JP2006013355A

JP2006013355A - 蓋体およびこれを用いた電子装置

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Publication number: JP2006013355A
Application number: JP2004191730A
Authority: JP
Inventors: Sadakatsu Yoshida; 定功吉田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】電子装置を外部電気回路等に実装する際に２５０〜２６０℃の温度が加わっても電子装置の気密性、信頼性が保持でき、鉛を含有しないため地球環境を汚染せず、加熱接合温度条件の範囲が広く生産性の高い電子部品収納用パッケージ用の蓋体およびこれを用いた電子装置を提供すること。
【解決手段】蓋体４は、板状体１の下面の外周部に全周にわたって形成されたニッケル−コバルト合金からなる金属層２と、金属層２の表面に形成された錫を主成分とする半田層３とを具備しており、金属層２は、表面側のコバルト濃度よりも板状体１との界面側のコバルト濃度が低く、半田層３は、金属層２との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低い。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子や圧電振動子等の電子部品を気密に収納するための電子部品収納用パッケージに使用される蓋体およびこれを用いた電子装置に関し、特に低融点合金から成る半田を用いて電子部品収納用パッケージの封止を行なうための蓋体およびこれを用いた電子装置に関する。

従来、半導体素子等の電子部品を収容するための電子部品収納用パッケージ(以下、パッケージとも言う)は、例えば酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、上面の中央部に電子部品を収容するための凹部および凹部内に収容される電子部品の周辺から下面にかけて導出されたタングステンやモリブデン等の高融点金属から成る複数個のメタライズ配線層を有し、上面の凹部の外側周囲に蓋体との接合用のメタライズ金属層が被着された基体を具備している。そして、基体の凹部底面に半導体素子等の電子部品を接着剤等を介して接着するとともに、電子部品の各電極をボンディングワイヤ等を介してメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、基体のメタライズ金属層に蓋体を接合材で接合し、基体と蓋体とから成る気密な容器を構成することによって最終製品としての電子装置としていた。

なお、このような従来の電子装置においては、基体と蓋体とを接合する接合材としては、金を８０質量％含む金−錫合金半田もしくは、鉛を含有する錫−鉛合金半田が使用されていた。

しかしながら、金を８０質量％含む金−錫合金半田を使った場合、製品の価格が高くなるため、使用される製品が限られるという問題点がある。また、鉛を含有する半田は、半田に含まれる鉛が環境汚染物質に指定されており、鉛を含有する錫−鉛半田を使用した電子装置が屋外に廃棄もしくは放置され風雨に曝された場合、環境中に鉛が溶け出し環境を汚染する危険性がある。このため、近年、地球環境保護運動の高まりの中で鉛を含有しない安価な接合材が要求されるようになってきた。

そこで、人体に対して有害である鉛を用いない各種接合材が開発され提案されており、このような接合材として、例えば錫、ビスマス−銀合金または亜鉛−アルミニウム合金等を主成分とする各種はんだが採用されてきている。
特開２０００−３０７２２８号公報特開平５−１４４９６５号公報

しかしながら、錫や銀，亜鉛を含有した合金から成る半田は、温度が−５５〜１２５℃の温度サイクル条件下での耐熱疲労性には優れた信頼性を示すものの、これらの半田の融点はいずれも２１５℃〜２２５℃程度であるために、これらの半田が基体と蓋体とを気密に接合する接合材として使用された電子装置とした場合、電子装置を外部電気回路等に実装する際に一般的に用いられる融点が２２０℃程度の鉛フリー半田を２５０〜２６０℃のリフロー温度にして実装すると、２５０〜２６０℃の温度が接合材に加わるため、接合材が溶融し、電子装置の気密性が破れるという問題点を有していた。

また、ビスマス−銀合金を主成分とする半田は、−５５〜１２５℃の温度サイクル条件下での耐熱疲労特性に劣り、気密信頼性に欠けるため、電子装置の気密接合用の接合材として用いるには不適当であるという問題点を有していた。

さらに、亜鉛−アルミニウム合金を主成分とする半田は、空気中に放置した場合に腐食が進行しやすく、長期の気密信頼性に欠けるので、電子装置の気密接合用の接合材としてはこれもまた不適当であるという問題点があった。

また、錫−銀合金から成る半田接合材の溶融時にニッケルを拡散させ、接合後に高融点の合金とする方法が知られている。例えば、下地金属の保護および半田接合材の耐熱性を高めるためのニッケル−コバルト合金を表面に被着させた蓋体を用い、この蓋体と基体とを錫−銀合金を主成分とした半田を介してピーク温度２８０℃程度の温度条件で接合させた場合、半田に拡散しやすいコバルトとともにニッケルも半田に拡散し、２６０℃の温度では再溶融しない合金が形成されるので、外部電気回路等に実装する際の温度で気密性が破れない電子装置とする方法が考えられる。

しかしながら、錫−銀合金からなる鉛フリー半田の融点は２１５〜２２５℃程度であり、ピーク温度２８０℃の接合温度で基体と蓋体とを接合しようとすると、室温から温度を上昇させる過程で２１５℃〜２２５℃程度で溶融開始した半田が２８０℃まで加熱される間に、気密状態のパッケージ内部の空気も加熱されて膨張し、パッケージの外側に逃げようとして溶融半田層を突き抜けてパッケージの外部に飛び出ることがある。そして、そのときに空気と一緒に半田も飛ばされるため、出来上がった製品の外側表面に半田が付着してしまい、パッケージの商品価値が下がるとともに、空気の通り抜けた半田層の部分は内部にボイドが生じて、部分的に基体と蓋体とを気密に封止する半田層の接合幅が狭くなるために、封止後の製品の信頼性が低下するという問題点があった。

従って、本発明は上記従来の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、電子装置を外部電気回路等に実装する際に２５０〜２６０℃の温度が加わっても電子装置の気密性が保持でき、また、半田が鉛を含有せず、地球環境を汚染する虞のない電子部品収納用パッケージ用の蓋体および電子装置を生産性良く提供することにある。

本発明の蓋体は、板状体の下面の外周部に全面にわたって形成されたニッケル−コバルト合金からなる金属層と、この金属層の下面の表面に全周にわたって形成された錫を主成分とする半田層とを具備しており、前記金属層は、表面側のコバルト濃度よりも前記板状体との界面側のコバルト濃度が低く、前記半田層は、前記金属層との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低いことを特徴とする。

本発明の電子装置は、上面に形成された凹部の底面に電子部品の搭載部が形成された基体と、この基体の上面の前記凹部の周囲に全周にわたって形成されたメタライズ層と、このメタライズ層と蓋体の下面の外周部とを接合する、錫を主成分としニッケルを含有する半田層とを具備しており、前記蓋体が上記本発明の蓋体であることを特徴とする。

本発明の蓋体は、板状体の下面の全面にわたって形成されたニッケル−コバルト合金からなる金属層と、この金属層の表面に形成された錫を主成分とする半田層とを具備しており、金属層は、表面側のコバルト濃度よりも板状体との界面側のコバルト濃度が低く、半田層は、金属層との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低いことから、パッケージ内部の空気が半田接合時の加熱により膨張しても、金属層との界面側の半田はニッケル濃度が高いために粘度が高くなっているので、空気により飛ばされることなく留まる。また、ニッケル濃度が低く粘度が高くない表面側の半田は、この粘度の高い金属層との界面側の半田に抑えられて留まり、外側へ押し出されたとしても飛び散ることはない。

その結果、本発明の蓋体によれば、飛び散った半田が隣接するパッケージの外側表面に付着し、電子装置の商品価値を下げることがないとともに、接合部に留まった半田で十分に接合が行なえ、半田層内のボイド等により封止の信頼性を損ねることもない蓋体とできる。

また、金属層は、表面側のコバルト濃度よりも板状体との界面側のコバルト濃度が低いことから、半田層に拡散しやすいコバルトの濃度が低くなるにつれてコバルトおよびニッケルの半田層中への拡散は徐々に遅くなるので、半田層中のニッケル濃度が高くなりすぎることはない。そのために、半田層にニッケルが拡散することにより耐熱性が確保できるとともに、ニッケルの濃度が高くなりすぎて半田が脆化することは無いため、電子装置を外部電気回路等に実装する際に２５０〜２６０℃の温度が接合材に加わっても、安定して気密性を保持する耐熱性を持ちながら、温度サイクルテスト等の信頼性テストに耐える高信頼性の電子装置とすることができる。

本発明の電子装置は、上面に形成された凹部の底面に電子部品の搭載部が形成された基体と、基体の上面の凹部の周囲に全周にわたって形成されたメタライズ層と、メタライズ層と蓋体の下面の外周部とを接合する、錫を主成分としニッケルを含有する半田層とを具備しており、蓋体が上記本発明の蓋体であることから、パッケージと蓋体とを接合する際に、半田層の半田が熱膨張したパッケージ内部の空気により飛び散らされ、隣接するパッケージの外側表面に付着することがなく、電子装置を外部電気回路基板等に実装する際に２５０〜２６０℃の温度が加わっても電子装置の気密性を良好に保持でき、また高い温度サイクル条件下での耐熱疲労性を有するものとできる。

次に、本発明の蓋体を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す断面図であり、１は板状体、２は板状体１の下面の外周部に全面にわたって形成されたニッケル−コバルト合金から成り、表面側のコバルト濃度よりも板状体１との界面側のコバルト濃度が低い金属層、３は金属層２との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低い、金属層２の表面に形成された錫を主成分とする半田層である。また、４は主にこれら板状体１、金属層２および半田層３から成る本発明の蓋体である。

なお、金属層２において例えば表面側とは、板状体１に接する側に対向する主面の表面から金属層２の厚みの５〜４０％の厚みまでの部分のことであり、板状体１との界面側とは、金属層２の板状体１との界面から金属層２の厚みの５〜４０％の厚みまでの部分のことである。同様に、半田層３において、例えば金属層２との界面側とは、半田層３の金属層２との界面から半田層３の厚みの５〜４０％の厚みまでの部分のことであり、表面側とは、金属層２に接する側に対向する主面の半田層３の表面から半田層３の厚みの５〜４０％の厚みまでの部分のことである。

なお、より好ましくは、金属層２の表面側とは、板状体１に接する側に対向する主面の表面から金属層２の厚みの５〜２５％の厚みまでの部分のことであり、板状体１との界面側とは板状体１に接する金属層２の板状体１との界面から金属層２の厚みの５〜２５％の厚みまでの部分である。同様に、半田層３において、例えば金属層２との界面側とは、半田層３の金属層２との界面から半田層３の厚みの５〜２５％の厚みまでの部分のことであり、表面側とは、金属層２に接する側に対向する主面の半田層３の表面から半田層３の厚みの５〜２５％の厚みまでの部分のことである。

板状体１は、例えば４２アロイのような鉄−ニッケル合金や、鉄−ニッケル−コバルト合金等の基体６の熱膨張係数に近い熱膨張係数を持つ金属からなる。また板状体１の下面の外周部に全周にわたってニッケル−コバルト合金からなる金属層２が形成されている。この板状体１は、例えば、以下のようにして作製される。

まず、鉄−ニッケル合金等の母材を圧延等で必要な厚みまで圧延加工し、切断して適宜の寸法の板材とする。そして、板材の所望の部位にのみ金属層２が形成されるようにするため、金属層２の形成が不要な部分にめっきレジストを従来周知のスクリーン印刷法等で印刷し、乾燥した後、これに電解ニッケル−コバルトめっきを施すことにより、ニッケル−コバルト合金から成る金属層２が作製される。

なお、この金属層２を、表面側のコバルト濃度よりも板状体１との界面側のコバルト濃度が低いものとするには、ニッケル溶液に適量のコバルトイオンを添加しためっき溶液を使用し、電解メッキを行なうときに電流密度を徐々に高くし、コバルトの析出量を漸次多くすることによって形成することができる。そして、打ち抜き金型等を使用し、板材を所望の形状に打ち抜き加工し、個片の板状体１とする。

また、金属層２は、その作製方法等により他の成分等が含まれる場合があるが、ニッケルとコバルトの合計の質量が金属層２の９０質量％以上を占めている場合は、本発明の効果を有するものであり、実質的にニッケル−コバルト合金とみなすことができる。

また、金属層２の表面側において、コバルトがニッケル１００質量部に対して２〜１０質量部含まれている場合にパッケージ８と蓋体４の接合時の耐熱性の向上に最も効果がある。コバルトがニッケル１００質量部に対して２質量部未満の場合は、ニッケルが拡散し難くなるので、金属層２の半田層３中への拡散速度が遅くなり、半田層３の耐熱性を向上させるために半田層３中にニッケルを拡散させるための加熱溶融時間を延長することが必要になり、生産性が低下する傾向がある。コバルトがニッケル１００質量部に対して１０質量部を超えて含まれる場合は、ニッケルの拡散が早くなるため、半田層３中にニッケルを拡散させる加熱溶融時間が短くなり、蓋体４を基体６に接合させる作業時間の条件範囲が狭くなって、作業性が悪くなる傾向がある。

また、金属層２の板状体１との界面側におけるコバルトの濃度は、ニッケル１００質量部に対してコバルトが０．１〜５質量部含まれていることが好ましい。コバルトが０．１質量部未満しか含まれない場合は、金属層２から半田層３へのニッケルの拡散速度が遅くなるため、半田層３の耐熱性を向上させるために金属層２中のニッケルを半田層３へ拡散させるために、半田層３の加熱溶融時間を延長する必要があり生産性が低下する傾向がある。コバルトが５質量％を超えて含まれる場合は、ニッケルの拡散が早くなるため、蓋体４の基体６への接合の作業時間の条件範囲が狭くなり、作業性が悪くなる傾向がある。

なお、コバルトは半田中に拡散しやすく、容易に錫と高融点の合金を作るのに対し、ニッケルは拡散しにくいという性質を持っている。そして、半田の高融点化は主として錫とニッケルとの合金化によって為される。このため、ニッケル−コバルト合金から成る金属層２と溶融した錫を主成分とする半田層３を接触させた場合は、金属層２中のコバルトが半田層３に拡散するに伴ってニッケルも拡散し、コバルトの含有率が低くなるにつれてニッケルの拡散速度が遅くなるという性質を有する。

また、金属層２の表面には錫−銀合金や錫−銀−銅合金等の錫を主成分とする半田、例えば錫−銀共晶半田（錫９６．５質量％および銀３．５質量％)から成り、金属層２との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低い半田層３が形成される。この半田層３は、例えば、以下のようにして作製する。

まず、るつぼで錫と銀を９６．５対３．５の質量比率で配合し、加熱して半田を溶融する。次に溶融した半田を窒素雰囲気中に霧状にスプレーすることにより、酸化のない微小な半田粒子を作製する。その後、これを適宜な寸法のメッシュを通過させることで一定の粒径範囲にそろえる。

そして用途に応じて適切な粒径の半田粒子を用い、松脂、チクソ剤および溶剤等を混ぜたフラックスと混合することでクリーム半田を作製する。

このクリーム半田を、金属層２の表面に全周にわたってスクリーン印刷法等で印刷し、その後窒素雰囲気中で半田が溶融する２４０℃程度の温度に加熱することでクリーム半田をリフローさせ、その後フラックスを溶剤等で洗浄することによって、金属層２上に半田層３を形成する。

次に、半田が融けない２００℃程度の温度で一定時間保持することで、金属層２に含まれるニッケル、もしくは、リフロー時に半田層３の金属層２との界面側に金属層２から拡散したニッケルを半田層３の表面側まで拡散させることができる。また、金属層２上で半田層３をリフローさせるときの温度を、通常の条件より高くしたり、半田が溶融している時間を長く保持する等の半田層３のリフローの条件を調整したりすることによっても、半田層３中のニッケルを表面側まで拡散させることが可能である。

なお、クリーム半田を金属層２の上で普通にリフローさせただけでは、できあがった半田層３へのニッケルの拡散はニッケルが供給される金属層２との界面付近だけにとどまり、表面側にはニッケルがほとんど含まれていない半田層３となる。従って、半田層３の表面側の半田はニッケル濃度がほとんどゼロのために粘度が低く、蓋体４を基体６に接合するときの温度が例えば３００℃程度とされてパッケージ内部の空気が膨張し、その圧力が高くなった場合に、パッケージ内部の空気が半田層３を突き抜けることを抑えられず半田の飛び散りを抑える効果が充分得られない。

半田層３におけるニッケル濃度は、金属層２との界面側において半田中の錫１００質量部に対し０．１〜２０質量部含まれているのが好ましく、蓋体４と基体６との接合時の半田の飛び散りを最も防止する効果がある。ニッケルが０．１質量部未満しか含まれない場合は半田の粘度上昇が不十分となり、接合温度が例えば３００℃以上であった場合等に、半田の飛び散りが発生しやすくなる傾向があり、ニッケルが半田中の錫１００質量部に対し２０質量部を超えて含まれる場合は、半田層３の粘度が高くなりすぎて接合時の半田が流れ難くなり、基体６と蓋体４との接合面積が狭くなることで温度サイクル条件下での耐熱疲労性が低下する傾向がある。

また、半田層３の表面側におけるニッケル濃度は半田中の錫１００質量部に対し０．０１〜０．０８質量部であるのが好ましく、半田の飛び散りを発生させず温度サイクル条件下での耐熱疲労性を高めることに最も効果がある。ニッケルが半田中の錫１００質量部に対し０．０１質量部未満しか含まれない場合は、半田の粘度上昇が不十分となり、接合温度が例えば３００℃以上であった場合等に、半田の飛び散りが発生しやすくなる傾向があり、ニッケルが半田中の錫１００質量部に対し０．０８質量部を超えて含まれる場合は、半田３の粘度が高くなりすぎて接合時の半田が流れ難くなり、基体６と蓋体４との接合面積が狭くなることで温度サイクル条件下での耐熱疲労性が低下する傾向がある。

また、半田層３において、金属層２との界面側のニッケル濃度が半田中の錫１００質量部に対し０．１〜２０質量部となっている部分の厚みが後述のメタライズ層７の反り寸法よりも厚くなるように形成されていると、接合温度がより高い場合でも半田の飛び散りが発生し難くなるので、より好ましい。

なお、錫を主成分とする半田層３とは、少なくとも、錫が６０質量％以上含有されている半田のことを言い、上記錫−銀共晶合金半田以外に、例えば、錫−銀−銅合金半田（錫９５．７５質量％、銀３．５質量％、銅０．７５質量％）や、錫−銀−銅−ビスマス合金半田（錫９４．９５質量％、銀３．５質量％、銅０．７５質量％、ビスマス０．８質量％）等がある。なお、これらには通常、アンチモン、鉛等の不可避不純物が微量含まれている。

次に、本発明の電子装置を添付の図面に基づいて詳細に説明する。図２は、本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

図２において、５は電子部品９が搭載される搭載部、６は上面に形成された凹部の底面に電子部品９の搭載部５が形成された基体、７は基体６の上面の凹部の周囲に全周にわたって形成されたメタライズ層、３’はメタライズ層７と蓋体４の下面の外周部を接合する、錫を主成分としニッケルを含有する半田層、８は電子部品収納用パッケージである。そして、９は基体６の搭載部５に搭載された電子部品、４は搭載部５を塞ぐように基体６の上面に半田層３’を介して取着された本発明の蓋体であり、１０は電子部品９と基体６のメタライズ配線層（図示せず）とを接続するボンディングワイヤである。

なお、半田層３’は、半田層３が溶融されて蓋体４がメタライズ層７の表面に接合されるときに、メタライズ層７の表面のニッケルめっきや金メッキ等の各種金属が含有されたものである。

基体６は、その上面の中央部に電子部品９を収容するための凹部が設けられており、電子部品９はこの凹部の底面にガラスや樹脂，ろう材等の接着剤を介して接着固定される。

また、基体６の凹部の内面の電子部品９の周辺から基体６の外面にかけて、複数のメタライズ配線層(図示せず)が被着形成されており、このメタライズ配線層の基体６の凹部の内面に位置する一端には電子部品９の各電極がボンディングワイヤ１０を介して電気的に接続され、また、メタライズ配線層の基体６の外面に導出された部位には外部電気回路（図示せず）が電気的に接続される。

基体６は、酸化アルミニウムやムライト，窒化アルミニウム，炭化珪素，ガラスセラミックス等を主成分とする焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合は、先ず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）やシリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、樹脂バインダーを添加混合して泥漿状と成し、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状に成形してセラミックグリーンシートを得、その後、セラミックグリーンシートを所定形状に打ち抜き加工するとともに複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。

また、基体６の上面の凹部の周囲に全周にわたって形成された枠状のメタライズ層７および基体６の凹部の内面から外面にかけて被着形成されるメタライズ配線層は、タングステンやモリブデン，マンガン等の高融点金属から成り、これらの粉末に有機溶剤、樹脂バインダーを添加混合した金属ペーストをそれぞれセラミックグリーンシートの所定位置に従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに被着形成させておき、セラミックグリーンシートと同時に焼成することにより形成される。なお、枠状のメタライズ層７には、その表面にニッケルやニッケル−コバルト合金、金等をめっき法等により被着させておくと良い。これにより、蓋体４と基体６との接合時に半田層３’にめっき成分が拡散して半田層３’の耐熱性向上とメタライズ層７の酸化防止をなすことができる。

そして、電子部品９を搭載部に固定し、電子部品９の各電極を凹部の内面のメタライズ配線層に接続した後、基体６の上面の凹部の周囲に形成されたメタライズ層７上に、本発明の蓋体４を半田層３がメタライズ層７に当接されるように載置し、加圧しながら加熱することにより半田層３が溶融して蓋体４と基体６とが接合される。

なお半田層３’は、下地の金属層２と、メタライズ層７とを接合する際に蓋体４の下面の外周部に被着していたニッケルを含有した半田層３が溶融し、この溶融した半田層３に、金属層２およびメタライズ層７表面のニッケルめっきや金メッキ中の各種金属が拡散されて成るものである。そして、接合後の半田層３’は、ニッケル濃度の低い部分がキャビティ内の空気が膨張することにより外側に押し出されることで、パッケージ内側のニッケル濃度が高く、外側のニッケル濃度が低い構造となっている。

蓋体４は、少なくとも金属層２が板状体１の下面の外周部に全周にわたって形成されていれば良く、例えば、金属層２が、板状体１の表面全体に形成されていても良い。

また本実施の形態では、板状体１は４２アロイのような鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属からなるが、電子部品収納用パッケージ８の熱膨張と極端に熱膨張が異ならないものであれば良く、その他の金属でもよい。また、必ずしも金属である必要はなく、例えば、アルミナ質セラミックス等の絶縁体であっても良い。その場合には、モリブデンやマンガン等の高融点金属から成り、これらの粉末に有機溶剤や樹脂バインダーを添加混合した金属ペーストを用い、セラミックス上に同時焼成されたメタライズ層を形成し、その後メタライズ層の上に金属層２半田層３を上記と同様にして形成することができる。

本発明の蓋体および電子装置の実施例を以下に説明する。
蓋体４の試料ｂ〜ｆ、ｉ〜ｍは以下のようにして作製した。先ず、一辺１５０ｍｍの四角状で厚み０．１５ｍｍの４２アロイ（Ｎｉが４２質量％含まれる鉄−ニッケル合金）板を用意し、めっきレジストを４２アロイ板の上面の全面に印刷した後、下面には蓋体４の試料の外周部に金属層２が形成される形状にめっきレジストを印刷した。これにニッケル−コバルト合金から成る金属層２をめっきにより２〜５μｍの厚みで形成した。

そのときに各試料の金属層２に含まれる平均コバルト濃度に応じて、めっき液中のコバルト濃度を０．０２〜１ｇ／ｌに調整し、めっきの際の電流密度は、めっき初期に対して３０分で２〜４倍程度となるように順次電流密度を高めながらニッケル−コバルトメッキを行なうことで、表面側に比べ板状体１との界面側のコバルト濃度が低い金属層２を表面に形成した。その後、めっきレジストを除去し、打ち抜き金型で上記めっき加工した４２アロイ板を打ち抜くことで、下面の外周部に全周にわたって金属層２が形成された一辺４．５ｍｍの四角形状の板状体１サンプルを作成した。

次に、位置決め冶具上に金属層２が形成された板状体１を整列させ、スクリーン印刷で金属層２上の所定位置に９６．５質量％の錫および３．５質量％の銀の組成の共晶半田クリーム（千住金属工業(株)社製「ＯＺ−２２０半田クリーム」）をスクリーン印刷した。このスクリーン印刷したものを窒素雰囲気中で加熱リフローし、フラックスを溶剤で洗浄し、乾燥することで、半田を板状体１に接合させた。

次に、金属層２中のニッケルを半田層３の表面側まで拡散させ、金属層２との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低い状態に、窒素雰囲気中で２００℃の温度でそれぞれの試料のニッケルの拡散に応じた時間各試料を保持することで蓋体４の各試料を作成した。

一方、比較用の試料ａ、ｇ、ｈ、ｎを、ニッケル−コバルトめっきを一定電流で行なった点、および半田を加熱リフローした後にニッケルを拡散させるための２００℃での保持を行なわなかった点以外は、他の試料と同様にして作製した。

また、評価で使用する電子部品収納用パッケージ８として、酸化アルミニウム質焼結体から成り、外形寸法が一辺５．０ｍｍの四角形状で電子部品９の搭載部５の上面寸法が一辺３．６ｍｍの四角形状であり、高さ２ｍｍの基体６の上面に形成された凹部の周囲に全周にわたって表面に金めっきが施されたメタライズ層７が形成された電子部品収納用パッケージ８を準備した。

そして、蓋体４を基体６の上に、メタライズ層７と蓋体４の半田層３とが対向するように重ねあわせ、クリップで挟んだものを封止炉に投入して蓋体４と基体６とを接合させて確認を行なった。

実際に封止炉で蓋体４と基体６とが接合される製品に加わる温度は、製品の投入量や投入部位、外気温の季節変動等により±１０℃程度の範囲での変動が考えられるため、通常封止する温度である２８０℃にこの変動幅の２倍の２０℃を加えた３００℃、およびより好ましい範囲を確認するために３２０℃の窒素雰囲気中で加熱することで封止した。

その後試料の外側表面に半田粒子が付着しているかどうかを４０倍双眼顕微鏡を用いて確認した。

次に、リークテストを行うことで、初期の気密性が確保されているかどうかを確認した。

リークテストは、ＭＩＬ−Ｓｔａｎｄａｒｄ８８３に従い、グロスリークテストとヘリウムリークテストとによって行なった。グロスリークテストでは、封止した試料を５×１０^５Ｐａの圧力のヘリウムガス中に１時間放置した後、グロスリークテスター（住友３Ｍ(株)社製）を使用し、１２５℃±５℃のフロリナート（住友３Ｍ(株)社製、ＦＣ−４０）中に浸漬して、目視判定により１分以内に連続気泡の発生しないものを合格とし、浸漬して1分以内に連続気泡の発生したものを不合格とした。

また、ヘリウムリークテストでは、試料を５×１０^５Ｐａの圧力のヘリウムガス中に１時間放置した後に、常圧の大気中に３０分放置し、へリウムリーク試験機（（株）ＵＬＶＡＣ社製、HELIUM LEAK DETECTOR HELIOT、MODEL-305）によってリークするヘリウム量を測定した。そして、ヘリウムのリーク量が１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下を合格とし、１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃを超えたものを不合格とした。グロスリークテスト、ヘリウムリークテストともに合格したものを気密性良品とし、気密性良品の試料のみを次の評価テストに投入した。

試料ａ〜ｎの気密性良品の試料を２６０℃の耐熱性テストに投入した。２６０℃の耐熱性テストにおいては、２６０℃のヒーターブロック上に蓋体４がヒーターブロックに接するように試料を置き、１分間放置した後に室温の金属製トレー上で５分間放置し、室温まで冷却した。この加熱と冷却を５回繰り返すことにより２６０℃の耐熱テストを行ない、２６０℃の耐熱性テスト後に再度上記ヘリウムリークテストを行って気密性を確認することにより良否判定を行なった。

引き続いて温度サイクルテストに投入した。温度サイクルテストは、ＭＩＬ−Ｓｔａｎｄａｒｄ８８３に準じてテストを行なった。テストは、気相中で−５５℃の低温槽で３０分放置後１２５℃の高温槽に移動させ３０分放置することを１サイクルとし、これを５００サイクル繰り返すことにより行なった後に上記同様に気密性を確認することにより良否判定を行なった。以上の評価結果を表１、表２に示す。なお、表１は封止温度を３００℃で封止した場合、表２は封止温度を３２０℃で封止した場合の結果を示す。

なお、表中の分数表示の数字は、評価したサンプルの総数に対する不良品の数を示し、半田付着，初期気密性，２６０℃耐熱性テスト後の気密性，温度サイクルテスト後の気密性の各項目において不良品が発生しなかった場合は合格（○）の判定、いずれかにおいて不良品が発生した場合は不合格（×）の判定を総合判定欄に示した。

本発明の目的は、通常の封止温度である２８０℃に対し、封止温度のばらつきを考慮して２０℃高い３００℃で封止した場合でも不具合の発生しない製品を得る事である。３００℃で封止した本発明品の評価結果が良好であったことより、本発明の蓋体４および蓋体４を用いて封着した電子装置は高い生産性を持つことが確認できた。

また、より好ましい範囲を確認するために３２０℃で封止した表２の評価結果では、金属層２のコバルト濃度や半田層３のニッケル濃度が低い場合に半田飛び不良が発生し、金属層２のコバルト濃度や半田層３のニッケル濃度が高い場合に温度サイクルテスト後の気密性不良が発生する傾向があったが、金属層２の板状体との界面側のコバルト濃度が０．１〜５．０質量部、表面側のコバルト濃度が２．０〜１０質量部であり、半田層３の金属層との界面側のニッケル濃度が０．１〜２０質量部で表面側のニッケル濃度が０．０１〜０．０８質量部の範囲においては、３２０℃の封止温度においても不具合は発生しなかった。

また、金属層２を板状体１の下面全面に被着させ、その外周部に半田層３を形成した蓋体４の試料を作製して電子部品収納用パッケージ８と接合し、耐熱性、信頼性を評価した結果も、上記実施例と同様の結果となった。

なお、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更を行うことは何等差し支えない。

例えば、上述の実施の形態では金属層２の形成方法として、めっき法を使用し、電流密度を徐々に高めることで、ニッケル−コバルト合金から成る金属層２のコバルト濃度が、表面側に比べ板状体１との界面側が低い金属層２を作成したが、板状体１上に下地としてコバルトを含まないニッケルめっき層を形成し、その上にニッケル−コバルト合金をめっきにより形成した後に熱処理によってコバルトを拡散させることで作成しても良い。また、真空中で金属原子を蒸発させる蒸着法を用い、ニッケルとコバルトの２つの蒸着ターゲットから最初はコバルトが蒸発し難く設定し、徐々にコバルトが蒸発しやすい設定として板状体１に蒸着させる方法で作成しても良い。また、機械的圧力によって金属同士を接着するクラッド加工法によって、鉄−ニッケル−コバルト合金等の板状体１となるベース金属上に、ニッケル箔とニッケル−コバルト箔をクラッド加工し、その後に熱処理することによってコバルトを拡散させることにより作成しても良い。

また半田層３は、クリーム半田を用いてスクリーン印刷法で印刷し、その後リフローさせて固化させた後に、半田の溶けない２００℃程度の温度で一定時間保持することにより半田層３中にニッケルを拡散させて作成したが、半田層３においても金属層２と同様のめっき法、クラッド加工法もしくは半田を溶融させた槽に超音波をかけながら板状体１を浸漬することで表面に半田層を形成させる溶融コート法等で半田層３を形成し、その後に２００℃程度の半田の融けない温度を一定時間保持することにより半田層３中にニッケルを拡散させること等で作成しても良い。

また例えば、上述の実施の形態では、基体６に凹部を形成し平板状の蓋体４を接合した電子装置としたが、平板状の基体６と下面の電子部品９の搭載部５に対向する部位に凹部を設けた板状の蓋体４を封着した形態としてもよい。

また本発明は、電子部品９として、圧電振動子や弾性表面波素子や弾性バルク波素子等の電子部品９を収納した電子装置、加速度センサーや角速度センサー等の電子部品９を収容した電子装置や、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）等の半導体素子を収納した電子装置にも適用可能である。

本発明の蓋体の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

符号の説明

１：板状体
２：金属層
３：半田層
４：蓋体
５：搭載部
６：基体
７：メタライズ層
９：電子部品

Claims

板状体の下面の外周部に全周にわたって形成されたニッケル−コバルト合金からなる金属層と、該金属層の表面に形成された錫を主成分とする半田層とを具備しており、前記金属層は、表面側のコバルト濃度よりも前記板状体との界面側のコバルト濃度が低く、前記半田層は、前記金属層との界面側のニッケル濃度よりも表面側のニッケル濃度が低いことを特徴とする蓋体。
上面に形成された凹部の底面に電子部品の搭載部が形成された基体と、該基体の上面の前記凹部の周囲に全周にわたって形成されたメタライズ層と、該メタライズ層と蓋体の下面の外周部とを接合する、錫を主成分としニッケルを含有する半田層とを具備しており、前記蓋体が請求項１記載の蓋体であることを特徴とする電子装置。