KR100377851B1

KR100377851B1 - 미소 금속구 제조 방법

Info

Publication number: KR100377851B1
Application number: KR10-2000-7003764A
Authority: KR
Inventors: 니시우치다케시; 요시무라고시; 기쿠이후미아키
Original assignee: 스미토모 도큐슈 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1998-09-30
Publication date: 2003-03-29
Also published as: EP1028180B1; EP1028180A4; JPH11117087A; CN1278874A; DE69841900D1; JP4023526B2; CN1157503C; US6287444B1; KR20010030983A; WO1999019543A1; EP1028180A1

Abstract

본 발명은 외경이 1 mm 이하인 Cu 구 등의 미소 금속구를 효율적으로 제조하는 방법의 제공을 목적으로 하며, 내측 원주부에 설치되는 음극(4)과, 내측 중앙부에 설치되는 양극(6)을 구비하는 수평으로 회전가능한 밀폐된 도금조(3)와 그 외측에 설치되는 방적조(8)로 구성되는 2중 구조 용기의 도금 장치에 있어서, 상기 도금조(3) 내에 직경이 0.3 mm 이하인 금속선을 소요 길이로 절단하여 이를 용융 응고시킨 출발 금속(11)을 장입하여, 수평 방향으로 50∼800 rpm으로 고속 회전시켜서 도금조 내에 충전된 도금액을 원주부 측에서 배출하면서, 상기 도금조(3)를 정회전 및 역회전시키고, 이 정회전 및 역회전을 주기적으로 반복해서, 소요 도금 조건으로 전기 도금함으로써 응집을 일으키지 않고 상기 출발 금속편에 소요 막두께로 양호한 도금막을 얻어 외경이 1 mm 이하인 고정밀도의 미소 금속구를 얻을 수 있다.

Description

미소 금속구 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING VERY SAMLL METAL BALL}

종래에, BGA(Ball Grid Array) 타입의 반도체 패키지의 범프(bump) 심재(芯材)로서 이용되는 미소구는 직경이 0.1 mm 내지 1.0 mm 정도로, 재질로서는 소정 조성의 땜납으로 이루어져 있었으며, 최근에는 이외에도 전기적 특성이나 기계적 특성을 고려하여, 코바르(Kovar)(Ni-Co-Fe 합금), Cu, 42 Ni-Fe 합금 등의 금속구를 심재로 하여 납재를 피복시킨 칩 캐리어(chip carrier)가 제안(일본특개소62-112355호)되어 있다.

상기 미소구의 제조 방법으로서, 용융 금속을 소정 온도의 액체 중에 적하(滴下)시켜서, 용융 금속 자체의 표면장력으로 구형화시켜 그대로 응고시키는 소위 액체 중 적하 방법(일본특개평7-252510호), 금형에 의한 포밍(forming) 등의 소위 기계적 소성 가공 방법(일본특개평4-354808호), 금속 입자 또는 금속편을 비산화성 분위기 속에서 평판 위에 올려 놓고 진동을 가하면서 가열 용융하여, 그 표면 장력으로 구형화시켜 그대로 응고시키는 진동 가열 방법(일본특허공고평2-50961호) 등이 제안되어 있다.

전술한 액체 중 적하 방법이나 기계적 소성 가공 방법에 있어서는, 비교적 직경이 큰 미소구를 얻는 것이 가능하나, 어느 쪽도 작업성이 나빠서 대량 생산에 부적합하며, 특히 액체 중 적하 방법에서는 치수 정밀도의 편차가 크고, BGA 타입의 반도체 패키지용 범프로서 요구되는 치수 정밀도를 갖는 미소구를 확보하기 위해서는, 소요 외경의 금속구를 분급에 의해 분리할 필요가 있고, 수율이 매우 나빠 비용 상승 요인이 되고 있다.

또한, 기계적 소성 가공 방법에 있어서도 구경에 따라서 여러 가지의 금형이 필요하여, 상기한 작업성의 저하와 함께 비용 상승의 요인이 되고 있다.

지그 내에서 가열 용융시켜서 금속구를 얻는 방법에 있어서도, 얻는 금속구의 외경의 편차는 개개의 절단편의 단위 중량의 편차에 기인하고 있어, 예컨대, 땜납과 같이 부드러운 금속의 경우, 동일한 단위 중량을 갖는 금속구를 얻는 것이 곤란하므로, 구경에 편차가 발생되어 액체 중 적하 방법과 마찬가지로 수율이 매우 나쁘다는 문제가 있다.

본 발명은 외경이 1 mm 이하인 Cu 구(球) 등의 미소 금속구를 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것으로, 직경이 0.3 mm 이하인 Cu 등의 금속선을 소요 길이로 절단하고 이것을 용융 응고시킨 출발 금속편에, 수평으로 회전가능한 도금조를 이용하여 이것을 고속으로 정회전 및 역회전을 주기적으로 반복함으로써, 표면에 Cu, 땜납 등의 합금이나 금속을 도금하여 외경이 1 mm 이하인 고정밀도의 미소 금속구를 얻는 미소 금속구 제조 방법에 관한 것이다.

도 1a는 본 발명에 이용되는 수평 회전형 도금 장치의 종단 설명도이고, 도 1b는 도금조 바닥의 상세 부분을 나타내는 주요부의 종단 설명도이다.

도 2는 도금조의 회전을 제어하는 기본 제어 패턴의 일례를 나타내는 설명도이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하여, BGA(Ball Grid Array) 타입의 반도체 패키지용 범프로서 유효한, 생산성이 우수하면서도 치수 정밀도가 높은 미소 금속구, 특히 외경이 1 mm 이하인 미소 금속구를 매우 효율적으로 제조할 수 있는 미소 금속구 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 발명자들은 외경이 1 mm 이하인 Cu 구 등의 미소 금속구를 효율적으로 제조하는 방법을 목적으로 여러 가지 검토한 결과, 직경이 0.3 mm 이하인 Cu 등의 금속선을 소요 길이로 절단하고 이것을 용융 응고시켜 구형화시킨 출발 금속편에, 수평으로 회전가능한 도금조를 이용하여 이 도금조의 고속 정회전 및 역회전을 주기적으로 반복하여, 표면에 Cu 등의 금속이나 땜납 등의 합금을 도금함으로써, 외경이 1 mm 이하인 고정밀도의 미소 금속구를 얻을 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명은, 예컨대 내측 원주부에 설치되는 음극과, 내측 중앙부에 설치되는 양극을 구비하고 수직축을 중심으로 수평으로 회전가능한 도금조로서, 도금조 내에 충전된 도금액이 회전 원주부에서 배출되게 구성된 도금조를 이용하여 미소구를 제조하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은 직경이 0.3 mm 이하인 금속선을 소요 길이, 예컨대, 금속선의 길이(L)와 직경(D)의 비(L/D)가 0.7 내지 1.5로 되도록 절단하는 단계, 이 금속선을 용융 응고시킨 출발 금속편을 얻어 상기 도금조 내에 장입하는 단계, 상기 도금조를 회전수 50 내지 800 rpm으로 소요 방향으로 정회전 및 역회전을 주기적으로 반복하면서, 예컨대, 금속 이온 농도가 1 내지 70 g/ℓ, 전류 밀도가 0.05 내지 10 A/dm²인 도금욕 조건으로, 출발 금속편을 상기 도금조의 내측 원주부의 음극에 전기적으로 접촉시켜 소요 금속 또는 합금의 전기 도금을 행함으로써, 외경이 1 mm 이하인 미소 금속구를 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 방법에서 이용하는 수평 회전형 도금 장치의 구조를 도 1에 도시하고 있다. 도금 장치는 수직축(1)에 지지된 테이블(2) 상에 적재된 원추형의 도금조(3)를 주요 요소로 해서, 도금조(3)가 수직축(1)의 회전에 따라 수평으로 회전하는 것으로, 도금조(3)의 바닥 부분의 원주부에 링형의 캐소드부(음극)(4), 도금조(3)의 중앙부에 애노드부(양극)(6)가 설치되어 있고, 도면에 도시된 바와 같이 도금액은 펌프로 도금액 파이프(7)에서 도금조(3) 내로 충전되는 동시에, 음극(4)의 하부에 설치된 통기성이 좋은 다공질 판으로 이루어지는 다공성 링(5)을 통하여 수평 회전 속도에 따른 유속으로 도금조(3)의 원주부 밖으로 배출되어, 도금조(3)를 덮도록 배치된 방적조(8)의 배출구(9)에서 도금액을 배출하는 구성으로 이루어진다.

도금조(3)의 회전시에는, 도금조(3) 내에 부착된 액면 센서(10)에 의해, 회전수에 따라서 다공성 링(5)에서 유출되는 도금액이 보충되어, 도금 액면이 소정 높이로 유지된다.

본 발명에 의한 도금 방법은 도금조(3)를 특정 회전수로 정회전시키고, 그 후 역회전시키며, 이 정회전과 역회전을 주기적으로 반복하여 행하는 것으로, 미소한 출발 금속편(11)은 도금조(3)의 회전 및 정지시에 발생하는 원심력 및 관성력에 의해서 반복적으로 원주 벽면에 퇴적 및 붕괴되고, 서서히 위치를 바꾸면서 도금되기 때문에 응집이 발생하기 어렵다는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 본 발명에 따른 도금 방법에서는 출발 금속편(11)은 원주 벽면에 반복적으로 퇴적 및 붕괴되지만, 외경이 큰 금속편은 음극에 도달하는 데 충분한 운동 에너지를 얻을 수 없으므로 도금이 행하여지지 않고, 반대로 외경이 작은 금속편은 도금을 통해 얻고자 하는 외경이 될 때까지 도금층을 증대시키는 것이 가능하므로, 결과적으로 출발 금속편(11)은 도금층에 의해서 외경이 균일한 미소 금속구가 된다.

본 발명에 있어서, 출발 금속편(11)을 소정 외경의 미소 금속구가 되게 하기 위해서는, 후술하는 회전수에 의해서도 영향을 받게 되지만, 도금조 바닥(3a)면과 음극(4)의 하부면 사이의 거리(h)를 변화시킴으로써, 임의의 외경의 미소 금속구를 얻을 수 있으며, 또한 다공성 링(5) 또는 이를 대체하는 부도체 스페이서의 두께를 적절하게 선정함으로써 소정 외경의 미소 금속구를 얻을 수 있는데, 이는 설비 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

도금조(3)의 회전을 제어하는 기본 제어 패턴의 일례를 도 2에 나타냈다. 기본적으로는 가속 회전 →정속(고속) 회전→감속 회전→중지의 동작으로 이루어져 있고, 각 파트의 시간 설정은 자유롭게 프로그래밍할 수 있다. 본 발명에 있어서,소정의 고속 회전의 정속 운전시에만 전류를 통하게 해서 도금을 행하는 것으로, 미소 금속구는 회전에 의한 원심력에 의해서 음극과 충분히 접촉되기 때문에, 균일하고 양질인 금속 피막이 생성되어, 양질의 미소 금속구를 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 금속선을 소요 길이로 절단하여 이것을 용융시켜 출발 금속편을 생성하지만, 금속선의 직경이 0.3 mm를 넘으면, 선재(線材)의 절단 길이의 불가피한 편차에 기인하는 출발 금속편의 외경의 편차가 증대하여, 외경이 균일하게 되도록 도금하는 데 보다 많은 시간이 필요하기 때문에 바람직하지 못하므로, 금속선의 직경은 0.3 mm 이하가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 금속선의 길이(L)와 직경(D)의 비(L/D)는, 0.7 미만에서는 선재의 절단이 곤란하고, 1.5를 넘으면 용융에 의해서 구체에 가까운 금속편을 얻기 어려워지기 때문에, L/D는 0.7 내지 1.5가 바람직하다.

본 발명에 있어서, 양극은 일반의 전기 도금과 마찬가지로, 목적으로 하는 금속의 종류 또는 합금 조성에 따라 선택한 금속을 이용하지만, 음극에는 티타늄, 백금 등의 불용성 전극을 원주벽에 링형으로 부착하여 이용할 수 있고, 원하는 미소 금속구의 외경에 따라서 도금조의 바닥면에서 소정 거리로서 설정된 위치에 설치해서 이용한다. 예컨대, 외경이 0.25 mm인 Cu 구를 도금조의 회전수가 500 rpm인 조건으로 제조하는 경우, 도금조 바닥면에서 15 mm 떨어진 위치에 음극 링을 설치하면 된다.

본 발명에서는 Cu, 땜납, 코바르(Fe-Ni-Co 합금) 등, 도금으로 금속 피막을 형성할 수 있는 모든 금속을 미소 금속구의 제조에 이용할 수 있고, 도금액 중의 금속 이온 농도, 음극 전류 밀도는 대상으로 하는 출발 금속편과 도금 금속에 따라서 적절하게 선정하며, 도금욕 조건으로서는 금속 이온 농도가 1 내지 70 g/ℓ, 전류 밀도는 0.05 내지 10 A/dm²가 바람직하다.

예컨대, Cu 구의 제조에 있어서, 도금액 중의 Cu 이온 농도는, 40 g/ℓ 미만에서는 극간 전압이 높아 가스가 발생하고, 70 g/ℓ를 넘으면 불균화 반응(不均化反應)이 발생하여 양질의 도금 피막을 얻을 수 없기 때문에, 40 내지 70 g/ℓ가 바람직하고, 더욱 바람직한 조건은 50 내지 60 g/ℓ이다. 전류 밀도는 1 A/dm²미만에서는 생산성이 나쁘고, 피막 표면이 거칠어져서 양호한 피막을 얻을 수 없고, 10 A/dm²를 넘으면 도금 반응시의 가스 발생이 많아 핀홀의 발생이 염려되기 때문에 1 내지 10 A/dm²가 바람직하며, 3 내지 5 A/dm²가 더욱 바람직하다.

또한, Au 구의 제조에 있어서, 도금액 중의 Au 이온 농도는 1 내지 15 g/ℓ가 바람직하고, 더욱 바람직한 조건은 2 내지 12 g/ℓ이며, 전류 밀도는 0.05 내지 2 A/dm²가 바람직하고, 0.1 내지 1 A/dm²가 더욱 바람직하다.

본 발명에서, 도금조의 회전수에 있어서는, 50 rpm 미만에서는 충분한 원심력를 얻을 수 없어 음극과의 접촉이 충분하지 않기 때문에, 도금 표면의 돌기가 많아지고 거칠어져서 양호한 도금 피막을 얻을 수 없고, 또한 800 rpm을 넘으면 도금액의 비산이 발생해서 안정된 도금이 불가능하기 때문에, 50 내지 800 rpm이 바람직하다.

본 발명에서, 정회전 및 역회전 주기에 있어서는, 3초 미만에서는 전류가 통하는 시간의 비율이 적어 능률적이지 않고, 8초를 넘으면 음극과의 접촉 시간이 길어져서 금속구가 음극부에 일부 피착되기 때문에 정회전 및 역회전 주기는 3 내지 8초가 바람직하고, 전류를 통하는 정속 회전 시간은 2 내지 6초가 바람직하며, 또한, 정회전 시간과 역회전 시간은 동일해도 좋고 달라도 좋다.

본 발명에 있어서, 사용하는 도금액은 금속의 종류에 따라서 적절하게 선정하지만, Cu 도금의 경우에는 황산 구리, 피로인산 구리 등을, 땜납 도금의 경우에는, 알칸올설폰산 주석, 알칸올설폰산 납, 페놀설폰산 주석, 페놀설폰산 납 등을 함유하는 도금액을 사용할 수 있다.

실시예 1

직경(D)이 0.20 mm인 Cu 세선(細線)을 길이(L)가 0.2 mm, 길이(L)와 직경(D)의 비(L/D)가 1이 되도록 절단하고, 이것을 용융시키고 구형화시켜서 15만개의 출발 금속편을 얻고, 외경이 0.25 mm ±0.015 mm인 Cu 구를 얻기 위해서, Cu 도금욕으로서 Cu를 55g/ℓ 포함하는 황산욕을 이용하여, 욕조 온도 30℃에서 전기 도금을 실시했다.

도금 조건은 음극 링으로서 티탄 링을 도금조의 바닥에서 15 mm의 위치에 배치하고, 양극판으로서 인을 함유하는 구리를 이용하여, 도금조의 수평 회전수가 500 rpm, 전류 밀도가 3A/dm², 정회전 및 역회전 주기가 6초인 전기 도금을 9시간 행하고, Cu 출발 금속편 표면에 Cu 도금 층을 피복하였다.

얻어진 금속구의 입도 분포와, 외경을 0.25 mm ± 0.015 mm의 규격으로 한 경우의 수율을 측정하여 표 1에 나타내었다. 또한, 입도 분포는 200개를 샘플링하여 측정한 평균치, 최대치, 및 최소치에서 구했다.

비교예 1

외경이 0.25 mm ± 0.015 mm인 Cu 구를 얻기 위해서, 직경이 0.20 mm인 Cu 세선을 길이가 0.25 mm가 되도록 절단해서, 진동 평판 상에서 가열 용융법에 의해 얻은 금속구의 입도 분포와, 외경을 0.25 mm ± 0.015 mm의 규격으로 한 경우의 수율을 측정하여 표 1에 나타내었다. 입도 분포는 실시예 1과 같은 방법으로 행하였다.

실시예 2

직경(D)이 0.15 mm, Sn/Pb= 1/9인 땜납 세선을 길이(L)가 0.15 mm, 길이(L)와 직경(D)의 비(L/D)가 1이 되도록 절단해서, 이것을 용융시키고 구형화시켜 10만개의 출발 금속편을 얻고, 외경이 0.20 mm ± 0.012 mm인 땜납구를 얻기 위해서, 땜납 도금욕으로서, 주석 2.3 g/ℓ와 납 7.7 g/ℓ를 포함하는 알칸올설폰산, 그리고 반광택제를 포함하는 pH<1인 도금액을 이용하여, 욕조 온도 23℃에서 전기 도금을 행하였다.

도금 조건은 음극 링으로서 티탄 링을 도금조의 바닥에서 18 mm인 위치에 배치하고, 양극판으로서 Sn/Pb=1/9인 땜납을 이용하여, 도금조의 수평 회전수가 600 rpm, 전류 밀도가 0.4 A/dm², 정회전 및 역회전 주기가 5초로 이루어지는 전기 도금을 6시간 행하고, 땜납 출발 금속편의 표면에 땜납 도금층을 피복하였다.

얻어진 금속구의 입도 분포와, 외경을 0.20 mm ± 0.012 mm의 규격으로 한 경우의 수율을 측정하여 표 1에 나타내었다. 입도 분포는 실시예 1과 같은 방법으로 행하였다.

비교예 2

외경이 0.20 mm ± 0.012 mm인 땜납구를 얻기 위해서, 직경이 0.18 mm, Sn/Pb= 1/9인 땜납 세선을 길이가 0.17 mm가 되도록 절단하여, 진동 평판 상에서 가열 용융법에 의해 얻은 금속구의 입도 분포와, 외경을 0.20 mm ± 0.012 mm의 규격으로 한 경우의 수율을 측정하여 표 1에 나타내었다. 입도 분포는 실시예 1과 같은 방법으로 행하였다.

	입도분포	수율
실시예 1	0.253±0.018mm	97%
실시예 2	0.197±0.015mm	95%
비교예 1	0.246±0.035mm	86%
비교예 2	0.205±0.029mm	82%

본 발명은 실시예에 보인 바와 같이, 직경이 0.3 mm 이하인 Cu 등의 금속선을 소요 길이로 절단하고 이를 용융 응고시켜서 구형화시킨 출발 금속편에, 수평으로 회전가능한 도금조를 이용하여 도금조를 고속으로 정회전 및 역회전을 주기적으로 반복해서, 표면에 Cu 등의 금속이나 땜납 등의 합금을 도금함으로써, 미소 금속구가 그 자체에 응집이 생기는 일 없이, 외경이 1 mm 이하인 소요 외경을 갖는 고정밀도의 미소 금속구를 효율적으로 대량 생산할 수 있다.

Claims

내측 원주부에 설치되는 음극과, 내측 중앙부에 설치되는 양극을 구비하는 수평으로 회전 가능한 도금조로서, 도금조 내에 충전된 도금액이 회전 원주부에서 배출되는 구성의 수평 회전 가능한 도금조를 이용하며,

금속 세선을 소요 길이로 절단하고 이것을 용융 응고시켜 얻은 출발 금속편을 상기 도금조 내에 장입하는 단계와,

상기 도금조를 소요 방향으로 정회전 및 역회전을 주기적으로 반복하면서, 출발 금속편을 상기 도금조의 내측 원주부의 음극에 전기적으로 접촉시켜 소요 금속 또는 합금의 전기 도금을 실시하여 외경 1 mm 이하의 미소 금속구를 제공하는 단계를 포함하는 미소 금속구 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속 세선은 직경이 0.3 mm 이하인 것인 미소 금속구 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 도금조는 회전수 50 내지 800 rpm으로 회전되는 것인 미소 금속구 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 금속선의 길이(L)와 직경(D)의 비(L/D)는 0.7 내지 1.5인 것인 미소 금속구 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 도금욕의 조건은 금속 이온 농도가 1 내지 70 g/ℓ, 전류 밀도가 0.05 내지 10 A/dm²인 것인 미소 금속구 제조 방법.