JP2006005262A - ハーメチックシールカバー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 パッケージ封止時にボイド等の欠陥発生を抑制することができるハーメチックシールカバー及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 本発明は、シールカバー本体と、該シールカバー本体表面に施されたＮｉメッキ層と、該Ｎｉメッキ層表面に融着されたＡｕ−Ｓｎろう材層とを備えるハーメチックシールカバーにおいて、前記ニッケルメッキ層とＡｕ−Ｓｎろう材層との間にＮｉ−Ｓｎ合金層を有することを特徴とするハーメチックシールカバーである。このＮｉ−Ｓｎ合金層の厚さは、０．３〜５μｍとすることが好ましい。また、Ａｕ−Ｓｎろう材層のＳｎ濃度は２０．６５〜２３．５重量％であるものが好ましい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、各種電子部品パッケージの気密封止で使用されるハーメチックシールカバーに関する。

携帯電話等の各種電子機器で使用されるＳＡＷフィルタ、水晶振動子のような半導体素子は、空気中の湿気、酸素により酸化、劣化するのを防止するセラミック製の容体（パッケージ）に封入された状態で使用されている。この半導体パッケージは、開口を有し素子を気密封止するための容体（ベース）と、蓋となるシールカバーとからなり、半導体パッケージの気密封止工程は、半導体素子をベース内に載置し、これにシールカバーを被せた後、ベースとシールカバーとを接合することにより行われる。

ベースとシールカバーとの接合方法には各種あるが、一般的なのはろう材により接合を行う、ろう付け法である。このろう付け法で使用されるシールカバーは、ろう材をその接合面に融着したものであり、気密封止の際にはシールカバーをベースに被せ、これらを電気炉等で加熱してろう材を溶解・凝固させてパッケージとするものである。

ここで、シールカバー本体の構成材料としては、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）が一般的に用いられている。また、ろう材としては、信頼性、耐食性に優れる等の理由からＡｕ−Ｓｎろう材が用いられており、特に、共晶組成であるＡｕ８０ｗｔ％−Ｓｎ２０ｗｔ％ろう材が一般的である。そして、このシールカバーの製造工程としては、シールカバー本体の耐食性確保及びＡｕ−Ｓｎろう材を溶融させたときの濡れ性確保の目的で、シールカバー本体にＮｉメッキ及び／又はＡｕメッキを施し、Ａｕ−Ｓｎろう材を接合してシールカバーとしている。Ａｕ−Ｓｎろう材の接合は、融着又は圧接等によりなされる（ろう材を圧接してシールカバーを製造する方法を開示するものとして特許文献１がある）。
特開２００３−１４２６１５号公報

ところで、半導体パッケージの製造にあっては、製品歩留まりを確保するため、ベースへシールカバーを接合する際、欠陥のない接合が求められる。上記従来のシールカバーを用いた接合の場合、基本的に良好な接合がなされるが、ごくまれに接合部にボイドが発生することがある。

この欠陥による製品不良の発生率は、製品全体の１〜２％程度であり、割合としては小さい。しかしながら、各種電子機器の普及に伴い大量生産される半導体パッケージにあっては、かかる小さな割合でも数にすれば相当なものであり、それによる損失も無視できるものではない。

そこで、本発明は、かかる欠陥発生がより抑制することのできるハーメチックシールカバー及びその製造方法を提供することを目的とする

本発明者等は、上記課題を解決すべく、シールカバー接合時（パッケージの封止時）において、接合部にボイドが生じる原因について検討した。そして、ボイド発生の要因として、シールカバー接合の際のＡｕ−Ｓｎろう材溶融時にシールカバー本体表面にＮｉメッキ層とろう材中のＳｎとが合金化し、この合金化反応により発生するアウトガスがろう材中に残留し接合部にボイドを生じさせる要因と考察した。

そこで、本発明者等は、上記のようなシールカバー接合時に生じるＮｉメッキ層とろう材中のＳｎとの合金化を抑制する手段を検討した。そして、その方法として、予めシールカバー本体表面のＮｉメッキ層とＡｕ−Ｓｎろう材層との間に、Ｎｉ−Ｓｎ合金層を設け、これをバリア層とすることでＮｉメッキ層とろう材との新たな反応を抑制できることを見出した。

即ち、本発明は、シールカバー本体と、該シールカバー本体表面に施されたＮｉメッキ層と、該Ｎｉメッキ層表面に融着されたＡｕ−Ｓｎろう材層とを備えるハーメチックシールカバーにおいて、前記ニッケルメッキ層とＡｕ−Ｓｎろう材層との間にＮｉ−Ｓｎ合金層を有することを特徴とするハーメチックシールカバーである。

本発明では、予めＮｉメッキ層とＡｕ−Ｓｎろう材層との間にバリア層として設けられたＮｉ−Ｓｎ合金層により、Ｎｉメッキ層と溶融したろう材との合金化を抑制するものであり。このＮｉ−Ｓｎ合金層は、高融点の金属間化合物であり、Ａｕ−Ｓｎろう材の溶融時においても溶融することなくＮｉメッキ層を保護しろう材との反応を抑制する。従って、本発明によれば、シールカバー接合時のろう材の溶融の際にも、アウトガスを発生させることがなく、接合後（凝固後）の接合部にボイドを残留させることがない。

このバリア層であるＮｉ−Ｓｎ合金層の厚さは０.６〜５．０μｍのものが好ましい。０.６μｍ未満であるとバリア層として機能し難くなり、わずかではあるがＮｉとろう材との合金化反応が生じ、アウトガスが生じるからである。また、５．０μｍを超える合金層は均一なものが形成し難く、カバーの高さにばらつきが生じ易くなるからである。

ここで、本発明に係るシールカバーのＡｕ−Ｓｎろう材層は、略共晶組織を示すものであることが好ましい。共晶組織のろう材が好ましいのは、接合時において融点が安定しており、ろう材の溶融、凝固を速やかに行うことができ、効率的なパッケージ製造ができるからである。また、ろう材の濡れ性も良好であり、欠陥の少ない接合部を形成できるからである。ここで、本発明者等は、Ａｕ−Ｓｎろう材層の好ましい組成として、２０．６５〜２３．５重量％Ｓｎ−Ａｕを提示する。

この組成範囲は、Ａｕ−Ｓｎ系合金において、従来から共晶点とみなされていた組成（２０重量％Ｓｎ−Ａｕ）とわずかに異なる。本発明者等が提示するこの組成は、本発明者等による実証試験の繰り返しの結果から明らかにされたものであり、Ａｕ−Ｓｎ系合金は冷却速度、鋳造時の試料のサイズによらず、２０．６５重量％において完全な共晶組織を呈することが確認されていることに基づくものである。そして、ろう材層の組成をかかる範囲とするのは、この共晶点を踏まえ、シールカバーの接合が可能となる組成範囲を明確とするものである。つまり、Ｓｎ濃度の上限については、２３．５重量％とするのは、Ｓｎ濃度が２３．５重量％を超えると、ろう材層の液相線温度が３２０℃以上と高温となり、接合不良の要因となることを考慮するものである。

尚、このＡｕ−Ｓｎろう材層の厚さは、５〜１００μｍのものが好ましい。５μｍ未満ではろう材のボリュームが不足し封止に不具合が生じるからであり、１００μｍではボリュームが多すぎて封止時にシールカバー表面にまでろう材が這い上がる不具合が生じるからである。

本発明に係るハーメチックシールカバーの製造方法としては、基本的な工程は、従来のものと同様であり、シールカバー本体に、Ｎｉメッキを施し、これにＡｕ−Ｓｎろう材を融着させるものであるが、Ｎｉメッキ層とＡｕ−Ｓｎろう材層との界面にＮｉ−Ｓｎ合金層を形成させる点と、合金層を形成させた上でＡｕ−Ｓｎろう材層の組成を適正範囲とする点において考慮を要する。以下、この製造方法について説明する。

シールカバー本体へのＮｉメッキ層形成については、特に従来法と異なることはない。このＮｉメッキの厚さについては、０．５〜３μｍとするのが一般的であり、本発明もこれに従う。Ｎｉメッキの方法としては、電解バレルメッキ等が適用される。また、Ｎｉメッキ後にＮｉメッキ層表面にＡｕメッキを行っても良い。このＡｕメッキは、Ａｕ−Ｓｎろう材を融着する際にろう材の濡れ性を更に改善するためになされるが、ろう材の融着の際にろう材と一体化するため、Ｎｉ−Ｓｎ合金層の形成に影響を与えることはない。このＡｕメッキを施す際のＡｕメッキ厚さは０．０１〜１．０μｍとするのが好ましい。

Ｎｉメッキ（場合により更にＡｕメッキ）を施した後には、Ａｕ−Ｓｎろう材を融着する。Ｎｉ−Ｓｎ合金層の形成は、このろう材を融着させる際の融着温度、加熱時間を調整することによりなされ、従来の融着より高温、長時間で加熱してＡｕ−Ｓｎろう材を融着させることによりＮｉメッキ層とろう材中のＳｎとを十分反応させてＮｉ−Ｓｎ合金層を形成させることができる。この融着の条件としては、加熱温度を３１０〜３５０℃とし、加熱時間を０．１〜１０分間とすることが必要である。下限値未満では十分な反応が生じずバリア層として機能しうる厚さのＮｉ−Ｓｎ合金層が形成されない。また、上限値を超える場合、合金層形成の反応が進行しすぎてろう材中のＳｎ濃度が２０．６５％以下となり、組織が粗大化することとなる。従って、上記した従来技術のような低い温度の圧接では、ろう材接合時にＮｉ−Ｓｎ合金層は形成されず、本発明が目的とするアウトガスの発生を抑制できないものと考えられる。

そして、Ａｕ−Ｓｎろう材を融着する際に、もう一点留意すべきは、融着させるろう材の組成である。本発明では、ろう材融着時にＮｉメッキ層とろう材中のＳｎとを十分反応させることとしているが、Ｎｉ−Ｓｎ合金層の成長に伴い、ろう材中のＳｎがＮｉメッキ層に吸収されることとなる。そして、上述のように、本発明に係るシールカバーは、Ａｕ−Ｓｎろう材のＳｎ濃度が２０．６５〜２３．５重量％であり共晶組織を呈することが好ましいことから、融着時のＳｎ濃度の減少を考慮して融着完了後のろう材の組成がかかる範囲となるような組成のろう材を融着させることが必要となる。本発明では、この融着させるろう材として、Ｓｎ濃度２２〜２５重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を適用することが求められ、この範囲以外のろう材を融着させると凝固後のろう材組成は、共晶点（Ｓｎ濃度２０．６５重量％）から大きく外れ、ろう材中にＡｕリッチ相又はＳｎリッチ相が生じ、パッケージを製造する際の接合性を悪化させることとなる。

そして、以上の融着させるろう材組成及び融着条件を考慮してろう材を融着させることで、Ｎｉメッキ層とろう材層との間にバリア層としてのＮｉ−Ｓｎ合金層が形成され、ろう材層の組成も略共晶組成を呈し、好適なシールカバーが製造される。このろう材の融着時において、Ｎｉメッキ層とろう材のＳｎとの反応によりガスが生じるが、このガスは、融着時のシールカバーろう材側表面をフリーにすることで、溶融するろう材を経由して雰囲気中に放出される。従って、ろう在中にこのガスが残留してボイドを残留させることもなく、均質なろう材層となる。尚、融着させるろう材の形態に特に制限はなく、シート状のろう材を適宜加工してシールカバー本体に載置して融着する場合の他、ペースト状のろう材をシールカバー本体に印刷し、これを融着させても良い。

以上説明した本発明に係るハーメチックシールカバーによれば、パッケージ製造の際のシールカバー接合時にアウトガスを発生させることなく、シールカバーの接合不良を生じさせる確立を著しく減少させることができる。また、従来品ではアウトガスによりパッケージ内の半導体素子にダメージを与えるおそれがあり、特に、水晶振動子に対してはアウトガスが吸着して振動数を低下させるという問題があった。本発明によればこのような半導体素子へのダメージもない。従って、本発明は、今後需要がより拡大する半導体パッケージの大量生産に対し、製品歩留まりの低下、製品コストの上昇を抑制することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、種々の組成のＡｕ−Ｓｎろう材を用いて、その融着条件を変更しつつハーメチックシールカバーを製造し、それぞれの組織観察等を行い、更に、パッケージ製造を行い欠陥の発生率を検討した。

シールカバーの製造は、次のようにして行った。コバール製のシールカバー本体（寸法：３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×０．１ｍｍ）に、電解バレルめっきによりＮｉを２．０μｍメッキし、Ａｕを０．１μｍメッキした。そして、このシールカバー本体に枠形状のＡｕ−Ｓｎろう材（寸法：５ｍｍ□×２．５ｍｍ□、厚さ０．０５ｍｍ）を種々の条件で融着してシールカバーを製造した。ろう材の融着は、ろう材をシールカバー本体上に位置決めして載置した後、電気炉に挿入し所定時間加熱した。

製造したシールカバーについては、その断面をＳＥＭにて観察し、Ｎｉ−Ｓｎ合金層の有無・厚さと、Ａｕ−Ｓｎろう材層の組織を観察した。

製造したシールカバーを用いたパッケージの製造では、半導体素子（ＳＡＷフィルター）が搭載されたセラミック製ベースに接合してパッケージとした。このときのシールカバーの接合温度は３４０℃とした。そして、接合時のろう材の濡れ性を目視にて判定し、接合後の接合部組織を観察した。更に、透過Ｘ線観察を行い、ボイド発生量を面積比率（ボイド面積／接合部面積）で求めた。

以上、製造したシールカバーの製造条件及び検討結果を表１に示す。

表１の結果からわかるように、ろう材組織は濡れ性の良否に影響を与え、また、Ｎｉ−Ｓｎ合金層の厚さが薄いとボイド発生量を上昇させる。従って、総合評価において良好なシールカバーはＮｉ−Ｓｎ合金層の厚さが０.３μｍ以上でろう材組織が共晶組織を呈するものであることが確認できる。その例として、図１は、好ましいシールカバーとされたＮｏ．８のシールカバーの断面写真である。このように良好なシールカバーについては、Ｎｉ−Ｓｎ合金層の成長がみられ、ろう材層では細かな共晶組織が観察された。

そして、好ましいシールカバーを製造するためには、融着時のろう材組成として、Ｓｎ濃度２２重量％以上のものが必要である。Ｓｎ濃度２１％以下のろう材を適用する場合、融着温度が低いとＮｉ−Ｓｎ合金層が成長しておらずボイドを発生させることとなり、融着温度が高いろう材中のＳｎ濃度が低下して組織が粗大化し、濡れ性が悪化する。この粗大化は、Ｓｎ不足によるＡｕリッチ相の成長によるものと考えられる。例えば、Ｓｎ濃度２０％のＮｏ．２の試料では、図２に示すように、組織の粗大化が観察されている。

また、Ｓｎ濃度２２％のものでも、融着時の温度が低いＮｏ．７では、ボイドの発生が見られた。これは、融着温度が低いため、バリア層であるＮｉ−Ｓｎ合金層の形成が不十分であり、パッケージ封止時にアウトガスが発生したことによる。Ｎｏ．７の断面組織を図３に示す。

本実施形態の試料Ｎｏ．８の接合部断面組織を示す写真。 本実施形態の試料Ｎｏ．２の接合部断面組織を示す写真。 本実施形態の試料Ｎｏ．７の接合部断面組織を示す写真。

Claims (5)

1. シールカバー本体と、該シールカバー本体表面に施されたＮｉメッキ層と、該Ｎｉメッキ層表面に融着されたＡｕ−Ｓｎろう材層とを備えるハーメチックシールカバーにおいて、
   前記ニッケルメッキ層とＡｕ−Ｓｎろう材層との間にＮｉ−Ｓｎ合金層を有することを特徴とするハーメチックシールカバー。
2. Ｎｉ−Ｓｎ合金層の厚さが０．６〜５．０μｍである請求項１記載のハーメチックシールカバー。
3. Ａｕ−Ｓｎろう材層は、略共晶組織を示すものである請求項１又は請求項２記載のハーメチックシールカバー。
4. Ａｕ−Ｓｎろう材層のＳｎ濃度は２０．６５〜２３．５重量％である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のハーメチックシールカバー
5. シールカバー本体の表面にＮｉメッキする工程と、シールカバー本体の前記Ｎｉメッキ表面にＡｕ−Ｓｎろう材を融着する工程とを含むハーメチックシールカバーの製造方法において、
   融着するＡｕ−Ｓｎろう材としてＳｎ濃度２２〜２５重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を用い、
   融着条件を加熱温度３１０〜３５０℃、加熱時間０．１〜１０分間としてＡｕ−Ｓｎろう材を融着させることを特徴とするハーメチックシールカバーの製造方法。
   
   

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