(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、所望のスタンドオフ高さを確保するための直径を有した金属球に対して、適切なはんだシートの厚みを増すことなく、はんだシート内部に金属球を埋め込む際の金属球の変形を抑制することが可能な金属球含有はんだシートの製造方法を提供する。【解決手段】  本発明は、金属球がはんだシート中に配置されている金属球含有はんだシートの製造方法であって、前記金属球とはんだシートを用いて、所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴をはんだシートの厚み方向に形成し、次いで前記はんだシートに形成した開口穴の中に金属球を振り込み、次いで前記はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定する工程からなる金属球含有はんだシートの製造方法である。上記開口穴は、はんだシートの厚み方向を貫通しない止め穴が好ましく、また上記の開口穴はドリル加工が好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属球がはんだシート中に配置されている金属球含有はんだシートの製造方法であって、前記金属球とはんだシートを用いて、
（１）所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴をはんだシートの厚み方向に形成する工程と、
（２）前記はんだシートに形成した開口穴の中に金属球を振り込む工程と、
（３）前記はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定する工程からなることを特徴とする金属球含有はんだシートの製造方法。
【請求項２】
前記開口穴がはんだシートの厚み方向を貫通しない止め穴であることを特徴とする請求項１に記載の金属球含有はんだシートの製造方法。
【請求項３】
前記開口穴の形成工程がドリル加工による開口穴加工であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属球含有はんだシートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品およびそれら構成部材などの接続用部材として用いる金属球含有はんだシートの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器における軽薄短小化の進展は目覚しく、それとともに電子部品およびそれら構成部材などの接続を行うはんだ付け技術も格段の向上がなされている。これら電気機器におけるはんだ付けはフロー方式とリフロー方式に大別される。フロー方式は溶融したはんだが噴出して流れているところに接合面を触れるようにして行うはんだ付け方法である。一方のリフロー方式は、予め接合箇所に施された固形またはペースト状のはんだを溶融させることによってはんだ付けする方法である。このリフローはんだ付け方式のひとつに、シート状のはんだを用いる方法がある。これは電動車両用インバータなどのパワー半導体モジュールの半導体と回路基板との接続などに用いられている方法である。
【０００３】
このようなシート状のはんだを用いて行う接合方法において、近年、放熱特性と接合信頼性のバランスを確保する目的で、接合材の間隔、即ちスタンドオフ高さを適度に保つことが重要な課題として挙げられる。その対策として例えば、特開２００５−１６１３３８号としてはんだシートが提案されている。（特許文献１）上記に開示される技術はマットリックスを構成するはんだよりも高融点の金属球が分散されたはんだシートを用いてスタンドオフ高さを制御する技術である。
また、上記に開示されるはんだシートは、次のように製造される。先ず、予め薄くしたはんだ帯を用いて、有機溶剤塗布部により金属球を固定するフラックスもしくは揮発性の有機溶剤を、金属球を固定するはんだ帯に塗布する。次いで、金属球の供給された粉末ホッパから、一定の間隔でスライドする供給マスクに、一旦金属球を個々に挿入する。次いで、別途設けられた供給スリットを通して、金属球をはんだ帯び上に連続的に投入しながら、金属球の固定されたはんだ帯と別途供給されたはんだ帯とを圧延する。このように特許文献１は、金属球を内部に含有したはんだシートとする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１６１３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者の検討によれば、上述した特許文献１に開示される金属球含有はんだシートの製造技術は、はんだ帯上に金属球を効率的に供給させ、金属球含有はんだシートとするという点では優れた技術である。しかしながら、所望のスタンドオフ高さを確保するための直径を有した金属球をはんだシートに埋め込む際、はんだシートの変形抵抗により、金属球に数１０％程度の変形が生じ、所望のスタンドオフ高さを得ることが困難であるという課題を知見した。
特許文献１のはんだシートは、はんだシートの厚みを厚くして変形抵抗を下げることで、金属球の変形を極力抑制することは可能である。しかし、埋め込んだ金属球の直上および直下の余剰はんだ量が多くなりすぎると、はんだの表面張力により、パワー半導体と接合基材間のスタンドオフ高さが制御できなくなり、結果としてはんだ層の厚みが厚く形成され、熱伝導を阻害するという課題を抱えている。
【０００５】
上記の問題は、パワー半導体モジュールなどの厳しい放熱特性ならびに接合信頼性を安定して満足する上で大きな問題となる。
本発明の目的は、所望のスタンドオフ高さを確保するための直径を有した金属球に対して、適切なはんだシートの厚みを増すことなく、はんだシート内部に金属球を埋め込む際の金属球の変形を抑制することが可能な金属球含有はんだシート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】
【０００６】
本発明は上述した問題に鑑みてなされたものである。
即ち本発明は金属球がはんだシート中に配置されている金属球含有はんだシートの製造方法であって、前記金属球とはんだシートを用いて、
（１）所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴をはんだシートの厚み方向に形成する工程と、
（２）前記はんだシートに形成した開口穴の中に金属球を振り込む工程と、
（３）前記はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定する工程からなることを特徴とする金属球含有はんだシートの製造方法である。
ここで、好ましくは、上記開口穴は、はんだシートの厚み方向を貫通しない止め穴である金属球含有はんだシートの製造方法である。
また、好ましくは上記の開口穴の形成工程がドリル加工による開口穴加工である金属球含有はんだシートの製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の金属球含有はんだシートの製造方法は、所望のスタンドオフ高さを確保するための直径を有した金属球に対して、はんだシートの厚みを増すことなく、はんだシート内部に金属球を埋め込む際の金属球の変形を抑制する効果があり、放熱特性ならびに接合信頼性に優れた金属球含有はんだシートを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
上述したように、本発明の重要な特徴は、予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴をはんだシートの厚み方向に形成し、開口穴の中に金属球を振り込んだ後、はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定する工程としたことにある。以下に本発明を詳しく説明する。
【０００９】
本発明の金属球含有はんだシートの製造方法の一例を図１に示す。
まず、図１（ａ）に示すように、金属球含有はんだシートの素材となるはんだシート１を準備する。
はんだシートの材質は、Ｓｎ系のはんだ合金であれば何でもよく、例えばＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｐｂ系の何れであってもよい。はんだシートの厚みは、例えば一般的にパワー半導体モジュールの半導体と回路基板との接続などに用いられている１００〜３００μｍ程度の厚みとすればよい。
【００１０】
次に、図１（ｂ）に示すように、所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴２をはんだシート１の厚み方向に形成する。
はんだシートに直接開口穴を設けることで、後工程の加圧工程においても金属球の過度な変形を抑制することが可能となる。開口穴は、はんだシートの厚み方向を貫通しない止め穴であってもよく、はんだシートの厚み方向を貫く貫通穴であってもよい。また、開口穴の形成は、はんだシートの体積変化が生じるドリル加工、またはフォトリソグラフィ技術によるエッチング加工であってもよく、はんだシートの体積変化が生じない凸プレス金型を用いたプレス加工によって形成してもよい。
はんだシートの開口穴に振り込んだ金属球が脱落するのを防止するため、はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定する必要がある。
【００１１】
ここで、開口穴の径は金属球の振り込み不良および金属球の配列精度を考慮すると、例えば金属球直径の１．０５〜１．７０倍の直径であることが好ましい。開口穴の深さは後工程の加圧工程による金属球の変形を鑑み、金属球直径よりも深い穴であることが好ましい。また、開口穴は、はんだシートの厚み方向を貫通しない止め穴であってもよく、はんだシートの厚み方向を貫く貫通穴であってもよい。金属球の脱落を考慮すると止め穴が好ましい。
加えて、開口穴の加工は、例えば、はんだシートの体積変化が生じるドリル加工またはフォトリソグラフィ技術によるエッチング加工であってもよい。最も簡便な方法としては、ドリルによる穿孔加工が好ましい。一度に多くの開口穴を形成するには、はんだシートの体積変化が生じない凸プレス金型を用いたプレス加工が好ましい。
本発明では、はんだシートに直接開口穴を設けることで、後工程の加圧工程においても金属球の過度な変形を抑制することが可能となる。
【００１２】
次に、図１（ｃ）に示すように、はんだシート１に形成した開口穴２に金属球３を振り込む。
ここで、金属球の振り込みは、はんだシート１上に形成された開口穴の個数以上の金属球をはんだシート１上に投入し、例えばスキージで金属球を転がしながら開口穴１箇所に対して金属球１個を、すべての開口穴に金属球を振り込んだ後、余剰な金属球を除去する工程である。なお、開口穴がはんだシートの厚み方向を貫く貫通穴である場合、金属球の脱落を防止するため、金属球を振り込む前に、開口穴を設けたはんだシート下面に金属板または樹脂フィルムを設けることが好ましい。
【００１３】
また、本発明で用いる金属球の組成としてはマトリックスを構成するはんだよりも融点が高ければ如何なる組成であってもよく、例えばＮｉおよびＣｕを主体とした組成からなる金属球などである。さらに、金属球の直径はスタンドオフ高さおよび平行度を考慮すると、例えば直径の平均値が８０〜２５０μｍ、直径分布の標準偏差が２．０μｍ以下の金属球などを用いるのが好適である。このような金属球を製造する技術としては、例えば熱プラズマ液滴精錬法により製造することができる。以下に熱プラズマ液滴精錬法について、説明する。
【００１４】
熱プラズマ液滴精錬法は、定量分断した融点が４００℃以上の金属片を、熱プラズマ中に導入し、該金属片を熱プラズマ中で溶解して球状化した後、凝固する技術である。
ここで、適用する熱プラズマとは気体にエネルギを加える事で気体中の分子を原子の状態に解離し、原子をさらにイオンと電子に電離させた電離気体であり、電気炉により金属片の加熱を行う従来の製造方法と比べて、非常に高い温度、具体的には、高温部では温度が５０００℃以上に加熱することが可能である。このように極めて高温の雰囲気を形成する熱プラズマ中では、融点が４００℃以上の金属片であっても瞬時に溶解することが可能である。
【００１５】
加えて、熱プラズマにより、局所的に極めて高温の雰囲気を生成できるため熱プラズマの領域と周囲の雰囲気とでは、急激な温度勾配が形成できる。この急激な温度勾配により、熱プラズマの高温部において、金属片は一瞬にして溶解され、自身の表面張力により球状となる。球状化した金属片は周囲の雰囲気により、すばやく融点以下に冷却され、凝固して金属球を形成することができる。したがって、落下している短時間で、高融点の金属を効率的に球状化することが可能となる。
【００１６】
このような熱プラズマ中における単一の金属片の溶解から凝固の過程では、短時間で溶解、凝固が進行するので、溶解中の蒸発量が少なく、殆ど体積の変動を生じない。したがって、予め定量分断された金属片、即ち体積の揃った金属片を用いることで、粒径の揃った金属球とすることができる。このような金属球を用いることで、電動車両用インバータなどのパワー半導体モジュールの半導体と回路基板との接続部などにおいて、スタンドオフ高さおよび平行度を高い精度で維持することが可能となる。
【００１７】
次に、図１（ｄ）に示すように、はんだシート１を厚み方向に加圧することにより、はんだシート１に変形を加え、金属球３をはんだシート１の内部に固定する。
ここで、はんだシートを厚み方向に加圧する工程は、例えばプレス加圧でもよく、ロール加圧でもよい。好ましくは、加圧工程において、はんだシート全面を一括して均一に加圧することができるプレス加圧がよい。
図１（ｄ）に示すプレス工程は、例えば金属球３が開口穴２に振り込まれたはんだシート１を、金属球３が露出した面を上面となるように、プレス冶具４の下方の治具上に配置した後、プレス治具４によって加圧する。ここで、開口穴２に振り込んだ金属球３をはんだによってかしめるように、開口穴２を金属球３の外形状に沿って変形させ、振り込んだ金属球３を一括してはんだシート１の内部に固定する工程である。
【００１８】
はんだシートに加える圧力は、少なくともハンドリングの際に金属球の脱落が発生しないように、金属球をはんだシート内部に固定することが可能な加圧力が望ましい。加えて、金属球の過度な変形および欠損を発生させない加圧力の範囲で制御することが望ましく、プレス加圧では、１００〜５００ＭＰａの範囲が好ましい。
本発明では、加圧工程後に、埃、水分、油分等の不純物を除去する目的で、例えば有機溶剤のアセトン、エタノールなどの洗浄工程を設けてもよい。
この後、図１（ｅ）に示すように、パワー半導体モジュールの半導体と回路基板との接続部などのスタンドオフ高さを制御することが可能な金属球含有はんだシート５として用いることができる。
【００１９】
本発明の製造方法では、予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴をはんだシートの厚み方向に形成し、開口穴の中に金属球を振り込んだ後、はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定する。このため、所望のスタンドオフ高さを確保するための直径を有した金属球に対して、適切なはんだシートの厚みを増すことなく、はんだシート内部に金属球を埋め込む際の金属球の変形を抑制する効果があり、放熱特性ならびに接合信頼性に優れた金属球含有はんだシートを提供することができる。
【実施例】
【００２０】
図１に示した製造方法により、金属球含有はんだシートを作製した。
先ず、図１（ａ）に示すはんだシート１として、幅１０ｍｍ、長さ１２ｍｍ、厚み２００μｍからなるＳｎ―３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ組成のはんだシートを準備した。
【００２１】
次に、日本ＬＰＫＦ株式会社製の基板加工機Ｐｒｏｔｏ  Ｍａｔ９３ｓに、刃径１５０μｍのマイクロドリルをセットして、回転数４００００ｒｐｍで、はんだシートの厚み方向に深さ１８５μｍ、ピッチ２５０μｍ、縦、横列ともに２１列ずつの開口穴を４４１個、止め穴として形成した。なお、開口穴の直径、深さ、ピッチの何れも数μｍ〜１０μｍ程度の不可避的誤差が生じていたが、何れも本発明における金属球含有はんだシートの製造方法においては許容範囲内である。
開口穴を形成した後のはんだシートの断面の走査型電子顕微鏡写真を図２に、断面拡大写真を図３に示す。図２、図３では開口穴直下のはんだシートにプラスチック製の支持台の弾性変形に起因して、若干凸変形が認められる。この変形は、後工程のプレス工程によって平滑にすることが可能である。このようにして、図１（ｂ）に示す、所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴２をはんだシート１の厚み方向に形成する工程を実施した。
【００２２】
次に、はんだシートの開口穴面上に、予め熱プラズマ液滴精錬法を用いて作製した直径の平均値１５０μｍ、標準偏差２．０μｍ以下のＣｕ球を５００個投入し、スキージとして毛ブラシを用いてＣｕ球を転がしながら、はんだシートの開口穴１箇所に対してＣｕ球１個を振り込み、余剰なＣｕ球は、はんだシート上から払い落とした。ここで、Ｃｕ球の平均直径を１５０μｍとしたのは、ドリルの偏芯によって開口穴の平均直径が実質的に１５８μｍとなっていることから、Ｃｕ球の振り込み不良と後工程におけるハンドリングの際の脱落抑制を鑑み決定した。このようにして、図１（ｃ）に示す、はんだシート１に形成した開口穴２の中に金属球３を振り込む工程を実施した。
【００２３】
次に、Ｃｕ球を開口穴に振り込んだはんだシートを、開口穴の開口部が上面となるように、油圧式小型プレス機のプレス下方の冶具上に配置した後、３２７ＭＰａの加圧力でプレス加圧した。ここで、開口穴に振り込んだＣｕ球をはんだにより、かしめるように開口穴をＣｕ球の外形状に沿って変形させて、振り込んだＣｕ球を一括してはんだシートの内部に固定した。
次いで、プレス治具からはんだシートを取り出してＣｕ球含有はんだシートの観察を行った。Ｃｕ球含有はんだシートの外観写真を図４に、また、拡大表面の走査型電子顕微鏡写真を図５に、拡大断面の走査型電子顕微鏡写真を図６に示す。図５、図６から、はんだシートに固定したＣｕ球は、はんだにより、はんだシートに確実に固定されており、形状は、ほぼ球形状を保ち、実使用上問題のない許容範囲内の変形量にとどまっていることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の金属球含有はんだシートの製造方法は、予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列の開口穴をはんだシートの厚み方向に形成し、開口穴の中に金属球を振り込んだ後、はんだシートを厚み方向に加圧することにより、はんだシートに変形を加え、金属球をはんだシートの内部に固定するため、所望のスタンドオフ高さを確保するための直径を有した金属球に対して、はんだシートの厚みを増すことなく、はんだシート内部に金属球を埋め込む際の金属球の変形を抑制する効果があり、放熱特性ならびに接合信頼性に優れた金属球含有はんだシートを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の金属球含有はんだシートの製造方法の一例を示す模式図である。
【図２】本発明のはんだシートの開口穴の断面の一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明のはんだシートの開口穴の断面の一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】本発明の金属球含有はんだシートの製造方法を用いて作製したＣｕ球含有はんだシートの一例を示す光学顕微鏡写真である。
【図５】本発明の金属球含有はんだシートの製造方法を用いて作製したＣｕ球含有はんだシートの一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図６】本発明の金属球含有はんだシートの製造方法を用いて作製したＣｕ球含有はんだシートの断面の一例を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２６】
１  はんだシート
２  開口穴
３  金属球
４  プレス治具
５  金属球含有はんだシート
【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】
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【図６】
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