JP3996324B2

JP3996324B2 - 融液の分離方法，分離装置及び球状体の製造装置

Info

Publication number: JP3996324B2
Application number: JP2000174832A
Authority: JP
Inventors: 孝志鬼王; 智築藤田; 要久保田; 正博西岡; 啓吾菊池
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001353593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，例えばＢＧＡ（ｂａｌｌｇｒｉｄａｒｒａｙ）やＣＳＰ（ｃｈｉｐｓｉｚｅｐａｃｋａｇｅ）等の半導体パッケージのバンプ材料に用いられる半田ボールの如き球状体を製造する場合に好適な，融液の分離方法と分離装置に関し，更に該分離装置を備えた球状体の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体パッケージの分野においては，内蔵される半導体チップに対し電気的な接続を行うリードの代わりに半田ボール（半田バンプ）を装着したＢＧＡやＣＳＰと呼ばれるものが知られている。かかるＢＧＡやＣＳＰに利用される半田ボールを製造する場合，従来は箔等の板材や線材に加工された半田を固体の状態で精密切り出しや打ち抜き等をすることによって，半田を所望の量の原料片に分離している。そして分離した原料片を，その後，加熱溶融させて表面張力により球形化させ，更に冷却して固化させることにより，球状に成型した半田ボールを得ている。また，半田ペースト（クリーム半田）を作成し，これをスクリーン印刷や一定容積の穴があいた板などに刷り込む方法などにより半田を一定量分離する方法も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，従来は半田を所望の量ずつに分離する前工程として，板材，線材や半田ペーストなどに半田を加工しなければならず，工程の短縮化がはかり難かった。しかも，板材や線材など固相の状態で打ち抜き，切出しをする場合，原材料を寸法精度良く板材や線材に予備加工する工程が必要となる。そのため工程が多くなり，コストアップの要因となっていた。今日，半田ボールに関しては特性面で大きな不満はなく，むしろＢＧＡやＣＳＰなどの本格的な普及期を迎え，価格面で大幅なコストダウンが可能な半田ボールが求められている。そのためには，従来に比してより少ない工程で半田を所望の量に分離できる手段を確立することが必要である。
【０００４】
従って本発明の目的は，半田ボールなどの原料を少ない工程で容易かつ低コストで所望の量に分離できる手段を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために，請求項１にあっては，融液を吐出口から垂直方向に吐出させると共に，吐出口を水平面内において円運動させて，遠心力で融液を吐出口から振り切ることにより，融液を定量に分離させることを特徴とする，融液の分離方法が提供される。
【０００６】
この請求項１の分離方法によって分離される融液としては，加熱溶融された金属が例示され，一例として半田融液（例えばＳｎ−Ｐｂ共晶半田の融液）があげられる。もちろん金属以外の融液を請求項１の分離方法によって分離しても良い。この請求項１の分離方法において，吐出口の円運動は，例えば請求項２に記載したように，等速円運動である。
【０００７】
融液を吐出する吐出口を水平面内において円運動させると，吐出口から吐出される融液に対して遠心力が作用する。そして，この遠心力は融液の重量，即ち吐出口から吐出された融液の吐出量に比例して大きくなる。このため，吐出口から吐出された融液の吐出量が，ある一定の量に達すると，遠心力が大きくなったことにより，今まで吐出口に付着していた融液が遠心力によって吐出口から振り切られ，液滴となって自重で落下していく。こうして，吐出口から吐出される融液を液滴の状態で一定量毎に分離できるようになる。
【０００８】
この請求項１の分離方法によって分離させた融液は，例えばその後，融液の状態において表面張力により球状に変形させ，更にその後，冷却して固化させる。そうすることにより，半田ボールの如き球状体を得ることが可能となる。こうして得られた球状体の一例としての半田ボールは，ＢＧＡやＣＳＰ等の半導体パッケージのバンプ材料として好適に用いることができる。また，かかる手順に従って球状体を製造すれば，球状体の原料を融液の状態で遠心力によって一定の量に分離させるので，従来のように半田などの原料を板材や線材に加工する工程が不要となり，製造工程の短縮化がはかれるようになる。また，正確な寸法精度等が要求される板材や線材に原料を加工しなくて良いので，製造が容易となり，低コスト化を実現できるようになる。
【０００９】
なお，前述の手順に従って球状体を製造する場合，融液と反応しない気中又は液中で融液を球形にさせ，冷却することが好ましい。そうすれば融液を変質させることなく成型，冷却及び固化させることができ，品質の優れた球状体を製造できるようになる。この場合，例えば上方が融液の融点以上の高温度となり，下方が融液の融点以下の低温度となるように温度勾配が形成された液体中に融液を落下させ，液体中の上方において融液の表面張力により球形にさせた後，液体中の下方において融液を冷却して固化させることが可能である。なお，融液の原料が金属であれば，前記液体は当該金属の液相線温度Ｔ_Ｌ以上の沸点Ｔ_Ｂを有する液体であり，Ｔ_Ｌ以上Ｔ_Ｂ未満の温度にされた液体中で融液を表面張力により球形にさせた後，Ｔ_Ｌ未満の温度にされた液体中で融液を冷却して固化させることが好ましい。例えば融液の原料が半田であれば，前記液体は植物油が例示される。
【００１０】
また請求項３にあっては，融液を垂直方向に吐出させる吐出口と，この吐出口を水平面内において円運動させる駆動機構を備えることを特徴とする，融液の分離装置が提供される。この請求項３の分離装置によれば，前述の請求項１，２の分離補方法を好適に実施することが可能である。
【００１１】
また請求項４にあっては，請求項３の融液の分離装置と，該分離装置によって分離された融液を表面張力により球状化させ，冷却して固化させる成形冷却部を備えることを特徴とする，球状体の製造装置が提供される。この請求項４の製造装置によれば，請求項３の融液の分離装置によって分離された融液を，成形冷却部において，先ず融液の状態において表面張力により球状に変形させ，その後，冷却して固化させる。これにより，半田ボールの如き球状体を得ることが可能となる。この請求項４の製造装置において，成形冷却部は，融液と反応しない気中又は液中で融液を球形にさせ，冷却することが好ましい。成形冷却部の具体的な構成として，例えば融液と反応しない液体中において，上方に融液の融点以上の高温度の相を形成し，下方に融液の融点以下の低温度となる相を形成した構成が例示される。
【００１２】
この請求項４の製造装置において，請求項５に記載したように，前記成形冷却部は，飛距離によって球状体を仕分けする仕切り板を備えていても良い。吐出口を水平面内において円運動させて遠心力で融液を分離させた場合，成形冷却部において冷却して得られた球状体の飛距離は，球状体の重量，即ち球状体の大きさによって定められる。このため，仕切り板を設けて飛距離によって球状体を仕分けすれば，球状体の大きさに基づいて仕切り板により球状体が仕分けされることなる。こうして，各大きさ毎に選別して球状体を回収することが容易となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は，本発明を利用して融液を分離し，球状体を製造する製造装置（本発明の好ましい実施の形態にかかる分離装置の構成を兼ね備えた製造装置）１の説明図である。この実施の形態では，融液の一例として，加熱溶融された半田融液（例えばＳｎ−Ｐｂ共晶半田の融液）を所定の量毎に分離する形態に基づいて説明する。また，この実施の形態では，融液の状態で分離した半田融液を，その後，融液の状態において表面張力により球状に変形させ，更にその後，冷却して固化させことにより，半田ボールを製造している。こうして製造された半田ボールは，ＢＧＡやＣＳＰ等の半導体パッケージのバンプ材料に好適に用いることができる。
【００１４】
原料融解部１０の周囲にはバンドヒーター１１が装着されており，このバンドヒーター１１の加熱によって，原料融解部１０内の炉部１２に投入された半田インゴットが半田の融点（例えば１８３゜Ｃ）以上の温度（例えば２２０〜２４０゜Ｃ）に昇温されて融解されるようになっている。また，原料融解部１０内の炉部１２の加熱温度は熱電対１３によって検出され，炉部１２内温度が半田の融点以上の温度（例えば２２０〜２４０゜Ｃ）になるように制御されている。
【００１５】
原料融解部１０にはボンベ１５に充填された不活性ガスとしての窒素ガス（Ｎ_２）が給気管１６を介して供給され，炉部１２内に窒素ガスが給気されるようになっている。これにより，炉部１２に投入され融解させられた半田融液の酸化等が防止されている。
【００１６】
原料融解部１０の下方には送液管２０，２１が直列に接続されており，炉部１２に投入されて加熱融解された半田融液は，送液管２０，２１の順に下向きに送液されるようになっている。給気管１６を通じて炉部１２内に窒素ガスを圧入することにより，炉部１２内にて融解した半田融液を送液管２０，２１側に強制的に押し出すことも可能である。なお，下側に接続された送液管２１の下端は，後述する成形冷却部としての容器４５内に挿入されている。
【００１７】
送液管２０の周囲にはリボンヒーター２２が装着されており，送液管２１にはマイクロヒーター２３が装着されている。これら送液管２０，２１内を送液される半田融液の温度は熱電対２５，２６によってそれぞれ検出されており，リボンヒーター２２及びマイクロヒーター２３の加熱によって，送液管２０，２１内を送液される半田融液の温度を半田の融点以上の温度（例えば２２０〜２４０゜Ｃ）に制御し，融液の状態を維持させるようになっている。
【００１８】
容器４５内において，送液管２１の下端には，回転ヘッド３０が，回転自在に装着されている。図２に示すように，回転ヘッド３０は円筒形状をなしており，回転ヘッド３０の中心軸Ｏは鉛直に配置されている。そして送液管２１の下端において，回転ヘッド３０は，鉛直に配置された中心軸Ｏを中心に回転自在に支持されている。
【００１９】
回転ヘッド３０の内部には，前述の送液管２０，２１を介して送液された半田融液が充填されている。また回転ヘッド３０の周囲を囲むようにして，遠赤ヒーター３１が配置されており，この遠赤ヒーター３１の加熱によって，回転ヘッド３０内の半田融液の温度は，半田の融点以上の温度（例えば２２０〜２４０゜Ｃ）に維持されている。
【００２０】
回転ヘッド３０の周面に形成された歯車（図示せず）に噛合するようにタイミングベルト３５が巻回されている。このタイミングベルト３５には，回転ヘッド３０と従動プーリ３６との間において駆動プーリ３７が噛合しており，モータ３８の稼働により駆動プーリ３７が回転し，タイミングベルト３５を介して回転ヘッド３０に回転動力が伝達されている。こうして，モータ３８の稼働により，回転ヘッド３０は鉛直に配置された中心軸Ｏを中心に回転させられるようになっている。この例では，モータ３８が定回転数で稼働することにより，回転ヘッド３０は一定回転数で回転するようになっている。
【００２１】
回転ヘッド３０の下面には，ノズル４０が設けられており，このノズル４０の下端に吐出口４１が形成されている。前述のように回転ヘッド３０内に充填された半田融液は，ノズル４０内を通って，吐出口４１から吐出されるようになっている。ノズル４０は，回転ヘッド３０の下面において中心軸Ｏから離れた位置（偏心した位置）に取り付けられている。従って，前述のようにモータ３８が定回転数で稼働することにより，回転ヘッド３０の回転に伴って，ノズル４０下端の吐出口４１は中心軸Ｏを中心に水平面内において等速円運動を行うようになっている。
【００２２】
図３（ａ）（ｂ）は，ノズル４０先端の吐出口４１から吐出される半田融液ａの状態を示している。吐出口４１から吐出される半田融液ａは，先ず図３（ａ）に示すように，ノズル４０先端に付着した状態となる。そして，前述のように吐出口４１が中心軸Ｏを中心に水平面内において等速円運動を行うことにより，ノズル４０先端に付着した半田融液ａに対して遠心力Ｆが作用することになる。この場合，半田融液ａに作用する遠心力Ｆは，ノズル４０先端に付着している半田融液ａの重量，即ち吐出口４１から外に吐出された半田融液ａの吐出量に比例する。
【００２３】
そして，吐出口４１から吐出された半田融液ａの吐出量が，ある一定の量に達すると，遠心力Ｆが大きくなったことにより，図３（ｂ）に示すように，今まで吐出口４１に付着していた半田融液ａが遠心力Ｆによって吐出口４１から振り切られ，液滴ａ’となって吐出口４１から分離される。その後，液滴ａ’は，容器４５内を自重で落下していく。このように，ノズル４０下端の吐出口４１から半田融液ａを吐出しつつ，吐出口４１を水平面内において円運動させることにより，吐出口４１から吐出される半田融液ａは，液滴ａ’の状態となって，一定量毎に吐出口４１から分離されるようになっている。
【００２４】
この製造装置１において，容器４５は，前述の吐出口４１から分離された半田融液ａの液滴ａ’を表面張力により球状化させ，その後，冷却して固化させる成形冷却部の役割を果たしている。図１に示すように，回転ヘッド３０を収納している容器４５の底部には，液体４６が充填されている。この液体４６は，半田融液ａと反応しない液体であることが好ましく，植物油が例示される。また液体４６の温度は，半田融液ａの融点以下の温度（例えば２０〜４０゜Ｃ）に維持されている。回転ヘッド３０下面に設けられたノズル４０下端の吐出口４１は，容器４５内において液体４６の液面よりも上方に配置されている。これにより，前述のように吐出口４１の円運動に伴って吐出口４１から分離された半田融液ａは，容器４５内において，液滴ａ’の状態となって自重で液体４６の液面上の空間４７を落下し，更に液体４６中を沈んでいくようになっている。
【００２５】
容器４５内において液体４６の液面よりも上方の空間４７には，ボンベ５０に充填された不活性ガスとしての窒素ガス（Ｎ_２）が給気管５１を介して供給され，空間４７は不活性雰囲気に保たれている。また，原料融解部１０，送液管２０，２１，回転ヘッド３０，ノズル４０は，いずれも例えばＳＵＳ３０４等で構成され，半田の融点以上に加熱されても溶融しない構成になっている。
【００２６】
また容器４５の底部には，円筒形状の仕切り板６０，６１が複数列（図示の例では２列）に配置されている。これら仕切り板６０，６１は，いずれも回転ヘッド３０の回転の中心軸Ｏ（ノズル４０下端の吐出口４１の等速円運動の中心軸Ｏ）を中心として配置されている。また図示の例では，仕切り板６０の内径が仕切り板６１の内径よりも大きくなっており，仕切り板６０が仕切り板６１の外側に所定の隙間をあけて同心状に配置されている。
【００２７】
さて，以上のように構成された製造装置１において，原料融解部１０内の炉部１２に半田インゴット（例えばＳｎ−Ｐｂ共晶半田）を投入し，給気管１６を通じて炉部１２内に窒素ガスを供給した不活性雰囲気で，バンドヒーター１１によって，半田インゴットを半田の融点（例えば１８３゜Ｃ）以上の温度（例えば２２０〜２４０゜Ｃ）に昇温させて融解させる。こうして融解した半田融液ａは，送液管２０，２１を通じて送液され，回転ヘッド３０の内部に充填される。そして，回転ヘッド３０の内部に充填された半田融液ａは，更にノズル４０内を通って，吐出口４１から吐出されるようになる。
【００２８】
また一方，モータ３８の稼働による回転ヘッド３０の定回転に伴って，ノズル４０下端の吐出口４１は中心軸Ｏを中心に水平面内において等速円運動を行う。これにより，吐出口４１から吐出される半田融液ａは，先ず図３（ａ）に示すように，ノズル４０先端に付着した状態となって，吐出口４１の等速円運動により，ノズル４０先端に付着した半田融液ａに対して遠心力Ｆが作用する。そして，吐出口４１から吐出された半田融液ａの吐出量がある一定の量に達すると，図３（ｂ）に示すように，今まで吐出口４１に付着していた半田融液ａが遠心力Ｆによって吐出口４１から振り切られ，液滴ａ’となって吐出口４１から分離される。
【００２９】
こうして一定量毎に吐出口４１から分離された半田融液ａは，容器４５内において，液滴ａ’の状態となって自重で液体４６の液面上の空間４７を落下し，更に液体４６中を沈んでいくようになっている。この場合，空間４７は不活性雰囲気に保たれ，また液体４６は半田融液ａと反応しない液体であるから，このように空間４７を落下する間や液体４６中を沈んでいく間においても，変質が防止される。
【００３０】
そして，容器４５内において液面上の空間４７を落下している間に，半田融液ａ（液滴ａ’）は表面張力により自ら球状に変形する。こうして球状に変形した半田融液ａは，その後液体４６中を沈んでいくが，液体４６の温度は半田融液ａの融点以下の温度（例えば２０〜４０゜Ｃ）に維持されているので，液体４６中を沈んでいく間に半田融液ａは冷却され，固化することとなる。このように液面上の空間４７にて球状に変形させた半田融液ａを，液体４６中にて冷却，固化させることによって，球状体となった半田ボールｂが製造され，容器４５の底部に溜まっていく。
【００３１】
また，こうして容器４５の底部に溜まっていく半田ボールｂの飛距離（回転ヘッド３０の回転の中心軸Ｏ（ノズル４０下端の吐出口４１の等速円運動の中心軸Ｏ）から，半田ボールｂが容器４５の底部に着地する位置までの距離）は，半田ボールｂの重量，即ち半田ボールｂの大きさによって定められる。このため，前述のように容器４５の底部に円筒形状の仕切り板６０，６１が複数列に配置されていれば，仕切り板６０の外側の領域，仕切り板６０，６１同士の間の領域及び仕切り板６１の内側の領域には，大きさに基づいて仕分けされた半田ボールｂがそれぞれの大きさ毎に選別されて溜められていく。このため，大きさに基づいて仕切り板６０，６１により半田ボールｂが仕分けされることなる。こうして，各大きさ毎に選別して半田ボールｂを回収することが容易となる。
【００３２】
以上説明した本発明の実施の形態によれば，ノズル４０下端の吐出口４１に付着する半田融液ａを遠心力によって一定量毎に振り切ることができ，従来のように原料を板材や線材に加工する工程が不要となる。このため，半田ボールの製造工程の短縮化がはかれ，低コスト化を実現できる。
【００３３】
以上，本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが，本発明はここで説明した形態に限定されない。図示の形態では，半田融液を分離して半田ボールを製造する例について説明したが，半田以外の金属や金属以外の材料などでも良い。また，液体４６は植物油に限らず他の液体や気体であっても良い。更に，吐出口４１の運動は等速円運動に限らず，不等速な円運動によって融液を振り切るようにしても良い。
【００３４】
【実施例】
図１〜３で説明した製造装置１を用いて半田ボールを製造した。ノズル４０はＳＵＳ３１６製の内径０．２５ｍｍの管を用いた。原料融解部１０内の炉部１２にＳｎ−Ｐｂ共晶半田をセットし，酸化を抑えるため炉部１２に窒素パージを行った後，バンドヒーター１１で加熱して半田を融解させた。原料融解部１０での昇温温度は２２０〜２４０℃とし，送液管２０，２１，回転ヘッド３０，ノズル４０の温度も各ヒーター２２，２３，３１の加熱によって半田の融点以上の温度（実施例では２２０〜２４０℃）に制御した。そして給気管１６を通じて炉部１２内に窒素ガスを供給し，ノズル４０先端の吐出口４１から半田融液ａを吐出させた。その後，モータ３８を稼動させ，ノズル４０を直径１０ｍｍ，回転数１７００ｒｐｍで回転運動させ，ノズル４０先端の吐出口４１から液体４６（食用油）中に半田融液ａを滴下させた。得られた半田ボール，１００点につき重量を測定した。バンプ材用半田として一般的な規格である直径７６０±２０μｍの径精度に対し，重量換算として９２％以上の重量精度が得られた。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１〜５によれば，融液を液滴の状態で一定量毎に分離でき，半田ボールなどの球状体を容易に製造することができるようになる。例えば半田ボールを製造する場合などにおいて，従来のように半田などの原料を板材や線材に加工する予備工程が不要となり，製造工程の短縮化が図れるようになる。また，正確な寸法精度が要求される板材や線材に原料を加工しなくてよいので，製造が容易となり大幅なコストダウンが可能となる。特に請求項５によれば，各大きさ毎に選別して球状体を回収することができ，径のそろった球状体を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる，球状体の製造装置の説明図である。
【図２】回転ヘッドの拡大斜視図である。
【図３】吐出口から吐出される半田融液の状態を示す部分拡大図であり，（ａ）は半田融液がノズル先端に付着した状態，（ｂ）は半田融液がノズル先端から振り切られた状態である。
【符号の説明】
ａ半田融液
１製造装置
１０原料融解部
１１バンドヒーター
１２炉部
１５，５０ボンベ
１６，５１給気管
２０，２１送液管
２２リボンヒーター
２３マイクロヒーター
２５，２６熱電対
３０回転ヘッド
３１遠赤ヒーター
３５タイミングベルト
３６従動プーリ
３７駆動プーリ
３８モータ
４０ノズル
４１吐出口
４５容器
４６液体
６０，６１仕切り板

Claims

融液を吐出口から垂直方向に吐出させると共に，吐出口を水平面内において円運動させて，遠心力で融液を吐出口から振り切ることにより，融液を定量に分離させることを特徴とする，融液の分離方法。
前記円運動が等速円運動であることを特徴とする，請求項１の融液の分離方法。
融液を垂直方向に吐出させる吐出口と，この吐出口を水平面内において円運動させる駆動機構を備えることを特徴とする，融液の分離装置。
請求項３の融液の分離装置と，該分離装置によって分離された融液を表面張力により球状化させ，冷却して固化させる成形冷却部を備えることを特徴とする，球状体の製造装置。
前記成形冷却部は，飛距離によって球状体を仕分けする仕切り板を備えていることを特徴とする，請求項４の球状体の製造装置。