JP2001226705A - Method for manufacturing fine metallic ball and apparatus for manufacturing fine metallic ball - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing fine metallic balls, such as balls used for microsoldering in semiconductor devices, etc., metallic powder or alloy powder for manufacturing sintered alloys by HIP molding, etc., fine ball bearings used for micromachining, sealed light emitting particles for metal halide lamps, and paste, cream, paint, etc., for screen printing, dip coating or other general coating application machines, for which the metallic balls having narrow grain size distribution and high sphericity are required and a manufacturing apparatus suitable for the same. SOLUTION: This process for manufacturing the fine metallic balls by imparting pressure and vibration to the molten metal in a crucible to eject the molten metal from an orifice disposed at the bottom of the crucible, cooling the molten metal dropped from the orifice in a gaseous atmosphere within a chamber pressurized to 0.01 to 0.3 MPa to solidify the molten metal and forming the fine metallic ball to a diameter below 1,000 μm and this apparatus suitable for manufacturing the same.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、微細金属球の製造
方法並びにそれに用いる装置に関する。本発明に係る微
細金属球は、半導体装置などにおけるマイクロソルダリ
ングに用いられるはんだボールや、熱間静水圧プレス
（ＨＩＰ）成形などによる焼結合金製造の為の金属粉ま
たは合金粉、マイクロマシンに用いられる微細ボールベ
アリング、ハロゲン化金属ランプの封入発光粒子、スク
リーン印刷用や浸漬塗布、その他の一般塗布機用のペー
スト、クリームあるいはペイント等、粒度分布が狭く真
球度の高い微細金属球が要求される用途に適する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing fine metal spheres and an apparatus used therefor. The fine metal sphere according to the present invention is used for a solder ball used for micro soldering in a semiconductor device, a metal powder or an alloy powder for producing a sintered alloy by hot isostatic pressing (HIP) molding, or a micro machine. Fine ball spheres with a narrow particle size distribution and high sphericity, such as fine ball bearings, luminescent particles encapsulated in metal halide lamps, pastes for screen printing, dip coating, and other general coating machines, creams or paints are required. Suitable for various applications.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来、微細金属球製造装置には油中アト
マイズ装置が用いられていた。例えば、特開平１１−２
０７４９４号公報には、はんだの融点以上に加熱された
油中で溶融はんだをオリフィス先から吐出させ、吐出し
たはんだ液流を油中で分断させるものが開示される。製
造されたはんだボールの用途は半導体装置の組立であ
る。半導体装置の組立に用いられる微細金属球は、ころ
がり性、コプラナリティーの観点から真球に近いものが
要求される。 ＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）
もしくはＭＣＭ（マルチ・チップ・モジュール）あるい
はこれらの類似名称で呼ばれる半導体デバイス実装技術
のＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）は広く用いられ
ている。2. Description of the Related Art Conventionally, an atomizing device in oil has been used in a device for producing fine metal balls. For example, JP-A-11-2
Japanese Patent Application Laid-Open No. 07494 discloses a technique in which a molten solder is discharged from an orifice in oil heated to a temperature higher than the melting point of the solder, and the discharged solder liquid flow is divided in the oil. The use of the manufactured solder balls is for assembling semiconductor devices. Fine metal spheres used for assembling semiconductor devices are required to be close to true spheres from the viewpoint of rolling properties and coplanarity. CSP (chip size package)
Alternatively, a BGA (Ball Grid Array) of a semiconductor device packaging technique called by an MCM (Multi Chip Module) or a similar name thereof is widely used.

【０００３】ＢＧＡは、チップが既にキャリア上に実装
されている場合に、チップ・キャリア上に高密度の入出
力（Ｉ／Ｏ）はんだパッドの取り付けを行うものであ
る。このＢＧＡは、キャリアの底面側上において微細金
属球取り付けプロセスを用いて、基板上にチップ・キャ
リアを実装する。基板は、プリント回路ボード、または
他のタイプのマザー・ボードとすることができる。これ
らのＢＧＡキャリアにバンプを設けてはんだパッドを形
成し、最終的に基板との接続を行うためには、キャリア
上のアレイ当たり、数百、多くの場合数千もの微細金属
球を、精度高くしかも同一平面に取り付けることが必要
となる。また、ＬＳＩ，ＶＬＳＩ、ＵＬＳＩと微細化の
一途を辿る半導体装置においては、用いられるはんだボ
ールへの一層の微細化、真球化、狭い粒度分布の要求が
日々、厳しくなってきている。[0003] BGA attaches high density input / output (I / O) solder pads on a chip carrier when the chip is already mounted on the carrier. The BGA mounts a chip carrier on a substrate using a fine metal sphere mounting process on the bottom side of the carrier. The substrate can be a printed circuit board, or other type of mother board. In order to form bumps on these BGA carriers to form solder pads and finally connect to the substrate, hundreds, and often thousands, of fine metal spheres per array on the carrier must be precisely formed. Moreover, it is necessary to mount them on the same plane. Further, in a semiconductor device which is continually miniaturized with LSI, VLSI, and ULSI, the demand for further miniaturization, sphericity, and narrow particle size distribution of solder balls to be used is becoming stricter every day.

【０００４】他方、均一溶滴法と呼ばれる溶着金属の製
造方法が近年注目されている。均一溶滴法とは、概ね均
一な粒度の滴の噴霧を形成し基板に溶着する一つの方法
であり、例えば米国特許第５，２６６，０９８号に開示
される。これは、荷電手段で荷電された溶滴が基板を被
覆するよう噴霧として溶着され凝固物を形成する。るつ
ぼ内の溶湯を振動させる加振ロッドとそれに接続された
ディスクは、溶滴を作るべく溶湯をるつぼにある複数の
オリフィスを通して噴出する。溶湯が滴下溶滴として複
数のオリフィスから出て行くにつれて、溶湯に加えられ
た振動が連続した滴下溶滴を独立した溶滴に破砕する。
溶滴が形成されるにつれて溶滴に電荷が荷電手段により
付与される。各溶滴は帯電し、浮動して相互に反発し合
い、基板に向かって落下して溶着した凝固物を形成す
る。On the other hand, in recent years, a method for producing a deposited metal called a uniform droplet method has attracted attention. The uniform droplet method is a method of forming a spray of droplets having a substantially uniform particle size and welding the droplet to a substrate, and is disclosed in, for example, US Pat. No. 5,266,098. In this method, droplets charged by the charging means are deposited as a spray so as to cover the substrate to form a solidified product. A vibrating rod for vibrating the molten metal in the crucible and a disk connected thereto eject the molten metal through a plurality of orifices in the crucible to form droplets. As the melt exits the plurality of orifices as drop droplets, the vibration applied to the melt breaks the continuous drop droplets into independent droplets.
As droplets are formed, charge is imparted to the droplets by charging means. Each droplet is charged, floats and repels each other, and falls toward the substrate to form a welded solid.

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述した油中アトマイ
ズ法による微細金属球製造装置においては、微細金属球
が大きな比表面積を有するため、油を除去する脱脂工程
が困難であり、脱脂工程で残存した炭素が微細金属球の
表面に残ったり、脱脂の過程で微細金属球が酸化、炭化
など変質して金属球の品質を劣化していた。例えば、は
んだボールに用いる場合には、はんだボールの分離とＩ
Ｃチップへの搭載不良を起こす問題点があった。また、
均一溶滴法は金属球の製造にも有効と考えられるが、金
属球を表面品質の劣化なく回収する技術については、十
分な知見が得られていないものであった。本発明の目的
は、特には均一溶滴法に関連して、微細金属球の炭素、
酸素等による表面汚染を解決し、さらに均一で狭い粒度
分布を具備した微細金属球製造を可能とする微細金属球
の製造方法並びにその装置を提供することである。In the apparatus for producing fine metal spheres by the above-described atomization in oil method, since the fine metal spheres have a large specific surface area, the degreasing step for removing oil is difficult, and the fine metal spheres remain in the degreasing step. The degraded carbon remains on the surface of the fine metal spheres, and the fine metal spheres are deteriorated by oxidation, carbonization and the like during the degreasing process, thus degrading the quality of the metal spheres. For example, when used for solder balls, separation of solder balls and I
There was a problem that mounting failure on the C chip occurred. Also,
Although the uniform droplet method is considered to be effective for the production of metal spheres, sufficient knowledge has not been obtained on a technique for collecting metal spheres without deterioration of surface quality. The object of the present invention, particularly in relation to the homogeneous droplet method, is to use carbon of fine metal spheres,
It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for manufacturing fine metal spheres which can solve surface contamination due to oxygen and the like and can manufacture fine metal spheres having a uniform and narrow particle size distribution.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者は、先ず冷却に
油を用いないことにより表面汚染を無くし、オリフィス
から滴下した溶滴が移動凝固するチャンバー内を加圧す
ることにより、溶滴の移動速度を低下させ且つ冷却能力
を高めることで、実用的な短い移動距離、すなわち短い
チャンバー長さで、ガス雰囲気中で気相凝固させ、回収
時に変形し難くキズ、損傷のない微細金属球を製造でき
ることを見いだし、本発明に到達した。The inventor of the present invention first eliminates surface contamination by not using oil for cooling, and pressurizes a chamber in which droplets dropped from an orifice move and solidify. By reducing the speed and increasing the cooling capacity, the gas phase solidifies in a gas atmosphere with a practical short moving distance, that is, a short chamber length, and produces fine metal spheres that are not easily deformed during recovery and are not damaged or damaged. They found what they could do and arrived at the present invention.

【０００７】すなわち、本発明に係る微細金属球の製造
方法は、るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与して、前記
るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押し出し、
前記オリフィスから滴下した溶湯をゲージ圧で０．０１
〜０．３ＭＰａに加圧したチャンバー内でガス雰囲気中
で冷却して凝固させて直径１０００μｍ以下にすること
を特徴とする微細金属球の製造方法である。チャンバー
内のガス雰囲気は窒素、アルゴン等の非反応性ガスと水
素との混合ガスであることが好ましい。前記チャンバー
内の雰囲気の温度は室温以下であることが好ましい。こ
こで、ゲージ圧とは、周囲の大気圧を基準として表した
圧力の大きさをいう。室温とは大体５〜３５℃程度をい
う。That is, in the method for producing fine metal spheres according to the present invention, pressure and vibration are applied to the molten metal in the crucible to extrude the molten metal from an orifice provided at the bottom of the crucible,
The molten metal dropped from the orifice is measured at a gauge pressure of 0.01.
A method for producing fine metal spheres, comprising cooling in a gas atmosphere in a chamber pressurized to 0.3 MPa and solidifying to a diameter of 1000 μm or less. The gas atmosphere in the chamber is preferably a mixed gas of hydrogen and a non-reactive gas such as nitrogen or argon. The temperature of the atmosphere in the chamber is preferably equal to or lower than room temperature. Here, the gauge pressure refers to the magnitude of pressure expressed with reference to the surrounding atmospheric pressure. Room temperature generally means about 5 to 35 ° C.

【０００８】また、本発明に係る微細金属球の製造装置
は、金属の溶湯を保持し、底部にオリフィスを有するる
つぼと、前記溶湯に振動を与える加振部と、前記オリフ
ィスから押し出された溶滴が移動凝固するゲージ圧０．
０１〜０．３ＭＰａのチャンバーとを具備する装置であ
る。ここで、好ましくは更に、チャンバー内温度を室温
以下に保持する。そして、より好ましくは、前記溶滴が
移動凝固する経路を取り巻いて螺旋状に冷却管を設け、
液化ガスを流してチャンバー内の温度を室温以下に保持
する。または、より好ましくは、前記チャンバー内の温
度を室温以下であって、前記溶滴の移動凝固方向に向か
って低下する温度勾配を持たせる。The apparatus for producing fine metal spheres according to the present invention comprises a crucible for holding a molten metal and having an orifice at the bottom, a vibrating section for applying vibration to the molten metal, and a molten metal extruded from the orifice. Gauge pressure at which the droplet moves and solidifies
It is a device provided with a chamber of 01 to 0.3 MPa. Here, preferably, the temperature in the chamber is maintained at room temperature or lower. And, more preferably, a cooling pipe is provided in a spiral shape around a path where the droplet moves and solidifies,
The temperature inside the chamber is kept at or below room temperature by flowing a liquefied gas. Alternatively, more preferably, the temperature in the chamber is equal to or lower than room temperature, and a temperature gradient that decreases in the moving and solidifying direction of the droplet is provided.

【０００９】[0009]

【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴は、オリフィスから滴下した溶滴が移動凝固するチ
ャンバー内を加圧することにより、溶滴の移動速度を低
下させるとともに、冷却能力を高めたことにある。チャ
ンバーを加圧すると、気体粒子の密度上昇によりチャン
バー内のガスの熱伝導率が高まるとともに、溶滴の移動
時にかかる抵抗も高まるため、移動速度が遅くなり、移
動中の冷却能力が高まる。これにより、実用的な短い移
動距離、すなわち短いチャンバー長さで気相凝固でき、
平衡到達速度の低下により、回収時に変形し難くキズ、
損傷の少ない微細金属球となり、気相から直接回収する
ことが可能となったのである。なお、本発明において、
特に帯電させた溶滴の場合は、粒子間が反発するため、
移動時間が増加しても粒子同士の結合を防止できるため
好ましいものとなる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, an important feature of the present invention is that, by applying pressure to a chamber in which a droplet dropped from an orifice moves and solidifies, the moving speed of the droplet is reduced and the cooling capacity is reduced. Has been raised. When the chamber is pressurized, the thermal conductivity of the gas in the chamber is increased due to the increase in the density of the gas particles, and the resistance applied when the droplet moves is also increased. Therefore, the moving speed is reduced, and the cooling capacity during the movement is increased. This allows gas phase solidification with a practically short travel distance, i.e. a short chamber length,
Due to the lower equilibrium reaching speed, it is difficult to deform at the time of collection,
It became a fine metal sphere with little damage and could be directly recovered from the gas phase. In the present invention,
Especially in the case of charged droplets, the particles repel each other,
Even if the movement time is increased, the bonding between particles can be prevented, which is preferable.

【００１０】本発明を具体的に図１を用いて説明する。
なお、図１はるつぼ３部分を強調した模式図である。溶
湯１は振動子４により振動を付与され、るつぼ３の底部
に設けられたオリフィス２から押し出され、チャンバー
７内に入る。るつぼ３内の雰囲気は通常加圧され、チャ
ンバー７内の雰囲気圧よりも大きくする。この差圧によ
り押し出される溶湯１のジェツトの流速が決まる。ま
た、加振ロッド６の振幅と振動数の制御により、押し出
された溶湯１は所望する単一粒径の液滴となる。The present invention will be specifically described with reference to FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram in which the crucible 3 is emphasized. The molten metal 1 is vibrated by the vibrator 4, extruded from the orifice 2 provided at the bottom of the crucible 3, and enters the chamber 7. The atmosphere in the crucible 3 is usually pressurized and is set to be higher than the atmosphere pressure in the chamber 7. The jet pressure of the molten metal 1 to be extruded is determined by the differential pressure. Further, by controlling the amplitude and frequency of the vibrating rod 6, the extruded molten metal 1 becomes a droplet having a desired single particle size.

【００１１】ここで、振動子４は溶湯１に浸漬せずに、
例えば超音波振動や、ダイアフラム振動でもよいが、よ
り好ましくは振動子４は溶湯１に非浸漬とし、振動子４
に伝達部材５を介するか、または直接に接続された加振
ロッド６の一部を溶湯１に浸漬する方が振動の伝達性が
良い。振動子４は磁歪振動子、電磁ソレノイド等、何で
も使えるが、更に好ましくは、ピエゾ振動子が適切であ
る。高周波発生の観点から一般に共振周波数が高く、従
って振動子の振動数と同数の金属球が生産できるからで
ある。更に好ましくは、前記ピエゾ振動子が積層型であ
ることが好ましい。小型で大きな振動が得られるからで
ある。Here, the vibrator 4 is not immersed in the molten metal 1,
For example, ultrasonic vibration or diaphragm vibration may be used. More preferably, the vibrator 4 is not immersed in the molten metal 1 and the vibrator 4
It is better to immerse a part of the vibrating rod 6 in the molten metal 1 via the transmitting member 5 or directly connected to the molten metal 1 for better vibration transmission. As the vibrator 4, any material such as a magnetostrictive vibrator and an electromagnetic solenoid can be used, but a piezo vibrator is more preferable. This is because the resonance frequency is generally high from the viewpoint of high frequency generation, and therefore, the same number of metal spheres as the frequency of the vibrator can be produced. More preferably, the piezo vibrator is preferably of a laminated type. This is because a large vibration can be obtained with a small size.

【００１２】チャンバー７内で連続した滴下溶滴８を経
て、オリフィス２の直径よりやや大きな径に分離独立し
た滴下溶滴９として移動し、その過程で段々と球状化し
つつ凝固して、分離独立して凝固した微細金属球１１と
なる。この過程をより詳しく説明する。オリフィス２か
ら流出する溶滴の形は次の三つのいずれかとなる。その
一つは流速の低いときで、ぽたぽたと滴下する溶滴とな
り、一つは流速の大きいときで、オリフィス２の周囲に
飛散する溶滴となる。もう一つはその中間にある場合
で、溶滴は実質的に層流領域にあり、オリフィスからの
流出直後は柱状をなす安定した流れとなる。この状態を
作り出す流速は、溶滴の表面張力、オリフィスの直径、
溶滴の密度の関数として表わされ、実質的に層流になる
条件を選択することができる。柱状を成す溶滴もその先
では付加された振動により分離が促進されて分離し、落
下する。Through a continuous drop 8 in the chamber 7, it moves as a separate drop 9 having a diameter slightly larger than the diameter of the orifice 2, and in the process, solidifies while gradually becoming spherical, and separates independently. The solidified fine metal spheres 11 are obtained. This process will be described in more detail. The shape of the droplet flowing out of the orifice 2 is one of the following three. One of them is a dripping droplet when the flow velocity is low, and the other is a droplet that scatters around the orifice 2 when the flow velocity is high. The other is in the middle, in which the droplet is substantially in the laminar flow region, and has a stable flow in the form of a column immediately after flowing out of the orifice. The flow rate that creates this state depends on the surface tension of the droplet, the diameter of the orifice,
Conditions can be selected that are expressed as a function of droplet density and are substantially laminar. At the tip of the droplet, the separation is promoted by the added vibration, and the droplet is separated and falls.

【００１３】もし柱状の連続した溶滴８の先端で起きる
分離が同じタイミングで起きるならば均一な溶滴ができ
るのであるが、自然にまかせた場合、普通は不規則とな
る。これを均一に切断するためにるつぼ３内の溶湯１に
振動子４、例えばピエゾ振動子の振動を溶湯１内に一部
を浸漬した加振ロッド６に伝達して、溶湯１を強制的に
振動する。これにより、溶湯１から振動を始め、連続し
た滴下溶滴８自体もある周期で振動するようになって溶
滴は同じタイミングで均一に切れるようになる。レイリ
ー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）の研究になる非粘性流体におけ
る最大不安定周波数と呼ばれる振動数近傍でもって加振
することにより、均一な溶滴を作り出すことが出来る。If the separation occurring at the tip of a continuous columnar droplet 8 occurs at the same timing, a uniform droplet can be formed, but when left naturally, it is usually irregular. In order to cut this evenly, the vibration of the vibrator 4, for example, a piezo vibrator, is transmitted to the vibrating rod 6 partially immersed in the molten metal 1 in the molten metal 1 in the crucible 3, and the molten metal 1 is forcibly forced. Vibrate. As a result, the molten metal 1 starts to vibrate, and the continuous droplet 8 itself also vibrates at a certain period, so that the droplet is uniformly cut at the same timing. By applying vibration near the frequency called the maximum unstable frequency in a non-viscous fluid to be studied in Rayleigh, a uniform droplet can be produced.

【００１４】すなわち、液体柱に生じた微小な初期乱れ
が時間の経過とともに成長し、乱れの振幅が柱状の連続
した溶滴８の半径を越えたときに連続した滴下溶滴８が
分断され、それにより、乱れの波長に応じた分離独立し
た滴下溶滴が生成される。従って、柱状噴流の表面に規
則的な振動を加えてやることにより、粒子径の揃った均
一な分離独立した滴下溶滴を生成することができる。That is, the small initial disturbance generated in the liquid column grows with time, and when the amplitude of the disturbance exceeds the radius of the continuous columnar droplet 8, the continuous droplet 8 is divided, As a result, separate and independent droplets corresponding to the wavelength of the turbulence are generated. Therefore, by applying a regular vibration to the surface of the columnar jet, it is possible to generate uniformly separated and independent droplets having uniform particle diameters.

【００１５】前記チャンバー７内の雰囲気は、生成する
粒子が変質しないような雰囲気とすることが望ましい。
窒素、アルゴン等の非反応性ガスや還元性の水素ガス、
またはこれらの混合ガスを用いることができる。より好
ましくは、非反応性ガスと水素との混合ガスを用いる。
一例として窒素ガスと水素ガス（８体積％程度）が挙げ
られる。水素ガスを混合する場合には、不活性ガス中の
不純物である水分、酸素を捕捉できる利点がある。水
分、酸素は溶湯が凝固するまでの間に、金属球の表面を
酸化するので極力低くすることが好ましい。また、水素
ガスには還元力もあるため、その点からも微細金属球の
酸化防止に効果的である。ここで、本発明では、雰囲気
の圧力を０．０１〜０．３ＭＰａに加圧したことを特徴
とする。０．０１ＭＰａ未満の場合には、外部に対する
チャンバー内の雰囲気保持が不十分であり、０．３ＭＰ
ａを超える場合にはチャンバー７など圧力容器の安全設
計にコストがかかるからである。従って、より好ましく
は０．０２〜０．１５ＭＰａ、更に好ましくは０．０５
〜０．１３ＭＰａに加圧することが望ましい。It is desirable that the atmosphere in the chamber 7 is such that the generated particles do not deteriorate.
Non-reactive gas such as nitrogen and argon, and reducing hydrogen gas,
Alternatively, a mixed gas of these can be used. More preferably, a mixed gas of a non-reactive gas and hydrogen is used.
One example is a nitrogen gas and a hydrogen gas (about 8% by volume). When hydrogen gas is mixed, there is an advantage that moisture and oxygen, which are impurities in the inert gas, can be captured. Moisture and oxygen oxidize the surface of the metal spheres until the molten metal solidifies, so that it is preferable to minimize it. In addition, since hydrogen gas has a reducing power, it is also effective in preventing oxidation of fine metal spheres. Here, the present invention is characterized in that the pressure of the atmosphere is increased to 0.01 to 0.3 MPa. When the pressure is less than 0.01 MPa, the atmosphere in the chamber is not sufficiently maintained with respect to the outside,
If it exceeds a, the safety design of the pressure vessel such as the chamber 7 is costly. Therefore, more preferably 0.02 to 0.15 MPa, even more preferably 0.05
It is desirable to pressurize to ~ 0.13 MPa.

【００１６】このように、チャンバー７内を０．０１〜
０．３ＭＰａに加圧するので、気密性の向上したチャン
バー内での溶滴は実質的に層流状態での移動を保証さ
れ、且つ凝固速度もガス密度の増加とともに向上するた
めチャンバー７の高さを減少できる。るつぼ３とるつぼ
保持部（図示せず）は、別体でも、るつぼと一体のもの
でも良く、るつぼ保持部とるつぼ３の雰囲気は、溶湯１
の酸化防止のために、不活性ガスとするか、不活性ガス
と若干の（約８体積％程度の）水素ガスを混合しても良
い。また、前記雰囲気の圧力は、チャンバー７内の圧力
よりも正圧であることが、溶湯１の押し出しの為に必要
条件である。As described above, the inside of the chamber 7 is set to 0.01 to
Since the pressure is increased to 0.3 MPa, the droplets in the chamber with improved airtightness are substantially guaranteed to move in a laminar flow state, and the solidification rate increases with an increase in the gas density. Can be reduced. The crucible 3 and the crucible holding portion (not shown) may be separate or integral with the crucible. The atmosphere of the crucible holding portion and the crucible 3 is
In order to prevent oxidation of the inert gas, an inert gas may be used, or an inert gas and a slight amount (about 8% by volume) of a hydrogen gas may be mixed. It is a necessary condition for extruding the molten metal 1 that the pressure of the atmosphere is more positive than the pressure in the chamber 7.

【００１７】ピエゾ振動子は高温（約３７０Ｋ程度）に
なると、ピエゾ素子としての機能が損なわれるので、る
つぼの放熱の影響を少なくするために離隔距離を大きく
取ったり、冷却を行うことが好ましい。ピエゾ素子の駆
動は、加振制御部（図示せず）で行う。ファンクション
ジェネレータで所定周波数の正弦波または矩形波を発生
させ、パワーアンプ（電力増幅器）で増幅した後に、ピ
エゾ振動子に印加し、所定周波数、所定振幅の振動を発
生させ、加振ロッドを介して溶湯にパルス圧力波を生じ
させる。るつぼ３とチャンバー７の間の正の差圧が、溶
湯のジェツトを発生し、溶湯１を溶滴状にして押し出
す。そして、溶湯１から連続した滴下溶滴８に伝達した
振動が、連続した滴下溶滴８を均一に分離して分離独立
した滴下溶滴９を作る。When the temperature of the piezoelectric vibrator becomes high (about 370K), the function as a piezo element is impaired. Therefore, in order to reduce the influence of the heat radiation of the crucible, it is preferable to increase the separation distance or perform cooling. The driving of the piezo element is performed by a vibration control unit (not shown). A function generator generates a sine wave or a rectangular wave of a predetermined frequency, amplifies it with a power amplifier (power amplifier), and applies it to a piezo vibrator to generate a vibration of a predetermined frequency and a predetermined amplitude. A pulse pressure wave is generated in the molten metal. The positive differential pressure between the crucible 3 and the chamber 7 generates a jet of the molten metal, and extrudes the molten metal 1 into a droplet. Then, the vibration transmitted from the molten metal 1 to the continuous droplets 8 uniformly separates the continuous droplets 8 to form the separated and independent droplets 9.

【００１８】ここで、より好ましくは、前記加振ロッド
６の断面形状が円形である場合は、振動モードが均一で
あり溶湯１に振動が均一に伝達する。円形以外の断面形
状、例えば矩形、長方形等の断面を必要に応じて採用す
ることは、当業者の設計的事項であり、本発明の技術的
範囲に包含される。前記加振ロッドの材質は、溶湯１と
反応を起こさないものが好ましく、たとえばステンレス
鋼を用いるが、窒化珪素、窒化アルミ等のセラミックス
を用いると加振ロッド６の共振点が高くなり振動子４の
高周波振動が効率的に伝達されると同時に、低比重の為
に慣性モーメントが小さくなり大きな振幅が得やすい利
点がある。さらにロッドを中空構造とすることで慣性モ
ーメントの低減を図ることができる。Here, more preferably, when the cross-sectional shape of the vibrating rod 6 is circular, the vibration mode is uniform and the vibration is transmitted to the molten metal 1 uniformly. It is a matter of design for a person skilled in the art to employ a cross-sectional shape other than a circle, for example, a cross-section such as a rectangle or a rectangle as necessary, and is included in the technical scope of the present invention. The material of the vibrating rod preferably does not react with the molten metal 1. For example, stainless steel is used. However, when ceramics such as silicon nitride and aluminum nitride are used, the resonance point of the vibrating rod 6 becomes high and the vibrator 4 The high-frequency vibration is efficiently transmitted, and at the same time, the moment of inertia is small due to the low specific gravity, so that a large amplitude can be easily obtained. Further, by making the rod a hollow structure, the moment of inertia can be reduced.

【００１９】溶湯１には例えば、０．００５〜０．３５
ＭＰａの差圧が加えられ、この差圧が溶湯１を流れとし
てオリフィス２を通して押し出す。溶湯１には、所定の
振動が加えられる。振動と、溶湯１の表面張力とによ
り、溶湯１がオリフィス２から流出するにつれて、溶湯
１の流れは、連続した滴下溶滴８から、破砕して均一な
粒度の溶滴９を形成して、凝固して均一な微細金属球１
１を生成する。好適実施例においては、チャンバー内の
作業環境は非反応性雰囲気である。また、溶湯１を入れ
たるつぼ３から溶湯１を約０．０５〜約０．３５ＭＰａ
の高圧で圧出するためにガス制御した装置を使用出来
る。これらの圧力はゲージ圧である。必要に応じ、チャ
ンバー内の作業環境は酸素レベルを制限するために非反
応性ガスを導入することにより繰り返し作業することが
可能である。適当な最低酸素レベルは種々の汚染レベル
に露出される最終製品の特性を測定することにより決め
れる。For example, 0.005 to 0.35
A differential pressure of MPa is applied, and this differential pressure pushes the molten metal 1 as a flow through the orifice 2. A predetermined vibration is applied to the molten metal 1. Due to the vibration and the surface tension of the molten metal 1, as the molten metal 1 flows out of the orifice 2, the flow of the molten metal 1 is crushed from continuous droplets 8 to form droplets 9 of uniform particle size, Solidified and uniform fine metal sphere 1
1 is generated. In a preferred embodiment, the working environment in the chamber is a non-reactive atmosphere. In addition, the molten metal 1 is poured from the crucible 3 into which the molten metal 1 is placed at about 0.05 to about 0.35 MPa.
A gas controlled device can be used to extrude at high pressures. These pressures are gauge pressures. If necessary, the working environment in the chamber can be operated repeatedly by introducing a non-reactive gas to limit the oxygen level. A suitable minimum oxygen level is determined by measuring the properties of the final product exposed to various levels of contamination.

【００２０】本発明によれば、るつぼ３内の雰囲気の圧
力、オリフィス２の直径、溶滴の振動の振動数と振幅の
ようなパラメータを変更して均一粒度の溶滴の径を変え
ることが出来る。例えば、るつぼ３中への溶湯１の送入
速度、るつぼ３内の雰囲気の圧力、温度のようなその他
のパラメータもまた、均一粒度の溶滴の粒度と形成速度
とに影響する。According to the present invention, parameters such as the pressure of the atmosphere in the crucible 3, the diameter of the orifice 2, and the frequency and amplitude of vibration of the droplet can be changed to change the diameter of the droplet having a uniform particle size. I can do it. Other parameters, such as, for example, the rate at which the melt 1 is fed into the crucible 3, the pressure of the atmosphere in the crucible 3, the temperature, also affect the size and rate of formation of droplets of uniform size.

【００２１】図２に別の実施例を示す。これは、るつぼ
３に連通した溶湯供給部１２を設けたもので、滴下する
溶湯の補充を行って、溶湯供給部１２の溶湯供給速度
と、前記オリフィス２からの溶湯流出速度が装置運転中
に実質的に同一であって、溶湯の供給と吐出され滴下、
凝固する微細金属球の製造が連続する様にした。これに
よりバッチ処理ではなく、連続鋳造装置のように連続的
に大量の微細金属球を製造できる。溶湯供給手段への金
属の供給は、液状でも、インゴット等の固体状で供給し
た後、図示しないヒータで溶融しても良い。FIG. 2 shows another embodiment. This is provided with a molten metal supply unit 12 communicating with the crucible 3, and replenishes the molten metal to be dropped, so that the molten metal supply speed of the molten metal supply unit 12 and the molten metal outflow speed from the orifice 2 during the operation of the apparatus. Substantially the same, supply and discharge of molten metal are dripped,
The production of solidified fine metal spheres was continued. Thus, a large amount of fine metal spheres can be continuously produced as in a continuous casting apparatus instead of a batch process. The metal may be supplied to the molten metal supply means in a liquid state or in a solid state such as an ingot and then melted by a heater (not shown).

【００２２】溶湯供給部１２を設け、この溶湯供給部１
２からの溶湯１の供給とオリフィス２からの溶湯の押し
出しとのバランスを取れば、微細金属球の連続製造が可
能となる。溶湯供給は、るつぼ３内の溶湯１に乱れを生
じないように行う必要がある。従って、その条件を満た
せば、原料供給口１３からインゴットで供給しても良い
し、別に設けたるつぼで溶解した溶湯を補給しても良
い。なお、１３はるつぼ３と同圧まで高められた雰囲気
にある。なお、溶湯供給部１２を付加せずに、るつぼ３
に初期に投入した溶湯１だけでバッチ生産する場合に
は、るつぼ３の底部とオリフィス２の間に、凹部ないし
は段差部を設けると、オリフィス付近の溶湯１の流れを
実質的に層流に保つと共に、押湯効果も期待できる。A molten metal supply unit 12 is provided.
If the balance between the supply of the melt 1 from the melt 2 and the extrusion of the melt from the orifice 2 is achieved, continuous production of fine metal spheres becomes possible. It is necessary to supply the molten metal so that the molten metal 1 in the crucible 3 is not disturbed. Therefore, if the conditions are satisfied, the raw material may be supplied from the raw material supply port 13 by an ingot, or the molten metal melted by a separately provided crucible may be supplied. In addition, 13 is in the atmosphere raised to the same pressure as the crucible 3. In addition, the crucible 3 was added without adding the molten metal supply unit 12.
In the case of batch production using only the molten metal 1 initially charged at a time, if a recess or a step is provided between the bottom of the crucible 3 and the orifice 2, the flow of the molten metal 1 near the orifice is substantially laminar. At the same time, you can expect a hot water effect.

【００２３】図３に本発明の別の実施例を示す。螺旋状
の冷却管７１に液体窒素等を流し、溶滴の移動区間を冷
却することにより、チャンバー７の高さを低くでき、か
つ生産性を上げることができる。この場合、冷却部を多
段（図３では２段）として温度勾配をつけると、急冷に
よる品質の劣化を抑制しつつ生産性を向上できる。ま
た、冷却管１４はむき出しでも良いが、収納容器１５内
を通すと、前述の温度勾配をより滑らかにすると共に、
少しの気流が生成しても邪魔板効果でチャンバー７内の
ガスに気流の乱れを生じないのでより好ましい。なお、
チャンバー７内の加圧ガス自体に冷却効果を持たせるこ
とにより、冷却管等を省略することも可能である。FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. By flowing liquid nitrogen or the like through the spiral cooling pipe 71 to cool the moving section of the droplet, the height of the chamber 7 can be reduced and the productivity can be increased. In this case, if the cooling unit has multiple stages (two stages in FIG. 3) and a temperature gradient is provided, productivity can be improved while suppressing deterioration in quality due to rapid cooling. Further, the cooling pipe 14 may be exposed, but when the cooling pipe 14 is passed through the storage container 15, the above-mentioned temperature gradient is smoothed, and
Even if a small amount of airflow is generated, the gas in the chamber 7 is not disturbed by the baffle plate effect, which is more preferable. In addition,
By providing a cooling effect to the pressurized gas itself in the chamber 7, it is possible to omit the cooling pipe and the like.

【００２４】図４は本発明の更に別の実施例を示す。チ
ャンバー７の内壁に複数の邪魔板１６を設けて、チャン
バー７内の雰囲気に乱流が生じないようにして、溶滴の
均一球状化を妨げないように工夫した。FIG. 4 shows still another embodiment of the present invention. A plurality of baffle plates 16 are provided on the inner wall of the chamber 7 so that turbulence does not occur in the atmosphere in the chamber 7 so that a uniform spheroidization of the droplet is not hindered.

【００２５】図５は本発明の更に別の実施例を示す。本
装置は、溶湯１を直径が小さいオリフィス２（例えば直
径４５〜５００μｍ）を通して押し出し、溶滴の流れを
形成する。この流れは積層ピエゾ振動子４で発生した高
周波振動を加振ロッド６に伝達し、溶湯１に振動（例え
ば、約８００Ｈｚ以上）を加えることにより破砕して均
一な溶滴の流れを形成する。振動子４の振動数が約８０
０Ｈｚ未満では溶滴の押し出しが不十分であり、単位時
間当たりの微細金属球の生産量も少ない。FIG. 5 shows still another embodiment of the present invention. The apparatus extrudes a molten metal 1 through an orifice 2 having a small diameter (for example, a diameter of 45 to 500 μm) to form a stream of droplets. This flow transmits the high-frequency vibration generated by the laminated piezoelectric vibrator 4 to the vibrating rod 6 and crushes the molten metal 1 by applying vibration (for example, about 800 Hz or more) to form a uniform droplet flow. The frequency of the vibrator 4 is about 80
If the frequency is less than 0 Hz, the extrusion of droplets is insufficient, and the production amount of fine metal spheres per unit time is small.

【００２６】本発明において荷電部１８は必須ではない
が、荷電した場合には、溶滴同士の電気的な反発力が溶
滴同士の合体をより効果的に阻止できる。従って、荷電
した方が好ましい。そこで、図５に示す実施例では荷電
部１８で溶湯１（るつぼ３）と滴下溶滴の間に高電圧を
印加した。各溶滴はそれらが連続した流れから破砕され
るにつれて、たとえば高電圧プレートのような荷電部１
８によって荷電される。溶滴は同じ極性の電荷が与えら
れるので、相互に反発して弾き合い再合体せずに個別の
独立した状態に留まり、そのため元の粒度を保つ。In the present invention, the charging section 18 is not essential, but when charged, the electric repulsion between the droplets can more effectively prevent the coalescence of the droplets. Therefore, it is preferable to be charged. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 5, a high voltage is applied between the molten metal 1 (crucible 3) and the droplet by the charging unit 18. As each droplet is crushed from a continuous stream, the charged portion 1 such as a high voltage plate
8 charged. Because the droplets are given the same polarity of charge, they repel each other and repel and remain in a separate and independent state without reunion, thereby preserving the original particle size.

【００２７】本発明において、加振ロッド６の先端に加
振ディスク（図示せず）で複数のオリフィスから多量の
溶湯１を押し出して生産性を上げることも可能である。
荷電手段を用いて電気的反発力も利用する場合には、分
離独立した滴下溶滴９の合体が強力に阻止できる為、複
数のオリフィス２の各々に荷電部１８を設けると、微細
金属球の生産能力を大きく増やすことが可能である。In the present invention, it is also possible to push a large amount of molten metal 1 from a plurality of orifices to the end of the vibrating rod 6 with a vibrating disk (not shown) to increase the productivity.
In the case where the electric repulsion is also used by using the charging means, the coalescence of the separated droplets 9 can be strongly prevented. Therefore, if the charging unit 18 is provided in each of the plurality of orifices 2, the production of fine metal spheres can be achieved. It is possible to greatly increase the ability.

【００２８】（製造例）次に、本発明の微細金属球製造
装置を用いて直径４００μｍの６３Ｓｎ−Ｐｂはんだを
製造する場合を例にとって、本発明を説明する。るつぼ
３は０．１３ＭＰａの窒素ガスを充填して操業し、ピエ
ゾ振動子４は、日立金属（株）製の積層型ピエゾ素子
（最大変位量１５μｍ、共振周波数特性１．８ＭＨｚ）
を用いて溶湯１に振動を付与して、オリフィス２から押
し出した。チャンバー７は８体積％の水素ガスを混合し
た窒素ガスで充填して、溶滴の移動経路を取り巻いて螺
旋状に設けた冷却管に液化窒素を流した。チャンバー内
の温度分布は、室温１９℃に対して３〜５℃であった。
はんだボールは溶滴の噴出位置から２．２ｍ下部に回収
缶を設け、サンプルを収集した。(Production Example) Next, the present invention will be described by taking as an example the case of producing a 63Sn-Pb solder having a diameter of 400 μm using the apparatus for producing fine metal spheres of the present invention. The crucible 3 is operated by filling with nitrogen gas of 0.13 MPa, and the piezo vibrator 4 is a laminated piezo element (maximum displacement 15 μm, resonance frequency characteristic 1.8 MHz) manufactured by Hitachi Metals, Ltd.
Vibration was applied to the molten metal 1 by using, and the molten metal was extruded from the orifice 2. The chamber 7 was filled with a nitrogen gas mixed with 8% by volume of hydrogen gas, and liquefied nitrogen was flowed through a spiral cooling pipe surrounding the moving path of the droplet. The temperature distribution in the chamber was 3 to 5 ° C with respect to the room temperature of 19 ° C.
For the solder ball, a collecting can was provided 2.2 m below the position where the droplet was ejected, and a sample was collected.

【００２９】この装置で製造したはんだボールの画像解
析を行なった。ＳＥＭ像による５視野の画像分析を行な
い、投影面積が円と仮定した場合の粒度分布（円相当
径）を求めた。真球度分布は、５視野のＳＥＭ像の各々
の粒について画像処理を行ない、真球度＝円相当径／最
大径としてその分布を求めた。図６は、本発明の微細金
属球製造装置を用いて直径４００μｍの６３Ｓｎ−Ｐｂ
はんだを製造したときの粒径分布を示す。分級操作をす
ることなく、大変良好な分布が得られている。また真球
度０．９５以上でころがり性も良い微細金属球が得られ
た。Image analysis of the solder balls manufactured by this apparatus was performed. Image analysis of five visual fields using an SEM image was performed, and the particle size distribution (equivalent circle diameter) assuming that the projected area was a circle was determined. The sphericity distribution was obtained by performing image processing on each grain of the SEM image in five visual fields and calculating the distribution as sphericity = equivalent circle diameter / maximum diameter. FIG. 6 is a diagram showing a state in which a fine metal sphere manufacturing apparatus according to the present invention is used.
The particle size distribution when a solder is manufactured is shown. A very good distribution is obtained without any classification operation. In addition, fine metal spheres having a sphericity of 0.95 or more and good rolling properties were obtained.

【００３０】比較例として、回収を油中で実施し、その
後ヘキサンで脱脂した同組成のはんだボールの結果を図
７に示す。これらは、真球度、粒度分布共に劣るもので
あり、しかも統計に入れない箔状の粗大粒子が若干混入
していた。また、はんだボール表面の金属光沢も、本発
明によるものに比べて鈍かった。更に、本発明の製造装
置で製造した微細金属球の表面をＳＥＭで分析したとこ
ろ表面の炭素濃度、酸素濃度は検出限界よりも少なかっ
たが、比較例のＳＥＭ分析は表面で炭素濃度が２３原子
％，酸素濃度１８原子％と本発明のものに比較すると汚
染が進んでいた。As a comparative example, FIG. 7 shows the results of solder balls of the same composition, which were collected in oil and then degreased with hexane. These were inferior in both sphericity and particle size distribution, and were slightly mixed with foil-like coarse particles not included in the statistics. Also, the metallic luster of the solder ball surface was duller than that of the present invention. Further, when the surface of the fine metal sphere manufactured by the manufacturing apparatus of the present invention was analyzed by SEM, the carbon concentration and the oxygen concentration on the surface were lower than the detection limit, but the SEM analysis of the comparative example showed that the carbon concentration was 23 atom on the surface. % And an oxygen concentration of 18 atomic%, the contamination was advanced as compared with that of the present invention.

【００３１】[0031]

【発明の効果】本発明によると、るつぼ内の溶湯に圧力
と振動を付与してるつぼの底部に設けたオリフィスから
溶湯を押し出し、前記オリフィスから滴下した溶湯を
０．０１〜０．３ＭＰａに加圧したチャンバー内でガス
雰囲気中で冷却して凝固させて直径１０００μｍ以下に
したので、炭素、酸素による表面汚染が実質的になく、
さらに真球度が高く且つ均一で狭い粒度分布を具備した
微細金属球の工業的な製造が可能である。According to the present invention, the molten metal in the crucible is subjected to pressure and vibration to extrude the molten metal from the orifice provided at the bottom of the crucible, and the molten metal dropped from the orifice is added to 0.01 to 0.3 MPa. Cooled and solidified in a gas atmosphere in a pressurized chamber to a diameter of 1000 μm or less, so there is virtually no surface contamination by carbon and oxygen.
Furthermore, industrial production of fine metal spheres having high sphericity and having a uniform and narrow particle size distribution is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の１実施例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of the present invention.

【図２】本発明の別の実施例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図３】本発明の別の実施例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図４】本発明の別の実施例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図５】本発明の別の実施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing another embodiment of the present invention.

【図６】本発明に係る製造装置で製造した微細金属球の
粒度分布と真球度を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a particle size distribution and sphericity of fine metal spheres manufactured by the manufacturing apparatus according to the present invention.

【図７】比較例の微細金属球の粒度分布と真球度を示す
図である。FIG. 7 is a diagram showing a particle size distribution and sphericity of a fine metal sphere of a comparative example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 溶湯、２ オリフィス、３ るつぼ、４ 振動子、
５ 伝達部材、６ 加振ロッド、７ チャンバー、８
連続した滴下溶滴、９ 分離独立した滴下溶滴、１０
帯電した滴下溶滴、１１ 凝固した微細金属球、１２
溶湯供給部、１３ 原料供給口、１４ 冷却管、１５
冷却管収容器、１６ 邪魔板、１７ 回収部、１８ 荷
電部1 molten metal, 2 orifices, 3 crucibles, 4 vibrators,
5 transmission member, 6 vibrating rod, 7 chamber, 8
Continuous droplets, 9 separate and independent droplets, 10
Charged droplets, 11 solidified fine metal spheres, 12
Molten metal supply unit, 13 raw material supply port, 14 cooling pipe, 15
Cooling tube container, 16 baffle plate, 17 recovery unit, 18 charging unit

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 るつぼ内の溶湯に圧力と振動を付与し
て、前記るつぼの底部に設けたオリフィスから溶湯を押
し出し、前記オリフィスから滴下した溶湯をゲージ圧で
０．０１〜０．３ＭＰａに加圧したチャンバー内のガス
雰囲気中で冷却して凝固させ直径１０００μｍ以下にす
る微細金属球の製造方法。1. A molten metal in a crucible is given pressure and vibration to extrude the molten metal from an orifice provided at the bottom of the crucible, and the molten metal dropped from the orifice is applied to a gauge pressure of 0.01 to 0.3 MPa. A method for producing fine metal spheres that is cooled and solidified in a gas atmosphere in a pressurized chamber to a diameter of 1000 μm or less. 【請求項２】 チャンバー内のガス雰囲気が非反応性ガ
スと水素との混合ガスからなることを特徴とする請求項
１に記載の微細金属球の製造方法。2. The method according to claim 1, wherein the gas atmosphere in the chamber comprises a mixed gas of a non-reactive gas and hydrogen. 【請求項３】 前記チャンバー内の雰囲気の温度が室温
以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の
微細金属球の製造方法。3. The method according to claim 1, wherein the temperature of the atmosphere in the chamber is equal to or lower than room temperature. 【請求項４】 金属の溶湯を保持し、底部にオリフィス
を有するるつぼと、前記溶湯に振動を与える加振部と、
前記オリフィスから押し出された溶滴が移動凝固するゲ
ージ圧０．０１〜０．３ＭＰａのチャンバーとを具備す
ることを特徴とする微細金属球製造装置。4. A crucible for holding a molten metal and having an orifice at the bottom, a vibrating unit for applying vibration to the molten metal,
An apparatus for producing fine metal spheres, comprising: a chamber having a gauge pressure of 0.01 to 0.3 MPa in which droplets extruded from the orifice move and solidify. 【請求項５】 更に前記溶湯を加圧する加圧装置を付加
したことを特徴とする請求項４に記載の微細金属製造装
置。5. The fine metal producing apparatus according to claim 4, further comprising a pressurizing device for pressurizing the molten metal. 【請求項６】 前記溶滴が移動凝固する経路を取り巻い
て螺旋状に冷却管に液化ガスを流してチャンバー内の温
度を室温以下に保持したことを特徴とする請求項４また
は５に記載の微細金属球製造装置。6. The chamber according to claim 4, wherein a liquefied gas is spirally passed through a cooling pipe surrounding a path in which the droplet moves and solidifies, so that the temperature in the chamber is maintained at room temperature or lower. Fine metal ball production equipment.