JP2005342559A - 定量切断チップの製造方法及びこれを用いた金属球の製造方法 - Google Patents

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伸彦 千綿
Yuichi Nishi
雄一 西
Tsukasa Mikamoto
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Abstract

【課題】 電子デバイスなどの用途に使用可能な品質面、コスト面、精度、生産性に優れた定量切断チップの製造方法およびこれを用いた金属球の製造方法を提供する。。
【解決手段】 本発明は、線径２００μｍ以下の少なくとも２本の金属細線が撚り合わされた撚り線を、金属細線線径の３倍以下のあらかじめ定められた間隔で切断していく定量切断チップの製造方法であり、撚り線としての引張最大荷重０．２ｋｇｆ以上が好ましく、金属細線の材質はＣｕが好適である。また、本発明の金属球の製造方法は、上述の方法によって得られた定量切断チップを流体中で加熱、好ましくは気体中でプラズマを熱源として加熱して、球状化する製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小且つ容積の揃った金属チップの製造に適用する定量切断チップの製造方法と、これを用いた金属球の製造方法に関するものである。
近年、真球度が高く、直径の揃った微小金属球が様々な分野で要求されている。例えば電子機器の分野では、ＦＣ（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ）、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）、或いはＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）などエリアアレイ型の接続端子を有するパッケージが広く用いられるようになっている。エリアアレイ型パッケージは、並設された入出力用の接続端子をその裏面に有し、例えば表面に半田が被覆された銅ボールや半田ボールなど微小金属球がその接続端子に配列され、実装基板上に搭載され、一括リフローされることにより、実装基板と接続される。
電子機器の高性能化および小型、薄型化に伴い、パッケージは多端子化するとともに接続端子の配列ピッチは狭小化する傾向にある。そのようなパッケージにパッケージングされる電子部品を実装基板に実装する場合や、そのようなパッケージを実装基板に実装する場合には、平面方向において高精度に位置合わせをする必要がある。さらに一部の電子機器では、耐衝撃性や放熱性の改善のため、高さ方向、つまり電子部品或いはパッケージと実装基板との間の空隙を高精度に保持する必要がある。すなわち、このような電子機器において、電子部品或いはパッケージと実装基板とを接続する微小金属球は、互いを電気的に導通させるのみならず、空隙を保持するためのスペーサとしても機能するものである。その空隙の間隔は数百μｍ以下であり、さらにその間隔を一様に保持する必要がある。したがって、スペーサとして機能する微小金属球としては、その直径が数百μｍ以下と径小で、直径のバラツキが小さく、さらに真球度が高いものが採用される。
通常、電気的導通のみを目的とした微小金属球としては、融点の低いＳｎ基のはんだ合金を主体としたものが使用される。しかしながら、スペーサとしての機能が要求される用途では、リフロー時の変形を避けるために、融点の高いＣｕ等を主体とした微小金属球にはんだ合金を被覆したものが採用される。
なお上記以外でも、例えば機械装置の分野において、小型ベアリング用のボールとしてステンレスを主体とした真球度が高く直径の揃った微小金属球が望まれている。
前記微小金属球は、例えば、その体積と同一の体積を有する細線を切断した同材質の細線チップを準備し、細線チップを、その融点より高温の油中に投入し、溶融した細線チップの表面張力で球状化させ、微小金属球を得る油中溶融法、或いは細線チップの融点より高温の雰囲気に加熱された炉芯管に投入し、自由落下させながら球状化させる気中溶融法など、溶融法により製造される。
従来、２００μｍ以下の微小な定量切断技術分野としては、下記特許文献１に記載される方法が提案されている。具体的には、「複数本の金属細線を束ねて塩化ビニール等の樹脂で被覆し、これを一定長さに切断した後に被覆をはがして、一定長さの金属線を取り出」し、或いは「複数本の金属線をテープの間に平行に並べて挟み込み、このテープを一定幅に切断してから金属線を取り出」し、微小金属球の材質と同一の金属からなる細線を長手方向に定寸に切断して細線チップを得る製造方法である。この手法は、細線チップを効率的に製造できるとともに、金属細線の直径が径小になった場合でも、径小化による金属細線の剛性低下に起因する切断精度の低下、切断不良または金属細線自体の破断といった現象の発生を抑制することが可能となり、さらに体積のバラツキの少ない細線チップを得ることができ、高精度・大量切断の点では有利である。
特開平３−１８０４０１号公報
特許文献１の方法は上述した利点を有するものであるが、複数本の金属細線を結束剤（樹脂、テープ）で束ねる必要があり、金属細線を切断した後に結束剤を細線チップから除去する工程が別途必要になるため、工程が多くなりコスト高になるという問題があった。さらに品質の点では、樹脂やテープの除去が不完全な場合にはその残渣が微小金属球に混入する可能性があるという問題があった。コストや品質の問題は、定量切断チップの高精度・大量切断を実用化する上で大きな問題となる。
本発明の目的は、品質およびコスト面を解決し、さらに高精度且つ生産性に優れる定量切断チップの製造方法およびこれを用いた金属球の製造方法を提供することである。
本発明者は、品質およびコスト面の問題を検討し、金属細線を撚り線化する技術を採用することで、上記課題を解決できることを見いだし本発明に到達した。
すなわち本発明は線径２００μｍ以下の少なくとも２本の金属細線が撚り合わされた撚り線を、線径の３倍以下のあらかじめ定められた間隔で、切断していく定量切断チップの製造方法である。
本発明における金属細線は、引張最大荷重０．２ｋｇｆ以上であることが好ましい。
また、前記金属細線においては、Ｃｕであることが好適である。
また、本発明においては、金属細線の線径が１００μｍ以下の場合において、４本以上の金属細線の撚り線を用いることもできる。
本発明の金属球の製造方法は、上記製造方法で得られた定量切断チップを流体中で加熱して球状化する方法である。
また、本発明の金属球の製造方法においては、流体中での加熱は、熱プラズマを熱源とすることが好ましい。
本発明によれば、定量切断チップ製造における品質およびコスト面を飛躍的に改善することができ、微細な定量切断チップの大量生産の実用化にとって欠くことのできない技術となる。また、この定量切断チップを原料として金属球を製造すれば、微細かつ粒径の揃った高精度の金属球の大量生産が可能となり、電子部品等の生産性を高める重要な技術となる。
上述したように、本発明の重要な特徴の一つは金属細線を撚り線化する技術を採用したことにある。
金属細線が寄り合わされた、つまり所定のピッチで互いに巻回されてなる撚り線は、お互いに拘束しあい一体化されているため、単一の細線に比べて剛性を高くすることができる。この点は非常に重要で、剛性が低い場合に問題となる、切断精度の低下、切断不良または金属細線自体の破断という問題の発生を低減することができる。これにより、細線チップとして切断したときに個々の細線チップの体積バラツキを小さくすることができる。
また、撚り線という形態では、一回の切断で複数本の切断ができ効率的である。また、細線同士は固着されていないため、切断後、個々の細線チップへの分離も容易である。
加えて、細線を束ねる際に結束剤を用いる必要がないので、結束剤の除去工程が不要となり経済的であるといった利点も有している。
なお、本発明においては、線径２００μｍ以下の金属細線と規定している。これは、線径２００μｍを越えると切断精度の低下、切断不良または金属細線自体の破断という問題が少なくなり、撚り線を使用する本発明を適用する効果が少ないためである。
また、本発明においては、線径の３倍以下の定められた間隔で切断するものとした。この理由は、このような短い間隔での定量切断は極めて困難な分野であり、本発明の特徴を有効に利用することができる範囲であるからである。また、本発明が指向する金属球の製造分野においては、線径に対する切断長さの比が大きい細線チップを加熱して球状化した場合、金属球の真球度の低下や２個以上に分離するといった問題が発生する場合があるため、線径の３倍以下の定められた間隔とすることが必要である。
本発明に適用する撚り線は、引張最大荷重０．２ｋｇｆ以上であることが好ましい。引張最大加重０．２ｋｇｆ未満の撚り線では、剛性が低いため、送線不良が発生する場合が多くなるためである。
なお、本発明においては、金属細線単体ではハンドリングがより困難となる細線単体の引張最大荷重０．１ｋｇｆ以下の金属細線に適用することが好ましい。
また、前記金属細線において、細線の素材は特に限定されることはなく、例えばＮｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、あるいはＷ、Ｍｏ、Ｓｎを主体としたもの等、組成の限定無く適用できるが、特に剛性の低いＣｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇへの適用が好ましく、特に汎用性のあるＣｕ細線を利用する場合に有効である。
なお、細線チップから製造される粒径の揃った金属球は、各種パッケージに用いることができるため、この点からもＮｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇを主体とした細線への適用が有用である。
本発明においては、金属細線の線径に依存する剛性に合わせて、撚り線の本数を調整することが有効である。例えば、金属細線の線径が１００μｍ以下の場合では、４本以上の金属細線を撚り線とすることも可能である。
上述した、製造方法によって得られた定量切断チップを球状化して、金属球を製造することができる。
本発明の金属球の製造方法としては、流体中での加熱する方法を採用する。上記の定量切断チップ金属球を流体中で加熱すると、チップが溶解し、表面張力で球状化することができる。流体中であれば、冶具等との接触がなく、汚染が発生しにくいとともに、表面張力により真球度の優れた金属球が得られるためである。
また、流体中で加熱する方法としては、油中で加熱する方法、輻射によるもの等様々な手段が適用できる。なお、特に生産性の高い手法として、気体中で熱プラズマを適用することが好ましい。
熱プラズマは、高温度場でかつ高い熱伝導率を持つことができる。そして、熱プラズマ中では、金属チップは瞬時に溶融されると同時に表面張力によって球状化するので、熱プラズマ中の約１０ｍｓ程度という極短時間の加熱で金属球が得られる。
また、１０００Ｋ以上の高融点金属を溶融球状化することができるという点でも有効である。
上述した本発明に適用する金属細線の断面形状は、略円形状または略矩形状、略三角形状など種々の形状を選択することができる。
また、前記撚り線として芯線を有するものを用いても良い。金属細線を芯線に巻回されてなる撚り線は、その屈曲が抑制され、搬送時や切断時の撓みが少ないためにより切断不良が低減され好ましい。ただし、この場合は芯線と撚り線では切断形状に差が発生するため、切断チップの定量性は劣ることになる。
なお、本発明において撚り線において、細線を巻回するピッチを小さくすれば素材の剛性を高くすることができるが、一方ピッチを小さくすることは、細線が斜めに切断される傾向が大きくなりため、得られる細線チップの体積のバラツキが大きくなる傾向となる。そのため、切断対象となる金属細線の材質や硬さといった諸特性に応じて調整することが有効である。
線径５０μｍφ、細線単体での引張最大荷重０．０４ｋｇｆの無酸素銅細線１を６本撚り合わせ図１に示す巻回ピッチＰ＝１ｍｍ（公差５０μｍ）で６本互いに巻回された撚り線２を製造した。撚り線を構成する細線は、撚り合わせにより線径１５０μｍとなっていた。
また、この撚り線の引張最大荷重を測定したところ、０．３ｋｇｆであった。
この撚り線を図２で示す細線切断装置を用いて３３μｍ間隔で切断し、１０００個の定量切断チップを作製した。
図２に示す装置は、撚り線２を供給するボビン３と駆動用ローラ４と従動ガイドゴム５とからなる供給部と、撚り線２をダイ６のガイド孔７に送りこみながら切断刃８で定量切断する切断部で構成される細線切断装置である。
得られた切断チップは、ねじれた形状であり、チップ単体では軽すぎて、正確に秤量できず、切断における定量性の評価をそのままでは行うことが出来なかった。そのため、得られたチップから本発明の好適な用途である金属球を製造し、得られた金属球で定量性を評価することとした。
得られたチップを出力８ｋＷ、トーチ内径５０ｍｍφ、プラズマ動作ガス３０Ｌ／ｍｉｎ（アルゴン）にて発生した高周波熱プラズマ中に投入し、球状化を行った。その結果、投入チップ重量に対し９９％の球状化金属球を回収した。回収した金属球をガラス板上にならべ平行性のよい透過光を照射し、投影画像を撮影、得られた画像から面積を求め、それを円直径に換算することで粒径測定を行った。
得られた金属球は、真球状であるために、粒径バラツキは、金属球の体積および重量のバラツキに近似するものである。
得られた粒径分布を図３、測定結果を表１に示す。各金属球の粒径バラツキは標準偏差３μｍ以下である。この結果から、金属チップの重量のばらつきは、無酸素銅の密度を８．９２ｇ／ｃｍ２として標準偏差７．４５ ｘ １０−１０ｇとなり極めて定量的な切断を実施することができたことを確認した。
なお、本実施例では、撚り線を連続的に切断することができ、装置が停止することは皆無であった。
Figure 2005342559
線径３０μｍφ、細線単体での引張最大荷重０．０３ｋｇｆの材質ＳＵＳ３０４の細線を旋回ピッチＰ＝０．６ｍｍ（公差５０μｍ）で７本互いに巻回された撚り線を製造した。撚り線を構成する細線は、撚り合わせにより線径９０μｍとなっていた。
また、この撚り線の引張最大荷重を測定したところ、０．２ｋｇｆであった。
実施例１と同様にして、その撚り線を３５μｍ間隔で切断して細線チップを作製し、同様の条件で熱プラズマにより球状化を施し、小金属球を得た。
各チップから得られた金属球の粒度を測定し得られた粒径分布を図４、測定結果を表２に示す。粒径のバラツキは標準偏差３μｍ以下であって、定量的な切断を実施することができた。
また本実施例でも、撚り線を連続的に切断することができ、線材の強度不足による送線トラブルによって、装置が停止することは皆無であった。
Figure 2005342559
比較例
線径５０μｍφ、細線単体での引張最大荷重を０．０４ｋｇｆの無酸素銅細線を準備した。撚り線ではなく金属細線単体を用いる以外は、実施例１と同様にして、線径５０μｍφの無酸素銅細線を単独で切断を行い、細線チップの製作を行った。細線の剛性不足に起因して、切断時に細線の送り不良が生じたり、切断時に切断刃付近で細線が曲がり切断できなかったりした。結果として、切断不良や送り不良により作業停止が頻発した。得られた細線チップには送り不良により、切断長さが極端に異なるチップが混入し、定量的に切断した細線チップを得られなかったこのチップを実施例１と同様に熱プラズマに投入したが、チップの定量性が悪く、真球度の低い金属球しか得られず、粒径の測定を実施できなかった。
本発明の撚り線の実施例１を示す図である。 図１を用いて細線チップを製造する装置の構成図である。 本発明の実施例１における金属球の粒径分布を示す図である。 本発明の実施例２における金属球の粒径分布を示す図である。
符号の説明
１．無酸素銅細線、２．撚り線、３．ボビン、４．駆動用ローラ、５．従動ガイドゴム、６．ダイ、７．ガイド孔、８．切断刃

Claims (6)

  1. 線径２００μｍ以下の少なくとも２本の金属細線が撚り合わされた撚り線を、金属細線線径の３倍以下のあらかじめ定められた間隔で切断していくことを特徴とする定量切断チップの製造方法。
  2. 撚り線は、引張最大荷重０．２ｋｇｆ以上であることを特徴とする請求項１に記載の定量切断チップの製造方法。
  3. 金属細線は、Ｃｕであることを特徴する請求項１または２に記載の定量切断チップの製造方法。
  4. 線径１００μｍ以下、かつ４本以上の金属細線が撚り合わされた撚り線を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の定量切断チップの製造方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の製造方法で得られた定量切断チップを流体中で加熱して球状化することを特徴とする金属球の製造方法。
  6. 流体中での加熱は、気体中でプラズマを熱源とすることを特徴とする金属球の製造方法。
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