JP4644762B2 - スパイラル状接触子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、これらの雄端子51および雌端子52は、互いの摺動部分において、両者のビッカ−ス硬さの差が15HV以上になるように設定されている。
このように摺動部分Sにおいて、雄端子51および雌端子52のビッカ−ス硬さの差を15HV以上とすることによって、挿入力(挿抜力)の低減効果が得られる。このため、両者が同程度に硬い場合にくらべて、接触安定性に優れ、人の手による挿抜時の負担が少なくなる。
一方、両端子51,52のメッキ表面の硬さが同程度に硬い場合も、けずれに対する抵抗が大きくなり、挿入力が大きくなる。
また、両端子51,52のメッキ表面の硬さに差がある場合、軟らかい方がけずれやすくなって、挿入力が小さくなる。この場合、両者のビッカース硬さの差が15HV以上ある場合に挿入力低減の効果が得られるようになる。
これにより、コネクタ挿抜抵抗を低減するとともに、コネクタ組み立て時において必要な挿入力を低減して、組み立て作業の作業効率を向上させ作業員の疲労を低減することが可能となる。
図16の(a)に示すように、Cu合金の基板53の表面に、Cu,Ag,Ni,Pb,Zn,P,B,Cr,Mn,Fe,Co,Pd,Pt,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,In,C,S,Au,Al,Si,Sb,Bi,およびTeの中から選ばれる1種または2種以上の金属を含んだメッキ処理をほどこして、金属薄板55を形成する。メッキ処理によりCu合金の基板53と、前記金属の中から選ばれた金属とが一部合金化されてメッキ表面を所定の硬度に硬化させる。
また、自動車の組み立て工程などにおいて、組み立て作業での作業効率を向上させることができる。さらに、把持力が変化しないことにより、エンジンなどの振動によって外れることのない安定した装着を確保できる(例えば、特許文献1参照)。
また、異種金属の原子を熱拡散させたい金属材上に、異種金属の薄膜を載置して金属材の表層に合金を形成させる際、金属同士が融着してしまうという問題があった。
また、請求項13に記載の発明は、請求項11に記載のスパイラル状接触子の製造方法であって、前記スパイラル状接触子の製造方法において、前記バリア材がニッケル(Ni)メッキ、前記コア金属が前記Niメッキ上にメッキ析出させた銅(Cu)、および前記異種金属がアルミニウム(Al)で構成されたとき、前記加熱する温度は691〜934Kであることを特徴とする。
また、請求項13に係る発明によれば、バリア材がニッケル(Ni)メッキ、コア金属がNiメッキ上にメッキ析出させた銅(Cu)、および異種金属がアルミニウム(Al)で構成されたとき、加熱する温度を691〜934Kとすることによって、スパイラル状接触子の表層にのみ合金を短時間に形成して、スパイラル状接触子を形成するコア金属に異種金属の特性を兼ね備え、高温環境でもヘタリが小さく良好なバネ性を示し、電気導電性に優れたスパイラル状接触子を得ることができる。
本発明の第1の実施形態に係るスパイラル状接触子について、図面を参照して説明する。
図1の(a)は、本実施形態に係るスパイラル状接触子の概略を示す斜視図であり、図1の(b)(c)は(a)に示すA―A線の断面図である。また、図1の(b)は水平なスパイラル状接触子を備える様子を示す断面図であり、図1の(c)は、図1の(b)に示すスパイラル状接触子に球状接続端子(以下、半田ボールとも称す)を備えた半導体デバイスを挿着し、この球状接続端子がスパイラル状接触子を押圧して高精度に接触する様子を示す断面図である。
なお、スパイラル状接触子7が複数配置された構成のものを、スパイラルコンタクタ10という。
スパイラルコンタクタ10のスパイラル状接触子7,7,…7は、例えば、図1の(c)に示すように、半導体デバイス(ICチップ)4の下面に碁盤の目状に配置された球状接続端子2に合わせて配設されている。
また、渦巻き状に形成されたスパイラル状接触子7の接触長さは、ここでは1.5回転分が確保されているが、球状接続端子2の大きさに合わせて適宜変更しても構わない。
一方の金属であるコア金属の上に、他方の金属として前記コア金属とは異なる異種金属を堆積させて熱を加えると、熱エネルギーによって、異種金属とコア金属との接触部の原子が揺動し、空孔などの助けを借りて金属中に原子の移動が生じる。この場合には原子は金属の表面を通って、一方の金属の原子が、相手側に移動する拡散現象によって互いの内部に原子が移動する。このとき原子は、互いに相手材の中に拡散するので相互拡散となる。拡散による原子の移動のしやすさは、拡散係数の大小から判断される。
また、圧力によっても、金属間の原子間隔を近づけて、冷間圧接して拡散浸透を生じさせることができる。このように、金属原子同士が数オングストロームの距離に近づくと自由電子を共通化して、金属原子同士の相対運動によって、金属の被膜を剥がすことなく、結晶格子点の原子と相互に作用し合い、原子を互いに拡散させることができる。
図2、図3、図4は、本実施の形態に係るスパイラル状接触子の製造方法を説明するうえで断面にした工程図である。
図2の(a)はレジスト塗布工程を示している(ステップS1)。図2の(a)に示すように、ここでは、銅箔(Cu基板)1の上面に感光レジスト5を均一に塗布する。
その結果、フォトマスク6によって感光を遮られて、定着レジスト5aが定着しなかった箇所にメッキがほどこされて、フォトマスク6をトレースするようにニッケル(Ni)がメッキされ、スパイラル状接触子7が形成される。この段階で、写真製版(印刷)技術による高い精度でスパイラル状接触子7の形状が銅箔1の表面に形成される。
なお、Niメッキの厚さは15〜30μmとしている。
なお、ここでは、PVD法(物理気相成長法)のうちスパッタリング法を用いて薄膜を形成させたが、真空蒸着などの方法を用いても構わない。
すなわち、図3の(a)に示すように、ターゲット17にアルゴンイオンが衝突して、ターゲット17のTi原子が飛び出してスパイラル状接触子7上に被着し、図3の(b)(c)に示すように、スパイラル状接触子7の上面および側面にチタン(Ti)の薄膜7bが形成される。
図4の(b)に示すように、スパイラル状接触子7の基材(コア材)を構成するものは、ニッケル(Ni)メッキである。前記したように、このスパイラル状接触子7の上面および側面には、スパッタリング法によってTi原子が堆積している(Ti堆積部7b)。
また、スパイラル状接触子7の下面には異種金属(Cu)のCu基板1が存在している。
また、合金(異種金属の拡散浸透部)7cと合金(異種金属の拡散浸透部)7dとの界面では、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、銅(Cu)の合金が部分的に形成される。
また、異種金属の界面(Ti―Ni)では、金属間化合物TiNi3,TiNiが形成される。
また、異種金属(Ti―Cu)の界面では、金属間化合物TiCu4,TiCuNi3,TiCuが形成される。
なお、加圧することにより、原子の拡散浸透に要する時間が短くなるが、常圧下(大気圧)で加熱することにより拡散浸透させても構わない。
図6に示すように、加熱する温度は、互いに接触するコア金属および異種金属のうち、融点が最も高い金属の融点の絶対温度の0.4倍の温度を下限とし、融点が最も低い前記金属の融点の絶対温度を上限とした。これは、原子の拡散をスパイラル状接触子の表層に限定するための条件であり、融点が最も高い金属はチタン(Ti)であり、チタンの融点の絶対温度1948Kの0.4倍の温度は779Kであるため、これを下限とした。また、融点が最も低い金属は銅(Cu)であり、銅の融点の絶対温度1358Kを上限とした。すなわち、加熱温度は、下限を779K、上限を1358Kとした。
これによって、異種金属の原子をスパイラル状接触子の表層に拡散浸透させ、異種金属との合金の特性を兼ね備えたスパイラル状接触子を得ることができる。加熱時間は30分から2時間とした。
これによって、スパイラル状接触子7は、チタン(Ti)の特性である形状記憶性によりバネ特性が強化され、銅(Cu)の特性である良導性により導電性が強化される。
次に、第2の実施形態に係るスパイラル状接触子について、図面を参照して説明する。第2の実施形態が、前記した第1の実施形態と異なる点は、第1の実施形態ではスパイラル状接触子の上面および側面に堆積させる異種金属をチタン(Ti)としたが、第2の実施形態では異種金属をアルミニウム(Al)とした点である。なお、第1の実施形態と重複する部分は同符号を付して、その説明は省略する。
また、スパイラル状接触子7′の下面には異種金属(Cu)のCu基板1が設けられている。
また、合金(異種金属の拡散浸透部)7c′と合金(異種金属の拡散浸透部)7d′との界面では、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、銅(Cu)の合金が部分的に形成される。
また、異種金属(Al―Ni)の界面では、金属間化合物AlNi3、AlNiが形成されている。
また、異種金属(Al―Cu)の界面では、金属間化合物AlCu2、AlCu3が形成されている。
図9に示すように、加熱する温度は、互いに接触するコア金属および異種金属のうち、融点が最も高い金属の融点の絶対温度の0.4倍の温度を下限とし、融点が最も低い前記金属の融点の絶対温度を上限とした。これは、原子の拡散をスパイラル状接触子の表層に限定するための条件であり、融点が最も高い金属は、ニッケル(Ni)であり、ニッケルの融点の絶対温度1728Kの0.4倍の温度は、691Kであるため、これを下限とした。また、融点が最も低い金属は、アルミニウム(Al)であり、アルミニウムの融点の絶対温度934Kを上限とした。すなわち、加熱温度は、下限を691K、上限を934Kとした。
これによって、異種金属の原子をスパイラル状接触子の表層に拡散浸透させ、異種金属との合金の特性を兼ね備えたスパイラル状接触子を得ることができる。加熱時間は30分から2時間とした。
これによって、スパイラル状接触子7′(図8の(a)参照)は、アルミニウム(Al)のバネ特性が強化され、銅(Cu)の良導電性特性が強化される。
このあと、第1の実施形態に示した製造工程において、チタンTiをアルミニウムAlに置き換えて、ステップS8〜ステップS12(図7参照)を実施している。これにより、第1の実施形態に示した製造工程と同様に、ポリイミド板8をスパイラル状接触子7′および銅箔(Cu基板)1の表面に載置して、スパイラル状接触子7′をポリイミド板8の裏側に固定して、そのあと銅箔(Cu基板)1をエッチング除去する。これにより、スパイラル状接触子7′は、ポリイミド板8の孔8aを通して裏から表へ螺旋を描いて立ち上がることが可能となる。このとき、前記したスパッタリング法によってCu基板の上に堆積した異種金属のアルミニウム(Al)は、このCuエッチング時に除去される。さらに、基板貼付を行ない、無電解Auメッキを行なう。
次に、第3の実施形態に係るスパイラル状接触子について、図面を参照して説明する。第3の実施形態が、前記した第1の実施形態と異なる点は、第1の実施形態ではスパイラル状接触子のコア金属をニッケル(Ni)としたが、第3の実施形態ではスパイラル状接触子のコア金属を銅(Cu)とした点である。なお、第1の実施形態と重複する部分は同符号を付して、その説明は省略する。
その結果、フォトマスク6によって感光を遮られて定着レジスト5aが定着しなかった箇所にメッキがほどこされて、フォトマスク6をトレースするように銅(Cu)がメッキされ、スパイラル状接触子27が形成される。この段階で、写真製版(印刷)技術による高い精度でスパイラル状接触子27の形状が銅箔1の表面に形成される。
なお、Cuメッキの厚さは15〜30μmとしている。Niメッキの厚さは0.5μm程度としている。
図11の(b)に示すように、スパイラル状接触子27の基材(コア材)を構成するものは、銅(Cu)メッキである。前記したように、このスパイラル状接触子27の上面および側面には、スパッタリング法によってTi原子が堆積している(Ti堆積部27b)。
また、スパイラル状接触子27の下面には異種金属(Cu)のCu基板1が存在している。
また、異種金属(Ti―Cu)の界面では、金属間化合物TiCu4,TiCuNi3,TiCuが形成されている。
図12に示すように、加熱する温度は、互いに接触するコア金属および異種金属のうち、融点が最も高い金属の融点の絶対温度の0.4倍の温度を下限とし、融点が最も低い前記金属の融点の絶対温度を上限とした。これは、原子の拡散をスパイラル状接触子の表層に限定するための条件であり、融点が最も高い金属はチタン(Ti)であり、チタンの融点の絶対温度1948Kの0.4倍の温度は779Kであるため、これを下限とした。また、融点が最も低い金属は銅(Cu)であり、銅の融点の絶対温度1358Kを上限とした。すなわち、加熱温度は、下限を779K、上限を1358Kとした。
これによって、異種金属の原子をスパイラル状接触子27の表層に拡散浸透させ、異種金属との合金の特性を兼ね備えたスパイラル状接触子27を得ることができる。加熱時間は30分から2時間とした。
これによって、スパイラル状接触子27は、チタン(Ti)の特性である形状記憶性によりバネ特性が強化され、銅(Cu)の特性である良導性により導電性が強化される。
このあと、第1の実施形態に示した製造工程において、コア金属をニッケル基材(Ni基材)から銅基材(Cu基材)に置き換えて参照し、ステップS8〜ステップS12(図7参照)を実施している。これにより、第1の実施形態に示した製造工程と同様に、ポリイミド板8をスパイラル状接触子27および銅箔(Cu基板)1の表面に載置して、スパイラル状接触子27をポリイミド板8の裏側に固定して、そのあと銅箔(Cu基板)1をエッチング除去する。これにより、スパイラル状接触子7は、ポリイミド板8の孔8aを通して裏から表へ螺旋を描いて立ち上がることが可能となる。このとき、前記したスパッタリング法によってCu基板の上に堆積した異種金属のチタン(Ti)は、このCuエッチング時に除去される。さらに、基板貼付を行ない、無電解Auメッキを行なう。
次に、第4の実施形態に係るスパイラル状接触子について、図面を参照して説明する。第4の実施形態が、前記した第3の実施形態と異なる点は、第3の実施形態ではスパイラル状接触子の上面および側面に堆積させる異種金属をチタン(Ti)としたが、第4の実施形態では異種金属をアルミニウム(Al)とした点である。なお、第3の実施形態と重複する部分は同符号を付して、その説明は省略する。
また、スパイラル状接触子27′の下面には異種金属(Cu)のCu基板1が存在している。
また、異種金属(Al―Cu)の界面では、金属間化合物AlCu2、AlCu3が形成されている。
図14に示すように、加熱する温度は、互いに接触するコア金属および異種金属のうち、融点が最も高い金属の融点の絶対温度の0.4倍の温度を下限とし、融点が最も低い前記金属の融点の絶対温度を上限とした。これは、原子の拡散をスパイラル状接触子の表層に限定するための条件であり、融点が最も高い金属は、ニッケル(Ni)であり、ニッケルの融点の絶対温度1728Kの0.4倍の温度は、691Kであるため、これを下限とした。また、融点が最も低い金属は、アルミニウム(Al)であり、アルミニウムの融点の絶対温度934Kを上限とした。すなわち、加熱温度は、下限を691K、上限を934Kとした。
これによって、異種金属の原子をスパイラル状接触子の表層に拡散浸透させ、異種金属との合金の特性を兼ね備えたスパイラル状接触子を得ることができる。加熱時間は30分から2時間とした。
これによって、スパイラル状接触子27′は、アルミニウム(Al)のバネ特性が強化され、銅(Cu)の良導電性特性が強化される。
このあと、第1の実施形態に示した製造工程において、コア金属をニッケル基材(Ni基材)から銅基材(Cu基材)に置き換えて参照し、ステップS8〜ステップS12(図7参照)を実施している。これにより、第1の実施形態に示した製造工程と同様に、ポリイミド板8をスパイラル状接触子27′および銅箔(Cu基板)1の表面に載置して、スパイラル状接触子27′をポリイミド板8の裏側に固定して、そのあと銅箔(Cu基板)1をエッチング除去する。これにより、スパイラル状接触子7は、ポリイミド板8の孔8aを通して裏から表へ螺旋を描いて立ち上がることが可能となる。このとき、前記したスパッタリング法によってCu基板の上に堆積した異種金属のアルミニウム(Al)は、このCuエッチング時に除去される。さらに、基板貼付を行ない、無電解Auメッキを行なう。
また、ポリイミド積層工程では、ポリイミド板をスパイラル状接触子が形成された銅箔の表面に載置するとしたが、ポリイミド樹脂を塗布するようにしてもよい。
また、スパイラル状接触子の表層に拡散浸透させる異種金属として、Cu,Ag,Ni,Zn,P,B,Cr,Mn,Fe,Co,Pd,Pt,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,In,C,S,Au,Al,Si,Sb,Bi,およびTeなどの元素を用いても構わない。特に、前記の元素Bは、他の異種金属に加えて合金を形成させるのに好適である。
また、加圧環境下において、主に実施しているが、原子の拡散浸透に要する時間がやや長くなるが常圧下(大気圧)で加熱することによっても充分拡散浸透できる。
2 球状接続端子(半田ボール)
4 半導体デバイス(ICチップ)
5 感光レジスト
5a 定着レジスト
6 フォトマスク
7,7′,27,27′ スパイラル状接触子
7a 接合面
7b,7b′,27b,27b′ チタン(Ti)堆積部
7c,7c′,27c,27c′,7d,7d′,27d,27d′ 合金
7e 最外周部
8 ガイドフレーム(ポリイミド板、ポリイミドフィルム)
8a 孔
9 ボード
9a 配線導体
10 スパイラルコンタクタ
11 接着剤
12 スパッタ装置
13 陽極
14 陰極
16 チャンバー
17 ターゲット
Claims (14)
- スパイラル状接触子のコア金属の表層に、前記コア金属とは異なる少なくとも1つの異種金属を拡散浸透させ、前記コア金属を前記異種金属に接触させた状態で加熱することによって、前記異種金属の原子を前記コア金属の表層に拡散浸透させるスパイラル状接触子の製造方法であって、
前記コア金属は、銅(Cu)基板上にメッキ析出させたニッケル(Ni)から構成されており、前記Cu基板と前記コア金属とをともに接触させた状態で加熱することによって、前記コア金属の表層にCuの原子を拡散浸透させることを特徴とするスパイラル状接触子の製造方法。 - スパイラル状接触子のコア金属の表層に、前記コア金属とは異なる少なくとも1つの異種金属を拡散浸透させ、加圧環境下において、前記コア金属を前記異種金属に接触させた状態で加熱することによって、前記異種金属の原子を前記コア金属の表層に拡散浸透させるスパイラル状接触子の製造方法であって、
前記コア金属は、銅(Cu)基板上にメッキ析出させたニッケル(Ni)から構成されており、前記Cu基板と前記コア金属とをともに接触させた状態で加熱することによって、前記コア金属の表層にCuの原子を拡散浸透させることを特徴とするスパイラル状接触子の製造方法。 - 前記加熱する温度は、互いに接触する前記コア金属および前記異種金属のうち、融点が最も高い前記金属の融点の絶対温度の0.4倍の温度を下限とし、融点が最も低い前記金属の融点の絶対温度を上限とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- 前記加圧環境下の圧力は、0.1MPa以上10.0MPa以下であることを特徴とする請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- 前記異種金属はチタン(Ti)であり、前記チタンを前記コア金属の表面に物理気相成長法によって堆積させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- 前記異種金属はアルミニウム(Al)であり、前記アルミニウムを前記コア金属の表面に物理気相成長法によって堆積させることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- スパイラル状接触子のコア金属の表層に、前記コア金属とは異なる少なくとも1つの異種金属を拡散浸透させ、前記コア金属を前記異種金属に接触させた状態で加熱することによって、前記異種金属の原子を前記コア金属の表層に拡散浸透させるスパイラル状接触子の製造方法において、
前記コア金属が銅(Cu)基板上にメッキ析出させたニッケル(Ni)で構成され、前記異種金属がチタン(Ti)で構成されたとき、前記加熱する温度は779〜1358Kであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。 - スパイラル状接触子のコア金属の表層に、前記コア金属とは異なる少なくとも1つの異種金属を拡散浸透させ、加圧環境下において、前記コア金属を前記異種金属に接触させた状態で加熱することによって、前記異種金属の原子を前記コア金属の表層に拡散浸透させるスパイラル状接触子の製造方法において、
前記コア金属が銅(Cu)基板上にメッキ析出させたニッケル(Ni)で構成され、前記異種金属がチタン(Ti)で構成されたとき、前記加熱する温度は779〜1358Kであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。 - スパイラル状接触子のコア金属の表層に、前記コア金属とは異なる少なくとも1つの異種金属を拡散浸透させ、前記コア金属を前記異種金属に接触させた状態で加熱することによって、前記異種金属の原子を前記コア金属の表層に拡散浸透させるスパイラル状接触子の製造方法において、
前記コア金属が銅(Cu)基板上にメッキ析出させたニッケル(Ni)で構成され、前記異種金属がアルミニウム(Al)で構成されたとき、前記加熱する温度は691〜934Kであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。 - スパイラル状接触子のコア金属の表層に、前記コア金属とは異なる少なくとも1つの異種金属を拡散浸透させ、加圧環境下において、前記コア金属を前記異種金属に接触させた状態で加熱することによって、前記異種金属の原子を前記コア金属の表層に拡散浸透させるスパイラル状接触子の製造方法において、
前記コア金属が銅(Cu)基板上にメッキ析出させたニッケル(Ni)で構成され、前記異種金属がアルミニウム(Al)で構成されたとき、前記加熱する温度は691〜934Kであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスパイラル状接触子の製造方法。 - 前記コア金属は、銅(Cu)基板上にバリア材をメッキした後に前記バリア材上にメッキ析出させた銅(Cu)から構成され、前記Cu基板、前記バリア材、および前記コア金属とを積層させた状態で加熱することによって、前記コア金属の表層にバリア材の原子を拡散浸透させることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- 前記スパイラル状接触子の製造方法において、前記バリア材がニッケル(Ni)メッキ、前記コア金属が前記Niメッキ上にメッキ析出させた銅(Cu)、および前記異種金属がチタン(Ti)で構成されたとき、前記加熱する温度は779〜1358Kであることを特徴とする請求項11に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- 前記スパイラル状接触子の製造方法において、前記バリア材がニッケル(Ni)メッキ、前記コア金属が前記Niメッキ上にメッキ析出させた銅(Cu)、および前記異種金属がアルミニウム(Al)で構成されたとき、前記加熱する温度は691〜934Kであることを特徴とする請求項11に記載のスパイラル状接触子の製造方法。
- 請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の製造方法によって形成されることを特徴とするスパイラル状接触子。
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