(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）を容易に制御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、粘着層を有する転写シートを準備する工程と、前記転写シートに予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列で貫通穴を形成した金属球振り込み用のマスクを接着し、マスク付き転写シートを形成する工程と、前記マスク付き転写シートの前記マスクの貫通穴に金属球を振り込み、該金属球を転写シートの粘着層に接着する工程と、前記マスクを金属球付きの転写シートから除去する工程と、前記金属球付きの転写シートとはんだシートとを重ね合わせ金属球をはんだシート内部に埋め込む工程の後、転写シートを除去する工程を含む金属球含有はんだシートの製造方法である。【選択図】    図１
2007301575.tif 000002
【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）粘着層を有する転写シートを準備する工程と、
（２）前記転写シートに予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列で貫通穴を形成した金属球振り込み用のマスクを接着し、マスク付き転写シートを形成する工程と、
（３）前記マスク付き転写シートの前記マスクの貫通穴に金属球を振り込み、該金属球を転写シートの粘着層に接着する工程と、
（４）前記マスクを金属球付きの転写シートから除去する工程と、
（５）前記金属球付きの転写シートとはんだシートとを重ね合わせ金属球をはんだシート内部に埋め込む工程の後、転写シートを除去する工程、を含む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】
前記金属球を埋め込む工程がプレスによる埋め込み工程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】
前記金属球を埋め込む工程がロール加圧による埋め込み工程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。
【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が、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であり、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、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により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し、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し、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とで、金属球を内部に含有したはんだシートとする試みである。
【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】
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、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、製品毎のバラツキを極力少なく安定して満足する必要がある。例えば、直径が数１０〜数１００μｍ程度の金属球を用いて、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）を一定に制御する場合、上記に開示される技術は、粉末ホッパ、供給マスク、供給スリットおよびはんだ帯の各クリアランスを厳密に調整する必要がある。しかし、供給マスク、供給スリット、はんだ帯の形状精度の観点からその調整は困難であり、また、金属球の飛散や金属球の目詰まりによる供給マスク、供給スリットのスライド動作の不良などに起因して、はんだシート内部の金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）に偏りを発生させ、結果として、製品毎の放熱特性ならびに接合信頼性にバラツキを生むという課題を抱えている。
加えて、はんだ帯上に塗布したフラックスもしくは揮発性の有機溶剤が金属球とともにはんだシート内部に取り込まれるため、はんだシートの加熱工程において、取り込まれたフラックスもしくは揮発性の有機溶剤が気化し、接合後の空隙となることなどから、接合信頼性自体にも課題がある。
【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、製品毎のバラツキを極力少なく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、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）を容易に制御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）粘着層を有する転写シートを準備する工程と、
（２）前記転写シートに予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列で貫通穴を形成した金属球振り込み用のマスクを接着し、マスク付き転写シートを形成する工程と、
（３）前記マスク付き転写シートの前記マスクの貫通穴に金属球を振り込み、該金属球を転写シートの粘着層に接着する工程と、
（４）前記マスクを金属球付きの転写シートから除去する工程と、
（５）前記金属球付きの転写シートとはんだシートとを重ね合わせ金属球をはんだシート内部に埋め込む工程の後、転写シートを除去する工程、を含む金属球含有はんだシートの製造方法である。
本発明において、金属球を内部に埋め込む工程としては、例えばプレスによる埋め込みあるいはロール加圧による埋め込みが利用できる。
【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、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）を一定に制御することが可能であり、且つはんだシート内部への金属球以外の混入物を抑制する効果があり、製品毎の放熱特性ならびに接合信頼性のバラツキが少なく、接合信頼性自体にも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、マスク付きの転写シートの貫通穴に金属球を振り込み、金属球を転写シートの粘着層の所定の位置に接着してからはんだシート内に埋め込む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】
本発明の製造方法では、先ず粘着層を有する転写シートを準備する工程を設ける。粘着層としては金属球を保持できるものであればよい。また、転写シートの粘着層は、転写シートの金属球と接する面の全面が粘着層であってもよいし、金属球の配置される所定の位置のみ粘着層を有する構造であってもよい。
次に、前記転写シートに予め所望の金属球配列と実質的に同じ配列で貫通穴を形成した金属球振り込み用のマスクに接着する工程を設ける。これにより、はんだシートに所定の位置に金属球を振り込むことが可能となる。
転写シートに金属球振込み用のマスクを接着した後に、マスクの貫通穴に金属球を振り込み、該金属球を転写シートの粘着層に接着する工程を設ける。転写シートの接着層に振り込まれた金属球を接着することにより、金属球の配列を乱すことなく、はんだシートに金属球を配置することができる。
金属球を転写シートへ配置した後は、はんだシートに金属球を埋め込む際にはマスクは不要となるため、転写シートから引き剥がす必要がある。また、マスクの再利用の観点からもマスクを転写シートから除去した方がよい。
次に、金属球を配置した転写シートとはんだシートとを重ね合わせ金属球をはんだシート内部に埋め込む。これにより、はんだシートの所定の位置に金属球が配置される。
最後に転写シートを金属球が埋め込まれたはんだシートより除去する。
【００１０】
以下に、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を用いて詳しく説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、キャリアとなるベース層１と、後工程にて金属球を接着固定する粘着層２からなる転写シート３を準備する。
粘着層の材質は、例えばアクリル系、シリコーン系、エポキシ系、アミン系、ゴム系の何れかが利用できる。さらに、粘着層の厚みは金属球の接着固定が可能な１μｍ以上、且つ金属球の埋め込み工程の際に粘着層側への過度な埋没などが発生しない、例えば金属球径の４分の１以下とするのがよい。
【００１１】
次に、図１（ｂ）に示すように、転写シート３を予め所望の金属球配列と同じ配列で貫通穴４を形成した金属球振り込み用のマスク５に接着する。
ここで、金属球振り込み用のマスクの材質としては、耐食性に優れた、例えばＳＵＳ３０４などの金属を用いればよい。また、マスクの厚みは金属球の振り込み不良を考慮すると、例えば金属球径と同等な厚みであればよい。また、マスクの貫通穴の径を金属球径の１．０５〜１．７０倍で制御することで、貫通穴への金属球の振り込み不良を抑制することができる。
本発明では、粘着層を具備した転写シートを予め所望の金属球配列と同じ配列で貫通穴を形成した金属球振り込み用のマスクと接着することで、直径が数１０〜数１００μｍ程度の微小な金属球を用いても、次工程における金属球の振り込みにおいて、マスクの貫通穴を通して露出した転写シートの粘着層以外の箇所に余剰な金属球が付着するのを防止することができる。
【００１２】
次に、図１（ｃ）に示すように、マスク５の貫通穴４に金属球６を振り込み、該金属球６を転写シート３の粘着層２に接着する。
ここで、金属球の振り込みは、多数の金属球をマスク上に投入し、専用治具で金属球を転がしながら貫通穴１箇所に対して金属球１個の割合で、すべての貫通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。
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３０〜３００μｍ、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
次に、図１（ｄ）に示すように、金属球振り込み用のマスク５を金属球６付きの転写シート３から引き剥がす。
本発明では、粘着層を具備した転写シートを用いて、金属球を転写シートの粘着層に接着固定しているため、金属球振り込み用のマスクを引き剥がす際、金属球の脱落、過度な位置変動などを抑制することができる。つまり、金属球振り込み用のマスクを引き剥がした後の転写シートの粘着層に接着固定された金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）は、マスクの貫通穴の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）で制御することが可能である。
【００１７】
次に、図１（ｆ）に示すように、金属球６付きの転写シート３とはんだシート７とを重ね合わせ金属球６をはんだシート７内に埋め込む。
ここで、金属球のはんだシートへの埋め込みは、例えば図２（ａ）（ｂ）に示すプレス工程でもよく、図３（ａ）（ｂ）に示すロール加圧による埋め込み工程でもよい。好ましくは、埋め込み工程において、金属球の位置変動が少ないプレス工程である。
図２（ａ）（ｂ）に示すプレス工程は、例えば図２（ａ）に示すように、金属球６付きの転写シート３を、金属球６を接着固定した面が上面となるように、プレス冶具８の下方治具上に配置した後、はんだシートを金属球６付きの転写シート３上に重ね合わせる。この後、図２（ｂ）に示すように、プレス治具８によって加圧し、すべての金属球６を一括してはんだシート７の内部に埋め込むことができる。
また、図３（ａ）（ｂ）に示すロール加圧による埋め込み工程は、例えば図３（ａ）に示すように、金属球６付きの転写シート３とはんだシート７を、予め重ね合わせた後、所定の加圧力に制御した加圧ロール９間に、金属球６付きの転写シート３とはんだシート７を重ね合わせた一端を挿入する。この後、図３（ｂ）に示すように、予め重ね合わせた金属球６付きの転写シート３とはんだシート７を、所定の加圧力に制御した加圧ロール９間を通過させることで、金属球６を順次はんだシート７の内部に埋め込むことができる。
また、金属球を埋め込む加圧力は、はんだシート内に金属球を埋め込み後、金属球の脱落が発生しないように、少なくとも金属球径の７０％をはんだシート内部に埋め込める加圧力が望ましく、加えて金属球の欠損、割れを発生させない加圧力の範囲で制御することが望ましい。具体的には、プレス加重で、例えば金属球１個に対して１〜３０Ｎ程度である。
【００１８】
この後、図１（ｇ）に示すように、転写シート３を除去することで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１０として用いることができる。
なお、本工程後に、粘着層の微少残渣、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。
【００１９】
本発明の製造方法では、マスクの貫通穴の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）で制御した複数個の金属球を転写シートの粘着層に接着固定した金属球付きの転写シートとはんだシートを重ね合わせ、金属球をはんだシート内部に埋め込むため、直径が数１０〜数１００μｍ程度の金属球を用いて、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）をマスク貫通穴の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）によって一定に制御することが可能であり、且つはんだシート内部への金属球以外の混入物を抑制する効果があり、製品毎の放熱特性ならびに接合信頼性のバラツキが少なく、接合信頼性自体にも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、厚み２５μｍからなるポリイミドフィルムを準備し、ポリイミドフィルムの片面にアクリル系のスプレー糊を１０μｍ程度の厚みとなるように均一に塗布した。このようにして、図１（ａ）に示す、キャリアとなるベース層１と、後工程にて金属球を接着固定する粘着層２からなる転写シート３を作製した。
【００２１】
次に、転写シートの粘着層面を、予め直径１１５μｍ、最小ピッチ２２５μｍで約１４００個の貫通穴をレーザ加工で施した、厚み８０μｍからなるＳＵＳ３０４の金属球振り込み用のマスクと接着した。このようにして、図１（ｂ）に示す、転写シート３を予め所定の金属球配列と同じ配列で貫通穴４を形成した金属球振り込み用のマスク５に接着する工程を実施した。
【００２２】
次に、転写シートに接着した金属球振り込み用のマスク上に、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８０μｍ、標準偏差２．０μｍ以下のＮｉ球を多数個投入し、専用治具を用いてＮｉ球を転がしながら、マスクの貫通穴１箇所に対してＮｉ球１個を振り込み、転写シートの粘着層にＮｉ球を接着した。また、余剰なＮｉ球は貫通穴への振り込み後、マスク上から振るい落とした。ここで、マスクの貫通穴を通して露出した転写シートの粘着層以外の箇所への余剰な金属球の付着や貫通穴への金属球の振り込み不良は全く発生しなかった。なお、マスクの貫通穴にＮｉ球を振り込んだ後の顕微鏡写真を図４に示す。このようにして、図１（ｃ）に示す、転写シート３付きのマスク５の貫通穴４に金属球６を振り込み、該金属球６を転写シート３の粘着層２に接着する工程を実施した。
図４より、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）を一定に制御できていることが確認できた。図４では、Ｎｉ球径８０μｍに対してマスクの貫通穴の径を１１５μｍとしたため、Ｎｉ球の配列が若干ずれているように見えるが、金属球径に対してマスク貫通穴の径を１．０５〜１．１０倍程度に制御することで、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）をより精度よく制御することが可能である。
【００２３】
次に、金属球振り込み用のマスクをＮｉ球付きの転写シートから手動で引き剥がした。ここで、金属球振り込み用のマスクを引き剥がす際、Ｎｉ球の脱落、過度な位置変動などは発生せず、金属球振り込み用のマスクを引き剥がした後の転写シートの粘着層に接着固定されたＮｉ球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）は、マスクの貫通穴の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）とほぼ同等であった。このようにして、図１（ｄ）に示す、金属球振り込み用のマスク５を金属球６付きの転写シート３から引き剥がす工程を実施した。
【００２４】
次に、Ｎｉ球付きの転写シートと厚み１５０μｍからなるＳｎ―３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ組成のはんだシートとを重ね合わせ、はんだシートを上にして、油圧式小型プレス機の加圧治具部にセットし、金属球１個に対して１０Ｎの加圧力でプレスし、Ｎｉ球をはんだシート内部に埋め込んだ。この後、転写シートを手動で引き剥がしてＮｉ球含有はんだシートを作製した。ここで、はんだシート内部に埋め込んだＮｉ球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）は、マスクの貫通穴の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）とほぼ同様であった。加えて、すべての金属球に対して、金属球径の７０％以上をはんだシート内部に埋め込むことができた。また、はんだシート内部には金属球以外の混入物は確認できなかった。なお、Ｎｉ球含有はんだシートの走査型電子顕微鏡写真を図５に、さらに、拡大断面の走査型電子顕微鏡写真を図６に示す。このようにして、図１（ｆ）に示す、金属球６付きの転写シート３とはんだシート７とを重ね合わせ、金属球６をはんだシート７内に埋め込む工程と、図１（ｇ）に示す、転写シート３を除去する工程を実施して金属球含有はんだシートを作製することができた。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の金属球含有はんだシートの製造方法は、ベース層と粘着層とからなる転写シートを準備し、転写シートに予め所望の金属球配列と同じ配列で貫通穴を形成した金属球振り込み用のマスクを接着してから、転写シート付きのマスクの貫通穴に金属球を振り込み、金属球を転写シートの粘着層に接着し、マスクを金属球付きの転写シートから引き剥がした後、金属球付きの転写シートとはんだシートとを重ね合わせ金属球をはんだシート内部に埋め込む工程であるため、直径が数１０〜数１００μｍ程度の金属球を用いて、金属球の配列パターンおよび配列ピッチ（分散比率）を一定に制御することが可能であり、且つはんだシート内部への金属球以外の混入物を抑制する効果があり、製品毎の放熱特性ならびに接合信頼性のバラツキが少なく、接合信頼性自体にも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】
【００２６】
【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３】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４】本発明の金属球含有はんだシートの製造方法のマスクの貫通孔に金属球を振り込んだ状態の顕微鏡写真である。
【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Ｎｉ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Ｎｉ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。
【符号の説明】
【００２７】
１  ベース層
２  粘着層
３  転写シート
４  貫通穴
５  マスク
６  金属球
７  はんだシート
８  プレス冶具
９  加圧ロール
１０  金属球含有はんだシート
【図１】
2007301575.tif 000003
【図２】
2007301575.tif 000004
【図３】
2007301575.tif 000005
【図４】
2007301575.tif 000006
【図５】
2007301575.tif 000007
【図６】
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