JP2007095336A

JP2007095336A - 弾性接触子

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Publication number: JP2007095336A
Application number: JP2005279586A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Nagano; 真一長野; Junichi Koike; 淳一小池
Original assignee: Tohoku University NUC; Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: JP4428572B2

Abstract

【課題】電気導電率及び降伏応力が高く、しかも短時間で製造できて小型化も容易な弾性接触子を提供する。
【解決手段】ＣｕＳｎ合金を用いて弾性接触子を形成する。このとき、前記ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比を５[ａｔ％]以上２５[ａｔ％]以下とすると、少なくとも９[ＩＡＳＣ／％]以上の電気導電率と、少なくとも０．９[ＧＰａ]以上の降伏応力とを有する弾性接触子とすることが可能となる。また電解メッキ法を用いることにより、より短時間で小型化の弾性接触子を製造することが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばＩＣ（集積回路）の検査装置の接続部に用いられる弾性接触子に係わり、特に電気導電率と降伏応力を向上させた弾性接触子に関する。

従来の弾性接触子に関する先行技術としては、例えば特許文献１に記載されたスパイラルコンタクタなどが存在する。

特許文献１は、半導体デバイス８の背面側に格子状またはマトリックス状に配置された複数の球状接触子７と、プリント基板３３に設けられた複数の電極とをそれぞれ電気的に仮接続させるための半導体検査装置に関するものである。半導体デバイス８の背面と対向するプリント基板３３上にはガイドフレームが設けられ、このガイドフレーム内に複数のスパイラルコンタクタ（弾性接触子）１が配置されている。

半導体デバイス８の背面側をプリント基板３３に向けて押圧すると、球状接触子７の外表面にスパイラルコンタクタ１が螺旋状に巻き付いて接触するため、個々の球状接触子７と個々のスパイラルコンタクタ１との間が電気的に接続される。

一般に、スパイラルコンタクタ１などの弾性接触子は前記球状接触子７などに接触するものであるため、弾性変形しやすい（降伏応力が大きい）こと、および電気導電率が高いことが必要である。

そこで、スパイラルコンタクタ１では、高い導電性を確保するために銅箔４を用いるとともに、銅箔４上にニッケルメッキ２９を施した二層構造とすることにより高い降伏応力を得ている。

また特許文献１には特に記載されていないが、スパイラルコンタクタ１においては、スパイラルコンタクタ１に対し熱処理を施しながら、スパイラルコンタクタ１を立体成形すること等が行われる。
特開２００２−１７５８５号公報（図３７−図３９等）

しかしながら、前記立体成形の際の熱処理によっては、スパイラルコンタクタ１が結晶化し、降伏応力が低下するなど、ばね特性が劣化しやすいという問題、すなわち熱処理等の原因により結晶化が急激に促進することで脆い性質になるため、スパイラルコンタクタ１に折れ等の破損が生じやすいという問題があった。

一方、前記ばね特性の劣化を防ぐには前記ニッケルメッキ２９をアモルファス状態に維持することと、メッキを行う際のメッキ浴の濃度を高度に管理することが必要とされる。このための方法として無電解メッキ法があるが、この方法ではメッキ処理に要する時間が長く、生産性が上がらないという問題があった。

また特許文献１のスパイラルコンタクタ１では、基材となる銅箔４をエッチング処理する必要があるが、エッチング工程を用いる場合には小型化の限界点が早く訪れ、前記スパイラルコンタクタ１のさらなる小型化が難しいという問題もあった。

そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、電気導電率及び降伏応力が高く、しかも短時間で製造できて小型化も容易な弾性接触子を提供することを目的とする。

本発明は、弾性変形部を有する接触子の前記弾性変形部が、電解メッキ法によりＣｕＳｎ合金で形成されていることを特徴とするものである。

本発明では、弾性接触子としては、高い降伏応力と電気導電率を備えた弾性接触子を形成することができる。また電解メッキ法を用いて形成することができるため、微細な加工が可能であり、且つ無電解メッキ法に比較してより短時間に製造することができる。

上記において、前記ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比は、５ａｔ％以上２５ａｔ％以下であることが好ましい。

上記構成では、少なくとも９[ＩＡＳＣ／％]以上の電気導電率と、少なくとも０．９[ＧＰａ]以上の降伏応力とを有する弾性接触子とすることができる。

より好ましくは、前記ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が、１０ａｔ％以上１５ａｔ％以下である。

上記構成では、弾性接触子の降伏応力を１[ＧＰａ]以上とし、且つ電気導電率を１０[ＩＡＳＣ／％]以上とすることができる。

さらには、前記ＣｕＳｎ合金からなる弾性変形部を基台とし、前記弾性変形部の表面に金メッキが施されているものが好ましい。

上記構成では、上記の降伏応力と、さらに高い電気導電率を有する弾性接触子とすることできる。

また本発明の弾性接触子としては、例えば前記弾性変形部が、スパイラル状であることが好ましい。

上記構成では、例えば接続の対象である球状接触子の外表面にスパイラル接触子の弾性変形部が巻き付いて接触する。このとき前記弾性変形部が有する鋭角な角や先端部が、前記球状接触子の外表面に形成されている酸化膜を積極的に切り裂いて接触するため、スパイラル接触子と球状接触子間の接触不良を防止することが可能となる。

本発明では、電気導電率及び降伏応力が高く、しかも電解メッキ法により製造することで短時間でできて小型化も容易な弾性接触子とすることができる。

図１は本発明の弾性接触子の一実施の形態としてのスパイラル接触子を示す拡大平面図、図２はスパイラル接触子の側面図である。

図１に示すようにスパイラル接触子（弾性接触子）１は、所定の膜厚で平面的な形状のマウント部１２と、このマウント部１２から延び出る弾性腕（弾性変形部）１３とが一体に形成されている。弾性腕１３は、マウント部１２との境界部が基端１４であり、基端１４から先端１５に向かうほど半径寸法が短くなる螺旋（スパイラル）パターンで形成されている。弾性腕１３の基端１４の幅寸法Ｌは２５μｍであり、螺旋状に巻かれた最外周に位置する弾性腕１３とその内周側に位置する弾性腕１３との間の隙間寸法Ｓも２５μｍであり、微細な寸法で形成されている。なお、先端１５は螺旋パターンのほぼ図芯Ｏに位置している。

図２は、スパイラル接触子１０およびこれを支持する基板２０を示している。基板２０はスルーホール２１を有しており、このスルーホール２１の内周面に壁面導電体２２が設けられている。基板２０の表面には壁面導電体２２と導通する表面電極部２３が形成され、基板２０の裏面には壁面導電体２２と導通する背面電極部２４が形成されている。

マウント部１２はそのほぼ全域が表面電極部２３に導電性接着剤などを介して接着固定されている。図２では、マウント部１２の下面（マウント部１２と表面電極部２３との境界面）を基準平面Ｈとし、前記図芯Ｏを通る基準平面の垂線をＶで示している。垂線Ｖはスルーホール２１のほぼ中心に位置している。弾性腕１３は、先端１５が基準平面Ｈから垂直方向へ離れる立体形状となっている。

そして、先端１５に対し、例えば図示しない球状接触子（ＢＧＡ）や平板状接触子（ＬＧＡ）などを前記垂線Ｖに沿って下方に押し付けると、弾性腕１３が弾性変形させられる。このときスパイラル接触子１０の弾性腕１３は元の立体形状に復元しようとするため、弾性腕１３には球状接触子や平板状接触子を上方に押し返す弾性力が発生する。

特に、接続の対象が球状接触子である場合には、球状接触子の外表面にスパイラル接触子１０の弾性変形部が螺旋状に巻き付いて接触する。このとき前記弾性腕（弾性変形部）１３が有する鋭角な角や先端部が前記球状接触子の外表面に形成されている酸化膜を積極的に切り裂いて接触するため、スパイラル接触子１０と球状接触子間の接触不良を防止することが可能となる。

なお、基板２０の表面には、多数のスパイラル接触子１０がマトリックス状に配置されている。隣り合うスパイラル接触子１０の配列ピッチは、例えば３０〜５００μｍの範囲であり、弾性腕１３の外周縁の輪郭直径の最大値は、０．５ｍｍ以下であり、例えば２０〜４００μｍ程度と微細である。

以上のようなスパイラル接触子１０は、例えば降伏応力が１[ＧＰａ]以上で、且つ電気導電率が１０[ＩＡＳＣ／％]以上の特性を備えることを目標とする。このような寸法及び特性を備えたスパイラル接触子１０とするためには、Ｃｕ（銅）とＳｎ（錫）とからなるＣｕＳｎ合金が適当である。そこで、以下には前記ＣｕＳｎ合金を用いたスパイラル接触子１０について説明する。

なお、前記ＩＡＣＳ（International Annealed Copper Standard）は、一定の焼鈍標準軟銅の電気の通り易さを１００％としてこれに対する比較で電気導電性をあらわしたもの（（弾性変形部の電気導電率／焼鈍標準軟銅の電気導電率）×１００）である。したがって、電気導電率が１０[ＩＡＳＣ／％]以上とは、前記国際焼鈍標準軟銅の電気導電率の１０％（＝１／１０）以上を意味している。

上記のような寸法及び特性を備えたスパイラル接触子１０は、例えば立体的な螺旋状の溝を備えた電鋳金型（図示せず）をメッキ浴に入れて所定の直流電流又はパルス状の電流を流し、前記電鋳金型の溝の底面にＣｕＳｎを析出させるという電解メッキ法を用いてスパイラル接触子１０を成形する。そして、成形後に所定の温度下で熱処理（アニール）することにより、スパイラル接触子１０が完成する。

ここで用いるメッキ液の組成としては、例えばすず酸ナトリウムが１０〜２０ｇ／リットル、シアン化銅が１０〜２０ｇ／リットル、シアン化ナトリウムが３０〜６０ｇ／リットル、水酸化ナトリウムが５〜１０ｇ／リットル、ロッシェル塩が２０〜１００ｇ／リットルが好ましい。特に、ロッシェル塩は濃度寄与率が大きく、濃度が高いほど降伏応力及び導電率の物性値を高めることができるため、ロッシェル塩のより好ましい範囲は６０〜１００ｇ／リットルである。

なお、前記メッキ液の液温は３０〜５０℃が好ましく、より好ましくは３５〜４５℃が最適である。また前記直流電流又はパルス状の電流の電流密度は、０．５〜２．５[Ａ／ｄｍ^２]が好ましく、より最適な電流密度は後述する範囲の最小値である２．０[Ａ／ｄｍ^２]である。

以下には、上記の方法を用いるとともにアニールの温度及び時間等を変えて形成したスパイラル接触子の特性について説明する。

図３はＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比[ａｔ％（原子％）]と電気導電率[ＩＡＳＣ／％]との関係を示すグラフ、図４はＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比[ａｔ％]と降伏応力[ＧＰａ]との関係を示すグラフ、図５はＣｕＳｎ合金の状態図である。

図３では、メッキ処理により形成されたスパイラル接触子１０に対し、アニール（熱処理）を行わない場合を◆印で、１００℃で１時間アニールした場合を■印で、１００℃で１０時間アニールした場合を△印で、２００℃で１時間アニールした場合を×印で、２００℃で１０時間アニールした場合を＊印でそれぞれ示している。

図３に示すグラフからは、アニールの有無を問わず、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が少なくとも５[ａｔ％]以上あれば、電気導電率を９[ＩＡＳＣ／％]以上とすることができること、および前記電気導電率の最大値は前記Ｓｎの組成比を１５〜１６[ａｔ％]とした場合で約１９[ＩＡＳＣ／％]であることがわかる。さらにはＳｎの組成比を２０[ａｔ％]とした場合であっても、約１５[ＩＡＳＣ／％]の電気導電率を確保することができることがわかる。

同時に、電気導電率を１０[ＩＡＳＣ／％]以上とするためには、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比を９[ａｔ％]以上、好ましくは１０[ａｔ％]以上とすればよいことがわかる。

一方、図４に示すグラフからは、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比を７[ａｔ％]にすると降伏応力を１．２５[ＧＰａ]程度に設定できること、及び前記Ｓｎの組成比を２１[ａｔ％]程度にしても０．９[ＧＰａ]の降伏応力を得ることができることがわかる。同時に、前記降伏応力を１[ＧＰａ]以上にするためには、前記ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比を１６[ａｔ％]以下、好ましくは１５[ａｔ％]以下にすればよいことがわかる。

ところで、図５に示すＣｕＳｎ合金の金属状態図を見ると、図中に符号Ａで示す斜線領域、すなわち温度が０〜３５０℃で且つＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が２５[ａｔ％]以下の範囲の領域では、Ｃｕの結晶がＳｎを固溶している状態にあり、この範囲のＣｕＳｎ合金は高い延性、柔軟性を有している。

一方、図中に符号Ｂで示す斜線領域は、すなわちＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が２５[ａｔ％]の近傍にあり、且つ６７８℃以下の範囲で図中縦方向に延びる領域は、ＣｕとＳｎの金属間化合物（硬い物質）が相として支配している状態にあり、この領域になるとＣｕＳｎ合金に脆化状態が現れる。よって、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比の上限値は２５[ａｔ％]が適当と考えられる。

以上のことから、弾性変形部を形成するＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が５[ａｔ％]以上で且つ２５[ａｔ％]以下の範囲にあれば、少なくとも９[ＩＡＳＣ／％]以上の電気導電率と、少なくとも０．９[ＧＰａ]以上の降伏応力とを有するスパイラル接触子１０とすることが可能である。

またＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比を１０[ａｔ％]以上で且つ１５[ａｔ％]以下とすると、前記降伏応力１が[ＧＰａ]以上で、且つ電気導電率が１０[ＩＡＳＣ／％]以上）を有するスパイラル接触子１０とすることができる。

図６は電解メッキの電流密度[Ａ／ｄｍ^２]とＣｕＳｎ合金に含まれるＣｕの組成比[ａｔ％]及びメッキスピード[μｍ／１０分]との関係を示すグラフである。

上記のように、ＣｕＳｎ合金に含まれる一方のＳｎの組成比の範囲は５[ａｔ％]以上２１[ａｔ％]以下が好ましく、より好ましくは１０[ａｔ％]以上１５[ａｔ％]以下であるから、他方のＣｕの組成比は７９[ａｔ％]以上９５[ａｔ％]以下が好ましく、より好ましくは８５[ａｔ％]以上９０[ａｔ％]以下といえる。

よって、図６に示すグラフから、電解メッキ法によりスパイラル接触子１０を製造した場合、Ｃｕの組成比が７９[ａｔ％]以上９５[ａｔ％]以下では、電流密度は０．４[Ａ／ｄｍ^２]以上６．０[Ａ／ｄｍ^２]以下となり、この場合のメッキスピードは０．６５[μｍ／１０分]〜１．４[μｍ／１０分]となる。

また、前記Ｃｕの組成比のより好ましい範囲（８５[ａｔ％]以上９０[ａｔ％]以下）では、前記電流密度は２．０[Ａ／ｄｍ^２]以上で約３．６[Ａ／ｄｍ^２]以下であり、この場合のメッキスピードは１．１[μｍ／１０分]〜１．２５[μｍ／１０分]になる。

一般に電解メッキ法の場合には、電流密度を大きくすることによりメッキスピード（成長速度）を高めることが可能である。よって、電解メッキ法を用いることにより従来の無電解メッキ法に比較してメッキ処理に要する時間が短くすることができ、前記スパイラル接触子１０の生産性を高めることが可能である。

次に、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比の最適な範囲が、１０[ａｔ％]以上１５[ａｔ％]以下である理由について説明する。

図７はＳｎの組成比が１０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金（スパイラル接触子）の一部を拡大して示す断層写真であり、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示している。また図８はＳｎの組成比が２０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金（スパイラル接触子）の一部を拡大して示す断層写真であり、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示している。図７及び図８においては、粗い結晶粒がＣｕを示し、微細な結晶粒がＣｕ_３Ｓｎを示している。

なお、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が１５[ａｔ％]の場合については、図７に示すＳｎ組成比１０[ａｔ％]の場合とほぼ同様であるため、写真の掲載を省略している。

図７Ａ，Ｂに示すように、Ｓｎの組成比１０[ａｔ％]のときは、アニールの前後において双晶を含むＣｕ粗粒とＣｕ_３Ｓｎ等の金属間化合物の微細粒が存在するが、アニール処理してもＣｕ及びＣｕ_３Ｓｎの粒径及び組織の変化は小さいことがわかる。

一方、Ｓｎの組成比２０[ａｔ％]のときは、図８Ａに示すようにアニール前は前記同様Ｃｕ粗粒とＣｕ_３Ｓｎ等の金属間化合物の微細粒が存在するが、図８Ｂに示すように、アニール後においては粒径が成長して結晶粒界が発生しており、脆化が進行していることがわかる。

すなわち、図７Ａ，Ｂ及び図８Ａ，Ｂより、メッキ処理後のＣｕＳｎ合金からなるスパイラル接触子１０をアニールしたときに、Ｓｎ組成比１０[ａｔ％]の方がＳｎ組成比２０[ａｔ％]に比較して脆化し難いこと（降伏応力が高いこと）がわかる。すなわち、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比の好ましい範囲は２０[ａｔ％]以下、より好ましくは１０[ａｔ％]以上１５[ａｔ％]以下である。

なお、図７Ｂに示す場合（Ｓｎ組成比１０[ａｔ％]で且つアニール処理後の場合）の降伏応力は最大９００[ＭＰａ]（＝０．９[ＧＰａ]）程度であり、図６Ｂに示す場合（Ｓｎ組成比２０[ａｔ％]で且つアニール処理後の場合）の降伏応力は最大７００[ＭＰａ]（＝０．７[ＧＰａ]）であり、降伏応力はＳｎ組成比１０[ａｔ％]の場合の方が高い状態にある。

因みに、Ｓｎ組成比１０[ａｔ％]ではＣｕが島状に点在しているに対し、Ｓｎ組成比２０[ａｔ％]では結晶粒界が発生していることからして、Ｓｎ組成比１０[ａｔ％]の方が電気導電率[ＩＡＳＣ／％]が高い状態にある。

図９はＳｎ組成比が１０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金（スパイラル接触子）の透過電子回折像を示し、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示している。同様に、図１０はＳｎ組成比が２０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金（スパイラル接触子）の透過電子回折像を示し、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示している。

図９Ａ，Ｂに示すように、Ｓｎの組成比が１０[ａｔ％]の場合には、アニールの前後において、同心円状の電子線回折パターン像が鮮明に表れていることがわかる。このことからも、Ｓｎの組成比が１０[ａｔ％]とした場合には、アニール処理してもＣｕ及びＳｎの粒径及び組織はほとんど変化せず、結晶状態が維持されることがわかる。

一方、図１０Ａ，Ｂに示すように、Ｓｎの組成比が２０[ａｔ％]の場合には、アニールの前の状態においては同心円状の電子線回折パターン像が鮮明に表れているが、アニール後の状態においては前記電子線回折パターン像がぼやけ、一部は回折斑点像として表れている。このことから、Ｓｎの組成比が２０[ａｔ％]の場合には、アニール処理をすると結晶組織が変化する（物性の変化＝脆化）ものと予想される。

よって、図９Ａ，Ｂおよび図１０Ａ，Ｂに示す透過電子回折像からも、ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比の好ましい範囲は２０[ａｔ％]以下、より好ましくは１０[ａｔ％]以上１５[ａｔ％]以下である。

上記実施の形態においては、弾性接触子の一例としてスパイラル接触子を用いて説明したが、本発明の弾性接触子はこれに限定されるものではなく、その他例えば板ばね状やコイルスプリング状の接触子などであってもよい。

また上記実施の形態では、弾性接触子（スパイラル接触子）の電気導電率を１０[ＩＡＳＣ／％]以上とした場合について説明したが、前記ＣｕＳｎ合金からなる弾性腕を基台とし、その表面に金メッキを施すことにより、さらに高い電気導電率と高い降伏応力を備えた弾性接触子とすることが可能である。

本発明である弾性接触子の一実施の形態としてのスパイラル接触子を示す拡大平面図である。スパイラル接触子の側面図である。ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比と電気導電率との関係を示すグラフである。ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比と降伏応力との関係を示すグラフである。ＣｕＳｎ合金の状態図である。電解メッキの電流密度とＣｕＳｎ合金に含まれるＣｕの組成比及びメッキスピードとの関係を示すグラフである。Ｓｎの組成比が１０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金の一部を拡大して示す断層写真であり、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示す。Ｓｎの組成比が２０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金の一部を拡大して示す断層写真であり、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示す。Ｓｎ組成比が１０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金の透過電子回折像を示し、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示す。Ｓｎ組成比が２０[ａｔ％]のときのＣｕＳｎ合金の透過電子回折像を示し、Ａはアニール前、Ｂはアニール後を示す。

符号の説明

１０スパイラル接触子
１３弾性腕（弾性変形部）
１４基端
１５先端
２０基板
２１スルーホール

Claims

弾性変形部を有する接触子の前記弾性変形部が、電解メッキ法によるＣｕＳｎ合金で形成されていることを特徴とする弾性接触子。
前記ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が、５ａｔ％以上２５ａｔ％以下であることを特徴する請求項１記載の弾性接触子。
前記ＣｕＳｎ合金に含まれるＳｎの組成比が、１０ａｔ％以上１５ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１記載の弾性接触子。
前記ＣｕＳｎ合金からなる弾性変形部を基台とし、前記弾性変形部の表面に金メッキが施されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性接触子。
前記弾性変形部が、スパイラル状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の弾性接触子。