JP3697481B2

JP3697481B2 - 微小金属球のはんだめっき法

Info

Publication number: JP3697481B2
Application number: JP27058597A
Authority: JP
Inventors: 武司西内; 文秋菊井; 吉村　　公志
Original assignee: Neomax Materials Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Neomaterial Ltd
Priority date: 1997-09-16
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2017-09-16
Also published as: JPH1192994A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、外径０．３０ｍｍ以下のＣｕボールなどの微小金属球に効率よく球体に成膜が可能なはんだめっき法に係り、水平回転可能なめっき槽を用い、これを高速で正転反転を周期的に繰り返すことにより、組成的にも凝集しやすいＰｂリッチ組成のはんだを微小金属球に効率よく球体にめっきできる微小金属球のはんだめっき法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）タイプの半導体パッケージのパンプ芯材として用いられる微小球は、直径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度で、材質としては所定組成のはんだの他、最近では、電気特性や機械的特性を考慮して、コバール（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ合金）、Ｃｕ、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金などの金属球を芯材としてろう材を被覆したチップキャリアーが提案（特開昭６２−１１２３５５号）されている。
【０００３】
前記微小球の製造方法として、溶融金属を所定温度の液体中に滴下し、溶融金属自体の表面張力にて球形化してそのまま凝固するいわゆる液体中滴下方法（特開平７−２５２５１０号）、金型によるフォーミング等のいわゆる機械的塑性加工方法（特開平４−３５４８０８号）、金属粒又は金属片を非酸化性雰囲気中で平板上に載置して振動を加えながら加熱溶融してその表面張力で球形化してそのまま凝固する振動加熱方法（特公平２−５０９６１号）などが提案されている。
【０００４】
このように製造された微小球の外周面のろう材としては、要求される寸法精度や半導体パッケージとプリント基板との固着強度などにより適宜選定される。例えば、厚み５〜５０μｍの種々の組成からなるはんだ（Ｐｂ−Ｓｎ系）が被覆され、必要に応じてＮｉなどの下地層を形成することもある。
【０００５】
従来、外径が０．６７〜０．７５ｍｍのＣｕボールについては、一般に、陽電極をめっき槽外に配設したバレルを水平軸による垂直方向回転あるいは傾斜軸による傾斜回転させ、５〜１５ｒｐｍ程度の回転数にて通電しながらめっきするバレルめっき法が行われていた。
【０００６】
上記のバレルめっき法において、はんだ溶融時のボイドやフクレの問題があったため、出願人は、はんだめっき液を不活性ガスにてバブリングしながら電気めっきして、微小金属球表面に含有Ｈ₂量の少ない所定厚みのはんだめっき被膜を設けた微小金属球のはんだめっき法（特願平８‐１８８８３４号）、並びに高イオン濃度のめっき液を用いて、極めて低い電流密度で電気めっきを行い、微小球表面に所定厚みの水素含有量の少ないはんだめっき被膜を設けた微小球のはんだめっき法（特願平９‐９４９５８号）を提案した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
今日の半導体パッケージの高密度化に伴って、チップキャリアーとしてのボール径はさらに小さくなり、径０．２５ｍｍや０．１５ｍｍＣｕボールが要求されている。しかし、ボール径の小さい前記Ｃｕボールにバレルめっき法を施すと、Ｃｕボールの分散性（撹拌性）が不十分なためＣｕボール同士の凝集を生じやすく、その上にめっき被膜が生成されるため、Ｃｕボールの２個付きや３個付き等を生じ、ＢＧＡのチップキャリアー用のボールとして使用できない問題が生じてきた。
【０００８】
また、バレル内へめっき液を送入しても、ボール径が小さいためにめっき液の循環が不十分となり、めっき時の極間電圧が上昇したり、さらに小径のためにバレルめっき時にボールと陰極との接触が不十分となるため、めっき膜質の不良を発生する問題があった。
【０００９】
この発明は、外径０．３０ｍｍ以下のＣｕボールなどの微小金属球に効率よく球体に成膜が可能であり、めっき時にボール同士が付着することを防止した微小金属球のはんだめっき法の提供を目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、従来のバレルめっき法の欠点を除去し、外径０．３０ｍｍ以下の微小金属球へのはんだめっき法について種々検討した結果、陰極を槽内円周部に、陽極を槽内中央部に配設した水平方向に回転可能な密閉されためっき槽とその外側に配設した防滴槽からなる２重構造容器のめっき装置に着目した。
【００１１】
発明者らは、さらに検討を加えた結果、前記めっき槽内に例えば微小Ｃｕボールを装入し、水平方向に特定の高速回転にて槽内に送入しためっき液を円周部側から排出しながら、前記めっき槽を正転、反転させ、これを周期的に繰り返し、所要のめっき条件にて電気めっきすることにより、凝集を生じることなく膜厚均一で良好なはんだめっき膜を被覆した微小Ｃｕボールを得ることができることを知見し、この発明を完成した。
【００１２】
すなわち、この発明は、垂直軸で水平回転可能な槽内円周部に陰極、槽内中央部に陽極を配設しためっき槽内に送入されためっき液を回転円周部より排出する構成の水平回転めっき槽を用い、該めっき槽を回転数50〜800rpmから選定する定速回転数にて所要方向に正転、次いで反転の定速運転する回転制御を周期的に繰り返しながら、正転と反転のいずれも前記定速運転中にのみ通電を行い、イオン濃度5〜20g/l、電流密度0.1〜5A/dm²のめっき浴条件にて、めっき槽内に装入した外径0.30mm以下の微小金属球を槽内円周部の陰極に電気的に接触させて電気めっきをする微小金属球のはんだめっき法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明方法で用いる水平回転型めっき装置の構造を図１に示す。めっき装置は、垂直軸１に支持されたテーブル２上に載置された円錐状のめっき槽３を主体とし、めっき槽３が垂直軸１の回転で水平回転するもので、めっき槽３の底部円周にリング状のカソード部（陰極）４、めっき槽３中央部にアノード部（陽極）６が設置されており、図に示すようにめっき液はホンプで薬液パイプ７よりめっき槽３内に送入されるとともに、カソード部４の下部に設けた通気性の良い多孔質板からなるポーラスリング５を通じて水平回転速度に応じた流速でめっき槽３の円周部外へ排出され、めっき槽３を覆うように配置された防滴槽８の排出口９よりめっき液を排出する構成からなる。
【００１４】
めっき槽３の回転時は、めっき槽３内に取り付けた液面センサー１０により、回転数に応じてポーラスリング５より流出するめっき液が補給されて、めっき液面が所定高さに維持される。
【００１５】
この発明によるめっき方法は、めっき槽３を特定の回転数で正転させ、その後反転させ、これを周期的に繰り返して行うもので、微小金属球１１はめっき槽３の回転と停止の際に起こる遠心力と慣性力によって円周壁面への堆積と崩壊を繰り返し、徐々に位置を変えながらめっきされるため、凝集が起こり難くなることを特徴としている。
【００１６】
めっき槽３の回転を制御する基本制御パターンの一例を図２に示す。基本的には、加速回転→定速（高速）回転→減速回転→休止の動作からなっており、各パートの時間設定は自由にプログラミングできる。この発明において、所定の高速回転の定速運転時にのみ通電してめっきを行うもので、微小金属球は回転による遠心力によって陰極と十分に接触されるため、均一で良質なはんだ膜が生成される。
【００１７】
この発明において、めっき槽の回転数については、５０ｒｐｍ未満では十分な遠心力が得られず、陰極との接触が十分でないため、めっき表面の突起が多くザラついて良好なめっき被膜が得られず、また８００ｒｐｍを超えると、めっき液の飛散が生じ、安定しためっきができないため、５０〜８００ｒｐｍが好ましい。
【００１８】
この発明において、正転、反転する周期については、３秒未満では通電時間の割合が少なく能率的でなく、８秒を超えると陰極との接触時間が長く、金属球が陰極部に一部被着するので正転、反転する周期は、３〜８秒が好ましく、通電する定速回転時間は２秒〜６秒が好ましく、また、正転時間と反転時間は同一でも異なっていても良い。
【００１９】
この発明において、めっき液中の錫と鉛の合計イオン濃度は、５ｇ／ｌ未満では極間電圧が高くガス発生が生じ、２０ｇ／ｌを超えるとはんだ被膜組成のコントロールが難しくなるため、５〜２０ｇ／ｌが好ましく、さらに好ましい範囲は７〜１５ｇ／ｌである。
【００２０】
陰極電流密度は、０．１Ａ／ｄｍ²未満では生産性が悪い上、被膜表面がザラつき良好なめっき被膜が得られず、５Ａ／ｄｍ²を超えるとめっき反応時にガス発生が多くなり、ピンホールの多いめっきとなり良好なめっき被膜が得られないため、陰極電流密度は０．１〜５Ａ／ｄｍ²が好ましく、さらに好ましい電流密度範囲は０．２〜２Ａ／ｄｍ²である。
【００２１】
この発明において、陽極は、一般のはんだめっきと同様、目的組成に応じたはんだ合金を用いるが、陰極にはチタン、白金等の不溶性電極を円周壁にリング状に取り付けて用いることができる。
【００２２】
この発明のめっき方法に使用するはんだめっき液としては、アルカノールスルホン酸錫、アルカノールスルホン酸鉛、フェノールスルホン酸錫、フェノールスルホン酸鉛等をふくむめっき液を使用することができる。
【００２３】
さらに、この発明において、対象とする金属微小球は、Ｃｕ、はんだ、コバール（Ｆｅ‐Ｎｉ‐Ｃｏ合金）などの金属球であり、また、公知のＮｉなどの下地層を設けた前記金属球でもよい。
【００２４】
【実施例】
実施例１
外径が０．２５ｍｍのＣｕボールを個数２０万個用いて、はんだめっき浴として錫７．９ｇ／ｌ、鉛２．１ｇ／ｌを含んだアルカノールスルホン酸、半光沢剤を含むｐＨ＜１のめっき液を用い、陽極板にはＳｎ／Ｐｂ＝６／４のはんだ板、陰極リングとしてＴｉリングを用い、浴温２３℃にて、電気めっきを実施した。
めっき条件は、めっき槽の水平回転数が５００ｒｐｍ、電流密度が０．５Ａｄｍ²、正転、反転周期が６秒からなる電気めっきを６時間行い、Ｃｕボール表面に３５μｍの共晶はんだめっき層を被覆した。
【００２５】
得られたＣｕボールのはんだめっきの組成のばらつき、膜厚精度、凝集状態を測定した。その結果を表１に示す。なお、組成ばらつき、膜厚精度は２０個をサンプリングして測定した平均値並びに最大値、最小値より求めた。
【００２６】
比較例１
実施例１と同様のＣｕボールを用い、めっき装置に水平軸にて垂直方向に回転するバレルめっき装置を用い、回転数１０ｒｐｍで反転なしとした以外は、実施例と同じ条件でめっきを行い、はんだめっきの凝集状態、組成、膜厚ばらつきを測定し、その結果を表１に示す。
【００２７】
実施例２
外径０．２０ｍｍの個数１５万個のＣｕボールを用いて、はんだめっき浴として錫２．３ｇ／ｌ、鉛７．７ｇ／ｌを含んだアルカノールスルホン酸、半光沢剤を含むｐＨ＜１のめっき液を用い、陽極板にＳｎ／Ｐｂ＝１／９のはんだ板、陰極リングとしてＴｉリングを用いて浴温２３℃にて電気めっきを実施した。めっき槽の水平回転数が６００ｒｐｍ、電流密度が０．４Ａ／ｄｍ²、正転、反転周期が５秒からなる電気めっきを６時間行い、Ｃｕボール外周面に３５μｍのＳｎ１０％、Ｐｂ９０％組成のＰｂリッチはんだめっき層を被覆した。得られたＣｕボールのはんだめっきの組成のばらつき、膜厚精度、凝集状態を測定した結果を表１に示す。
【００２８】
比較例２
実施例２と同様のＣｕボールを用い、めっき装置に水平軸にて垂直方向に回転するバレルめっき装置を用い、回転数１３ｒｐｍで反転なしとした以外は、実施例２と同じ条件でめっきを行ったところ、１時間経過後ぐらいからＣｕボールの凝集を生じ、３時間では全てが凝集し、かつほとんどが陰極板に被着して良好なめっき膜は得られなかった。
【００２９】
【表１】

【００３０】
【発明の効果】
この発明は、水平回転可能なめっき槽を用い、これを高速で正転反転を周期的に繰り返すことにより、組成的にも凝集しやすいＰｂリッチ組成のはんだを微小金属球に効率よく球体にめっきでき、外径が０．３ｍｍ以下の微小金属球自体に凝集を生じることなく、均一にはんだめっきすることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に用いるはんだめっき装置の縦断説明図である。
【図２】めっき槽の回転を制御する基本制御パターンの一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１垂直軸
２テーブル
３めっき槽
４カソード部
５ポーラスリング
６アノード部
７薬液パイプ
８防滴槽
９排出口
１０液面センサー
１１微小金属球

Claims

垂直軸で水平回転可能な槽内円周部に陰極、槽内中央部に陽極を配設しためっき槽内に送入されためっき液を回転円周部より排出する構成の水平回転めっき槽を用い、該めっき槽を回転数50〜800rpmから選定する定速回転数にて所要方向に正転、次いで反転の定速運転する回転制御を周期的に繰り返しながら、正転と反転のいずれも前記定速運転中にのみ通電を行い、イオン濃度5〜20g/l、電流密度0.1〜5A/dm²のめっき浴条件にて、めっき槽内に装入した外径0.30mm以下の微小金属球を槽内円周部の陰極に電気的に接触させて電気めっきをする微小金属球のはんだめっき法。