(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オイルで満たされた縦長のカラムと、該オイルに先端部が浸漬した状態ではんだボールの原料となる溶融合金を真下に向けて吐出するノズルと、該カラムの上側のオイルを加熱するヒーターとからなるはんだボールの製造装置であって、開放した両端部を有する筒状部材がその中心軸を上下方向に向けて前記先端部の直ぐ真下で且つ前記ヒーターの内側に設けられていることを特徴とするはんだボールの製造装置。
【請求項２】
縦長のカラム内の加熱されたオイルの中でノズルの先端部からはんだボールの原料となる溶融合金を真下に向けて吐出することではんだボールを製造する方法であって、開放した両端部を有する筒状部材をその中心軸を上下方向に向けて前記先端部の直ぐ真下で且つ前記ヒーターの内側に設けることによって、該先端部から糸状に吐出される溶融合金が分断して球状化しながら落下する際の該溶融合金の周囲のオイルも溶融合金と一緒に真下に向けて流動させることを特徴とするはんだボールの製造方法。
【請求項３】
前記溶融合金がＡｕを主成分とする合金であることを特徴とする、請求項２に記載のはんだボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶振動子などの気密性を有するセラミック製電子部品の封止用、または半導体デバイスの接合用のはんだボールの製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器やＯＡ機器などの電子機器には、水晶振動子、水晶発振器、ＳＡＷフィルターなどの電子部品が使用されている。これら電子部品はその構造上高気密性を確保する必要があり、高い信頼性も求められている。そのため、比較的信頼性の高いＡｕ系のはんだボールがこれら電子部品のパッケージ接合や封止に用いられている。また、電子部品のパッケージ接合や封止用のはんだボールには信頼性や気密性を維持するために多くの制約が課されている。例えばボール径に関しては、ばらつきが小さいことが求められている。その理由は、ボール径にバラつきが大きいと封止に用いたハンダの量が局所的に異なるため、デバイスの気密性に個体差が生じやすくなるからである。
【０００３】
ＬＳＩなどの半導体デバイスで採用されているボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）にも接続材料としてはんだボールが用いられているが、近年の電子部品や半導体パッケージの小型化や微細化に伴い、使用されるはんだボールのボール径も微細化し且つ規格公差が狭く規定される傾向にある。この様な真球に近いはんだボールの製造方法としては油中アトマイズ法が多く用いられているが、上記したようにボール径が微細化し且つその規格公差が狭くなると、収率が低下する傾向にあった。そこで、収率を向上させるために種々の改善案が提案されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、オイルで満たされたカラムと、該カラム内のオイル中で糸状にはんだ溶融合金を吐出するノズルとから基本的に構成される油中アトマイズ装置において、該ノズルから吐出した糸状はんだ溶融合金が分断する領域のオイルに適度な温度勾配を生じさせる技術が開示されている。これにより糸状はんだ溶融合金の分断が安定化し、ボール径のバラツキを抑えることができると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２９００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、油中アトマイズ装置は、糸状はんだ溶融合金を分断させて球状化させるカラムの上側と、球状化した溶融合金を固化させるカラムの下側とでオイルに温度差をつけるため、カラム内でオイルの対流が生じ、これによりノズルから吐出された糸状はんだ溶融合金の分断が影響を受けてボール径にバラツキを生じることがあった。本発明は上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、ノズルから糸状に吐出されるはんだ溶融合金の分断がカラム内で生じるオイルの対流の影響を受けにくいはんだボールの製造装置および製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明が提供するはんだボールの製造装置は、オイルで満たされた縦長のカラムと、該オイルに先端部が浸漬した状態ではんだボールの原料となる溶融合金を真下に向けて吐出するノズルと、該カラムの上側のオイルを加熱するヒーターとからなるはんだボールの製造装置であって、開放した両端部を有する筒状部材がその中心軸を上下方向に向けて前記先端部の直ぐ真下で且つ前記ヒーターの内側に設けられていることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明に係るはんだボールの製造方法は、縦長のカラム内の加熱されたオイルの中でノズルの先端部からはんだボールの原料となる溶融合金を真下に向けて吐出することではんだボールを製造する方法であって、開放した両端部を有する筒状部材をその中心軸を上下方向に向けて前記先端部の直ぐ真下で且つ前記ヒーターの内側に設けることによって、該先端部から糸状に吐出される溶融合金が分断して球状化しながら落下する際の該溶融合金の周囲のオイルも溶融合金と一緒に真下に向けて流動させることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、カラム内に満たされたオイルの中でノズル先端部から糸状に吐出される溶融合金の分断および球状化がオイルの対流で乱されにくくなるので、ボール径のバラツキが少なく且つ極めて真球に近い高品質のはんだボールを高い収率で作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のはんだボールの製造装置の一具体例を模式的に示す縦断面図である。
【図２】実施例のはんだボール製造装置のオイルの中を球状のはんだ溶融合金が落下している様子を模式的に示した縦断面図である。
【図３】比較例のはんだボール製造装置のオイルの中を球状のはんだ溶融合金が落下している様子を模式的に示した縦断面図である。
【図４】球状のはんだ溶融合金がはんだボール製造装置のオイルの中を自然落下している様子を撮影した写真であり、（ａ）が実施例の製造装置を使用した場合（ｂ）が比較例の製造装置を使用した場合である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明者は、オイルで満たされた縦長のカラムと、該オイルに先端部が浸漬した状態ではんだボールの原料となる溶融状態の金属を吐出するノズルと、該カラムの上側のオイルを加熱するヒーターとからなるはんだボールの製造装置において、当該ノズルから真下に向けて吐出される糸状はんだ溶融合金が、その先端側から順次分断して表面張力により球状化するプロセスに注目した。このプロセスでボール径にバラツキのない高品質のはんだボールを生成するための理想的な状態とは、次々に分断して球状化されるはんだボール群が、鉛直方向に略均等な間隔をあけて一列に並んで整然と自然落下している状態であり、そのためには糸状はんだ溶融合金の分断と球状化が安定的に繰り返されることが必要である。
【００１２】
そこで、従来の油中アトマイズ装置に対して、実際にノズルから糸状に吐出するはんだ溶融合金が分断および球状化しながら落下する様子をハイスピードカメラ（ｎａｃ  ｆｘ６０００）を用いて注意深く観察した。その結果、糸状はんだ溶融合金が分断する位置が上下して球状化する分断片の長さが不規則に短くなったり長くなったりする現象や、球状化されたボール群が上下左右に方向性無く散乱する現象や、球状化したボールの直径が極端に小さくなったり大きくなったりする現象や、隣接するボール同士が接合する現象が生じていることが分かった。
【００１３】
油中アトマイズ法では、オイルの温度が２０〜３０℃程度の常温ではノズルから吐出された糸状はんだ溶融合金が分断される前に凝固してしまう。ノズルから溶融合金が安定的に吐出し、一定量吐出後に溶融合金を分断し粒径にバラツキのない真球状のはんだボールを形成するため、カラムの上側のオイルはヒーターではんだの融点以上の温度に加熱保持されている。そのため、カラムの上側ではヒーターで温められたオイルの上昇により熱対流が発生し、その結果上記したボール群の乱れ等が生じているものと考えられる。
【００１４】
一方、カラムの下側のオイルは球状化したはんだボールが良好に固化できるようにはんだの融点よりも低く保持されているため、上記したカラムの上側のような熱対流は発生しにくいが、はんだボールの落下と一緒にオイルもカラム中心部を下方に向かって流れるので、このカラム中心部を下方に向かって流れるオイルがカラム下端部で折り返し、カラムの内壁部付近を上昇する流れを生ずると考えらえる。そして、カラムの上側で上記の熱対流と合流して更に上昇し、液面近傍でカラムの中央部方向と外周部方向に流れが別れ、外周部方向に向かった流れはカラム内壁に沿って下降してカラム上部の縮径部で外周部から中心部に向かう流れを生じさせると考えられる。このように、カラム内ではノズルの先端部から吐出される糸状はんだ溶融合金に向かう様々なオイルの流れが生じて乱流を発生させていると考えられるため、上記した様々な現象が生じてボール形状が安定しないものと考えられる。
【００１５】
かかるオイルの対流による悪影響を抑えるため、本発明の一具体例のはんだボールの製造装置では、縦長のカラム内に満たされたオイルに先端部を浸漬させた状態で溶融合金を吐出するノズルの先端部の真下に、両端部が開放された好適には円筒形状の筒状部材（整流筒とも称する）をその中心軸を上下方向に向けて設けている。これにより、ノズルから糸状に吐出されたはんだ溶融合金は、筒状部材の内側で分断および球状化しながら自然落下することができ、オイルの対流による外周部からの悪影響を筒状部材の外壁部での遮断により受けにくくすることができ、ボール径のバラツキが抑えられた高品質のはんだボールを作製することが可能になる。
【００１６】
図１を参照しながらより具体的に説明すると、本発明の一具体例のはんだボール製造装置は、上部に位置する大径部、下部に位置する小径部およびこれらをつなぐ縮径部からなる例えばガラス製の縦長のカラム１と、該カラム１内に満たされたオイルＯの中に糸状にはんだ溶融合金を吐出する例えばガラス製のノズル２と、カラム１の縮径部内に設置されているヒーター３とから基本的に構成されている。冷却速度の適正化のため、カラム１の小径部にヒーターを追加設置してもよい。オイルＯには一般にヤシ油や大豆油などの植物油、またはシリコーン油などの合成油が用いられる。主にカラム１の大径部および縮径部に滞留している上側のオイルは、糸状はんだ溶融合金が良好に分断して球状化するように、ヒーター３ではんだ溶融合金の融点付近の温度に連続的に加熱されている。
【００１７】
一方、主にカラム１の小径部に滞留している下側のオイルは、球状化したはんだ溶融合金が良好に固化できるようにはんだ溶融合金の融点より低温に維持されている。これにより、カラム１の上側のオイルの中で球状化したはんだ溶融合金は、カラム１の下側のオイルの中を落下している間に徐々に凝固し、カラム１の底部ではんだボールとして回収される。本発明の一具体例のはんだボール製造装置では、このノズル２の先端部の直ぐ真下に両端部が開放された例えばガラス製の筒状部材４がその中心軸を上下方向に向けて設けられている。
【００１８】
筒状部材４の長さは、糸状はんだ溶融合金が分断して球状化するまでの範囲を十分にカバーするように、ノズル２の先端部の近傍からカラム１の縮径部と小径部との接合部より少し下側に至るまでの長さを有しているのが好ましい。また、筒状部材４の中心軸に垂直な面の断面積は、後述する筒状部材４の内側と外側のオイルの流れが安定して循環できる大きさを有しているのが好ましく、例えば筒状部材４が筒状の場合は、カラム１の小径部の内径の１／５〜１／２程度の内径を有しているのが好ましい。
【００１９】
かかる構成により、図２に示すように、ノズル２より吐出された糸状はんだ溶融合金Ｓ１は、筒状部材４の内側のオイルの中で分断されて糸状はんだ溶融合金Ｓ１自身の表面張力で球状となりながら自然落下する。その際、筒状部材４が保護管の役割をするので、対流するオイルが、真下に向かって落下するはんだ溶融合金に対して向流方向や横方向や斜め方向から衝突してはんだ溶融合金を巻き込むのを極力抑制することができる。また、筒状部材４の内側をはんだ溶融合金が自然落下することにより、筒状部材４の内側のオイルもはんだ溶融合金に引きずられて筒状部材４の内側を真下に向かって流れ、白矢印のように筒状部材４の下側の開口部から球状化したはんだ溶融合金（球状溶融合金とも称する）Ｓ２と共に流れ出す。
【００２０】
筒状部材４の上側の開口部は、オイルの液面より下側の好適にはノズル２の先端部よりわずかに下方で開口しているので、上記した下側の開口部から流れ出した筒状部材内のオイル分を補うように、筒状部材４の外側を上方に向かって流れるオイルが筒状部材４の当該上側の開口部から白矢印のように筒状部材４の内側に流れ込む。このようにして筒状部材４の内側および外側でそれぞれ下降流および上昇流として循環する安定したオイルの流れが発生する。
【００２１】
更に、筒状部材４の内側で糸状はんだ溶融合金Ｓ１から次々に分断して形成される球状溶融合金Ｓ２群の各々は、落下方向の後ろ側ではオイルの圧力が低くなるため、当該後ろ側で隣接して落下する球状溶融合金Ｓ２はオイルから受ける抵抗が少なくなるので追従しやすくなって不規則な分散現象をほとんど生じなくなる。その結果、次々に形成される球状溶融合金Ｓ２群は、分散することなく略均等な間隔をあけて一列に並んで規則的に落下してゆき、筒状部材４の下側の開口部を出た後もこの状態が持続される。
【００２２】
特に筒内を流れる流体は、周縁部よりも中央部の流れが速くなる性質があるため、ノズル２の先端部を筒状部材４の中心軸に一致させることで上記した球状溶融合金Ｓ２群の落下時の規則性をより高めることができる。以上説明したように、ノズル２の直ぐ真下に筒状部材４をその中心軸を上下方向に向けて設置することにより、前述したはんだ溶融合金がオイル内で分裂および球状化するための理想的な状態が実現し、よってボール径のバラツキが抑えられた極めて高品質のはんだボールを高い収率で作製することが可能になる。
【実施例】
【００２３】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。まず、油中アトマイズ法で作製した場合に収率が低くなりやすい高融点組成のＡｕ系３元合金からなるはんだ母合金を作製した。具体的には、原料としてそれぞれ純度９９.９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ａｇを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく均一になるように留意しながら切断、粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくした。
【００２４】
次に、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに、これら原料から所定量をそれぞれ秤量して入れた。原料の入ったるつぼを高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７Ｌ／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく攪拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出し、るつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には、直径２４ｍｍの円柱形状のものを使用した。このようにして、同じ組成の４個のはんだ母合金のインゴットを作製した。このようにして作製したはんだ母合金に対してＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った結果、はんだ母合金の組成はＡｕ−３０質量％Ｓｎ−１２質量％Ａｇであった。
【００２５】
次に、実施例１〜２および比較例１〜２のはんだボール製造装置を用意した。実施例１のはんだボール製造装置には、孔径０.１２３ｍｍのノズル２の直ぐ真下に筒状部材４がその中心軸を上下方向に向けて設けられた図１に示すような油中アトマイズ装置を採用した。筒状部材４には全長が１０５ｍｍ、内径がカラムの小径部の内径の１／５となるガラス製の円筒を用いた。実施例２の装置には、孔径０.１２３ｍｍに代えて孔径０.１２５ｍｍのノズル２を用いた以外は実施例１の装置と同様のものを採用した。比較例１および２の装置には、筒状部材４を設けなかった以外はそれぞれ実施例１および２と同様のものを採用した。
【００２６】
これら実施例１〜２および比較例１〜２の装置のカラムにノズル先端部が浸漬するようにオイルを満たし、ヒーター３で３３０℃に加熱した。そして、それぞれのノズルに上記にて作製したはんだ母合金のインゴットをセットし、高周波加熱コイルにより５００℃まで加熱して５分保持した。５分経過後、不活性ガスによりノズル内部に圧力を加えてアトマイズを行い、糸状のはんだ溶融合金をオイル中に吐出させることではんだボールを作製した。
【００２７】
その結果、実施例１〜２の装置では、図２に示すように次々に形成される球状溶融合金Ｓ２群が分散することなく略均等な間隔をあけて一列に並んで規則的に落下して行き、この状態は球状溶融合金Ｓ２群が筒状部材４の下側の開口部を出た後も持続されていた。一方、比較例１〜２の装置では、図３に示すように次々に形成される球状溶融合金Ｓ２群が不規則に分散した。
【００２８】
実施例１および比較例１の装置に対して、球状溶融合金Ｓ２群がオイル中を落下している様子を撮影した写真を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）は筒状部材４の下側の開口部を出た直後の球状溶融合金Ｓ２群を撮影したものであり、図４（ｂ）も図４（ａ）と同じレベルの所で撮影したものである。筒状部材４を設置した図４（ａ）では、球状溶融合金Ｓ２群の各々は隣接する前方の球状溶融合金Ｓ２にほぼ追従しており、球状溶融合金Ｓ２群全体としてほとんど乱れること無く略直線状に下方に落下している様子が確認できる。これに対して筒状部材４を設けなかった図４（ｂ）では、分断された球状溶融合金Ｓ２群が散乱している様子が確認出来る。このように、筒状部材４の有無により糸状のはんだ溶融合金Ｓ１が分断および球状化される状態に明白に違いが生じた。
【００２９】
次に、得られたはんだボールをエタノールで３回洗浄し、その後真空乾燥機を用いて４０℃の真空中で３時間の条件で乾燥した。そして、ボール径のバラツキを評価するため、目開き０.２４ｍｍと０.２６ｍｍの２種類の篩を用いて０.２４ｍｍ篩下（不良品）、０.２６ｍｍ篩上（不良品）、および０.２４ｍｍ篩上０.２６ｍｍ篩下（良品）の間の３つに篩分けして各々秤量し、篩分け前の全体の質量に対する割合を計算した。その結果を下記表１に示す。
【００３０】
【表１】
0006464814.tif 000002
【００３１】
表１の結果から明らかなように、比較例１〜２に比べて実施例１〜２の方が０.２４ｍｍ篩上０.２６ｍｍ篩下のはんだボールの収率が高く、筒状部材をノズルの直ぐ真下に設けることで良好な結果が得られることが分かった。なお、実施例１は実施例２に比べて０.２４ｍｍ篩上０.２６ｍｍ篩下のはんだボールの収率が少し低くなったが、その理由は、実施例１は実施例２よりもノズル孔が小さいため、０.２４ｍｍ以下の分布に偏ったためであると考えられる。逆に、比較例１〜２では比較例１よりもノズル孔径の大きい比較例２の方が０.２４ｍｍ以下の不良割合が高くなったが、これは分断および球状化が安定せずにバラつきが大きいことによるものと考えられる。
【符号の説明】
【００３２】
１    カラム
２    ノズル
３    ヒーター
４    筒状部材（整流筒）
Ｏ    オイル
Ｓ１  糸状はんだ溶融合金
Ｓ２  球状溶融合金
【図１】
0006464814.tif 000003
【図２】
0006464814.tif 000004
【図３】
0006464814.tif 000005
【図４】
0006464814.tif 000006