JP2007043106A - 気密封止用リッド材およびその製造方法ならびに電子部品用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｐｂを含有せず、パッケージを回路基板にはんだ付けする際にも接合状態を保ち、コスト面でも有利でかつ亀裂発生による気密性の低下の問題を解決できる気密封止用リッド材を提供する。
【解決手段】Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有する気密封止用リッド材であり、好ましくは前記ＡｇまたはＣｕの箔材の平均厚さが１０〜１００μｍで、また好ましくは前記Ｆｅ−Ｎｉ系合金層の平均厚さが３０〜３００μｍであり、さらに好ましくは前記Ｓｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品用パッケージの気密封止に用いられるリッド材、およびその製造方法ならびに電子部品用パッケージに関するものである。

携帯電話などの移動通信機器に搭載されるＳＡＷフィルターや水晶振動子といったセラミックパッケージでは、パッケージに内装される素子の特性を安定させるために、真空または不活性ガスを用いた気密封止が行なわれている。気密封止の方法としては、箱型のセラミック基材に、セラミック基材と熱膨張係数の近いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金やＦｅ−４２ｍａｓｓ％Ｎｉ合金などからなる蓋となるリッド材を接合する方法が採用されている。このセラミック基材は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等が用いられ、リッド材との接合面にＧＮＤとなるＣｕやＷからなる電極が形成されて使用されることが多い。

セラミック基材とリッド材とを接合し封止する方法としては、はんだ接合が一般的である。融点が３００℃程度の封止用はんだ合金をセラミック基材とリッド材との間に挟み、局所的または全体を加熱してはんだ合金を溶融させ溶着させる。例えば特許文献１ではＰｂを主成分とする封止用はんだ合金を表面に形成したリッド材をセラミック基材上に載せ、加熱することで融着している。また特許文献２および特許文献３ではＡｕ−２０％ｍａｓｓ％Ｓｎ合金やＡｕ−Ｓｎめっき層を形成したリッド材を用い、同様に加熱することで封止している。封止後のセラミックパッケージは後工程で回路基板にはんだ付けされるが、その際に使われるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは融点が２００℃程度、はんだ付け温度が２５０℃程度である。一方、封止に用いられるＰｂを主成分とするはんだやＡｕ−Ｓｎ合金はそれよりも融点が高いため、封止箇所はパッケージを回路基板にはんだ付けする際に再溶融せず接合状態を保つといった特徴を持つ。
特開平１１−１９１６０１号公報 特開平１−３１８２５０号公報 特開２００３−２２９５０４号公報

上述した特許文献１に開示されるリッド材は、パッケージを回路基板にはんだ付けする際に封止箇所が再溶融せず接合状態を保つという点で有利であるものの、はんだ中にＰｂを含有するため自然環境や人体への負荷が大きい。一方、特許文献２や特許文献３に開示されるリッド材は、はんだ付け時に再溶融せず接合状態を保つことに加え、Ｐｂを含有しないため環境負荷が小さいという点で有利であるものの、Ａｕは非常に高価であるためセラミックパッケージの製品コストが著しく上昇する。加えて、Ａｕ−Ｓｎ合金は非常に脆いため、移動通信機器で問題となる落下衝撃が負荷された場合に封止箇所に亀裂が発生して気密性が低下し、素子が損傷してしまうといった問題がある。
本発明の目的は、Ｐｂを含有せず、パッケージを回路基板にはんだ付けする際にも接合状態を保ち、コスト面でも有利でかつ亀裂発生による気密性の低下の問題を解決できる気密封止用リッド材を提供することである。

本発明者は、気密封止用リッド材を構成する封止用はんだとして、高融点金属であるＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を形成し、前記箔材の他方の面側に低融点金属であるＳｎ層を形成することで、Ｐｂを含有せず、パッケージを回路基板にはんだ付けする際にも接合状態を保ち、コスト面でも有利でかつ亀裂発生による気密性の低下の問題を解決できることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有する気密封止用リッド材である。

好ましくは前記Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金の箔材の平均厚さが１０〜１００μｍである。

また好ましくは蓋材となる金属層の平均厚さが３０〜３００μｍである。また、好ましくは前記Ｓｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍである。

また、本発明の蓋材となる金属層はＦｅ−Ｎｉ系合金が好ましい。前記蓋材となる金属層はＮｉも好ましい。

本発明の気密封止用リッド材の製造方法は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有する気密封止用リッド材の製造方法において、前記箔材と前記蓋材となる金属層とを重ねてロール加圧により形成し、次いでＳｎ層を形成する気密封止用リッド材の製造方法である。
また、本発明は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有する気密封止用リッド材の製造方法において、前記箔材に接着層を形成させつつ、蓋材となる金属層と前記箔材とを減圧雰囲気中で貼り合わせて形成し、次いでＳｎ層を形成する気密封止用リッド材の製造方法である。
前記Ｓｎ層の形成は、減圧雰囲気中で蒸着により形成することが好ましく、めっきにより形成してもよい。

また、蓋材側に形成した、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる接合促進層が、接合面方向に連続したＳｎ相が実質的に存在しないＳｎ化合物層でなる接合層で電子部品を収納する基材とを接合されてなる電子部品用パッケージである。
Ｓｎ化合物層はＳｎ相が点在するものであってもよい。

本発明によれば、Ｐｂを含有せず、パッケージを回路基板にはんだ付けする際にも接合状態を保ち、コスト面でも有利でかつ亀裂発生による気密性の低下の問題を飛躍的に改善することができ、気密封止用リッド材の実用化にとって欠くことのできない技術となる。

上述したように、本発明の重要な特徴は、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有することにある。封止のための加熱時にＳｎ層が溶融して前記箔材を構成していたＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種と反応し、Ｓｎよりも融点の高いＡｇ−Ｓｎ系金属間化合物やＣｕ−Ｓｎ系金属間化合物を箔材と基材との間に形成させて接合することができる。これらの金属間化合物はＡｕ−Ｓｎ系化合物と比較して延性に富むため、落下衝撃が負荷された際も亀裂が発生しづらい。

また、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を形成する方法としては、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金の一種からなる箔材と、蓋材となる金属層とを重ねてロール加圧により形成することができる。またＡｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金の一種からなる箔材に接着層を形成させつつ、蓋材となる金属層とを減圧雰囲気中で貼り合わせても良い。接着層としてはＴｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどが使用できる。

Ｓｎ層の形成方法としては、例えば真空蒸着法あるいはめっき法で形成することができる。これらの方法では厚いＳｎ層を形成することが容易であり、生産速度を速くすることができる。また蒸着法は前記利点に加え、減圧雰囲気中でＳｎ層を形成するため、Ｓｎ層の酸化や異物による汚染を低減できる。

また、前記Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金からなる箔材の平均厚さは１０〜１００μｍであることが好ましい。これは箔の厚さが１０μｍ以上であれば、気密封止用リッド材作製時やはんだ付け時のハンドリングが容易であり、逆に１００μｍを超えると厚さが厚くなり、基材に例えばセラミックを用いたパッケージの薄型化には不向きである。

前記蓋材となる金属層の平均厚さは３０〜３００μｍであることが好ましい。３０μｍよりも薄くても封止自体は可能であるが、リッド材としての強度が低いため、例えばセラミックを用いた基材上に設置する際にリッド材がたわみやすく、ハンドリングが容易でない他、蓋材の打抜きが困難になる。一方、３００μｍよりも厚い場合、リッド材の厚さが厚くなり、基材にセラミックを用いたパッケージの薄型化に向かない。

また、前記Ｓｎ層の平均厚さは１０〜３０μｍであることが好ましい。１０μｍよりも薄くても封止自体は可能であるが、反応できるＳｎ層が少ないためはんだ付けが容易ではない。一方３０μｍよりも厚い場合、はんだ付けは容易であり気密性も確保できるが、封止箇所の厚さが厚くなり、例えば基材にセラミックを用いたパッケージの薄型化に向かない。

本発明の気密封止用リッド材は、蓋材は箔材と接合できる金属であれば良い。中でも、Ｆｅ−Ｎｉ系合金がよい。
前記蓋材となる金属層としてＦｅ−Ｎｉ系合金が良い理由は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、熱膨張係数が基材にセラミックを用いたパッケージと比較的近いため、はんだ付け時や実際に移動通信機器として使用する際に熱が負荷されても、熱膨張係数の違いによる熱応力による封止箇所の損傷を低減できるためである。具体的にはＦｅ−２５〜５０ｍａｓｓ％ＮｉやＦｅ−２５〜５０ｍａｓｓ％Ｎｉ−１５〜２０ｍａｓｓ％Ｃｏ系合金等の熱膨張係数の低い材料が挙げられる。

また、前記蓋材となる金属層としては、Ｎｉも良い。これは金属のなかでも熱膨張係数が比較的小さいため、基材にセラミックを用いたパッケージとの熱膨張係数の違いによる熱応力が相対的に小さいうえ、耐食性に優れるため高温高湿下での使用にも気密性が損なわれない。

また、前記蓋材となる金属層としては、チタンやステンレス鋼でも良い。このような金属も熱膨張係数が比較的小さいため、基材にセラミックを用いたパッケージとの熱膨張係数の違いによる熱応力が相対的に小さいうえ、耐食性に優れるため高温高湿下での使用にも気密性が損なわれない。

本発明の電子部品用パッケージは、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる接合促進層が、Ｓｎ化合物層もしくはＳｎが点在するＳｎ化合物層でなる接合層で蓋材となる金属層と電子部品を収納する基材とを接合する必要がある。その理由として、Ｓｎ化合物は融点が３００℃以上あるため、後工程で封止後の電子部品用パッケージが回路基板に２５０℃程度ではんだ付け温度されても再溶融せず、封止が損なわれないためである。また、Ｓｎの融点は２３２℃であるため、Ｓｎが層状に残存する場合は、リッド材が再溶融したＳｎ層から剥がれてしまう恐れがある。これに対し、Ｓｎ化合物のみもしくはＳｎ相が点在するような場合は、Ｓｎが溶融してもＳｎ化合物により接合が維持されるため封止が損なわれない。

基材に例えばセラミックを用いた場合は、セラミック基材の表面にはめっき法などによりＮｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｃｏのうち一種以上からなる層を形成しても良い。これによりセラミック基材側の接合面とＳｎとの反応性が増し、より強固な接合が得られる。

表１に示す条件で、本発明の一例である気密封止用リッド材を作製した。
実施例１から６、１３から１８として、厚さ３０μｍまたは５０μｍのＡｇ箔の一方の面側と、厚さ１００μｍのＦｅ−４２ｍａｓｓ％Ｎｉ箔またはＮｉ箔の一方の面側にＴｉ層を真空蒸着法により形成しつつ、Ｔｉ層蒸着面同士を貼り合わせることで、Ａｇ箔の一方の面側にＦｅ−４２ｍａｓｓ％Ｎｉ層またはＮｉ層を形成した。次にＡｇ箔のもう一方の面に、厚さ７μｍから２０μｍのＳｎ層を真空蒸着法により形成し、気密封止用リッド材を作製した。ここで、箔材と蓋材との接合方法として、表１に真空蒸着と記す。

また、実施例７から９として、厚さ３０μｍまたは４０μｍのＡｇ−１５ｍａｓｓ％Ｃｕ箔と、厚さ１００μｍから２７０μｍのＦｅ−２９ｍａｓｓ％Ｎｉ−１７ｍａｓｓ％Ｃｏ箔とを重ねて圧延しクラッド化した後、Ａｇ−１５ｍａｓｓ％Ｃｕのクラッド化されていないもう一方の面に、厚さ７μｍから１５μｍのＳｎ層を真空蒸着法により形成し、気密封止用リッド材を作製した。ここで、箔材と蓋材との接合方法として、表１に圧延クラッドと記す。

また、実施例１０から１２として、厚さ１８μｍから５０μｍのＣｕ箔と、厚さ４０μｍのＦｅ−３６ｍａｓｓ％Ｎｉ箔または厚さ１００μｍのＦｅ−４２ｍａｓｓ％ＮｉとをＴｉ層を介して接合し、接合されていないもう一方のＣｕ箔の面に、厚さ９μｍから２１μｍのＳｎ層を真空蒸着法により形成し、気密封止用リッド材を作製した。ここで、箔材と蓋材との接合方法として、表１に真空蒸着と記す。

さらに比較例として、Ａｇ箔とＳｎ層を接合したものの代わりにＡｕ−Ｓｎ合金層を形成する以外は実施例１と同条件で形成した気密封止用リッド材を作製した。

次に、幅３ｍｍ、長さ６ｍｍの寸法に気密封止用リッド材を切り出した後、Ｓｎ層形成面が接するように、無電解Ｎｉ／Ａｕめっきまたは電解Ｎｉ／Ａｕめっきを施した基材の上に置き、窒素雰囲気中で２８０℃まで加熱してロウ付けを行った。ここで、実施例１から１２、１８は、セラミックにＣｕ電極を形成した場合を想定して、ガラスエポキシ樹脂の上面にＣｕ層を形成して基材として用いた。また、実施例１３から１７と比較例１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）にＷ層を形成した基材を用いた。
接合しているかどうかを確認するため断面組織観察を行った。図１は実施例１の気密封止用リッド材を無電解Ｎｉ／Ａｕめっき基材に接合した場合の断面組織である。Ａｇ箔側にＡｇ−Ｓｎ化合物、基材側にＮｉ−Ｓｎ−Ａｕ化合物が形成され、接合が十分に行えていることがわかった。また、図２から８はそれぞれ実施例２から６および８、９のリッド材を無電解Ｎｉ／Ａｕめっき基材に接合した場合の断面組織である。実施例１のリッド材と同様に、ＡｇまたはＡｇ−Ｃｕ箔側にＡｇ−Ｓｎ化合物、基材側にＮｉ−Ｓｎ−Ａｕ化合物が形成され、十分に接合されていた。 また、接合層にＳｎ相が残存する場合も、層状ではなく、Ｓｎ化合物間に点在して形成されており、Ｓｎが再溶融しても接合が確保されることがわかる。

また、図９および１０はそれぞれ実施例１１および１２の気密封止用リッド材を無電解Ｎｉ／Ａｕめっき基材に接合した場合の断面組織である。Ｃｕ箔と基材側との間にＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ａｕ化合物の一種類のみ形成され、接合が十分に行えていることがわかった。

また、図１１は実施例１３の気密封止用リッド材を電解Ｎｉ／Ａｕめっき基材に接合した場合の断面組織である。Ａｇ箔と基材側との間にＡｇ−Ｓｎ化合物、基材側にＮｉ−Ｓｎ化合物が形成され、さらに両化合物の間にＡｕ−Ｓｎ−Ｎｉ化合物の三種類の化合物が形成されており、十分に接合されていた。また、残存Ｓｎは層状ではなく、Ｓｎ化合物間に点在して形成されており、Ｓｎが再溶融しても接合が確保されることがわかる。

また、図１２から１４は実施例１４から１６の気密封止用リッド材を電解Ｎｉ−Ｃｏ／Ａｕめっき基材に接合した場合の断面組織である。Ａｇ箔と基材側との間にＡｇ−Ｓｎ化合物、基材側にＮｉ−Ｓｎ−Ｃｏ化合物が形成され、さらに両化合物の間にＡｕ−Ｓｎ−Ｎｉ化合物の三種類の化合物が形成されており、十分に接合されていた。また、残存Ｓｎは層状ではなく、Ｓｎ化合物間に点在して形成されており、Ｓｎが再溶融しても接合が確保されることがわかる。

また、図１５は実施例１８の気密封止用リッド材をＣｕ基材に接合した場合の断面組織である。Ａｇ箔と基材側との間にＡｇ−Ｓｎ化合物、基材側にＣｕ−Ｓｎ化合物が形成されており、十分に接合されていた。

一方、Ａｕ−Ｓｎ合金を用いたリッド材では全く接合しなかった。

次に接合信頼性、特に耐落下衝撃性を評価するため、以下の落下試験を実施した。まず前述と同様の手順で作製した気密封止用リッド材を基材にロウ付けして試料を作製し、目視により接合状態を確認した。次にドロップテーブルに試料を水平に固定した後、水平姿勢を保ったまま５００ｍｍの高さから自由落下させた。この自由落下を３０回繰り返し、基材から剥離した気密封止用リッド材の数を測定した。作製した試料数と目視検査による未接合試料数，および落下試験後の剥離数を表１に示す。これよりすべての気密封止用リッド材がロウ付けにより基材に接合されており、３０回落下させても基材から剥落したリッド材はすべての実施例で０であった。このことから本発明における気密封止用リッド材は落下衝撃が負荷された場合にも十分な接合状態を保つことがわかった。

本発明の実施例１の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例２の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例３の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例４の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例５の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例６の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例８の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例９の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１１の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１２の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１３の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１４の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１５の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１６の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。 本発明の実施例１８の気密封止用リッド材の一例を示す断面図。

符号の説明

１ Ａｇ箔
２ 基材
３ 無電解Ｎｉめっき層
４ Ａｇ―Ｓｎ化合物
５ Ａｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物
６ Ｆｅ−４２ｍａｓｓ％Ｎｉ
７ Ｔｉ層
８ Ｓｎ
９ Ａｇ−１５ｍａｓｓ％Ｃｕ箔
１０ Ｆｅ−２９ｍａｓｓ％Ｎｉ−１７ｍａｓｓ％Ｃｏ
１１ Ｃｕ−Ｎｉ−Ｓｎ−Ａｕ化合物
１２ Ｃｕ層
１３ 電解Ｎｉめっき層
１４ Ｎｉ−Ｓｎ化合物
１５ 電解Ｎｉ−Ｃｏめっき層
１６ Ｓｎ−Ｎｉ−Ｃｏ化合物
１７ Ｃｕ−Ｓｎ化合物

Claims (12)

1. Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有することを特徴とする気密封止用リッド材。
2. 前記Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金の箔材の平均厚さが１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の気密封止用リッド材。
3. 前記蓋材となる金属層の平均厚さが３０〜３００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の気密封止用リッド材。
4. 前記Ｓｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の気密封止用リッド材。
5. 前記蓋材となる金属層はＦｅ−Ｎｉ系合金であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の気密封止用リッド材。
6. 前記蓋材となる金属層はＮｉであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の気密封止用リッド材。
7. Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有する気密封止用リッド材の製造方法において、前記箔材と前記蓋材となる金属層とを重ねてロール加圧により形成し、次いでＳｎ層を形成することを特徴とする気密封止用リッド材の製造方法。
8. Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる箔材の一方の面側に蓋材となる金属層を有し、前記箔材の他方の面側にＳｎ層を有する気密封止用リッド材の製造方法において、前記箔材に接着層を形成させつつ、蓋材となる金属層と前記箔材とを減圧雰囲気中で貼り合わせて形成し、次いで前記Ｓｎ層を形成することを特徴とする気密封止用リッド材の製造方法。
9. 前記Ｓｎ層の形成は、減圧雰囲気中で蒸着により形成することを特徴とする請求項７または８に記載の気密封止用リッド材の製造方法。
10. 前記Ｓｎ層の形成は、めっきにより形成することを特徴とする請求項７または８に記載の気密封止用リッド材の製造方法。
11. 蓋材側に形成した、Ａｇ、ＣｕまたはＡｇ−Ｃｕ系合金のいずれか一種からなる接合促進層が、接合面方向に連続したＳｎ相が実質的に存在しないＳｎ化合物層でなる接合層で電子部品を収納する基材とを接合されてなることを特徴とする電子部品用パッケージ。
12. Ｓｎ化合物層にはＳｎ相が点在することを特徴とする請求項１１に記載の電子部品用パッケージ。