JP2009049092A - パッケージの封止方法およびパッケージの封止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッケージ封止の信頼性を向上させる。
【解決手段】 電子部品を収納する外囲器の開口部にリッドを載置し、この外囲器とリッドとに介在するろう材に熱を加えて溶融させることで、前記開口部を封止するパッケージの封止方法であって、外囲器６と対向する面の少なくとも外囲器６の開口部周縁と対応する領域にろう材２を設けたリッド１を用意し、このリッド１の外囲器６と対向しない面を加熱ツール３で吸着保持し、次にこの加熱ツール３の温度を上昇させて前記ろう材２を溶融状態にし、次に外囲器６の開口部周縁と前記リッド１に設けた溶融状態のろう材２とを接触させ、次に吸着保持を維持したままろう材２を凝固させる。



【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子、弾性表面波フィルタ等の電子部品を収納した外囲器の開口部に金属製の蓋板であるリッドを接合するパッケージの封止方法および封止装置に関するものである。

従来から、水晶振動子、弾性表面波フィルタ等の電子部品をパッケージで気密封止した製品が広く知られている。図３は従来からあるパッケージ５１の断面図であり、まず外囲器５２の開口部周縁に半田等の低融点ろう材５３を額縁状又はリング状に設け、この外囲器５２の内部には水晶振動子等の電子部品５４を収納し、この電子部品５４をワイヤ５５によって外リード５６に電気的に接続したものを準備する。そしてこの外囲器５２の開口部には、前記ろう材５３を介して金属製蓋体であるリッド５７が位置決めされて載置される。

このように内部に電子部品５４が収納されたパッケージ５１は図４で示すように、リッド５７上のほぼ中央に重り５８を載置するなどしてリフロー炉で加熱し、ろう材５３を溶融させて外囲器５２とリッド５７を開口部全周にわたって接合することで封止を行ってきた。しかしながら、リフロー炉を用いる方法によるとパッケージ全体を加熱することになり、内部の電子部品５４も高温に曝してしまうという問題があった。

そこで特許文献１で開示されている他の方法を図５に基づいて説明する。この方法はパッケージ全体を加熱するのではなくリッド５７に加熱ツール５９を接触させ、リッド５７の熱伝導によりろう材５２を溶融させるものである。この方法によればパッケージ全体を加熱するリフロー炉を用いた方法よりも内部の電子部品５４が高温に曝されないので、信頼性の高い製品を生産することが可能になる。

ここで、ろう材５３の素材としては、前述した半田（例えば９０Ｐb１０Ｓn）の他に８０Ａｕ２０Ｓｎあるいは低融点ガラス等が挙げられる。また、これはリフロー炉を用いた方法でも可能であるが、窒素等の不活性ガス環境下で封止を行なうことでパッケージ内に不活性ガスを封入し、パッケージ内部の電子部品５４の劣化を抑制することができる。さらに加熱ツール５９を用いる方法では真空チャンバ内で封止を行なうことでパッケージ内を真空状態に維持することも可能である。

特開２０００−３０１３２６号公報（第３頁、図２）

しかしながら、加熱ツール５９を用いて封止を行なう場合、パッケージ５１を載置するステージの上面と加熱ツール５９下端の作用面との平行度、さらには加熱ツール５９の上下動の軌跡とステージ上面との垂直度を正確に調整する必要があり、これらが正確に調整されていたとしても個々のパッケージの形状のバラツキにより、リッド５７の上面と加熱ツール５９の作用面とが全域にわたって接触しない場合がある。

この状態を図６に示すが、リッド５７と加熱ツール５９との接触部に間隙が生じている場合、あるいは目視可能な程度の間隙でなくとも接触が不十分な場合は加熱ツール５９からリッド５７への熱伝導が不十分となり、その部分の下方のろう材が溶融不足となる。そしてこれが封止の信頼性を低下させることとなる。前述したリフロー炉を用いる方法ではろう材全体がほぼ均等に加熱されるが、加熱ツール５９を使用した場合には、ステージ側又は加熱ツール側にならい機構（柔軟に傾斜に密着させる機構）を設ける必要が生じる。

ところが、小型化が進むパッケージのリッドは一辺の長さ又は直径が数ミリメートルであるのが一般的であり、この小面積に対応するようなならい機構を設けるのは非常に困難である。また可能であっても装置が非常にコスト高になってしまう。本発明はこのような課題を解決すべく、加熱ツールの熱が均等にリッドに伝導することで信頼性の高い封止を実現するパッケージの封止方法とその装置を提供するものである。

本発明は第１の態様として、電子部品を収納する外囲器の開口部にリッドを載置し、この外囲器とリッドとに介在するろう材に熱を加えて溶融させることで、前記開口部を封止するパッケージの封止方法であって、外囲器と対向する面の少なくとも外囲器の開口部周縁と対応する領域にろう材を設けたリッドを用意し、このリッドの外囲器と対向しない面を加熱ツールで吸着保持し、次にこの加熱ツールの加熱で前記ろう材を溶融状態にし、次に前記外囲器の開口部周縁と前記溶融状態のろう材とを接触させ、次に前記吸着保持を維持したまま前記ろう材を凝固させることを特徴とするパッケージの封止方法を提供するものである。

また本発明は第２の態様として、前記開口部周縁と前記溶融状態のろう材との接触は、前記外囲器と前記リッドとの間隔が、前記開口部周縁の全周が前記溶融状態のろう材と接触した状態であり、且つ前記リッドの一部が前記開口部周縁に直接接触しない状態で維持され、この状態でろう材が凝固するように制御されることを特徴とする第１の態様として記載のパッケージの封止方法を提供するものである。

また本発明は第３の態様として、前記制御は前記外囲器の開口部周縁と前記リッドとの間隔の大きさを制御する位置制御であることを特徴とする第２の態様として記載のパッケージの封止方法を提供するものである。

また本発明は第４の態様として、前記制御は前記外囲器と前記リッドとを挟持する時の押圧力を制御する荷重制御であることを特徴とする第２の態様として記載のパッケージの封止方法を提供するものである。

また本発明は第５の態様として、前記加熱ツールの加熱方法はパルスヒート方式であることを特徴とする第１乃至第４のいずれかの態様として記載のパッケージの封止方法を提供するものである。

また本発明は第６の態様として、電子部品を収納する外囲器の開口部にリッドを載置し、この外囲器とリッドとに介在するろう材に熱を加えて溶融させることで、前記開口部を封止するパッケージの封止装置であって、外囲器を載置するステージと、リッドを作用面に吸着保持しつつ加熱する加熱ツールと、前記加熱ツールを昇温させる電流発生源と、前記ステージと前記加熱ツールとの間隔を拡縮する駆動部と、この駆動部の動作を制御する制御部とを備えたことを特徴とするパッケージの封止装置を提供するものである。

また本発明は第７の態様として、前記制御部は前記外囲器の開口部周縁とリッドとの間隔の大きさの位置制御を行なうことを特徴とする第６の態様として記載のパッケージの封止装置を提供するものである。

また本発明は第８の態様として、前記制御部は前記外囲器と前記リッドとを挟持する時の押圧力の荷重制御を行なうことを特徴とする第６の態様として記載のパッケージの封止装置を提供するものである。

また本発明は第９の態様として、前記加熱ツールを昇温させる電流発生源はパルスヒート電源であることを特徴とする第６乃至第８のいずれかの態様として記載のパッケージの封止装置を提供するものである。

本発明によれば、リッドが外囲器に載置される前の状態で加熱ツールに吸着保持されて加熱を受けるので、リッド全周が加熱されることでこのリッドに設けたろう材全体をむらなく溶融することができる。そして、ろう材全体が溶融した状態で外囲器の開口部周縁に接触するので、一部の溶融不足による気密性の低下を防ぐことができ、封止の信頼性を高めることが可能となる。また、封止装置に実現の困難なならい機構を備える必要がなくなり、安価な封止装置を用いて信頼性の高い封止が達成できる。

次に添付図面を参照して本発明に係るパッケージの封止方法およびその装置の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明に係るパッケージの封止方法を示す模式図である。図１（ａ）において符号１はリッド、２はろう材である。本実施形態ではリッド１は４角が若干Ｒ仕上げとなった平面視矩形のものを使用する。このリッド１は厚さ０．１ｍｍのコバール製の板を打ち抜き成型したものであり、図を見て手前側の面が後に外囲器と対向する面である。そしてこの面の周囲にはろう材２が額縁状に貼着して設けてある。図において斜線で示すろう材２を設けた領域は、接合すべき外囲器の開口部周縁に対応する領域となっている。そしてその素材は８０Ａｕ２０Ｓｎであり、融点は約２８０℃である。また図１（ｂ）には、これを板厚方向から見た図を描いてある。

図１（ｃ）には吸着手段４を備えた加熱ツール３がリッド１の外囲器と対向しない面を吸着している様子が描かれている。吸着手段４は加熱ツールの作用面３Ａの中央を貫通し、この作用面３Ａの中央が吸着ノズルの先端となるようになっており、この加熱ツール３に吸着されたリッド１は、その全周が加熱ツール３の作用面３Ａに密着するように、作用面３Ａは平面に仕上げられている。

次に図１（ｄ）には、加熱ツール３が発熱を開始し、リッド１の熱伝導を経てろう材２が溶融した様子が描かれている。そして図１（ｅ）で示すようにステージ５上に載置された外囲器６の開口部周縁と溶融状態のろう材２とが接触するように位置合わせする。このとき、図のように外囲器の厚さが一定でなく、図を見て左右のろう材２の厚さが異なっているが、外囲器の開口部周縁全周が溶融したろう材２と接触し、且つ外囲器の開口部周縁のどの部位においても直接リッド１との接触がないような間隔を保つようにしている。そしてこ吸着保持を維持することでリッド１の位置を維持したまま加熱ツール３への通電を停止し、溶融状態のろう材２が凝固するまで温度を降下させる。

このように外囲器の開口部周縁とリッドとの間隔を保つためには、例えば加熱ツール３を支持して上下方向に移動させる駆動機構に位置制御手段を設けサンプル試験で決定した所定の高さに正確に加熱ツール３が停止し、所定時間その位置を維持するようにする方法がある。また、サンプル試験で加熱ツール３が所定の高さになるときの押圧力、つまり溶融したろう材２がつぶれる際の反発力を求めておき、この所定の押圧力を取得した時点で加熱ツールの上下動を停止し、所定時間維持できるような荷重制御手段を用いる方法もある。そしてこれらの制御方法は、加熱ツール３への適用ではなくステージ５の上下移動として適用しても同様の作用が得られることは自明である。

さらにこのとき、ろう材２を凝固させるための温度降下は、通電を停止した加熱ツール３の放熱作用や、ろう材２自身または他の部位の自然放熱によってもよいが、生産性を高めるために図のように冷却風７を噴出させ冷却時間を短縮してもよい。また本実施形態の場合、加熱ツール３には図示しないパルスヒート電源からの電流を流して加熱ツール３自体が発生するジュール熱によって温度上昇を得ているので、立ち上がりの急激な昇温とその後の温度制御が可能となっているが、冷却風を直接ろう材２にも吹きつけるようにすれば、加熱ツールにシーズヒータを埋め込むようなコンスタントヒートのオンオフでの実施も可能である。

次に図１（ｆ）には、加熱ツール３が発熱を停止してろう材２が凝固したのち、吸着手段４による吸着作用を停止してリッド１から加熱ツール３が離隔した様子が描かれている（加熱ツールは図示せず）。ここで、リッド１と外囲器６の開口部周縁との位置関係は平行ではないが、リッド１の下面全周にわたってろう材２による接合がなされ、封止が達成されている。

図２は本発明に係るパッケージの封止装置を示す側面図である。図２において１は加熱ツール３の作用面３Ａに吸着保持されたリッドであり、その吸着は管状の吸着手段４に連設された排気手段８の排気作用によって行なわれる。また、２はリッド１の下面に設けられたろう材、６はステージ５上に載置された外囲器である。加熱ツール３は、その両端が絶縁ブロック９に固定されており給電ケーブル１０Ａ、１０Ｂによって電流発生源であるパルスヒート電源１１の出力端子に接続されている。さらに加熱ツール３には熱電対１２が固着されており、そのリード１２Ａはパルスヒート電源１１の入力端子に接続されている。パルスヒート電源１１は熱電対１２の出力をフィードバックして加熱ツール３への出力電流を制御する。

また絶縁ブロック９はシャフト１３の下端に固定されており、そのシャフト１３の上部は駆動部１４によって昇降するように支持されている。そして、この駆動部１４は内部にエンコーダを有しておりシャフト１３の上下方向の位置をパルス信号に変えて制御部１５に出力し、制御部１５はこの出力を受けてシャフト１３の上下動を制御する。本実施形態の装置はベース１６上にステージ５が搭載されていると共に支柱１７が立設されており、この支柱１７がステージ５の上方に張り出した部分に駆動部１４と制御部１５が設けられている。また図示しないが、装置の動作指示や設定値入力に使用する操作部と表示部を備えている。

以上は加熱ツール３の上下動を位置制御する場合の構成を示したが、加熱ツール３の被接合部に対する押圧力を荷重制御する場合は、荷重検知部１８を設ける必要がある。荷重検知部１８は圧力センサであるロードセルと圧縮コイルばねを有しており、これらがシャフト１３と駆動部１４とのあいだに直列に介在するようになっている。またこの場合は、シャフト１３とその下端に支持された構造物の質量をキャンセルするため、これらを上方に懸架するような引っ張りコイルばね（図示せず）を設ける。

このようにすることで、加熱ツール３が被接合物に荷重を付与する際、前記ロードセルが前記圧縮コイルばねの圧縮量にほぼ比例する反発力を取得し、この値をその時点の押圧力として制御部１５に出力する。これを受けた制御部１５は、所定の押圧力となるように駆動部１４の動作を制御する。

以上本実施形態の装置の構成と動作を説明したが、ステージ５と共にベース１６上にリッド１のピックアップステージを設け、このピックアップステージ上には複数のリッド１を重ねて収納したマガジンを載置し、ステージ５上には複数の外囲器６を所定の位置に平面状に並べて載置しておき、両ステージが交互に加熱ツール３の下方に移動するようにすれば、加熱ツール３の吸着機能でリッド１のピックアップを行なうことができ、さらにステージ５の下面にＸＹテーブルを取り付ければリッド１と外囲器３との水平方向の位置合わせが可能になるので、ある程度の自動化が達成できる。

本発明の実施形態を示す模式図 本発明の実施形態を示す側面図 従来の技術を示す断面図 従来の技術を示す断面図 従来の技術を示す断面図 従来の技術を示す断面図

符号の説明

１ リッド
２ ろう材
３ 加熱ツール
４ 吸着手段
５ ステージ
６ 外囲器
７ 冷却風
８ 排気手段
９ 絶縁ブロック
１０Ａ、１０Ｂ 給電ケーブル
１１ パルスヒート電源
１２ 熱電対
１３ シャフト
１４ 駆動部
１５ 制御部
１６ ベース
１７ 支柱
１８ 荷重検知部

Claims (9)

1. 電子部品を収納する外囲器の開口部にリッドを載置し、この外囲器とリッドとに介在するろう材に熱を加えて溶融させることで、前記開口部を封止するパッケージの封止方法であって、外囲器と対向する面の少なくとも外囲器の開口部周縁と対応する領域にろう材を設けたリッドを用意し、このリッドの外囲器と対向しない面を加熱ツールで吸着保持し、次にこの加熱ツールの加熱で前記ろう材を溶融状態にし、次に前記外囲器の開口部周縁と前記溶融状態のろう材とを接触させ、次に前記吸着保持を維持したまま前記ろう材を凝固させることを特徴とするパッケージの封止方法。
2. 前記開口部周縁と前記溶融状態のろう材との接触は、前記外囲器と前記リッドとの間隔が、前記開口部周縁の全周が前記溶融状態のろう材と接触した状態であり、且つ前記リッドの一部が前記開口部周縁に直接接触しない状態で維持され、この状態でろう材が凝固するように制御されることを特徴とする請求項１に記載のパッケージの封止方法。
3. 前記制御は前記外囲器の開口部周縁と前記リッドとの間隔の大きさを制御する位置制御であることを特徴とする請求項２に記載のパッケージの封止方法。
4. 前記制御は前記外囲器と前記リッドとを挟持する時の押圧力を制御する荷重制御であることを特徴とする請求項２に記載のパッケージの封止方法。
5. 前記加熱ツールの加熱方法はパルスヒート方式であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパッケージの封止方法。
6. 電子部品を収納する外囲器の開口部にリッドを載置し、この外囲器とリッドとに介在するろう材に熱を加えて溶融させることで、前記開口部を封止するパッケージの封止装置であって、外囲器を載置するステージと、リッドを作用面に吸着保持しつつ加熱する加熱ツールと、前記加熱ツールを昇温させる電流発生源と、前記ステージと前記加熱ツールとの間隔を拡縮する駆動部と、この駆動部の動作を制御する制御部とを備えたことを特徴とするパッケージの封止装置。
7. 前記制御部は前記外囲器の開口部周縁と前記リッドとの間隔の大きさを制御する位置制御を行なうことを特徴とする請求項６に記載のパッケージの封止装置。
8. 前記制御部は前記外囲器と前記リッドとを挟持する時の押圧力の荷重制御を行なうことを特徴とする請求項６に記載のパッケージの封止装置。
9. 前記加熱ツールを昇温させる電流発生源はパルスヒート電源であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載のパッケージの封止装置。

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