JP2006049595A - 銀ろうクラッド材並びにパッケージ封止用の蓋体及びリング体 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 低熱膨張金属からなる基材に、低温型の銀系ろう材層が接合された銀ろうクラッドにおいて、加工性が良好なものを提供する。
【解決手段】 本発明は、低熱膨張金属からなる基材と、該基材の少なくとも一の面に接合される低温型の銀系ろう材層とを含んでなる銀ろうクラッド材であって、前記銀系ろう材層は、低温型の銀系ろう材よりなる金属粉に溶剤とバインダーとからなるメディアを混合してなるペーストを塗布した後、加熱して前記金属粉を溶融させた後急冷凝固し、更に圧延加工することで形成されるものである銀ろうクラッド材である。そして、本発明に係るパッケージ封止用の蓋体は、この銀ろうクラッド材を打抜き加工等して所定寸法に加工するものである。
【選択図】 なし

Description

本発明は、コバール等の低熱膨張金属からなる基材に銀系ろう材が接合された銀ろうクラッド材、及び、このクラッド材により形成され、電子部品パッケージ製造に用いられる蓋体及びリング体に関する。

携帯電話等の電子機器で使用されるＳＡＷフィルタ、水晶振動子のような電子部品は、半導体素子を開口を有する容体（ベース）に収容し、これに蓋体を被せて封止したパッケージとして用いられている。パッケージを封止するのは、半導体素子が空気中の湿気、酸素により特性が不安定となるのを防止するためである。この電子部品のパッケージにおいて、ベースはアルミナ、窒化アルミニウム等のセラミック製のものが一般的であり、蓋体はコバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）、鉄−ニッケル合金等の低熱膨張金属よりなる。

蓋体のベースへの接合方法としては、蓋体となる基材に予めろう材を接合したクラッド材の状態のものを利用して、接合を行う方法が一般的である。そして、従来、蓋体にクラッドされていた接合用のろう材としては、銀−銅共晶ろう等の銀ろうが一般的であった。しかし、一般的なパッケージ封止用の銀ろうの融点は、７８０〜８４０℃（銀−銅共晶ろうの場合７８０℃である）と高温であることから、封止時において銀ろうと基材との間に熱歪が生じ、パッケージに割れが生じる場合があった。

そこで、銀ろうを適用したパッケージ封止用蓋体においては、銀ろうと基材との間に熱歪を緩和するために銅からなる中間層を形成することが行なわれていた。
特開２００３−１５８２１１

この中間層を設けた蓋体は、接合時の熱歪による割れの心配がないことから有用な技術である。しかし、この蓋体は、最近のパッケージの低背化への要求に十分応えることができないという問題がある。これは、熱歪を十分緩和するためには、銅中間層の厚さを４０μｍ程度にする必要があるため、蓋体の厚みがその中間層の分だけ厚くなることによるものである。

そして、以上のようなろう材の融点、パッケージの低背化の問題から、最近ではろう材として低温型の銀系ろう材（例えば、５０％銀−２０％銅−３０％錫等がある。）を適用することが検討されている。これら低温型の銀系ろう材は、融点が５００〜７２０℃（上述の５０％銀−２０％銅−３０％錫の場合、固相線４７５℃、液相線５１５℃である。）と比較的低く、熱歪の問題が少ない。従って、中間層は不要となりパッケージの低背化を図ることができる。

しかしながら、この低温型の銀系ろう材を適用する場合においても問題がある。銀系ろう材を基材に接合してクラッド材とする際には、通常、ろう材と基材とを圧延して加圧接合することとなるが、その際に５０％以上の加工率で加工する必要がある。だが、一般に低温型の銀系ろう材といわれているろう材は加工性が悪く、上記加工率での加工はろう材の割れ、破断が生じやすい。従って、蓋体となるクラッド材を製造する際、歩留まりが悪く、その実用化が困難となっている。

本発明は、以上のような背景の下になされたものであり、低熱膨張金属からなる基材に、低温型の銀系ろう材層が接合された銀ろうクラッドにおいて、上記加工性が考慮された好適なものを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく本発明者は鋭意検討を行い、銀系ろう材層の形態として、従来のバルク状のろう材を圧着するものから、銀系ろう材からなる金属粉末に適宜のメディアを混合したペーストを基材に塗布し、これを固化したものをろう材層とすることについて検討した。ペースト状のろう材より形成されるろう材層であれば、圧着のような加工を伴う接合法は不要であり、ろう材の割れ等を考慮することなく容易に形成することができるからである。

ここで、ペースト状のろう材そのものは、従来から公知である。そして、ペースト状ろう材によりろう材層を形成する場合、基材にペーストを塗布し、これを焼成することでろう材粉末を焼結させることでろう材層が形成できることが従来から知られている。本発明者等は、この公知の手法により形成されるろう材層を備えるクラッド材を試作し、これをパッケージ封止用の蓋体として使用することを検討したが、その結果、封止後の電子部品の特性に不具合が生じる場合があることを見出した。

この不具合の要因を検討するに、ペースト状ろう材は、ろう材となる金属粉の他、メディアを構成する溶剤、バインダーのような有機物成分を含む。これら有機物成分は、焼成処理により大部分が揮発、消失する。しかし、ごく一部の有機物は残留する可能性があり、特に、焼成処理後のろう材層はペースト中の金属粉が焼結したものであり、金属粉の間隙に残留有機物が捕捉されやすいと考えられる。そして、有機物が残留したろう材層を有する蓋体によりパッケージを封止する場合、この有機物によりアウトガスが生じてパッケージ中の素子に悪影響を及ぼすものと考えられる。

そこで本発明者等は、ペースト状のろう材を適用しつつ、残留有機物のないろう材層を備えるクラッド材を見出すべく更に検討を行い、塗布後のペースト中のろう材粉末を溶融するまで加熱し、その後急冷及び圧延することで、好適なろう材層を備える銀ろうクラッド材となることを見出し、本発明に想到した。

即ち、本発明は、低熱膨張金属からなる基材と、該基材の少なくとも一の面に接合される低温型の銀系ろう材層とを含んでなる銀ろうクラッド材であって、前記銀系ろう材層は、銀系ろう材よりなる金属粉に溶剤とバインダーとからなるメディアを混合してなるペーストを塗布した後、加熱して前記金属粉を溶融させた後急冷凝固し、更に圧延加工することで形成される銀ろうクラッド材である。

本発明に係る銀ろうクラッド材が備える銀系ろう材層は、ペースト状から形成され、ペースト塗布後、溶融、急冷、圧延加工の一連の操作により形成されるものである。ここで銀系ろう材が溶融するまで加熱するのは、ろう材の溶融過程において残留する有機物を完全に揮発させ、凝固後のろう材層に有機物を残留させないようにするためである。そして、本発明のように溶融後凝固させた銀系ろう層は、残留有機物を含まずパッケージ封止時においてアウトガスを発生させることがない。

ペーストは、低温型の銀系ろう材からなる金属粉と、メディアとから構成される。メディアを構成するのは溶剤及びバインダーであるが、溶剤としてα−テルピネオール、ブチルカルビトール、エチレングリコールモノエチルエーテル、２−プロパノール等を用いたものが好ましい。特に好ましい溶剤は、α−テルピネオールとブチルカルビトールとを１：１で混合したものである。また、バインダーとしてアルカリ樹脂等を用いたものが好ましい。溶剤とバインダーとの配合比は、溶剤６０〜８０重量％に対して、バインダー２０〜４０重量％とするのが好ましい。バインダーが少なすぎるとペーストの結合性が不足し、多すぎるとペーストの粘度が高くなりすぎ基材への塗布が困難となるからである。そして、ペーストの組成としては、７０〜９０重量％の金属粉と、１０〜３０重量％のメディアとを混合したものが好ましい。金属粉が多すぎるとペースト状にすることが困難となり、また、金属粉が少なくメディアを多くしすぎるとペーストを焼成、溶融させた後に残留有機物が生じるからである。

ペーストとする低温型の銀系ろう材は、銀−銅−錫合金、銀−銅−インジウム合金、銀−銅−亜鉛合金が適用できる。これらの低温型の銀系ろう材からなる粉末は、１〜１０μｍの平均粒径のものが好ましい。

尚、ペーストを基材に塗布する方法としては、ドクターブレード法、ディスペンサー法、スクリーン印刷法等の適用が好ましい。また、塗布するペーストの厚さは、１０〜１００μｍとするのが好ましい。ペースト厚みが厚すぎると焼成、溶融後のろう材層に残留有機物が生じ易くなるからである。そして、この場合の最終的な銀系ろう材の最終的な厚さは５〜５０μｍとなる。

ペースト塗布後、ペースト中の金属粉を溶融させるが、本発明では、この溶融前にペーストを一度焼成（焼結）し、その後上記温度で加熱されたものがより好ましい。一度に高温で加熱、溶融されたろう材層には却って有機物の残留が生じることがあり、先ず、焼成処理で大部分の有機物を除去し、その後溶融、凝固させたものの方が高品質のろう材層となるからである。この焼成温度は、３５０〜４００℃とするのが好ましい。

そして、このろう材を加熱溶融させるときの温度は、銀系ろう材の融点によるが、融点より２０〜５０℃高温とすることが好ましい。融点と等しい温度で加熱すると融け残りが生じるおそれがあり、また、あまりに高いとろう流れが良くなりすぎて膜厚の調整が困難となるからである。

金属粉を溶融させた後、急冷するのは、徐冷により形成されるろう材層は、デンドライト組織を呈し、後の圧延加工や打ち抜き加工の際、ろう材層に割れが生じるおそれがあり加工が困難となるからである。この冷却は、水冷によるものが好ましい。

凝固後のろう材層を圧延加工するのは、ろう材層と基材との密着性を向上させるためと、凝固後のろう材層の形状（特に平坦性）を改善するためである。この際の圧延加工の加工度は高くする必要はなく、ろう材層を変形させることのできる５〜２０％程度の加工率による圧延が好ましい。

尚、本発明にかかるクラッド材は銀系ろう材層と基材との間にニッケル層又は銅−ニッケル合金層を備えたものが好ましい。これはパッケージ封止用の蓋体への適用を考慮するものであるが、パッケージの耐環境性の向上に対応するためのものである。即ち、ニッケル層又は銅−ニッケル合金層をバリア層として設け、塩水噴霧環境等の腐食性環境よりパッケージ内の素子の保護を図るものである。この場合の、銅−ニッケル合金層は、ニッケル濃度２０〜５０重量％の銅−ニッケル合金が好ましく、また、バリア層の厚さは、２〜５μｍとするのが好ましい。２μｍ未満ではバリア層としての機能を発揮せず、また、５μｍを超えるとパッケージの低背化に十分対応できないからである。

また、同様にパッケージ封止用の蓋体への適用を考慮すると、クラッド材の裏面（銀ろう材層が接合された面の裏面）にニッケル層が形成されたものが好ましい。これは、パッケージの識別番号等をレーザーマークする際、印字し易くするためのものである。このニッケル層の厚さは、１〜４μｍとするのが好ましい。

以上のプロセスにより形成された銀系ろう材層を備えるクラッド材は、高純度の銀系ろう材層が良好な密着性にてクラッドされている。そして、本発明に係るクラッド材を所定寸法に適宜加工することで、パッケージ封止用の蓋体、リング体とすることができる。クラッド材を加工する方法としては、打ち抜き加工が一般的である。また、その形状に特に制限はなく、角状平板、角リング形状、丸リング形状等、種々の形状の蓋体（リング体）とすることができる。

以上説明したように、本発明に係る銀ろうクラッド材は、強加工を経ることなく低温型の銀系ろう材層が接合されており、ろう材層接合時に割れ等を生じさせることなく製造可能である。また、銀系ろう材層の純度も良好である。そして、本発明に係るパッケージ封止用蓋体は封止時にアウトガスの発生もなく、内部の素子にダメージを与えることがなく製品歩留まりを良好なものとすることができる。

第１実施形態：低温型の銀系ろう材として、５０％銀−２０％銅−３０％錫の組成の銀系ろう材粉末（粒径１〜２０μｍ）を用意し、粉末８５．５重量％とメディア１４．５重量％とを混合してペースト製造した。メディアは、溶剤としてα−テルピネオールとブチルカルビトールとを１：１で混合したものを用い、バインダーはアクリル樹脂を用い、両者の混合比を７：３とした。

一方、ニッケル製の板材（幅２７ｍｍ、厚さ０．０６８ｍｍ）と、コバール合金製の板材（幅２７ｍｍ、厚さ１ｍｍ）とを圧接してクラッド材を製造し、このクラッド材に銅−３０重量％ニッケル合金製の板材（幅２７ｍｍ、厚さ０．０３４ｍｍ）を圧接して３層構造の基材（幅２７ｍｍ、ニッケル層厚さ０．００６ｍｍ、コバール層厚さ０．０８８ｍｍ、銅−ニッケル合金層厚さ０．００６ｍｍ）を製造した。

そして、基材にペーストをドクターブレード法により２０μｍの厚さで塗布し、ペーストを乾燥後、水素雰囲気中、４００℃で１０分間焼成した。次に、５５０℃で５分間加熱保持しろう材を溶融させ、その後水冷して急冷した。ろう材を凝固させた後、ロール圧延して、全体の厚さを８５μｍとした。

最後に製造した銀ろうクラッド材を打ち抜き加工によりパッケージ用蓋体（寸法：２．３５ｍｍ×１．８５ｍｍ×０．０８５ｍｍ）とした。

第２実施形態：第１実施形態で製造したペーストを、単層のコバール板（幅２７ｍｍ、厚さ１ｍｍ）に塗布し、焼成、溶融、急冷圧延してクラッド材を製造した。その方法は第１実施形態と同様である。そして、このクラッド材を打ち抜き加工してリング体（寸法：３．５ｍｍ×３．５ｍｍ×０．２３ｍｍ）を製造した。

比較例１：ここでは、第１実施形態において、ペーストを塗布後、焼成（４００℃）のみでろう材層を形成してクラッド材を製造し、これを打ち抜き加工して蓋体を製造した。

比較例２：第１実施形態において。ペーストを塗布、焼成し、５５０℃でろう材を溶融させた後、炉冷によりろう材を凝固させてろう材層を形成させてクラッド材を製造し、これを打ち抜き加工して蓋体を製造した。

そして、第１、第２実施形態、比較例１、２で製造した蓋体について、メディアからの残渣（残留有機物）の有無、融着時のアウトガス発生の有無、加工性の良否を検討した。この検討は、残渣の有無は、実体顕微鏡による観察より評価し、アウトガスの有無は真空中（１０^−４Ｐａ）で蓋体のろう材層を加熱溶融しその際の圧力変化の有無から評価した。また、加工性については冷間で加工率２０％の圧延加工を行い、その際ろう材表面にクラックが発生するか否かにより評価した。表１は、この検討結果を示す。

表１からわかるように、溶融工程を行わず焼成のみでろう材層を形成した比較例１は、メディアの残渣が残留していた上に、ろう材溶融時のアウトガスの発生が認められた。これはろう材層の形成過程でメディア中の有機物を完全に除去できなかったことによる。また、ペーストを焼成後ろう材を溶融させつつ、徐冷（炉冷）によりろう材層を形成させた比較例２では、残渣及びアウトガスの問題はないが、ろう材層の加工性が悪くクラックの発生が認められた。ここで、第１実施形態及び比較例２のろう材層の組織写真を図１に示す。図１から、徐冷により形成される比較例２のろう材層の組織は、デンドライト組織を呈しており、この組織が加工性に乏しいことの要因と考えられる。一方、急冷で形成された第１実施形態のろう材層は、比較例２のデンドライト組織とは異なる急冷凝固組織を示していた。そして、加工性に特に問題はみられなかった。

第１実施形態及び比較例のろう材層の組織写真。

Claims (10)

1. 低熱膨張金属からなる基材と、該基材の少なくとも一の面に接合される低温型の銀系ろう材層とを含んでなる銀ろうクラッド材であって、
   前記銀系ろう材層は、低温型の銀系ろう材よりなる金属粉に溶剤とバインダーとからなるメディアを混合してなるペーストを塗布した後、加熱して前記金属粉を溶融させた後急冷凝固し、更に圧延加工することで形成されるものである銀ろうクラッド材。
2. 金属粉を溶融させるときの加熱温度は、金属粉の融点より２０〜５０℃高温としたものである請求項１記載の銀ろうクラッド材。
3. 銀系ろう材層は、塗布後のペーストを焼成し、その後、加熱溶融、急冷凝固させることで形成されるものである請求項１又は請求項２記載の銀ろうクラッド材。
4. 焼成温度は、３５０〜４５０℃である請求項３記載の銀ろうクラッド材。
5. ペーストは、７０〜９０重量％の金属粉と、１０〜３０重量％のメディアを混合したものである請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の銀ろうクラッド材。
6. 低温型の銀系ろう材は、銀−銅−錫合金、銀−銅−インジウム合金、銀−銅−亜鉛合金である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の銀ろうクラッド材。
7. 銀系ろう材層と基材との間にニッケル層又は銅−ニッケル合金層を備える請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の銀ろうクラッド材。
8. ろう材層が接合ざれる面の裏面にニッケル層が形成された請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の銀ろうクラッド材。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の銀ろうクラッド材を所定寸法に加工してなるパッケージ封止用の蓋体。
   
10. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の銀ろうクラッド材を所定寸法に加工してなるパッケージ封止用のリング体。
    

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