JP2005161338A - はんだシート - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、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シートを提供することを目的とする。
【解決手段】 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シートであって、前記金属球における直径の平均値が３０〜３００μｍ、直径分布の標準偏差が２．０μｍ以下であるはんだシートである。この金属球としては、球状に凝固されたＮｉを主体とする金属球が好ましく、ハンダシート中の金属球の分布としては、０．０５〜３０質量％の割合で分散し、さらには厚み方向に一層とすることが好ましい。
【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シー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、基板上にシート状のはんだを供給し、その後溶融することで、電子部品を基板と接合させる方法がある。

このような接合方法において、近年、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、はんだ部材内部に、耐熱性微小粒子を分散させて、はんだ接合後に電子部品と端子間に粒子を介在させることではんだの厚みを確保することにより、はんだの基板と電子部材の熱膨張係数の違いを緩和する機能により、製品の信頼性を向上させる方法がある。
特開平７−２９９５９１号公報

本発明者の検討によれば、上述した特許文献１に開示されるはんだシートは耐熱微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微粒子の最大径に依存し、微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課題を知見した。加えて、スタンドオフが一定以上であれば、はんだ層の厚みが増え、基板と電子部材の熱膨張差を緩和するが、厚みが増えることで熱伝導性が悪くなり、結果として電子部材の信頼性を低下させる。特にパワーＩＣの様な熱を放出する電子部材の接合の際は、熱伝導を阻害するはんだ層の厚みを、膨張差を緩和する領域で可能な限りスタンドオフ高さを抑制する必要がある。
本発明の目的は、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シートを適用することである。

本発明者は、はんだシー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、はんだシー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シートであって、前記金属球における直径の平均値が３０〜３００μｍ、直径分布の標準偏差が２．０μｍ以下であるはんだシートである。

この際、はんだシー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、そしてはんだシートにはこのような金属球が、はんだシート中に０．０５〜３０質量％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。

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シートを効率的に提供することが可能となる。

本発明は、はんだシートに分散させる金属球において、スタンドオフ高さは、大きな金属球に依存すること、および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は、接合強度の確保および熱膨張差を緩和するために必要なはんだ量を減ずることになると言う知見から金属球のばらつきを厳密に制御したことを特徴とする。

具体的には、スタンドオフの高さを考慮し、平均直径が３０〜３００μｍの金属球を分散したはんだシートを対象とし、分散させる金属球の直径のバラツキを厳密に制御できたことを特徴とする。具体的には、金属球における直径の標準偏差を２．０μｍ以下としたものである。

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、はんだシー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。
さらに形状が極めて均一な金属球は、はんだシート中の金属球を容易に均一分散することができ、金属球の偏在に起因する熱伝導特性の局所的なばらつきの発生の抑制も期待できる。
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。好ましくは、１．５μｍ以下である。

従来、この様な構成が採用されなかったのは、スタンドオフの値にあまり注目されておらず、また、はんだシートに分散させ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ったためである。

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、はんだシートを用いた接合時に用いら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、はんだシー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、本発明のはんだシートにおいて、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、金属球をはんだシートの全体積に対して０．０５〜３０質量％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シートに混入する必要があり、具体的には０．０５質量％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質量％とすることが好ましい。
また、本発明において球状に凝固されてなる金属球を適用することは、表面が平滑となり好適である。

本発明のはんだシートの模式図を図１に示す。本発明においては、図１の平面図に示すようにはんだシート１の平面方向に一定間隔で金属球２がはんだ３中に分散していることが好ましい。金属球２の分散が偏っている場合は、金属球２のない領域の接続部の間隔が維持できないためである。さらに好ましくは、図１の断面図に示すように接続部の間隔を精密に制御するために、金属球２がはんだシート１の厚み方向に１層であることが好ましい。２層以上であれば、接合時に金属球２が干渉し接合間隔が一定とならない場合があるからである。

これまで金属を溶融、凝固する方法で、かかる目的に使用でき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金属球の製造方法により、上述した本発明のはんだシートに好適な金属球を得ることができる。
その基本となるところは、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、凝固する技術である。
ここで、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、熱プラズマにより、局所的に極めて高温の雰囲気を生成できるため熱プラズマの領域と周囲の雰囲気とでは、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、金属片は一瞬にして溶解され、自身の表面張力により球状となる。球状化した金属片は周囲の雰囲気により、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シートに好適な金属球とすることができる。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。

上述の熱プラズマの適用は、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。

本発明のはんだシートを得るために用いる金属球の製造装置として、図２、図３に一例を示す装置を使用することができる。
図２、図３において、水冷管１１０により冷却されているＲＦプラズマトーチ１０８は、プラズマ動作ガス供給装置１１１によりプラズマ動作ガス供給位置１０６から供給されるプラズマ動作ガスと、コイル１０７から発生する高周波エネルギにより熱プラズマ１０３を発生する。
原料供給装置１０１（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図示しない金属片は、キャリアガスと共に原料供給位置１０２より熱プラズマ１０３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。

このとき、原料供給位置１０２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を適用すれば、酸化物などの不純物が低減も進行させることができる。
熱プラズマ中で処理された金属片はチャンバ１０４中を落下しながら不活性ガス雰囲気中で凝固し、金属球１０９として下部の金属球回収部１０５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、上述したように、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。

あらかじめ薄く圧延したはんだ帯同士を、得られた金属球を定量的に投入しながら圧延することにより、図１に示す如き本発明のはんだシートを得ることができる。
２枚の圧延したはんだ帯に、金属球を供給してはんだシートを得る製造装置の一例を図４に示す。このとき、本発明の標準偏差に調整された金属球はきわめて球状に近いため、はんだ帯７の表面に落としても、転がり不安定である。有機溶剤塗布部４により金属球を固定するフラックスもしくは揮発性の有機溶剤であらかじめ塗布し、ボール供給部５で金属球を落下させる。金属球２は固定されたまま、はんだ帯７と一緒に圧延ロール６にて圧延される。このとき、はんだの融点以下に加熱しながら圧延すると、２枚のはんだシートは属球２を内部に含んだまま、一体のはんだシートとなる。
図４に示す製造装置のボール供給部としては、図５に例示する如き、整列させて落とし込む機構を有することが好ましい。図５において、粉末ホッパ８に供給された金属球２は、供給マスク９に個々に挿入される。供給マスク９は一定の間隔でスライドされる。スライドされた供給マスクは、供給スリット１０で金属球２をはんだシート上に落とし込む。この時の供給マスクのパターンが、そのままはんだシート内での金属球２の並びとなり、はんだシートの厚み方向に一層の金属球が整列し、かつ平面密度が一定となる。
さらに、この時に金属球が、真球度が高く、粒径が揃っていなければ、供給そのものの精度が不足し、結果として信頼性が低下する。
この装置によりはんだシートの厚み方向に対し１層の金属球層を形成することができる。

図２、図３に示すＲＦプラズマ装置を用いて、質量％でＮｉを９９．９％含有する純Ｎｉ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純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質量に対して、約９９．７％の質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６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７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、厚さ１ｍｍの２枚のはんだシート （質量％でＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕからなる組成）へ０．２ｍｍ間隔金属球を落とし込みながら圧延した。このとき、図４、図５の機構を有するはんだシート製造装置にて、金属球を整列させながら、はんだシート間に挿入した。金属球の間隔は金属球がはんだシートの圧延方向に対し０．２ｍｍとなるように供給マスク形状と供給タイミングを設定した。

パス回数と圧延厚みを表２に示す。２枚のはんだシートは１パス目に１．５ｍｍとなり、その後、表１にしたがって圧延を繰り返した。圧延が進むにつれて、金属球間の長手方向の間隔は長くなる。投入時の圧延方向の金属球の間隔をＬ（ｍｍ）、はんだシートの厚みをＴ（ｍｍ）、圧延後の圧延方向の金属球の間隔をｌ（ｍｍ）、はんだシートの厚みをｔ（ｍｍ）とすると、ｌ＝Ｔ×Ｌ／ｔとなる。本実施例ではｌ＝２×Ｌ／０．２５＝８×Ｌ（ｍｍ）となる。最終的なはんだシート内の金属球の圧延方向の間隔は１．６（ｍｍ）となった。この時のはんだシートは、Ｎｉ金属球が０．０８質量％となった。
得られたはんだシートを用いて回路用基盤と電子部品とを接合すれば、スタンドオフ高さが一定となり、電子部品の接合に好適となる。

図２、図３に示すＲＦプラズマ装置を用いて、質量％で９９．８％のＮｉを含むＮｉ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質量に対して、約９９．８％の質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と同じ方法にて算出した。

結果を表３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８に示した粒度分布から粒度分布の幅も良好であり、図９より真円度も高い金属球を製造できた。得られた金属球を質量％で１０％となるように、
溶融したはんだ（質量％でＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕからなる組成）に混ぜ圧延し、厚さ０．２５ｍｍの金属球入りのはんだシートとした。
得られたはんだシート中の金属球の分布は、シート平面方向では、ばらついたものの厚さ方向では、一層とすることができた。

本発明のはんだシートを示す模式図である。 本発明はんだシートに使用する金属球の製造装置の一例を示す図である。 図２のトーチ部分を拡大した模式図である。 本発明のはんだシート製造装置の一例を示す図である。 図４のボール供給部の一例を示す模式図である。 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１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．はんだシート、２．金属球、３．はんだ、４．有機溶剤塗布部、５．ボール供給部、６．圧延ロール、７．はんだ帯、８．供給ホッパ、９．供給マスク、１０．供給スリット、１０１．原料供給装置、１０２．原料供給位置、１０３．熱プラズマ、１０４．チャンバ、１０５．金属球回収部、１０６．プラズマ動作ガス供給位置、１０７．コイル、１０８．ＲＦプラズマトーチ、１０９．金属球、１１０．水冷管、１１１．プラズマ動作ガス供給装置

Claims (5)

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シートであって、前記金属球における直径の平均値が３０〜３００μｍ、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シート。
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に記載のはんだシート。
3. 前記金属球が、はんだシート中に０．０５〜３０質量％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に記載のはんだシート。
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シート。
5. 前記金属球が、はんだシートの厚み方向に一層であることを特徴とする請求項１に記載のはんだシート。

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