JP2005286273A - 回路基板、回路基板の製造方法、電子デバイス、電子デバイスの製造方法 - Google Patents

回路基板、回路基板の製造方法、電子デバイス、電子デバイスの製造方法 Download PDF

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正人 深萱
Osamu Koido
理 小井土
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Abstract

【課題】 回路基板の基体にろう材を精度よく一体化し、薄型で高気密の電子デバイスを製造する。
【解決手段】
セラミック材料からなる基体６に内層回路７を埋設する。内層回路７を用い、基体６の表面に部品電極８、端子電極９、環状電極１０を同一金属材料で電気めっきにより同時形成する。基体６の周縁部に内層回路７を切断するための穴を加工し、部品電極８を環状電極１０から切り離す。切断後の内層回路７の一部分を用い、環状電極１０の表面にろう材５を電気めっきにより被着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品が実装される回路基板と、その回路基板を製造する方法と、その回路基板を用いた電子デバイスと、その電子デバイスを製造する方法とに関するものである。
従来、電子部品が実装される回路基板と、電子部品を覆う蓋体と、蓋体を回路基板に接合するろう材とからなる電子デバイス用のパッケージが知られている。例えば、特許文献１には、蓋体にろう材を圧延によりクラッド化形成し、シーム溶接によりろう材を融かして、蓋体を回路基板に接合した電デバイス用のパッケージが記載されている。
特許文献２には、凹部を有するセラミック製基体の側壁部上面にろう材を塗布した回路基板が記載されている。また、従来、基体の表面にろう材をスクリーン印刷により塗着した回路基板も知られている。さらに、ろう材に低融点のシールリングや合金泊を用い、これを回路基板と蓋体との間に介装する技術も知られている。
特開２００３−１５８２１１号公報 特開２００３−１３３４６５号公報
ところが、特許文献１のパッケージによると、ろう材が蓋体側に設けられているので、回路基板がシーム溶接時の熱で変形した場合に、基板に対するろう材の位置が不正確になりやすい。このため、パッケージの気密性が低下したり、接合強度が不充分になるなどの不具合があった。
特許文献２の回路基板によると、ろう材が基体側に設けられているので、基体の熱変形による悪影響を抑制できる利点がある。しかし、ろう材を精度よく塗布するためには、予め基体をデバイスの大きさに合わせて分割し、分割基板の形態で電子デバイスを製造する必要があり、生産性が低下する問題点があった。
ろう材を印刷により塗着した回路基板は、セラミック基体が焼成時の熱で収縮していた場合に、印刷パターンが基体の指定位置からずれやすいため、特に、微小な回路基板で所要の印刷精度を得ることが困難であった。ろう材にシールリングや合金泊を用いる技術は、ろう材を一つずつ装着する必要があって生産性が悪く、しかも、ろう材がパッケージの厚さを増し、電子デバイスの薄型化を妨げるという問題点があった。
本発明の目的は、上記課題を解決し、基体にろう材を高精度に一体化できる回路基板、この回路基板を簡単かつ精度よく製造できる方法、その回路基板を用いた薄型で高気密の電子デバイス、及び、多数の電子デバイスを能率よく高精度に製造できる方法を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の回路基板は、絶縁材料からなる基体の表面に部品電極と、部品電極を取り囲む環状電極とを同一金属材料を用いて電気めっきにより形成し、環状電極の表面にろう材を電気めっきにより設けたことを特徴とする。
ここで、回路基板の種類や用途は、特に限定されず、基板上に実装される電子部品に応じて各種の電子デバイスを構成できる。また、一枚の回路基板で一つの電子デバイスを製造してもよく、一枚の回路基板から複数の電子デバイスを製造してもよい。特に、微小電子デバイスの製造にあたっては、回路基板を集合基板として構成するのが好ましい。具体的には、基体の表面に複数の基板領域を画定し、各基板領域に部品電極と環状電極とを電気めっきにより形成し、各基板領域の環状電極にろう材を電気めっきにより設けるという構成を採用できる。
基体の成形材料は、特に限定されず、例えば、高温焼成セラミック（ＨＴＣＣ）、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、テフロン（登録商標）、フッ素樹脂、ガラスエポキシ等、各種の絶縁材料を使用できる。基体の構造は、電極やろう材の電気めっきに内層回路を利用できる点で、内層回路を備えた両面構造又は多層構造が好ましい。
また、基体にはキャビティ型、フラット型、Ｈ型のいずれも使用可能である。ただし、凹部を備えたキャビティ型やＨ型のセラミック基体は、焼成時の熱で側壁部に反りが発生しやすく、また、Ｈ型の基体は、回路基板の厚さが増す難点がある。これに対し、表面をフラットに形成した基体は、成形時の熱変形が生じにくく、回路基板を薄く成形できる利点がある。
部品電極の数や形状は、特に限定されず、回路基板上に実装される電子部品の数や種類に応じて適宜に設定できる。環状電極は、ろう材の支持部であって、ろう材のめっき電極として機能する。環状電極の形状は、円形、三角形、四角形、多角形等を例示できるが、通常は四角形である。部品電極及び環状電極（メタライズ部）は、同じ金属材料を用いて電解めっき又は無電解めっきにより形成される。めっき材料は、特に限定されず、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、金すず合金（Ａｕ−Ｓｎ）、銀すず合金（Ａｇ−Ｓｎ）等を例示できる。
部品電極及び環状電極のめっき回路には、基体に埋設された内層回路を用いるのが有利である。内層回路は、部品電極と環状電極の両方に導通するパターンで設計してもよく、部品電極に導通するパターンと環状電極に導通するパターンとを予め切り離して設計してもよい。前者の場合は、共通のパターンで部品電極と環状電極を同時に形成した後に、パターンの一部を切断し、部品電極から環状電極を切り離し、環状電極に導通するパターンを用いてろう材の電気めっきを行う。後者の場合は、別々のパターンで部品電極と環状電極を形成した後に、環状電極に導通する方のパターンを用いてろう材の電気めっきを行う。
ろう材は、電子デバイス又はパッケージの蓋体を回路基板に気密に接合する接合材（封止材）であって、環状電極の表面に電解めっき又は無電解めっきにより被着される。めっき材料は、環状電極や蓋体との接合性を考慮して適宜選定でき、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、すず（Ｓｎ）、金すず合金（Ａｕ−Ｓｎ）、銀すず合金（Ａｇ−Ｓｎ）、すず亜鉛合金（Ｓｎ−Ｚｎ）、半田等を使用可能である。金属製の蓋体に対する接合性（濡れ性）がよい点では、金すず合金又は金の厚めっきが好ましい。
特に、金すず合金は、融点が半田よりも高いので、デバイス設置時の熱で融け出すおそれがなく、比較的安価な材料で高気密のパッケージを構成できる。従って、めっき材料としては、部品電極及び環状電極に金を用い、ろう材に金すず合金を用いるという組み合わせを好ましく採用できる。なお、ろう材の酸化を防止するために、その表面に酸化防止皮膜（金、ニッケル等）を電気めっきにより被着してもよい。
本発明は、上記回路基板を簡単に製造できる方法を提案する。この製造方法は、絶縁材料からなる基体に設けられた内層回路を用いて、基体の表面に部品電極と、部品電極を取り囲む環状電極とを同一金属材料で電気めっきにより同時に形成した後に、内層回路を切断して、部品電極を環状電極から切り離し、切断後の内層回路の一部分を用いて、環状電極の表面にろう材を電気めっきにより設けたことを特徴とする。
また、本発明は、微小デバイスの多数個取りに適した集合回路基板の製造方法を提案する。この方法は、基体の表面に複数の基板領域を画定し、各基板領域に部品電極と環状電極とを電気めっきにより形成し、各基板領域の外側において基体の周縁部に内層回路を切断するための穴を加工し、穴を含まない内層回路の一部分を用いて、各基板領域の環状電極にろう材を電気めっきにより設けたことを特徴とする。
この製造方法によれば、基体の周縁部で内層回路を切断するので、レーザーやドリル等の比較的簡易な穴明け手段を使用し、一つ又は数個の穴で各環状電極を部品電極から一斉に切り離して、二段階の電気めっきを段取りよく実施できる利点がある。電極及びろう材のめっき材料には、先に例示した各種の金属材料を使用可能であるが、特に、ろう材のめっき材料に部品電極及び環状電極とは異質の金属材料を用いるとよい。こうすれば、二段階めっき法の利点を活かし、電極及びろう材の材質を基板の機能や設置条件又は電子部品の種類等に適合させて、多様な回路基板を製造することができる。
本発明の電子デバイスは、上記回路基板を用い、部品電極に電子部品を装着し、電子部品を覆う蓋体をろう材により基体に接合したことを特徴とする。
ここで、電子部品の種類は、特に限定されず、例えば、圧電振動素子、弾性表面波素子、光学素子、ＩＣチップ、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、ダイオードなど、電子デバイスの用途に応じた各種の部品を一つ又は複数組み合わせて使用できる。蓋体には、基体がキャビティ型やＨ型である場合に、平板型のものを使用でき、基体がフラット型である場合に、周縁にフランジ部を備えた帽子型、又は、上面がフラットで下面に凹部を備えた凹型のものを使用できる。蓋体の成形材料には、セラミックや樹脂も使用できるが、放熱効果がよく、ろう材との接合面を平滑化できる点で金属が好ましい。金属製の蓋体の周縁部（フランジ部）に、ろう材との接合性のよい金属層を設けてもよい。
さらに、本発明は、微小電子デバイスの多数個取りに適した製造方法を提案する。この方法は、上記方法により製造した集合回路基板を用い、各基板領域の部品電極に電子部品を装着し、電子部品を覆う蓋体を基体に位置決めし、各基板領域でろう材を融かして蓋体を基体に接合した後に、基体を各基板領域の境界線で切断することを特徴とする。
この製造方法の実施にあたっては、基板領域と同数個の蓋体を使用してもよいが、デバイスをさらに能率よく製造できるように、各基板領域に共通の蓋体を使用するのが好ましい。具体的には、各基板領域の電子部品を覆う一枚の蓋体を基体に接合した後に、基体及び蓋体を各基板領域の境界線で切断する方法を採用できる。
本発明の回路基板によれば、基体上に環状電極とろう材を共に電気めっきにより形成したので、基体の変形による影響を受けることなく、ろう材を基体に高精度に一体化できるという優れた効果を奏する。
本発明の回路基板の製造方法によれば、部品電極と環状電極とろう材とを共に基体の内層回路を用いて電気めっきにより形成するので、ろう材一体化の回路基板を簡単な工程で精度よく製造できる効果がある。
本発明の電子デバイスによれば、ろう材を電気めっきにより一体化した回路基板を用いたので、ろう材を基体と蓋体との間に薄く均一に介在させて、デバイスを薄型かつ高気密に構成できる効果がある。
本発明の電子デバイスの製造方法によれば、ろう材一体型の集合回路基板を用いたので、多数のデバイスを能率よく高精度に製造できる効果がある。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１，図２に示すように、この実施形態の電子デバイス１は、複数の電子部品２が実装された回路基板３と、電子部品２を覆う蓋体４とを備えている。回路基板３の外周部上面にはろう材５が一体的に設けられ、蓋体４の外周部下面に金属層１２が固着されている。そして、ろう材５と金属層１２との熱圧着により、蓋体４が回路基板３に気密を保持して接合されている。
回路基板３の基体６は、高温焼成セラミック材料又は低温焼成セラミック材料を用いて多層構造に成形されている。基体６の表面はフラットに形成され、基体６の内部に電子部品２に導通する内層回路７が埋設されている。基体６の表面には、電子部品２が装着される複数の部品電極８と、マザーボード等の機器基板（図示略）に接続される端子電極（キャスタレーション）９と、部品電極８を取り囲む環状電極１０とが配設されている。
各電極８，９，１０は、回路基板３のメタライズ部であって、基体６の内層回路７を利用し、同一の金属材料で電気めっきにより同時形成されている。環状電極１０の表面には、ろう材５が内層回路７の一部分を用いて電気めっきにより被着され、ろう材５によって蓋体４が基体６に熱圧着されている。この実施形態では、各電極８，９，１０のめっき材料に金が用いられ、ろう材５のめっき材料に、金との接合性がよく比較的安価な金すず合金が使用されている。蓋体４の金属層１２は、ろう材５との接合性がよい金表層とニッケル下地とからなり、電気めっき又は圧延により蓋体４に被着されている。
回路基板３は単独基板の形態で成形することもでき、集合基板の形態で成形することも可能である。集合基板の場合は、図３に示すように、基体６の表面に多数の基板領域１１が画定され、各基板領域１１に部品電極８と端子電極９と環状電極１０とが電気めっきにより形成され、各環状電極１０にろう材５が電気めっきにより被着される。なお、集合基板の場合、例えば、縦１１０ｍｍ、横１１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの基体６から、縦１．０ｍｍ、横１．５ｍｍの単独基板を約３０００個取得することができる。
上記構成の回路基板３によれば、基体６の上に環状電極１０とろう材５を共に電気めっきにより形成したので、基体６の熱変形による影響を受けることなく、ろう材５を基体６に精度よく一体化でき、特に、集合基板の場合に、一枚の基体６から高精度の回路基板３を能率よく多数個取りすることができる。また、この実施形態の電子デバイス１によれば、ろう材５を電気めっきにより基体６と蓋体４との間に薄く均一に介在させて、デバイス１を薄型かつ高気密に構成でき、特に、集合基板を用いた場合は、一枚の回路基板３から薄型で高気密の電子デバイス１を能率よく多数個取りできる利点がある。
次に、回路基板３及び電子デバイス１の製造方法について説明する。回路基板３は単独基板、集合基板どちらの場合も図４に示す方法で製造することができる。まず、（ａ）に示すように、所要枚数のグリーンシートを積層し、ビアホール１３を備えた内層回路７を埋設して、セラミック多層構造の基体６を成形する。そして、基体６表面の電極形成部位にタングステン、ニッケル、銀合金等の導電ペーストを用いてスクリーン印刷により電極パターン１４を塗着したのち、基体６を焼成する。
次いで、（ｂ）に示すように、内層回路７をめっき回路として用い、その端子穴１７（図３参照）をめっき電源に接続し、電極パターン１４に部品電極８と端子電極９と環状電極１０とを同一金属材料で電気めっきにより同時に形成する。この場合、例えば、電解めっき法又は無電解めっき法により２〜６μｍのニッケル下地を形成し、その上に０．５〜５μｍの金めっき層を被着するとよい。次に、（ｃ）に示すように、基体６の周縁部に穴１５をレーザー又はドリル等で加工し、この穴１５により内層回路７を切断して、部品電極８及び端子電極９を環状電極１０から切り離す。
続いて、（ｄ）に示すように、切断後の内層回路７の一部分（環状電極１０のみに導通する回路パターン）を用いて、環状電極１０の表面にろう材５を電気めっきにより被着する。ろう材５のめっき材料は、融点が２７８℃前後の金すず合金（金８０％、すず２０％）が好ましく、ろう材５の層厚は、５〜３５μｍ程度が望ましい。その後、（ｅ）に示すように、必要に応じ、ろう材５の表面に金製の酸化防止被膜１６を電気めっきにより被着し、回路基板３を完成する。
次に、この回路基板３を用い、図２に示すように、基体６の部品電極８に電子部品２を装着したのち、電子部品２を覆う蓋体４を基体６に位置決めする。そして、約３００℃の温度雰囲気中で所定の荷重を加えてろう材５を融かし、融けたろう材５を蓋体４の金属層１２に圧着して、蓋体４を基体６に接合して組み付ける。その後、気密検査、回路試験等の規定の検査工程を経て、電子デバイス１を完成する。
集合基板の場合は、図５（ａ）に示すように、基体６の表面に画定された各基板領域１１に部品電極８と端子電極９と環状電極１０とを形成した後に、各基板領域１１の外側において基体６の周縁部に内層回路７を切断するための穴１５（図３参照）を加工する。そして、穴１５を含まない内層回路７の一部分（全基板領域１１の環状電極１０のみに導通する回路パターン）を用いて、各基板領域１１の環状電極１０にろう材５を被着する。
その後、（ｂ）に示すように、各基板領域１１の部品電極８に電子部品２を装着し、各基板領域１１の電子部品２を共通に覆う一枚の蓋体４を基体６に位置決めする。この状態で、各基板領域１１においてろう材５を融かして、蓋体４を基体６に接合する。そして、基体６を各基板領域１１の境界線位置（図の鎖線位置）でレーザー又はダイシング装置等により切断し、一枚の回路基板３から多数の電子デバイス１を取得する。なお、（ｃ）に示すように、基板領域１１と同数の蓋体４を分離させた状態で基体６に接合した後に、隣接する蓋体４の間で基体６のみを切断して、電子デバイス１を製造する方法も採用できる。
この実施形態の回路基板３の製造方法によれば、部品電極８、端子電極９、環状電極１０、ろう材５を共に基体６の内層回路７を用いて電気めっきにより形成するので、ろう材一体化の回路基板３を簡単な工程で精度よく製造でき、特に、集合基板を用いた場合は、一枚の基体６から高精度の回路基板３を能率よく多数個取りすることができる。また、この実施形態の電子デバイス１の製造方法によれば、ろう材一体型の集合基板を用いたので、一枚の回路基板３から多数のデバイス１を能率よく高精度に製造できる利点がある。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下に例示するように、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で各部の構成や材料を適宜に変更して実施することも可能である。
（１）図６に示すように、キャビティ型の基体６を使用し、基体６に電子部品２を収容する凹部６ａを設け、電子部品２を覆う平板型の蓋体４を基体６の表面にろう材５を介して接合する。
（２）図７に示すように、Ｈ型の基体６を使用し、基体６に電子部品２を収容する上下一対の凹部６ａを設け、上側の電子部品２を覆う蓋体４を基体６の表面にろう材５を介して接合し、下側の電子部品２を覆う絶縁板１８を基体６の下面にろう材５を介して接合する。
本発明の一実施形態を示す電子デバイスの斜視図である。 電子デバイスの断面図である。 回路基板の斜視図である。 回路基板の製造方法を示す工程図である。 電子デバイスの製造方法を示す工程図である。 回路基板の変更例を示す断面図である。 回路基板の別の変更例を示す断面図である。
符号の説明
１ 電子デバイス
２ 電子部品
３ 回路基板
４ 蓋体
５ ろう材
６ 基体
７ 内層回路
８ 部品電極
９ 端子電極
１０ 環状電極
１１ 基板領域
１２ 金属層
１５ 穴

Claims (10)

  1. 絶縁材料からなる基体の表面に部品電極と、部品電極を取り囲む環状電極とを同一金属材料を用いて電気めっきにより形成し、環状電極の表面にろう材を電気めっきにより設けたことを特徴とする回路基板。
  2. 基体の表面に複数の基板領域を画定し、各基板領域に部品電極と環状電極とを電気めっきにより形成し、各基板領域の環状電極にろう材を電気めっきにより設けた請求項１に記載の回路基板。
  3. 部品電極と環状電極のめっき材料に金を用い、ろう材のめっき材料に金すず合金を用いた請求項１又は２に記載の回路基板。
  4. 基体の表面をフラットに形成した請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路基板。
  5. 絶縁材料からなる基体に設けられた内層回路を用いて、基体の表面に部品電極と、部品電極を取り囲む環状電極とを同一金属材料で電気めっきにより同時に形成した後に、内層回路を切断して、部品電極を環状電極から切り離し、切断後の内層回路の一部分を用いて、環状電極の表面にろう材を電気めっきにより設けたことを特徴とする回路基板の製造方法。
  6. 基体の表面に複数の基板領域を画定し、各基板領域に部品電極と環状電極とを電気めっきにより形成し、各基板領域の外側において基体の周縁部に内層回路を切断するための穴を加工し、穴を含まない内層回路の一部分を用いて、各基板領域の環状電極にろう材を電気めっきにより設けた請求項５に記載の回路基板の製造方法。
  7. ろう材のめっき材料に部品電極及び環状電極とは異質の金属材料を用いた請求項５又は６に記載の回路基板の製造方法。
  8. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路基板を用い、部品電極に電子部品を装着し、電子部品を覆う蓋体をろう材により基体に接合したことを特徴とする電子デバイス。
  9. 請求項６に記載の方法により製造した回路基板を用い、各基板領域の部品電極に電子部品を装着し、電子部品を覆う蓋体を基体に位置決めし、各基板領域でろう材を融かして蓋体を基体に接合した後に、基体を各基板領域の境界線で切断することを特徴とする電子デバイスの製造方法。
  10. 各基板領域の電子部品を覆う一枚の蓋体を基体に接合した後に、基体及び蓋体を各基板領域の境界線で切断する請求項９に記載の電子デバイスの製造方法。

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