JP2008085108A - 接合構造体および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 鉛を含有しない半田を用いて電子装置の基体と蓋体を半田接合する際に、半田の流動性が高く、温度サイクル信頼性の高い電子装置となし、電子装置を外部電気回路基板に実装する際に２５０〜２６０℃の熱履歴が加わっても電子装置の気密性を保持できるパッケージおよび電子装置を提供すること。
【解決手段】 ベース板１と、ＮｉおよびＣｏを含んでおり、ベース板１の表面に形成された金属層２と、第１の融点を有しており、金属層２の表面に形成された第１の半田層３ａと、第１の融点より高い第２の融点を有しており、第１の半田層３ａの表面に形成された第２の半田層３ｂとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接合構造体および電子装置に関する。

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は、電気絶縁材料から成り、その上面に電子部品を収容するための凹部および凹部の内側から下面にかけて導出された複数個のメタライズ配線層を有し、上面の外周部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、蓋体を半田などの封止材で接合させ、基体と蓋体とから成る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、金を80質量％含む金−錫合金からなる封止材もしくは鉛を主成分とする合金からなる封止材が使用されていた。

しかしながら、近年、地球環境保護運動の高まりの中で鉛を含有しない接合材が要求されおり、例えば錫−銀または錫−銀−銅合金を主成分とする各種封止材を、ニッケル−コバルト合金と接触させ、融点以上の温度に加熱し接合して、熱拡散させて封止材中に錫−ニッケル、錫−コバルト合金を生成させることで封止材の耐熱性が錫−銀または錫−銀−銅合金よりも高くなることを利用した接合方法が採用されてきている。
特開２００５−１０１３３１号公報

しかしながら、錫−銀または錫−銀−銅合金を主成分とする各種半田を、ニッケル−コバルト合金と接触させ加熱することで、半田中にニッケル−コバルト合金を熱拡散させ電子部品収納用パッケージと蓋体とを半田で接合する場合は、半田中に錫−ニッケル、錫−コバルト合金が生成することから半田の耐熱性が高くなると共に半田の流動性が低下する傾向があるため、半田量を増やしたり、接合加重を大きくすること等で、半田の流動性を促進させている。

しかし、世の中の要求により製品の小型化が進むにつれて、外側に流れ出した半田が溜まる領域が少なくなることに加え、小型の製品の接合に使用する半田量を変化させた場合には、半田量の相対的な変化量が大きくなる。つまり、小型の製品では半田量が少ないと十分に半田が外側に流れ出さずメニスカスが形成されないので接合強度が低下しやすくなる傾向があり、半田量が多いと半田が外側に流れ出し過ぎて、半田が盛り上がってしまいやすい。そのために、製品の小型化が進むにつれて、半田量を高精度にコントロールする必要性が高くなってきている。

また半田を強制的に流動させるために接合加重を大きくすることは、接合時の製品に加重による変形を発生させやすくするため、接合後の残留応力が大きくなり、熱履歴が加わった場合や、温度サイクルが加わった場合に変形が戻るために耐熱性や、耐温度サイクル信頼性を低下させる傾向がある。そのために、製品の小型化に伴って、半田の流動性を更に改善することも求められている。

従って、本発明はこのような製品の小型化要求に鑑み完成されたもので、その目的は、半田を用いて電子装置の基体と蓋体を半田接合する際に、半田の流動性が高く、温度サイクル信頼性の高い電子装置となし、電子装置を外部電気回路基板に実装する際に熱履歴が加わっても電子装置の気密性を保持できるパッケージなどの接合構造体および電子装置を提供することにある。

本発明の接合構造体は、ベース板と、ＮｉおよびＣｏを含んでおり、前記ベース板の表面に形成された金属層と、第１の融点を有しており、前記金属層の表面に形成された第１の半田層と、前記第１の融点より高い第２の融点を有しており、前記第１の半田層の表面に形成された第２の半田層とを備えた。

本発明の接合構造体は、ＮｉおよびＣｏを含んでおり、ベース板の表面に形成された金属層と、第１の融点を有しており、金属層の表面に形成された第１の半田層と、第１の融点より高い第２の融点を有しており、第１の半田層の表面に形成された第２の半田層とを備えたことにより、封止信頼性に優れた接合構造体とすることができる。

すなわち、第２の半田層の融点より低温で第１の半田層をリフロー形成できることで、リフロー時に第２の半田層は溶融しないため、金属層に拡散しやすい元素が含まれていたとしても第２の半田層中には金属層から元素が拡散しにくくなるので、電子部品収納用パッケージを封着する時に、第２の半田層の流動性が悪くならない。

また、封着時には金属層の元素が第２の半田層にも拡散することで、耐熱性が上がりやすくなるので、流れが良く封止生産性も優れた製品とすることができる。

本発明の電子装置は、ベース板と、ＮｉおよびＣｏを含んでおり、ベース板の表面に形成された金属層と、Ｎｉ、ＣｏおよびＩｎを含む半田層、または、Ｎｉ、ＣｏおよびＺｎを含む半田層を介してベース板に接合された基体と、基体に搭載された電子部品とを有することにより、耐熱性が高い、封止生産性の優れた電子装置となる。

次に、本発明の接合構造体を添付の図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の接合構造体を有するパッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は、本発明の接合構造体を用いた電子装置の実施の形態の一例を示す断面図である。

図１におけるパッケージ１００は、第１の部分１０と第２の部分２０とからなる。

図１において、第１の部分１０が接合構造体であり、第２の部分２０を覆う蓋としての機能を有している。このような第１の部分１０は、ベース板１と、ＮｉおよびＣｏを含んでおり、ベース板１の表面に形成された金属層２と、金属層の表面に形成された半田層３とからなる。

ベース板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、ベース板１は、アルミナ質セラミックス等の絶縁体であっても良い。

このようなベース板１は、鉄−ニッケル合金からなる場合、鉄ーニッケル合金からなる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を成型し、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、乾燥することで得られる。

金属層２は、ニッケルおよびコバルトを含んでおり、電解めっきにより、ベース板１の下面の外周部に全面にわたって形成されている。

半田層３は、第１の融点を有する第１の半田層３ａと、第１の融点よりも高い第２の融点を有する第２の半田層３ｂとからなる。このような第１の半田層３ａは、金属層２の表面に形成されており、第２の半田層３ｂは、第１の半田層の表面に形成されている。このような半田層３は、主成分が錫からなり、一般的に、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。

第１の半田層３ａは、第１の融点を有しており、Ｓｎ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ等の錫を主成分とする半田、例えばＳｎ８０−Ｉｎ２０半田（Ｓｎ８０質量％およびＩｎ２０質量％)から成る。

このような第１の半田層３ａは、Ｓｎ８０-Ｉｎ２０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２１０℃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ることで金属層２上に形成される。

第２の半田層３ｂは、第１の融点より高い第２の融点を有しており、Ｓｎ―Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ等の錫を主成分とする、例えばＳｎ-Ａｇ共晶半田（Ｓｎ９６．５質量％及びＡｇ３．５質量％)から成る。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う。

このような第２の半田層３ｂは、次のようにして第１の半田層３ａに接着される。

まず、Ｓｎ-Ａｇ共晶半田からなる半田シートを金型等で第１の半田層３ａに対応するようにリング状に打ち抜き、第１の半田層３ａを覆うように配置する。その後、窒素雰囲気中で第１の半田層が溶融する２１０℃程度の温度に加熱することで、第１の半田層３ａに接着される。その後、必要に応じて、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。

ここで、金属層２を形成するコバルトは、半田層３中に拡散しやすく、容易に錫と高融点の合金を作るという特性を有する一方、ニッケルは半田層３中に拡散しにくいという性質を有する。上述したように、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、溶融した錫と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。

本実施の形態のパッケージは、半田層３が第１の半田層３ａと第１の半田層３ａより融点の高い第２の半田層３ｂとからなるので、加熱工程において、最初は第１の半田層３ａが先に溶融し、次に、半田層３ｂの融点が越えた段階で、半田層３全体が溶融し、メタライズ層７と接合する。

なお、溶融後の半田層３０は、下地である金属層２と、メタライズ層７とを接合する際に半田層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、コバルト、金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３０には、少なくともＮｉとＣｏとＩｎもしくはＮｉとＣｏとＺｎが含まれていることが好ましい。

また、第１の半田層３ａがＳｎ−Ｉｎ、Ｓｎ−Ｉｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎのいずれかからなり、第２の半田層３ｂがＳｎ―Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉのいずれかからなると好ましい。このような材料からなることにより、第１の半田層の融点を２００℃以下とし、第２の半田層の融点を２１０℃以上とし、かつ、封着後に第１の半田と第２の半田とが交じり合ったとしても、第１の半田層の低融点成分が封着後の耐熱性に悪影響を与えにくいことから、耐熱性のより優れた製品とすることができる。

特に、第１の半田層３ａがＳｎ−Ｉｎ合金からなり、第２の半田層３ｂがＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなると好ましい。第１の半田層３ａの低融点成分であるＩｎは、封着時に電子部品収納用パッケージの第１の部分１０との接合部の最表層に形成したＡｕ層と合金を形成して耐熱性の高い合金となることで、封着後の耐熱性の優れた製品とすることができる。

さらに、第１の半田層３ａがＳｎ−Ｚｎ合金からなり、第２の半田層３ｂがＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなると好ましい。第１の半田層３ａは酸化し易いために、第１の半田層３ａの表面には酸化膜が形成され、その上に第２の半田層３ｂを形成することになるので、第１の半田層３ａの表面に形成された酸化膜によって、第２の半田層３ｂをリフロー形成する時に、第２の半田層３ｂに金属層からの元素の拡散が阻害されることで第２の半田層３ｂの流動性が良く、接合強度がより高い製品となる。

さらに、金属層がＮｉ−Ｃｏ合金からなる場合、封着時には金属層のＣｏおよびＣｏに影響されて拡散しやすくなったＮｉ元素が第２の半田層にも拡散することで、耐熱性が上がりやすくなり、生産性の高い商品となる。

図１において、第２の部分２０は、電子部品９が搭載される凹部５を有する基体６と、凹部５の周囲に位置する基体６の上面に形成されたメタライズ層７とからなる。

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る。

メタライズ層７は、基体６の上面において、凹部５の周囲に全周にわたって形成されており、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る。このような枠状のメタライズ層７は、上述した高融点金属の粉末に有機溶剤、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、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、第１の部分１０と第２の部分２０との接合時に半田層３にめっき成分が拡散し、半田層３の耐熱性を向上できるとともに、メタライズ層７の酸化を低減することができる。

次に、本発明の電子装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。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、電子装置は、第２の部分２０の凹部５に搭載された電子部品９と、第２の部分２０に半田層３０を介して接合された第１の部分１０とを有する。電子部品９は、基体６に形成されたメタライズ配線導体とボンディングワイヤ４０を介して接続されている。

半田層３０は、溶融した第１の半田層３ａおよび第２の半田層３ｂとからなり、下地の金属層２と、メタライズ層７とを接合する際に半田層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、コバルト、金の各種金属が拡散されて成る。このため、封止前と比べて、融点が高くなっているため、封止性が向上する。このような接合後の半田層３０には、少なくともＮｉとＣｏとＩｎもしくはＮｉとＣｏとＺｎが含まれていることが好ましい。

電子部品９は、圧電振動子や弾性表面波素子や弾性バルク波素子や、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）等の素子である。

なお、本発明は本実施の形態のみに限られない。

例えば、上述の第２の部分を接合構造体におけるベース部分（ベース板）とし、第２の部分の基体６上に、ＮｉおよびＣｏを含む金属層２と、金属層２の表面に形成された半田層３とを形成してもよい。

また、上述の電子部品９の下面に、ＮｉおよびＣｏを含む金属層２と、金属層２の表面に形成された半田層３とを形成してもよい。

本発明のパッケージ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：ベース板
２：金属層
３：半田層
３ａ：第１の半田層
３ｂ：第２の半田層

Claims (8)

1. ベース板と、
   ＮｉおよびＣｏを含んでおり、前記ベース板の表面に形成された金属層と、
   第１の融点を有しており、前記金属層の表面に形成された第１の半田層と、
   前記第１の融点より高い第２の融点を有しており、前記第１の半田層の表面に形成された第２の半田層とを備えた接合構造体。
2. 前記第１の半田層がＳｎ−Ｉｎ合金からなり、前記第２の半田層がＳｎ−Ａｇ合金からなることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
3. 前記金属層がＮｉ−Ｃｏ合金からなることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
4. 前記第１の半田層がＳｎ−Ｉｎ−ＢｉまたはＳｎ−Ｚｎからなり、前記第２の半田層がＳｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉのいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
5. 前記第１の半田層がＳｎ−Ｉｎ合金からなり、前記第２の半田層がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
6. 前記第１の半田層がＳｎ−Ｚｎ合金からなり、前記第２の半田層がＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなることを特徴とする請求項１記載の接合構造体。
7. ベース板と、
   ＮｉおよびＣｏを含んでおり、前記ベース板の表面に形成された金属層と、
   Ｎｉ、ＣｏおよびＩｎを含む半田層を介して前記ベース板に接合された基体と、
   該基体に搭載された電子部品とを有することを特徴とする電子装置。
8. ベース板と、
   ＮｉおよびＣｏを含んでおり、前記ベース板の表面に形成された金属層と、
   Ｎｉ、ＣｏおよびＺｎを含む半田層を介して前記ベース板に接合された基体と、
   該基体に搭載された電子部品とを有することを特徴とする電子装置。

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