金属ボール
【課題】 半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる金属ボールを提供する。
【解決手段】 金属ボール１０は、コアボール１と、反応抑制層２と、めっき層３とを備える。コアボール１は、直径が５０μｍ〜１０００μｍの範囲である銅（Ｃｕ）からなる。反応抑制層２は、ニッケル（Ｎｉ）からなり、０．１〜５μｍの範囲の膜厚を有する。めっき層３は、錫ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ合金）からなり、０．１μｍ〜１００μｍの範囲の膜厚を有する。そして、めっき層３は、錫（Ｓｎ）が最内周から最外周へ向かって減少し、ビスマス（Ｂｉ）が最内周から最外周へ向かって増加するように電気めっきにより作製される。
【解決手段】 金属ボール１０は、コアボール１と、反応抑制層２と、めっき層３とを備える。コアボール１は、直径が５０μｍ〜１０００μｍの範囲である銅（Ｃｕ）からなる。反応抑制層２は、ニッケル（Ｎｉ）からなり、０．１〜５μｍの範囲の膜厚を有する。めっき層３は、錫ビスマス（Ｓｎ−Ｂｉ合金）からなり、０．１μｍ〜１００μｍの範囲の膜厚を有する。そして、めっき層３は、錫（Ｓｎ）が最内周から最外周へ向かって減少し、ビスマス（Ｂｉ）が最内周から最外周へ向かって増加するように電気めっきにより作製される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子部品の実装に用いられる金属ボールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の表面実装においては、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）およびＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）等の実装方法が用いられている。そして、これらの実装方法は、半田、銅 アルミニウム、および外層が半田で覆われた銅コアおよび樹脂コア等の金属ボールを接続端子として用いる方法である。
【０００３】
従来、半導体パッケージにおける半導体素子の内部接続電極に用いる複合マイクロボールが知られている（特許文献１）。この複合マイクロボールは、コアボールと、コアボールを覆う下地層と、下地層上に形成された半田被覆層とからなる。
【０００４】
コアボールは、直径が３０μｍ〜１２０μｍの範囲である銅からなり、下地層は、コバルトおよびニッケルから選択された少なくとも一種からなり、半田被覆層は、膜厚が２０μｍ以上である電気半田めっき層からなる。そして、電気半田めっき層の材料は、鉛-錫であり、複合マイクロボールの外径は、５０μｍ〜２００μｍの範囲である。
【特許文献１】特許第３３１４２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、半田に関しては、鉛フリー化が要求されているため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金およびＳｎ−Ｃｕ合金等の従来のＳｎ−Ｐｂ合金系よりも融点の高い合金、またはＳｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金等の従来のＳｎ−Ｐｂ合金系よりも融点の低い合金が用いられている。
【０００６】
そして、半田めっきの分野においても、同じ鉛フリー化が要求されており、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｉｎ合金等のめっきが使用されており、ＢＧＡおよびＣＳＰ等の実装技術において用いられる金属ボールとして表面をＳｎ−Ａｇ合金からなるめっき層で覆った銅コアボールが主流になりつつある。
【０００７】
しかし、Ｓｎ−Ａｇ合金からなるめっき層を用いた場合、銅コアボールを半田付けするときの融点が高くなるという問題がある。
【０００８】
一方、Ｓｎ−Ｂｉ合金は低融点であるため、銅コアボールをＳｎ−Ｂｉ合金からなるめっき層で覆うことにより、銅コアボールを半田付けするときの融点を低温化できる。
【０００９】
しかし、Ｂｉの組成比が大きくなると、Ｓｎ−Ｂｉ合金が脆くなり、半田付けした銅コアボールが接合材料として不適切になるという問題がある。
【００１０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる金属ボールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によれば、金属ボールは、電子部品の実装に用いられる金属ボールであって、コアボールと、めっき層とを備える。コアボールは、金属からなる。めっき層は、半田付け用の合金を構成するＳｎおよびＢｉからなり、コアボールを覆う。そして、Ｂｉの組成比は、めっき層の最内周から最外周へ向かって第１の組成比から第２の組成比へ増加する。第１の組成比は、当該金属ボールが半田付けされたときのめっき層の強度を基準強度以上に設定する組成比であり、第２の組成比は、めっき層の融点を基準融点よりも低い温度に設定する組成比である。
【００１２】
好ましくは、金属ボールは、反応抑制層をさらに備える。反応抑制層は、コアボールとめっき層との間に挿入される。
【００１３】
好ましくは、反応抑制層は、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、ＣｏおよびＰｔのいずれかからなる。
【００１４】
好ましくは、第１の組成比は、１５〜２０％の範囲であり、第２の組成比は、２９〜４４％の範囲である。
【００１５】
好ましくは、コアボールは、Ｃｕからなる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明においては、ＳｎおよびＢｉからなる半田付け用の合金によりめっき層を構成し、めっき層中におけるＢｉの組成比を最内周から最外周へ向かってめっき層の強度を基準強度以上に設定する組成比から半田付けするときの融点を基準融点よりも低くする組成比へ変化させて電気めっきによりめっき層を形成する。そうすると、金属ボールを半田付けするとき、めっき層が基準融点よりも低い融点でリフローし、金属ボールは、低温で半田付けされるとともに、半田付け後の強度が基準強度以上に保持される。
【００１７】
したがって、この発明によれば、金属ボールを半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる。たとえば、半田ちぎれを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態による金属ボールの構成を示す断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による金属ボール１０は、コアボール１と、反応抑制層２と、めっき層３とを備える。
【００２０】
コアボール１は、銅（Ｃｕ）からなり、直径が５０μｍ〜１０００μｍの範囲である。そして、コアボール１の融点は、６００〜１６００℃の範囲である。
【００２１】
反応抑制層２は、Ｎｉ、ＮｉＰ合金、ＮｉＢ合金、ＣｏおよびＰｔのいずれかからなり、コアボール１とめっき層３との間に形成される。そして、反応抑制層２の膜厚は、１モノレイヤー〜５μｍの範囲である。反応抑制層２は、コアボール１を構成する銅とめっき層３を構成する錫（Ｓｎ）およびビスマス（Ｂｉ）との反応を抑制する。
【００２２】
めっき層３は、電気めっきにより形成され、コアボール１および反応抑制層２を覆う。そして、めっき層３は、Ｓｎ−Ｂｉ合金からなり、膜厚が０．１μｍ〜１００μｍの範囲である。めっき層３において、Ｂｉの組成比は、めっき層３の最内周から最外周へ向けて第１の組成比から第２の組成比まで増加する。
【００２３】
ここで、第１の組成比は、金属ボール１０が半田付けされたときのめっき層３の強度を基準強度以上に設定する組成比であり、第２の組成比は、めっき層３の融点を基準融点よりも低い温度に設定する組成比である。
【００２４】
反応抑制層２およびめっき層３は、電気めっきにより形成される。図２は、図１に示す金属ボール１０を作製するバレルめっき装置の概略図である。図２を参照して、バレルめっき装置１００は、めっき槽２０と、枠板３０と、バレルドラム４０と、歯車５０，６０と、モータ７０と、陰極８０と、陽極９０と、ノズル１１０，１２０と、直流電源１３０とを備える。
【００２５】
めっき槽２０には、めっき浴１４０が入れられる。枠板３０は、バレルドラム４０を略水平状態で回転可能に保持する。バレルドラム４０は、６個の側板４１と、６個の網材４２とからなる。６個の側板４１は、六角柱形状に組まれる。そして、６個の網材４２は、それぞれ、６個の側板４１に張着される。したがって、バレルドラム４０は、六角柱形状からなり、内部に被めっき物品（＝コアボール１）を収納する。
【００２６】
歯車５０は、枠板３０を介してバレルドラム４０に連結される。歯車６０は、歯車５０と噛合うように枠板３０に取り付けられる。モータ７０は、シャフト７１を介して歯車６０に連結される。
【００２７】
そして、枠板３０、バレルドラム４０および歯車５０，６０は、枠板３０およびバレルドラム４０の一部がめっき浴１４０に浸漬されるようにめっき槽２０内に収納される。
【００２８】
モータ７０は、シャフト７１および歯車６０，５０を介してバレルドラム４０を矢印２１の方向に一定の回転速度で回転させる。陰極８０は、その先端部がバレルドラム４０の内部においてめっき浴１４０に浸漬されるように枠板３０に取り付けられる。陽極９０は、その先端部がめっき浴１４０に浸漬される。
【００２９】
ノズル１１０，１２０は、その先端部がめっき浴１４０上に位置するように支持部材（図示せず）によって支持される。直流電源１３０は、陰極８０と陽極９０との間に接続され、陰極８０および陽極９０を介してめっき浴１４０に一定の電流密度の電流を流す。
【００３０】
上述したように、バレルドラム４０は、網材４２が張着された側板４１を略六角柱形状に組付けた構造からなり、一部がめっき浴１４０に浸漬される。そして、めっき浴１４０に浸漬された側板４１に被めっき物品が溜まる。また、陰極８０の先端は、めっき浴１４０に浸漬された側板４１に近接して配置される。
【００３１】
したがって、めっき浴１４０は、浸漬された網材４２を介してバレルドラム４０の内部に入り、一定の電流密度の電流が陰極８０と陽極９０との間に流れることにより、電気分解され、被めっき物品の表面に析出する。
【００３２】
また、バレルドラム４０は、モータ７０によって一定の回転速度で矢印２１の方向へ回転されるので、めっき浴１４０に浸漬される側板４１が順次変えられ、バレルドラム４０内の被めっき物品は、回転されながらめっきされる。これにより、球形状からなるコアボール１の表面に反応抑制層２およびめっき層３を均一に形成できる。
【００３３】
めっき浴１４０は、硫酸、硫酸錫、硫酸ビスマス、ポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルおよびピロカテコールからなる。ポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルおよびピロカテコールは、めっき層３の光沢剤として用いられる。
【００３４】
めっき浴１４０は、硫酸錫および硫酸ビスマスを含み、硫酸錫および硫酸ビスマスを電気分解して反応抑制層２が形成されたコアボール１に錫およびビスマスからなる半田合金（Ｓｎ−Ｂｉ合金）をめっきする。
【００３５】
ノズル１１０は、硫酸錫を含む溶液をめっき浴１４０に導入するノズルであり、ノズル１２０は、硫酸ビスマスを含む溶液をめっき浴１４０へ導入するノズルである。
【００３６】
この発明においては、電気めっきによりめっき層３を形成するとき、硫酸錫を含む溶液の滴下量を徐々に減少させ、かつ、硫酸ビスマスを含む溶液の滴下量を徐々に増加させながら電気めっきによりめっき層３を形成する。つまり、この発明においては、めっき層３を構成するＳｎ−Ｂｉ合金におけるＢｉの組成比がめっき層３の最内周から最外周に向かって第１の組成比から第２の組成比まで増加するように電気めっきによりめっき層３を形成する。
【００３７】
図３は、Ｓｎ−Ｂｉ合金におけるＢｉの組成比の変化を示す図である。図３において、横軸は、めっき層３の膜厚方向を表し、縦軸は、Ｂｉの組成比を表す。図３を参照して、直線ｋ１は、Ｂｉの組成比を、めっき層３の最内周における第１の組成比からめっき層３の最外周における第２の組成比まで一定の増加率で増加させる場合を示す。
【００３８】
また、曲線ｋ２は、めっき層３の最内周と最外周との間でＢｉの組成比の増加率を変化させながら、Ｂｉの組成比を第１の組成比から第２の組成比まで増加させる場合を示す。
【００３９】
さらに、曲線ｋ３は、めっき層３の最内周と最外周との間でＢｉの組成比の増加率を２つの増加率に変化させながら、Ｂｉの組成比を第１の組成比から第２の組成比まで増加させる場合を示す。
【００４０】
この発明においては、Ｂｉの組成比は、直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従って変化される。なお、Ｂｉの組成比を直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従って変化させる場合、曲線ｋ４に示すように、階段状にＢｉの組成比を増加させてもよい。
【００４１】
図３に示す直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従ってＢｉの組成比が変化するめっき層３を形成するために、硫酸錫を含む溶液の滴下量を徐々に減少させ、かつ、硫酸ビスマスを含む溶液の滴下量を徐々に増加させながら、電気めっきによりめっき層３を形成する。
【００４２】
図４は、図１に示す金属ボール１０の作製工程を示すフローチャートである。金属ボール１０を作製する動作が開始されると、銅からなるコアボール１がニッケルめっき用のめっき浴に浸漬される（ステップＳ１）。すなわち、図２に示すバレルめっき装置１００において、所定量の硫酸ニッケル、所定量の塩素ニッケルおよび所定量のホウ酸とからなるめっき浴１４０にコアボール１が浸漬される。
【００４３】
その後、モータ７０は、シャフト７１および歯車６０，５０を介してバレルドラム４０を矢印２１の方向に一定の回転速度で回転させ、直流電源１３０は、陰極８０と陽極９０との間に一定の電流密度の電流を流す。そうすると、コアボール１は、その表面がニッケルによってめっきされ、コアボール１を覆うように反応抑制層２が形成される（ステップＳ２）。
【００４４】
そして、反応抑制層２が形成されたコアボール１を錫−ビスマスめっき用のめっき浴１４０に浸漬させる（ステップＳ３）。すなわち、図２に示すバレルめっき装置１００において、所定量の硫酸、所定量の硫酸錫、所定量の硫酸ビスマス、所定量のポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルおよび所定量のピロカテコールからなるめっき浴１４０に、反応抑制層２が形成されたコアボール１が浸漬される。
【００４５】
その後、モータ７０は、シャフト７１および歯車６０，５０を介してバレルドラム４０を矢印２１の方向に一定の回転速度で回転させ、直流電源１３０は、陰極８０と陽極９０との間に一定の電流密度の電流を流す。また、ノズル１１０を介してめっき浴１４０に供給する硫酸錫を含む溶液の量を徐々に減少させ、ノズル１２０を介してめっき浴１４０に供給される硫酸ビスマスを含む溶液の量を徐々に増加させる。
【００４６】
そうすると、Ｂｉの組成比が最内周から最外周に向かって第１の組成比から第２の組成比まで増加するめっき層３が反応抑制層２の表面に形成される（ステップＳ４）。すなわち、Ｂｉの組成比が図３に示す直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従って増加するめっき層３が反応抑制層２の表面に形成される。これにより、金属ボール１０の作製が終了する。
【００４７】
このように、金属ボール１０は、バレルめっき装置１００を用い、電気めっき中にめっき浴１４０に供給する硫酸錫および硫酸ビスマスの量を制御して、Ｂｉの組成比が最内周から最外周へ向かって増加するめっき層３（＝Ｓｎ−Ｂｉ合金）をコアボール１の表面に形成することによって作製される。
【００４８】
図５は、Ｓｎ−Ｂｉ合金中におけるＢｉ濃度とＳｎ−Ｂｉ合金の状態の液相線を示す図である。図５において、横軸は、Ｂｉ濃度を表し、縦軸は、温度を表す。図５を参照して、曲線ｋ５は、各Ｂｉ濃度におけるＳｎ−Ｂｉ合金の固相と液相との境界を示す。たとえば、Ｂｉ濃度が約６０［ｍａｓｓ％］である場合、Ｓｎ−Ｂｉ合金は、約１５０℃の温度において液相となる。
【００４９】
Ｂｉ濃度が０［ｍａｓｓ％］であるＳｎが液相になる温度（＝融点）は、約２３０℃であり、Ｓｎ−Ｂｉ合金の融点は、Ｓｎに添加するＢｉ濃度が増加するに従って低下し、Ｂｉ濃度が約６０［ｍａｓｓ％］のときに最も低くなる。そして、Ｓｎ−Ｂｉ合金の融点は、Ｂｉ濃度が６０［ｍａｓｓ％］以上である領域においては、Ｂｉ濃度の増加に伴って高くなる。
【００５０】
一方、Ｂｉ濃度が増加すると、Ｓｎ−Ｂｉ合金が脆くなる。そこで、この発明においては、強度が基準強度以上であり、融点が基準融点（＝例えば、２００℃）よりも低いＳｎ−Ｂｉ合金を形成するために、めっき層３の最内周においてＢｉ濃度を１５〜２０［ｍａｓｓ％］の範囲に設定し、めっき層３の最外周においてＢｉ濃度を２９〜４４［ｍａｓｓ％］の範囲に設定し、さらに、最内周から最外周へ向かってＢｉ濃度を増加させながら電気めっきによりめっき層３を形成する。
【００５１】
すなわち、めっき層３の最内周部を融点が２００℃以上であるＳｎ−Ｂｉ合金により形成し、めっき層３の最外周部を融点が２００℃よりも低いＳｎ−Ｂｉ合金により形成する。つまり、めっき層３は、最内周部で強度を保持し、かつ、最外周部で融点を低下させる組成のＳｎ−Ｂｉ合金により形成される。
【００５２】
図６は、図２に示すバレルめっき装置１００を用いてＢｉ濃度を最内周から最外周へ向かって増加させながら電気めっきした金属ボール１０の電子顕微鏡写真である。図６において、曲線ｋ６は、めっき層３の深さ方向におけるＢｉ量の変化を表し、曲線ｋ７は、めっき層３の深さ方向におけるＳｎ量の変化を示す。なお、めっき層３の深さ方向におけるＢｉ量およびＳｎ量は、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）の線分析によって測定された。
【００５３】
図６を参照して、めっき層３において、Ｂｉ量は、最内周から最外周へ向かって増加しており（曲線ｋ６参照）、Ｓｎ量は、最内周から最外周へ向かって減少しており（曲線ｋ７参照）、Ｂｉ組成比が最内周から最外周へ向かって増加するめっき層３を有する金属ボール１０が作製されていることが確認された。
【００５４】
次に、強度を基準強度以上に保持し、かつ、融点を基準融点よりも低くするＳｎ−Ｂｉ合金の実験結果について説明する。この発明による金属ボール１０として３種類の金属ボール（実施例１〜３）を作製し、比較例として４種類の金属ボール（比較例１〜４）を作製した。
【００５５】
表１は、この発明による金属ボール１０としての金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）を電気めっきにより作製するときのめっき浴１４０を示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
金属ボール１０Ａ（実施例１）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、濃度が所定範囲Ａ１で変化する硫酸Ｓｎと、濃度が所定範囲Ｂ１で変化する硫酸Ｂｉとからなる。
【００５８】
そして、所定範囲Ａ１は、電気めっきの開始時における２７ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における２５ｇ／Ｌまでの範囲であり、所定範囲Ｂ１は、電気めっきの開始時における３．７ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における１０ｇ／Ｌまでの範囲である。
【００５９】
また、金属ボール１０Ｂ（実施例２）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、濃度が所定範囲Ａ２で変化する硫酸Ｓｎと、濃度が所定範囲Ｂ２で変化する硫酸Ｂｉとからなる。
【００６０】
そして、所定範囲Ａ２は、電気めっきの開始時における２８ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における２１ｇ／Ｌまでの範囲であり、所定範囲Ｂ２は、電気めっきの開始時における３．９ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における１４ｇ／Ｌまでの範囲である。
【００６１】
さらに、金属ボール１０Ｃ（実施例３）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、濃度が所定範囲Ａ３で変化する硫酸Ｓｎと、濃度が所定範囲Ｂ３で変化する硫酸Ｂｉとからなる。
【００６２】
そして、所定範囲Ａ３は、電気めっきの開始時における２７ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における２３ｇ／Ｌまでの範囲であり、所定範囲Ｂ３は、電気めっきの開始時における３．５ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における１２ｇ／Ｌまでの範囲である。
【００６３】
金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）を電気めっきにより作製する場合、直径が４００μｍであるコアボール（＝Ｃｕボール）を図２に示すバレルドラム４０の中に所定数入れ、モータ７０によりバレルドラム４０を所定の回転数で回転させ、直流電源１３０により０．２Ａ／ｄｍ２の電流密度からなる電流を陰極８０および陽極９０を介してめっき浴１４０に流し、ノズル１１０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｓｎの濃度およびノズル１２０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｂｉの濃度を表１に示す範囲で変化させながら電気めっきを行なう。この場合、電気めっきの時間は、たとえば、４時間である。
【００６４】
このように、金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、硫酸Ｓｎの濃度を徐々に減少させ、硫酸Ｂｉの濃度を徐々に増加させながら電気めっきを行なうことにより作製される。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度は、上述しためっき時間において直線的に変化された。この場合、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を最も多く変化させて金属ボール１０Ｂ（実施例２）を作製し、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を２番目に多く変化させて金属ボール１０Ｃ（実施例３）を作製し、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を最も少なく変化させて金属ボール１０Ａ（実施例１）を作製する。
【００６５】
なお、金属ボール１０Ａ（実施例１）および金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、反応抑制層２を有さず、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、ニッケルからなる反応抑制層２を有する。
【００６６】
表２は、比較例としての金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール１０Ｄ（比較例４）を電気めっきにより作製するときのめっき浴１４０を示す。
【００６７】
【表２】
【００６８】
金属ボール２０Ａ（比較例１）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、２７ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、１．３ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ２７ｇ／Ｌおよび１．３ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００６９】
また、金属ボール２０Ｂ（比較例２）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、２７ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、２．１ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ２７ｇ／Ｌおよび２．１ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００７０】
さらに、金属ボール２０Ｃ（比較例３）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、２４ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、３．０ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ２４ｇ／Ｌおよび３．０ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００７１】
さらに、金属ボール２０Ｄ（比較例４）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、１８ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、６．８ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ１８ｇ／Ｌおよび６．８ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００７２】
金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）を作製する場合、直径が４００μｍであるコアボール（＝Ｃｕボール）を図２に示すバレルドラム４０の中に所定数入れ、モータ７０によりバレルドラム４０を所定の回転数で回転させ、直流電源１３０により０．２Ａ／ｄｍ２の電流密度からなる電流を陰極８０および陽極９０を介してめっき浴１４０に流し、ノズル１１０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｓｎの濃度およびノズル１２０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｂｉの濃度を一定に保持しながら電気めっきを行なう。この場合、電気めっきの時間は、たとえば、４時間である。
【００７３】
このように、金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、めっき浴１４０中の硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を一定に保持しながら作製される。
【００７４】
この場合、硫酸Ｂｉの濃度（＝［硫酸Ｂｉ］／（［硫酸Ｓｎ］＋［硫酸Ｂｉ］）、以下同じ）を最も高くして金属ボール２０Ｄ（比較例４）を作製し、硫酸Ｂｉの濃度を２番目に高くして金属ボール２０Ｃ（比較例３）を作製し、硫酸Ｂｉの濃度を３番目に高くして金属ボール２０Ｂ（比較例２）を作製し、硫酸Ｂｉの濃度を最も低くして金属ボール２０Ａ（比較例１）を作製する。
【００７５】
なお、金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、反応抑制層２を有しない。
【００７６】
表３は、表１に示すめっき浴１４０を用いて作製した金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、表２に示すめっき浴１４０を用いて作製した金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０ＤとにおけるＢｉ濃度、融点および膜厚を示す。
【００７７】
【表３】
【００７８】
なお、Ｂｉ濃度は、めっき層における濃度であり、［Ｂｉ］／（［Ｓｎ］＋［Ｂｉ］）により計算された。また、融点温度は、金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを半田付けするときの融点である。
【００７９】
金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、それぞれ、７．２％、１２．９％、２２．６％、および４２．０％のＢｉ濃度を有し、２１９℃、２１１℃、１９７℃および１４２℃の融点を有する。また、金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、それぞれ、３５．５μｍ、３２．０μｍ、３７．５μｍおよび３７．５μｍの膜厚からなるめっき層を有する。
【００８０】
したがって、Ｂｉ濃度が一定であるめっき層を有する金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）において、めっき層中のＢｉ濃度が増加すると、金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを半田付けするときの融点が低下する。そして、めっき層中のＢｉ濃度がそれぞれ２２．６％，４２．０％である金属ボール２０Ｃ，２０Ｄにおいては、半田付けするときの融点が２００℃よりも低くなる。
【００８１】
一方、金属ボール１０Ａ（実施例１）は、最内周および最外周においてそれぞれ１８．０％および２９．２％のＢｉ濃度を有し、２４．３％のＢｉの平均濃度を有する。また、金属ボール１０Ａ（実施例１）は、１４０℃の融点を有する。そして、金属ボール１０Ａ（実施例１）において、めっき層３（Ｓｎ−Ｂｉ合金）の膜厚は、３７．３μｍである。
【００８２】
また、金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、最内周および最外周においてそれぞれ１９．４％および４３．８％のＢｉ濃度を有し、２７．０％のＢｉの平均濃度を有する。また、金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、１４０℃の融点を有する。そして、金属ボール１０Ｂ（実施例２）において、めっき層３（Ｓｎ−Ｂｉ合金）の膜厚は、３３．１μｍである。
【００８３】
さらに、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、最内周および最外周においてそれぞれ１６．０％および３９．０％のＢｉ濃度を有し、２７．５％のＢｉの平均濃度を有する。また、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、１４０℃の融点を有する。そして、金属ボール１０Ｃ（実施例３）において、反応抑制層２（＝Ｎｉ）の膜厚は、２．０μｍであり、めっき層３（Ｓｎ−Ｂｉ合金）の膜厚は、３５．８μｍである。
【００８４】
このように、この発明による金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、比較例である金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）とほぼ同じ膜厚のめっき層（＝Ｓｎ−Ｂｉ合金）を有し、金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄよりも低い融点を有する。
【００８５】
したがって、めっき層３中のＢｉ濃度を最内周および最外周においてそれぞれ１５．０％〜２０．０％の範囲および２９．０％〜４４．０％の範囲に設定することによって金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの融点を１４０℃まで大幅に低温化できる。
【００８６】
また、金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）、金属ボール１０Ｃ（実施例３）、金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）について剪断強度を測定するとともに、半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの基板からの剥離モードを解析した。
【００８７】
図７は、剪断強度を測定する方法を説明するための概念図である。図７を参照して、冶具１１は、開口部１１１を有する。開口部１１１は、金属ボール１０が入るサイズを有する。基板（図示せず）上に半田付けした金属ボール１０が開口部１１１に入るように冶具１１を矢印１２の方向へ移動させる。そして、金属ボール１０が開口部１１１に入ると、矢印１２の方向から冶具１１に印加する力を金属ボール１０が基板から剥離するまで徐々に強くする。そして、金属ボール１０が基板から剥離したときに冶具１１に印加されていた力を剪断強度として検出する。
【００８８】
図８は、金属ボール１０が基板から剥離する剥離モードの概念図である。図８を参照して、半田付けした金属ボール１０が基板１３から剥離する場合、金属ボール１０および半田１５が一体的にランド１４から剥離するモード（図８の（ａ）参照）、および半田１５がちぎれて半田１５Ａ，１５Ｂが形成され、金属ボール１０が基板１３から剥離するモード（図８の（ｂ）参照）が存在する。
【００８９】
そして、図８の（ａ）に示す剥離モードは、“界面剥離”であり、図８の（ｂ）に示す剥離モードは、“半田ちぎれ”である。
【００９０】
図９は、界面剥離および半田ちぎれを示す写真である。図９の（ａ）は、半田ちぎれを示し、図９の（ｂ）は、界面剥離を示す。剥離モードが半田ちぎれである場合、半田付けによって金属ボールのめっき層が脆くなっている。（図９の（ａ）参照）。
【００９１】
一方、剥離モードが界面剥離である場合、半田付けによって金属ボールのめっき層の強度が保持される（図９の（ｂ）参照）。
【００９２】
半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの剪断強度を図７に示す方法によって測定するとともに、半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの剥離モードを解析した。
【００９３】
図１０は、剪断強度の測定結果を示す図である。図１０において、横軸は、金属ボールの種類を表し、縦軸は、剪断強度を表す。なお、図１０に示す剪断強度は、２２０℃のリフロー温度で半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄについて測定された。また、剪断強度の測定に用いられた金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの個数は、２０個である。
【００９４】
金属ボール２０Ａ（比較例１）は、約１６０［ｇｆ］〜約５３０［ｇｆ］（平均値：約４２０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール２０Ｂ（比較例２）は、約２００［ｇｆ］〜約５９０［ｇｆ］（平均値：約３５０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール２０Ｃ（比較例３）は、約１６０［ｇｆ］〜約５７０［ｇｆ］（平均値：約３７０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、約５９０［ｇｆ］〜約７６０［ｇｆ］（平均値：約６５０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有する。
【００９５】
一方、金属ボール１０Ａ（実施例１）は、約５７０［ｇｆ］〜約９２０［ｇｆ］（平均値：約７２０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、約５２０［ｇｆ］〜約９１０［ｇｆ］（平均値：約６８０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、約４３０［ｇｆ］〜約９００［ｇｆ］（平均値：約６２０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有する。
【００９６】
図１１は、剥離モードの解析結果を示す図である。図１１において、横軸は、金属ボールの種類を表し、縦軸は、剥離モードの割合を示す。なお、図１１に示す剥離モードは、２２０℃のリフロー温度で半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄについて解析された。
【００９７】
図１１を参照して、金属ボール２０Ａ（比較例１）においては、剥離モードが“半田ちぎれ”のモードＭＤ１である割合が４０％であり、剥離モードが“界面剥離”のモードＭＤ２である割合が６０％である。
【００９８】
また、金属ボール２０Ｂ（比較例２），２０Ｃ（比較例３）においては、全てが“界面剥離”のモードＭＤ２である。
【００９９】
さらに、金属ボール２０Ｄ（比較例４）においては、剥離モードが“半田ちぎれ”のモードＭＤ１である割合が６０％であり、剥離モードが“界面剥離”のモードＭＤ２である割合が４０％である。
【０１００】
一方、金属ボール１０Ａ（実施例１），１０Ｂ（実施例２），１０Ｃ（実施例３）の各々において、全てが“界面剥離”のモードＭＤ２である。
【０１０１】
したがって、めっき層３中におけるＢｉ組成比を最内周から最外周へ向かって増加させることによって、剥離モードが全て“界面剥離”である金属ボール１０を作製することができる。
【０１０２】
また、表３、図１０および図１１に示す結果から、Ｂｉ濃度を最内周から最外周へ向かって増加させながら電気めっきによりめっき層３を形成することによって、剪断強度が４００［ｇｆ］（＝基準強度）以上であり、かつ、融点が２００℃（＝基準融点）よりも低く、さらに、剥離モードが“界面剥離”となる金属ボール１０を作製できる。
【０１０３】
なお、この発明においては、Ｂｉの組成比をめっき層３の最内周から最外周へ向かって増加させるとき、好ましくは、めっき層３の膜厚に対するＢｉの組成比の増加率が１％以上になるようにＢｉの組成比をめっき層３の最内周から最外周へ向かって増加させる。
【０１０４】
また、上記においては、コアボール１は、銅からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、コアボール１は、アルミニウム（Ａｌ）からなっていてもよい。
【０１０５】
さらに、上記においては、反応抑制層２は、電気めっきにより形成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、反応抑制層２は、スパッタリング法により形成されてもよい。
【０１０６】
さらに、上記においては、金属ボール１０は、反応抑制層２を備えると説明したが、この発明においては、これに限らず、金属ボール１０は、反応抑制層２を備えていなくてもよい。
【０１０７】
この発明の実施の形態によれば、金属ボール１０は、Ｂｉ組成比が最内周から最外周へ向かって強度を基準強度以上に保持する組成比から融点を基準融点よりも低くする組成比まで増加するめっき層３を備えるので、金属ボール１０を半田付けしたとき、強度を保持し、かつ、融点を低下させることができる。
【０１０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
この発明は、半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる金属ボールに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】この発明の実施の形態による金属ボールの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す金属ボールを作製するバレルめっき装置の概略図である。
【図３】Ｓｎ−Ｂｉ合金におけるＢｉの組成比の変化を示す図である。
【図４】図１に示す金属ボールの作製工程を示すフローチャートである。
【図５】Ｓｎ−Ｂｉ合金中におけるＢｉ濃度とＳｎ−Ｂｉ合金の状態の液相線を示す図である。
【図６】図２に示すバレルめっき装置を用いてＢｉ濃度を最内周から最外周へ向かって増加させながら電気めっきした金属ボールの電子顕微鏡写真である。
【図７】剪断強度を測定する方法を説明するための概念図である。
【図８】金属ボールが基板から剥離する剥離モードの概念図である。
【図９】界面剥離および半田ちぎれを示す写真である。
【図１０】剪断強度の測定結果を示す図である。
【図１１】剥離モードの解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１ コアボール、２ 反応抑制層、３ めっき層、１０ 金属ボール、１１ 冶具、１２，２１ 矢印、１３ 基板、１４ ランド、１５，１５Ａ，１５Ｂ 半田、２０ めっき槽、３０ 枠板、４０ バレルドラム、４１ 側板、４２ 網材、５０，６０ 歯車、７０ モータ、７１ シャフト、８０ 陰極、９０ 陽極、１００ バレルめっき装置、１１１ 開口部、１１０，１２０ ノズル、１３０ 直流電源、１４０ めっき浴。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子部品の実装に用いられる金属ボールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子部品の表面実装においては、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）およびＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）等の実装方法が用いられている。そして、これらの実装方法は、半田、銅 アルミニウム、および外層が半田で覆われた銅コアおよび樹脂コア等の金属ボールを接続端子として用いる方法である。
【０００３】
従来、半導体パッケージにおける半導体素子の内部接続電極に用いる複合マイクロボールが知られている（特許文献１）。この複合マイクロボールは、コアボールと、コアボールを覆う下地層と、下地層上に形成された半田被覆層とからなる。
【０００４】
コアボールは、直径が３０μｍ〜１２０μｍの範囲である銅からなり、下地層は、コバルトおよびニッケルから選択された少なくとも一種からなり、半田被覆層は、膜厚が２０μｍ以上である電気半田めっき層からなる。そして、電気半田めっき層の材料は、鉛-錫であり、複合マイクロボールの外径は、５０μｍ〜２００μｍの範囲である。
【特許文献１】特許第３３１４２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、半田に関しては、鉛フリー化が要求されているため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金およびＳｎ−Ｃｕ合金等の従来のＳｎ−Ｐｂ合金系よりも融点の高い合金、またはＳｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金およびＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金等の従来のＳｎ−Ｐｂ合金系よりも融点の低い合金が用いられている。
【０００６】
そして、半田めっきの分野においても、同じ鉛フリー化が要求されており、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金およびＳｎ−Ｉｎ合金等のめっきが使用されており、ＢＧＡおよびＣＳＰ等の実装技術において用いられる金属ボールとして表面をＳｎ−Ａｇ合金からなるめっき層で覆った銅コアボールが主流になりつつある。
【０００７】
しかし、Ｓｎ−Ａｇ合金からなるめっき層を用いた場合、銅コアボールを半田付けするときの融点が高くなるという問題がある。
【０００８】
一方、Ｓｎ−Ｂｉ合金は低融点であるため、銅コアボールをＳｎ−Ｂｉ合金からなるめっき層で覆うことにより、銅コアボールを半田付けするときの融点を低温化できる。
【０００９】
しかし、Ｂｉの組成比が大きくなると、Ｓｎ−Ｂｉ合金が脆くなり、半田付けした銅コアボールが接合材料として不適切になるという問題がある。
【００１０】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる金属ボールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明によれば、金属ボールは、電子部品の実装に用いられる金属ボールであって、コアボールと、めっき層とを備える。コアボールは、金属からなる。めっき層は、半田付け用の合金を構成するＳｎおよびＢｉからなり、コアボールを覆う。そして、Ｂｉの組成比は、めっき層の最内周から最外周へ向かって第１の組成比から第２の組成比へ増加する。第１の組成比は、当該金属ボールが半田付けされたときのめっき層の強度を基準強度以上に設定する組成比であり、第２の組成比は、めっき層の融点を基準融点よりも低い温度に設定する組成比である。
【００１２】
好ましくは、金属ボールは、反応抑制層をさらに備える。反応抑制層は、コアボールとめっき層との間に挿入される。
【００１３】
好ましくは、反応抑制層は、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、ＣｏおよびＰｔのいずれかからなる。
【００１４】
好ましくは、第１の組成比は、１５〜２０％の範囲であり、第２の組成比は、２９〜４４％の範囲である。
【００１５】
好ましくは、コアボールは、Ｃｕからなる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明においては、ＳｎおよびＢｉからなる半田付け用の合金によりめっき層を構成し、めっき層中におけるＢｉの組成比を最内周から最外周へ向かってめっき層の強度を基準強度以上に設定する組成比から半田付けするときの融点を基準融点よりも低くする組成比へ変化させて電気めっきによりめっき層を形成する。そうすると、金属ボールを半田付けするとき、めっき層が基準融点よりも低い融点でリフローし、金属ボールは、低温で半田付けされるとともに、半田付け後の強度が基準強度以上に保持される。
【００１７】
したがって、この発明によれば、金属ボールを半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる。たとえば、半田ちぎれを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１９】
図１は、この発明の実施の形態による金属ボールの構成を示す断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による金属ボール１０は、コアボール１と、反応抑制層２と、めっき層３とを備える。
【００２０】
コアボール１は、銅（Ｃｕ）からなり、直径が５０μｍ〜１０００μｍの範囲である。そして、コアボール１の融点は、６００〜１６００℃の範囲である。
【００２１】
反応抑制層２は、Ｎｉ、ＮｉＰ合金、ＮｉＢ合金、ＣｏおよびＰｔのいずれかからなり、コアボール１とめっき層３との間に形成される。そして、反応抑制層２の膜厚は、１モノレイヤー〜５μｍの範囲である。反応抑制層２は、コアボール１を構成する銅とめっき層３を構成する錫（Ｓｎ）およびビスマス（Ｂｉ）との反応を抑制する。
【００２２】
めっき層３は、電気めっきにより形成され、コアボール１および反応抑制層２を覆う。そして、めっき層３は、Ｓｎ−Ｂｉ合金からなり、膜厚が０．１μｍ〜１００μｍの範囲である。めっき層３において、Ｂｉの組成比は、めっき層３の最内周から最外周へ向けて第１の組成比から第２の組成比まで増加する。
【００２３】
ここで、第１の組成比は、金属ボール１０が半田付けされたときのめっき層３の強度を基準強度以上に設定する組成比であり、第２の組成比は、めっき層３の融点を基準融点よりも低い温度に設定する組成比である。
【００２４】
反応抑制層２およびめっき層３は、電気めっきにより形成される。図２は、図１に示す金属ボール１０を作製するバレルめっき装置の概略図である。図２を参照して、バレルめっき装置１００は、めっき槽２０と、枠板３０と、バレルドラム４０と、歯車５０，６０と、モータ７０と、陰極８０と、陽極９０と、ノズル１１０，１２０と、直流電源１３０とを備える。
【００２５】
めっき槽２０には、めっき浴１４０が入れられる。枠板３０は、バレルドラム４０を略水平状態で回転可能に保持する。バレルドラム４０は、６個の側板４１と、６個の網材４２とからなる。６個の側板４１は、六角柱形状に組まれる。そして、６個の網材４２は、それぞれ、６個の側板４１に張着される。したがって、バレルドラム４０は、六角柱形状からなり、内部に被めっき物品（＝コアボール１）を収納する。
【００２６】
歯車５０は、枠板３０を介してバレルドラム４０に連結される。歯車６０は、歯車５０と噛合うように枠板３０に取り付けられる。モータ７０は、シャフト７１を介して歯車６０に連結される。
【００２７】
そして、枠板３０、バレルドラム４０および歯車５０，６０は、枠板３０およびバレルドラム４０の一部がめっき浴１４０に浸漬されるようにめっき槽２０内に収納される。
【００２８】
モータ７０は、シャフト７１および歯車６０，５０を介してバレルドラム４０を矢印２１の方向に一定の回転速度で回転させる。陰極８０は、その先端部がバレルドラム４０の内部においてめっき浴１４０に浸漬されるように枠板３０に取り付けられる。陽極９０は、その先端部がめっき浴１４０に浸漬される。
【００２９】
ノズル１１０，１２０は、その先端部がめっき浴１４０上に位置するように支持部材（図示せず）によって支持される。直流電源１３０は、陰極８０と陽極９０との間に接続され、陰極８０および陽極９０を介してめっき浴１４０に一定の電流密度の電流を流す。
【００３０】
上述したように、バレルドラム４０は、網材４２が張着された側板４１を略六角柱形状に組付けた構造からなり、一部がめっき浴１４０に浸漬される。そして、めっき浴１４０に浸漬された側板４１に被めっき物品が溜まる。また、陰極８０の先端は、めっき浴１４０に浸漬された側板４１に近接して配置される。
【００３１】
したがって、めっき浴１４０は、浸漬された網材４２を介してバレルドラム４０の内部に入り、一定の電流密度の電流が陰極８０と陽極９０との間に流れることにより、電気分解され、被めっき物品の表面に析出する。
【００３２】
また、バレルドラム４０は、モータ７０によって一定の回転速度で矢印２１の方向へ回転されるので、めっき浴１４０に浸漬される側板４１が順次変えられ、バレルドラム４０内の被めっき物品は、回転されながらめっきされる。これにより、球形状からなるコアボール１の表面に反応抑制層２およびめっき層３を均一に形成できる。
【００３３】
めっき浴１４０は、硫酸、硫酸錫、硫酸ビスマス、ポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルおよびピロカテコールからなる。ポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルおよびピロカテコールは、めっき層３の光沢剤として用いられる。
【００３４】
めっき浴１４０は、硫酸錫および硫酸ビスマスを含み、硫酸錫および硫酸ビスマスを電気分解して反応抑制層２が形成されたコアボール１に錫およびビスマスからなる半田合金（Ｓｎ−Ｂｉ合金）をめっきする。
【００３５】
ノズル１１０は、硫酸錫を含む溶液をめっき浴１４０に導入するノズルであり、ノズル１２０は、硫酸ビスマスを含む溶液をめっき浴１４０へ導入するノズルである。
【００３６】
この発明においては、電気めっきによりめっき層３を形成するとき、硫酸錫を含む溶液の滴下量を徐々に減少させ、かつ、硫酸ビスマスを含む溶液の滴下量を徐々に増加させながら電気めっきによりめっき層３を形成する。つまり、この発明においては、めっき層３を構成するＳｎ−Ｂｉ合金におけるＢｉの組成比がめっき層３の最内周から最外周に向かって第１の組成比から第２の組成比まで増加するように電気めっきによりめっき層３を形成する。
【００３７】
図３は、Ｓｎ−Ｂｉ合金におけるＢｉの組成比の変化を示す図である。図３において、横軸は、めっき層３の膜厚方向を表し、縦軸は、Ｂｉの組成比を表す。図３を参照して、直線ｋ１は、Ｂｉの組成比を、めっき層３の最内周における第１の組成比からめっき層３の最外周における第２の組成比まで一定の増加率で増加させる場合を示す。
【００３８】
また、曲線ｋ２は、めっき層３の最内周と最外周との間でＢｉの組成比の増加率を変化させながら、Ｂｉの組成比を第１の組成比から第２の組成比まで増加させる場合を示す。
【００３９】
さらに、曲線ｋ３は、めっき層３の最内周と最外周との間でＢｉの組成比の増加率を２つの増加率に変化させながら、Ｂｉの組成比を第１の組成比から第２の組成比まで増加させる場合を示す。
【００４０】
この発明においては、Ｂｉの組成比は、直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従って変化される。なお、Ｂｉの組成比を直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従って変化させる場合、曲線ｋ４に示すように、階段状にＢｉの組成比を増加させてもよい。
【００４１】
図３に示す直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従ってＢｉの組成比が変化するめっき層３を形成するために、硫酸錫を含む溶液の滴下量を徐々に減少させ、かつ、硫酸ビスマスを含む溶液の滴下量を徐々に増加させながら、電気めっきによりめっき層３を形成する。
【００４２】
図４は、図１に示す金属ボール１０の作製工程を示すフローチャートである。金属ボール１０を作製する動作が開始されると、銅からなるコアボール１がニッケルめっき用のめっき浴に浸漬される（ステップＳ１）。すなわち、図２に示すバレルめっき装置１００において、所定量の硫酸ニッケル、所定量の塩素ニッケルおよび所定量のホウ酸とからなるめっき浴１４０にコアボール１が浸漬される。
【００４３】
その後、モータ７０は、シャフト７１および歯車６０，５０を介してバレルドラム４０を矢印２１の方向に一定の回転速度で回転させ、直流電源１３０は、陰極８０と陽極９０との間に一定の電流密度の電流を流す。そうすると、コアボール１は、その表面がニッケルによってめっきされ、コアボール１を覆うように反応抑制層２が形成される（ステップＳ２）。
【００４４】
そして、反応抑制層２が形成されたコアボール１を錫−ビスマスめっき用のめっき浴１４０に浸漬させる（ステップＳ３）。すなわち、図２に示すバレルめっき装置１００において、所定量の硫酸、所定量の硫酸錫、所定量の硫酸ビスマス、所定量のポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルおよび所定量のピロカテコールからなるめっき浴１４０に、反応抑制層２が形成されたコアボール１が浸漬される。
【００４５】
その後、モータ７０は、シャフト７１および歯車６０，５０を介してバレルドラム４０を矢印２１の方向に一定の回転速度で回転させ、直流電源１３０は、陰極８０と陽極９０との間に一定の電流密度の電流を流す。また、ノズル１１０を介してめっき浴１４０に供給する硫酸錫を含む溶液の量を徐々に減少させ、ノズル１２０を介してめっき浴１４０に供給される硫酸ビスマスを含む溶液の量を徐々に増加させる。
【００４６】
そうすると、Ｂｉの組成比が最内周から最外周に向かって第１の組成比から第２の組成比まで増加するめっき層３が反応抑制層２の表面に形成される（ステップＳ４）。すなわち、Ｂｉの組成比が図３に示す直線ｋ１および曲線ｋ２，ｋ３のいずれかに従って増加するめっき層３が反応抑制層２の表面に形成される。これにより、金属ボール１０の作製が終了する。
【００４７】
このように、金属ボール１０は、バレルめっき装置１００を用い、電気めっき中にめっき浴１４０に供給する硫酸錫および硫酸ビスマスの量を制御して、Ｂｉの組成比が最内周から最外周へ向かって増加するめっき層３（＝Ｓｎ−Ｂｉ合金）をコアボール１の表面に形成することによって作製される。
【００４８】
図５は、Ｓｎ−Ｂｉ合金中におけるＢｉ濃度とＳｎ−Ｂｉ合金の状態の液相線を示す図である。図５において、横軸は、Ｂｉ濃度を表し、縦軸は、温度を表す。図５を参照して、曲線ｋ５は、各Ｂｉ濃度におけるＳｎ−Ｂｉ合金の固相と液相との境界を示す。たとえば、Ｂｉ濃度が約６０［ｍａｓｓ％］である場合、Ｓｎ−Ｂｉ合金は、約１５０℃の温度において液相となる。
【００４９】
Ｂｉ濃度が０［ｍａｓｓ％］であるＳｎが液相になる温度（＝融点）は、約２３０℃であり、Ｓｎ−Ｂｉ合金の融点は、Ｓｎに添加するＢｉ濃度が増加するに従って低下し、Ｂｉ濃度が約６０［ｍａｓｓ％］のときに最も低くなる。そして、Ｓｎ−Ｂｉ合金の融点は、Ｂｉ濃度が６０［ｍａｓｓ％］以上である領域においては、Ｂｉ濃度の増加に伴って高くなる。
【００５０】
一方、Ｂｉ濃度が増加すると、Ｓｎ−Ｂｉ合金が脆くなる。そこで、この発明においては、強度が基準強度以上であり、融点が基準融点（＝例えば、２００℃）よりも低いＳｎ−Ｂｉ合金を形成するために、めっき層３の最内周においてＢｉ濃度を１５〜２０［ｍａｓｓ％］の範囲に設定し、めっき層３の最外周においてＢｉ濃度を２９〜４４［ｍａｓｓ％］の範囲に設定し、さらに、最内周から最外周へ向かってＢｉ濃度を増加させながら電気めっきによりめっき層３を形成する。
【００５１】
すなわち、めっき層３の最内周部を融点が２００℃以上であるＳｎ−Ｂｉ合金により形成し、めっき層３の最外周部を融点が２００℃よりも低いＳｎ−Ｂｉ合金により形成する。つまり、めっき層３は、最内周部で強度を保持し、かつ、最外周部で融点を低下させる組成のＳｎ−Ｂｉ合金により形成される。
【００５２】
図６は、図２に示すバレルめっき装置１００を用いてＢｉ濃度を最内周から最外周へ向かって増加させながら電気めっきした金属ボール１０の電子顕微鏡写真である。図６において、曲線ｋ６は、めっき層３の深さ方向におけるＢｉ量の変化を表し、曲線ｋ７は、めっき層３の深さ方向におけるＳｎ量の変化を示す。なお、めっき層３の深さ方向におけるＢｉ量およびＳｎ量は、ＥＤＸ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）の線分析によって測定された。
【００５３】
図６を参照して、めっき層３において、Ｂｉ量は、最内周から最外周へ向かって増加しており（曲線ｋ６参照）、Ｓｎ量は、最内周から最外周へ向かって減少しており（曲線ｋ７参照）、Ｂｉ組成比が最内周から最外周へ向かって増加するめっき層３を有する金属ボール１０が作製されていることが確認された。
【００５４】
次に、強度を基準強度以上に保持し、かつ、融点を基準融点よりも低くするＳｎ−Ｂｉ合金の実験結果について説明する。この発明による金属ボール１０として３種類の金属ボール（実施例１〜３）を作製し、比較例として４種類の金属ボール（比較例１〜４）を作製した。
【００５５】
表１は、この発明による金属ボール１０としての金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）を電気めっきにより作製するときのめっき浴１４０を示す。
【００５６】
【表１】
【００５７】
金属ボール１０Ａ（実施例１）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、濃度が所定範囲Ａ１で変化する硫酸Ｓｎと、濃度が所定範囲Ｂ１で変化する硫酸Ｂｉとからなる。
【００５８】
そして、所定範囲Ａ１は、電気めっきの開始時における２７ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における２５ｇ／Ｌまでの範囲であり、所定範囲Ｂ１は、電気めっきの開始時における３．７ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における１０ｇ／Ｌまでの範囲である。
【００５９】
また、金属ボール１０Ｂ（実施例２）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、濃度が所定範囲Ａ２で変化する硫酸Ｓｎと、濃度が所定範囲Ｂ２で変化する硫酸Ｂｉとからなる。
【００６０】
そして、所定範囲Ａ２は、電気めっきの開始時における２８ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における２１ｇ／Ｌまでの範囲であり、所定範囲Ｂ２は、電気めっきの開始時における３．９ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における１４ｇ／Ｌまでの範囲である。
【００６１】
さらに、金属ボール１０Ｃ（実施例３）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、濃度が所定範囲Ａ３で変化する硫酸Ｓｎと、濃度が所定範囲Ｂ３で変化する硫酸Ｂｉとからなる。
【００６２】
そして、所定範囲Ａ３は、電気めっきの開始時における２７ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における２３ｇ／Ｌまでの範囲であり、所定範囲Ｂ３は、電気めっきの開始時における３．５ｇ／Ｌから電気めっきの終了時における１２ｇ／Ｌまでの範囲である。
【００６３】
金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）を電気めっきにより作製する場合、直径が４００μｍであるコアボール（＝Ｃｕボール）を図２に示すバレルドラム４０の中に所定数入れ、モータ７０によりバレルドラム４０を所定の回転数で回転させ、直流電源１３０により０．２Ａ／ｄｍ２の電流密度からなる電流を陰極８０および陽極９０を介してめっき浴１４０に流し、ノズル１１０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｓｎの濃度およびノズル１２０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｂｉの濃度を表１に示す範囲で変化させながら電気めっきを行なう。この場合、電気めっきの時間は、たとえば、４時間である。
【００６４】
このように、金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、硫酸Ｓｎの濃度を徐々に減少させ、硫酸Ｂｉの濃度を徐々に増加させながら電気めっきを行なうことにより作製される。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度は、上述しためっき時間において直線的に変化された。この場合、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を最も多く変化させて金属ボール１０Ｂ（実施例２）を作製し、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を２番目に多く変化させて金属ボール１０Ｃ（実施例３）を作製し、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を最も少なく変化させて金属ボール１０Ａ（実施例１）を作製する。
【００６５】
なお、金属ボール１０Ａ（実施例１）および金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、反応抑制層２を有さず、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、ニッケルからなる反応抑制層２を有する。
【００６６】
表２は、比較例としての金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール１０Ｄ（比較例４）を電気めっきにより作製するときのめっき浴１４０を示す。
【００６７】
【表２】
【００６８】
金属ボール２０Ａ（比較例１）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、２７ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、１．３ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ２７ｇ／Ｌおよび１．３ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００６９】
また、金属ボール２０Ｂ（比較例２）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、２７ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、２．１ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ２７ｇ／Ｌおよび２．１ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００７０】
さらに、金属ボール２０Ｃ（比較例３）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、２４ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、３．０ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ２４ｇ／Ｌおよび３．０ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００７１】
さらに、金属ボール２０Ｄ（比較例４）を電気めっきにより作製する場合、めっき浴１４０は、８０ｇ／Ｌの硫酸と、５ｇ／Ｌのポリオキシアルキレンアルキルアリールエーテルと、０．１ｇ／Ｌのピロカテコールと、１８ｇ／Ｌの硫酸Ｓｎと、６．８ｇ／Ｌの硫酸Ｂｉとからなる。そして、硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉは、めっき浴１４０中における濃度がそれぞれ１８ｇ／Ｌおよび６．８ｇ／Ｌになるようにノズル１１０，１２０を介して補充される。
【００７２】
金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）を作製する場合、直径が４００μｍであるコアボール（＝Ｃｕボール）を図２に示すバレルドラム４０の中に所定数入れ、モータ７０によりバレルドラム４０を所定の回転数で回転させ、直流電源１３０により０．２Ａ／ｄｍ２の電流密度からなる電流を陰極８０および陽極９０を介してめっき浴１４０に流し、ノズル１１０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｓｎの濃度およびノズル１２０を介してめっき浴１４０に注入される硫酸Ｂｉの濃度を一定に保持しながら電気めっきを行なう。この場合、電気めっきの時間は、たとえば、４時間である。
【００７３】
このように、金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、めっき浴１４０中の硫酸Ｓｎおよび硫酸Ｂｉの濃度を一定に保持しながら作製される。
【００７４】
この場合、硫酸Ｂｉの濃度（＝［硫酸Ｂｉ］／（［硫酸Ｓｎ］＋［硫酸Ｂｉ］）、以下同じ）を最も高くして金属ボール２０Ｄ（比較例４）を作製し、硫酸Ｂｉの濃度を２番目に高くして金属ボール２０Ｃ（比較例３）を作製し、硫酸Ｂｉの濃度を３番目に高くして金属ボール２０Ｂ（比較例２）を作製し、硫酸Ｂｉの濃度を最も低くして金属ボール２０Ａ（比較例１）を作製する。
【００７５】
なお、金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄは、反応抑制層２を有しない。
【００７６】
表３は、表１に示すめっき浴１４０を用いて作製した金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、表２に示すめっき浴１４０を用いて作製した金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０ＤとにおけるＢｉ濃度、融点および膜厚を示す。
【００７７】
【表３】
【００７８】
なお、Ｂｉ濃度は、めっき層における濃度であり、［Ｂｉ］／（［Ｓｎ］＋［Ｂｉ］）により計算された。また、融点温度は、金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを半田付けするときの融点である。
【００７９】
金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、それぞれ、７．２％、１２．９％、２２．６％、および４２．０％のＢｉ濃度を有し、２１９℃、２１１℃、１９７℃および１４２℃の融点を有する。また、金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、それぞれ、３５．５μｍ、３２．０μｍ、３７．５μｍおよび３７．５μｍの膜厚からなるめっき層を有する。
【００８０】
したがって、Ｂｉ濃度が一定であるめっき層を有する金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）において、めっき層中のＢｉ濃度が増加すると、金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄを半田付けするときの融点が低下する。そして、めっき層中のＢｉ濃度がそれぞれ２２．６％，４２．０％である金属ボール２０Ｃ，２０Ｄにおいては、半田付けするときの融点が２００℃よりも低くなる。
【００８１】
一方、金属ボール１０Ａ（実施例１）は、最内周および最外周においてそれぞれ１８．０％および２９．２％のＢｉ濃度を有し、２４．３％のＢｉの平均濃度を有する。また、金属ボール１０Ａ（実施例１）は、１４０℃の融点を有する。そして、金属ボール１０Ａ（実施例１）において、めっき層３（Ｓｎ−Ｂｉ合金）の膜厚は、３７．３μｍである。
【００８２】
また、金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、最内周および最外周においてそれぞれ１９．４％および４３．８％のＢｉ濃度を有し、２７．０％のＢｉの平均濃度を有する。また、金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、１４０℃の融点を有する。そして、金属ボール１０Ｂ（実施例２）において、めっき層３（Ｓｎ−Ｂｉ合金）の膜厚は、３３．１μｍである。
【００８３】
さらに、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、最内周および最外周においてそれぞれ１６．０％および３９．０％のＢｉ濃度を有し、２７．５％のＢｉの平均濃度を有する。また、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、１４０℃の融点を有する。そして、金属ボール１０Ｃ（実施例３）において、反応抑制層２（＝Ｎｉ）の膜厚は、２．０μｍであり、めっき層３（Ｓｎ−Ｂｉ合金）の膜厚は、３５．８μｍである。
【００８４】
このように、この発明による金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）および金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、比較例である金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）とほぼ同じ膜厚のめっき層（＝Ｓｎ−Ｂｉ合金）を有し、金属ボール２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄよりも低い融点を有する。
【００８５】
したがって、めっき層３中のＢｉ濃度を最内周および最外周においてそれぞれ１５．０％〜２０．０％の範囲および２９．０％〜４４．０％の範囲に設定することによって金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの融点を１４０℃まで大幅に低温化できる。
【００８６】
また、金属ボール１０Ａ（実施例１）、金属ボール１０Ｂ（実施例２）、金属ボール１０Ｃ（実施例３）、金属ボール２０Ａ（比較例１）、金属ボール２０Ｂ（比較例２）、金属ボール２０Ｃ（比較例３）および金属ボール２０Ｄ（比較例４）について剪断強度を測定するとともに、半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの基板からの剥離モードを解析した。
【００８７】
図７は、剪断強度を測定する方法を説明するための概念図である。図７を参照して、冶具１１は、開口部１１１を有する。開口部１１１は、金属ボール１０が入るサイズを有する。基板（図示せず）上に半田付けした金属ボール１０が開口部１１１に入るように冶具１１を矢印１２の方向へ移動させる。そして、金属ボール１０が開口部１１１に入ると、矢印１２の方向から冶具１１に印加する力を金属ボール１０が基板から剥離するまで徐々に強くする。そして、金属ボール１０が基板から剥離したときに冶具１１に印加されていた力を剪断強度として検出する。
【００８８】
図８は、金属ボール１０が基板から剥離する剥離モードの概念図である。図８を参照して、半田付けした金属ボール１０が基板１３から剥離する場合、金属ボール１０および半田１５が一体的にランド１４から剥離するモード（図８の（ａ）参照）、および半田１５がちぎれて半田１５Ａ，１５Ｂが形成され、金属ボール１０が基板１３から剥離するモード（図８の（ｂ）参照）が存在する。
【００８９】
そして、図８の（ａ）に示す剥離モードは、“界面剥離”であり、図８の（ｂ）に示す剥離モードは、“半田ちぎれ”である。
【００９０】
図９は、界面剥離および半田ちぎれを示す写真である。図９の（ａ）は、半田ちぎれを示し、図９の（ｂ）は、界面剥離を示す。剥離モードが半田ちぎれである場合、半田付けによって金属ボールのめっき層が脆くなっている。（図９の（ａ）参照）。
【００９１】
一方、剥離モードが界面剥離である場合、半田付けによって金属ボールのめっき層の強度が保持される（図９の（ｂ）参照）。
【００９２】
半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの剪断強度を図７に示す方法によって測定するとともに、半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの剥離モードを解析した。
【００９３】
図１０は、剪断強度の測定結果を示す図である。図１０において、横軸は、金属ボールの種類を表し、縦軸は、剪断強度を表す。なお、図１０に示す剪断強度は、２２０℃のリフロー温度で半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄについて測定された。また、剪断強度の測定に用いられた金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄの個数は、２０個である。
【００９４】
金属ボール２０Ａ（比較例１）は、約１６０［ｇｆ］〜約５３０［ｇｆ］（平均値：約４２０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール２０Ｂ（比較例２）は、約２００［ｇｆ］〜約５９０［ｇｆ］（平均値：約３５０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール２０Ｃ（比較例３）は、約１６０［ｇｆ］〜約５７０［ｇｆ］（平均値：約３７０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール２０Ｄ（比較例４）は、約５９０［ｇｆ］〜約７６０［ｇｆ］（平均値：約６５０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有する。
【００９５】
一方、金属ボール１０Ａ（実施例１）は、約５７０［ｇｆ］〜約９２０［ｇｆ］（平均値：約７２０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール１０Ｂ（実施例２）は、約５２０［ｇｆ］〜約９１０［ｇｆ］（平均値：約６８０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有し、金属ボール１０Ｃ（実施例３）は、約４３０［ｇｆ］〜約９００［ｇｆ］（平均値：約６２０［ｇｆ］）の範囲の剪断強度を有する。
【００９６】
図１１は、剥離モードの解析結果を示す図である。図１１において、横軸は、金属ボールの種類を表し、縦軸は、剥離モードの割合を示す。なお、図１１に示す剥離モードは、２２０℃のリフロー温度で半田付けした金属ボール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄについて解析された。
【００９７】
図１１を参照して、金属ボール２０Ａ（比較例１）においては、剥離モードが“半田ちぎれ”のモードＭＤ１である割合が４０％であり、剥離モードが“界面剥離”のモードＭＤ２である割合が６０％である。
【００９８】
また、金属ボール２０Ｂ（比較例２），２０Ｃ（比較例３）においては、全てが“界面剥離”のモードＭＤ２である。
【００９９】
さらに、金属ボール２０Ｄ（比較例４）においては、剥離モードが“半田ちぎれ”のモードＭＤ１である割合が６０％であり、剥離モードが“界面剥離”のモードＭＤ２である割合が４０％である。
【０１００】
一方、金属ボール１０Ａ（実施例１），１０Ｂ（実施例２），１０Ｃ（実施例３）の各々において、全てが“界面剥離”のモードＭＤ２である。
【０１０１】
したがって、めっき層３中におけるＢｉ組成比を最内周から最外周へ向かって増加させることによって、剥離モードが全て“界面剥離”である金属ボール１０を作製することができる。
【０１０２】
また、表３、図１０および図１１に示す結果から、Ｂｉ濃度を最内周から最外周へ向かって増加させながら電気めっきによりめっき層３を形成することによって、剪断強度が４００［ｇｆ］（＝基準強度）以上であり、かつ、融点が２００℃（＝基準融点）よりも低く、さらに、剥離モードが“界面剥離”となる金属ボール１０を作製できる。
【０１０３】
なお、この発明においては、Ｂｉの組成比をめっき層３の最内周から最外周へ向かって増加させるとき、好ましくは、めっき層３の膜厚に対するＢｉの組成比の増加率が１％以上になるようにＢｉの組成比をめっき層３の最内周から最外周へ向かって増加させる。
【０１０４】
また、上記においては、コアボール１は、銅からなると説明したが、この発明においては、これに限らず、コアボール１は、アルミニウム（Ａｌ）からなっていてもよい。
【０１０５】
さらに、上記においては、反応抑制層２は、電気めっきにより形成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、反応抑制層２は、スパッタリング法により形成されてもよい。
【０１０６】
さらに、上記においては、金属ボール１０は、反応抑制層２を備えると説明したが、この発明においては、これに限らず、金属ボール１０は、反応抑制層２を備えていなくてもよい。
【０１０７】
この発明の実施の形態によれば、金属ボール１０は、Ｂｉ組成比が最内周から最外周へ向かって強度を基準強度以上に保持する組成比から融点を基準融点よりも低くする組成比まで増加するめっき層３を備えるので、金属ボール１０を半田付けしたとき、強度を保持し、かつ、融点を低下させることができる。
【０１０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
この発明は、半田付けしたときの強度を保持し、かつ、半田付けするときの融点を低温化できる金属ボールに適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】この発明の実施の形態による金属ボールの構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す金属ボールを作製するバレルめっき装置の概略図である。
【図３】Ｓｎ−Ｂｉ合金におけるＢｉの組成比の変化を示す図である。
【図４】図１に示す金属ボールの作製工程を示すフローチャートである。
【図５】Ｓｎ−Ｂｉ合金中におけるＢｉ濃度とＳｎ−Ｂｉ合金の状態の液相線を示す図である。
【図６】図２に示すバレルめっき装置を用いてＢｉ濃度を最内周から最外周へ向かって増加させながら電気めっきした金属ボールの電子顕微鏡写真である。
【図７】剪断強度を測定する方法を説明するための概念図である。
【図８】金属ボールが基板から剥離する剥離モードの概念図である。
【図９】界面剥離および半田ちぎれを示す写真である。
【図１０】剪断強度の測定結果を示す図である。
【図１１】剥離モードの解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１ コアボール、２ 反応抑制層、３ めっき層、１０ 金属ボール、１１ 冶具、１２，２１ 矢印、１３ 基板、１４ ランド、１５，１５Ａ，１５Ｂ 半田、２０ めっき槽、３０ 枠板、４０ バレルドラム、４１ 側板、４２ 網材、５０，６０ 歯車、７０ モータ、７１ シャフト、８０ 陰極、９０ 陽極、１００ バレルめっき装置、１１１ 開口部、１１０，１２０ ノズル、１３０ 直流電源、１４０ めっき浴。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の実装に用いられる金属ボールであって、
金属からなるコアボールと、
半田付け用の合金を構成するＳｎおよびＢｉからなり、前記コアボールを覆うめっき層とを備え、
前記Ｂｉの組成比は、前記めっき層の最内周から最外周へ向かって第１の組成比から第２の組成比へ増加し、
前記第１の組成比は、当該金属ボールが半田付けされたときの前記めっき層の強度を基準強度以上に設定する組成比であり、
前記第２の組成比は、前記めっき層の融点を基準融点よりも低い温度に設定する組成比である、金属ボール。
【請求項２】
前記コアボールと前記めっき層との間に挿入された反応抑制層をさらに備える、請求項１に記載の金属ボール。
【請求項３】
前記反応抑制層は、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、ＣｏおよびＰｔのいずれかからなる、請求項２に記載の金属ボール。
【請求項４】
前記第１の組成比は、１５〜２０％の範囲であり、
前記第２の組成比は、２９〜４４％の範囲である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属ボール。
【請求項５】
前記コアボールは、Ｃｕからなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属ボール。
【請求項１】
電子部品の実装に用いられる金属ボールであって、
金属からなるコアボールと、
半田付け用の合金を構成するＳｎおよびＢｉからなり、前記コアボールを覆うめっき層とを備え、
前記Ｂｉの組成比は、前記めっき層の最内周から最外周へ向かって第１の組成比から第２の組成比へ増加し、
前記第１の組成比は、当該金属ボールが半田付けされたときの前記めっき層の強度を基準強度以上に設定する組成比であり、
前記第２の組成比は、前記めっき層の融点を基準融点よりも低い温度に設定する組成比である、金属ボール。
【請求項２】
前記コアボールと前記めっき層との間に挿入された反応抑制層をさらに備える、請求項１に記載の金属ボール。
【請求項３】
前記反応抑制層は、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ合金、Ｎｉ−Ｂ合金、ＣｏおよびＰｔのいずれかからなる、請求項２に記載の金属ボール。
【請求項４】
前記第１の組成比は、１５〜２０％の範囲であり、
前記第２の組成比は、２９〜４４％の範囲である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属ボール。
【請求項５】
前記コアボールは、Ｃｕからなる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の金属ボール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−４６０８７（Ｐ２００７−４６０８７Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３０２１６（Ｐ２００５−２３０２１６）
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（５０１００３２２７）株式会社ミレニアムゲートテクノロジー (5)
【出願人】（０００２３９４２６）福田金属箔粉工業株式会社 (83)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月９日（２００５．８．９）
【出願人】（５０１００３２２７）株式会社ミレニアムゲートテクノロジー (5)
【出願人】（０００２３９４２６）福田金属箔粉工業株式会社 (83)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]