KR101308828B1 - 금속 미소구의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 미소구(微小球)를 사용하여 배선 기판의 다층화나 접속 단자부의 미소화 등을 달성하는 데 있어서, 전기적인 접속 신뢰성을 향상시키기 위해, 금속 미소구의 표면에 생기는 팬 곳(凹)을 저감하여, 표면 평활성의 특성을 구비한 금속 미소구의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 금속 미소구의 제조방법은, Cu 액적을 산소: 10~800 체적 ppm, 잔부 불활성 가스분위기에서 구상 응고시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 Cu 액적은, 압력과 진동을 부여한 Cu 용탕(溶湯)을 오리피스로부터 적하하여 형성하는 것이 바람직하다.

Description

금속 미소구의 제조방법{Method for producing fine metal ball}

본 발명은 전자부품의 접속 단자부 등에 사용하는 Cu 미소구(微小球)의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 전자부품의 실장(mounting) 밀도의 고밀도화 요구에 대응하기 위해, 패키지 온 패키지(POP)나 멀티 칩 모듈(MCM) 등의 3차원 고밀도 실장의 검토가 진행되고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 땜납보다도 융점이 높은, 예를 들면 Cu로 되는 코어 볼에, 땜납을 피복한 복합 마이크로 볼을 사용한 실장이 제안되어 있다(특허문헌 1).

한편, 전술한 복합 마이크로 볼의 코어 볼로서의 Cu 미소구의 제조에는, 예를 들면 본 출원인이 특허문헌 2에 제안하는 바와 같이, Cu 금속 분말을 열 플라즈마 중에 투입하여 용융하고, 구상 응고시키는, 소위 열 플라즈마법이 제안되어 있다.

특허문헌 2에는, 열 플라즈마법을 사용하여 금속 미소구의 표면 산화층을 포함하는 산소 함유량을 50 ppm 이하로 함으로써, 전기 전도성이 우수하고, 변형 저항이 작은 금속 미소구를 제조하여, 전기적인 접속 신뢰성을 개선한 제안이 이루어져 있다. 이 제안은, 대량의 금속 미소구를 단시간에 제조한다는 점에서 우수한 것이다.

또한, 특허문헌 3에는, 코어 볼에 사용하는 Cu 미소구의 제조방법으로서, Cu의 용탕(溶湯)을 오리피스로부터 분출하여 분산시켜서 Cu 미소구를 형성하는, 소위 균일 액적 분무법이 제안되어 있다.

일본국 특허공개 평11-317416호 공보 일본국 특허공개 제2005-2428호 공보 일본국 특허공개 제2004-137530호 공보

전술한 특허문헌 2 또는 특허문헌 3에 개시되는 제조방법은, 금속 미소구의 변형 저항을 낮추는 측면에서는 유리하나, 금속 미소구의 표면 평활성의 측면에서는, Cu의 응고 수축에 기인하는 수축공(shrinkage cavity)이 발생하여 팬 곳(凹)이 생긴다는 문제가 있었다. 이 금속 미소구의 표면에 나타나는 팬 곳은, 그 표면에 땜납 도금처리를 실시할 때, 보이드의 발생, 도금 밀착불량 등의 문제를 일으킬 가능성이 높아, 금속 미소구를 접속 단자부로서 사용한 전자부품을 실용화하는 데 있어서, 전기적인 접속 신뢰성을 손상하는 커다란 문제가 된다.

본 발명의 목적은, 금속 미소구의 표면에 생기는 팬 곳을 저감하여, 표면 평활성의 특성을 구비한 금속 미소구의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명자는, 금속 미소구(微小球)의 표면 팬 곳의 문제를 검토하고, 금속 미소구 제조시에 있어서, Cu 액적이 구상 응고되는 분위기 중의 산소농도를 소정 범위로 조정하는 구성을 채용함으로써, 금속 미소구의 표면 팬 곳을 저감할 수 있어, 표면 평활성을 크게 개선할 수 있는 것을 발견하고 본 발명에 도달하였다.

즉 본 발명은, Cu 액적을, 산소: 10~800 체적 ppm, 잔부 불활성 가스분위기에서 구상 응고시키는 금속 미소구의 제조방법이다.

또한, 상기 산소는 120~800 체적 ppm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 산소는 200~760 체적 ppm인 것이 바람직하다.

또한, 상기 불활성 가스는 아르곤인 것이 바람직하다.

또한, 상기 불활성 가스는 질소인 것이 바람직하다.

또한, 상기 Cu 액적은 압력과 진동을 부여한 Cu 용탕을 오리피스로부터 적하하여 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 금속 미소구의 표면 팬 곳을 저감시켜서, 표면 평활성을 비약적으로 개선할 수 있어, 금속 미소구를 접속 단자로서 사용한 전자부품의 실용화에 있어서 빼놓을 수 없는 기술이 된다.

도 1은 본 발명의 금속 미소구의 제조방법에 적용하는 제조장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명을 사용하여 제작한 금속 미소구의 외관의 일례를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명을 사용하여 제작한 금속 미소구의 외관의 다른 예를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명을 사용하여 제작한 금속 미소구의 외관의 다른 예를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명을 사용하여 제작한 금속 미소구의 외관의 다른 예를 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
도 6은 비교예로서 제작한 금속 미소구의 외관을 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 중요한 특징은, 금속 미소구의 제조시에 있어서, Cu 액적이 구상 응고되는 분위기 중의 산소농도를 소정 범위로 조정하는 구성을 채용한 것에 있다.

본 발명에 있어서의 Cu 액적이 구상 응고되는 분위기 중의 산소농도는 10~800 체적 ppm이다. 산소농도가 10 체적 ppm보다 낮은 경우, Cu 액적의 응고 수축시의 수축공에 의해, 금속 미소구의 표면에 현저한 팬 곳이 나타난다. 이 표면에 나타나는 팬 곳은, 금속 미소구의 표면에 땜납 도금처리를 실시할 때, 보이드의 발생, 도금 밀착불량 등의 문제를 일으키는 원인이 된다.

또한, 금속 미소구별 결정입자 사이즈에 편차가 생기면, 금속 미소구별 기계적 특성(강도, 경도, 인성 등)의 편차가 우려된다. 산소농도가 120 체적 ppm보다 낮을 때에는, 금속 미소구별 결정입자 사이즈에 편차가 생기는 경우가 있어, 커다란 결정입자로 구성되는 금속 미소구와, 작은 결정입자로 구성되는 금속 미소구가 혼재하는 경우가 있다. 이 때문에, 금속 미소구별 결정입자 사이즈의 편차를 저감하여, 결정입자 사이즈를 균일 미세화하기 위해서는, 산소농도는 120 체적 ppm 이상이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 200 체적 ppm 이상이다.

한편, 산소농도가 800 체적 ppm을 초과하면, Cu 액적이 구상 응고될 때, 액적의 표면 전체가 산화막으로 두껍게 덮여 자유표면이 아니게 되기 때문에, Cu 액적이 갖는 표면장력에 의해 진구(眞球)가 되는 작용이 손상되어, 양호한 진구도를 갖는 금속 미소구가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 본 발명에서는 Cu 액적이 구상 응고되는 분위기 중의 산소농도를 10~800 체적 ppm으로 조정함으로써, 금속 미소구 표면의 팬 곳을 억제하여, 양호한 진구도를 갖는 금속 미소구가 얻어진다. 또한, 바람직한 산소농도는 120~180 체적 ppm이고, 보다 바람직하게는 200~760 체적 ppm이다.

또한, 본 발명에서는, Cu 액적이 구상 응고되는 분위기 중에 있어서의 산소 이외의 잔부 가스를 불활성 가스로 한다. 본 발명에서 말하는 불활성 가스의 종류는, 아르곤 등의 희가스나 질소를 말하며, 이들을 단체(單體) 또는 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, Cu 액적의 표면 산화를 억제할 수 있어, 양호한 진구도를 갖는 금속 미소구를 얻는 것이 가능해진다. 본 발명에서 말하는 불활성 가스 이외의 가스는, 분위기 중의 오염이나 산소와 반응할 가능성이 있기 때문에, 바람직하지 않다.

본 발명에서는, Cu 용탕에 압력과 진동을 부여하여 오리피스로부터 적하하여 형성한 Cu 액적을 응고시키는 것이 바람직하다. Cu 용탕을 모아 둔 도가니 바닥면에 오리피스를 배치하고, 도가니 내부의 Cu 용탕에 압력과 진동을 부여함으로써, Cu 용탕을 오리피스의 구멍을 통해 도가니 하부에 위치하는 산소를 적량 함유한 가스분위기 내에 안정하게 분출할 수 있어, 목적하는 체적을 갖는 Cu 액적을 형성하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에서 Cu 용탕에 진동을 부여하는 경우는, Cu 용탕의 오리피스 통과방향으로의 세로진동이 바람직하다. Cu 용탕에 세로진동을 부여함으로써, 일정 체적의 Cu 액적을 연속해서 적하하는 것이 가능해진다. 또한, 본 발명은, 오리피스의 공경(孔徑), Cu 용탕을 적하시키는 가스 압력, Cu 용탕에 부여하는 세로진동의 진동수를 각각 적절히 선정함으로써, 보다 균일한 직경의 금속 미소구를 양산적으로 얻는 것이 가능해진다.

본 발명의 금속 미소구의 제조방법의 일례를 도 1을 토대로 하여 설명한다. 도 1에 있어서, 가열 유닛(5)을 사용하여 도가니(1) 내에서 용해한 Cu 용탕(6)은, 도가니용 가스(7)에 의해 발생시킨 도가니(1) 내의 압력과, 응고 분위기(8)의 압력의 차압에 의해 오리피스(9)를 통해 응고 챔버(3) 내에 분출되고, Cu 용탕으로 되는 제트를 형성한다. Cu 용탕이 오리피스(9)를 통과하기 전에, 진동부재(10)를 사용하여 Cu 용탕에 오리피스 통과방향으로의 세로진동을 부여함으로써, 상기 Cu 용탕으로 되는 제트는 층류(層流)에서 맥류(脈流)로 변천한다. 맥류로서 생긴 잘록한 부분은, Cu 용탕이 갖는 표면장력의 작용에 의해 발달하고, 최종적으로 하나의 Cu 액적(11)으로서, Cu 용탕에 부여한 세로진동의 진동수에 따른 주기로 분단된다. 분단된 Cu 액적(11)은, 응고 챔버(3) 내를 낙하하면서, 자신이 갖는 표면장력의 작용에 의해 구상화한 후 응고되어, 금속 미소구(4)로서 회수 캔(13)에 회수된다.

본 발명에서는, 가스분위기 내를 Cu 액적이 낙하하고, 구상 응고되어 금속 미소구가 얻어진다. Cu 액적이 완전히 응고되기 전에 서로 충돌하면, 복수의 액적으로 되는 체적을 갖는 응집구나, 구형이 한줄로 줄지어 이어진 이형구(異形球)가 발생한다. 이 충돌을 피하기 위해, Cu 액적에 전하를 부여하여 서로 반발시켜, 분산된 상태로 낙하시켜도 된다. 또한, 팬에 의한 풍력, 가스 주입에 의한 분출 압력에 의해 Cu 액적을 분산시켜, 충돌을 회피해도 된다.

Cu 액적이 구상 응고되는 가스분위기의 압력에 대해서는, 대기압이 타당하나, 대기압 플러스 0.2 MPa에서 마이너스 0.05 MPa의 범위에서 적절히 조정하는 것이 바람직하다. 가스분위기의 압력이 대기압 플러스 0.2 MPa를 초과하면, 이와 같은 압력에 견딜 수 있는 응고 챔버가 필요해져, 장치 중량의 증대, 장치 제작비용의 증대를 초래하기 때문에, 대기압 플러스 0.2 MPa 이하가 바람직하다.

또한, 가스분위기의 압력이 대기압 마이너스 0.05 MPa보다 낮으면, Cu 액적을 냉각 응고시키기 위해 필요한 불활성 가스의 분자가 부족하여, 응고에는 긴 응고 챔버가 필요해져, 장치 중량의 증대, 장치 제작비용의 증대를 초래하기 때문에 대기압 마이너스 0.05 MPa 이상이 바람직하다.

[실시예 1]

도 1은, 본 발명의 금속 미소구의 제조방법에 적용하는 제조장치의 일례를 나타내는 단면 모식도이다.

도 1의 제조장치를 사용하여, 순도가 99.99 질량% 이상인 Cu 조각(片)을 도가니(1) 내에 투입하고, 가열 유닛(5)을 사용하여 도가니(1) 내에서 용해한 Cu 용탕(6)을, 도가니용 가스(7)에 의해 발생시킨 도가니(1) 내의 압력과 응고 분위기(8)의 압력의 차압에 의해 오리피스(9)로부터 응고 챔버(3) 내로 분출시켰다. 이때, Cu 용탕(6)이 오리피스(9)를 통과하기 전에, 진동부재(10)를 사용하여 Cu 용탕(6)에 오리피스(9) 통과방향으로의 세로진동을 부여하여 Cu 액적(11)을 적하하였다.

그리고, 가스 치환장치(2)에 의해 응고 챔버(3) 내의 응고 분위기를 조정하여, 목표 직경이 200 ㎛인 금속 미소구(4)를 이하에 나타내는 제조조건으로 제작하였다. 이때, 오리피스(9)로부터 적하하여 형성된 Cu 액적(11)을, 팬(12)에 의해 풍력을 부여하여 분산시키면서 응고 챔버(3) 내를 낙하시키고, 자신이 갖는 표면장력의 작용에 의해 구상화·응고된 금속 미소구(4)를 회수 캔(13)에 회수하였다.

(제조조건)

Cu 금속편 투입 중량: 400 g

응고 분위기: 아르곤

응고 분위기의 산소농도: 239 체적 ppm

응고 분위기의 압력: 대기압 플러스 0.02 MPa

도가니 내의 압력: 대기압 플러스 0.2 MPa

도가니 내의 온도: 1300℃

도 2에, 전술한 제조조건에 의해 얻어진 금속 미소구에 대해, 주사형 전자현미경을 사용하여 그 표면의 상태를 관찰한 사진을 나타낸다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일한 제조장치를 사용하여, 목표 직경이 200 ㎛인 금속 미소구를 이하에 나타내는 제조조건으로 제작하였다.

(제조조건)

Cu 금속편 투입 중량: 509 g

응고 분위기: 아르곤

응고 분위기의 산소농도: 656 체적 ppm

응고 분위기의 압력: 대기압 플러스 0.01 MPa

도가니 내의 압력: 대기압 플러스 0.2 MPa

도가니 내의 온도: 1330℃

도 3에, 전술한 제조조건에 의해 얻어진 금속 미소구에 대해, 주사형 전자현미경을 사용하여 그 표면의 상태를 관찰한 사진을 나타낸다.

[실시예 3]

실시예 1과 동일한 제조장치를 사용하여, 목표 직경이 200 ㎛인 금속 미소구를 이하에 나타내는 제조조건으로 제작하였다.

(제조조건)

Cu 금속편 투입 중량: 2700 g

응고 분위기: 아르곤

응고 분위기의 산소농도: 15, 50, 120, 200, 240, 310 체적 ppm

응고 분위기의 압력: 대기압 플러스 0.01 MPa

도가니 내의 압력: 대기압 플러스 0.2 MPa

도가니 내의 온도: 1250℃

도 4에, 전술한 제조조건에 의해 얻어진 금속 미소구에 대해, 주사형 전자현미경을 사용하여 그 표면의 상태를 관찰한 사진을 나타낸다.

[실시예 4]

실시예 1과 동일한 제조장치를 사용하여, 목표 직경이 200 ㎛인 금속 미소구를 이하에 나타내는 제조조건으로 제작하였다.

(제조조건)

Cu 금속편 투입 중량: 2000 g

응고 분위기: 질소

응고 분위기의 산소농도: 16, 51 체적 ppm

응고 분위기의 압력: 대기압 플러스 0.02 MPa

도가니 내의 압력: 대기압 플러스 0.1 MPa

도가니 내의 온도: 1250℃

도 5에, 전술한 제조조건에 의해 얻어진 금속 미소구에 대해, 주사형 전자현미경을 사용하여 그 표면의 상태를 관찰한 사진을 나타낸다.

[비교예]

비교예로서, 실시예 1과 동일한 제조장치를 사용하여, 응고 분위기의 산소농도를 본 발명의 범위보다 낮게 설정하여 목표 직경이 200 ㎛인 금속 미소구를 이하에 나타내는 제조조건으로 제작하였다.

(제조조건)

Cu 금속편 투입 중량: 482 g

응고 분위기: 아르곤

응고 분위기의 산소농도: 7 체적 ppm

응고 분위기의 압력: 대기압 플러스 0.01 MPa

도가니 내의 압력: 대기압 플러스 0.2 MPa

도가니 내의 온도: 1330℃

도 6에, 전술한 제조조건에 의해 얻어진 금속 미소구에 대해, 주사형 전자현미경을 사용하여 그 표면의 상태를 관찰한 사진을 나타낸다.

도 2에서 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 발명을 적용한 금속 미소구에 있어서는, 비교예인 도 6에 대해, 금속 미소구의 표면에 나타나는 팬 곳이 대폭 저감되어 있다. 따라서, 본 발명의 금속 미소구의 제조방법을 적용함으로써, 금속 미소구의 표면에 생기는 팬 곳을 저감하여, 표면 평활성의 특성을 구비한 금속 미소구를 제작하는 것이 가능하다.

또한, 도 4 중의 시료번호 4에서 6은, 산소농도가 200 체적 ppm 이상인 응고 분위기에서 제조된 금속 미소구로, 시료번호 1에서 3과 비교하면, 금속 미소구별 결정입자 사이즈의 편차가 저감되고, 결정입자 사이즈도 균일 미세화되어 있어, 보다 바람직한 표면 형태를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 표면 평활성의 특성을 구비한 금속 미소구는, 그 표면에 땜납 도금처리를 실시할 때, 보이드의 발생, 도금 밀착불량 등의 문제를 일으킬 가능성을 저감할 수 있어, 금속 미소구를 접속 단자부로서 사용한 전자부품을 실용화하는 데 있어서, 전기적인 접속 신뢰성을 크게 향상하는 것이 가능해진다.

Cu 액적이 구상 응고되는 분위기 중의 산소농도를 소정 범위로 조정하는 구성을 채용함으로써, 표면 평활성을 크게 개선한 본 발명의 금속 미소구의 제조방법은, 전자부품의 접속 단자부에 적합한 금속 미소구를 제공하는 것으로, 배선 기판의 다층화나 접속 단자부의 미소화에 있어서, 전기적인 접속 신뢰성, 다층화 후의 배선 기판에 있어서의 치수 정도(精度)를 향상하는 것이 가능해진다.

또한, 금속 액적을 가스분위기에서 구상 응고시키는 금속구의 제조방법에 있어서, 구상 응고되는 분위기 중의 산소농도를 조정함으로써, 표면 평활성이 우수한 Cu 이외의 금속구의 제조에도 적용할 수 있다.

1. 도가니, 2. 가스 치환장치, 3. 응고 챔버, 4. 금속 미소구, 5. 가열 유닛, 6. Cu 용탕, 7. 도가니용 가스, 8. 응고 분위기, 9. 오리피스, 10. 진동부재, 11. Cu 액적, 12. 팬, 13. 회수 캔

Claims (6)

1. 오리피스 통과방향의 세로방향으로 압력과 진동을 부여한 Cu 용탕(溶湯)을 오리피스로부터 적하하여 형성한 Cu 액적을, 산소: 10~800 체적 ppm, 잔부 불활성 가스분위기에서 구상 응고시키는 것을 특징으로 하는 금속 미소구(微小球)의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 산소는 120~800 체적 ppm인 것을 특징으로 하는 금속 미소구의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 산소는 200~760 체적 ppm인 것을 특징으로 하는 금속 미소구의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 불활성 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 금속 미소구의 제조방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 불활성 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 금속 미소구의 제조방법.
6. 삭제

Images