JP4750170B2 - 微小粒の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体から均一な微小粒、例えばハンダボールなどの粒度分布が狭く真球度の高い微細金属球を製造するための微小粒の製造装置及び製造方法に関するものである。

半導体装置を、ＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）、ＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）などの半導体デバイス実装技術を用いて組み立てるに際し、ハンダボールなどの微細金属球が用いられる。半導体装置組立に用いる微細金属球としては、数十μｍから数百μｍの微細な金属球が用いられている。この金属球として、球径が均一かつ精度が極めて安定であることが要求される。

微細金属球以外でも、粒状の薬剤あるいはセラミックスの原材料の製造において、粒体の大きさと形状を精密に制御した微細粒子の製造が必要とされている。

微細金属球の製造方法として、特許文献１には、金属を所定の体積に整えた小片とし、この金属の融点以上に保持した液体にこの金属片を投入して加熱溶融し、液化した金属自身の表面張力によって液中で球状化し、液体の下部の温度を金属の融点以下とし、球状化した金属が液体下部に下降して凝固する方法が開示されている。また特許文献２には、溶融金属を所定容積の計量器に注入して計量し、計量した溶融金属を計量器から放出して固化させることにより微小金属球を形成するようにした微小金属球の製造方法が記載されている。しかしこれらの方法では、金属を小片にする装置が必要であるとともに、金属球の大きさが微小になると一定体積の小片を作るには精度を確保する上で問題があった。

特許文献３に記載のものは、るつぼの底部に複数の微細孔（オリフィス）を設け、るつぼ内に溶湯を充たし、圧電素子を駆動源として溶湯に浸漬したディスクを振動させ、これによって圧電素子の振動エネルギーを溶湯自体に伝達し、底部の微細孔から流出する溶湯を微小液滴とする方法である。このような方法は、Uniform Droplet Spray method（均一液滴法、ＵＤＳ法）として知られている。以下「ＵＤＳ法」と呼ぶ。同様の方法は例えば特許文献４にも開示されている。

特許文献５には、振動発生器に接続され少なくとも１以上のノズルを有する振動ノズルヘッドと、液相の供給容器とノズルヘッドの間に設けられた供給ラインを有し、振動ノズルヘッドの振動により小滴を発生させる方法が開示されている。同文献の図１に示す実施例を用いて硝酸銀の液滴を製造し、図２に示す実施例を用いて軟質半田合金の液滴を製造している。図１、２によると、供給ラインは螺旋状部分を有している。

特開平７−２５２５１０号公報 特開２０００−１４４２１５号公報 米国特許第５２６６０９８号公報 特開２００１−２２６７０５号公報 特開平４−２２７０４３号公報

特許文献３、４に記載のように、溶湯を充たした溶湯容器の底部に溶湯流出ノズルを有し、溶湯に振動を付与しつつノズルから溶湯を流出させつつ微小液滴を製造する方法においては、ノズル出口で溶湯が受ける振動は弱く、ノズルから流出する噴流を切るためのパワーが十分ではなく、液流が切断される上で振動パワーは補助的な役割しか果たせなかった。このため、切断後の液滴の体積が一定せず、均一な粒径を有する液滴を製造することができなかった。また、振動発生器を溶湯容器の頂部の上に設ける必要があるため、装置の全体高さが高くなるという欠点を有している。

また、特許文献５に記載の方法においては、製造した液滴サイズに不均一があり、微小金属球の球径精度にばらつきが発生する問題があった。

本発明は、液体から均一な微小粒、例えばハンダボールなどの粒度分布が狭く真球度の高い微細金属球を製造するための微小粒の製造装置及び製造方法を提供することを目的とする。

特許文献５に記載の方法において、振動ノズルヘッドに供給ラインが接続されており、振動ノズルヘッドを振動させると接続された供給ラインも振動することとなる。このため振動発生器からの振動エネルギーが液滴生成に十分活かされず、これがために液滴サイズに不均一が発生することがわかった。供給ラインに螺旋状部分を設けても同様であった。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）液体１１を下方に流出させるノズル１と、ノズル１を振動させる振動装置４と、ノズル１を摺動可能に保持するノズル架台２と、液体貯蔵槽３を有し、ノズル１は液体流出口２２につながり液体を流通させるノズル経路２０を有し、ノズル架台２は液体貯蔵槽３からノズル１につながり液体を流通させる架台経路３０を有し、ノズル経路２０と架台経路３０が連通して液体を流通可能であることを特徴とする微小粒の製造装置。
（２）ノズル１と振動装置４を連結する連結棒５を有していることを特徴とする上記（１に記載の微小粒の製造装置。
（３）ノズル経路２０の液体流出口２２と反対側の端部はノズル１とノズル架台２との摺動面７に開口し、架台経路３０はノズル架台２内に配設されてノズル１とノズル架台２との摺動面７に開口することを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の微小粒の製造装置。
（４）液体１１が溶融金属であることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の微小粒の製造装置。
（５）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の微小粒の製造装置を用い、振動装置４によってノズル１を振動させつつノズル１の液体流出口２２から液体１１を流出させることにより、流出した液体を微小粒に分離することを特徴とする微小粒の製造方法。
（６）液体１１が溶融金属であり、分離した微小粒を凝固して微小金属球とすることを特徴とする上記（５）に記載の微小粒の製造方法。

本発明は、液体に振動を付与させつつノズルから流出させて均一な液滴を形成するＵＤＳ法において、液体を流出させるノズル自身に振動を付与するとともに、ノズルに液体を供給する供給系は振動するノズルから分離しているので、振動発生器からの振動エネルギーが微小粒生成に十分活かされ、生成した微小粒のサイズが均一化されることとなった。

本発明の微小粒の製造装置及び製造方法は、種々の金属を用いた微細金属球の製造、あるいは粒状の薬剤やセラミックスの原材料を粒体化するに際して用いることができる。ここでは、ハンダボールを製造する場合を例にとって以下に説明する。

図１、図２に基づいて本発明の説明を行う。

本発明の微小粒の製造装置は、液体１１を下方に流出させるノズル１と、ノズル１を振動させる振動装置４と、ノズル１を摺動可能に保持するノズル架台２と、液体貯蔵槽３を有する。

ノズル１は、その下方に液体流出口２２を有し、ノズル架台２に摺動可能に保持される。ノズル１はノズル架台２に保持されつつ上下方向に摺動可能である。ノズル１を筒状とし、ノズル架台２に筒状のノズルを保持するための開口部であるノズル保持部６を形成することにより、ノズル１をノズル架台２に保持することができる。ノズル１に振動装置４が接続され、振動装置４によってノズル１を振動させることができる。振動装置４としては、圧電素子が用いられる。振動装置４によるノズル１の振動方向は、ノズル架台２に保持されたノズル１の摺動方向と一致する。ノズル１に直接振動装置４を接続させることもできるが、ノズル１と振動装置２を連結する連結棒５を用いて接続しても良い。

図１に示す例では、ノズル１は円筒状であり、円筒の下端に液体流出口２２が開口している。ノズル架台２に配置されたノズル保持部６は、ノズル１の円筒部分と径の等しい円筒状の開口を鉛直方向に形成し、ノズル保持部６内にノズル１を配置することにより、ノズル架台２はノズル１を鉛直方向に摺動可能に保持することができる。振動装置４として圧電素子を用い、ノズル１と振動装置４との間を鋼製の連結棒６で接続している。振動装置４、連結棒６、ノズル１を鉛直方向に配置し、振動装置４による加振でノズル１は鉛直方向に振動する。振動数の帯域としては、数ｋＨｚの帯域を用いる。

ハンダボールの製造に適用する場合、液体貯蔵槽３は溶融ハンダを貯蔵する。液体貯蔵槽３内において、溶融ハンダは融点よりも所定温度高い温度に保持される。図１に示す例では、液体貯蔵槽３にバンドヒーターを巻いた加熱装置を有し、溶融ハンダの温度をその融点より１００℃以上高い温度に保持することができる。

ノズル１はノズル経路２０を有し、ノズル経路２０はノズル下方の液体流出口２２につながっており、液体１１を流通させる。またノズル架台２は架台経路３０を有し、架台経路３０は液体貯蔵槽３からノズルにつながっており、液体貯蔵槽３から液体１１を流通させる。ノズル経路２０と架台経路３０が連通して液体１１を流通可能である。液体貯蔵槽３に貯蔵された液体１１は、ノズル架台２に配設された架台経路３０を通過し、さらにノズル内に有するノズル経路２０を通過し、最終的にノズル下方の液体流出口２２から流出する。

ノズル経路２０と架台経路３０は、経路から液体が漏洩しないように相互に連通する必要がある。本発明で好ましくは、ノズル経路２０の液体流出口２２と反対側の端部である液体流入口２１はノズル１とノズル架台２との摺動面７に開口し、架台経路３０はノズル架台２内に配設されてノズル１とノズル架台２との摺動面７に液体流出口３２を開口するとよい。ノズル１とノズル架台２の摺動面７において、ノズル経路２０の液体流入口２１と架台経路３０の液体流出口３２が対面する。これにより、ノズル経路２０と架台経路３０を連通することができる。また、ノズル１とノズル架台２の摺動面７にＯリングなどのシール部材８を配設することにより、ノズル１とノズル架台２の摺動面７を密封し、これによりノズル経路２０と架台経路３０の連通部分からの液体漏洩を防止することができる。

図１、図２に示す例では、円筒形のノズル１下方に液体流出口２２が配置され、液体流出口２２にはじまりノズルの軸芯に沿ってノズル経路２０が形成され、ノズル経路２０は途中でノズルの半径方向に向きを変え、ノズル１とノズル架台２との摺動面７に開口し、液体流入口２１を形成している。一方、架台経路３０については、ノズル架台１の内部に配設されており、架台経路３０の一方の端部はノズル１とノズル架台２との摺動面７に開口して液体流出口３２を形成する。ノズル１とノズル架台２の摺動面７において、ノズル経路２０の液体流入口２１と架台経路３０の液体流出口３２が対面しており、ノズル経路２０と架台経路３０とがこの位置で連通する。架台経路３０の他方の端部は液体貯蔵槽３の底部に液体流入口３１として開口し、液体貯蔵槽３に貯蔵した溶融ハンダを、架台経路３０を経由して液体流出口３２に導き、さらに連通するノズル経路２０に流入し、最終的にノズル１の液体流出口２２から溶融ハンダが流出する。ノズルの円筒形の外周の上方と下方にシール部材８としてＯリングを配設しており、その結果、ノズル１とノズル架台２との摺動面７からの溶融ハンダの漏洩を防止することができる。ノズル経路２０及び架台経路３０内を流れる溶融ハンダの温度を一定に保持するため、そのまわりへ棒状のカートリッジヒータを挿入してノズル１とノズル架台２を加熱している。液体として溶融ハンダを用いる場合、温度が３５０℃程度となるため、シール部材には耐熱性が要求される。このような場合、シール部材８としてカーボンパッキン（カーボンシール）を用いると良い。

製造する微小粒の大きさは、ノズル１の液体流出口２２の直径、液体流出口２２からの液体の流出速度、そして付与する振動の振動数によって定まる。また、液体流出口２２からの液体の流出速度は、液体貯蔵槽３内の液面と液体流出口２２の間のヘッド差で調整することができる。直径１００μｍのハンダボールを製造する場合、ノズル１の液体流出口２２の直径を５３〜５７μｍ程度、液体貯蔵槽３内の液面と液体流出口２２の間のヘッド差を０．３〜０．４ＭＰａ程度とし、ノズル振動の振動数を３．０〜４．０ｋＨｚの範囲で選択すると良い。

振動装置４として圧電素子を用いる場合、一般的に用いられる圧電素子であって厚さ方向に振動させる型であれば、４〜８枚の圧電素子を直列に重ねて振動装置４を構成することにより、ノズルに十分な振動エネルギーを付与することができる。

本発明においてノズル１を振動装置４によって振動させるに際し、ノズル架台２は振動しない。従って、ノズル架台２に配設された架台経路３０も振動しない。振動するのはノズル１のみである。そのため、振動装置４からの振動エネルギーがすべてノズル１に伝わって液滴生成に十分に活かされることになる。その結果として、本発明を用いて液滴である微小粒１２を生成すると、液滴サイズの不均一が発生せず、十分に均一なサイズの液滴を生成することができる。これに対し特許文献５に記載の方法では、振動ノズルヘッドに供給ラインが接続されており、振動ノズルヘッドを振動させると接続された供給ラインも振動する。このため振動発生器からの振動エネルギーが液滴生成に十分活かされず、液滴サイズに不均一が発生する。供給ラインに螺旋状部分を設けても同様である。

また、特許文献３、４に記載のように、溶湯を充たした溶湯容器の底部に溶湯流出ノズルを有し、溶湯に振動を付与しつつノズルから溶湯を流出させつつ微小液滴を製造する方法においては、ノズル出口で溶湯が受ける振動は弱く、ノズルから流出する噴流を切るためのパワーが十分ではなく、液流が切断される上で振動パワーは補助的な役割しか果たせなかった。このため、切断後の液滴の体積が一定せず、均一な粒径を有する液滴を製造することができなかった。また、振動発生器を溶湯容器の頂部の上に設ける必要があるため、装置の全体高さが高くなるという欠点を有している。これに対し本発明においては、上述のとおり生成する液滴のサイズを十分に均一にすることができると同時に、振動発生器を溶湯容器の頂部の上に設ける必要がないので、装置の全体高さを低くすることができる。

図１、２に示す本発明の微小粒の製造装置を用い、直径１００μｍのハンダボールの製造を行った。振動装置４として圧電素子を６枚重ねたものを用いた。ノズル１としてステンレス鋼製で円筒形のノズルを用いた。ノズル１内のノズル経路２０の直径は２ｍｍである。振動装置４とノズル１の間に鋼製の連結棒５を連結した。ノズル１とノズル架台２の間のシール部材８としてカーボンを用いた。ノズル１の液体流出口２２はダイヤモンド製であり、液体流出口２２の直径を５５μｍ、液体貯蔵槽３内の液面と液体流出口２２の間のヘッド差を約０．４ＭＰａとし、ノズル振動の振動数を約３．５ｋＨｚとした。

上記本発明の微小粒の製造装置を用いて球径１００μｍ±５μｍの規格のハンダボールを製造した結果、平均球径が９９．７μｍ、最大球径が９９．９μｍ、最小球径が９９．３μｍであり、球径の標準偏差が０．１５μｍ、バラツキがＣｐｋで１０．０５であった。

比較例として、図３に示す微小粒の製造装置を用いて同じくハンダボールを製造した。液体貯蔵槽４１の底部に液体流出口４４を有し、液体貯蔵槽４１の上部に振動装置４２を配置し、振動装置４２から液体貯蔵槽４１中の液体１１に振動棒４３を浸漬している。この振動棒４３を振動装置４２によって振動させることによって、液体流出口４４から流出する液体を切断して液滴である微小粒１２を製造する。振動装置４２として圧電素子を４枚重ねたものを用いた。液体流出口４４の直径を５６μｍ、液体貯蔵槽４１内の液面と液体流出口４４の間のヘッド差を約０．１ＭＰａとし、振動棒４３の振動数を約２．０ｋＨｚとした。

上記比較例の微小粒の製造装置を用いて球径１００μｍ±５μｍの規格のハンダボールを製造した結果、平均球径が１００．９μｍ、最大球径が１０２．０μｍ、最小球径が１００．１μｍであり、球径の標準偏差が０．４９μｍ、バラツキがＣｐｋで２．８１であった。

図３に示す比較例は、振動装置４２を液体貯蔵槽４１の頂部に設置しているため、振動装置４２から液体流出口４４までの高さが５００ｍｍと背の高い装置となった。それに対し、図１、２に示す本発明例は、液体貯蔵槽３の頂部から液体流出口２２までの高さを３００ｍｍに抑えることができ、コンパクトな装置とすることができた。

本発明の微小粒の製造装置の一例を示す断面図である。 本発明の微小粒の製造装置の一例を示す図であり、（ａ）は微小粒を製造する状況を示す全体断面図、（ｂ）はノズル架台を示す部分断面図、（ｃ）はノズルを示す断面図である。 従来の微小粒の製造装置を示す図である。

符号の説明

１ ノズル
２ ノズル架台
３ 液体貯蔵槽
４ 振動装置
５ 連結棒
６ ノズル保持部
７ 摺動面
８ シール部材
１１ 液体
１２ 微小粒
２０ ノズル経路
２１ 液体流入口
２２ 液体流出口
３０ 架台経路
３１ 液体流入口
３２ 液体流出口
４１ 液体貯蔵槽
４２ 振動装置
４３ 振動棒
４４ 液体流出口

Claims (6)

1. 液体を下方に流出させるノズルと、前記ノズルを振動させる振動装置と、前記ノズルを摺動可能に保持するノズル架台と、液体貯蔵槽を有し、前記ノズルは液体流出口につながり液体を流通させるノズル経路を有し、前記ノズル架台は液体貯蔵槽から前記ノズルにつながり液体を流通させる架台経路を有し、前記ノズル経路と架台経路が連通して液体を流通可能であることを特徴とする微小粒の製造装置。
2. 前記ノズルと振動装置を連結する連結棒を有していることを特徴とする請求項１に記載の微小粒の製造装置。
3. 前記ノズル経路の液体流出口と反対側の端部はノズルとノズル架台との摺動面に開口し、前記架台経路はノズル架台内に配設されてノズルとノズル架台との摺動面に開口することを特徴とする請求項１又は２に記載の微小粒の製造装置。
4. 前記液体が溶融金属であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の微小粒の製造装置。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の微小粒の製造装置を用い、前記振動装置によって前記ノズルを振動させつつノズルの液体流出口から液体を流出させることにより、流出した液体を微小粒に分離することを特徴とする微小粒の製造方法。
6. 前記液体が溶融金属であり、分離した微小粒を凝固して微小金属球とすることを特徴とする請求項５に記載の微小粒の製造方法。

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