(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が金属酸化物で汚れた金属製対象物を洗浄してその金属表面にコーティング層を形成する洗浄保護方法であって、
パルミチン酸、ステアリン酸、オイレン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸のいずれかの脂肪酸からなる界面活性物質を溶かした有機溶液に前記金属製対象物を浸漬して、物理的な力を加えることにより前記金属製対象物表面の金属酸化物汚れを落とす洗浄ステップと、
洗浄された前記金属製対象物表面に前記脂肪酸からなるコーティング層が形成される保護層形成ステップと、を含み、
前記洗浄ステップと前記保護層形成ステップとを別々に分けて行うのではなく、前記対象物を溶剤に浸漬した状態のまま、前記洗浄ステップが終わって前記対象物の表面がきれいになると自然に保護層形成ステップへ移行し、
前記脂肪酸からなるコーティング層として、イオン結合によってカルボン塩となっている堅固な一層膜が形成される、ことを特徴とする洗浄保護方法。
【請求項２】
請求項１に記載の洗浄保護方法において、
前記金属製対象物は、半導体装置の構成部材または半導体装置の製造に関連する部材である、ことを特徴とする洗浄保護方法。
【請求項３】
請求項２に記載の洗浄保護方法において、
前記金属製対象物はソルダーボールである、ことを特徴とする洗浄保護方法。
【請求項４】
有機溶剤にパルミチン酸、ステアリン酸、オイレン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸のいずれかの脂肪酸からなる界面活性物質を溶かした洗浄保護用溶液であって、
この洗浄保護用溶液は、
前記金属製対象物が浸漬されて物理的な力が加えられることにより、前記金属製対象物表面の金属酸化物汚れを落とす洗浄手段と、
洗浄された前記金属製対象物表面に前記界面活性物質からなるコーティング層を形成する保護層形成手段と、を備え、
前記金属製酸化物対象物表面の汚れを落としと、前記コーティング層を形成する保護層形成と、を別々に分けて行うのではなく、前記金属製対象物を溶剤に浸漬した状態のまま、前記金属製対象物表面の金属酸化物汚れを落として表面がきれいになると、自然にコーティング層を形成する保護層形成へ移行する手段を備え、
前記脂肪酸からなるコーティング層として、イオン結合によってカルボン塩となっている堅固な一層膜が形成される、ことを特徴とする洗浄保護用溶液。
【請求項５】
表面が洗浄されて保護されるべき金属製対象物を備えてその処理を行う装置ユニットにおいて、
前記金属製対象物は、請求項１〜３いずれか１項の洗浄保護方法によって処理が行われる、ことを特徴とする装置ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気・機械・化学などの広い分野に関連する装置や製造方法にあって、それら装置ユニットや構成された部材などを洗浄したり、その表面に処理を施したりする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明にかかわる産業分野の一例として、半導体装置に関連する分野を見てみる。ここでは、近年のＩＣの小チップ化・多機能化・高性能化等に伴い、それを搭載するパッケージも様々に進化や変遷を遂げつつあり、なかでも、小型化・薄型化・多ピン化等の要求に最先の流れが見られる。半導体装置の実装におけるＬＳＩのパッケージングの面から見ると、従来からよく使用されていたリードフレームを用いる方式は、外部端子数の増加に伴なって装置が大型化するため、近年の軽薄短小化に伴なう多くの要望に応えられなくなってきている。
【０００３】
そこで、外部端子として封止する樹脂基材の底面に、ハンダによる突設電極部としてハンダ導電バンプ部を形成する方式であるＢＧＡ(ボール・グリッド・アレー)が有力になり、普及している。このＢＧＡをプリント基板に実装するには、ＢＧＡのリードにハンダ導電バンプ部を形成しておいて、これらをプリント基板のマウントに合わせて配置して設定したあと、ハンダ導電バンプ部を溶融させてハンダ付けを行う。ハンダ導電バンプ部の形成にはソルダーボールがよく用いられている。
【０００４】
これらのソルダーボールは一般に円球体をなし、径０.７６mmのものが従来から使用されてきていたが、近年ではより小さくなって極小径の０.２０mmのものが出てきた。そして更には、それ以下の径(０.１０mmやもっと小さいもの)も現出してきて用いられるようになっている。このようなソルダーボールは、接続すべき半導体素子や回路基板などの面状にあるパッド電極に合わせて、多数個を配列して配置して、所望される導電接続構造を形成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
製造されたソルダーボールは、ガラス製、プラスチック製などの容器に収容して保管しておき、必要に応じて需用者らに届けられる。ところが、製造されたばかりのときには表面が清浄な状態であったソルダーボールではあるが、ＢＧＡ基板に整列設置させる前によく調べてみると、表面が黒く変色している黒化現象が見られることがある。この黒化現象の見られるソルダーボールを用いてハンダ付けを行うと、バンプ部形成箇所の汚れや接着の不完全などを生じて、ハンダ導電バンプ部の導電接続構造が設計どおりに形成することができず、不良品となってしまう。
【０００６】
これらのソルダーボールは、通常のハンダ材料では、軟質の金属である鉛(Ｐｂ)と錫(Ｓｎ)とからなる。このような黒化現象は、ソルダーボールを静止状態で保管している分には起こらないが、ソルダーボールに輸送や移動などの外的な動作が加わるとよく起こつている。このことから見ると、動作に伴う振動や揺れなどがソルダーボールに加わり、ソルダーボール同士が衝突したり擦れ合ったりするして、表面が削り取られて鉛(Ｐｂ)分と錫(Ｓｎ)分の多くが粉末状になって出てくることとなり、またさらにそれが酸化することや、削り取られた表面自体が今度は酸化してしまう、などの種々の原因により黒化現象が起こるものと、推測されている。
【０００７】
本発明による洗浄保護方法、洗浄保護用溶液および装置ユニットは、汚れを有している対象物について、効果的な洗浄を施したり、その表面を処理したりする洗浄処理技術を、コストをかけることなく大幅に向上させることを目的とする。本発明にかかる洗浄／保護を実施できる対象物としては、種々様々な分野における装置や製造方法に関連して多くの物が存在している。その一例として述べたソルダーボールのような小型の導電接続体においては、導電接続体同士の衝突やこすれ合いなどによって、その表面などが黒く変色(黒化)するひどい汚れの現象が生じるが、本発明を適用することにより、この黒化現象を効率的に防止するか抑制することができる。
本発明を適用するのに好適な例をあげれば、半導体産業において装置などを構成する半導体素子や回路基板の他、導電バンプやはんだボールなどと呼ばれる小型立体形状の導電接続体、クリームはんだ、はんだワイヤー、亜鉛はんだ、パウダー製品全般、チップ抵抗、コンデンサ、各種の金属からなる部品などがある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するために、本発明による「洗浄保護方法、洗浄保護用溶液および装置ユニット」では、次のような手段を用いた。
（１）対象物を洗浄してその表面にコーティング層を形成する洗浄保護方法であって、
界面活性物質を溶かした有機溶剤に前記対象物を浸漬して、物理的な力を加えて前記対象物表面の汚れを落とす洗浄ステップと、
洗浄された前記対象物表面に前記界面活性物質からなるコーティング層が形成される保護層形成ステップと、を含む、洗浄保護方法とした。
（２）(１)に記載の洗浄保護方法において、
前記界面活性物質は、パルミチン酸、ステアリン酸、オイレン酸、ミリスチン酸、ラウリン酸のいずれかの脂肪酸である。
（３）(１)または(２)の洗浄保護方法において、
前記対象物は、半導体装置の構成部材または半導体装置の製造に関連する部材である。
（４）有機溶剤に界面活性物質を溶かした洗浄保護用溶液であって、
この洗浄保護用溶液は、
前記対象物が浸漬されて物理的な力が加えられることにより、前記対象物表面の汚れを落とす洗浄手段と、
洗浄された前記対象物表面に前記界面活性物質からなるコーティング層を形成する保護層形成手段と、を備える、洗浄保護用溶液とした。
（５）表面が洗浄されて保護された対象物を備える装置ユニットにおいて、
前記対象物は、請求項１〜３いずれか１項の洗浄保護方法によって処理が行われたものである、装置ユニットとした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜５を参照して、本発明による「洗浄保護方法、洗浄保護用溶液および装置ユニット」について、詳細に説明する。
図１は、本発明で用いる界面活性物質(脂肪酸)の分子構造の一例を示す図であり、図２は、本発明により対象物表面に界面活性物質(脂肪酸)からなるコーティング層が形成された一例を示す構造説明図であり、図３は、対象物に本発明による洗浄保護方法を実施する様子を示す段階的な説明図である。また、図４は、本発明の一実施の形態として、対象物の洗浄／保護のために、本発明を適用するときの手順を示す説明図であり、この図４における対象物は導電接続体であるソルダーボール３０である。そして、図５は、導電接続体(ソルダーボール３０)と他の導体間（導体基部100と導体基部200）とで形成された導電構造の一例を示す断面による説明図である。
【００１０】
図１は、本発明で用いる界面活性剤の分子構造の一例を示す説明図であり、ここでは界面活性剤は脂肪酸であって、その代表的分子構造を示す。その構造は、分子の炭素数12〜18の炭素原子が長い鎖状に連らなった親油性のアルキル基(非極性炭化水素基)と、水に溶けてイオン解離する親水性のカルボキシル基(極性基)と、から成っている。図１を１本のマッチ棒に例えれば、頭の部分は親水性の極性基であり、軸の部分は親油性の非極性炭化水素基に相当する。
【００１１】
本発明の洗浄保護方法にあっては、脂肪酸などの界面活性物質を溶かした有機溶剤に対象物を浸漬した状態としたまま、この対象物に対して、振動・揺動・回転・回動・流水による力・吹きつけ力などによる機械的また物理的な力を加えることにより、この対象物表面の汚れを落とす洗浄ステップが実施される。そして、洗浄されてきれいになった対象物の表面には、脂肪酸などの界面活性物質からなるコーティング層が形成される保護層形成ステップが実施される。なお、この洗浄ステップから保護層形成ステップへの移行は、別々に分けて行うものではなく、対象物は溶剤に浸漬した状態となっているので、この洗浄ステップが終わって表面がきれいになると、自然に保護層形成ステップへ移行するものである。
【００１２】
図２は、本発明により金属製対象物表面に界面活性物質(ここでは脂肪酸)からなるコーティング層形成された一例を示す構造説明図である。図２において、洗浄保護の処理がなされる対象物Ａは、例えばここではソルダーボールＡであるものとして、また、界面活性物質としては脂肪酸のひとつのパルミチン酸を用いるものとする。このソルダーボールＡは、界面活性物質であるパルミチン酸を溶かした有機溶剤に浸漬されて、前に述べたような物理的な力が加えられることによって、このソルダーボールＡの表面の汚れが除去される洗浄ステップが行われる。
【００１３】
洗浄されてきれいになった対象物の表面には、パルミチン酸からなるコーティング層Ｂが形成される保護層形成ステップが行われる。図２に示したコーティング層Ｂは、パルミチン酸の多数分子が同じ方向に配向して配列した構造から成り、分子の頭部分を対象物表面に付けて表面略鉛直方向に多数個数が配向して集合配列し、ソルダーボールＡの表面全域を被覆するようにして、コーティング層Ｂ(表面薄膜層)を形成する。また、この図２に示す構造では、ソルダーボールＡ表面上でのパルミチン酸の化学吸着の状態で、パルミチン酸の単分子膜が生成されたものとなっている。
【００１４】
このコーティング層Ｂの厚みは、脂肪酸などの界面活性物質の単一分子の長さにほぼ等しくなる。図２に示すものは、脂肪酸のひとつであるパルミチン酸の例であって、パルミチン酸１分子の長さは概ね２６Åであるので、コーティング層Ｂもこれとほぼ同じ長さの厚みを有することとなる。また、パルミチン酸１分子の横幅(表面水平側の長さ)は約５Åであって、この分子が多数個数が凝集されて配向して配列され、コーティング層Ｂが生成される。
【００１５】
図３は、対象物に本発明による洗浄保護方法を実施する様子を段階的に示す説明図である。
まず図３(１)において、本発明により洗浄保護される対象物１０は、その表面に汚れ１２を有する。この対象物１０が、鉛(Ｐｂ)と錫(Ｓｎ)の材料からなるソルダーボールであるとすると、黒化現象によってボール表面には多くの鉛(Ｐｂ)または錫(Ｓｎ)を成分とする物質が粉末状になって出てくるので、それらを含んだものが汚れ１２となる。
図３(２)は、溶液１４に対象物１０を浸漬(湿潤)する過程を示す。ここでの溶液１４は、脂肪酸などの界面活性物質が溶けている有機溶剤である。溶液１４に対象物１０を浸すと、対象物１０の表面に付着している汚れ１２に溶液１４が吸着していき、汚れ１２の中まで溶液１４が浸透していく。
【００１６】
図３(３)は、溶液１４が含有する界面活性物質(界面活性分子１６)の働きによって、付着していた汚れ１２が対象物１０から離脱する過程を示す。ここでは、汚れ１２に溶液１４が浸透していく浸透作用が大きく働き、界面活性分子１６が汚れ１２に吸着していく。そして、汚れ１２と対象物１０との界面エネルギーが減少し、汚れ１２と対象物１０との付着力は減少する。このような状態になると、物理的な外力(振動・攪拌・水流変化など)を与えることで、それが僅かなものであっても、汚れ１２は容易に剥がれてきて溶液１４中に浮き出してくる。
図３(４)は、汚れ１２が対象物１０から離脱していき、対象物１０の表面がきれいになると、こんどは、界面活性分子１６が、対象物１０の表面に次第に付着してくる過程を示す。
【００１７】
図３(５)では、離脱された汚れ１２の粒子１２'をより小さな粒子に分散させ、一旦離脱した粒子１２'が凝集しないよう、溶液１４の作用によって溶液中に粒子１２'を安定的に乳化分散をさせて、再度の汚れが付着することがないようにする過程を示す。汚れ１２がなくなった対象物１０の表面には、界面活性分子１６が次第に配向配列しながら付着してくる。そして、対象物１０表面全域に渡って、界面活性分子１６によるコーティング層１６Ａを生成する。このコーティング層１６Ａが形成されることにより、再度の汚れが付着することがなくなるとともに、対象物１０表面を保護して、対象物１０に含まれる成分などが外に出てくることをも防止することができる。
【００１８】
ところで、図３(１) 〜(５)を行うにあたって、具体的な実施例をひとつ挙げてみる。発明者の鋭意なる実験の結果、対象物１０がソルダーボール(Pb37％＋Sn63％)であるとすると、その溶液１４としては、有機溶剤はＨＣＦＣの１４１Ｂとして、これに界面活性物質であるパルミチン酸(脂肪酸のひとつ)を溶融させたもの用いると、その洗浄保護の効果が大きいことがわかり、また、その溶液１４中のパルミチン酸は0.15〜1.0wt％とした場合、特に大きな効果が期待できることが判明した。
そして、洗浄に用いられたソルダーボール洗浄液を分析して、その汚れの成分を調べてみると、元のはんだ成分であるPb37％：Sn63％の比率とは全く異なる、Ｐｂ：Ｓｎが２５：１の割合で含まれた汚れが検出された。このことにより、洗浄前の黒化現象のあった汚れを構成する成分の多くは、鉛(Ｐｂ)であったことがわかった。
【００１９】
また、図３(３) 〜(５)では、頭部と軸部とからなる界面活性分子１６は、その頭部(親水性側)において汚れ１２に付着し、また、同じ頭部側で対象物１０の表面にも付着する図として示したが、これはソルダーボールの黒化現象を防止するために、上記した溶液１４を用いて本発明を実施した場合を想定したものである。よって、対象物１０や溶液の成分が異なる場合においては、界面活性分子１６の付着の様子も、図３とは異なってくることもありうる。
【００２０】
図４は本発明の一実施の形態を示す図であり、洗浄保護の処理がなされる対象物は球体形状のソルダーボール３０である。図４(Ｉ)に示す対象物のソルダーボール３０は、その表面に汚れ３２を有している。これを、界面活性物質を溶解した有機溶剤に浸漬することによって、ソルダーボール３０の表面の汚れは落とされてきれいになり、図４(II)の状態となる。表面がきれいになると、そのまま自然に、有機溶剤に含まれている界面活性物質によって、表面全体に均一な薄膜状のコーティング層３４が形成される(図４(III))、ソルダーボール３０表面は保護されて、ソルダーボールの表面材料が露出されることがなくなる。
この図４で示した実施の形態でも、界面活性物質を溶かした有機溶剤に導電接続体などの対象物を浸漬して洗浄を行って、また表面にコーティング層を形成するという、本発明による洗浄保護方法を示していて、対象物の表面の汚れを落とすステップと、界面活性物質のコーティング層を形成するステップとを、ここに含んでいる。
【００２１】
この図４の各段階(Ｉ) (II) (III)は、ソルダーボール３０の球面状の表面全域が(Ｉ)→(II)→(III)の順に一律に変化して進むわけではなく、たとえば、段階(Ｉ)において汚れがない部分ではすぐに(II)→(III)と進むであろうし、段階(Ｉ)において汚れが多い部分では(II)に至るまでやや時間を要する場合もありうる。すなわち、ソルダーボール３０の部分的な球面(表面)状態によって、(II)→(III)に至る過程の経過時間はそれぞれ異なることが予測されるが、最終的には(III)の段階に達して、表面全体に均一な薄膜状のコーティング層３４が形成される。
【００２２】
本発明による対象物の洗浄保護方法においては、界面活性物質の中でも石鹸の類に入る脂肪酸を用いるのが実用的であり、その脂肪酸としては、パルミチン酸・ステアリン酸・オイレン酸・ミリスチン酸・ラウリン酸のいずれかが用いられるとよい。発明者の実験によれば、なかでもパルミチン酸は40〜50℃で溶けやすく洗浄保護効果も高く、好適なものである。
また、界面活性物質を溶かすための有機溶剤は、界面活性物質を溶かせるものであるなら、いかなる溶剤を用いてもよいが、本発明に用いられる溶剤としては、先にも述べたＨＣＦＣの１４１Ｂが好適であるが、トリクレンやメチクロなどの従来から普及している有機溶剤を用いてもよい。
【００２３】
本発明にかかる表面処理によって形成された、界面活性物質によるコーティング層３４は、イオン結合によってカルボン塩となっている堅固な一層膜であって、ある程度以上の層さから、さらに厚くなることはなく、この状態で100℃でも溶融することはなく、べたつかず、表面はさらさらしている。発明者の実験では、パルミチン酸を用いた場合では、0.5重量％のパルミチン酸を溶かした有機溶剤に、ソルダーボールを浸漬することにより、コーティング層３４が形成されて、その膜厚としては約８０Åのものが得られた。このような一層の膜ができると、この層の上にさらに別の層を形成されるとしても、すぐに剥がれ落ちてしまうので、ある程度以上の厚さより大きくはならない。よって、本発明により得られる界面活性物質によるコーティング層３４は、表面の黒化を防止して、導電構造を形成するための膜としては、真に適正なものであり、本発明を実施することで極めて容易に得ることができる。
【００２４】
また、本発明によるコーティング層３４の生成は、使用される有機溶剤に溶かした界面活性物質の濃度に大きく依存されることはないが、堅固な一層膜を確実に生成するには、洗浄後のすすぎ工程を適正に行うことが大切である。
さらに、洗浄保護工程実施後の溶液は、そこに汚れの成分を多く含んでいるので、これらの汚れを蒸留などの手段によって除去すれば、その溶液は再使用することができる。よって、作業現場ではリサイクルの工程を組んで本発明を実施することができるので、大変効率がよくて、コストアップにもならない。
【００２５】
図５は、本発明による導電接続体３０'(ソルダーボール)が、他の導体間に介在して配設された構造を示す。ソルダーボール３０'は、導体基体100と導体基体200との間に介在設置されて、パッド電極４０などによる導通接続用の補助部材を介してこれらをつないで導通接続する構造となっている。この図５に示したソルダーボール３０'は、半導体装置においては多数の導電バンプが平面状に均等間隔に割り付けられて配置設定される構造で用いられ、例えばＩＣチップ用の導電構造の構築に好適である。
【００２６】
図５では、他の導体として導体基体100と導体基体200の二つの基体だけが示されているが、これらの導体基体は、半導体装置においては積層形の導電構造を形成するための導電層か、または導電用装置の構成部材に当たるものである。具体的には、半導体素子・回路基板・プリント配線パターン・ＩＣチップを含むパッケージ、などの半導体装置において、その半導体装置の内部には導電接続体１０'(ソルダーボールなど)を含んでいる構成となっている。
【００２７】
本発明の洗浄保護の対象物としては、半導体素子・回路基板・プリント配線パターン・ＩＣチップ、パッケージ基体、抵抗、コンデンサ、クリームはんだ、はんだパウダーなど多くの半導体関連の装置や構成部品が挙げられるが、これらに限られるものではなく、他の分野にある対象物についても適宜に本発明が適用できるものである。
たとえば、亜鉛はんだは、活性力が強くフラックスと反応し、酸化し易い性質を有するものであるが、本発明を十分に適用することができる。また、微小寸法立体形状や細かい粉末からなるクリームはんだやはんだパウダーにおいても、本発明を適用することが大変容易である。
【００２８】
【発明の効果】
このように、本発明は、界面活性物質を溶かした有機溶剤に対象物を浸すことによって表面を洗浄するとともにコーティング層を形成するという、対象物を洗浄／保護する方法であり、対象物の表面に対して、汚れを落とすステップと、界面活性物質のコーティング層を形成する保護層形成ステップと、を含んでいる。これにより、ソルダーボールなど導電接続体を例にあげれば、その表面が黒く変色している黒化現象への対応として、既に黒化しているもの対してはその表面をきれいにしてその後の黒化現象を防止させ、また、未だ黒化していないものに対してもその後の黒化現象を防止させる、という大きな効果をあげることができる。そして、本発明による界面活性物質のコーティング層は、保護層として堅固で安定性のある均質で単一な薄膜の形成ができるもので、効果的な洗浄保護の工程を、多くのコストや手間を増加させることなく、容易に実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる界面活性物質(脂肪酸)の分子構造の一例を示す説明図である。
【図２】本発明により対象物表面に界面活性物質(脂肪酸)からなるコーティング層が形成された一例を示す構造説明図である。
【図３】対象物に本発明による洗浄保護方法を適用する様子を示す段階的に説明する図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示す図であり、対象物(ここではソルダーボール３０)に表面処理を行う方法の手順を示す説明図である。
【図５】本発明にかかる対象物であるソルダーボール３０(導電接続体)を含む導電構造を示す断面による説明図であって、ソルダーボール３０(導電接続体)と他の導体間（導体基部100と導体基部200）とで形成された導電構造を示す。
【符号の説明】
Ａ      対象物
Ｂ      コーティング層
１０    対象物
１２    汚れ
１４    溶液
１６    界面活性分子
１６Ａ  界面活性分子によるコーティング層
３０、３０’  ソルダーボール(導電接続体)
３２     ボール表面の汚れ
３４     コーティング層
４０     パッド電極
１００   上側の導体基体
２００   下側の導体基体
【図１】
0004153723.tif 000002
【図２】
0004153723.tif 000003
【図３】
0004153723.tif 000004
【図４】
0004153723.tif 000005
【図５】
0004153723.tif 000006