JP4159012B2 - 金属球製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細金属球の製造装置に関する。本発明に係る製造装置は、半導体装置などにおけるマイクロソルダリングに用いられるはんだボールや、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）成形などによる焼結合金製造の為の金属粉または合金粉、マイクロマシンに用いられる微細ボールベアリング、ハロゲン化金属ランプの封印発光粒子、スクリーン印刷用や浸漬塗布、その他の一般塗布機用のペースト、クリームあるいはペイント等、粒度分布が狭く真球度の高い微細金属球に適する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の組立に用いられる微細金属球は、真球に近いものが要求される。
ＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）もしくはＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）あるいはこれらの類似名称で呼ばれる半導体デバイス実装技術のＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）は広く用いられている。
ＢＧＡは、チップが既にキャリア上に実装されている場合に、チップ・キャリア上に高密度の入出力（Ｉ／Ｏ）はんだパッドの取り付けを行うものである。このＢＧＡは、キャリアの底面側上において微細金属球取り付けプロセスを用いて、基板上にチップ・キャリアを実装する。基板は、プリント回路ボード、または他のタイプのマザー・ボードとすることができる。
【０００３】
これらのＢＧＡキャリアにバンプを設けてはんだパッドを形成し、最終的に基板との接続を行うためには、キャリア上のアレイ当たり、数百、多くの場合数千もの微細金属球を、精度高くしかも同一平面に取り付けることが必要となる。
また、ＬＳＩ，ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩと微細化の一途を辿る半導体装置においては、用いられるはんだボールへの一層の微細化、真球化、狭い粒度分布の要求が日々、厳しくなってきている。
【０００４】
他方、均一溶滴法と呼ばれる溶着金属の製造方法が近年注目されている。均一溶滴法とは、概ね均一な粒度の滴の噴霧を形成し基板に溶着するものであり、例えば米国特許第５，２６６，０９８号に開示される。原理を図５を用いて略述する。るつぼ３内の溶湯１を振動させる加振ロッド６とそれに接続されたディスク６１は、溶滴を作るべく溶湯１をるつぼにある複数のオリフィス２を通して噴出する。溶湯１が滴下溶滴として複数のオリフィス２から出て行くにつれて、溶湯に加えられた振動が、連続した滴下溶滴を独立した溶滴に破砕する。溶滴が形成されるにつれて該溶滴に電荷が荷電手段１５により付与される。各溶滴は電荷を保持し、その荷電により溶滴は浮動して相互に反発し合い基板に向かって落下し凝固して溶着金属を生成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述した均一溶滴法において、溶湯に振動を付与するにはピエゾ振動子４を用いるのであるが、米国特許第５，２９９，０９８号に記載の構成では製造途中に装置が突然停止することがあった。そのため、安定した工業的な生産が難しいという問題点があった。
従って、本発明の目的は、ピエゾ振動子を用いて長期に安定した生産を可能として、さらに均一で狭い粒度分布を具備した微細金属球製造を可能とする微細金属球の製造装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、均一溶滴法において何故、バラツキが生じて長期安定した生産が難しいのか検討した結果、ピエゾ振動子と加振部との振動の伝達構成に問題があることを見いだし本発明に到達した。
【０００７】
すなわち、本発明は、溶湯を保持し底部にオリフィスを具備するるつぼと、前記るつぼに保持した溶湯に振動を付加する加振ロッドと、該加振ロッドに振動を付加する振動子と、前記振動子の振動を前記加振ロッドに伝達する伝達部材を具備する金属球製造装置であって、前記伝達部材の一端は前記振動子と接し、他端は前記加振ロッドに連なる支持部材に点接触または線接触にて当接され、前記伝達部材の断面積は前記支持部材に近づくにつれて収斂する形状を有する金属球製造装置である。
本発明は、前記伝達部材の他端は半球状であり、前記伝達部材の球面が前記支持部材に当接することが好ましい。
また、本発明は、前記伝達部材の他端は半円筒状であり、前記伝達部材の円筒周面が前記支持部材に当接することが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、安定した微細金属球の工業的生産にピエゾ振動子が重要な役割を果たすことを見いだした。
本発明においては、前記伝達部材の断面積が前記支持部材に近づくにつれて収斂して（より好ましくは、例えば半球状に）当接するので、セラミックからなるピエゾ振動子側の端面の面圧は例え、振動伝達系が直線からわずかにずれた状態で配列していても、ほぼピエゾ端面全面に均一な面圧分布を与える。から加振部への振動の伝達が再現性良く円滑に行われる。この振動安定化効果により生産ロットの度に、粒度分布、真球度分布にバラツキが生じない。つまり、本発明によると均一で粒径の小さな金属微粉末を歩留り良く且つ高効率で製造することができ、さらにピエゾの経時劣化を抑えて長期間の安定製造が可能となる。
【０００９】
他方、従来の均一溶滴法による構成（米国特許第５，２６６，０９８号）ではピエゾ振動子から加振部への振動の伝達は、断面積が一定の平面的な伝達であり、その微妙なガタ等により溶湯への振動にバラツキが生じていたものと考えられる。
ピエゾ振動子の振動を支持部材に伝達する伝達部材は、本発明において重要な役割を果たす。従来の構成では伝達部に大きな応力集中が生じることが、ピエゾ振動子の不安定性を招く主因と考えられる。また、伝達部で不必要な方向の応力成分、例えば滑り、等が生じて、接触部を磨耗させたり、その発熱によりピエゾ振動子の寿命に悪影響を及ぼすことも一因と考える。
【００１０】
本発明を図１により説明する。溶湯１はるつぼ３の加圧された雰囲気によりオリフィス２から押し出される。そして、溶湯１は加振ロツド６により振動を付与され、連続した滴下溶滴８は、その振動で均一に独立した滴下溶滴９を生成する。図１ではチャンバー７は気密チャンバーであるが、用途によっては、チャンバーを用いずに大気中に押し出すことも可能である。
ピエゾ振動子４は、ボルト１４で保持部材１２とるつぼ３（または図示しないるつぼ保持部）との間に、半球状の先端を有する伝達部材５を介して取り付けられる。保持部材１２は固定され、支持部材１１は振動方向に可動であり、ピエゾ振動子４の振動を効率よく溶湯１に伝達する。
【００１１】
本発明でピエゾ振動子４を用いた理由は、高周波発生の観点から一般に共振周波数が高く、従って振動子の振動数と同数の金属球が生産できるからである。
更に好ましくは、前記ピエゾ振動子が積層型であることが好ましい。小型で大きな振動が得られるからである。
チャンバー７内で連続した滴下溶滴８を経て、オリフィス２の直径よりやや大きな径に分離独立した滴下溶滴９として移動し、その過程で段々と球状化しつつ凝固して、分離独立して凝固した微細金属球１０となる。
【００１２】
この過程を詳しく説明する。オリフィス２から流出する溶滴の形は次の三つのいずれかとなる。その一つは流速の低いときで、ぽたぽたと落ちる溶滴となり、一つは流速の高いときで、流出口の周囲に飛散する溶滴となる。もう一つはその中間にある場合で、溶滴は実質的に層流領域にあり、オリフィスからの流出直後は柱状をなす安定した流れとなる。この状態を作り出す流速は、溶滴の表面張力、オリフィスの直径、溶滴の密度の関数として表わされ、実質的に層流になる条件を選択することができる。連続した柱状を成す溶滴８もその先では自然に切断され、落下する。
【００１３】
もし柱状の連続した溶滴８の先端で起きる切断が同じタイミングで起きるならば均一な溶滴ができるのであるが、自然にまかせた場合、普通は不規則となる。これを均一に切断するためにるつぼ内の溶湯１にピエゾ振動子の振動を溶湯１内に一部を浸漬した加振ロッド６で伝達して、溶湯１を強制的に振動する。これにより、溶湯１から振動を始め、連続した滴下溶滴８自体もある周期で振動するようになって溶滴は同じタイミングで均一に切れるようになる。レイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）の研究になる非粘性流体における最大不安定周波数と呼ばれる振動数でもって加振することにより、均一な溶滴を作り出すことが出来る。
【００１４】
すなわち、液体柱に生じた微小な初期乱れが時間の経過とともに成長し、乱れの振幅が柱状の連続した溶滴８の半径を越えたときに溶滴が分断され、それにより、乱れの波長に応じた分離独立した溶滴９が生成される。従って、柱状噴流８の表面に規則的な振動を加えてやることにより、粒子径の揃った均一な溶滴９を生成することができる。
【００１５】
チャンバーを用いる場合、チャンバー７内の雰囲気は、不活性ガス、または不活性ガスである窒素ガスと水素ガス（８体積％程度）の混合ガスを用いる。水素ガスを用いた場合には、不活性ガス中の不純物である水分、酸素を捕捉できる利点がある。水分、酸素は溶湯が凝固するまでの間に、金属球の表面を酸化するので極力低くすることが好ましい。また、水素ガスには還元力もあるため、その点からも微細金属球の酸化防止に効果的である。
【００１６】
チャンバー内雰囲気の圧力はゲージ圧で０．０１〜０．３ＭＰａに加圧することが好ましい。０．０１ＭＰａ未満の場合には、外部に対するチャンバー内の雰囲気保持が不十分であり、０．３ＭＰａを超える場合は圧力容器の安全設計がコスト高になるからである。従って、より好ましくは０．０２〜０．１５ＭＰａ、更に好ましくは０．０５〜０．１２ＭＰａに加圧することが望ましい。
このように、チャンバー内を０．０１〜０．３ＭＰａに加圧した時は、気密性の向上したチャンバー内での溶滴は良好な実質的に層流状態での移動を保証され、且つ凝固速度もガス密度の増加と共に向上するためチャンバーの高さを減少できる。
【００１７】
るつぼ３は図示しないるつぼ保持部で外気から保護しても良い。るつぼ３とるつぼ保持部の雰囲気は、溶湯１の酸化防止のために、不活性ガスとするか、不活性ガスの若干の（約８体積％程度の）水素ガスを混合しても良い。また、前記雰囲気の圧力は、チャンバー内の圧力よりも正圧であることが、溶湯１の押し出しの為に必要である。
【００１８】
ピエゾ振動子４の振動を加振ロッド６に伝達する伝達部材５として図１では半球状のものを例示した。この場合、ピエゾ振動子６他の構成部材の組立にガタなどがあっても、ピエゾ振動子４の振動力の作用する方向は加振ロッド６の中心線方向に自動補正する機能がある為、振動は効率的かつ再現性良く溶湯１に伝達される。
【００１９】
なお、本発明における伝達部材５は先端部が振動子４の発生する振動を加振ロッド６に能率よく伝達できる形状、例えば半球状であれば、振動子４と接触または接合される他端の形状は円筒状、矩形、その他の形状を採用し得る。
ピエゾ振動子は高温（約３７０Ｋ程度）になると、ピエゾ素子としての機能が損なわれるので、るつぼの放熱の影響を少なくするために離隔距離を大きく取ったり、冷却を行う必要がある。
ピエゾ素子の駆動は、ファンクションジェネレータで所定周波数の正弦波または矩形波を発生させ、パワーアンプ（電力増幅器）で増幅した後に、ピエゾ振動子に印加し、所定周波数、所定振幅の振動を発生させ、加振ロッドを介して溶湯にパルス圧力波を生じさせる。これが、るつぼとチャンバー間の圧力差で押し出され連続した垂れ下がった溶滴を均一な粒径で分離する効果を呈する。
【００２０】
本発明において、加振ロッド６を支持する支持部材は、ピエゾ振動子４の振動を伝達する伝達部材５に当接する。ここで、支持部材１１は弾性体１３を介してるつぼ３（または図示しないるつぼ保持部材）に取り付けることが好ましい。シール効果と共に、ピエゾ振動子の振動をより効果的に溶湯１に伝達することができるからである。
【００２１】
ここで、より好ましくは、前記加振ロッド６の断面形状が円形である場合は、振動モードが均一であり溶湯１に振動が均一に伝達する。なお、円形以外の断面形状を持つ加振ロッド６、例えば矩形、長方形等の断面を必要に応じて採用することは、当業者の設計的事項であり、本発明の技術的範囲に包含される。
前記加振ロッド６の材質は、溶湯１と反応を起こさないものであれば良く、通常、ステンレス鋼を用いるが、窒化珪素、窒化アルミ等のセラミックスを用いると加振ロッド６の共振点が高くなり振動子４の高周波振動が効率的に伝達されると共に低比重の為に慣性モーメントが小さくなり大振幅が得やすいという利点がある。
【００２２】
溶湯１はチャンバー雰囲気より約０．００５〜０．３５ＭＰａにさらに加圧されてオリフィス２から押し出される。所定の振動が加えられると、溶湯１の表面張力とにより、溶湯１がオリフィス２から流出するにつれて、溶湯１の流れは、連続した滴下溶滴８から、破砕して独立したた溶滴９を形成して、凝固して均一な微細金属球１０を生成する。
【００２３】
本発明の微細金属球製造装置に係る伝達部材５の別の実施例を示す。図２（ａ）、（ｂ）には半円筒状の例を示す。図１の場合と違い、点接触ではなく線接触になるが前述の自動補正機能は依然保持されるので、用途に応じて選択できる。図２（ｂ）の例では、支持部材７の一部を溝付のＶ字底にした。前記の自動補正機能がより有効になるためである。本発明において、伝達部材としては、支持部材に近づくにつれて収斂するものであれば良く、たとえば円錐状で頂点にＲを形成したもの、２次曲線状の側面を有するもの等であっても良い。
【００２４】
（製造例）
図１に示す本発明の微細金属球製造装置を用いて直径３５０μｍの６３Ｓｎ−Ｐｂ（ｍａｓｓ％）はんだを製造した。るつぼは１．２ＭＰａの窒素ガスを充填して操業し、振動子は、日立金属（株）製の積層型ピエゾ素子（最大変位量１５μｍ、周波数特性１．８ＭＨｚ）を用いて溶湯１に振動を付与して、るつぼ内雰囲気の差圧でオリフィスから押し出した。チャンバー７は８体積％の水素ガスを混合した窒素ガスで充填して、溶滴の移動経路を取り巻いて螺旋状に設けた冷却管に液化窒素を流した。チャンバー内の温度は、ほぼ３〜５℃に分布していた。なお、図示しないが、本装置では溶湯に電荷をかける荷電手段を付加している。
比較例は、図１に示す伝達部材５をなくし、直接支持部材１にピエゾ振動子４を接合した装置で製造を行なった。
更に、生産ロットによるバラツキをチェックする為に、１週間後に再び同一条件で操業して、サンプリングした。
【００２５】
得られたはんだボールから１００個を抜き取り、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で画像を撮った。ＳＥＭ像は５視野で画像分析を行ない、円と仮定した場合の粒度分布（円相当径）を求めた。真球度分布は、５視野のＳＥＭ像の各々の粒について画像処理を行ない、真球度＝円相当径／最大径としてその分布を求めた。
【００２６】
図３に示す実線グラフは、本発明の微細金属球製造装置を用いて直径３５０μｍの６３Ｓｎ−Ｐｂはんだを製造したときの粒径分布を示す。真球度０．９５以上の粒度分布の狭い微細金属球が得られた。また、図３に示す破線グラフは１週間後の別生産ロットのものであり、ほぼバラツキのないことが分かる。
対して、図４は比較例の結果を示す。粒度分布、真球度分布共に分布がなだらかであることが分かる。更に、１週間後の生産ロットとの製品特性の変化が大きい。
従って、本発明によると大量の高品質な微細金属球が生産できることが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によると、溶湯を保持し底部にオリフィスを具備するるつぼと、前記るつぼに保持した溶湯に振動を付加する加振ロッドと、該加振ロッドに振動を付加する振動子と、前記振動子の振動を前記加振ロッドに伝達する伝達部材を具備する金属球製造装置であって、前記振動子の一端は前記伝達部材と接し、該伝達部材は前記支持部材に当接され、前記伝達部材の断面積は前記支持部材に近づくにつれて収斂する金属球製造装置を構成したので、真球度が高く且つ均一で狭い粒度分布を具備した微細金属球を再現性よくバラツキの少ない工業的な製造が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施例を示す図である。
【図２】 本発明に係る伝達部材の別の実施例を示す図である。
【図３】本発明により製造した６３Ｓｎ−Ｐｂはんだの粒度分布・真球度分布と、それらの製造ロット間のバラツキを示す図である。
【図４】 比較例により製造した６３Ｓｎ−Ｐｂはんだの粒度分布・真球度分布と、それらの製造ロット間のバラツキを示す図である。
【図５】従来の溶着金属製造に用いられる均一溶滴法を用いた製造装置を示す図である。
【符号の説明】
１ 溶湯、２ オリフィス、３ るつぼ、４ 振動子、５ 伝達部材、６ 加振ロッド、７ チャンバー
、８ 連続した滴下溶滴、９ 分離独立した滴下溶滴、１０ 凝固した微細金属球、１１ 支持部材、１２ 保持部材、１３ 弾性、１４ ボルト

Claims (3)

1. 溶湯を保持し底部にオリフィスを具備するるつぼと、前記るつぼに保持した溶湯に振動を付加する加振ロッドと、該加振ロッドに振動を付加する振動子と、前記振動子の振動を前記加振ロッドに伝達する伝達部材を具備する金属球製造装置であって、前記伝達部材の一端は前記振動子と接し、他端は前記加振ロッドに連なる支持部材に点接触または線接触にて当接され、前記伝達部材の断面積は前記支持部材に近づくにつれて収斂する形状を有することを特徴とする金属球製造装置。
2. 前記伝達部材の他端は半球状であり、前記伝達部材の球面が前記支持部材に当接することを特徴とする請求項１に記載の金属球製造装置。
3. 前記伝達部材の他端は半円筒状であり、前記伝達部材の円筒周面が前記支持部材に当接することを特徴とする請求項１に記載の金属球製造装置。

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