| 【発明の名称】 |
ＢＧＡ用半田ボールの製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】松 永 純 一
【氏名】水 口 高 司
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| 【要約】 |
【課題】所定の微小粒径を持ち且つ所定の真球度を持つＢＧＡ用半田ボールを製造する方法を提供すること。
【解決手段】滴下ノズルを有する収容容器内に収容されたＢＧＡ用半田ボール組成の溶融金属に振動を与えながら該滴下ノズルから溶融金属を滴下させて溶融金属滴を形成させること、該溶融金属滴を冷媒液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造すること、この際に該冷媒として潤滑油を用い、該ノズルから該冷媒液面までの距離を３００ｍｍ以下にして実施すること、このようにして製造した球状金属粒子を洗浄すること、該洗浄した球状金属粒子から所定粒径の球状金属粒子を分級採取すること、該分級採取した球状金属粒子から所定真球度の球状金属粒子を選別採取する、ＢＧＡ用半田ボールの製造方法。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】滴下ノズルを有する収容容器内に収容されたＢＧＡ用半田ボール組成の溶融金属に振動を与えながら該滴下ノズルから溶融金属を滴下させて溶融金属滴を形成させること、該溶融金属滴を冷媒液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造すること、この際に該冷媒として潤滑油を用い、該ノズルから該冷媒液面までの距離を３００ｍｍ以下にして実施すること、このようにして製造した球状金属粒子を洗浄すること、該洗浄した球状金属粒子から所定粒径の球状金属粒子を分級採取すること、該分級採取した球状金属粒子から所定真球度の球状金属粒子を選別採取することを特徴とするＢＧＡ用半田ボールの製造方法。
【請求項２】ノズルの径および振動周波数を調整することによって所定粒径のＢＧＡ用半田ボールを製造することを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】潤滑油を温度３０〜１２０℃で用いることを特徴とする請求項１又は２記載の製造方法。
【請求項４】所定真球度が１．０５以下であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）用半田ボールの製造方法に関し、より詳しくは、所定の粒径を持ち且つ所定の真球度を持つＢＧＡ用半田ボールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近時において、情報、通信機器の高性能化、小型化に伴い、基板実装分野において更なる高密度実装の要求、従って、多ピン化、狭いピッチ化の要求が高まってきている。中でも、半田ボールを用いて形成されるＢＧＡは、搭載する半導体とそれを実装する配線板との接続点を一層高密度にできるので、大いに注目されている半導体パッケージである。半導体パッケージの一層の高密度実装化が進むにつれて、狭いピッチ化の要求を満足するために、このＢＧＡ用半田ボールに求められる粒径は０．７５ｍｍレベルから０．５ｍｍ、０．４ｍｍ、０．３ｍｍのレベルに、更にはそれ以下の粒径にシフトしようとしており、且つ一定の粒径で所定の真球度のＢＧＡ用半田ボールが求められている。
【０００３】このような状況下において、ＢＧＡ用半田ボールの製造方法も従来法に比べてかなり改善が進んでいる。球状金属粒子の製造方法としては線材を切断して製造する方法もあるが、この方法は粒径の小さい球状金属粒子の製造には適していない。
【０００４】粒径の小さい球状金属粒子を製造するための一般的な従来法としては、例えば特許第２６７４０５３号公報に開示されているような、容器に収容されている溶融金属をノズルを通して一定の流速で、液滴として滴下し、冷却室内に導入し、表面張力を利用して球形化させる方法等が挙げられるが、そのような製造方法で得られる球状金属粒子は粒度のばらつきが大きかったり、真球度が不十分であったりしていた。
【０００５】上記のような欠点を解決するために、上記のような製造方法において、その収容されている溶融金属自体や溶融金属の液滴等に直接的ないし間接的に振動を与えて、球状金属粒子の整形を改善しようとする提案や、例えば米国特許第５２６６０９８号明細書に開示されているような、滴下孔直下で溶融金属の液滴又は金属粒子に電荷を与え、各金属粒子間に反発力を生じさせて球状金属粒子の整形を改善しようとする提案もなされているが、それらの製造方法を用いても、異形粒子（例えば、２個の粒子が固着した凝集粒子）が夾雑する等、未だ満足のゆくＢＧＡ用半田ボールは得られていない。
【０００６】また、上記のような製造方法において、気体雰囲気中での冷却では、金属粒子の冷却が遅いため冷却チャンバーをかなり大きくする必要があり、設備コストがかかる。また、冷媒として液体を用いることもできるが、この場合には、液体冷媒が金属粒子に悪影響を及ぼさず、且つ金属粒子の表面に付着したその液体冷媒を後工程で十分に除去できることが必要である。しかしながら、金属粒子に悪影響を及ぼさず且つ後工程で容易に除去できる冷媒の種類や、適切で具体的な除去条件を示した技術は未だ提案されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のような従来技術における欠点を解消するものであり、即ち、粒度のばらつきが少なく、異形粒子の発生が少なく、しかも真球度が充分に高い球状金属粒子を、後工程で容易に除去できる冷媒を用いて、比較的安価でコンパクトな設備で、容易な操業で製造し、更に、洗浄、分級、選別の各工程を実施することにより、所定の微小粒径を持ち且つ所定の真球度を持つＢＧＡ用半田ボールを製造する方法を提供することを課題としている。ＢＧＡ用半田ボールにおいては、狭いピッチ化の要求を満足するためには、粒径が揃っていると共に真球度にも優れていることが非常に重要である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題を達成するために鋭意試験研究を重ねた結果、滴下ノズルを有する収容容器内の溶融金属に振動を与えながら、該滴下ノズルから溶融金属を滴下させて溶融金属滴を形成させ、該溶融金属滴を冷媒液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造する方法を採用し、この際に特定の冷媒を用い、また該滴下ノズルから該冷媒液面までの距離を特定の範囲の長さにして実施することにより、粒度のばらつきが少なく、異形粒子の発生が極めて少なく、しかも真球度が充分に高い球状金属粒子が得られることを見出し、更にこの球状金属粒子を洗浄し、該洗浄した球状金属粒子を粒径に基づいて分級し、該分級した球状金属粒子を真球度に基づいて選別することにより、所定の真球度を持ち且つ所定の粒径を持ったＢＧＡ用半田ボールが得られることを見出し、本発明を完成した。
【０００９】即ち、本発明のＢＧＡ用半田ボールの製造方法は、滴下ノズルを有する収容容器内に収容されたＢＧＡ用半田ボール組成の溶融金属に振動を与えながら該滴下ノズルから溶融金属を滴下させて溶融金属滴を形成させること、該溶融金属滴を冷媒液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造すること、この際に該冷媒として潤滑油を用い、該ノズルから該冷媒液面までの距離を３００ｍｍ以下にして実施すること、このようにして製造した球状金属粒子を洗浄すること、該洗浄した球状金属粒子から所定粒径の球状金属粒子を分級採取すること、該分級採取した球状金属粒子から所定真球度の球状金属粒子を選別採取することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】尚、本明細書で言及する真球度とは、ＢＧＡ用半田ボールの大きさに応じて、拡大写真、顕微鏡写真、ＳＥＭ写真等の中のランダムに選びだした１００個の半田ボールの各々の形状を画像処理装置で解析して最大径及び最小径を測定し、下記計算式より求めた値を平均したものである。
真球度＝半田ボールの最大径／半田ボールの最小径【００１１】ＢＧＡ用半田ボールの製造方法において、滴下ノズルを有する収容容器内の溶融金属に振動を与え、該ノズルから溶融金属を滴下させて溶融金属滴を形成させること、溶融金属滴を冷媒液面に滴下させ、該冷媒により冷却して球状金属粒子を製造することは知られており、本発明においてはそれらの技術をそのまま利用することができる。
【００１２】ＢＧＡ用半田ボールの製造方法において、冷媒として水等を用いると球状金属粒子の酸化が懸念され、またシリコンオイルを用いると後処理で除去・分離するのに難渋するが、本発明の製造方法においては冷媒として潤滑油を用いるのでこのような心配はない。本発明の製造方法で用いるこの潤滑油は石油系潤滑油、合成潤滑油等の何れでもよく、エンジンオイル、機械潤滑油等を使用することが好ましい。
【００１３】ＢＧＡ用半田ボールを製造する際の冷媒として潤滑油を用いる場合と潤滑油以外の冷媒、例えば食用油や水を用いる場合とでは得られるＢＧＡ用半田ボールの形状特性に顕著な差異が生じるが、その理由は現時点では不明である。何れにしろ、冷媒として潤滑油を用いることにより顕著な効果が得られるので、本発明においては冷媒を潤滑油に限定する。
【００１４】また本発明の製造方法においては、冷媒として用いる潤滑油の温度を３０〜１２０℃に維持して用いることが好ましい。冷媒の温度が３０℃未満の場合には、冷媒の冷却作用が強いことに起因して生成球状金属粒子の真球度が低下して球状金属粒子の真球度にばらつきが生じる傾向が見られる。また、１２０℃を超えると冷媒の冷却能力が落ちるのみならず加熱・保温のためにコストがかかるので不経済である。
【００１５】本発明の製造方法においては、ノズルから冷媒液面までの距離を３００ｍｍ以下にして実施することが重要である。収容容器からノズルを経由して滴下される溶融金属は溶融金属に与えられている振動により分断されて溶融金属滴となり、冷媒液面に滴下されるが、ノズルから冷媒液面までの距離が３００ｍｍを越えるほど長いと、重力加速度により冷媒液面への突入速度が上昇し、溶融金属滴が冷媒液に突入する際に受ける衝撃に起因して、金属粒子の形状が楕円形に歪む傾向があり、更に冷媒を収容する冷却装置自体が大きくなるという欠点が生じる。
【００１６】以上に説明した球状金属粒子の製造工程をノズルの径および振動周波数を調整して実施することにより、所定粒径の球状金属粒子を粒度のばらつきが少なく、異形粒子の発生が少なく、しかも充分に高い真球度で、後工程で容易に除去できる冷媒を用いて、比較的安価でコンパクトな設備で、容易な操業で製造することができる。しかしながら、このようにして得られた球状金属粒子を有用なＢＧＡ用半田ボールとするためには、その表面に付着している潤滑油を除去するために洗浄し、また粒径を揃え、異形粒子を取り除くために分級し、更に所定の真球度を有する球状金属粒子を採取するために選別する必要がある。
【００１７】球状金属粒子の洗浄工程においては、その表面に付着している冷媒、即ち、潤滑油を除去できる限りは、任意の溶剤、洗浄方法を採用することができる。例えば、炭化水素系溶剤、アルコール系溶剤等を用い、減圧超音波浸漬洗浄し、減圧蒸気洗浄し、次いで真空乾燥して潤滑油を完全に除去することができる。
【００１８】上記したように、ノズルの径および振動周波数を調整することによって、平均値として所望粒径の球状金属粒子を得ることができるが、幾分かは粒度のばらつきがあり、幾分かは異形粒子の発生がある。ＢＧＡの製造過程において、ＢＧＡ用半田ボールをＢＧＡ基板に配列し、その上に半導体を搭載する際に、そのバンプ接点の高さのばらつきをへらし、接合部の信頼性を担保するため、異形粒子の排除、粒径精度が要求される。球状金属粒子の分級工程は、高い粒径精度が要求されるＢＧＡ用半田ボールの製造過程において非常に重要な工程である。
【００１９】分級は、例えば市販の試験用電成篩（ＪＩＳ Ｚ ８８００）を用いて手篩いで行うことができる。この際、所望の粒径のＢＧＡ用半田ボールの許容される所望の粒径精度を考慮し且つ歩留りを考慮すると、所望の粒径よりも僅かに広い目開きの電成篩と、所望の粒径よりも僅かに狭い目開きの電成篩の２枚の電成篩であって、その僅かに広い目開きと僅かに狭い見開きとの差が所望の粒径に対して好ましくは５％程度以内、より好ましくは３％以内である２枚の電成篩を使用する。歩留りを無視して粒径精度を高める場合には、その僅かに広い目開きと僅かに狭い見開きとの差を所望の粒径に対して１％以内にすることも可能である。
【００２０】例えば、第１表に示す所望の粒径の球状金属粒子を得るために、ノズルの径および振動周波数を調整することによって、平均値として第１表に示す所望の粒径の球状金属粒子を製造し、これらをそれぞれ第１表に示す目開きの２枚の電成篩を用いて分級採取することができる。
【００２１】
【００２２】上記の所望の粒径よりも僅かに広い目開きの電成篩を通過するが、所望の粒径よりも僅かに狭い目開きの電成篩上に残る所望の粒径及び所望の粒径精度を持った球状金属粒子を分級採取することができる。上記の所望の粒径よりも僅かに広い目開きの電成篩上に残る球状金属粒子、及び上記の所望の粒径よりも僅かに狭い目開きの電成篩を通過する球状金属粒子は回収、再利用される。
【００２３】上記のようにして分級採取した球状金属粒子中には、球状金属粒子の最小径が上記の所望の粒径よりも僅かに広い目開きよりも小さいが、球状金属粒子の最大径が上記の所望の粒径よりも僅かに広い目開きよりも大きいものも含まれている。従って、同様に、ＢＧＡの製造過程において、ＢＧＡ用半田ボールをＢＧＡ基板に配列し、その上に半導体を搭載する際に、そのバンプ接点の高さのばらつきをへらし、接合部の信頼性を担保するために、ＢＧＡ用半田ボールに高い真球度が要求される。許容される粒径精度と同様の理由で、好ましくは１．０５以下の真球度、より好ましくは１．０３以下の真球度が要求される。
【００２４】上記のような真球度の球状金属粒子を選別採取する方法として、種々の方法を採用することができる。例えば、上記した所望の粒径よりも僅かに広い目開きの電成篩２枚（又は上記した所望の粒径よりも僅かに広い目開きの上側電成篩と上記した所望の粒径よりも僅かに広い幅のスリットを有する下側電成篩と）を、それらの目開き位置が篩面に垂直方向で全く重ならないようにし且つそれらの２枚の電成篩の間隔が上記した所望の粒径よりも僅かに広い目開きの幅と同じになるように重ねて固定して篩組立体を作成する。
【００２５】その篩組立体の上に球状金属粒子を載せて軽く数回振ることにより、球状金属粒子の最大径が上記の所望の粒径よりも僅かに広い目開きよりも小さいものはその篩組立体を通過するが、球状金属粒子の最大径が上記の所望の粒径よりも僅かに広い目開きよりも大きいものはその篩組立体の面上に止まるか又は目の中に止まり、選別されることになる。この方法においては、すぐに目詰まりが生じるので数回振った後、篩組立体を上下反対にして振動を与え、目詰まりした球状金属粒子を取り除き、選別操作を繰り返す。
【００２６】なお、本発明で用いるＢＧＡ用半田ボール組成の原料金属としては、例えば、Ｓｎ及びＰｂからなる合金、例えばＳｎ６２〜６４％及びＰｂ３６〜３８％からなる合金や、Ｓｎ８９〜９１％及びＰｂ９〜１１％からなる合金、Ｓｎ、Ｐｂ及びＡｇからなる合金、例えばＳｎ６１〜６３％、Ｐｂ３５〜３７％、Ａｇ１〜３％からなる合金、Ｓｎ，Ａｇ、Ｉｎ及びＢｉからなる合金、例えばＳｎ９２〜９４％、Ａｇ３〜４％、Ｉｎ２．５〜３．５％、Ｂｉ０．３〜１％からなる合金、Ｓｎ、Ｐｂ及びＳｂからなる合金、例えばＳｎ６１〜６４％、Ｐｂ３６〜３８％、Ｓｂ０．２〜０．５％からなる合金等が挙げられる。
【００２７】
【実施例】以下に、本発明を実施例及び比較例に基づいて説明する。
実施例１〜２及び比較例１〜４純度９９．９％のＳｎインゴット及び純度９９．９９％のＰｂインゴットを用いて調製したＳｎ６３％及びＰｂ３７％からなる溶融金属を収容容器中に入れ、該収容容器の外部に設けれたヒータによって加熱して該溶融金属を所定の温度に保った。該収容容器中にステンレスシャフトを設置し、該ステンレスシャフトを該収容容器の上部に設置した振動発生装置に接続し、該ステンレスシャフトを振動させることによって該収容容器内の溶融金属に第２表に示す周波数の振動を与えた。
【００２８】該収容容器の底部に設けられた、第２表に示すノズル径を有するノズルから該溶融金属を滴下させると、該溶融金属に振動が与えられているので、溶融金属滴が形成された。該溶融金属滴を第２表に示す種類の冷媒の液面に滴下させると、該溶融金属滴は該冷媒内に突入し、直ちに冷却固化されて球状金属粒子とり、底部に堆積した。この際の該ノズルから該冷媒液面までの距離、即ち溶融金属滴の飛距離を第２表に示す値になるように調整し、また該冷媒の温度を外部ジャケットによって６０℃に維持した。
【００２９】この生成した球状金属粒子を回収し、メッシュスクリーンで濾過した後、ジャパンフィールド株式会社製のＵＦＶ−２Ａ自動洗浄機で溶剤としてアルコールを用いて減圧超音波浸漬洗浄し、減圧蒸気洗浄し、次いで真空乾燥して潤滑油を完全に除去し、乾燥した。上記のようにして得た球状金属粒子を篩分級した結果、平均粒径、真球度及び異形粒割合は第３表及び第４表に示す通りであった。
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】第３表及び第４表に示す結果からも明らかなように、本発明に従って、冷媒として潤滑油を用い、かつ、ノズルから冷媒液面までの距離を３００ｍｍ以下とした場合に、粒度分布が狭く、真球度が１．０５以下で、かつ、異形粒子の割合が少ない球状金属粒子が得られるが、ＢＧＡ用半田ボールとして必ずしも満足できるものではない。
【００３４】実施例１に係わる球状金属粒子を目開きが７７０μｍの電成篩で分級して篩下を回収し、 この篩下を目開きが７５０μｍの電成篩で分級して篩上を回収した。その篩上を、目開きが７７０μｍの電成篩２枚をそれらの目開き位置が篩面に垂直方向で全く重ならないようにし且つそれらの２枚の電成篩の間隔が７７０μｍになるように重ねて固定した篩組立体で選別した。このようにして得られたＢＧＡ用半田ボールは異形粒を含まず、その平均粒子径は７６０μｍであり、真球度は１．０２１であった。
【００３５】実施例２に係わる球状金属粒子を目開きが３０５μｍの電成篩で分級して篩下を回収し、 この篩下を目開きが２９５μｍの電成篩で分級して篩上を回収した。その篩上を、目開きが３０５μｍの電成篩２枚をそれらの目開き位置が篩面に垂直方向で全く重ならないようにし且つそれらの２枚の電成篩の間隔が３０５μｍになるように重ねて固定した篩組立体で選別した。このようにして得られたＢＧＡ用半田ボールは異形粒を含まず、その平均粒子径は３００μｍであり、真球度は１．０２５であった。
【００３６】
【発明の効果】本発明の製造方法によれば、比較的安価でコンパクトな設備で、容易に操業できる製造方法によって、所定の粒径を持ち且つ所定の真球度を持つＢＧＡ用半田ボールを容易に製造することができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６１８３
【氏名又は名称】三井金属鉱業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月３０日（１９９８．１０．３０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８０１５９
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 望稔 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１４４２１６（Ｐ２０００−１４４２１６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年５月２６日（２０００．５．２６） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−３１１０７０ |
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