JP2004076055A

JP2004076055A - 導電性スペーサ用金属球

Info

Publication number: JP2004076055A
Application number: JP2002235604A
Authority: JP
Inventors: Shujiro Kamisaka; 上坂　修治郎; Nobuhiko Chiwata; 千綿　伸彦
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2004-03-11

Abstract

【課題】本発明は、電子機器の製造における加熱工程等での接合寸法の変動が小さく、また真空中でのアウトガスの発生を抑制することも可能な導電性スペーサ用金属球を提供するものである。
【解決手段】本発明者は、Ａｇ−Ｃｕ合金を導電性スペーサとして用いることにより上記問題を解決するに至った。
すなわち本発明は、融点が６００℃以上のＡｇ−Ｃｕ合金からなる導電性スペーサ用金属球である。Ａｇ−Ｃｕ合金は質量％で１８．０〜３８．０％のＣｕを含み、残部実質的にＡｇからなることが好ましい。また、酸素含有量が質量比で２ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温強度に優れ、且つ表面が清浄であって、電子部品における導電性スペーサの用途に適する金属球に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器においては機器の小型・軽量化、高性能化が求められている。小型・軽量化に適する製造方法として、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ　Ｓｉｚｅ　Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれる形態の接合方法が広く行われるようになっている。ＢＧＡ、ＣＳＰは何れもパッケージの裏面に入出力用のパッドを並べたＩＣパッケージであり、はんだボールを予め搭載しているパッケージを、実装基板上に設置し、一括リフローによりパッケージと実装基板とを接合を行う技術である。
これら接合においては、従来から広く用いられているＳｎ基のはんだ合金が主流となっており、このはんだ合金を球状化したはんだボールが用いられている。
【０００３】
はんだ合金の球状化は、油中冷却法等により行われている。この油中冷却法は、定尺に切断された金属細片を、上部がこの金属細片の融点より高く、下部が融点以下の油中に上部から投入し、表面張力を利用して球状化させる方法である。その他、縦に配された炉芯管内に、金属細片を自由落下させて金属細片に用いられている金属の融点以上に加熱させ、球状化させる方法などの提案もされている。この方法は例えば特開平４−０６６６０１号公報に開示されている。
【０００４】
一方、ＢＧＡやＣＳＰ等のようなはんだボールを用いない別の接合方法として、導電性樹脂による接合も行われている。例えば特開平９−１６７９３４号公報では、水晶振動子と保持電極との接合に導電性樹脂を用いることで、電気的に導通した水晶振動子の保持構造を提供している。このような導電性樹脂としてはエポキシ系のＡｇ接着剤等が用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
電子機器の高性能化に伴い、電子機器を構成する各部品を接合する際には、高精度な接合寸法が要求されている。従来、要求される接合寸法は、縦、横の平面方向についてであったが、一部の電子機器に用いられる部品では、平面方向に加え、高さ方向、すなわち部品を接合する基板と部品との間隔についても高精度な接合寸法が要求されるようになっている。言いかえると、このような電子機器では、接合部は単に電気的な導通部としての機能のみならず、スペーサとしての機能も要求されるようになっている。
【０００６】
しかしながら、従来のＳｎ基合金のはんだボールを用いた接合部では、高さ方向の接合寸法における高精度化の達成が困難な場合を生じている。これは以下の理由によるものである。
電子機器の高性能化に伴い製造工程は複雑化されており、電子機器によっては、複数の熱処理工程を経て完成される。この場合、製造工程の初期に接合された接合部は、後の工程で再度加熱されることになる。Ｓｎ基合金のはんだボールを用いたＢＧＡ等の接合部は、加熱工程の度に軟化を生じるが、この接合部の軟化が高さ方向の寸法精度の低下原因となる。また、導電性樹脂を用いた場合では、そもそも必要な高さを正確に制御することが困難である。
【０００７】
さらに、上記の寸法精度の問題に加え、従来のはんだボールや導電性樹脂を用いた接合では、接合部からのアウトガスも問題となっている。これは、主に部材が真空封入されている電子部品、例えば水晶振動子を用いた電子部品等で問題となる。水晶振動子を用いた電子部品とは、水晶振動子をはんだボールや導電性樹脂を用いて筐体内の基板に接合し、この後筐体内を脱気して真空封入したものである。
【０００８】
水晶振動子等の部材が真空封入されている電子部品においては、部材を真空度が１０^−２Ｔｏｒｒ以下の真空中に封入される。接合部が真空封入後に加熱されると、導電性樹脂により接合されている場合には、樹脂中の揮発性の溶剤がアウトガスとして発生する。また、はんだボールにより接合されている場合には、Ｓｎ基のはんだ合金の球状化の過程において表面の酸化が避けられず、特に油中冷却法で球状化を行ったものは、はんだボール表面での酸化膜の生成に加え、汚染物質の付着が避けられない。はんだボールによる接合部では、これらの酸化膜や汚染物質が加熱時のアウトガス発生の原因となる。部材が真空封入された電子部品では、真空封入された筐体内部においてアウトガスが発生すると、電子部品の精度・信頼性を損なう為大きな問題となる。
【０００９】
本発明は、電子機器の製造における加熱工程等での接合寸法の変動が小さく、また真空中でのアウトガスの発生を抑制することも可能な導電性スペーサ用金属球を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ａｇ−Ｃｕ合金を導電性スペーサとして用いることにより上記問題を解決するに至った。
すなわち本発明は、融点が６００℃以上のＡｇ−Ｃｕ合金からなる導電性スペーサ用金属球である。
Ａｇ−Ｃｕ合金は質量％で１８．０〜３８．０％のＣｕを含み、残部実質的にＡｇからなることが好ましい。また、酸素含有量が質量比で２ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の導電性スペーサ用金属球においてＡｇ−Ｃｕ合金とは、ＡｇとＣｕとを主成分とする合金であって、融点が６００℃以上のものである。好ましくは質量％で１８．０〜３８．０％のＣｕを含み、残部実質的にＡｇからなる合金である。より好ましくは、２５．０〜３０．０％のＣｕを含み、残部実質的にＡｇからなる合金である。
【００１２】
Ａｇ−Ｃｕ合金は、従来広く用いられているＳｎ−Ｐｂ合金の融点（１８３℃）や、Ｓｎ−Ｓｂ等の高融点のＰｂフリーはんだの融点（２４３℃）と比較して高融点である。融点が６００℃以上のＡｇ−Ｃｕ合金であれば、電子部品の製造工程において一旦接合された後は、別の工程でＳｎ基合金等のはんだボールを用いて接合を行うための加熱処理等が行われても、金属球接合部は軟化を生じ難い。従って、Ａｇ−Ｃｕ合金による接合部は、従来のＳｎ基の合金のはんだによる接合部のような接合寸法の変動は生じ難く、部品と基板等に対して導電性スペーサとして機能することが可能となる。
一方、Ａｇ−Ｃｕ合金の融点が高すぎると、接合温度が高温となり、電子部品等の被接合物の品質を低下する場合がある。よって、Ａｇ−Ｃｕ合金の融点は８００℃以下とすることが好ましい。
【００１３】
また、導電性材料として考えた場合、抵抗率の小さいＣｕを単体で用いることが好ましいが、本発明においてＡｇ−Ｃｕ合金を用いるのは、Ａｇ−Ｃｕ合金はＣｕと比べて表面での耐酸化性に優れるからである。Ａｇ−Ｃｕ合金を用いることにより電子部品等の接合に用いた場合におけるアウトガスを低減することができる。
アウトガスをより低減するには、本発明の導電性スペーサ用金属球では酸素含有量が質量比で２ｐｐｍ以下であることが好ましい。酸素含有量を質量比で２ｐｐｍ以下とすることにより、水晶振動子等のように真空度が１０^−２Ｔｏｒｒ以下の真空中に封入される部材の接合に用いた場合にも、真空封入後の接合部からアウトガスを抑制することが可能となる。より好ましくは１ｐｐｍ以下である。
【００１４】
従来の方法では、表面での汚染、酸化を抑制した状態で、Ａｇ−Ｃｕ合金を効率的に球状化することが困難であるが、例えば所定の寸法に切断したＡｇ−Ｃｕ合金を、不活性ガス雰囲気においてプラズマ炎中に導入することで球状化を行う方法により本発明の導電性スペーサ用金属球を製造することが可能である。
プラズマ炎とは気体にエネルギを加える事で気体中の分子を原子の状態に解離し、原子をさらにイオンと電子に電離させた電離気体である。これらのプラズマ炎は、高温部では温度が５０００℃以上となる。Ａｇ−Ｃｕ合金がプラズマ炎中に導入さると、瞬時に溶解し、自身の表面張力により球状化する。溶解、球状化したＡｇ−Ｃｕ合金は、プラズマ炎から排出されると凝固し、金属球となる。この際、プラズマ炎における溶解の前後では殆ど体積の変動を生じない為、所定の寸法に切断され同一体積となったＡｇ−Ｃｕ合金を用いることにより、直径の揃った金属球を得ることが可能である。
【００１５】
さらに、上記の製造方法における重要な特徴は、Ａｇ−Ｃｕ合金に形成している酸化物を、溶融、球状化中に低減可能なことである。
既に述べたようにプラズマ炎の高温部では温度が５０００℃以上に達する。Ａｇ−Ｃｕ合金が不活性雰囲気中で５０００℃のような高温に加熱されると、Ａｇ−Ｃｕ合金表面で酸化物を形成している酸素は解離し、雰囲気中に飛散する。その後の凝固、冷却は不活性雰囲気中で行うため、金属球は酸化を生じ難い。この結果、表面での酸化を抑制した金属球を得ることが出来る。
なお、不活性ガス雰囲気としては、窒素ガス雰囲気、アルゴンガス雰囲気等を用いることができる。
【００１６】
また、プラズマ炎には代表的なものとしてＤＣプラズマ、ＲＦプラズマがあるが、本発明にはＲＦプラズマを用いることが好ましい。ＲＦプラズマは、ＤＣプラズマと異なり、電極が不要で、電極材料等に起因する不純物の混入の少ない為である。加えて、ＲＦプラズマでは、ＤＣプラズマと比べて、プラズマ動作ガスのガス流速を低く出来る為、プラズマ炎中でのＡｇ−Ｃｕ合金の滞留時間を長くすることで、十分にＡｇ−Ｃｕ合金を加熱することが可能である。
【００１７】
上述の製造方法によれば、融点が高い為、従来、球状化が困難であったＡｇ−Ｃｕ合金を、表面の酸化や汚染を抑制した状態で球状化することが可能となる。従って、アウトガスを生じ難く、導電性スペーサとしての機能を有する、導電性スペーサ用金属球を得ることができる。
【００１８】
上記の製造方法において、プラズマ炎を発生する為のプラズマ動作ガスには、一般にプラズマ動作ガスとして用いられているアルゴンガス、窒素ガス等を用いることができるが、これに水素ガスを含有させることが好ましい。
既に述べたように、Ａｇ−Ｃｕ合金をプラズマ炎中に導入することで金属球表面での酸素濃度を低減することができるが、さらに、プラズマ動作ガス中に水素を導入すれば、水素イオン、励起原子などの還元反応により酸素濃度を一層低下することが可能となる。プラズマ動作ガス中に水素ガスを含有させる場合、十分な効果を得る為にはプラズマ動作ガス中の水素ガスの濃度を１ｖｏｌ％以上とすることが好ましい。より好ましくは３ｖｏｌ％以上である。なお、水素ガスの濃度を高くすることで、より酸素濃度を低減することが出来るが、一方、水素ガスを過度に含有させるとプラズマ炎が不安定となり、Ａｇ−Ｃｕ合金の球状化を達成できなくなる場合がある。よって水素ガスは２０ｖｏｌ％以下で含有することが好ましい。
【００１９】
また、プラズマ炎に導入するＡｇ−Ｃｕ合金の平均体積を０．０００５ｍｍ^３以上とすることにより、平均直径が０．１ｍｍ以上の金属球を製造することが出来る。
接合部の高さ方向の寸法を確保する為には、接合前のはんだボールは所定の直径が必要となるが、特開平４−０６６６０１号公報に記載されるような従来の球状化の方法では、Ｓｎ基はんだ合金と比べて高融点のＡｇ−Ｃｕ合金では、加熱時の熱量が不足するため、直径が０．１ｍｍ以上の金属球の製造が困難であった。プラズマ炎を用いることで、Ａｇ−Ｃｕ合金を５０００℃以上の高温に加熱できることから、平均体積が０．０００５ｍｍ^３以上のＡｇ−Ｃｕ合金を用いることで、スペーサの用途に適した直径０．１ｍｍ以上の金属球を製造することが可能である。
【００２０】
所定の寸法のＡｇ−Ｃｕ合金を得る簡便な方法の一つとして、ワイヤ材をカッタ等で切断する方法が挙げられる。この場合、切断後のＡｇ−Ｃｕ合金は直径φ、長さＬの比が０．５≦Ｌ／φ≦３．０であることが好ましい。
直径φに対する長さＬの割合が小さいと、切断が困難であるのみならず、Ａｇ−Ｃｕ合金の表面積における切断部面積の割合が大きくなる。切断は組成変形によるため、切断部及びその周辺は形状が不均一であり、切断部が占める面積割合が大きいと、Ａｇ−Ｃｕ合金の体積が不均一となる。よって、切断後のＡｇ−Ｃｕ合金における体積のばらつきを小さくする為には、０．５≦Ｌ／φとすることが好ましい。
一方、直径φに対する長さＬの割合が大きすぎると、プラズマ炎中での球状化において、溶解時にＡｇ−Ｃｕ合金が長手方向に２以上に分断しやすくなり、均一な大きさの金属球を得ることが困難となる。よってＬ／φ≦３．０とすることが好ましい。より好ましくは１．０≦Ｌ／φ≦２．０である。
【００２１】
上述の金属球の製造は例えば図１に一例を示す装置により実施することができる。
図１において、水冷管１０により冷却されているＲＦプラズマトーチ８は、プラズマ動作ガス供給装置１１によりプラズマ動作ガス供給位置６から供給されるプラズマ動作ガスと、コイル７から発生する高周波エネルギによりプラズマ炎３を発生する。
原料供給装置１（例えば電磁振動原料供給装置）に投入された所定の寸法に切断されたＡｇ−Ｃｕ合金は、キャリアガスと共に原料供給位置２よりプラズマ炎３内部の高温部（５０００〜１００００℃）に投入される。プラズマ炎中に投入された原料は瞬時に溶融し、表面張力により球状となる。
【００２２】
プラズマ炎の上流側に位置する原料供給位置２から供給された原料は、十分に加熱、溶融された状態で水素ガスを含有する精錬効果の高いプラズマ部分を通過し、酸化物などの不純物が低減される。
プラズマ炎内で処理されたＡｇ−Ｃｕ合金はチャンバ４中を落下しながら不活性ガス雰囲気中で凝固し、金属球９として下部のボール回収部５に集められ、回収される。
以上のようにして、表面酸化、汚染が少なく、直径の揃った金属球を効率的に製造することができる。
【００２３】
【実施例】
図１に記載のＲＦプラズマ装置を用いて、質量％でＡｇを７１％含有し、残部実質的にＣｕであるＡｇ−Ｃｕ合金を用い、目標直径が３００．０μｍの金属球を以下に示す製造条件で作製した。プラズマ炎に導入するＡｇ−Ｃｕ合金は直径０．２ｍｍのワイヤを回転刃により、一定寸法に切断して作製した。
（製造条件）
Ａｇ−Ｃｕ合金寸法：φ０．２ｍｍ×Ｌ０．４５１ｍｍ（体積０．０１４ｍｍ^３、Ｌ／φ＝２．２５）
プラズマ動作ガス：Ａｒ　３０Ｌ／ｍｉｎ、Ｈ_２　１Ｌ／ｍｉｎ、混合ガス
プラズマトーチ：水冷式石英管φ５０ｍｍ、高周波誘導コイルφ７０ｍｍ
チャンバ：最大内径φ８００ｍｍ、最大内高さ１５００ｍｍ
チャンバ内雰囲気：Ａｒガス雰囲気
原料供給装置：電磁フィーダー
高周波誘導コイル入力条件：４ＭＨｚ、１０ｋＷ
【００２４】
上述の製造条件により得られた金属球について分級を行い、プラズマ炎に導入したＡｇ−Ｃｕ合金の重量に対して、約３０％の重量の金属球を回収した。分級後の金属球から無作為に１００球を抽出し、平均直径、平均真円度を求めた。これらは抽出した１００球の金属球について、金属球毎に光源により投影してＣＣＤカメラに取り込み、下記式により円相当径、真円度を算出し、これらの平均値を算出したものである。
投影面積：Ｓ
最大投影長：Ｌ
円相当径：Ｄ＝２√（Ｓ／π）
真円度：Ｄ／Ｌ
加えてガス吸光分析により金属球中の酸素含有量の分析を行った。結果を表１に示す。
【００２５】
表１に示すように、目標とする直径で、真球度の高い金属球を製造することができている。本実施例に用いたＡｇ−Ｃｕ合金の融点は約７７９℃であり、Ｓｎ基のはんだ合金の溶融温度では変形を生じるほどの軟化を生じることはない。また表１に示すように、酸素含有量も装置の検出限界である１ｐｐｍ以下と非常に低い値を達成することが出来ており、減圧雰囲気下においてもアウトガスを生じ難いものであるといえる。加えて真円度も０．９９以上を達成しており、導電性スペーサとして最適である。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば電子機器の製造における加熱工程等での接合寸法の変動が小さく、またアウトガスの発生を抑制することが可能な導電性スペーサ用金属球を提供することができ、電子部品の製造において欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する製造装置の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１．原料供給装置、２．原料供給位置、３．プラズマ炎、４．チャンバ、５．ボール回収部、６．プラズマ動作ガス供給位置、７．コイル、８．ＲＦプラズマトーチ、９．金属球、１０．水冷管、１１．プラズマ動作ガス供給装置

Claims

融点が６００℃以上のＡｇ−Ｃｕ合金からなることを特徴とする導電性スペーサ用金属球。
Ａｇ−Ｃｕ合金は質量％で１８．０〜３８．０％のＣｕを含み、残部実質的にＡｇからなることを特徴とする請求項１に記載の導電性スペーサ用金属球。
酸素含有量が質量比で２ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の導電性スペーサ用金属球。