(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力と振動を付与したＣｕ溶湯をオリフィスより滴下して形成したＣｕ液滴を、酸素：２００〜８００体積ｐｐｍ、残部不活性ガス雰囲気で球状凝固させることを特徴とする金属微小球の製造方法。
【請求項２】
前記酸素は、２００〜７６０体積ｐｐｍであることを特徴とする請求項１に記載の金属微小球の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、アルゴンであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属微小球の製造方法。
【請求項４】
前記不活性ガスは、窒素であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属微小球の製造方法。
【請求項５】
Ｃｕ液滴に風力を与えて分散させながら球状凝固させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の金属微小球の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の接続端子部等に用いるＣｕ微小球の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子部品の実装密度の高密度化要求に対応するために、パッケージオンパッケージ（ＰＯＰ）やマルチチップモジュール（ＭＣＭ）などの３次元高密度実装の検討が進んでいる。この問題を解決するために、はんだよりも融点が高い、たとえばＣｕからなるコアボールに、はんだを被覆した複合マイクロボールを用いた実装が提案されている。（特許文献１）
【０００３】
一方、上述した複合マイクロボールのコアボールとしてのＣｕ微小球の製造には、たとえば本出願人が特許文献２に提案するように、Ｃｕ金属粉末を熱プラズマ中に投入して溶融し、球状凝固させる、所謂熱プラズマ法が提案されている。
特許文献２には、熱プラズマ法を用いて金属微小球の表面酸化層を含む酸素含有量を５０ｐｐｍ以下とすることにより、電気伝導性に優れ、変形抵抗の小さい金属微小球を製造し、電気的な接続信頼性を改善した提案がなされている。この提案は、大量の金属微小球を短時間に製造するという点で優れたものである。
【０００４】
また、特許文献３には、コアボールに用いるＣｕ微小球の製造方法として、Ｃｕの溶湯をオリフィスから噴出して分散させてＣｕ微小球を形成する、所謂均一液滴噴霧法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３１７４１６号公報
【特許文献２】特開２００５−２４２８号公報
【特許文献３】特開２００４−１３７５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献２あるいは特許文献３に開示される製造方法は、金属微小球の変形抵抗を下げる点では有利であるものの、金属微小球の表面平滑性の点では、Ｃｕの凝固収縮に起因する引け巣が発生して凹みが生じるという問題があった。この金属微小球の表面に現れる凹みは、その表面にはんだめっき処理を実施する際、ボイドの発生、めっき密着不良などの問題を起こす可能性が高く、金属微小球を接続端子部として用いた電子部品を実用化する上で、電気的な接続信頼性を損なう大きな問題となる。
本発明の目的は、金属微小球の表面に生じる凹みを低減し、表面平滑性の特性を具備した金属微小球の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、金属微小球の表面凹みの問題を検討し、金属微小球製造時において、Ｃｕ液滴が球状凝固する雰囲気中の酸素濃度を所定の範囲に調整する構成を採用することで、金属微小球の表面凹みが低減でき、表面平滑性を大きく改善できることを見出し本発明に到達した。
【０００８】
すなわち本発明は、Ｃｕ液滴を、酸素：１０〜８００体積ｐｐｍ、残部不活性ガス雰囲気で球状凝固させる金属微小球の製造方法である。
また、前記酸素は、１２０〜８００体積ｐｐｍであることが好ましい。
また、前記酸素は、２００〜７６０体積ｐｐｍであることが好ましい。
また、前記不活性ガスは、アルゴンであることが好ましい。
また、前記不活性ガスは、窒素であることが好ましい。
また、前記Ｃｕ液滴は、圧力と振動を付与したＣｕ溶湯をオリフィスより滴下して形成することが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、金属微小球の表面凹みを低減させ、表面平滑性を飛躍的に改善することができ、金属微小球を接続端子として用いた電子部品の実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の金属微小球の製造方法に適用する製造装置の一例を示す模式図である。
【図２】本発明を用いて製作した金属微小球の外観の一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明を用いて製作した金属微小球の外観の別の例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明を用いて製作した金属微小球の外観の別の例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図５】本発明を用いて製作した金属微小球の外観の別の例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】比較例として製作した金属微小球の外観を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
上述したように、本発明の重要な特徴は、金属微小球の製造時において、Ｃｕ液滴が球状凝固する雰囲気中の酸素濃度を所定の範囲に調整する構成を採用したことにある。
【００１２】
本発明におけるＣｕ液滴が球状凝固する雰囲気中の酸素濃度は、１０〜８００体積ｐｐｍである。酸素濃度が１０体積ｐｐｍより低い場合、Ｃｕ液滴の凝固収縮時の引け巣により、金属微小球の表面に顕著な凹みが現れる。この表面に現れる凹みは、金属微小球の表面にはんだめっき処理を実施する際、ボイドの発生、めっき密着不良などの問題を起こす原因となる。
また、金属微小球毎の結晶粒サイズにばらつきが生じると、金属微小球毎の機械的特性（強さ、硬さ、靭性など）のばらつきが懸念される。酸素濃度が１２０体積ｐｐｍより低いときには、金属微小球毎の結晶粒サイズにばらつきが生じる場合があり、大きな結晶粒から構成される金属微小球と、小さな結晶粒から構成される金属微小球が混在する場合がある。このため、金属微小球毎の結晶粒サイズのばらつきを低減し、結晶粒サイズを均一微細化するためには、酸素濃度は１２０体積ｐｐｍ以上が好ましい。より好ましくは、２００体積ｐｐｍ以上である。
【００１３】
一方、酸素濃度が８００体積ｐｐｍを超えると、Ｃｕ液滴が球状凝固する際、液滴の表面全体が酸化膜で厚く覆われて自由表面でなくなるため、Ｃｕ液滴が持つ表面張力により真球になる作用が損なわれ、良好な真球度を持つ金属微小球が得られなくなる。したがって、本発明ではＣｕ液滴が球状凝固する雰囲気中の酸素濃度を１０〜８００体積ｐｐｍに調整することで、金属微小球表面の凹みを抑制し、良好な真球度を持つ金属微小球が得られる。また、好ましい酸素濃度は、１２０〜８００体積ｐｐｍであり、より好ましくは２００〜７６０体積ｐｐｍである。
【００１４】
また、本発明では、Ｃｕ液滴が球状凝固する雰囲気中における酸素以外の残部ガスを不活性ガスとする。本発明でいう不活性ガスの種類は、アルゴン等の希ガスや窒素をいい、これらを単体もしくは混合して用いることが好ましい。これにより、Ｃｕ液滴の表面酸化を抑制することができ、良好な真球度を持つ金属微小球を得ることが可能となる。本発明でいう不活性ガス以外のガスは、雰囲気中の汚染や酸素と反応する可能性があるため、好ましくない。
【００１５】
本発明では、Ｃｕ溶湯に圧力と振動を付与してオリフィスより滴下して形成したＣｕ液滴を凝固させることが好ましい。Ｃｕ溶湯を蓄えた坩堝底面にオリフィスを配置し、坩堝内部のＣｕ溶湯に圧力と振動を付与することにより、Ｃｕ溶湯をオリフィスの孔を通して坩堝下部に位置する酸素を適量含有したガス雰囲気内に安定して噴出することができ、所望の体積を持つＣｕ液滴を形成することが可能となる。
【００１６】
また、本発明でＣｕ溶湯に振動を付与する場合は、Ｃｕ溶湯のオリフィス通過方向への縦振動が好ましい。Ｃｕ溶湯に縦振動を付与することで、一定体積のＣｕ液滴を連続して滴下することが可能となる。また、本発明は、オリフィスの孔径、Ｃｕ溶湯を滴下させるガス圧力、Ｃｕ溶湯に付与する縦振動の振動数をそれぞれ適宜選定することにより、より均一な直径の金属微小球を量産的に得ることが可能となる。
【００１７】
本発明の金属微小球の製造方法の一例を図１に基づいて説明する。図１において、加熱ユニット５を用いて坩堝１内で溶解したＣｕ溶湯６は、坩堝用ガス７により発生させた坩堝１内の圧力と、凝固雰囲気８の圧力の差圧によりオリフィス９を通って凝固チャンバ３内に噴出し、Ｃｕ溶湯からなるジェットを形成する。Ｃｕ溶湯がオリフィス９を通過する前に、振動部材１０を用いてＣｕ溶湯にオリフィス通過方向への縦振動を付与することで、前記Ｃｕ溶湯からなるジェットは層流から脈流に変遷する。脈流として生じたくびれは、Ｃｕ溶湯が持つ表面張力の作用により発達し、最終的に一つのＣｕ液滴１１として、Ｃｕ溶湯に付与した縦振動の振動数に応じた周期で分断される。分断されたＣｕ液滴１１は、凝固チャンバ３内を落下しながら、自身が持つ表面張力の作用により球状化した後凝固し、金属微小球４として回収缶１３に回収される。
【００１８】
本発明では、ガス雰囲気内をＣｕ液滴が落下し、球状凝固して金属微小球が得られる。Ｃｕ液滴が完全に凝固する前に互いに衝突すると、複数の液滴からなる体積を持つ凝集球や、球形が連なった異形球が発生する。この衝突を避けるため、Ｃｕ液滴に電荷を与えて互いに反発させ、分散した状態で落下させても良い。また、ファンによる風力、ガス注入による噴出圧力によりＣｕ液滴を分散させ、衝突を回避しても良い。
【００１９】
Ｃｕ液滴が球状凝固するガス雰囲気の圧力については、大気圧が妥当であるが、大気圧プラス０．２ＭＰａからマイナス０．０５ＭＰａの範囲で適宜調整することが好ましい。ガス雰囲気の圧力が大気圧プラス０．２ＭＰａを超えると、このような圧力に耐え得る凝固チャンバが必要となり、装置重量の増大、装置製作コストの増大を招くため、大気圧プラス０．２ＭＰａ以下が好ましい。
【００２０】
また、ガス雰囲気の圧力が大気圧マイナス０．０５ＭＰａより低いと、Ｃｕ液滴を冷却凝固させるために必要な不活性ガスの分子が不足し、凝固には長い凝固チャンバが必要となり、装置重量の増大、装置製作コストの増大を招くため、大気圧マイナス０．０５ＭＰａ以上が好ましい。
【実施例１】
【００２１】
図１は、本発明の金属微小球の製造方法に適用する製造装置の一例を示す断面模式図である。
図１の製造装置を用いて、純度が９９．９９質量％以上のＣｕ片を坩堝１内に投入し、加熱ユニット５を用いて坩堝１内で溶解したＣｕ溶湯６を、坩堝用ガス７により発生させた坩堝１内の圧力と凝固雰囲気８の圧力の差圧によりオリフィス９から凝固チャンバ３内に噴出させた。このとき、Ｃｕ溶湯６がオリフィス９を通過する前に、振動部材１０を用いてＣｕ溶湯６にオリフィス９通過方向への縦振動を付与してＣｕ液滴１１を滴下した。
そして、ガス置換装置２により凝固チャンバ３内の凝固雰囲気を調整し、目標直径が２００μｍの金属微小球４を以下に示す製造条件で作製した。このとき、オリフィス９より滴下して形成されたＣｕ液滴１１を、ファン１２により風力を与えて分散させながら凝固チャンバ３内を落下させ、自身が持つ表面張力の作用により球状化・凝固した金属微小球４を回収缶１３に回収した。
【００２２】
（製造条件）
Ｃｕ金属片投入重量：４００ｇ
凝固雰囲気：アルゴン
凝固雰囲気の酸素濃度：２３９体積ｐｐｍ
凝固雰囲気の圧力：大気圧プラス０．０２ＭＰａ
坩堝内の圧力：大気圧プラス０．２ＭＰａ
坩堝内の温度：１３００℃
【００２３】
図２に、上述の製造条件により得られた金属微小球について、走査型電子顕微鏡を用いてその表面の状態を観察した写真を示す。
【実施例２】
【００２４】
実施例１と同様の製造装置を用いて、目標直径が２００μｍの金属微小球を以下に示す製造条件で作製した。
【００２５】
（製造条件）
Ｃｕ金属片投入重量：５０９ｇ
凝固雰囲気：アルゴン
凝固雰囲気の酸素濃度：６５６体積ｐｐｍ
凝固雰囲気の圧力：大気圧プラス０．０１ＭＰａ
坩堝内の圧力：大気圧プラス０．２ＭＰａ
坩堝内の温度：１３３０℃
【００２６】
図３に、上述の製造条件により得られた金属微小球について、走査型電子顕微鏡を用いてその表面の状態を観察した写真を示す。
【実施例３】
【００２７】
実施例１と同様の製造装置を用いて、目標直径が２００μｍの金属微小球を以下に示す製造条件で作製した。
【００２８】
（製造条件）
Ｃｕ金属片投入重量：２７００ｇ
凝固雰囲気：アルゴン
凝固雰囲気の酸素濃度：１５、５０、１２０、２００、２４０、３１０体積ｐｐｍ
凝固雰囲気の圧力：大気圧プラス０．０１ＭＰａ
坩堝内の圧力：大気圧プラス０．２ＭＰａ
坩堝内の温度：１２５０℃
【００２９】
図４に、上述の製造条件により得られた金属微小球について、走査型電子顕微鏡を用いてその表面の状態を観察した写真を示す。
【実施例４】
【００３０】
実施例１と同様の製造装置を用いて、目標直径が２００μｍの金属微小球を以下に示す製造条件で作製した。
【００３１】
（製造条件）
Ｃｕ金属片投入重量：２０００ｇ
凝固雰囲気：窒素
凝固雰囲気の酸素濃度：１６、５１体積ｐｐｍ
凝固雰囲気の圧力：大気圧プラス０．０２ＭＰａ
坩堝内の圧力：大気圧プラス０．１ＭＰａ
坩堝内の温度：１２５０℃
【００３２】
図５に、上述の製造条件により得られた金属微小球について、走査型電子顕微鏡を用いてその表面の状態を観察した写真を示す。
【比較例】
【００３３】
比較例として、実施例１と同様の製造装置を用いて、凝固雰囲気の酸素濃度を本発明の範囲より低く設定して目標直径が２００μｍの金属微小球を以下に示す製造条件で作製した。
【００３４】
（製造条件）
Ｃｕ金属片投入重量：４８２ｇ
凝固雰囲気：アルゴン
凝固雰囲気の酸素濃度：７体積ｐｐｍ
凝固雰囲気の圧力：大気圧プラス０．０１ＭＰａ
坩堝内の圧力：大気圧プラス０．２ＭＰａ
坩堝内の温度：１３３０℃
【００３５】
図６に、上述の製造条件により得られた金属微小球について、走査型電子顕微鏡を用いてその表面の状態を観察した写真を示す。
【００３６】
図２から図５に示すように、本発明を適用した金属微小球においては、比較例である図６に対し、金属微小球の表面に現れる凹みが大幅に低減されている。したがって、本発明の金属微小球の製造方法を適用することにより、金属微小球の表面に生じる凹みを低減し、表面平滑性の特性を具備した金属微小球を作製することが可能である。
また、図４中の試料番号４から６は、酸素濃度が２００体積ｐｐｍ以上の凝固雰囲気で製造された金属微小球であり、試料番号１から３と比較すると、金属微小球毎の結晶粒サイズのばらつきが低減され、結晶粒サイズも均一微細化されており、より好ましい表面形態を有していることが確認できた。
このように、表面平滑性の特性を具備した金属微小球は、その表面にはんだめっき処理を実施する際、ボイドの発生、めっき密着不良などの問題を起こす可能性を低減でき、金属微小球を接続端子部として用いた電子部品を実用化する上で、電気的な接続信頼性を大いに向上することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
Ｃｕ液滴が球状凝固する雰囲気中の酸素濃度を所定の範囲に調整する構成を採用することで、表面平滑性を大きく改善した本発明の金属微小球の製造方法は、電子部品の接続端子部に適した金属微小球を提供するものであり、配線基板の多層化や接続端子部の微小化において、電気的な接続信頼性、多層化後の配線基板における寸法精度を向上することが可能となる。
また、金属液滴をガス雰囲気で球状凝固させる金属球の製造方法において、球状凝固する雰囲気中の酸素濃度を調整することによって、表面平滑性に優れたＣｕ以外の金属球の製造にも適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１．坩堝、２．ガス置換装置、３．凝固チャンバ、４．金属微小球、５．加熱ユニット、６．Ｃｕ溶湯、７．坩堝用ガス、８．凝固雰囲気、９．オリフィス、１０．振動部材、１１．Ｃｕ液滴、１２．ファン、１３．回収缶
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005590501.tif 000006
【図６】
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