微小金属球の製造方法および装置

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【発明の名称】	微小金属球の製造方法および装置
【発明者】	【氏名】遠藤道雄
【要約】	【課題】所定サイズの微小金属球を精度よく、かつ効率的に製造し得る微小金属球の製造方法および装置を提供する。【解決手段】金属球を形成すべき金属を加熱溶融する加熱手段と、注入された溶融金属Ｍを所定容積に計量する計量手段と、計量手段から放出された溶融金属Ｍを融点以下の温度に冷却する冷却手段と、を備える。計量手段は、溶融金属Ｍが注入される所定容積の計量器６を有し、この計量器６を摺接させることにより溶融金属Ｍが所定容積で摩りきられるように構成されている。溶融金属Ｍを所定容積の計量器６に注入して計量し、計量した溶融金属Ｍを計量器６から放出して融点以下の温度に冷却し、その冷却過程で球状に固化させる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】所定サイズの微小金属球を製造するための方法であって、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ことを特徴とする微小金属球の製造方法。
【請求項２】請求項１に記載の微小金属球の製造方法において、前記計量器から放出された前記溶融金属を融点以下の温度に冷却し、その冷却過程で球状に固化させることを特徴とする微小金属球の製造方法。
【請求項３】所定サイズの微小金属球を製造するための方法であって、金属球を形成すべき金属を加熱溶融して、その溶融金属を計量器に注入する工程と、前記計量器に注入された溶融金属を所定容積で摩りきって計量する工程と、計量した溶融金属を計量器から放出し、その溶融金属を融点以下の温度に冷却して固化させる工程と、を含むことを特徴とする微小金属球の製造方法。
【請求項４】請求項３に記載の微小金属球の製造方法において、前記計量器に注入された溶融金属を該計量器の回転もしくはスライド動作によって所定容積で摩りきって計量することを特徴とする微小金属球の製造方法。
【請求項５】前記計量器内の溶融金属が、その融点以下の温度の流体中に放出されることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の微小金属球の製造方法。
【請求項６】請求項５に記載の微小金属球の製造方法において、前記流体が、オイルまたは不活性ガスであることを特徴とする微小金属球の製造方法。
【請求項７】前記溶融金属に前記計量器に注入する際、前記溶融金属が加圧充填されることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の微小金属球の製造方法。
【請求項８】所定サイズの微小金属球を製造するための装置であって、金属球を形成すべき金属を加熱溶融する加熱手段と、注入された溶融金属を所定容積に計量する計量手段と、前記計量器から放出された前記溶融金属を融点以下の温度に冷却する冷却手段と、を備えたことを特徴とする微小金属球の製造装置。
【請求項９】前記計量手段は、溶融金属が注入される所定容積の計量器を有し、この計量器を摺接させることにより前記溶融金属が所定容積で摩りきられるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載の微小金属球の製造装置。
【請求項１０】前記冷却手段は、オイルまたは不活性ガスでなる流体槽であることを特徴とする請求項８または９に記載の微小金属球の製造装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスあるいはプリント回路基板等の電極にボール状のバンプを形成するために好適に用いられる微小金属球の製造方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】低融点微小金属球を製造する方法としては、アトマイズ法や予め所定体積に整えた金属片を加熱液体に浸漬することで金属球を得る方法がある。また、特開平４－７４８０１号公報に記載の方法では、金属の融点以上の温度に加熱した液体中で微細粒子から溶融金属が押し出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】アトマイズ法では短時間で多量の金属粒を得ることができるが、粒の形を球状に揃えることや目的の大きさに揃えることが困難であり、極めて歩留まりが悪くなる。金属片を加熱液体に投下する方法によれば、ほぼ完全な球形状にすることができる。しかし、投下される金属片の寸法を予め揃えるために圧延等によって極薄にした板にプレス打抜きを行ったり、あるいはダイス等によって細線化してカッタ等を用いて精度よく切断する工程が必要になる。
【０００４】また、特開平４－７４８０１号公報に記載のものでは、垂直管内に天然油等を満たしてその垂直管上部に取り付けたヒータによって金属の融点以上の温度範囲を持つゾーンもしくは領域を設ける。そして、この領域内に微細格子を取り付けた低融点合金供給管を、その微細格子が下に位置するように立設する。低融点合金供給管内に低融点合金の塊を入れて溶融させるとともに、低融点合金供給管の上部から不活性ガスを送り込む。このガスの圧力によって溶融合金は微細格子から押し出されて粒子化し、垂直管の温度勾配を通過することにより球状になるというものである。
【０００５】しかしながら、この公報に記載の方法では格子サイズと加圧力の関係などが不明である。いずれにしても粒の形状は表面張力とそれらの因子との微妙なバランス関係で成り立つものであり、この方法においてはいわゆる混粒を避けることができない。
【０００６】本発明はかかる実情に鑑み、所定サイズの微小金属球を精度よく、かつ効率的に製造し得る微小金属球の製造方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の微小金属球の製造方法は、所定サイズの微小金属球を製造するための方法であって、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ものである。
【０００８】また、本発明の微小金属球の製造方法において、前記計量器から放出された前記溶融金属を融点以下の温度に冷却し、その冷却過程で球状に固化させることを特徴とする。
【０００９】また、本発明の微小金属球の製造方法は、所定サイズの微小金属球を製造するための方法であって、金属球を形成すべき金属を加熱溶融して、その溶融金属を計量器に注入する工程と、前記計量器に注入された溶融金属を所定容積で摩りきって計量する工程と、計量した溶融金属を計量器から放出し、その溶融金属を融点以下の温度に冷却して固化させる工程と、を含む。
【００１０】また、本発明の微小金属球の製造方法において、前記計量器に注入された溶融金属を該計量器の回転もしくはスライド動作によって所定容積で摩りきって計量することを特徴とする。また、本発明の微小金属球の製造方法において、前記計量器内の溶融金属が、その融点以下の温度の流体中に放出されることを特徴とする。また、本発明の微小金属球の製造方法において、前記流体が、オイルまたは不活性ガスであることを特徴とする。
【００１１】また、本発明の微小金属球の製造方法において、前記溶融金属に前記計量器に注入する際、前記溶融金属が加圧充填されることを特徴とする。
【００１２】また、本発明の微小金属球の製造装置は、所定サイズの微小金属球を製造するための装置であって、金属球を形成すべき金属を加熱溶融する加熱手段と、注入された溶融金属を所定容積に計量する計量手段と、前記計量手段から放出された前記溶融金属を融点以下の温度に冷却する冷却手段と、を備える微小金属球の製造装置。
【００１３】また、本発明の微小金属球の製造装置において、前記計量手段は、溶融金属が注入される所定容積の計量器を有し、この計量器を摺接させることにより前記溶融金属が所定容積で摩りきられるように構成されていることを特徴とする。また、本発明の微小金属球の製造装置において、前記冷却手段は、オイルまたは不活性ガスでなる流体槽であることを特徴とする。
【００１４】本発明によれば、金属球を形成すべき金属を加熱手段によって加熱溶融し、この溶融金属を所定容積の計量器に注入し、この計量器を摺接させることにより正確に計量することができる。さらにこの計量した溶融金属を計量器から溶融状態のまま放出し、冷却手段によって融点以下の温度に冷却する。計量後の溶融金属は冷却過程で表面張力により球状に固化し、これにより高い精度で所定サイズおよび形状の微小金属球を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明による微小金属球の製造方法および装置の好適な実施の形態を説明する。ここでまず、本実施形態における微小金属球は、たとえば特に半田により形成される例とする。半導体装置の製造工程において半導体素子の電極部と外部回路等とを接続するために、微小金属球で形成されたバンプを介して両者が接合される。このバンプに好適な微小金属球を対象とし、特にその直径サイズとしては数百μｍ以下のものを得るものとする。
【００１６】図１は、本発明方法に使用する微小金属球の製造装置の概略構成例を示している。図において、１および２は溶融金属Ｍを給放出するための上ブロックおよび下ブロック、３は金属投入部、４は上ブロック１に形成された注入路、５は下ブロック２に形成された溶融金属Ｍの放出口である。
【００１７】この例では上ブロック１および下ブロック２はたとえば円形とし（図２参照）、装置の所定位置に固定されている。上ブロック１および下ブロック２は、好適には半田に濡れない金属、樹脂またはセラミックス等の材料により形成される。あるいはまた、これらの材料で形成したものの表面にテフロン等のコーティングを施してもよく、さらに耐熱性を有し熱変形しないものがよい。
【００１８】注入路４と放出口５は最も簡単な構成例として、図２のように直径方向に対向配置されるものでよい。
【００１９】６は上ブロック１および下ブロック２の間に回転可能に装着された計量器、７は計量器６に設けられた計量部であり、最も簡単な構成例として、図３のように直径方向に対向配置される計量部７ａ，７ｂを有するものでよい。計量部７ａ，７ｂは所定容積となるように精密に形成されている。８は計量器６を回転駆動する支持シャフトである。
【００２０】この例では計量器６は好適には、半田に濡れない金属、樹脂またはセラミックス等の材料により薄円板状に形成される。計量器６はまた、これらの材料で形成したものの表面にテフロン等のコーティングを施してもよく、さらに耐熱性を有し熱変形しないものとする。計量器６の形成材料等については、上ブロック１および下ブロック２と同様であってよいが、必ずしも同一の材料で形成する必要はない。上ブロック１および下ブロック２の間に計量器６を装着する場合、上下に隙間なくぴったりと装着され、かつ回転可能とする。計量部７ａ，７ｂはそれぞれ、注入路４および放出口５に整合し得る位置で計量器６の円板に貫通形成される。
【００２１】ここで、図３に示したように一対の計量部７ａ，７ｂを対向配置するように設ける場合の他、計量器６の円周方向（図示例では円周４分割）および／または半径方向（図示例では３列）について複数列もしくは複数対設けることもできる。このように複数の計量部７を設ける場合、注入路４および放出口５についても計量部７の配置構成に対応するかたちで複数設けるようにする。
【００２２】上ブロック１、下ブロック２およびこれらに付随する部品は、図１のようにユニット化したかたちで、容器（ガラス製等）９内に収容される。容器９の周囲には、金属球を形成すべき金属を加熱溶融する加熱手段としての加熱コイル１０が配置されている。また容器９内は、流体槽として構成される。この例では計量器６から放出された溶融金属Ｍを融点以下の温度に冷却する冷却手段としてのオイル１１が貯留されている。
【００２３】加熱コイル１０は、たとえば高周波コイル等であってよく、金属投入部３から投入された金属を加熱して溶融金属Ｍの状態に維持する。このように容器９内における加熱コイル１０の対応部分は、加熱ゾーンもしくは領域に設定される。また、容器９内における加熱コイル１０から下方に離れた部分は、冷却ゾーンもしくは領域に設定される。このように上下に加熱ゾーンと冷却ゾーンを設けることで容器９内に温度勾配ができる。
【００２４】上記構成において、金属投入部３から投入された金属は、加熱コイル１０によって注入路４内で溶融金属Ｍの状態になっている。図１のように注入路４の真下に位置させた計量部７ａに溶融金属Ｍが注入される。計量部７ａに溶融金属Ｍが充填されると、つぎに支持シャフト８によって計量器６が回転駆動される。このとき計量器６の上下面は、上ブロック１および下ブロック２の表面に摺接し、つまり溶融金属Ｍを計量部７ａの所定容積で摩りきることにより正確に計量することができる。
【００２５】さらにこの計量した溶融金属Ｍが充填された計量部７ａは、反対側に位置する放出口５の真上に移動する。そして計量部７ａ内の溶融金属Ｍは、放出口５から溶融状態（Ｍ1 ）のまま放出される。放出された溶融金属Ｍ1 は、流体槽のオイル１１内を加熱ゾーンから冷却ゾーンへ降下してゆく。この降下中、溶融金属Ｍ1 はオイル１１によって融点以下の温度に冷却され、この冷却過程で表面張力により球状に固化し、これにより高い精度で所定サイズおよび形状の微小金属球Ｂが形成される。
【００２６】上記動作を繰り返すことにより、計量部７ａ，７ｂが交互に溶融金属Ｍを計量して、連続的に微小金属球Ｂを得ることができる。したがって、極めて高い精度でかつ効率的に微小金属球Ｂを製造することができる。
【００２７】つぎに、本発明による微小金属球の製造方法および装置の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と実質的に同一部材には同一符号を用いるものとする。
【００２８】図４は、本発明の第２の実施形態に係る微小金属球の製造装置の概略構成例を示している。図において、１および２は溶融金属Ｍを給放出するための上ブロックおよび下ブロック、３は金属投入部、４は下ブロック２に形成された注入路、５は下ブロック２に形成された溶融金属Ｍの放出口である。この例では注入路４は下ブロック２に形成され、つまり計量器６の下側から溶融金属Ｍを供給するようになっている。
【００２９】上ブロック１には注入路４に対応して、ガス抜き口１２が設けられる。このガス抜き口１２は比較的小径であり、図示のようにくびれておりオリフィス状に形成されている。ガス抜き口１２の上には、余剰の溶融金属Ｍを溜めておくための溜め部１３が連設されている。上ブロック１にはまた、放出口５に対応してガス流路１４が設けられ、このガス流路１４から放出口５に向けて窒素ガス等が噴射されるようになっている。
【００３０】本実施形態において、金属投入部３から投入された金属は、第１の実施形態と同様に加熱コイル１０によって注入路４内で溶融金属Ｍの状態になっている。図４のように注入路４の真上に位置させた計量部７ａに溶融金属Ｍが注入される。計量部７ａに溶融金属Ｍが充填されると、つぎに支持シャフト８によって計量器６が回転駆動される。このとき計量器６の上下面は、上ブロック１および下ブロック２の表面に摺接することにより、溶融金属Ｍを計量部７ａの所定容積で摩りきって正確に計量することができる。
【００３１】さらにこの計量した溶融金属Ｍが充填された計量部７ａは、反対側に位置する放出口５の真上に移動する。そして計量部７ａ内の溶融金属Ｍは、放出口５から溶融状態（Ｍ1 ）のまま放出される。この場合特に第２の実施形態では、ガス流路１４から放出口５に向けて窒素ガス等が噴射される。このガス圧力によって計量部７ａ内の溶融金属Ｍをオイル１１内に打ち込み、これにより計量部７ａ内に溶融金属Ｍが残存しないようにする。したがって、正確な計量を保証することができる。
【００３２】放出された溶融金属Ｍ1 は、流体槽のオイル１１内を加熱ゾーンから冷却ゾーンへ降下してゆく。この降下中、溶融金属Ｍ1 はオイル１１によって融点以下の温度に冷却され、この冷却過程で表面張力により球状に固化し、これにより高い精度で所定サイズおよび形状の微小金属球Ｂが形成される。
【００３３】上記の場合、溶融金属Ｍが放出された計量部７ａはふたたび、注入路４の真上に位置した際に溶融金属Ｍが注入される。この場合計量部７ａ内のガス等の残存物は、ガス抜き口１２を通って完全に除去される。これにより計量のバラツキをなくし、高い精度で均一な計量を行うことができる。また、このガス抜き口１２はオリフィス状に形成されているため、溶融金属Ｍを計量部７ａに加圧充填するかたちで注入することができる。このように加圧充填することで、溶融金属Ｍを計量部７ａ内にまんべんなく注入することができ、この点でも高い計量精度を確保することができる。
【００３４】ここで、本発明の変形例を説明する。図５は、この変形例の要部構成を示している。この例では、固定の上ブロック１５および下ブロック１６の間にスライド可能（両矢印参照）に装着された計量器１７を有する。計量器１７には計量部１８が設けられている。この計量部１８はたとえば、計量器１７のスライドに従って上ブロック１５の注入路１９と下ブロック１６の放出口２０との間を所定のタイミングで往復動するようになっている。
【００３５】図５のように注入路１９の真下に位置させた計量部１８に溶融金属Ｍが注入される。計量部１８に溶融金属Ｍが充填されると、つぎに計量器１７は点線で示すようにスライド駆動される。このとき計量器１７の上下面は、上ブロック１５および下ブロック１６の表面に摺接し、つまり溶融金属Ｍを計量部１８の所定容積で摩りきることにより正確に計量することができる。
【００３６】計量された溶融金属Ｍは、放出口５から溶融状態のまま放出される。そして、たとえば前述の実施形態と同様に加熱ゾーンから冷却ゾーンへ降下してゆく、その降下中、融点以下の温度に冷却される。この冷却過程で表面張力により球状に固化し、この場合にもこれにより高い精度で所定サイズおよび形状の微小金属球を得ることができる。
【００３７】この例においても、図４に示した第２の実施形態の場合と同様に、注入路１９を下ブロック１６に設けることができる。その場合上ブロック１５にガス抜き口を設け、これにより前記と同様な作用効果を得ることができる。
【００３８】なお、上記実施形態において溶融金属Ｍに対する冷却手段として、オイル１１でなる流体槽の例を説明したが、この他にたとえばアルゴン、窒素もしくはヘリウム等の不活性ガスでなる流体槽とすることもできる。また、本発明装置は、これらの流体槽に限らず真空雰囲気中で使用することが可能である。
【００３９】
【実施例】（第１の実施例）つぎに、本発明の実施例を示す。この実施例は、直径３００μｍの金属球を製造する例であり、第１の実施形態あるいは第２の実施形態に対応する。オイル１１として植物油を満たした円筒管の容器９の上部を加熱コイル１０によって２２０～２７０℃に加熱する。この加熱ゾーンに直径１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの金属円板でなる計量器６が配置される。計量器６には、直径１２０ｍｍの円周上に１０ｍｍピッチ間隔で設けた直径０．１４ｍｍの貫通孔でなる計量部７が設けられる。上ブロック１および下ブロック２の間に計量器６を装着し、計量部７に対して注入路４および放出口５を介して溶融金属Ｍを給放出する。
【００４０】
【表１】

【００４１】表１は、第１の実施例における金属球の製造結果を示している。表１から明らかなように、いずれの金属組成の合金の場合においても目的とする球径の金属球を高い収率で製造することができた。この例が示すように本発明によれば、高い製造効率が得られる。ちなみに、従来のアトマイズ法の収率は高々１０～３０％程度である。
【００４２】（第２の実施例）第２の実施例は、直径３００μｍの金属球を製造する例であり、第１の実施形態あるいは第２の実施形態に対応する。円筒管の容器９は、その下部からヘリウムガスを流入させた流体槽として構成され、容器９の上部を加熱コイル１０によって３６０～４５０℃に加熱する。この加熱ゾーンに直径１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍの金属円板でなる計量器６が配置される。計量器６には、直径１２０ｍｍの円周上に１０ｍｍピッチ間隔で設けた直径０．１４ｍｍの貫通孔でなる計量部７が設けられる。上ブロック１および下ブロック２の間に計量器６を装着し、計量部７に対して注入路４および放出口５を介して溶融金属Ｍを給放出する。
【００４３】
【表２】

【００４４】表２は、第２の実施例における金属球の製造結果を示している。表２から明らかなように、いずれの金属組成の合金の場合においても目的とする球径の金属球を高い収率で製造することができた。
【００４５】上記実施形態において、金属球を製造する場合に本発明を適用した例を説明したが、本発明は金属球に限らずガラスやプラスチック等の微小球を製造する場合にも同様に適用可能であり、いずれの場合にも高い精度で効率よく微小球を製造することができる。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、この種の微小金属球を精度よく、かつ効率的に製造することができる。従来では金属球の径を均一に揃えるための制御性と製造の量産性とを両立することはできなかったが、高い寸法精度で効率よく量産することができる。このように目的とする球径の金属球を効率的に得ることができるため、生産性を格段に向上させることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６６５５【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
【出願日】	平成１０年１０月３０日（１９９８．１０．３０）
【代理人】	【識別番号】１０００９０２７３【弁理士】【氏名又は名称】國分孝悦
【公開番号】	特開２０００－１４４２１５（Ｐ２０００－１４４２１５Ａ）
【公開日】	平成１２年５月２６日（２０００．５．２６）
【出願番号】	特願平１０－３１０４５１