JP2010034099A - 気密封止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 信頼性の高い気密封止方法を提供する。
【解決手段】 本発明になる気密封止方法は、側壁が内側に反ったセラミックパッケージの開口部にリッドを接合することでこのセラミックパッケージを気密封止する気密封止方法であって、前記リッドを前記セラミックパッケージの開口部に押圧しながら、前記リッドと前記セラミックパッケージの開口部に超音波振動を加えることで、前記反りにより生じた側壁の凸部に押圧力と超音波振動とを局所的に集中させてこの凸部で前記リッドを前記セラミックパッケージに超音波接合する仮付け工程を含むことを特徴とするものである。
【選択図】 図３

Description

本発明は、半導体素子、水晶振動子等のチップを収納したパッケージの開口部に、リッドをシーム溶接することで該パッケージを気密封止する気密封止方法に係り、特に封止作業前の前記パッケージにリッドをスポット的に溶接することで仮付けする方法を含む技術に関するものである。

従来から、電子部品等のチップを収納したパッケージの気密封止にはこのパッケージの開口部にリッド（蓋）を被せてローラ電極を用いてパッケージの周辺を回転させながら通電するシーム溶接が採用されていた。そして、このシーム溶接を実行する前にリッドの位置ずれを防止するためにパッケージの対辺にスポット溶接を行ういわゆるリッドの仮止めを行っていた。しかし、パッケージの小型化によりこのような仮付け方法では対応できなくなってきており、次のような超音波溶接方法が提案されている（特許文献１）。

この超音波溶接方法について説明する。ここではリッドでパッケージを気密封止することを説明するのでパッケージに収納される電子部品に関する説明は省略する。

上部が開口した凹部のセラミックパッケージとこのパッケージの開口部周囲の側壁に接合される金属製のリッドを準備する。この側壁のリッドとの接合面には帯状の金属層が形成される。この金属層はタングステン等からなる帯状のメタライズ層とこのメタライズ層の上部に形成されるニッケル等からなる下部メッキ層と下部メッキ層の上部に形成される金等からなる上部めっき層とからなる。
また、リッドはコバール等の金属母材の下面に前記帯状の金属層に対応した第２の接合部を形成している。この接合部は半田等の金属層が圧延またはメッキ等の手法により形成されている。

まず、セラミックパッケージとリッド共に所定の位置に固定し、位置を確定する。このようにした後リッドの１つを可動式超音波ホーンにてその中央部を吸引して前記位置決めされたセラミックパッケージの開口部に載置する。このようにセラミックパッケージとリッドとが位置決めされているので確実にリッドをセラミックパッケージの開口部に載置することが可能である。なお、この超音波ホーンは超音波を印加する機能と共に中央部分に吸引口がありリッドを吸引及び解放する機能を備えている。続いて前記超音波ホーンを駆動させて超音波を印加することによりセラミックパッケージとリッドとが超音波溶接され吸引を解放して気密封止が終了する。

このように超音波溶接だけで気密封止を完了させてしまう方法もあるが、超音波溶接後にリッドの主面の周囲部分に対して電子ビームあるいはレーザビームを照射してリッドの接合部とセラミックパッケージの接合部を溶接して気密封止を確実にする方法も採用されている。
特開平１１−３５４６００号公報

前述の超音波溶接による気密封止、電子ビーム等を併用した気密封止はセラミックパッケージの周囲に形成された側壁の上面が水平になっているのであれば特段の問題は生じない。ところが、セラミックパッケージはセラミックの成形、焼成時に発生する歪みのため、または１つのセラミックパッケージに複数の同一回路を形成した複数個取りのセラミックパッケージにあっては個々に分割するときに加えられるせん断力のため側壁部が内側または外側に反る傾向があり、どちらかといえば内側に反るものが多い。

そうすると、超音波接合はリッドのセラミックパッケージへの仮付け、本付けに拘らず、接合形態が固相接合となることから仮付けを達成する場合でも高い荷重が必要となる。このため次のような欠点があった。つまり、第１に高荷重によりセラミックパッケージに割れが生じるということ、第２に荷重構造の剛性を向上させるためには装置を大型化しなければならないことである。また、超音波接合は仮付けのみに用い、本接合は電子ビームまたはレーザビームを照射して行うとしても、反りの存在により不完全な気密封止となってしまう可能性が高いという欠点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来の超音波ホーン、超音波振動子、超音波発振器から構成される超音波ユニットを具備する仮付け装置を用いるが、セラミックパッケージの反りを利用して局所的に超音波振動エネルギを集中させ低荷重で接合を可能とするリッドの仮付け方法を提供することを目的とする。そして、このようにして仮付けされたリッドをローラ電極でシーム溶接することで、このときの加圧によりセラミックパッケージの反りにリッドが追随することを利用したシーム溶接方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明になる気密封止方法は、側壁が内側に反ったセラミックパッケージの開口部にリッドを接合することでこのセラミックパッケージを気密封止する気密封止方法であって、前記リッドを前記セラミックパッケージの開口部に押圧しながら、前記リッドと前記セラミックパッケージの開口部に超音波振動を加えることで、前記反りにより生じた側壁の凸部に押圧力と超音波振動とを局所的に集中させてこの凸部で前記リッドを前記セラミックパッケージに超音波接合する仮付け工程を含むことを特徴とするものである。

請求項２に係る発明になる気密封止方法は、前記超音波接合を常温下で実行することを特徴とするものである。

請求項３に係る発明になる気密方法は、前記側壁の反りを１０μｍ以下であることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明になる気密方法は、請求項１〜３いずれかに係る発明になる気密封止方法であって、超音波接合による仮付け後にローラ電極を用いてシーム溶接により気密封止を完成させることを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によれば、セラミックパッケージの側壁に反りがあるので、側壁の凸部に荷重と超音波振動が集中するので低荷重で超音波接合が可能となるリッドの仮付け方法を提供することができる。

請求項２に係る発明によれば、超音波接合を常温下で実施するので、リッドとセラミックパッケージとの熱膨張差に起因する応力の発生を防止することができるので信頼性の高いリッドの仮付け方法を提供することができる。

また、超音波接合を常温で実施するので固相接合であるため、リッドとセラミックパッケージとの界面の金属接合部分を溶融させないから仮付けにおいて不均一な金属組織変化を生じさせることがなく、信頼性の高いリッドの仮付け方法を提供することができる。

請求項３に係る発明によれば、側壁の反りの限度が分かるので、使用可能なパッケージの目安が付き、不完全な気密封止パッケージを作ることがなくなるからコスト低減につながる気密封止方法を提供することができる。

請求項４に係る発明によれば、以上のようなリッドの仮付け後にローラ電極を加圧しつつ電流を流しながらリッドの周囲に回動させることで、側壁の反りに合わせてリッドを押し付けて接合するので信頼性の高い気密封止方法を提供することができる。

次に本発明について図を用いて詳細に説明する。
図１は本発明になる気密封止方法で気密封止する前のセラミックパッケージの開口部上の所定の位置にヘッドに吸引されているリッドを位置合わせして載置しようとしている状態を示す模式側面図、図２はこのリッドをこのセラミックパッケージの開口部上の所定の位置に載置したときの状態を示す模式側面図、図３はリッドをセラミックパッケージに載置した後リッドをア方向に押圧しながらイ、ウ方向に超音波振動を印加して超音波接合によりリッドをセラミックパッケージに仮付けしているときの状態を示す模式側面図、図４はリッド仮付け後のセラミックパッケージをリッドの上面から見たときの模式上面図、図５はリッド仮付け後にリッドの周縁をローラ電極に電流を流しながら回動させてシーム溶接することでセラミックパッケージを気密封止するときの模式上面図、図６はシーム溶接により気密封止完成後のセラミックパッケージの模式側面図である。
なお、セラミックパッケージには回路パターンが形成され、電子部品が搭載されるが、本発明の説明には直接関係がないので図示を省略する。

図１〜３において、１はセラミックパッケージ、２はセラミックパッケージ１の側壁、３はメタライズ層、４は第1の金属層、５はろう材、１０はリッド、１１は第２の金属層、２０はセラミックパッケージ１の側壁の反りの存在により必然的に生じるろう材５と第２の金属層１１の隙間である。また、３０はリッド１０を吸着する吸引口３１を備えた可動式超音波ヘッドである。

メタライズ層３は側壁２の上面にＷなどからなる導体ペーストをスクリーン印刷などの方法で塗布し、その後電気炉などで焼成し、セラミックパッケージ１の作製と同時に形成作製する。また、第1の金属層４はメタライズ層３の表面に電解法などにより膜厚が１〜７μｍのＮｉメッキの上に膜厚が０．２〜１μｍのＡｕメッキなどで形成する。

一方、リッド１０はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの合金からなる金属を所定寸法に切断し、この表面にＡｕ又はＮｉなどをメッキまたは圧延などの方法によりクラッド接合することにより第２の金属層１１を形成する。この第２の金属層はリッド１０の全面に形成することができるが、ここではセラミックパッケージ１と接合させる面だけに形成するようにしている。第２の金属層１１をメッキで形成する場合、電解法により膜厚が１〜１０μｍのＮｉメッキを形成し、さらに電解法により膜厚が０．１〜１μｍのＡｕメッキを施す。

次にセラミックパッケージ１の気密封止作業について説明する。
まずセラミックパッケージ１を図示しない載置台の所定位置に固定し、セラミックパッケージ１の所在位置を確定する。またリッド１０についても図示しない集積台の所定位置に固定し、所在位置を確定する。次にこのように所定位置に固定されたリッド１０の１つを可動式超音波ヘッド３０にてその中央部分を吸引し、前記所定位置に固定されたセラミックパッケージ１の開口部分にリッド１０を載置する。この載置の様子は図１、２に模式的に示されている。なお、このリッド１０をセラミックパッケージ１の開口部へ位置決めして載置する方法は特に制限はなく公知の方法を使用することができる。

次に、リッド１０のセラミックパッケージ１への仮付けに付いて説明する。可動式超音波ヘッド３０でリッド１０を吸着した状態で、図３のア方向に荷重をかけながら、図３のイ、ウ方向に超音波振動を加えることでリッド１０をセラミックパッケージ１に超音波接合させることでこの仮付けを実現する。このとき、セラミックパッケージ１の側壁２に存在する反りを積極的に利用する。つまり、側壁２の反りにより、セラミックパッケージ１の開口部の四隅に凸部（図４の４０参照）が存在し、この凸部に超音波振動のエネルギを局所的に集中させることができる。

このことから、仮付けの接合条件を次のように設定する。
まず、温度であるが特に加熱せずに常温とする。荷重は１〜２０Ｎの範囲とし、超音波振動についてはその周波数を２０〜１２０ｋＨｚ、振動の振幅を０．１〜３μｍ、印加時間を０．１〜０．５秒の範囲とする。
仮付けの接合条件を設定した後、設定条件で超音波振動を印加すると、前記凸部の接合界面に新生面が露出し、ここで金属接合が実現される。この金属接合は常温下の接合であるので固相接合となる。図４の４０がこの超音波接合部分である。

次にシーム溶接を行う（図５参照）。リッド１０が仮付けされたセラミックパッケージ１をシーム溶接装置に移送し、所定の位置に載置する。そして、ローラ電極５０，５０をリッド１０とセラミックパッケージ１の境界近辺のリッド１０側から押し付けながら電流を流しつつ、まずＡ辺を回動させ、Ａ辺でリッド１０をセラミックパッケージ１の開口部にシーム溶接し、続いてＢ辺についても同様にしてリッド１０をセラミックパッケージ１の開口部にシーム溶接する。このシーム溶接は公知の方法を使用することができる。

このとき、セラミックパッケージ１の側壁２の反りはおよそ１０μｍ以下であれば、ろう材５により隙間２０が埋められることで充分な気密性を確保できる。また、このように反りが少ないときは、シーム溶接時の荷重によりリッド１０がセラミックパッケージ１の側壁２の反りに合うように反りながら接合されるので充分な気密性を確保できる。
このようにして、セラミックパッケージ１の気密封止が完成する。

前記のような条件でリッド１０の仮付けを行うので、常温のままであるから仮付け前後で温度変化がなく、仮付け時のリッド１０とセラミックパッケージ１との熱膨張差に起因した残留応力の発生がない。加えて固相接合であるから、溶融しないので不均一な金属組織変化がない。これらのことから気密封止を完成させるシーム溶接において安定した接合が得られ、信頼性の高い気密封止が可能となる利点もある。

この実施の形態では印加する超音波振動ユニットを横振動のものとしたが、超音波振動により接合界面に新生面が露出し、ここで金属接合が実現されればよいのであるから、縦振動のものであっても、キャピラリタイプのものであっても構わない。

本発明になる気密封止方法で気密封止する前のセラミックパッケージとリッドの状態を示す模式側面図。 図１のリッドをセラミックパッケージの開口部上の所定の位置に載置したときの状態を示す模式側面図。 超音波接合によりリッドをセラミックパッケージに仮付けしているときの模式側面図。 リッドを仮付け後のセラミックパッケージをリッドの上面から見たときの模式上面図。 リッド仮付け後のローラ電極に電流を流しながら回動させてシーム溶接することでセラミックパッケージを気密封止するときの模式上面図。 シーム溶接により気密封止完成後のセラミックパッケージの模式上面図

符号の説明

１ セラミックパッケージ
２ 側壁
３ メタライズ層
４ 第1の金属層
５ ろう材
１０ リッド
１１ 第２の金属層
２０ ろう材９と第２の金属層１１の隙間
３０ 可動式超音波ヘッド
４０ 超音波接合部分
５０ ローラ電極

Claims (4)

1. 側壁が内側に反ったセラミックパッケージの開口部にリッドを接合することでこのセラミックパッケージを気密封止する気密封止方法であって、
   前記リッドを前記セラミックパッケージの開口部に押圧しながら、前記リッドと前記セラミックパッケージの開口部に超音波振動を加えることで、前記反りにより生じた側壁の凸部に押圧力と超音波振動とを局所的に集中させてこの凸部で前記リッドを前記セラミックパッケージに超音波接合する仮付け工程を含むことを特徴とする気密封止方法。
2. 前記超音波接合は常温下で実行することを特徴とする請求項１記載の気密封止方法。
3. 前記側壁の反りは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の気密封止方法。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の気密封止方法であって、
   超音波接合による仮付け後にローラ電極を用いてシーム溶接により気密封止を完成させることを特徴とする気密封止方法。

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