JP3087254B2 - サイズの均一な微細金属球の製造方法 - Google Patents

サイズの均一な微細金属球の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体実装分野で使用されるTAB（TAB:Tap
e Automated Bonding）やフリップチップ接合法におい
て接合部材としての役割を果たす「バンプ」等で必要と
される、サイズの一定な微細金属球を効率的に製造する
ための方法に関する。
〔従来の技術〕
バンプを使用する半導体実装技術としては、TABやフ
リップチップ法等がある。これらの分野におけるバンプ
としては、金等の金属が使用され、その形も球形や直方
体およびそれらの中間的な形状等、まちまちなものが使
用されている。
バンプ本体の機能は、相対する二つの導電部材間を電
気的、機械的に接合する役割を果たすべきものである。
一般には、バンプは上記二つの導電部材間に位置合わせ
して配置された後、加熱並びに加圧されて両者を接合す
る。このような機能から考えると、バンプの形状は変形
しやすい球形状が望ましいのであるが、実際に多く使用
されているバンプは直方体形状に近いものが大部分であ
る。この理由は、実用されているバンプはほとんどがメ
ッキやエッチングの方法によって作製されているため、
機能的に多少の問題はあっても、これらの手法によって
形成し易い形状のバンプが使用されている、というのが
実態である。さらに現在バンプ形成の最も一般的な方法
であるメッキによる方法に限っていえば、上記の形状の
問題に加えて、バンプとする金属の純度や組成の選択が
制限されるという欠点もある。
ところで、これまで機能的に望ましいにもかかわら
ず、球形状のバンプが主流にならなかった最大の原因
は、均一なサイズで形状の良い金属球を得ることが困難
だったことによると思われる。
微細金属球を製造するための従来法としては、水噴霧
法、ガス噴霧法、真空噴霧法、遠心噴霧法、ローラー噴
霧法、超音波噴霧法等、多くの方法が知られている。し
かし、例えば水噴霧法による微細粉末は形状が不規則、
ガス噴霧法は微細粒を作りにくいという欠点がある。比
較的小さな金属球を工業的な規模で製造できる方法とし
ては遠心噴霧法があるが、Journal of Metels,January
1981,pp13−18に記載されているように、得られる金属
球の粒径は、例えば30から200μ程度の範囲の分布を持
ってしまう。従って、このような方法で作製した金属球
をバンプのような用途に対して使用するためには、出来
上がった種々のサイズの中から特定サイズの金属球だけ
をふるい分け等の方法によって選び出すことが必要であ
った。微細金属球を工業的な規模でふるい分けるのは容
易でなく結果として金属球をバンプとして使用する試み
も積極的には推進されなかった訳である。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、半導体実装分野で必要とするバンプ
用としてそのまま使用できるような、サイズが均一で形
状が良く、しかも純度や組成に対して制約の無い微細金
属球を、ふるい分け等によらずに製造できる効率的な方
法を確立することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、複数の金属細線をテープで平行に整列さ
せ、もしくは束ねて樹脂で被覆し、一定の長さに切断し
た後、そのまま、あるいはテープまたは樹脂を除去し、
その金属の融点以上の温度に加熱して球状化することを
特徴とするサイズの均一な微細金属球の製造方法であ
る。
一般に溶融金属は表面張力が高いので、適当な形状の
微細な固体素材を溶融温度以上に加熱してやれば、溶融
状態では自ずから球形状に変化する傾向を有する。従っ
て、予め得ようとする金属球と同じ質量を持った金属素
材を溶解した後静かに冷却して凝固させてやるだけで原
理的には金属球を作ることが可能である。
もちろん一定の重力下において大きな球を得ようとす
ると、いずれかのサイズ以上で表面張力よりも重力の影
響が強くなり、つぶされた球形にしかならない限界が存
在する。しかし、本発明の目的とするバンプ用の金属球
の範囲は、通常直径が0.5mmを超えることはないので、
重力による偏平化はほとんど問題にならない。
発明者らは、この原理を使って微細金属球を効率的に
つくるための方法について検討し、工業的な分野での実
用化可能な技術とするための条件を調べた。その結果、
最も重要なポイントは以下の各項目に集約されることが
明らかになった。
素材は不定型でも体積が一定でありさえすれば一定
サイズの球が得られるが、質量が一定の素材を大量に準
備するためには、素材としては線材の利用が望ましい。
均一な断面積をもった線材を使用すれば、長さを一定に
切断するだけで、質量の一定な素材を大量に用意するこ
とが容易に実現する。また、なるべく断面積の小さい線
材を使えば切断長さのバラツキによる質量の変動を小さ
くすることができるので、得られる金属球の寸法精度を
一層高めることが可能となる。
線材を素材として使用する場合、切断後の線材の断
面サイズと長さの比があまりに大きくなると、加熱して
溶融させた際に１本の素材が２ケ以上の金属球に分解し
てしまう場合がある。前項では断面形状はなるべく小さ
くて長さの長い線材が望ましかったのであるが、１本の
線材から確実に１ケの球を作るという第２の条件を加え
ると、切断後の素材の断面サイズと長さの比に対して
は、一定の望ましい範囲が存在することになる。我々の
検討結果では断面が円形の普通の線材の場合には、長さ
が直径の約100倍を越えなければ、このような分解の越
こる恐れは小さいことが判ったので、寸法精度との兼ね
合いから、この比の望ましい範囲としては、５〜100倍
とするのが良い。より好ましくは５〜50倍である。
切断した線材を溶解する場合、素材の線材を一定以
上の間隔を隔てた状態で溶解しないと２本以上の素材が
溶融後に合体して大きな球になってしまう恐れがある。
加熱中に素材が変形することもあるので、できれば1mm
程度の間隔は確保しておくことが望ましい。
加熱時に素材表面が酸化したり溶解時に素材の一部
が蒸散するとバンプとして必要な清浄な表面が得られな
くなったり歩留まりが低下する等、好ましくない現象が
現れる。従って、金属の種類によっては酸化防止に対す
る配慮が必須であり、さらに特に蒸気圧の高い金属を扱
う場合には蒸散を防ぐために不活性ガス雰囲気中で溶解
する等の対策をとることが望ましい。
素材金属を溶融させるための加熱温度はその金属の
溶融温度以上であれば良く、必要以上に高い温度に加熱
すると、成分の変化や表面性状の劣化に繋がるので避け
るべきである。金属の溶融点に対して、０〜100℃程度
の高めの範囲が加熱温度として望ましい範囲であること
が確認された。さらに付け加えれば、得ようとする金属
球のサイズが小さい場合ほど、加熱温度を低め側に設定
することが望ましい。やむを得ず高めの温度に加熱した
場合には、高温での保定温度を極力短くして蒸発を防ぐ
とともに、再凝固までの冷却速度を速めて粗大デンドラ
イの成長を阻止すれば、表面性状の悪化を防止すること
ができる。
本発明は、主として以上の点に関する実験的検討の結
果をもとにして構成されたものである。本発明方法のポ
イントは、金属細線を一定の長さに精度良く切断する点
にある。できるだけ細い線を使用して切断長さを長くす
るほうが、切断時の長さのバラツキを小さくすることが
できる。しかし、あまりに細過ぎる線を自動的に切断し
ようとすると、線の送り時のたわみに基づく切断誤差が
生じ易い傾向もある。
細い線を、たわみを生じさせずに精度良く切断するた
めには、第２図に示すような方法が有効である。第２図
（イ）は、複数本の金属細線２を束ねて塩化ビニール等
の樹脂３で被覆し、これを一定長さに切断した後に被覆
をはがして、一定長さの金属線６を取り出す方法であ
る。ただし、束ねる金属線の本数をあまり多くし過ぎる
と、被覆内で個々の金属線が曲がったり捩れたりする結
果、切断精度の悪くなる場合がある。一方、第２図
（ロ）は複数本の金属線２をテープ４及び５の間に平行
に並べて挟み込み、このテープを一定幅に切断してから
金属線６の取り出す方法である。テープとしては、片側
は接着剤の塗布された粘着テープ等を利用し、もう一方
の側は同じ粘着テープを使っても良いが接着剤は必ずし
も必要ではないので、紙等を当てるだけでも十分であ
る。刃幅の広い自動切断機を使用すれば、非常に能率良
く細線材を切断することができる。
このようにして切断した金属線６は、その金属の反応
する恐れの無い坩堝１内に第１図に例示したように配列
する。これを必要な温度に加熱することによって、寸法
の揃った金属球が得られる。
〔作用〕
金属細線は市販の自動切断機によって、±0.1mm以内
の誤差で精度良く切断することが出来る。一定の長さに
切断された金属細線は、金属と濡れにくい特定をもっつ
グラファイト等で作られた坩堝中に一定以上の間隔をと
るように配置した後、真空または不活性ガス雰囲気中で
加熱される。この加熱によって素材線材は溶融し、表面
張力の作用によって球形になる。全ての素材が溶融した
後に冷却することによって、球形を保ったまま凝固させ
ることができる。冷却完了後に取り出せば、目的とする
微細金属球が得られる。
以下、実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。
〔実施例〕
実施例１ 直径0.1mmの銅線を自動切断機で長さ0.7mmに切断し
た。この切断した銅線を、底面の平らなセラミック坩堝
に約2mm程度の間隔を置いて並べ、真空炉中で1120℃に
加熱した。
得られた銅球の寸法を測定したところ、平均直径が0.
22mmで、最大および最小直径は各々0.24と0.21mmという
均一なサイズになっていた。
実施例２ 直径46μｍの金線10本を束ね、第２図（イ）のように
して外側を塩化ビニールで被覆した。この被覆金線を、
自動切断機を用いて0.5mm長さに細分した。切断後に塩
化ビニール被覆を取り除いて、長さの揃った多数の金線
を取り出した。これらをグラファイト坩堝の平らな底面
上にほぼ1mm間隔で並べ、真空チャンバー内に入れて高
周波誘導加熱法で溶解した。温度は1080℃とした。
得られた約9000ケの金球をまずメッシュ番号120の標
準ふるい（目の開き125μｍ）でふるうと、全ての金球
がふるいの目を通過した。次にメッシュ番号140（目の
開き106μｍ）のふるいにかけると、このふるいの目を
抜ける金球は一つも無かった。さらに、100ケの金球を
取り出して直径を測定したところ、平均値は117μｍ、
標準偏差は1.9であった。以上の結果から、本実施例で
得られた金球の直径は、ほぼ111から123μｍ程度の非常
に狭い範囲に入っているものと考えられる。
実施例３ 直径25μｍの金線を、第２図（ロ）に示したような方
法で幅18mmの粘着テープ上に1mmずつの間隔を置いて合
計15本、互いに平行を保つようにして貼り付けた。線材
を貼った後のテープ粘着面には同幅の紙テープを貼り合
わせて、線材が粘着テープと紙テープとの間に挟みこま
れるようにした。この線材入りテープを、自動切断機に
よって長さ0.55mmずつにスライスした。
スライスしたテープには、0.55mm長さの一定長さに切
断された金線が各スライス毎に15本ずつ含まれているの
で、これらをテープのついたままグラファイト坩堝に並
べて入れた。これをまず大気中で500℃に加熱し、テー
プを燃焼させた。その後真空雰囲気に変えた上で誘導加
熱法で1170℃に加熱し、金属線材を溶解した。冷却後に
テープの燃えカスを除去すると、大きさの揃った多数の
金球が得られた。
本実施例においては加熱を２段階として、始めに低温
の大気中で焼いてテープを燃焼させる工程を挿入した。
これは必ずしも必須ではないが、素材金属の活性度が高
くてテープの不純物と反応する恐れのあるような場合
や、テープの不純物が坩堝表面と反応するのを避けるた
めには有効な方法である。
得られた金球の内、245ケについて直径を測定した結
果を第３図に示す。すべての金球が76μｍから84μｍの
間に分布しており、平均値が80.1μｍ標準偏差が1.7と
いう極めて均一性の良い金球が得られていることが判
る。
〔発明の効果〕
金属粉末を量産する従来の方法では、得られる金属球
のサイズ分布が大きいため、特定サイズの球だけを必要
とする場合にはふるい分け等によって不要のサイズの球
を除去することが不可欠であった。本発明法において
は、素材の金属線材の長さを精度良く切断して準備する
だけで、バンプのように寸法精度を厳しく要求される用
途にたいしても、ふるい分けを必要とせずにそのまま使
用できる金属球を量産することが可能である。しかも、
メッキ法で問題となるような金属の組成や純度に制限が
なく、用途に対して最も適当な金属や合金を自由に選ん
で球状に加工することができる。
また、本発明法は基本的にはサイズの揃った金属球の
製造を狙ったものであるが、素材の線材の切断長さに一
定の分布を持たせるようにすれば、任意のサイズ分布を
持った金属球を製造する用途に対しても適用が可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明法において、切断した金属線を平底坩堝
に並べて溶解する状況の一例を示す図、第２図は線材を
一定長さに大量に切断するための方法を例示する図、第
３図は本発明の実施例において得られた金属球について
実測したサイズ分布を示す図である。 １……坩堝、２……金属細線、３……被覆、4,5……テ
ープ、６……切断後の金属線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大野 恭秀 神奈川県川崎市中原区井田1618番地 新 日本製鐵株式會社第一技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−5804（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−102546（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−5802（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B22F 1/00 B21F 21/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の金属細線をテープで平行に整列さ
    せ、もしくは束ねて樹脂で被覆し、一定の長さに切断し
    た後、そのまま、あるいはテープまたは樹脂を除去し、
    その金属の融点以上の温度に加熱して球状化することを
    特徴とするサイズの均一な微細金属球の製造方法。
  2. 【請求項２】切断後の切断長さが素材の断面の直径の５
    〜100倍であることを特徴とする請求項１記載のサイズ
    の均一な微細金属球の製造方法。
  3. 【請求項３】一定長さに切断された金属細線を真空中ま
    たは不活性雰囲気中で加熱し球状化することを特徴とす
    る請求項1,または２記載のサイズの均一な微細金属球の
    製造方法。
JP01320296A 1989-12-07 1989-12-07 サイズの均一な微細金属球の製造方法 Expired - Lifetime JP3087254B2 (ja)

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