(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理治具の所要位置にCu、Al、Niのいずれか単独又はそれらの合金からなる金属片を載置する際に、BN、AlN、Cのいずれかからなる平均粒径が2μm〜10μmの前記金属片に対する濡れ性の低い微粉末を5μm〜50μm厚みの層状に介在させるか、または前記金属片表面に該微粉末を5μm〜50μm厚みの層状に付着させ、金属片を加熱溶融後に冷却して球状に凝固させる金属ボールの製造方法。
【請求項２】
請求項1において、熱処理治具がBN20〜40重量%、AlN60〜80重量%からなる焼結体である金属ボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体パッケージ用バンプとして有効なCuなどの金属ボールの製造方法に係り、所要寸法の金属片を加熱溶融、冷却して微小金属ボールとなす際に、治具上に濡れ性の低い微粉末を層状に介在させて金属片を載置し、治具との離脱を確保するとともに、寸法精度と生産性を大きく向上させた金属ボールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Cu、Al、Niなどの微小金属ボールは、BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体パッケージ用バンプや、装飾用材、配線用電極、リレーの接点などに使用されるもので、製造方法としては、目的直径に近い寸法の金属ワイヤーより切断された金属片を平板状の治具で加熱溶融させ、表面張力で球状化させる方法(特開昭58-113586号)が一般に採用されている。
【０００３】
より真球度を高める方法として、配置治具に形成された複数の穴内に金属片を個々に振込配置し、治具とともに非酸化性雰囲気内にて溶融点以上の温度で加熱溶融させる方法が提案(特開平7-824113号)されている。
【０００４】
また、効率よく製造するための簡易な方法として、黒鉛粉を主体とする粉末中に金属片を埋めて加熱溶融し、金属ボールを製造する方法が提案(特開平10-8113号)されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記の治具を使用する方法は、大量の金属片を同時に扱えるため取扱性にすぐれるが、金属ボールが治具に接触する面が平坦であると寸法精度が劣るだけでなく、治具の劣化に伴い溶融後の金属ボールの離脱性が悪くなり、治具の短命化と生産効率の低下が懸念され、この傾向は特に、直径0.4mm以下の微小径になる程著しい。
【０００６】
微粉末を利用した製造方法は、粉末に金属片を埋め込んでいるために表面状態が悪く、また、寸法精度も所望の寸法に対しても±0.1mmの誤差が生ずる場合がある。
【０００７】
この発明は、所要寸法の金属片を加熱溶融、冷却して微小金属ボールを製造する方法において、治具との離脱性の向上を図ることを目的とし、さらに微小径であっても極めて寸法精度、真球度のよい金属ボールを製造可能な製造方法の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、溶融、冷却後の治具との離脱性と真球度の向上を目的に、微粉末を用いる方法について種々検討した結果、BN、AlN、Cのいずれかからなる濡れ性の低い微粉末を層状に治具上に介在させて金属片を載置するか、金属片表面に層状に付着させてから治具に載置あるいはその穴内に個々に振込配置することにより、溶融、冷却後の治具との離脱性が極めて良好になり、治具の長期使用が可能となるだけでなく、治具上又は金属片表面の層状の微粉末は金属片が溶融時に表面張力で球体化することを妨げることなく、また得られる金属ボールの表面性状を劣化させることもないため、寸法精度、真球度も大きく向上することを知見し、この発明を完成した。
【０００９】
すなわち、この発明は、熱処理治具の所要位置にCu、Al、Niのいずれか単独又はそれらの合金からなる金属片を載置する際に、BN、AlN、Cのいずれかからなる平均粒径が2μm〜10μmの前記金属片に対する濡れ性の低い微粉末を、5μm〜50μm厚みの層状に介在させるか、または前記金属片表面に該微粉末を5μm〜50μm厚みの層状に付着させ、金属片を加熱溶融後に冷却して球状に凝固させることを特徴とする金属ボールの製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この発明において、金属ボールとなる材料にはいずれの金属、合金も適用可能であるが、半導体パッケージ用バンプや、装飾用材、配線用電極、リレーの接点などの用途には、Cu、Al、Ni並びにこれらの合金が最適である。
【００１１】
金属片の作製は、最終製品となる例えばCuボールの体積に応じて個片の寸法を決定して断面円形や矩形のCu線材より切断するが、使用する治具や治具の穴形状などに応じて、最も効率よく球状化する線材外径Dと切断長さLとの比L/Dを決定するとよい。
【００１２】
この発明において、濡れ性の低い微粉末は、使用する金属片材料に応じて適宜選定できるが、Cu、Al、Niなどに対する濡れ性の低い微粉末としては、BN、AlN、Cが望ましく、いずれも単独の微粉末として使用するとよい。その平均直径は、2μm未満では粉末の流動性が低下して治具上又は金属ボール表面上に層状に形成できず、10μmを超えると得られる金属ボールの表面性状が悪化するため、平均粒径は2μm〜10μmの範囲が好ましい。
【００１３】
微粉末は、いずれも金属片に対して薄膜層状で用いるもので、治具上あるいは多数配置した治具の凹部内に５μｍ〜５０μｍの層状になるように敷いて金属片を載せるか、あるいは金属片の表面に微粉末を５μｍ〜５０μｍの層状に付着させる。微粉末の層厚みが５μｍ未満では、粉末による治具からの離脱性の向上効果にバラツキが発生し、また５０μｍを超えると通常の製法で得られた線材表面に付着させることが困難となり、また熱伝導性が極端に低下するため冷却温度が遅くなり、金属ボール表面の状態が悪化するため、５μｍ〜５０μｍ厚みの層状で使用するとよい。
【００１４】
微粉末の使用方法としては、治具上に層状になるように敷いてから、例えば振動フィーダーなどで金属片を振り込み載置したり、振動フィーダーなどで金属片を供給する途中または振り込み前に微粉末を給粉して表面に層状に付着させるなどの方法を採用することができる。また、平板治具上に上記微粉末を層状配置してから振り込み用の貫通孔を設けた治具板を載せ、金属片を該貫通孔に振り込み微粉末上に載置する方法も採用できる。
【００１５】
なお、金属片表面に層状に付着させる場合、不純物の混入を防止するために事前に非イオン系高級アルコール洗剤、中性洗剤や有機溶剤等によって洗浄(脱脂)した後も層状に付着させることが可能である。
【００１６】
この発明において、熱処理用治具には、溶融金属との濡れ性が低い材料が望ましく、カーボン製、アルミナや炭化ケイ素等のセラミックス製、表面に酸化被膜を形成してなる耐熱鋼製等の使用が好ましいが、さらに、上記微粉末で用いたＢＮ、ＡｌＮ、Ｃの単体又は複合材の焼結体を使用すると、金属片に対して濡れ性が低く、熱伝導性が良好で金属ボールの離脱が容易となる利点がある。
【００１７】
特に、BNとAlNの複合材は、強度や熱伝導性、振り込み用の穴、凹部を作製するための加工性の観点から当該治具材料として望ましく、これらの特徴を有効にするために複合比率を選定するが、高温雰囲気に対して安定性を得るため、BNは20〜40重量%、機械加工性を良好にするため、AlNは60〜80重量%が好ましい。
【００１８】
また、焼結のためのＢＮ／ＡｌＮ複合材の粒度は、２μｍ〜５０μｍが好ましく、熱伝導率が１０００℃で１５Ｗ／ｍ以上、１２００℃で３０Ｗ／ｍ以上となるように焼結条件を選定することが望ましい。また、密度は２．６〜２．８ｇ／ｃｍ３、曲げ強度は６０〜８０ＭＰａ程度が好ましい。
【００１９】
金属片を溶融凝固させる雰囲気は、該金属片が溶融凝固する際に酸化物を形成し、寸法精度の低下、酸化物混入による電気的特性の不安定化、後に必要に応じて被着するハンダメッキ等との被着強度の低下等を招かないように非酸化性雰囲気が望ましく、水素雰囲気、窒素雰囲気、真空等の雰囲気を選定することができる。
【００２０】
例えば、Cu片の場合、加熱溶融温度はCu片の溶融点(1084℃)以上の温度であればよいが、必要以上に高温にすることによって目的とする寸法精度が得られるわけではなく、また経済性や作業性等の観点からも1100℃〜1250℃の範囲が好ましく、さらに1100℃〜1150℃の範囲が好ましい。
【００２１】
金属片を溶融凝固させて得られた金属ボールに付着した微粉末を除去する方法は、公知のいずれの分離、洗浄方法をも採用でき、例えば、湿式の超音波洗浄方法などが好ましい。
【００２２】
【実施例】
実施例１
球径０．２５ｍｍ及び０．７５ｍｍのＣｕボールを作製するため、所定間隔で凹部を配置したカーボン治具を用い、粒径７〜１０μｍのＢＮ粉末を治具の凹部表面上に５μｍ〜５０μｍの層状に敷き、Ｃｕ片をそれぞれ凹部内に振り込みし、１００％Ｎ２雰囲気で１１００℃、５分間加熱溶融させて、その後冷却、治具と分離して超音波洗浄し、Ｃｕボールを得た。
【００２３】
得られたCuボールの球径精度、真球度、離脱率、さらに、治具を10回使用した際の離脱率(表欄のかっこ内に示す)を調べた結果を、球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。なお、球径精度はボールの直径を投影機で測定し、真球度は直径の最大と最小の差によって求め、次の式、真球度%=(1-|最大-最小/平均直径|)×100による。離脱率は、ボールの自重で治具から離脱した割合で、6000個/1治具で離脱した数を測りその割合を求めた。
【００２４】
比較例1
実施例1において、BN粉末を治具の凹部表面上に層状に敷かない以外は同様条件で実施し、得られたCuボールの球径精度、真球度、離脱率、さらに、治具を10回使用した際の離脱率(表欄のかっこ内に示す)を調べ、その結果を球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００２５】
実施例２
球径０．２５ｍｍ及び０．７５ｍｍのＣｕボールを作製するため、所定間隔で凹部を配置したカーボン治具を用い、粒径７〜１０μｍのＣ粉末を治具の凹部表面上に５μｍ〜５０μｍの層状に敷き、Ｃｕ片をそれぞれ凹部内に振り込みし、１００％Ｎ２雰囲気で１１００℃、５分間加熱溶融させて、その後冷却、治具と分離して超音波洗浄し、Ｃｕボールを得た。
【００２６】
得られたCuボールの球径精度、真球度、離脱率を実施例1と同様に調べた結果を、球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００２７】
比較例2
実施例2において、C粉末を治具上に1mm厚みに敷き、Cu片を載せた後さらにC粉末を1mm厚みで被せる以外は同様条件で実施し、得られたCuボールの球径精度、真球度、離脱率を調べ、その結果を球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００２８】
実施例３
球径０．２５ｍｍ及び０．７５ｍｍのＣｕボールを作製するため、所定間隔で凹部を配置したＢＮ／ＡｌＮ焼結体治具（ＢＮ／ＡｌＮ＝４：６）を用い、粒径７〜１０μｍのＡｌＮ粉末を治具の凹部表面上に５μｍ〜５０μｍの層状に敷き、Ｃｕ片をそれぞれ凹部内に振り込みし、１００％Ｎ２雰囲気で１１００℃、５分間加熱溶融させて、その後冷却、治具と分離して超音波洗浄し、Ｃｕボールを得た。
【００２９】
得られたCuボールの球径精度、真球度、離脱率を実施例1と同様に調べた結果を、球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００３０】
比較例3
実施例2において、AlN粉末を治具の凹部表面上に層状に敷かない以外は同様条件で実施し、得られたCuボールの球径精度、真球度、離脱率を調べ、その結果を球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００３１】
実施例４
球径０．２５ｍｍ及び０．７５ｍｍのＡｌボールを作製するため、所定間隔で凹部を配置したＢＮ／ＡｌＮ焼結体治具（ＢＮ／ＡｌＮ＝４：６）を用い、粒径７〜１０μｍのＢＮ粉末を治具の凹部表面上に５μｍ〜５０μｍの層状に敷き、Ａｌ片をそれぞれ凹部内に振り込みし、真空中で１１００℃、５分間加熱溶融させて、その後冷却、治具と分離して超音波洗浄し、Ａｌボールを得た。
【００３２】
得られたAlボールの球径精度、真球度、離脱率を実施例1と同様に調べた結果を、球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００３３】
比較例4
実施例2において、BN粉末を治具の凹部表面上に層状に敷かない以外は同様条件で実施し、得られたAlボールの球径精度、真球度、離脱率を調べ、その結果を球径0.25mmの場合を表1、球径0.75mmの場合を表2に示す。
【００３４】
【表１】
0004119024.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004119024.tif 000003
【００３６】
表1,2より、この発明の実施例は比較例と比べ球径精度、真球度が改善されており、さらに離脱率が大幅に改善されていることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は、所要寸法の金属片を加熱溶融、冷却して微小金属ボールとなす際に、BN、AlN、Cのいずれかからなる濡れ性の低い微粉末を層状に治具上に介在させて金属片を載置するか、金属片表面に層状に付着させてから治具に載置あるいはその穴内に個々に振込配置することにより、溶融、冷却後の治具との離脱性が極めて良好になり、治具の長期使用が可能となるだけでなく、治具上又は金属片表面の層状の微粉末は金属片が溶融時に表面張力で球体化することを妨げることなく、また得られる金属ボールの表面性状を劣化させることもないため、寸法精度、真球度も大きく向上する。