JP2008218837A - はんだ接合構造及び封止パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】はんだの量を均一なものとし空隙の発生を抑制する封止パッケージを得る手段を提供する。
【解決手段】封止パッケージ４０は、所定領域を囲む第一のパッド１５が設けられたパッケージ本体１０と、パッケージ本体１０を覆い第一のパッド１５に対向する位置に第二のパッド２５（はんだ案内部）が設けられた蓋体２０とを備え、第一のパッド１５と第二のパッド２５とに挟まれたはんだ３５を溶融・凝固することによりパッケージ本体１０と蓋体２０とを接合して所定領域を封止する。第一のパッド１５と第二のパッド２５とは、溶融したはんだ３５が流体として両者間に流路を形成するとき流体の圧力損失が流路上で一律となる形状にされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば２枚のパッドに挟まれたはんだを溶融して再び凝固させることにより両パッドを接合するはんだ接合構造、及びこのはんだ接合構造を有する封止パッケージに関するものである。

従来、低温焼成多層基板等の技術分野において、回路や電子部品が設けられたパッケージ本体に、蓋体をはんだで接合することにより回路や電子部品を気密に封止する封止パッケージが提案されている。この封止パッケージは、回路や電子部品とこれらを囲む第一のパッドが設けられたパッケージ本体と、このパッケージ本体を覆って配置され第一のパッドと対向する第二のパッドが設けられた蓋体とを有しており、第一のパッドと第二のパッドとに挟まれたはんだを溶融して再び凝固させることにより、パッケージ本体と蓋体とを接合して回路や電子部品を封止する。

このような封止パッケージによれば、輻射や結露等から回路や電子部品を保護するとともに、回路や電子部品の動作が、外部の回路や電子部品に影響を及ぼしたり及ぼされたりすることを防止する（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開２００４−７１９３８号公報 特開２００５−２４４０３２号公報

しかしながら、従来、上記はんだの溶融工程において、溶融したはんだはパッド上を移動する（流れる）際、移動するはんだが特定の箇所にて滞ることがあった。はんだが特定の箇所にて滞ると、この箇所のはんだの量が増え、逆にこれに隣接する箇所のはんだの量は減る。このようにして本来均一となるべきはんだ量が各所で異なる量となると、はんだに空隙が生じて気密封止が損なわれることがある。そのため、このはんだの不均一性を解決すべく改善が望まれていた。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、はんだの滞りを減少させてはんだの量を均一なものとし空隙の発生を抑制するはんだ接合構造及びこのはんだ接合構造を有する封止パッケージを得ることを目的とする。

この発明のはんだ接合構造は、表面にはんだが置かれるパッドと、はんだを挟んでパッドに対向して設けられたはんだ案内部とを有している。そして、パッドとはんだ案内部とは、溶融したはんだが流体として両者間に流路を形成するとき流体の圧力損失が流路上で一律となる形状にされている。

また、この発明の封止パッケージは、所定領域を囲むパッドが設けられたパッケージ本体と、このパッケージ本体を覆って配置されパッドに対向する位置にはんだ案内部が設けられた蓋体とを有している。そして、パッドとはんだ案内部とに挟まれたはんだを溶融してさらにこのはんだを凝固することによりパッケージ本体と蓋体とを接合して所定領域を封止する。そしてさらに、パッドとはんだ案内部とは、溶融したはんだが流体として両者間に流路を形成するとき流体の圧力損失が流路上で一律となる形状にされている。

この発明に係るはんだ接合構造及び封止パッケージによれば、はんだが特定の箇所にて滞ってしまうことが低減され、パッド上のはんだの量が均一なものとなり、空隙の発生が抑制されるので、封止構造の信頼性が向上する。

実施の形態１．
図１は本発明に係る実施の形態１の封止パッケージの蓋体を開けた様子を示す斜視図である。図２は図１の封止パッケージの蓋体を除くパッケージ本体の上面図である。図１において、封止パッケージ４０は、上表面に送信回路１１及び受信回路１２が設けられた平板状のパッケージ本体１０と、このパッケージ本体１０の上表面を覆って送信回路１１及び受信回路１２を封止する同じく矩形平板状の蓋体２０とを有している。

図１及び図２において、パッケージ本体１０は、セラミックを主な原料として矩形平板状に形成され、上表面には、送信回路１１及び受信回路１２と同一平面上に、線路状に延びる第一のパッド１５が、送信回路１１及び受信回路１２をそれぞれ囲むようにして形成されている。詳細には、第一のパッド１５は、まず矩形のパッケージ本体１０の縁に沿って全体を一周するように四角形状に形成され、さらに送信回路１１の設けられた領域と受信回路１２の設けられた領域とを分断するようにパッケージ本体１０を横断して形成されている。そして、この第一のパッド１５の上には、全長に渡ってはんだ３５が置かれている。はんだ３５は、印刷工程によってパッド１５上に形成され、所定の厚さで所定の幅の層を成している。

蓋体２０は、金属材料にて、概略矩形平板状に作製され、パッケージ本体１０と対向する下表面には、第二のパッド２５（はんだ案内部）が形成されている。この第二のパッド２５は、第一のパッド１５に対向する位置に第一のパッド１５と同じ形状に形成されている。すなわち、第二のパッド２５は、第一のパッド１５に対して面対称に形成されている。蓋体２０の第二のパッド２５の内側の部分、つまり送信回路１１及び受信回路１２と対向する部分は、所定の密閉空間が形成されるよう凹部（図示せず）とされている。この凹部においては、第二のパッド２５以外の部分が凹むことにより形成されたり、或いは、第二のパッド２５の部分にシーリング部材等のスペーサが配設されて他の部分より高くされることにより形成されたりする。

このような構成の封止パッケージ４０は、パッケージ本体１０に蓋体２０を重ねた状態で、例えばリフロー工程により熱せられてパッド１５上のはんだ３５を溶融され、さらに冷却されることによりはんだ３５を凝固されて、パッケージ本体１０と蓋体２０とが気密状態に接合される。

図３はパッド１５とパッド２５との間ではんだ３５が溶融する様子を示す図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。図３中（ａ）は、はんだ３５が固相の状態を示し、図３中（ｂ）は、はんだ３５が溶融して液相となった状態を示す。はんだ３５は、溶融して液相になった際、その濡れ性により、親和性のあるパッド１５，２５に吸い寄せられ、逆にその他の部分からははじかれる。さらに、はんだ３５は、その界面張力により、自らの表面積が最小となるように保とうとする。そのため、液相となったはんだ３５は、図３に示すように、２枚のパッド１５，２５間に留まって外に流れ出すことがない。そして、このとき２枚のパッド１５，２５の間隔は非常に狭いものとなるので、毛細管現象が働き、はんだ３５はパッド１５，２５に沿って流れて流路を形成する。そしてこのとき、はんだ３５は管路を流れる流体と同様の特性を示す。

管路を流れる流体は、流体の圧力損失が管路内で一定でないとき、圧力損失が変化する箇所にて滞るという特性を有している。例えば、管路断面が拡大する位置では流体の圧力損失が減少して、この位置で流体が滞る。

本実施の形態においては、はんだ３５が特定の箇所にて滞ることを抑制する目的で、第一のパッド１５と第二のパッド２５の形状を、溶融したはんだ３５の圧力損失が流路の全長に渡って一律となるような形状、すなわち、溶融したはんだ３５の圧力損失が流路の全長に渡って変化しないような形状にしている。以下これについて説明する。

流量一定のとき、圧力損失ΔＰは、水力学にて、次の（１）式にて表される。
ΔＰ＝λ・（Ｌ／Ｄｅ）・（ρ／２）・ｖ² （１）
ΔＰ：圧力損失
Ｙ：管摩擦係数比（管路のアスペクト比で決まる）
ρ：流体密度
ν：流体動粘性係数
Ｌ：管路長
Ｖ：流量
ｓ：管路断面の周長
Ｄｅ：管路断面の等価直径
なお、等価直径とは円形断面に近似した直方体断面の擬似半径を言う。
ここで、λ＝Ｙ・（６４／Ｒｅ）
Ｒｅ＝（Ｄｅ・ｖ／ν）
ｖ＝Ｖ／Ａ
Ｄｅ＝（４Ａ）／ｓ
であるので、上記（１）式は、次の（２）式のように変換される。
ΔＰ＝１２８Ｙ・ρ・ν・Ｌ・Ｖ／（ｓ・Ｄｅ³） （２）

（２）式に示すように、圧力損失ΔＰは、管路断面の等価直径Ｄｅの三乗、及び管路断面の周長ｓに反比例する。本実施の形態の封止パッケージ３０は、これに基づいて、パッド１５，２５の形状を、流路の断面の等化直径及び周長が流路上で一律となるような形状にされている。

図４ははんだ３５が液相となった状態でパッド１５とパッド２５との間隔が図３のものより狭くなった状態を示す断面図である。はんだ３５が液相となったときパッド１５とパッド２５との間隔が狭いとパッド側部から張り出ることがある。すなわち、はんだ３５が液相となったとき、はんだ３５の量とパッド１５，２５の間隔との関係により、図３の（ｂ）のように側部が凹型にへこんだり、逆に図４のように側部が凸型に膨らんだりする。しかしながら、図３及び図４はパッド１５，２５間の間隙を誇張して示すものであり、実際にはパッドの幅Ｗに比してパッド１５，２５間の間隙Ｈは非常に小さく、流路断面積は殆どパッドの幅Ｗによって決まる。そのため、はんだ３５がパッド側部から張り出るか出ないかは本実施の形態では問題とならない。

以上のように、この実施の形態の封止パッケージ３０においては、第一のパッド１５と第二のパッド２５とは、溶融したはんだ３５が流体として両者間に流路を形成するときに、この流体の圧力損失が流路上で一律となる形状にされている。そのため、はんだが特定の箇所にて滞ってしまうことが抑制され、パッド１５，２５上のはんだ３５の量が均一なものとなり、空隙の発生が抑制されるので、封止構造の信頼性が向上する。

なお、本実施の形態の封止パッケージ３０は、送信回路１１及び受信回路１２を封止するものであるが、送信回路１１や受信回路１２に限らず他の回路や電子部品を封止するものであっても同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態のパッド上のはんだの量を均一にするという技術思想は、本実施の形態のような封止パッケージに限らず、他のはんだ接合構造にも適合することができる。パッド上のはんだの量が均一になることにより、接合力が向上して接合箇所の信頼性が向上する。

実施の形態２．
図５は本発明に係る実施の形態２の封止パッケージのパッケージ本体の上面図である。図５において、本実施の形態の第一のパッド１６は、圧力損失がさらに一律となるように、屈折部Ｂや分岐部Ｃ等の折れ曲がり部において外周部の角が円弧状に丸められている。すなわち、屈折部Ｂや分岐部Ｃ等の折れ曲がり部の外周形状が丸みを帯びた形状にされている。また図示しない蓋体に形成された第二のパッドも同様に折れ曲がり部において角が円弧状に丸められて、第一のパッド１６に対して概略面対称な形状に形成されている。

さらには、第一のパッド１６上に印刷によって配置されるはんだ３６の形状も、第一のパッド１６に伴って角が円弧状に丸められている。なお、単位断面当たりの流量が一定となるように、はんだ３６は、パッド１６の幅の大きい大幅部１６ｃに配置される量が、幅の小さい小幅部１６ｂに配置される量に比べて多くなるように配置されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図６は図５の屈折部Ｂの部分のパッド１６を拡大して示す図である。パッド１６の直角に折れ曲がる部分の外周側の角が、パッド１６の幅ａに対して曲率半径Ｒ＝ａとなるよう円弧状に丸められている。このように屈曲部の外周側の角をパッドの幅ａの曲率半径にて丸めることで、屈曲部の圧力損失をさらに正確に一律とすることができる。なお、圧力損失をさらに正確に一律とするために、屈曲部の外周側形状を幅ａよりさらに大きな曲率半径によって丸めてもよいが、この場合、パッド１６の幅が屈曲部で狭くならないように（一定に保たれるように）、内周側の角も丸められる必要がある（図７）。

図８は図５の分岐部Ｃの部分のパッド１６を拡大して示す図である。図８において、幅ｃの太さの大幅部１６ｃが、左右に各々直角に、半分の幅ｂの２本の小幅部１６ｂに分岐する分岐において、各々直角に折れ曲がる部分の外周形状が、小幅部１６ｂの幅ｂに対して曲率半径Ｒ＝ｂの円弧にされている。このように分岐部の外周側を小幅部１６ｂの幅ｂの曲率半径の円弧とすることで、分岐部の圧力損失をさらに一律とすることができる。なお、図７の場合と同じように、分岐部の外周形状を幅ｂよりさらに大きな曲率半径Ｒにて丸めることにより、圧力損失をさらに正確に一律とすることができるが、この場合、パッド１６の幅がｂより狭くならないように（一定に保たれるように）、外周側の角も丸められる必要がある（図９）。

図１０は図８のパッド１６に対向して蓋体に形成された第二のパッド２６（はんだ案内部）の分岐部を示す図である。本実施の形態の蓋体に形成された分岐部においては、外周に形成された２つの円弧部が接続することにより流路側に鋭く尖って形成された切れ込み部２６ｄが、先端部を埋め込まれるようにして削除されている。これは以下の理由による。流路中に鋭角に尖った部分が形成されていると、この部分に大きな毛細管現象が働くことがある。そのため、この毛細管現象により、はんだ３６が蓋体側に想定以上に吸い上げられる（移動する）ことを防止するためにされている。なお、同じ大きさの毛細管現象が、パッケージ本体側のパッド１６に発生するが、予めはんだ３６が置かれる第一のパッド１６においては、このような形状にしなくてもよいことが検証等により解っている。

本実施の形態の封止パッケージは、第一のパッド１６と第二のパッド２６とが、屈折部や分岐部等の折れ曲がり部において、外周形状が丸みを帯びる形状にされており、そしてさらには、外周形状は、幅寸法以上の曲率半径を有する円弧とされて丸みを帯びる形状にされているので、流体の圧力損失が流路上でさらに一律となり、はんだが特定の箇所にて滞ってしまうことがさらに抑制される。

実施の形態３．
図１１は本発明に係る実施の形態３の封止パッケージの屈折部の部分のパッドを拡大して示す図である。図１１において、本実施の形態の第一のパッド１７は、直角に折れ曲がる屈折部の外周側の角が、直線部に対して４５度傾く直線の切断線にて削除されるようにして丸められている。つまり、直角に折れ曲がる屈折部分の外周形状が、外方に凸の角部が直線の切断線により削除されるようにして丸みを帯びる形状にされている。図示しない分岐部の外周形状も同様に、４５度傾く直線の切断線にて削除されるように丸められている。その他の構成は実施の形態２と同様である。

上記実施の形態２においては、屈折部Ｂや分岐部Ｃ等の折れ曲がり部において外周側を円弧状に形成することにより圧力損失の一律性を向上させている。しかしながら、圧力損失の一律性の向上を若干犠牲にするならば、円弧によらず直線によって丸めてもよい。このような構成とすることにより、設計及び製造が容易となりコスト削減を図ることができる。

実施の形態４．
図１２は本発明に係る実施の形態４の封止パッケージのはんだ接合部分の断面図である。図１２において、本実施の形態においては、蓋体２０の第一のパッド１６に対向した位置に突起２０ａ（はんだ案内部）が設けられている。金属材料にて作製された蓋体２０においては、第一のパッド１６に対向した位置の突起２０ａの頂面のみがはんだ３６と親和性を持つようになる。そのため、溶融されたはんだ３６は、濡れ性と界面張力によりパッド１６と突起２０ａとの間に留まって流路を形成する。その他の構成は実施の形態２と同様である。このような構成とすることにより、蓋体２０側にパッドを形成する必要が無くなるので作製工程が減りコスト削減を図ることができる。

実施の形態５．
図１３は本発明に係る実施の形態５の封止パッケージのはんだ接合部分の断面図である。図１３において、本実施の形態においては、蓋体２０の第一のパッド１６に対向した位置に溝２０ｂ（はんだ案内部）が設けられている。金属材料にて作製された蓋体２０においては、第一のパッド１６に対向した位置の溝２０ｂの内面のみがはんだ３６と親和性を持つようになる。そのため、溶融されたはんだ３６は、濡れ性と界面張力によりパッド１６と溝２０ｂとの間に留まって流路を形成する。その他の構成は実施の形態２と同様である。このような構成としても概略実施の形態４と同様の効果を得ることができる。

本発明は、例えば２枚のパッドに挟まれたはんだを溶融して再び凝固させることにより両パッドを接合するはんだ接合構造に適用されて好適なものであり、特に、このはんだ接合構造を利用して、回路や電子部品が設けられたパッケージ本体に、蓋体をはんだで接合することにより回路や電子部品を気密に封止する封止パッケージに適用されて最適なものである。

本発明に係る実施の形態１の封止パッケージの蓋体を開けた様子を示す斜視図である。 図１の封止パッケージの蓋体を除くパッケージ本体の上面図である。 第一のパッドと第二のパッドとの間ではんだが溶融する様子を示す図２のＡ−Ａ線に沿う矢視断面図である。 はんだが液相となった状態で第一のパッドと第二のパッドとの間隔が図３のものより狭くなった状態を示す断面図である。 本発明に係る実施の形態２の封止パッケージのパッケージ本体の上面図である。 図５の屈折部Ｂの部分のパッドを拡大して示す図である。 屈曲部の外周形状を大きな曲率半径の円弧にしたときに内周形状も円弧とした例を示す図である。 図５の分岐部Ｃの部分のパッドを拡大して示す図である。 分岐部の外周形状を大きな曲率半径の円弧にしたときに内周形状も円弧とした例を示す図である。 図８に示す第一のパッドに対向して蓋体に形成された第二のパッドの分岐部を示す図である。 本発明に係る実施の形態３の封止パッケージの屈折部の部分のパッドを拡大して示す図である。 本発明に係る実施の形態４の封止パッケージのはんだ接合部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態５の封止パッケージのはんだ接合部分の断面図である。

符号の説明

１０ パッケージ本体
１１ 送信回路（回路）
１２ 受信回路（回路）
１５，１６，１７ 第一のパッド
２０ 蓋体
２５，２６ 第二のパッド（はんだ案内部）
２０ａ 対向する第一のパッドに沿って延びる突起（はんだ案内部）
２０ｂ 対向する第一のパッドに沿って延びる溝（はんだ案内部）
３５，３６ はんだ
４０ 封止パッケージ

Claims (11)

1. 表面にはんだが置かれるパッドと、
   前記はんだを挟んで前記パッドに対向して設けられたはんだ案内部とを備え、
   前記パッドと前記はんだ案内部とは、溶融した前記はんだが流体として両者間に流路を形成するとき該流体の圧力損失が流路上で一律となる形状にされている
   ことを特徴とするはんだ接合構造。
2. 所定領域を囲むパッドが設けられたパッケージ本体と、
   前記パッケージ本体を覆って配置され前記パッドに対向する位置にはんだ案内部が設けられた蓋体とを備え、
   前記パッドと前記はんだ案内部とに挟まれたはんだを溶融してさらに該はんだを凝固することにより前記パッケージ本体と前記蓋体とを接合して前記所定領域を封止する封止パッケージにおいて、
   前記パッドと前記はんだ案内部とは、溶融した前記はんだが流体として両者間に流路を形成するとき該流体の圧力損失が流路上で一律となる形状にされている
   ことを特徴とする封止パッケージ。
3. 前記パッド及び前記はんだ案内部は、前記流路の断面の等化直径及び周長が流路上で一律となる形状にされている
   ことを特徴とする請求項２に記載の封止パッケージ。
4. 前記パッド及び前記はんだ案内部は、折れ曲がり部において少なくとも外周形状が丸みを帯びる形状にされている
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の封止パッケージ。
5. 前記外周形状は、幅寸法以上の曲率半径を有する円弧とされて丸みを帯びる形状にされている
   ことを特徴とする請求項４に記載の封止パッケージ。
6. 前記外周形状は、外方に凸の角部が直線の切断線により削除されるようにして丸みを帯びる形状にされている
   ことを特徴とする請求項４に記載の封止パッケージ。
7. 前記はんだ案内部は、前記パッドに対向する位置に前記パッド沿って設けられた第二のパッドである
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の封止パッケージ。
8. 前記はんだ案内部は、前記パッドに対向した位置に前記パッドに沿って設けられた突起である
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の封止パッケージ。
9. 前記はんだ案内部は、前記パッドに対向した位置に前記パッドに沿って設けられた溝である
   ことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の封止パッケージ。
10. 前記所定領域に回路が形成されている
    ことを特徴とする請求項２から９のいずれか１項に記載の封止パッケージ。
11. 前記所定領域に電子部品が実装されている
    ことを特徴とする請求項２から１０のいずれか１項に記載の封止パッケージ。

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