(57)【要約】【課題】半田ボールなどの球状体を少ない工程で容易かつ低コストで製造できる手段を提供する。【解決手段】球状体の原料を融液の状態で吐出口より吐出させ、吐出量が所望の量になった時点で、流体の流れにより吐出口で融液を分離させ、分離した球状体の原料を融液の状態において表面張力により球形にさせた後、固化させる。吐出口より吐出させた球状体の原料を融液の状態で流体の流れによって容易に分離でき、また融液の状態で所望の量に分離させるので、従来のように半田などの原料を板材や線材に加工する工程が不要となり、製造工程の短縮化がはかれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状体の原料を融液の状態で吐出口より吐出させ、吐出量が所望の量になった時点で、流体の流れにより吐出口で融液を分離させ、分離した球状体の原料を融液の状態において表面張力により球形にさせた後、固化させることを特徴とする、球状体の製造方法。
【請求項２】
前記流体の流れが、一定であるか、周期的もしくはパルス的に変化することを特徴とする、請求項１の球状体の製造方法。
【請求項３】
前記流体は、前記融液と反応しない気体又は液体であることを特徴とする、請求項１又は２の球状体の製造方法。
【請求項４】
球状体の原料が金属であることを特徴とする、請求項１、２又は３のいずれかの球状体の製造方法。
【請求項５】
球状体の原料が、融液の液相線温度が４５０℃以下である単体の金属又は２種以上の金属よりなる合金であることを特徴とする、請求項４の球状体の製造方法。
【請求項６】
前記球状体は、半田ボールであることを特徴とする、請求項１、２、３、４又は５のいずれかの球状体の製造方法。
【請求項７】
球状体の原料を融液の状態で吐出する原料ノズルと、この原料ノズルに対して側方から流体を供給する流体ノズルを備えることを特徴とする、球状体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＢＧＡ（ｂａｌｌ  ｇｒｉｄ  ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（ｃｈｉｐ  ｓｉｚｅ  ｐａｃｋａｇｅ）等の半導体パッケージのバンプ材料に用いられる半田ボールの如き球状体を製造する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体パッケージの分野においては、内蔵される半導体チップに対し電気的な接続を行うリードの代わりに半田ボール（半田バンプ）を装着したＢＧＡと呼ばれるものが知られている。かかるＢＧＡに利用される半田ボールを製造する場合、従来は箔等の板材や線材に加工された半田を固体の状態で精密切り出しや打ち抜き等をすることによって、半田を所望の量の原料片に分離し、その後、原料片を加熱溶融させて表面張力により球形化させ、更に冷却して固化させることにより、球状に成型した半田ボールを得ている。また、半田ペースト（クリーム半田）を作成し、これをスクリーン印刷や一定容積の穴があいた板などに刷り込む方法などにより半田を一定量分離し、その後、半田を加熱溶融させて表面張力により球形化させる方法も知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら従来は、半田を所望の量ずつに分離する前工程として、板材、線材や半田ペーストなどに半田を加工しなければならず、製造工程の短縮化がはかり難かった。しかも半田を正確に計量するためには、前工程で形成される板材の厚さや線材等の太さなどについても正確な寸法精度等が要求されるため、半田ボール製造におけるコストアップの要因となっていた。今日、半田ボールに関しては特性面で大きな不満はなく、むしろＢＧＡやＣＳＰなどの本格的な普及期を迎え、価格面で大幅なコストダウンが可能な半田ボールが求められている。そのためには、従来に比してより少ない工程で半田ボールを製造できる手段を確立することが必要である。
【０００４】
従って本発明の目的は、半田ボールなどの球状体を少ない工程で容易かつ低コストで製造できる手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的を達成するために、請求項１によれば、球状体の原料を融液の状態で吐出口より吐出させ、吐出量が所望の量になった時点で、流体の流れにより吐出口で融液を分離させ、分離した球状体の原料を融液の状態において表面張力により球形にさせた後、固化させることを特徴とする、球状体の製造方法が提供される。
【０００６】
この請求項１の製造方法によって製造される球状体としては、例えば請求項６に記載したように、ＢＧＡやＣＳＰ等の半導体パッケージのバンプ材料に用いられる半田ボールの如き球状体が例示される。また請求項４に記載したように、球状体の原料は例えば金属であり、一例として半田（例えばＳｎ−Ｐｂ共晶半田）が例示される。また半田の他、球状体の原料は、請求項５に記載したように、融液の液相線温度が４５０℃以下（４５０℃以上であっても良い）である単体の金属又は２種類以上の金属よりなる合金であっても良い。更に、金属以外の材料を球状体の原料として用いることも可能である。
【０００７】
この請求項１の製造方法によれば、吐出口より吐出させた球状体の原料を融液の状態で流体の流れによって融液の状態で容易に所望の量に分離できるので、従来のように半田などの原料を板材や線材に加工する工程が不要となり、製造工程の短縮化がはかれるようになる。また、正確な寸法精度等が要求される板材や線材に原料を加工しなくて良いので、製造が容易となり、低コスト化を実現できるようになる。
【０００８】
請求項２に記載したように、前記流体の流れが、一定であるか、周期的もしくはパルス的に変化するものであっても良い。そのような流体の流れによってノズル先端から融液を振り切ることにより、球状体の原料を融液の状態で所望の量ずつに分離させることが可能である。なお、球状体の原料は融液の状態でノズルから連続的に吐出しても良いし、あるいは融液の状態でノズルから断続的に吐出させても良い。
【０００９】
また請求項３に記載したように、前記流体は、前記融液と反応しない気体又は液体であることが好ましい。そうすれば球状体の原料を変質させることなく分離させることができるようになる。なお、分離した球状体の原料を融液の状態において表面張力により球形にさせる場合や、その後冷却及び固化させる場合も、球状体の原料を変質させない雰囲気下で行うことが好ましい。
【００１０】
請求項７によれば、球状体の原料を融液の状態で吐出する原料ノズルと、この原料ノズルに対して側方から流体を供給する流体ノズルを備えることを特徴とする、球状体の製造装置が提供される。
【００１１】
この請求項７の製造装置にあっては、原料ノズルから吐出させた球状体の原料に対し、原料ノズルによって側方から流体を供給することにより、融液の状態において容易に所望の量ずつに分離できる。こうして分離された球状体の原料は、先ず融液の状態のうちに表面張力により球形に変形する。その後、球状体の原料を冷却して固化させることにより、球状体を容易に製造できるようになる。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１〜７によれば、球状体の原料を融液の状態で流体の流れによって容易に分離でき、また融液の状態で所望の量に分離させるので、従来のように半田などの原料を板材や線材に加工する工程が不要となり、製造工程の短縮化がはかれるようになる。また、正確な寸法精度等が要求される板材や線材に原料を加工しなくて良いので、製造が容易となり、低コスト化を実現できるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる球状体の製造装置１の説明図である。この実施の形態では、球状体の一例としてＢＧＡやＣＳＰ等の半導体パッケージのバンプ材料に用いられる半田ボールａを製造する製造装置１について説明する。
【００１４】
装置本体１０のほぼ上半部は成型部１１になっており、ほぼ下半部は冷却部１２になっている。装置本体１０の内部は、半田と反応しない流体であるシリコーンオイルによって満たされている。装置本体１０の周面にはバンドヒーター１３、１４が上下に装着されており、これら各バンドヒーター１３、１４の加熱温度を任意に制御することにより、装置本体１０内に充填されているシリコーンオイル中に温度勾配を形成することが可能である。上方のバンドヒーター１３の加熱温度は下方のバンドヒーター１４の加熱温度よりも高温に設定されており、これにより、装置本体１０内上方の成型部１１においては、シリコーンオイルは半田の融点以上の温度（例えば１９０〜２００℃）に保たれている。一方、装置本体１０内下方の冷却部１２においては、バンドヒーター１４の加熱温度が低いため、成型部１１においては、シリコーンオイルは半田の融点以下の温度（例えば１６０〜１７０℃）に保たれている。このように、装置本体１０内に充填されているシリコーンオイルには、上方が半田の融点以上の高温度となり、下方が半田の融点以下の低温度となるように、緩やかな温度勾配が形成されている。
【００１５】
装置本体１０内上方の成型部１１には、融液状態の半田が充填された融液容器２０と、融液（半田）を分離させるための流体としてのシリコーンオイルが充填された流体容器２１が設置されている。これら融液容器２０と流体容器２１は、半田の融点以上の温度に保たれた成型部１１にあるので、融液容器２０内に充填された半田は融液の状態を維持しており、また流体容器２１内に充填されたシリコーンオイルも半田の融点以上の温度に保たれている。融液容器２０と流体容器２１は、例えばＳＵＳ３０４等で構成されており、半田の融点以上に加熱されても溶融しない。
【００１６】
融液容器２０の上面にはガス配管２２が接続してあり、装置本体１０の外部に設置されたガスボンベ２３から不活性ガスとしての窒素ガスをガス配管２２を介して融液容器２０内に供給することにより、融液容器２０内を加圧することが可能である。また同様に、流体容器２１の上面にはガス配管２５が接続してあり、装置本体１０の外部に設置されたガスボンベ２６から不活性ガスとしてのアルゴンガスをガス配管２５を介して流体容器２１内に供給することにより、流体容器２１内を加圧することが可能である。
【００１７】
融液容器２０の底面には融液配管２７が接続してあり、融液配管２７の先端は原料ノズル２８に形成されている。そして、前述のようにガスボンベ２３から不活性ガス（窒素ガス）をガス配管２２を介して融液容器２０内に供給して加圧することにより、融液容器２０内に充填されている球状体の原料としての半田を、融液配管２７を介して送液して原料ノズル２８から融液の状態で吐出することが可能である。
【００１８】
また同様に、流体容器２１の底面には流体配管２９が接続してあり、流体配管２９の先端は流体ノズル３０に形成されている。そして、前述のようにガスボンベ２６から不活性ガス（アルゴンガス）をガス配管２５を介して流体容器２１内に供給して加圧することにより、流体容器２１内に充填されているシリコーンオイルを、流体配管２９を介して送液して流体ノズル３０から吐出することが可能である。また図示はしないが、ガス配管２５にはガス圧を調整するためのバルブが備えられており、流体ノズル３０から吐出されるシリコーンオイルの吐出量を一定にしたり、あるいは所定時間毎に一定量のシリコーンオイルを吐出するなどといったように、流体ノズル３０から吐出されるシリコーンオイルの吐出量を周期的に変化させることも可能である。なお図示はしないが、装置本体１０は流体ノズル３０から吐出されたシリコーンオイルの吐出量に見合うだけのシリコーンオイルを装置本体１０外に排出するためのリーク機構を備えており、装置本体１０内が高圧となることが防止されている。
【００１９】
装置本体１０内上方の成型部１１には、融液配管２７と流体配管２９を固定するための支持ブロック３２が設けられている。この支持ブロック３２に支持された融液配管２７と流体配管２９及び原料ノズル２８と流体ノズル３０はいずれも装置本体１０内上方の成型部１１に配置されている。
【００２０】
図２は、原料ノズル２８と流体ノズル３０の位置関係を示す拡大図である。前述のように支持ブロック３２に支持されることによって、この実施の形態では原料ノズル２８は水平方向に配置され、流体ノズル３０は鉛直方向下向きに配置されている。このように原料ノズル２８と流体ノズル３０は直交するように配置され、原料ノズル２８先端の吐出口３３に対して側方（図示の例では上方）から流体ノズル３０がシリコーンオイルを供給する位置関係に構成されている。
【００２１】
そして、前述のようにガスボンベ２３から不活性ガスが供給されて融液容器２０内が加圧されると、球状体の原料としての半田ａ’が原料ノズル２８から融液の状態で吐出される。こうして吐出された半田ａ’が融液の状態で原料ノズル２８の先端の吐出口３３に付着して、半田（融液）ａ’の液滴が形成されるようになっている。また一方で、前述のようにガスボンベ２６から不活性ガスが供給されて流体容器２１内が加圧されると、シリコーンオイルが流体ノズル３０から吐出される。これにより、図２に示すように、原料ノズル２８から吐出させた半田（融液）ａ’の吐出量が所望の量になった時点で、流体ノズル３０から吐出されたシリコーンオイルの流れによって原料ノズル２８先端の吐出口３３から半田（融液）ａ’が切り離されて分離され、こうして分離した半田（融液）ａ’は、装置本体１０内に満たされたシリコーンオイル中を自重で落下するようになっている。
【００２２】
前述した支持ブロック３２で支持されることにより、融液配管２７と流体配管２９及び原料ノズル２８と流体ノズル３０はいずれも半田の融点以上の温度に維持された装置本体１０内上方の成型部１１に配置されているので、融液配管２７から原料ノズル２８に送液される間や原料ノズル２８から融液の状態で吐出される際、及び流体配管２９から流体ノズル３０に送液される間や流体ノズル３０から吐出される際においても、半田とシリコーンオイルは半田の融点以上の温度に保たれるようになっている。また図２で説明したように、流体ノズル３０から吐出されたシリコーンオイルの流れによって原料ノズル２８先端の吐出口３３から切り離されて分離された半田（融液）ａ’は、装置本体１０内上方の成型部１１を落下している間は、半田の融点以上の温度に保たれ、これにより、融液の状態を維持するようになっている。そして、このように融液の状態を維持しながら落下することにより、半田（融液）ａ’は装置本体１０内上方の成型部１１を落下している間に表面張力によって球形に成型されるようになっている。
【００２３】
融液配管２７と流体配管２９は、いずれも例えばＳＵＳ３０４等で構成され、半田の融点以上に加熱されても溶融しないようになっている。なおこの実施の形態では、融液配管２７はＳＵＳ３１６製の細管（内径０．２５ｍｍ）で構成されている。
【００２４】
一方、原料ノズル２８先端の吐出口３３から切り離されて分離された半田（融液）ａ’は、装置本体１０内上方の成型部１１を通過した後、次に装置本体１０内下方の冷却部１２を落下するようになっている。前述したように、装置本体１０内下方の冷却部１２においては、装置本体１０内に満たされているシリコーンオイルは半田の融点以下の温度（例えば２０〜４０゜Ｃ）に保たれているので、このように冷却部１２を通過する際には、半田（融液）ａ’は、半田の融点以下の温度まで冷却されるようになっている。これにより、半田（融液）ａ’は装置本体１０内下方の冷却部１２を落下している間に冷却されて、固化するようになっている。
【００２５】
さて、以上のように構成された本発明の実施の形態の製造装置１において、ガスボンベ２３から不活性ガスを供給し、融液容器２０内を加圧することにより、球状体の原料としての半田ａ’を原料ノズル２８から融液の状態で吐出させる。こうして吐出された半田ａ’は、原料ノズル２８の先端の吐出口３３に付着し、半田（融液）ａ’の液滴が形成される。また一方で、ガスボンベ２６から不活性ガスを供給し、流体容器２１内を加圧することにより、シリコーンオイルを流体ノズル３０から吐出させる。これにより、先に図２で説明したように、原料ノズル２８から吐出された半田（融液）ａ’の吐出量が所望の量になった時点で、流体ノズル３０から吐出されたシリコーンオイルの流れによって原料ノズル２８先端の吐出口３３から半田（融液）ａ’が切り離されて分離されることとなる。こうして分離した半田（融液）ａ’は、装置本体１０内においてシリコーンオイル中を自重で落下していく。
【００２６】
こうして、原料ノズル２８先端の吐出口３３から分離して落下していく半田（融液）ａ’は、先ず装置本体１０内上方の成型部１１を通過し、次いで装置本体１０内下方の冷却部１２を通過していく。そして、半田の融点以上の温度に維持された装置本体１０内上方の成型部１１を落下している間は、半田（融液）ａ’は融液の状態に維持され、その表面張力によって球形に変形する。そして、こうして球形に変形した半田（融液）ａ’は、次に装置本体１０内下方の冷却部１２を落下していくが、冷却部１２ではバンドヒーター１４の加熱温度の加熱温度が低く、半田の融点以下の温度（例えば１６０〜１７０゜Ｃ）となっているため、冷却部１２を落下中に半田（融液）ａ’は冷却されて固化することとなる。こうして球状体となった半田ボールａが製造されて、装置本体１０の底部に溜まっていく。この場合、装置本体１０内に満たされているシリコーンオイルには上方が半田の融点以上の高温度となり、下方が半田の融点以下の低温度となるように、緩やかな温度勾配が形成されているため、成型部１１から冷却部１２を落下していく半田（融液）ａ’は、急激な温度変化をうけることなく、徐々に冷却されるので、温度の急変化による形状不良等が発生しなくなる。
【００２７】
以上説明した本発明の実施の形態によれば、原料ノズル２８から吐出される半田（融液）ａ’を、流体ノズル３０から吐出されたシリコーンオイルの流れによって融液の状態で所望の量ずつ分離させることができるので、従来のように原料を板材や線材に加工する工程が不要となり、半田ボールａの製造工程の短縮化がはかれるようになる。また、正確な寸法精度等が要求される板材や線材に原料を加工しなくて良いので、容易に半田ボールａを製造でき、低コスト化を実現できる。なお、製造される半田ボールａの大きさは、ガスボンベ２３やガスボンベ６からの不活性ガスの供給圧を変えて融液配管２７への半田（融液）ａ’の送液量や流体配管２９へのシリコーンオイルの送液量を適宜変更することにより、調整することができる。また、流体ノズル３０から吐出されるシリコーンオイルの吐出量を一定にしたり、流体ノズル３０から吐出されるシリコーンオイルの吐出量を周期的に変化させることによって半田ボールａの大きさを調整することも可能である。
【００２８】
以上、本発明の好ましい実施の形態の一例を説明したが、本発明はここで説明した形態に限定されない。例えば原料ノズル２８の先端は、図３に示すように、内径が一定のパイプ状の吐出口３３としても良いが、図４、５に示すように、原料ノズル２８の内面を先端に行くほど内径が狭くなるテーパー状の吐出口３３としても良い。なお、原料ノズル２８先端の吐出口３３から半田（融液）ａ’を分離しやすくするためには、図５に示すように、原料ノズル２８の内面をなるべく大きなテーパー角度にするのが好ましい。
【００２９】
また図示の形態では、原料ノズル２８を水平方向に配置し、流体ノズル３０を鉛直方向下向きに配置した例を説明したが、例えば原料ノズル２８を鉛直方向下向きに配置し、流体ノズル３０を水平方向に配置しても良い。また原料ノズル２８と流体ノズル３０は必ずしも直交させて配置しなくても良い。いずれにしても、原料ノズル２８の先端の吐出口３３に付着している半田（融液）ａ’の液滴を、流体ノズル３０から吐出されるシリコーンオイルの流れによって切り離して分離できれば良い。なお、半田（融液）ａ’の液滴を吐出口３３から切り離しやすくするためには、原料ノズル２８と半田（融液）ａ’との濡れ性が低いことが好ましく、例えば原料ノズル２８をステンレスで構成すると良い。
【００３０】
また以上の実施の形態では、球状体の一例として半田ボールを製造する例について説明したが、球状体の原料は、半田以外の金属や金属以外の材料などでも良い。また、流体ノズル３０から吐出される流体はシリコーンオイルに限らず他の液体や気体であっても良い。更に、流体の流れの中に複数の吐出口が配置されていても良く、多数の吐出口からそれぞれ球状体の原料を融液の状態で分離させることにより、短時間でより多くの半田ボールを製造することが可能となる。
【実施例１】
【００３１】
図１等で説明した本発明の実施の形態の製造装置１を実際に用いて半田ボールを製造した。球状体の原料は、Ｓｎ−３７Ｐｂはんだを用いた。また流体として、シリコーンオイル（東芝シリコーン社製  ＴＳＦ４５８−１００）を用いた。流体ノズルから吐出されるシリコーンオイルの流れの中に、ＳＵＳ３１６製の細管（内径０．２５ｍｍ、直管）を配置し、細管先端に対して直交するようにシリコーンオイルを供給した。窒素ガスボンベより供給した窒素ガスにより配管系を窒素置換した。次いで流体容器にシリコーンオイルを充填した後、シリコーンオイルで満たした装置本体内に流体容器、融液容器、各配管及び支持ブロックを浸漬せしめ、装置本体に装着した各バンドヒーターにて加熱して、装置本体内に充填されているシリコーンオイル中において、上方（成型部）が半田の融点以上の高温度となり、下方（冷却部）が半田の融点以下の低温度となるように、緩やかな温度勾配を形成する。そして、流体容器内のシリコーンオイルと融液容器内の半田（融液）の温度が１９５〜２１０℃になったことを確認した後、各ガスボンベより所定圧力で加圧し、融解容器内の半田（融液）を５．０ｇ／ｍｉｎで送液し、流体容器内のシリコーンオイルを４９ｃｍ／ｓｅｃで送液した。こうして、原料ノズルから吐出させた半田（融液）を所望の量ごとにシリコーンオイルの流れによって分離し、分離した半田（融液）をシリコーンオイル中にて自重で落下させて、成型部において表面張力によって球形に変形させた半田（融液）を冷却部において冷却固化せしめた。図６は、この実施例１によって得られた半田ボールの外観を示すＳＥＭ写真のスケッチである。写真倍率から粒径を評価したところ、半田ボールの直径は０．７６±０．０２ｍｍ、真球度＞９５％であった。ここでの真球度は以下の式で定義した。
真球度（％）＝［１−（長径−短径）÷｛（長径＋短径）÷２｝］×１００
【実施例２】
【００３２】
実施例１と同様に、図１等で説明した本発明の実施の形態の製造装置１を実際に用いて半田ボールを製造した。融解容器内の半田（融液）を５．０ｇ／ｍｉｎで送液したのに対し、流体容器内のシリコーンオイルを７８ｃｍ／ｓｅｃで送液して、原料ノズルから吐出させた半田（融液）をシリコーンオイルの流れによって分離した。その他の条件は、先に説明した実施例１と同様である。図７は、この実施例２によって得られた半田ボールの外観を示すＳＥＭ写真のスケッチである。写真倍率から粒径を評価したところ、半田ボールの直径は０．５０±０．０２ｍｍ、真球度＞９５％であった。ここでの真球度は先と同様に定義した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態にかかる球状体の製造装置の説明図である。
【図２】原料ノズルと流体ノズルの位置関係を示す拡大図である。
【図３】原料ノズルの先端の拡大断面図である。
【図４】他の形状の原料ノズルの先端の拡大断面図である。
【図５】他の形状の原料ノズルの先端の拡大断面図である。
【図６】実施例１によって得られた半田ボールの外観を示すＳＥＭ写真のスケッチである。
【図７】実施例２によって得られた半田ボールの外観を示すＳＥＭ写真のスケッチである。
【符号の説明】
【００３４】
１    製造装置
ａ    半田ボール
ａ’  半田（融液）
１０  装置本体
１１  成型部
１２  冷却部
１３、１４  バンドヒーター
２０  融液容器
２１  流体容器
２２、２５  ガス配管
２３、２６  ガスボンベ
２７  融液配管
２８  原料ノズル
２９  流体配管
３０  流体ノズル
３２  支持ブロック
３３  吐出口
【図１】
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【図２】
2008261057.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008261057.tif 000008
【図７】
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