5に係る発明は、前記酸化性ガスが大気ガスであることを特徴とする請求項4記載の活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項6に係る発明は、マイクロボールの直径が40〜200μmであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項7に係る発明は、直径のばらつきが±7.5%以内であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項記載の活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項8に係る発明は、直径のばらつきが±3.5%以内であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項記載の活性金属マイクロボールの製造方法である。
請求項9に係る発明は、直径が40μm〜200μmであって、直径のばらつきが±7.5%以内であることを特徴とする活性金属マイクロボールの集合体である。
請求項10に係る発明は、直径のばらつきが±3%以内であることを特徴とする請求項9記載の活性金属マイクロボールである。
請求項11に係る発明は、表面に10nm以下の不動態膜を有する請求項9又は10記載の活性金属マイクロボールの集合体である。
The invention according to claim 1 is a step of introducing an active metal into a melting chamber made of a material whose inner surface does not generate a reaction product with the active metal.
A step of evacuating the dissolution chamber to a vacuum of 1 × 10 −2 Pa or less,
Replacing the dissolution chamber with an inert gas having an oxygen concentration of 0.1 ppm or less and a water concentration of 0.55 ppm or less;
Dissolving the active metal in an atmosphere of the inert gas to form a molten metal;
A step of spraying the molten metal from the orifice hole formed in the lower part of the melting chamber to form a ball by applying a pulse pressure to the molten metal,
It is a manufacturing method of the active metal microball characterized by having.
The invention according to claim 2 is a method for producing an active metal microball, wherein after the process according to claim 1, a passive film of 10 nm or less is formed on the surface.
The invention according to claim 3 is characterized in that an extraction chamber is provided in the recovery part via a gate valve, and the passive film is formed in the extraction chamber. It is a manufacturing method of a ball.
The invention according to claim 4 is characterized in that when the microball reaches a room temperature, the gate valve is closed and an oxidizing gas is introduced into the recovery part to form a passive film. Item 4. A method for producing an active metal microball according to Item 2 or 3.
The invention according to claim 5 is the method for producing an active metal microball according to claim 4, wherein the oxidizing gas is an atmospheric gas.
The invention according to claim 6 is the method for producing an active metal microball according to any one of claims 1 to 5, wherein the diameter of the microball is 40 to 200 μm.
The invention according to claim 7 is the method for producing an active metal microball according to any one of claims 1 to 6, wherein the variation in diameter is within ± 7.5%.
The invention according to claim 8 is the method for producing an active metal microball according to any one of claims 1 to 7, wherein the variation in diameter is within ± 3.5%.
The invention according to claim 9 is an aggregate of active metal microballs characterized in that the diameter is 40 μm to 200 μm and the variation in diameter is within ± 7.5%.
The invention according to claim 10 is the active metal microball according to claim 9, wherein the variation in diameter is within ± 3%.
The invention according to claim 11 is the assembly of active metal microballs according to claim 9 or 10 having a passive film of 10 nm or less on the surface.

(請求項1)
直径がオリフィスの口径とほぼ同じである均一なサイズの活性金属マイクロボールを製造することができる。そのため従来製造することができなかった直径200μm以下の活性金属マイクロボールを製造することが可能となる。
(請求項2)
活性金属マイクロボールの表面を酸化皮膜等の不動態膜で覆うことにより、常温及びその近辺で安定な活性金属マイクロボールを製造することができる。従って、半導体実装において、低い温度で接続できる超音波接合技術に有効なマイクロボールが得られる。また、超音波接合が可能である。
(請求項3)
回収部と外部との間にゲートバルブを介して取り出し室を設けてあるため、取出し時に回収部を大気に晒すことなく、ボールの取り出しを行うことができる。そのため、回収部の清浄度は保持され、回収部のパージを行う必要がなくなる。
(請求項4、5)
回収部の清浄度を保持した状態で回収部を常温まで下げて大気あるいは酸化性ガスに晒すため、酸化膜の厚さを10nm以下の薄さに精度よく制御して形成することができる。なお、酸化膜の膜厚は、ガス中の酸化性成分(酸素、水分)の濃度を調整することにより、制御することができる。常温は40℃以下の温度である。
(請求項6、9)
従来存在しなかった200μm以下の活性金属のマイクロボールを得ることができる。そのため、金に代替するボールを得ることができる。
(請求項7、8、10)
溶湯をオリフィスから放射したままの状態(すなわち、分級などの操作を行うことなく)で直径の揃ったマイクロボールであるため、製品ごとにばらつきの無い半導体の接合が可能となる。
(請求項11)
実装までの間純金属の部分を保護されており、接合部における電気伝導度の低下を招くことのないマイクロボールを提供することができる。
(Claim 1)
Uniformly sized active metal microballs whose diameter is approximately the same as the orifice diameter can be produced. Therefore, it becomes possible to produce an active metal microball having a diameter of 200 μm or less, which could not be produced conventionally.
(Claim 2)
By covering the surface of the active metal microball with a passive film such as an oxide film, it is possible to produce an active metal microball that is stable at normal temperature and in the vicinity thereof. Therefore, it is possible to obtain a microball effective for ultrasonic bonding technology that can be connected at a low temperature in semiconductor mounting. Moreover, ultrasonic bonding is possible.
(Claim 3)
Since a take-out chamber is provided between the collection unit and the outside via a gate valve, it is possible to take out the ball without exposing the collection unit to the atmosphere during the take-out. For this reason, the cleanliness of the recovery unit is maintained, and there is no need to purge the recovery unit.
(Claims 4 and 5)
Since the recovery unit is lowered to room temperature and exposed to the atmosphere or an oxidizing gas while maintaining the cleanliness of the recovery unit, the thickness of the oxide film can be accurately controlled to be 10 nm or less. Note that the thickness of the oxide film can be controlled by adjusting the concentration of oxidizing components (oxygen and moisture) in the gas. The normal temperature is a temperature of 40 ° C. or lower.
(Claims 6 and 9)
An active metal microball of 200 μm or less, which did not exist conventionally, can be obtained. Therefore, it is possible to obtain a ball that substitutes for gold.
(Claims 7, 8, 10)
Since the microballs have the same diameter in a state where the molten metal is radiated from the orifice (that is, without performing an operation such as classification), it is possible to join the semiconductors without variation among products.
(Claim 11)
It is possible to provide a microball in which a pure metal portion is protected until mounting and does not cause a decrease in electrical conductivity at the joint.

以下、本発明に係る各用語の意義について明らかにすると共に、本発明の最良形態について説明する。
なお、本明細書において「ばらつき」とは、「100×(平均値−直径)/平均値」である。
Hereinafter, the meaning of each term according to the present invention will be clarified, and the best mode of the present invention will be described.
In this specification, “variation” means “100 × (average value−diameter) / average value”.

本発明では、製造された単分散粒子の集合体を光学顕微鏡で観察する。同時に、光学顕微鏡に備えられている画像解析手段で各粒子の断面積を測定し、それから各粒子の直径を算出する。
図1に、本発明に関係する活性金属マイクロボール製造装置の概略図を示す。ここで、B1は活性金属溶湯噴射部、B2は噴射された活性金属の表面に不動態膜を形成する不動態膜形成部である。
活性金属溶湯噴出部B1は、例えば溶解室(坩堝)10、圧電アクチュエータ11、圧電アクチュエータ11に連結したシリンダロッド12、オリフィスプレート16から構成される。
溶解室10は、活性金属との間で反応生成物を生成しない材料により構成される。また、活性金属と接触する部分についても同様である。例えば、カーボン、BN(ボロンナイトライド)、アルミナが用いられる。なお、カーボンは活性金属と反応することがあるため、BN、アルミナを用いることが好ましい。
坩堝10は、蓋10aによって密閉される。蓋10aには圧電アクチュエータ11に連結したシリンダロッド12が貫通している。圧電アクチュエータ11で発生するパルス圧力は、シリンダロッド12、及びシリンダロッド12に接触している活性金属溶湯15に伝達する。また容器10には、不活性ガスを導入するためのガス導入口14が設けられている。
In the present invention, the aggregate of produced monodisperse particles is observed with an optical microscope. At the same time, the cross-sectional area of each particle is measured by the image analysis means provided in the optical microscope, and the diameter of each particle is calculated therefrom.
FIG. 1 shows a schematic view of an active metal microball manufacturing apparatus related to the present invention. Here, B1 is an active metal melt injection part, B2 is a passive film formation part which forms a passive film on the surface of the injected active metal.
The active metal molten metal ejection part B1 includes, for example, a melting chamber (crucible) 10, a piezoelectric actuator 11, a cylinder rod 12 connected to the piezoelectric actuator 11, and an orifice plate 16.
The melting chamber 10 is made of a material that does not generate a reaction product with the active metal. The same applies to the portion in contact with the active metal. For example, carbon, BN (boron nitride), and alumina are used. Since carbon may react with an active metal, it is preferable to use BN or alumina.
The crucible 10 is sealed with a lid 10a. A cylinder rod 12 connected to the piezoelectric actuator 11 passes through the lid 10a. The pulse pressure generated by the piezoelectric actuator 11 is transmitted to the cylinder rod 12 and the active metal melt 15 in contact with the cylinder rod 12. Further, the container 10 is provided with a gas inlet 14 for introducing an inert gas.

坩堝10の下側は、溶融金属保持用の中間容器であるタンディッシュ25になっている。
タンディッシュ25の下側にあるオリフィスプレート16には、オリフィス17が設けられている。オリフィス17は、1個でも或いは複数個でもよい。
不動態膜形成部B2は、例えばマイクロボール回収皿19、ゲートバルブ20、マイクロボール回収皿挿入棒23、マイクロボール取出室22から構成される。不動態膜形成部B2の入口になっているオリフィスプレート16の下側にも、ガス導入口18が設けられている。
The lower side of the crucible 10 is a tundish 25 which is an intermediate container for holding molten metal.
An orifice 17 is provided in the orifice plate 16 below the tundish 25. One or more orifices 17 may be provided.
The passive film forming unit B2 includes, for example, a microball collection tray 19, a gate valve 20, a microball collection tray insertion rod 23, and a microball extraction chamber 22. A gas inlet 18 is also provided on the lower side of the orifice plate 16 serving as the inlet of the passive film forming part B2.

本実施例では、マイクロボールの表面に酸化皮膜を形成することにより、常温及びその近辺で大気中の酸素、水分と反応しにくい安定なマイクロボールにする。
次に、本装置を用いて単分散粒子を製造する方法について説明する。
初めに蓋10aを開けて、坩堝10には活性金属、例えばアルミニウムを充填する。そして蓋10aを閉じて真空引きする。
In this embodiment, by forming an oxide film on the surface of the microball, a stable microball that hardly reacts with oxygen and moisture in the atmosphere at normal temperature and in the vicinity thereof is obtained.
Next, a method for producing monodisperse particles using this apparatus will be described.
First, the lid 10a is opened, and the crucible 10 is filled with an active metal such as aluminum. Then, the lid 10a is closed and evacuated.

本発明においては、1.0×10−2パスカル以下になるまで真空引きする。すなわち、1.0×10−2パスカルよりも真空度が高くなるまで真空引きする。1.0×10−2パスカルよりも真空度が悪いと噴射が阻害され、粒径が不ぞろいになる。
なお、かかる観点から1.0×10−3パスカル以下が好ましく、1.0×10−4パスカル以下がより好ましい。1.0×10−4パスカルにより効果は飽和するため、作業性を考えると下限としては1.0×10−4パスカルが好ましい。
In the present invention, vacuuming is performed until the pressure is 1.0 × 10 −2 Pascal or less. That is, vacuuming is performed until the degree of vacuum becomes higher than 1.0 × 10 −2 Pascal. If the degree of vacuum is worse than 1.0 × 10 −2 Pascal, injection is hindered and the particle size becomes uneven.
From this viewpoint, 1.0 × 10 −3 Pascal or less is preferable, and 1.0 × 10 −4 Pascal or less is more preferable. Since the effect is saturated by 1.0 × 10 −4 Pascal, considering the workability, 1.0 × 10 −4 Pascal is preferable as the lower limit.

本発明者は、従来、活性金属ボールの小径化、均一化が困難である原因を探求した。その結果、溶湯中における酸化物の存在が影響を与えているのではないかと考えた。そこで、溶湯中に浮遊する酸化物の除去を行ってから、噴射を行った。しかし、溶湯から酸化物の除去を行ったのみでは小径化、均一化は達成されなかった。
そこで、さらに探求したところ、噴射工程中においても酸化物が生成されているのではないかとの着想を得た。そこで、雰囲気ガス中の不純物酸素の濃度の低減化を図ったが必ずしも良好な結果が得られなかった。酸素のみならず水分の影響もあるのではないかとの着想を得て水分の低減化も図ったところ、酸素の低減化のみの場合よりも良好な結果が得られた。しかし、必ずしも希望する小径化、均一化が達成さたわけではなかった。
The present inventor has conventionally sought the cause of the difficulty in reducing and uniforming the diameter of active metal balls. As a result, we thought that the presence of oxides in the molten metal might have an effect. Then, after performing the removal of the oxide which floats in molten metal, injection was performed. However, only by removing the oxide from the molten metal, the reduction in diameter and uniformity were not achieved.
As a result of further exploration, the inventors have come up with the idea that oxides are being produced even during the injection process. Thus, although the concentration of impurity oxygen in the atmospheric gas was reduced, good results were not always obtained. The idea of whether there is an influence of moisture as well as oxygen was to reduce the moisture, and better results were obtained than when oxygen was reduced alone. However, the desired diameter reduction and uniformity were not always achieved.

そこで、さらに知見を重ねた結果、酸素濃度、水分濃度には臨界値があることを発見した。すなわち、酸素の濃度0.1ppm、水分の濃度は0.55ppmを境としてそれ以下の濃度とすると急激に小径化、均一化が向上することを見出した。
従って、本発明では、真空引きした後、ガス導入口14から不活性ガス、例えばアルゴンガスを導入する。
その際、酸素の濃度0.1ppm以下、水分の濃度は0.55ppm以下の不活性ガスを用いる。酸素濃度が0.1ppm以下、水分の濃度は0.55ppm以下とすることにより初めて200μm以下の粒径の活性金属のボールの製造が可能となる。
なお、酸素濃度は10ppb以下がより好ましく、1ppb以下がさらに好ましい。水分濃度は200ppb以下がより好ましく、50ppb以下がさらに好ましい。
As a result of further knowledge, we discovered that oxygen and moisture concentrations have critical values. That is, it has been found that when the concentration of oxygen is 0.1 ppm and the concentration of water is 0.55 ppm or less, the diameter and the uniformity are rapidly improved.
Therefore, in the present invention, after evacuation, an inert gas such as argon gas is introduced from the gas inlet 14.
At that time, an inert gas having an oxygen concentration of 0.1 ppm or less and a water concentration of 0.55 ppm or less is used. Only when the oxygen concentration is 0.1 ppm or less and the water concentration is 0.55 ppm or less, it becomes possible to produce an active metal ball having a particle diameter of 200 μm or less.
The oxygen concentration is more preferably 10 ppb or less, and further preferably 1 ppb or less. The water concentration is more preferably 200 ppb or less, and further preferably 50 ppb or less.

次に加熱装置13で加熱して、活性金属を活性金属溶湯15とする。オリフィスプレート16には、製造しようとするマイクロボールと同じ直径であるオリフィス17が設けられている。オリフィスプレート16に設けるオリフィスの数は、1個でも複数個でもよい。圧電アクチュエータ11に圧電パルスを印加すると、シリンダロッド12はタンディッシュ25で上下動する。この圧電パルスに同期して、オリフィス17から溶湯金属が噴出する。
このとき、アルミニウムが酸化することなく凝固して、マイクロボールができる。
また以上のように活性金属噴出部B1を構成することにより、オリフィス17の口径に対して、±7.5%以内(さらには±3%以内)の粒径精度を持つアルミニウムマイクロボールを製造することができた。
Next, it heats with the heating apparatus 13, and makes an active metal the active metal molten metal 15. FIG. The orifice plate 16 is provided with an orifice 17 having the same diameter as the microball to be manufactured. The number of orifices provided in the orifice plate 16 may be one or more. When a piezoelectric pulse is applied to the piezoelectric actuator 11, the cylinder rod 12 moves up and down by the tundish 25. In synchronism with the piezoelectric pulse, molten metal is ejected from the orifice 17.
At this time, the aluminum is solidified without being oxidized to form a microball.
Further, by forming the active metal ejection part B1 as described above, an aluminum microball having a particle size accuracy within ± 7.5% (or within ± 3%) with respect to the diameter of the orifice 17 is manufactured. I was able to.

活性金属溶湯噴出部B1の坩堝10に活性金属を充填するとき、挿入棒23を操作してマイクロボール回収皿19をオリフィス17の下側に挿入し、ゲートバルブ20を閉じて大気から遮断する。そして坩堝10内の真空引き、不活性ガス導入と同時に、マイクロボール回収皿19を挿入した空間、マイクロボール取出室22も真空引き、不活性ガス導入を行なう。真空引きの際の真空度、不活性ガス中に含まれる酸素、水分の濃度は坩堝10と同じでよい。但し、オリフィス17から噴出した活性金属溶湯が球形になるように、ガス導入口18から導入する不活性ガスの速度を調整することが好ましい。
オリフィス17から噴出した活性金属溶湯は、落下中に固化してマイクロボール回収皿19に回収される。
オリフィス17からの噴出を終了した後、ゲートバルブ20を開け、操作棒23を操作してマイクロボール回収皿19をマイクロボール取出室22に移動する。そして不活性雰囲気中で、しばらく放置しながら冷却する。常温に達した時点で、酸化性雰囲気にさらす。酸化性雰囲気として、大気雰囲気が好ましい。
When the active metal is filled in the crucible 10 of the molten metal ejection portion B1, the insertion rod 23 is operated to insert the microball collection tray 19 below the orifice 17, and the gate valve 20 is closed to shut off from the atmosphere. At the same time as evacuating the crucible 10 and introducing the inert gas, the space into which the microball collection tray 19 is inserted and the microball take-out chamber 22 are also evacuated to introduce the inert gas. The degree of vacuum during evacuation and the concentration of oxygen and moisture contained in the inert gas may be the same as those of the crucible 10. However, it is preferable to adjust the speed of the inert gas introduced from the gas introduction port 18 so that the molten active metal ejected from the orifice 17 becomes spherical.
The molten active metal ejected from the orifice 17 is solidified during the fall and collected in the microball collection tray 19.
After the ejection from the orifice 17 is finished, the gate valve 20 is opened and the operation rod 23 is operated to move the microball collection tray 19 to the microball extraction chamber 22. Then, it is allowed to cool for a while in an inert atmosphere. When it reaches room temperature, it is exposed to an oxidizing atmosphere. An air atmosphere is preferable as the oxidizing atmosphere.

酸化性雰囲気中への放置時間は、加熱温度により適宜調整すればよい。これらの条件と膜厚との関係を予め実験により求めておき、10nm以下となるようにすればよい。
取り出し室における処理により、マイクロボールの表面に酸化皮膜が形成され、常温及びその近辺で大気中の酸素、水分と反応しにくい安定な活性金属マイクロボールが得られる。
最後に、マイクロボール回収皿取出口24を開けて、マイクロボールと、回収皿19を取り出す。
What is necessary is just to adjust the leaving time in an oxidizing atmosphere suitably with heating temperature. The relationship between these conditions and the film thickness may be obtained in advance by experiments so as to be 10 nm or less.
By the treatment in the take-out chamber, an oxide film is formed on the surface of the microball, and a stable active metal microball that hardly reacts with oxygen and moisture in the atmosphere at normal temperature and in the vicinity thereof can be obtained.
Finally, the microball collection tray outlet 24 is opened, and the microball and the collection tray 19 are removed.

純度99.99%(重量%)のアルミニウムから、図1に示した装置でマイクロボールを製造した結果について説明する。
シリンダロッド12のダンディッシュ25側の直径が5〜30mmの範囲にあるものをいくつか使って実験した。ダンディッシュ25は、シリンダロッド12と略同じかわずかに大きくした。
純度99.99%のアルミニウムを坩堝10に充填する共に、マイクロボール回収皿19をオリフィス17の下側に配置して、ゲートバルブ20を閉じた。そして坩堝10内、マイクロボール19を配置した空間、及びマイクロボール取出室22を1.0×10−2パスカル以下になるまで真空引きした後、酸素濃度0.1ppm、水分の濃度0.5401ppmのアルゴンガスを導入した。加熱装置13で加熱してアルミニウムを溶解してから、圧電アクチュエータ11に圧電パルスを印加することにより、オリフィス17からアルミニウム溶湯を噴出した。オリフィス17から噴出したアルミニウム溶湯は、落下中に固化して、マイクロボール回収皿19に堆積した。オリフィス17からの噴出を終了した後、操作棒23を操作して、マイクロボール回収皿19をマイクロボール取出室22に移動した。前記のアルゴンガス中でしばらく放置しながら冷却する。その後、常温に達した時点で酸素性雰囲気にさらすことにより、マイクロボール表面に酸化皮膜を形成した。最後にマイクロボール回収皿取出口24を開けて、マイクロボールと、回収皿19を取り出した。
The results of manufacturing microballs from aluminum having a purity of 99.99% (weight%) using the apparatus shown in FIG. 1 will be described.
Experiments were conducted using several cylinder rods 12 having a diameter on the side of the dandish 25 in the range of 5 to 30 mm. The dundish 25 is substantially the same as or slightly larger than the cylinder rod 12.
While filling the crucible 10 with 99.99% purity aluminum, the microball collection tray 19 was placed below the orifice 17 and the gate valve 20 was closed. Then, after evacuating the crucible 10, the space in which the microballs 19 are arranged, and the microball take-out chamber 22 to 1.0 × 10 −2 Pascal or less, the oxygen concentration is 0.1 ppm and the water concentration is 0.5401 ppm. Argon gas was introduced. After the aluminum was heated by the heating device 13 and melted, a piezoelectric pulse was applied to the piezoelectric actuator 11 to eject the molten aluminum from the orifice 17. The molten aluminum ejected from the orifice 17 was solidified during the fall and deposited on the microball collection tray 19. After the ejection from the orifice 17 was finished, the operation rod 23 was operated to move the microball collection tray 19 to the microball extraction chamber 22. Cooling is allowed to stand in the argon gas for a while. Then, when it reached normal temperature, it exposed to oxygen atmosphere, and formed the oxide film on the microball surface. Finally, the microball collection tray outlet 24 was opened, and the microball and the collection tray 19 were taken out.

図2に、得られたマイクロボールの光学顕微鏡写真を示す。均一なサイズで、真球に近いマイクロボールが得られた。
図3に、光学顕微鏡に備えられている画像解析手段で測定したマイクロボールの粒径分布を示す。略均一な粒径のマイクロボールが得られていることが分かる。
FIG. 2 shows an optical micrograph of the obtained microball. A microball with a uniform size and close to a true sphere was obtained.
FIG. 3 shows the particle size distribution of the microballs measured by the image analysis means provided in the optical microscope. It can be seen that microballs having a substantially uniform particle diameter are obtained.

本発明の実施の形態に係る活性金属マイクロボール製造装置の概略図である。It is the schematic of the active metal microball manufacturing apparatus which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施例において得られたアルミニウムマイクロボールの光学顕微鏡写真である。It is an optical microscope photograph of the aluminum microball obtained in the Example of this invention. 本発明の実施例により得られたアルミニウムマイクロボールの粒径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the particle size distribution of the aluminum microball obtained by the Example of this invention. 超音波接合方法を示す概略図である。It is the schematic which shows an ultrasonic bonding method.

符号の説明Explanation of symbols

B1:活性金属溶湯噴射部
B2:不動態膜形成部
10:坩堝
10a:蓋
11:圧電アクチュエータ
12:シリンダロッド
13:加熱装置
14、18、21:ガス導入口
15:活性金属溶湯
16:オリフィスプレート
17:オリフィス
19:マイクロボール回収皿
20:ゲートバルブ
22:マイクロボール取出部
23:マイクロボール回収皿挿入棒
24:マイクロボール回収皿取出口
25:タンディッシュ
41:ボンディングステージ
42:ボンディングツール
43:半導体基板
44:半導体チップ
45:配線パターン
46:バンプ
B1: Active metal melt injection unit B2: Passive film forming unit 10: Crucible 10a: Lid 11: Piezoelectric actuator 12: Cylinder rod 13: Heating devices 14, 18, 21: Gas inlet 15: Active metal melt 16: Orifice plate 17: Orifice 19: Microball collection tray 20: Gate valve 22: Microball removal section 23: Microball collection tray insertion rod 24: Microball collection tray removal outlet 25: Tundish 41: Bonding stage 42: Bonding tool 43: Semiconductor Substrate 44: Semiconductor chip 45: Wiring pattern 46: Bump

Claims (11)

内部表面が活性金属との間で反応生成物を生成しない材料からなる溶解室内に活性金属を導入する工程、
該溶解室内を1×10−2Pa以下の真空に引く工程、
該溶解室内を、酸素濃度が0.1ppm以下であり水分濃度が0.55ppm以下である不活性ガスにより置換する工程、
前記不活性ガスの雰囲気中で前記活性金属を溶解させて溶湯とする工程、
前記溶湯にパルス圧力を加えることにより、前記溶解室の下部に形成されたオリフィス孔から前記溶湯を回収部に噴射させてボールを形成する工程、
を有することを特徴とする活性金属マイクロボールの製造方法。
Introducing an active metal into a melting chamber made of a material whose inner surface does not generate a reaction product with the active metal;
A step of evacuating the dissolution chamber to a vacuum of 1 × 10 −2 Pa or less,
Replacing the dissolution chamber with an inert gas having an oxygen concentration of 0.1 ppm or less and a water concentration of 0.55 ppm or less;
Dissolving the active metal in an atmosphere of the inert gas to form a molten metal;
A step of spraying the molten metal from the orifice hole formed in the lower part of the melting chamber to form a ball by applying a pulse pressure to the molten metal,
A method for producing an active metal microball, comprising:
請求項1記載の工程の後、表面に、10nm以下の不動態膜を形成することを特徴とする活性金属マイクロボールの製造方法。 A method for producing an active metal microball, wherein a passive film of 10 nm or less is formed on the surface after the step according to claim 1. 前記回収部に、ゲートバルブを介して取り出し室を設けておき、該取り出し室において前記不動態膜の形成を行うことを特徴とする請求項2記載の活性金属マイクロボールの製造方法。 The method for producing an active metal microball according to claim 2, wherein an extraction chamber is provided in the recovery unit via a gate valve, and the passivation film is formed in the extraction chamber. マイクロボールが常温になったとき、前記ゲートバルブを閉の状態として前記回収部に酸化性ガスを導入することにより不動態膜の形成を行うことを特徴とする請求項2または3記載の活性金属マイクロボールの製造方法。 4. The active metal according to claim 2, wherein when the microball reaches a normal temperature, a passive film is formed by introducing an oxidizing gas into the recovery portion with the gate valve closed. A method for producing a microball. 前記酸化性ガスは大気ガスであることを特徴とする請求項4記載の活性金属マイクロボールの製造方法。 The method for producing an active metal microball according to claim 4, wherein the oxidizing gas is an atmospheric gas. マイクロボールの直径が40〜200μmであることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項記載の活性金属マイクロボールの製造方法。 6. The method for producing an active metal microball according to claim 1, wherein the diameter of the microball is 40 to 200 [mu] m. 直径のばらつきが±7.5%以内であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項記載の活性金属マイクロボールの製造方法。 The method for producing an active metal microball according to any one of claims 1 to 6, wherein the variation in diameter is within ± 7.5%. 直径のばらつきが±3%以内であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項記載の活性金属マイクロボールの製造方法。 The method for producing an active metal microball according to any one of claims 1 to 7, wherein a variation in diameter is within ± 3%. 直径が40μm〜200μmであって、直径のばらつきが±7.5%以内であることを特徴とする活性金属マイクロボールの集合体。 An aggregate of active metal microballs having a diameter of 40 μm to 200 μm and a variation in diameter within ± 7.5%. 直径のばらつきが±3.5%以内であることを特徴とする請求項9記載の活性金属マイクロボールの集合体。 The aggregate of active metal microballs according to claim 9, wherein a variation in diameter is within ± 3.5%. 表面に10nm以下の不動態膜を有する請求項9又は10記載の活性金属マイクロボールの集合体。 The aggregate of active metal microballs according to claim 9 or 10, which has a passive film of 10 nm or less on the surface.
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