JP2005088028A - はんだペースト、はんだペースト用金属球の製造方法、及びはんだペーストの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子部品のスタンドオフ高さを適度に保持することができるはんだペースト、はんだペースト用金属球の製造方法、及びはんだペーストの製造方法を提供する。
【解決手段】はんだペーストに含まれる金属球の粒径の寸法およびそのバラツキの分布をより厳密に管理することが不可欠であることを見出した。即ち本発明は、マトリックスを構成するはんだより高融点の金属球が分散されたはんだペーストであって、前記金属球における直径の平均値が50〜300μｍ、直径分布の標準偏差が2.0μｍ以下であるはんだペーストである。この金属球を工業的なレベルで効率的に得るには、定量分断した融点を400℃以上の金属片を熱プラズマ中３に導入し、該金属片を熱プラズマ中で溶解して球状化した後，落下しながら不活性ガス雰囲気中で冷却され凝固９する製造方法が好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品などの接続部材として用いる微小な金属球を含有するはんだペーストに関するものである。

従来、電子機器は小型化され、電子部品が表面実装によって回路用基板に接続されるものが増加している。この表面実装方法のひとつとして、はんだペーストをスクリーン印刷などにより回路用基板に供給した後に溶融させ電気的接合を得る方法がある。

このような接合方法において、近年、回路用基板の電極部と電子部品の端子間の間隔、即ちスタンドオフ高さを適度に保つことが重要な課題として挙げられており、その対策が検討されている。
たとえば、はんだペーストに、はんだよりも融点の高い金属球を混入し、はんだ接合後に電子部品と端子間に金属球を介在させることでスタンドオフ高さを改善することが提案されている（特許文献１参照。）。
さらには、はんだよりも融点が高く、大きさをほぼ均一に揃えられた粒状物質を混入したはんだペーストにより、部品と基板とのスタンドオフ高さが一様に形成され、部品と基盤は平行にできることが提案されている（特許文献２参照。）。
特開平３−４７６９３公報 特開平６−３９５８３公報

上述した特許文献１に開示されるはんだペーストは金属粒子を混入することによりスタンドオフ高さを確保すると言う点では有利であるものの、スタンドオフの高さは接合部に存在する金属粒子の最大径に依存し、金属粒子が不揃いであれば、自ずとスタンドオフの高さも不揃いとなるというという問題があった。
これに対して、特許文献２に開示されるはんだペーストでは、大きさをほぼ均一に揃えられた粒状物質を混入し、電子部品のスタンドオフ高さを改善することが記載されている。しかしながら、特許文献２には粒状物質の製造方法や、粒径お分布について一切記載されていないものの、従来、かかる用途に用いる粒状物質にはアトマイズ法等で製造された粒径が不均一な金属球が用いられているため、ふるい等により分級を行っても大きさを均一に揃えるには限界があり、実際には十分に粒径の揃った金属球は用いられてはいなかった。

スタンドオフ高さは、電子機器の小型化が進む程より高い精度で要求されるため、水アトマイズ法等で製造される現状の金属球では粒径が不均一であることによる弊害がこれまで以上に顕在化することが予想される。さらに、スタンドオフ高さは粒径の大きな金属球のみに依存するため、スタンドオフ高の確保には金属球の総数ではなく、粒径の大きな金属球の数が重要である。金属球の粒径分布が大きいと、粒径の大きな金属球と共にスタンドオフ高さに寄与しない粒径の小さい金属球が多く混入させることとなり、はんだペースト中に含まれる本来は不要な金属球の割合を増大させることになる。換言するとはんだペースト中のはんだの割合を低くせざるを得ず、はんだ接合部の接合強度を低下させることにもなる。
本発明は、上述した問題を改善し電子部品のスタンドオフ高さを適度に保持することができるはんだペースト、はんだペースト用金属球の製造方法、及びはんだペーストの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、はんだペーストを用いた電子機器でのスタンドオフの高さ制御における問題を検討し、はんだペーストに含まれる金属球の粒径の寸法およびそのバラツキの分布をより厳密に管理することが不可欠であることを見出した。さらにプラズマを用いた金属球の製造方法により、スタンドオフの高さ制御の観点から要求されるスペックを満たす金属球を効率的に製造できることを見出し、本発明に想到した。

即ち本発明は、マトリックスを構成するはんだより高融点の金属球が分散されたはんだペーストであって、前記金属球における直径の平均値が50〜300μｍ、直径分布の標準偏差が2.0μｍ以下であるはんだペーストである。
この際、はんだペーストに分散させる金属球の組成はNiを主体とすることが好ましく、そしてはんだペーストにはこのような金属球が、はんだペースト中に0.1〜30重量％の割合で分散していることが好ましい。また金属球は球状に凝固されてなることが好ましい。

また上述した金属球を工業的なレベルで効率的に得るには、定量分断した融点を400℃以上の金属片を熱プラズマ中に導入し、該金属片を熱プラズマ中で溶解して球状化した後、凝固する製造方法が好適である。
そしてこの製造方法を適用する場合には、定量分断では長手方向に断面積が一定な金属線材を、一定長さに切断して前記金属片とすることが好ましく、さらに断面積の円相当半径ｒと切断された後の一定長さＬとの比Ｌ／ｒが0.1〜3であることが好ましい。このはんだペースト用金属球の製造方法は、Niを主体とする組成の金属片を用いる場合でも、極短時間で溶融、球状化することが可能である。

このようにして得られるはんだペースト用金属球を、0.1〜30重量％の割合ではんだペースト中に分散させることで、電子部品の接合に好適なはんだペーストを得ることができる。

本発明によれば電子部品のスタンドオフ高さを適度に保持することができる金属球入りのはんだペーストを効率的に提供することが可能となる。

はんだペーストに用いる金属球には、平均直径が50〜300μm程度のものが適用されることが多いが、本発明では、その直径のバラツキを厳密に制御することを特徴とする。具体的には、金属球における直径の標準偏差を2.0μｍ以下とするものである。このように標準偏差での管理により直径のバラツキを制御することで、はんだペーストが接続部に用いられた際に、全ての接続部においてスタンドオフ高さを厳密に制御することが可能となり、接続に供される電子部品と基板との平行を達成できるのである。
近年、電子部品の小型化が著しいが、小型の電子部品では接続部の間隔が短くなる為、より金属球のバラツキがより顕著に被接続体の平行度に反映されるようになる。このような技術傾向に対し、直径の標準偏差を2.0μｍ以下とした金属球であれば、小型の電子部品に適用した場合でも高い平行度、寸法精度が得られる。

本発明において金属球が分散するマトリックスを構成するはんだについては、一般にはSnを成分の主体とするものであるが、環境負荷の理由から実質的に鉛を含まないはんだが好ましい。ここで実質的に鉛を含まないとは、鉛含有量を0.1質量%以下に制限されたものである。これは、一般的に鉛フリー材料において、原料から不純物として不可避的に混入する鉛の濃度、及び環境汚染防止の観点から許容されている鉛含有のレベルが0.1質量%以下だからである。具体的には質量％で0.1〜5％のAgと、0.1〜5％のCuを含み残部実質的にSnからなるSn-Ag-Cu系はんだ、Znを5〜15％含み残部実質的にSnからなるSn-Zn系はんだ、さらに5％以下のBiを含むSn-Zn-Bi系はんだ等が挙げられる。

本発明で用いる金属球としてはマトリックスを構成するはんだよりも融点が高ければ如何なる金属球を適用することも可能であるが、はんだペーストに含まれるフラックスとの反応性が低く、且つはんだと適度に濡れがあることからNiを主体とする組成からなる金属球を用いることが好ましい。反応性の高い金属球では、はんだとの界面で化合物を形成して接合強度を低下させる恐れがあり、またはんだと濡れにくい金属球では、はんだペーストを加熱しはんだ接続する際に金属球がはんだから流れ出し、結果として接続部の間隔を維持できないためである。

次に、本発明のはんだペーストにおいて、マトリックスを構成するはんだに金属球を分散する際の割合については、金属球をはんだペーストの全体積に対して0.1〜30重量％とすることが好ましい。
スタンドオフ高さを確保するためには一定量の金属球をはんだペーストに混入する必要があり、具体的には0.1重量％以上の割合で金属球が分散していることが好ましいが、しかし一方、過度に金属球を分散させるとマトリックスであるはんだの割合が少なくなり、接続強度が低下するので、その上限は30重量％とすることが好ましい。

以上に述べた本発明の対象であるはんだペーストにおいては、既に述べたように直径が50〜300μm程度の金属球が適用されているが、かかる微小な直径の金属球において直径のバラツキを標準偏差で2.0μm以下に制御することは従来、極めて困難であった。
これは、はんだペーストに用いる直径が50〜300μm程度の金属球の製造は、水アトマイズ法もしくは、たとえばカーボニル反応を利用した化学的製法等の方法により製造されており、これらの製法により得られる金属球ではそもそも金属球の直径のバラツキが極めて大きいことに加え、特に化学的製法で作製された金属球では表面形状も滑らかではない為である。この様な金属球では、仮に、ふるい分級により金属球の直径を揃えようとしても投入量に対して僅かな金属球しか得られないのみならず、表面が平滑でないことに起因して分級後にも直径のバラツキが大きくなり、実際には標準偏差で2.0μm以下の直径のバラツキを達成することは困難である。

これに対して、球状に凝固されてなる金属球であれば表面が平滑であり好適である。これまで金属を溶融、凝固する方法で、かかる微小な金属球を工業的な規模で製造することは困難であったが、本発明者は以下に述べる新規な金属球の製造方法により、溶融金属が球状に凝固されてなるはんだペーストに好適な金属球の量産を可能とした。

即ちもう一つの本発明は、はんだ粉末と有機溶剤と共に混錬して用いるはんだペースト用金属球の製造方法であって、定量分断した融点が400℃以上の金属片を熱プラズマ中に導入し、該金属片を熱プラズマ中で溶解して球状化した後、凝固するはんだペースト用金属球の製造方法である。

本発明で適用する熱プラズマ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り、電気炉により金属片の加熱を行う従来の製造方法と比べて非常に高い温度、具体的には、高温部では温度が5000℃以上に加熱することが可能である。このように極めて高温の雰囲気を形成する熱プラズマ中では、一般的なはんだよりもの高い融点である、融点が400℃以上の金属片であっても瞬時に溶解することが可能である。

加えて、熱プラズマでは、高温となるのは熱プラズマ中のみであり、熱プラズマから外れた位置では急激に温度が低下する。言いかえると、局所的に極めて高温の雰囲気を達成でき、熱プラズマとそれ以外の場所との間では急激な温度勾配を形成できる。この急激な温度勾配により、熱プラズマの高温部において金属片は溶解、自身の表面張力により球状化し、球状化した金属片は熱プラズマからはなれると、すばやく融点以下に冷却され、凝固して金属球を形成することができる。したがって、落下している短時間で、高融点の金属を効率的に球状化することが可能となる。

このような熱プラズマ中での溶解から凝固の過程では、溶解から凝固が単一の金属片で行われたものは短時間で溶解、凝固を行うので、溶融中の蒸発量が少なく、殆ど体積の変動を生じない。したがって、予め定量分断された金属片、即ち体積の揃った金属片を用いることで、粒径の揃ったはんだペーストに好適な金属球とすることができるのである。なお、溶解から凝固の過程が単一の金属片で行われず、溶解中に他の金属片と接触して体積が変動するものが混在する場合もあるが、これらの金属球では、単一の金属片が凝固したものと比べて体積や形状が大きく異なる為、分級により容易に取り除くことが可能である。
以上に述べた製造方法により、粒径の揃ったはんだペースト用金属球を効率的に製造することができる。

加えて本発明の製造方法では、金属片に予め形成されている酸化物を、溶融、球状化過程において低減することも可能であり、表面の清浄な金属球を得ることができる。これは、本発明の製造方法では既に述べたように熱プラズマの高温部では温度が5000℃以上に達するが、金属片が5000℃のような高温に加熱されると、金属片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ためである。こうして表面が清浄化される結果、はんだとの濡れ性向上にも寄与する。さらに、金属片の溶融、球状化、凝固を還元雰囲気の熱プラズマ中で行うことで、より酸素含有量の低い金属球を得ることも可能である。

本発明のはんだペースト用金属球の製造方法は例えば図１、図２に一例を示す装置により実施することができる。
図１、図２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熱プラズマ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）に投入された定量分断された金属片は、キャリアガスと共に原料供給位置２より熱プラズマ３内部の高温部（5000〜10000℃）に投入される。熱プラズマ中に投入された金属片は瞬時に溶融し、表面張力により球状となる。

熱プラズマの上流側に位置する原料供給位置２から供給された金属片は、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。
熱プラズマ中で処理された金属片はチャンバ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として下部の金属球回収部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、粒径の揃った金属球を効率的に製造することができる。

本発明に適用することができる、熱プラズマ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、熱プラズマ中での金属片の滞留時間を長くすることで、十分に金属片を加熱することが可能である。

また、熱プラズマ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。
本発明では金属片を熱プラズマ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、水素ガスの濃度が高くすることで、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、金属片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。

上述の本発明の製造方法に適用する定量分断された金属片としては、体積の揃った金属片であれば如何なる金属片を用いることも可能であるが、効率的に金属片を得る方法として、長手方向に断面積が一定な金属線材を一定長さに切断して製造することが好ましい。
またこの場合には、金属線材の断面積の円相当半径ｒと切断後の金属片の長さＬとの比Ｌ／ｒは0.1〜3とすることが好ましい。

これは円相当半径ｒに対する長さ金属片の割合が小さいと、切断が困難であるのみならず、金属片の表面積における切断部面積の割合が大きくなる。切断はカッタ等により行われ、この場合切断部では塑性変形を生じるが、切断部及びその周辺は形状が不均一となり易い。そのため切断部が占める面積割合が大きいと、金属片の体積のバラツキが大きくなる。よって、切断後の金属片における体積のバラツキを小さくする観点から、0.1≦Ｌ／ｒとすることが好ましい。

一方、円相当半径ｒに対する長さＬの割合が大きすぎると、熱プラズマ中での球状化において、溶解時に金属片が長手方向に2以上に分断しやすくなり、均一な寸法の金属球を得ることが困難となる。よってＬ／ｒ≦3とすることが好ましい。より好ましくは1≦Ｌ／ｒ≦2である。

以上に述べた製造方法によればはんだペースト用金属球の素材として好適なNiを主とする組成の金属片であっても、効率的に溶融、球状化することができる。また、こうして得られるはんだペースト用金属球を、全体積に対して0.1〜30重量％の割合ではんだペースト中に分散させることで、電子部品の接合に好適なはんだペーストを得ることができる。

図１、２に記載のRFプラズマ装置を用いて、質量％でNiを99.9％含有する金属片を用い、目標直径が100μmの金属球を以下に示す製造条件で作製した。熱プラズマに導入するNi（金属片）は直径0.1mm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）
金属片寸法：φ0.1mm×L0.067mm（L/φ=0.67、L/r=1.34 ※rは円相当半径）
プラズマ動作ガス：Ar 30L/min
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、5kW

上述の製造条件により得られた金属球について、粒径が大きく異なる金属球を取り除く為のふるい分級を行ない、熱プラズマに導入した金属片の重量に対して、約99.7％の重量の金属球を回収した。得られた金属球から無作為に1000pcsの金属球を抽出して直径、真円度を測定し、平均直径、直径分布の標準偏差、平均真円度を算出した。この際、投影面積を円と仮定した場合の直径（円相当径）から平均直径を、真円度＝円相当径／最大径から平均真円度を求めた。

結果を表１に示す。表１に示すように、目標とする直径で、真円度の高い金属球を製造することができている。図３に示すように粒度分布から粒度分布の幅も良好であり、図４に示すように真円度も高い金属球を製造できた。得られた金属球を重量％で10％となるように、平均粒径約30μmのはんだ(質量％でSn3Ag0.5Cuからなる組成)粉末とフラックスとが混合されたはんだペーストに混ぜ、金属球入りのはんだペーストとした。得られたはんだペーストを用いて回路用基盤と電子部品とを接合した結果、スタンドオフ高さが一定となり、本はんだペーストが電子部品の接合に好適であることが確認された。

図１、２に記載のRFプラズマ装置を用いて、質量％でNiを50％含有する金属片を用い、目標直径が80μmの金属球を以下に示す製造条件で作製した。熱プラズマに導入するNi（金属片）は直径0.8mm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）
金属片寸法：φ0.080mm×L0.055mm（L/φ=0.69、L/r=1.38 ※rは円相当半径）
プラズマ動作ガス：Ar 30L/min
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、5kW

上述の製造条件により得られた金属球について、粒径が大きく異なる金属球を取り除く為のふるい分級を行ない、熱プラズマに導入した金属片の重量に対して、約99.8％の重量の金属球を回収した。平均直径、直径分布の標準偏差、平均真円度は実施例１で行ったのと同じ方法にて算出した。

結果を表２に示す。実施例１の場合と同様に目標とする直径で、真円度の高い金属球を製造することができている。図５に示した粒度分布から粒度分布の幅も良好であり、図６より真円度も高い金属球を製造できた。得られた金属球を重量％で10％となるように、平均粒径約30μmのはんだ(質量％でSn3Ag0.5Cuからなる組成)ペースト粉末とフラックスを混合したはんだペーストに混ぜ、金属球入りのはんだペーストとした。得られたはんだペーストを用いて回路用基盤と電子部品とを接合した結果、スタンドオフ高さが一定となり、本はんだペーストが電子部品の接合に好適であることが確認された。

本発明の製造方法を実施する製造装置の一例を示す模式図である。 図１の製造装置におけるプラズマトーチを拡大した模式図である。 本発明による実施例１の粒度分布である。 本発明による実施例２の真円度分布である。 本発明による実施例２の粒度分布である。 本発明による実施例２の真円度分布である。

符号の説明

１．原料供給装置、２．原料供給位置、３．熱プラズマ、４．チャンバ、５．金属球回収部、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 (9)

1. マトリックスを構成するはんだより高融点の金属球が分散されたはんだペーストであって、前記金属球における直径の平均値が50〜300μｍ、直径分布の標準偏差が2.0μｍ以下であることを特徴とするはんだペースト。
2. 前記金属球の組成はNiを主体とすることを特徴とする請求項１に記載のはんだペースト。
3. 前記金属球が、はんだペースト中に0.1〜30重量％の割合で分散していることを特徴とする請求項１または２に記載のはんだペースト。
4. 前記金属球は球状に凝固されてなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のはんだペースト。
5. はんだ粉末と有機溶剤と共に混錬して用いるはんだペースト用金属球の製造方法であって、定量分断した融点が400℃以上の金属片を熱プラズマ中に導入し、該金属片を熱プラズマ中で溶解して球状化した後、凝固することを特徴とするはんだペースト用金属球の製造方法。
6. 前記定量分断では長手方向に断面積が一定な金属線材を、一定長さに切断して前記金属片とすることを特徴とする請求項５に記載のはんだペースト用金属球の製造方法。
7. 前記定量分断において、前記断面積の円相当半径ｒと前記長さＬとの比Ｌ／ｒが0.1〜3であることを特徴とする請求項６に記載のはんだペースト用金属球の製造方法。
8. 前記金属片の組成はNiを主体とすることを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載のはんだペースト用金属球の製造方法。
9. 請求項５乃至８の何れかに記載の製造方法により得られるはんだペースト用金属球を、0.1〜30重量％の割合ではんだペースト中に分散させることを特徴とするはんだペーストの製造方法。

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