JP4203281B2

JP4203281B2 - 表面処理方法

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Publication number: JP4203281B2
Application number: JP2002233994A
Authority: JP
Inventors: 久雄石川; 源蔵渡邊; 勇一郎小林
Original assignee: Nippon Joint Co Ltd
Current assignee: Nippon Joint Co Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: KR20030028802A; JP2004076030A; KR100549527B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・機械・化学などの広い分野に関連する装置や製造方法にあって、それら装置ユニットや構成された部材などを洗浄してコーティング層や保護層を形成したり、またその表面にはんだ・めっきなどの金属層を形成したりする表面処理技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明にかかわる産業分野の一例として、半導体装置に関連する分野を見てみる。ここでは、近年のＩＣの小チップ化・多機能化・高性能化等に伴い、それを搭載するパッケージも様々に進化や変遷を遂げつつあり、なかでも、小型化・薄型化・多ピン化等の要求に最先の流れが見られる。半導体装置の実装におけるＬＳＩパッケージングの構成部材を見ても、近年の軽薄短小化に伴なって、対象物の表面洗浄や加工処理に多くの要望がある。
【０００３】
これら半導体装置の構成部材のような、処理の対象となる導電金属製の対象物については、表面に酸化物などによる汚れが大変生じやすい。そして、その対象物の表面が汚れた状態のまま、清浄化しないでハンダ付けを行った場合には、導電部形成箇所の汚れや接着の不完全などを生じて、導電バンプ部などの導電接続構造が設計どおりに形成することができず、不良品となってしまう。このため、一旦酸化物などで汚れてしまった金属製対象物は、そのままでは使えないので、表面をきれいに洗浄して、清浄化した元の面に戻す必要がある。
【０００４】
表面の汚れを洗浄する表面処理を要する対象物としては、多分野に渡り種々様々なものがあるが、たとえば、半導体装置分野における銅や鉄などからなる導電製品として、導電ワイヤ・板状導体・プリント基板・ハンダ用部材、はんだ用導電部材、ソルダーボールなどがあって、それらの製作工程において、表面に酸化物による汚れが大変生じやすいため、常に洗浄や表面コーティング処理を考慮する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明による表面処理方法、洗浄保護用液および装置ユニットは、汚れを有している対象物または汚れる可能性のある対象物について、洗浄、はんだ、めっき、コーティングなどにより効果的な表面処理を施すこと、またその表面を処理した後も汚れ難くする技術を含む表面処理技術を格段に向上させることを課題とし、多大のコストをかけることなく、より簡明な処理工程を用いて、効率良く短時間で、クリーンで環境に優しく、その対象物の処理を行なう技術を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明にかかる洗浄／保護／表面処理を実施できる対象物としては、様々な分野における装置や製造方法に関連して多くの対象物が存在している。本発明を適用するのに好適な例をあげれば、半導体産業において装置などを構成する半導体素子や回路基板の他、銅や鉄製などの導電接続部材、はんだボールなどと呼ばれる小型立体形状の導電接続体、クリームはんだ、はんだワイヤー、亜鉛はんだ、パウダー製品全般、チップ抵抗、コンデンサ、各種の金属からなる導電部品などがある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するために、本発明による「表面処理方法、洗浄保護用液および装置ユニット」では、次のような手段を用いた。
（１）金属製の対象物を洗浄してその表面にコーティング層を形成する表面処理方法であって、
界面活性物質からなる液を、それが高温活性状態となる所定温度にして、そこに前記対象物を所定時間浸漬することにより、対象物の洗浄および表面コーティングを行う、表面処理方法とした。
ここで、本発明で用いる脂肪酸などからなる界面活性物質は、普通は温度が高まるほど活性化するものであるが、本発明では約１００℃以上の温度で用いるのが好ましい。
そして、本発明で用いる界面活性物質からなる液は、その全てが界面活性物質からなっていてもよいし、また、他の物質(溶媒)を含む界面活性物質からなる溶液としてもよい。
【０００８】
（２）金属製の対象物を洗浄してその表面に金属層を形成する表面処理方法であって、
界面活性物質からなる液を、それが高温活性状態となる所定温度にして、そこに前記対象物を浸漬することにより、対象物の洗浄および表面コーティングを行う洗浄保護ステップと、
前記対象物を、溶融金属液に浸漬することにより、前記対象物に金属層を形成する金属層形成ステップと、を備え、
洗浄保護ステップ→金属層形成ステップ、を連続して行うか、
洗浄保護ステップ→金属層形成ステップ→洗浄保護ステップ、を連続して行うか、する表面処理方法とした。
【０００９】
（３）(２)の表面処理方法において、
前記界面活性物質からなる液と前記溶融金属液とは、ひとつの液槽内でそれぞれが上下２層に分離して配置されるか、または、ふたつの液槽に分離されて隣接して配置される。
（４）(１)〜(３)の表面処理方法において、
前記界面活性物質は、パルミチン酸・ステアリン酸・オレイン酸・ミリスチン酸・ラウリン酸のいずれかの脂肪酸である。
（５）(１)〜(３)の表面処理方法において、
前記界面活性物質はパルミチン酸からなり、前記高温活性状態とする温度として、200〜300℃の温度、または300℃以上の温度、が用いられる。
【００１０】
（６）界面活性物質からなる洗浄保護用液であって、
この洗浄保護用液は、これが高温活性状態となる所定温度において、そこに対象物が浸漬されることによって、前記対象物表面の汚れを落とす洗浄手段と、洗浄された前記対象物表面に前記界面活性物質からなるコーティング層を形成する保護層形成手段と、を備える洗浄保護用液とした。
【００１１】
（７）表面が洗浄されて保護されるべき対象物を構成部材として備える装置ユニットにおいて、
前記対象物は、(１)〜(５)のいずれかの表面処理方法、または(６)の洗浄保護用液によって処理が行われたものである装置ユニット、とした。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜９を参照して、本発明による「表面処理方法、洗浄保護用液および装置ユニット」について、詳細に説明する。
図１は、本発明による表面処理方法を実施するにあたり、対象物の表面状況を断面により説明する図であり、図２は、本発明で用いる界面活性物質(脂肪酸)の分子構造の一例を示す図であり、図３は、本発明により対象物表面に界面活性物質(脂肪酸)からなるコーティング層が形成された一例を示す構造説明図であり、図４は、対象物に本発明による表面処理方法を実施してコーティング層が形成される様子を示す説明図であり、図５(ａ)〜(ｃ)は、本発明の実施の形態であり、対象物を液に浸漬して処理を行なう場合の工程や手順を説明する図であり、図６は、本発明の実施の形態であり、対象物３０(ここでは断面球状体形状の対象物)に表面処理を行う手順を示す説明図である。そして、図７は、一般的な金属材料からなる対象物について、その表面の汚染を示す説明図であり、図８は、その対象物(金属)表面の腐食を断面によって示す説明図であり、図９は、その対象物(金属)表面の酸化膜の性質を示す説明図である。
【００１３】
まず始めに、図７は、本発明の対象物となる金属表面の一般的な汚染を示す図である。私たちの環境では酸素と水は常に存在しているため、金属Ｍの表面には酸化物または水酸化物の層(ｍ1)が形成されており、様々な汚染物質(Ｐ：P1，P2,P3等)や吸着水(ｍ2)が付着されている。これらの汚染物質(Ｐ)は、無機物(CL^-)、ガス(SO_x)、有機物(R R R、R-OH)などを含み、具体的な物質の例としては、洗浄剤、はんだ液、フラックス、前処理剤、人間の汗、腐食性ガス、油、ホルマリン、カルボン酸、フッ化物、シリコーンなどがあり、どんなにクリーンな環境であっても微量の汚染は生じるものと考えてよい。
【００１４】
図８は、本発明の対象物となる金属表面の腐食による汚染を断面によって説明する図である。私たちの環境では酸素(O_２)と水(H_２O)は常に存在していて、金属と酸素の親和性は高いため、金属Ｍの表面には酸化物層(ｍ1)が形成される（図８(ａ)）。この(ａ)の状態ではまだ腐食が問題になることは少なく、一般的に、腐食による汚染が問題になるのは、生成された酸化物層(ｍ1)の一部が破壊されて局部的破壊箇所(ｘ)を生じ（図８(ｂ)）、目視や電気的性質・化学的性質などで問題が発生するレベルに成長した錆部(Ｘ)となった場合（図８(ｃ)）である。錆部(Ｘ)では、電気化学作用として２H_２O＋O_２＋ｅ →４ＯＨ⁻ 、金属Ｍ→Ｍ^ｎ＋＋ｅ →４OH^- が起こる。腐食を促進する因子としては、水、ハロゲンを含む無機アニオン、有機酸、塵埃など多くのものがある。
【００１５】
図９は、対象物となる金属表面の酸化膜状態の種類とその性質を示す図である。金属表面の酸化物層は、腐食反応のバリア層となりうる。アルミニウム、チタン、クロムは酸素に対する活性が非常に高いけれども、形成された酸化物層は緻密な膜(ｍ1)となり、酸化反応は抑制される。この状態を図９(ａ)に示す。これに対して、体積収縮による引張り応力を伴なうボーラスな酸化物層(ｍ2,ｍ2')を有する状態を図９(ｂ)に示し、また、割れ発生を伴なった酸化皮膜を有する状態(ｍ3,ｍ3')を図９(ｃ)に示す。
【００１６】
そして、図９(ｄ)は、酸化物層の厚さ(th)と時間(Ｔ)との関係を示すグラフ図であり、図９(ａ)〜(ｃ)の３種類の状態をそれぞれこのグラフ図にあてはめて示したものである。これによれば、緻密な酸化物層からなる(ａ)では、酸化皮膜は安定しているので時間が経過してもあまり厚さが増加せずほぼ一定の膜厚を保ち、耐食性も十分期待できる。
また、ボーラスな酸化物層である(ｂ)では、時間が経過すると厚さ自体は増加すると予測されるものの、大部分の酸化物層が腐食反応に対して金属表面を保護するバリア層とはなりえない構造となっているため、その耐食性は全く期待できなくなる。
【００１７】
そして、割れ発生を伴なう酸化皮膜を有する状態である図９(ｃ)においては、割れを伴なうので不規則的ではあるが、時間が経過するとその厚さもある程度は増加していく。しかしその酸化皮膜は、一部に割れが発生しているため、金属表面を腐食反応から十分に保護することができなくなっており、その耐食性はあまり期待できなくなる。
ここで、対象物である金属が酸化される時の体積変化を示すデータの例を示してみると、生成される酸化物がNa₂O、CaO、MgOである場合では、酸化物／金属体積比が0.6〜0.8程度であるため、それらの耐食性はあまり期待できない。しかしながら、酸化物がAl₂O_３、TiO₂、Ag₂O、Cu₂O、NiO、CoO、SiO₂、Cr₂O_３、FeO、WO_３である場合では、酸化物／金属体積比が1.3〜3.5程度となってかなり大きくなるため、それらの耐食性は十分に期待できるものとなる。
【００１８】
さて、本発明による表面処理方法は、対象物を洗浄してその表面にコーティング層を形成する洗浄保護ステップを含んでおり、この洗浄保護ステップは、界面活性物質からなる液を、それが高温活性状態となる温度に保持して、そこに前記対象物を浸漬することにより、対象物の洗浄および表面コーティングを行うステップである。これからは、本発明による対象物の洗浄および表面コーティングについて説明する。
図２は、本発明で用いる界面活性剤の分子構造の一例を示し、ここでの界面活性剤は脂肪酸であって、その代表的分子構造を示す。脂肪酸の構造は、分子の炭素数12〜18の炭素原子が長い鎖状に連らなった親油性のアルキル基(非極性炭化水素基)と、水に溶けてイオン解離する親水性のカルボキシル基(極性基)と、から成っている。図１を１本のマッチ棒に例えれば、頭の部分は親水性の極性基であり、軸の部分は親油性の非極性炭化水素基に相当する。
【００１９】
本発明の表面処理方法にあっては、上記のような脂肪酸などの界面活性物質からなる液を、それが高温活性状態となる温度に保持して、そこに前記対象物を浸漬することにより、対象物の洗浄および表面コーティングを行う。
界面活性物質が高温活性状態に移行してゆくときの活性温度は、その物質によって様々であって、その温度幅が広いものである。例えば、パルミチン酸・ステアリン酸・オレイン酸・ミリスチン酸・ラウリン酸など脂肪酸を含む界面活性物質においては、活性温度は120〜300℃の範囲にあるものが用いられると工業化しやすく実用性が高い。たとえば、パルミチン酸が用いられるときには、より好適な温度は約200〜300℃の範囲にある。そして、この液の高温活性状態を維持するために、適正な温度に設定保持されている設備が必要である。
【００２０】
また、界面活性物質がより高温である約300℃以上の温度で用いられることも可能であり、その場合には、高温活性は益々増加して反応性も高くなるのではあるが、界面活性物質自体が自然発火する温度範囲でもあるので、このよう状態では高圧力をかけて無酸素状態にすることによって本発明が実施される。かなりの高温状態なのでその効果も高いが、適正な設備と的確な管理が要求される。
【００２１】
そしてまた、この高温活性状態にある液は一般的には液体(流体)であり、高い密度を保ちながら激しく分子運動をしており、本発明では、その高温活性作用が大幅に高められている状態で用いられるとよい。この状態であると、液に対象物を浸漬することにより、対象物の洗浄や不用な酸化物除去が極めて効果的に実施され、その後の表面コーティングもスムーズに実施される。
このとき、この液に前記対象物をただ単に浸漬しておくのみならず、さらにこの対象物に対して、振動・揺動・回転・回動・流水による力・吹きつけ力などによる機械的また物理的な力を加えることもでき、これによりさらにこの洗浄ステップを効率化・高速化することも可能である。
【００２２】
さらに加えて、物質には、気体／液体／固体の３態の他にも、ある臨界温度以上になると圧力をかけても気化しない領域があり、この状態は超臨界状態といわれている。この超臨界状態における流体(物質)は、密度は液体に近く、粘度は気体に近い状態となり、その臨界活性作用が格段に高められており、本発明ではこの超臨界状態の温度を、本発明の高温活性状態となる所定温度として用いることも可能である。
【００２３】
こうして、洗浄されてきれいになった対象物の表面には、脂肪酸などの界面活性物質からなるコーティング層が形成される保護層形成ステップが実施される。なお、この洗浄ステップから保護層形成ステップへの移行は、別々に分けて行うものではなく、対象物は洗浄液(界面活性物質からなる液)に浸漬された状態となっているので、この洗浄ステップが終わって表面がきれいになると、自然に保護層形成ステップへ移行するものである。
【００２４】
図３は、本発明により対象物表面に界面活性物質(ここでは脂肪酸)からなるコーティング層が形成された一例を示す構造説明図である。図３において、洗浄保護の処理がなされる対象物Ａは、例えばここでは、銅や鉄などの金属製からなる導電ワイヤ、プリント基板、ソルダーボールなどであり、また、界面活性物質としては脂肪酸のひとつのパルミチン酸を用いるものとする。この対象物Ａは、界面活性物質であるパルミチン酸からなる液が、それが高温活性状態になる温度に設定され、この対象物Ａは液の中に浸漬されて、表面の酸化物や汚れが除去される洗浄ステップが行われる。
【００２５】
そして、ここでのパルミチン酸による液に関し、このパルミチン酸が高温活性化されて使用できる状態となる温度は約180℃以上であるので、適正な温度に設定されたパルミチン酸液が対象物の処理に用いられる。例えば、その温度は200〜300℃範囲から選択されたある値の温度とし、その温度を一定値に保持して用いられる。またそのとき、処理時間(浸漬時間)は、それぞれの対象物の表面状態や材質、設定温度とのバランスなどに関する種々の条件を考慮して、数秒〜数十分の時間範囲から適宜に選択されて用いられるとよい。
【００２６】
洗浄されてきれいになった対象物の表面には、パルミチン酸からなるコーティング層Ｂが形成される保護層形成ステップが行われる。図３に示したコーティング層Ｂは、パルミチン酸の多数分子が同じ方向に配向して配列した構造から成り、分子の頭部分を対象物表面に付けて表面略鉛直方向に多数個数が配向して集合配列し、対象物Ａの表面全域を被覆するようにして、コーティング層Ｂ(表面薄膜層)を形成する。また、この図３に示す構造では、対象物Ａ表面上でのパルミチン酸の化学吸着の状態で、パルミチン酸の単分子膜が生成されたものとなっている。
【００２７】
このコーティング層Ｂの厚みは、脂肪酸などの界面活性物質の単一分子の長さにほぼ等しくなる。図３に示すものは、脂肪酸のひとつであるパルミチン酸の例であって、パルミチン酸１分子の長さは概ね２６Åであるので、コーティング層Ｂもこれとほぼ同じ長さの厚みを有することとなる。また、パルミチン酸１分子の横幅(表面水平側の長さ)は約５Åであって、この分子が多数個数が凝集されて配向して配列され、コーティング層Ｂが生成される。
【００２８】
図４は、対象物に本発明による表面処理方法を実施してコーティング層を形成する様子を示す説明図である。ここで、洗浄保護される対象物１０は、その表面に酸化物等による表面汚れ(図示せず)を有する。対象物１０は、液１４中に浸漬(湿潤)される。ここでの液１４は、脂肪酸などの界面活性物質が高温活性状態となる温度に設定されて保持された液である。液１４に対象物１０を浸すと、対象物１０の表面に付着している表面汚れに液１４が吸着していき、汚れの中まで液１４が浸透していく。
【００２９】
そして、液１４が含有する界面活性物質(界面活性分子１６)の働きによって、付着していた表面汚れ(図示せず)が対象物１０から離脱してくるが、ここでは、表面汚れに液１４が浸透していく浸透作用が大きく働き、界面活性分子１６が表面汚れに吸着していく。すると、表面汚れと対象物１０との界面エネルギーが減少し、表面汚れと対象物１０との付着力は減少してゆく。このような状態になると、汚れ１２は容易に剥がれてきて液１４中に汚れ粒子１２として浮き出してくる。このとき、必要があれば、なんらかの物理的な外力(振動・攪拌・水流変化など)を与えることも可能である。
【００３０】
こうして、表面汚れが汚れ粒子１２となって対象物１０から離脱していき、対象物１０の表面がきれいになると、こんどは、界面活性分子１６が、対象物１０の表面に次第に付着してくる。
ここでの界面活性物質からなる液１４は、離脱された汚れ粒子１２はより小さな粒子に分散させ、一旦離脱した粒子が凝集しないよう、液中に粒子１２'を安定的に乳化分散をさせて、再度の汚れが付着することがないようにする作用を有する。表面汚れがなくなった対象物１０の表面には、界面活性分子１６が次第に配向配列しながら付着してくる。そして、対象物１０表面全域に渡って、界面活性分子１６によるコーティング層１６Ａを生成する。このコーティング層１６Ａが形成されることにより、再度の汚れが付着することがなくなるとともに、対象物１０表面を保護して、対象物１０に含まれる成分などが外に出てくることをも防止することができる。
【００３１】
また、図４においては、頭部と軸部とからなる界面活性分子１６は、その頭部(親水性側)において汚れ粒子１２に付着し、また、同じ頭部側で対象物１０の表面にも付着する図として示したが、ここでは、対象物１０を銅ワイヤ、銅プリント基板として、その酸化物等の汚れを防止するために、上記した液１４を用いて本発明を実施した場合を想定したものである。よって、対象物１０や液の成分が異なる場合においては、界面活性分子１６の付着の様子も、図４とは異なってくることもありうる。
【００３２】
さて、図５(ａ)〜(ｃ)は、本発明による表面処理方法の各種の実施の形態を示す図であって、対象物を液に浸漬して処理を行なう場合の工程やその手順を説明する図である。
まず、図５(ａ)において、金属製の対象物３０は洗浄がなされてその表面にコーティング層が形成されるが、その表面処理方法の工程が示される。
液槽(容器)３６には、界面活性物質からなる液３２が蓄えられ、この液３２は高温活性状態となる所定温度に保持されている。表面処理される対象物３０は、液槽３６の上方開口部から上下移動が可能な構成となっている。対象物３０は移動路α１に従って引き降ろされ、液３２中に浸漬される(対象物３０’)。所定時間の間だけ浸漬されたのち、今度は移動路α２に従って引き上げられ、液３２から取り出される。この図５(ａ)では、対象物３０の動きは、外部(対象物３０)→液３２（対象物３０’）→外部(対象物３０の位置)となっていて、ここでは表面保護ステップを実行する。
【００３３】
図５(ｂ)においては、金属製の対象物３０は、表面の洗浄、コーティング層の形成、および、金属層の形成が行なわれる一例を示し、その表面処理方法の工程が示されている。ここでの、金属層形成は、はんだ付けやメッキ処理などによって金属層や金属膜の形成がなされることをいう。
液槽(容器)４６には、界面活性物質からなる液４２とはんだ液４４(Pb-Sn、Pbフリー等のはんだ溶融金属からなるはんだ液)とが、上下２段の液層配置となるよう設定されて貯えられる。具体的構成としては、パルミチン酸100％からなる液４２と、はんだ液４４とを用い、高温活性化する所定温度は約200〜300℃の中から種々の条件に合わせて選択して保持温度が設定され、また、それぞれの液中での浸漬時間は、数秒〜数十分の中からこれも種々の条件に合わせて選択して、保持時間が設定される。ここでのパルミチン酸液４２(融点約63℃)と、はんだ液４４とは、液体状態で一緒にしても互いに混じり合わず、比重の関係でパルミチン酸液４２(上の層)とはんだ液４４(下の層)との隣接した２層の分離液層となる。
【００３４】
液槽(容器)４６には、界面活性物質からなる液４２(上の液層)と、はんだ液４４(下の液層)との上下隣接した２層の分離液層が貯蓄されており、この界面活性物質からなる液４２は高温活性状態となる所定温度に保持される。隣接するはんだ液４４は、液４２の温度に影響を受けるので、液４２に近い温度保持されるのが実用的であるが、それぞれが異なる温度に制御管理することも可能である。
【００３５】
処理される対象物４０は、液槽４６の上方開口部側から上下移動が可能な構造となっていて、対象物４０は移動路β１に従って引き降ろされ、界面活性物質の液４２中に所定時間の間だけ浸漬される(対象物４０’)。次に、対象物４０'は移動路β２に従って引き降ろされ、はんだ液４４中に所定時間の間だけさらに浸漬される(対象物４０'')。対象物４０''にはんだ付け処理がなされると、移動路β３に従って引き上げられ、界面活性物質の液４２に戻され(対象物４０'の位置)、必要な時間だけ浸漬された後、外部へ取り出される。
【００３６】
この図５(ｂ)では、対象物４０の動きは、外部(対象物４０) →上層の液４２中（対象物４０'）→下層のはんだ液４４中(対象物４０'') →上層の液４２中（対象物４０'）→外部(対象物４０)となる。
これらの工程で、上層の液４２中に移動された対象物４０'に対して表面保護ステップが実行され、次に下層のはんだ液４４中に移動された対象物４０''に対しては、はんだ付けステップが実行され、さらに、上層の液４２に戻された対象物４０'に対しては再び表面保護ステップが実行されて、外部に取り出されることとなる。
【００３７】
こうしてこの図５(ｂ)では、対象物４０が、表面保護ステップ(Ｓ１)→はんだ付けステップ（Ｓ２）→表面保護ステップ（Ｓ３)と移っていく過程を辿る。
そこで、対象物４０の表面処理に着目すると、ステップ(Ｓ１)では、対象物４０の表面は洗浄されて新規のコーティング膜が形成される。次に、はんだ付けステップ(Ｓ２)に移動して、対象物４０がはんだ液４４中に入れられるが、そのとき、対象物４０表面に付着していたコーティング膜が、そのある程度の部分は、液４４中の金属によって、はじかれるか飛ばされたりして、とれてしまうか、膜厚が極めて薄くなってしまうものと、推測される。よって、対象物４０の表面に新たに形成されるはんだ層は、コーティング膜の影響がないか弱くなるので、対象物４０との導電的接続関係が極めて良好であって、安定した膜構造のはんだ層が形成されることとなる。
それから、対象物４０(４０'')は、下層のはんだ液４４中から、対象物４０は、上層の液４２中に戻されることとなるが、ここで、表面にはんだ層を備えた対象物４０(４０')は、新たに表面洗浄がなされて、再びコーティング膜が形成されることとなる。
【００３８】
さらに、図５(ｃ)においては、金属製の対象物５０は、表面の洗浄、コーティング層の形成、および、はんだ付けがなされる別の例を示し、その表面処理方法の工程が示されている。
液槽(容器)５６には、界面活性物質からなる液５２とはんだ液５４とを備え、これらふたつの液は、しきり部５３によって左右別々の槽に分離されて保管されており、液５２とはんだ液５４とは全く混じり合うことがない液層の構造をなしている。しきり部５３を隔てて近接するはんだ液４２と液４４とは、互いに温度の影響を受けにくく、２種類の液をそれぞれ別々に管理することができ、温度の設定や処理操作の面で大変自由度が高い。
【００３９】
処理される対象物４０は、液槽５６の上方開口部側で上下と左右の移動ができる構造となっているため、界面活性物質による液５２による洗浄保護ステップとはんだ液５２によるはんだ付けステップとを組合せて、種々の工程が実施可能である。
次に考えられる工程を列挙してみる。
(１) 外部にある対象物５０→移動路γ１→界面活性物質による液５２→移動路γ４→対象物５０(外部)
(２) 外部にある対象物５０→移動路γ５→はんだ液５４(対象物５０''）→移動路γ６→対象物５０（外部）
（３）外部にある対象物５０→移動路γ１→界面活性物質による液５２中(対象物５０')→移動路γ２→はんだ液５４中(対象物５０''）→移動路γ５→対象物５０(外部)
(４) 外部にある対象物５０→移動路γ１→界面活性物質による液５２(対象物５０')→移動路γ２→はんだ液５４(対象物５０''）→移動路γ３→界面活性物質による液５２（対象物５０’）→移動路γ４→対象物５０(外部)
(５) 外部にある対象物５０→移動路γ６→はんだ液５４(対象物５０''）→移動路γ２→界面活性物質による液５２(対象物５０')→移動路γ１→対象物５０(外部)
【００４０】
つぎに、図６は本発明の一実施の形態として対象物の表面状態を説明する図である。ここで表面処理がなされる対象物６０と７０(ａ１,ｂ１)は、その断面が球体形状のものを用いており、具体的には、銅や鉄など金属ワイヤ、ボール状の導電接続体などを想定している。
図６(ａ１)〜(ａ３)の説明図は、上述した図５(ａ)に示した工程により、洗浄保護ステップ→金属層形成ステップ、を実施したときの対象物６０の表面状態を示す一例である。
【００４１】
ここで示す対象物６０は、その表面に酸化物等の汚れ６１を有している。これを、高温活性状態にある脂肪酸などの界面活性物質からなる液に浸漬することによって、対象物６０表面の汚れは落とされてきれいになり、図６(ａ２)のような表面状態(表面６２)となる。表面６２のようにきれいになると、その界面活性物質によって、そのまま自然に、表面全体に均一な薄膜状のコーティング層６３が形成され(図６(ａ３))、対象物６０表面は全体にコーティング保護がなされて、対象物６０表面から他の材料が露出されるようなことがなくなる。
【００４２】
また、図６(ｂ１)〜(ｂ５)に示す説明図は、図５(ｂ)または (ｃ)による工程により、洗浄保護ステップ→金属層形成ステップ→洗浄保護ステップ、を実施したときの対象物６０の表面状態を示す一例である。
ここに示す対象物７０は、その表面に酸化物等の汚れ７１を有している(図６(ｂ１))。これを、高温活性状態にある脂肪酸などの界面活性物質からなる液に浸漬することによって、対象物７０表面の汚れは落とされてきれいになり、図６(ｂ２)のような表面状態(表面７２)となる。表面７２のようにきれいになると、その界面活性物質によって、そのまま自然に、表面全体に均一な薄膜状のコーティング層７３が形成される(図６(ｂ３))。
【００４３】
次に、対象物７０は、界面活性物質からなる液から溶融金属の液に移動されてきて、新たに金属層７４が形成される(図６(ｂ４))。前に形成されていたコーティング層７３は、かなりの部分が溶融金属によってはじかれるか飛ばされたりして、なくなってしまうものと推測されるが、コーティング層７３が多少残っていたとしても、はんだやめっきにおける金属層を形成する上で大きな問題とはならない。
その次にまた、溶融金属の液から出されて、界面活性物質からなる液に戻されて、コーティング層７５が金属層７４の上に形成される(図６(ｂ５))。
【００４４】
なお、この図６に示したコーティング層を形成する段階(ａ１) (ａ２) (ａ３)と段階(ｂ１) (ｂ２) (ｂ３)とは、対象物(６０、７０)の球面状の表面全域が、(１)→（２）→(３)の順に一律に変化して進むわけではなく、たとえば、段階(１)において汚れがない部分ではすぐに（２）→(３)と進むであろうし、段階(１)において汚れが多い部分では(２)に至るまでやや時間を要する場合もありうる。すなわち、表面処理の対象物の部分的な球面(表面)状態によって、(２)→(３)に至る過程の経過時間はそれぞれ異なることが予測されるが、(３)の段階に達して、表面全体に均一な薄膜状のコーティング層(６３、７３)が形成される。
【００４５】
本発明による対象物の表面処理方法においては、界面活性物質の中でも石鹸の類に入る脂肪酸を用いるのが実用的であり、その脂肪酸としては、パルミチン酸・ステアリン酸・オレイン酸・ミリスチン酸・ラウリン酸のいずれかが用いられるとよく、なかでもパルミチン酸は好適である。このパルミチン酸は、常温では固形物であって、50〜80℃で溶けやすく、約３００℃で蒸発するが、180〜300℃に温度保持すれば高温活性状態が維持でき、200〜250℃の温度が使いやすい。発明者の実験の一例を示せば、銅板や銅ワイヤなどを対象物として、パルミチン酸を230℃に保持して、そこにその対象物を30秒〜１分の時間浸漬することにより、効果的な洗浄と保護層形成を実施することができた。
【００４６】
また、対象物に金属層(膜)を形成する工程においては、はんだ液は所定の溶融温度に保持され、例えばPb-Snはんだでは融点である約１８３℃以上の所定温度とされるとよい。銅板や銅ワイヤなどの金属層(膜)が形成される対象物は、このようなはんだ液中に所定時間浸漬される。そのときの浸漬時間は1,2秒〜数分程度が一般的であるが、これに限らず、種々様々の条件に合わせた浸漬時間を用いて保持されればよいものであって、場合によっては、対象物をはんだ液中を通過させるだけで、必要な浸漬時間が得られることもありうる。
【００４７】
そして、図６において、本発明にかかる表面処理によって形成された、界面活性物質によるコーティング層(６３または７３)は、イオン結合によってカルボン塩となっている堅固な一層膜であって、ある程度以上の層さから、さらに厚くなることはなく、一旦膜が形成されるとこの状態で高温でも溶融することはなく、べたつかず、表面はさらさらしている。発明者の実験では、パルミチン酸を用いた場合では、パルミチン酸からなる液に、対象物として銅導電基板を浸漬することにより、コーティング層が形成されて、その膜厚としては約２６Å前後のものが得られた。このような一層の膜ができると、この層の上にさらに別の層を形成されるとしても、すぐに剥がれ落ちてしまうので、ある程度以上の厚さより大きくはならない。
【００４８】
また、本発明によるコーティング層の生成は、用いられる界面活性物質の濃度に大きく依存されることはないが、堅固な一層膜を確実に生成するには、洗浄後のすすぎ工程を適正に行うことが大切である。
さらに、本発明による工程実施後の液は、そこに汚れの成分を多く含んでいるので、これらの汚れを蒸留などの手段によって除去すれば、その液は再使用することができる。よって、作業現場ではリサイクルの工程を組んで本発明を実施することができるので、大変効率がよくて、コストアップにもならない。
【００４９】
さてここで図１を見るに、この図１は、本発明を実施している一つの形態を示し、表面に多くの酸化金属を有する対象物である金属体に対して、パルミチン酸などの脂肪酸を高温活性状態に保持し、対象物の洗浄ステップを行っている様子を示している。対象物である金属体の表面には汚れの元となる多量の酸化金属が鱗片状に付着している。この対象物の表面の洗浄ステップでは、液を高温活性温度に保持して脂肪酸の多数の分子を臨界活性させることにより、これらの酸化金属の周囲に多数取り付いて取り囲み、これら酸化金属を対象物表面から剥離させて、取り除いてしまう。ここでの液は、温度約200℃以上の高温状態に維持されることにより、付着している酸化金属は熱が加えられて膨張することで隙間が生じやすくなり、また活性分子がそこに割り込みやすくなり、従って酸化金属は剥がれ落ちやすくなってしまう。なお、図１の洗浄と保護膜形成の原理は、図４で示したものと同様である。
【００５０】
本発明が適用できる対象物としては種々様々なものがあるが、例えば、半導体素子・回路基板・プリント配線パターン・ＩＣチップ、パッケージ基体、抵抗、コンデンサ、クリームはんだ、はんだパウダーなど多くの半導体関連の装置や構成部品が挙げられるが、これらに限られるものではなく、他の分野にある対象物についても適宜に本発明が適用できるものである。
たとえば、亜鉛はんだは、活性力が強くフラックスと反応し、酸化し易い性質を有するものであるが、本発明を十分に適用することができる。また、微小寸法立体形状や細かい粉末からなるクリームはんだやはんだパウダーにおいても、本発明を適用することが大変容易である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明による表面処理方法、洗浄保護用液および装置ユニットは、酸化物などの汚れを有している対象物または汚れる可能性のある対象物については、洗浄、はんだ(めっき)、コーティングなどにより、きわめて効果的な表面処理を施すことができるし、また表面処理後も汚れ難くする技術を含んでおり、半導体装置などにおける導電金属部材の表面処理技術を格段に向上させることができるものである。しかも、多大のコストをかけることなく、より簡明で合理的な処理装置または工程を用いて、効率良く短時間で、クリーンで環境に優しい、表面処理技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を説明する図であり、表面に酸化金属を有する対象物である金属体に対して、パルミチン酸などの脂肪酸を高温活性状態に保持し、対象物の洗浄ステップを行っている様子を示す図である。
【図２】本発明で用いる界面活性物質(脂肪酸)の分子構造の一例を示す説明図である。
【図３】本発明により対象物表面に界面活性物質(脂肪酸)からなるコーティング層が形成された一例を示す構造説明図である。
【図４】対象物に本発明による表面処理方法を適用してコーティング層を形成する様子の一例を説明する図である。
【図５】 (ａ)〜(ｃ)は本発明の各種の実施の形態を示す図であり、対象物を液に浸漬して処理を行なう場合の工程を説明する図である。
【図６】本発明の一実施の形態を示す図であり、対象物６０と７０(ここでは断面球状体形状の対象物)に表面処理を行う方法の手順を示す説明図である。
【図７】一般的な対象物である金属について、その表面の汚染を示す断面による説明図である。
【図８】対象物(金属)表面の腐食の様子を断面によって示す説明図である。
【図９】対象物(金属)表面の酸化膜の性質を示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ対象物
Ｂコーティング層
１０対象物
１２汚れ
１４液（洗浄保護液）
１６界面活性分子
１６Ａ界面活性分子によるコーティング層(膜)
３０、４０、５０対象物
３０'、４０'、５０' 移動後の対象物の位置
３０''、４０''、５０'' 移動後の対象物の別の位置
３２、４２、５２界面活性物質による液
４４、５４溶融金属による液
α１、α２、β１〜β４、γ１〜γ４対象物の移動を示す矢印
３６、４６、５６液槽（処理槽）
５３液分離壁
６０、７０対象物(断面球状体形状)
６１、７１表面の汚れ
６２、７２きれいな表面
６３、７３、７５コーティング層(膜)
７４金属層(膜)

Claims

金属表面を有する電子部品または半導体装置において、金属酸化物で汚れた前記金属表面を洗浄してそこにはんだ層を形成する表面処理方法であって、
所定温度で活性状態となる界面活性物質のパルミチン酸またはステアリン酸のいずれかの脂肪酸からなる液と、はんだ溶融金属からなる溶融はんだ液と、をそれぞれ上層と下層の２層に分離して配置し、
前記上層の脂肪酸からなる液に前記電子部品または半導体装置を浸漬して、そこに物理的な力を加えることにより前記金属表面の金属酸化物による汚れを落とし、その後に汚れが落ちた前記金属表面に前記脂肪酸からなるコーティング層が形成される、第１の洗浄保護ステップと、
前記電子部品または半導体装置を、前記下層の溶融はんだ液に移動させて浸漬することにより、前記金属表面にはんだ層を形成する金属層形成ステップと、
前記電子部品または半導体装置を、前記下層の溶融はんだ液から前記上層の脂肪酸からなる液にさらに移動させて浸漬することにより、前記金属表面のはんだ層に、前記脂肪酸からなるコーティング層が形成される、第２の洗浄保護ステップと、を備え、
前記脂肪酸からなる液は１００℃以上の高温に維持される、ことを特徴とする表面処理方法。