JP2010226064A - パッケージ封止用のリッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より封止特性が改善され、封止時のケースへの流れ込みの他、這い上がり現象も生じ難いパッケージ封止用のリッドを提供する。
【解決手段】リッド本体に枠形状のろう材が融着されたパッケージ封止用のリッドにおいて、前記ろう材の内側の四辺に沿い、１５０μｍ超で５００μｍ以下の幅を有する枠形状のＡｕメッキ層と、前記枠形状のＡｕメッキ層の開口部分にＡｕを３重量％以下含むＮｉ合金層と、が設けられており、更に、前記Ｎｉ合金層の表面粗さが、ＪＩＳＢ０６０１で規定される表面粗さで０．０１〜０．２０μｍであることを特徴とするパッケージ封止用のリッドである。また、このリッドは、リッド本体の側面及び裏面についても、前記Ｎｉ合金層で覆われているものが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種電子部品のパッケージ封止に使用されるリッドに関する。特に、封止特性に優れており、封止時に安定したろう材の濡れ広がりを呈する封止用のリッドに関する。

水晶振動子、ＳＡＷフィルター、各種センサー等の電子部品パッケージの封止に用いられるリッド（蓋体）は、一般的には、その本体（リッド本体）にろう材が融着されている。そして、パッケージの封止は、素子が収容された容体（ケース）に、このリッドを被せてろう材を溶融させて接合することでなされる。

かかるろう材を備えるリッドは、予め組成調整され、接合面の形状に合わせて加工成形されたろう材を融着することで製造される。このろう材としては、信頼性、耐食性等の理由からＡｕ系ろう材（例えば、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材）が使用されることが多い。また、Ａｕ系ろう材をリッド本体に融着する際には、リッド本体にＮｉめっき及びＡｕめっきを施すのが一般的である。これは、リッド本体の材質（コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等が使用される）を考慮したものである。即ち、溶融したＡｕ系ろう材は、これらの材質に対する密着性に劣る上に、濡れ性も悪いことから、リッド本体に対する密着性の確保のためにＮｉをメッキし、更に、封止時に溶融するろう材の濡れ性を確保するためにＡｕメッキを施している。

従来から、パッケージ封止用のリッドに要求される特性として、封止性能が第１に挙げられてきた。この封止性能とは、接合するケースの接合面に対して、ろう材が均一に溶融・凝固すると共に、ケースの接合面以外にろう材が濡れ広がらないことを示す。特に、後者については、パッケージ封止時に溶融したろう材がケース内に流れ込むおそれがあり、これにより半導体素子にダメージを生じさせ、電子部品の性能に著しい影響を与えることとなるため、溶融時のろう材の挙動制御は近年特に重要となっている。

このような封止特性への要求を考慮し、本出願人は、ろう材を備えたパッケージ封止用のリッドに関して、溶融したろう材のケース内への流れ込みを抑制できるものを提案している（特許文献１）。このリッドは、上記のようにＮｉメッキ、Ａｕメッキがなされたリッド本体について、封止時にケースの開口部（素子の収容部）に対応する箇所のＡｕメッキの表面粗さを所定範囲に制御することで、当該箇所へのろう材の濡れ広がりを抑制するものである。

特開２００６−２９４７４３号公報

上記従来の封止用のリッドは、ろう材の濡れ性をある程度制御することができる点で一応の効果はあるが、改善の余地がないわけではない。即ち、上記従来技術では、溶融したろう材の挙動を制御するためにＡｕメッキ部分の表面粗さを調整したものであるが、このようにしてもケースへの流れ込みが稀に生じることがあった。

また、ケースへの流れ込みは生じなくても、封止時に溶融したろう材がリッドの側面を這い上がり、場合によってはリッドの裏面（ケース接合面の反対側の面）に付着することがあった。このような現象（以下、這い上がり現象と称する。）は、パッケージの気密性には影響を与えないとしても、外観を損ねる他、製造したパッケージにレーザートリミング等でマーキングする際の障害となる。

そこで、本発明は、より封止特性が改善され、封止時のケースへの流れ込みの他、這い上がり現象も生じ難いパッケージ封止用のリッドを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、リッド本体に枠形状のろう材が融着されたパッケージ封止用のリッドにおいて、前記ろう材の内側の四辺に沿い、１５０μｍ超で５００μｍ以下の幅を有する枠形状のＡｕメッキ層と、前記枠形状のＡｕメッキ層の開口部分にＡｕを３重量％以下含むＮｉ合金層と、が設けられており、更に、前記Ｎｉ合金層の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さで０．０１〜０．２０μｍであることを特徴とするパッケージ封止用のリッドである。

本発明は、リッド表面の、ケースの開口部に対応する箇所の表面組成及び面粗さを調整することで、溶融したろう材の濡れを制御するものである。即ち、当該箇所のＡｕ濃度を３重量％以下と低減してＮｉに近い組成とすることで組成の面からろう材の濡れ性を低下させると共に、その表面粗さを制御して形態面からも濡れ性を抑制している。これにより、当該箇所へのろう材の濡れ広がりを抑制して、封止時にろう材がケース内へ流れ込むことを防ぐ。

そして、本発明は、ろう材と上記Ｎｉ合金層との境界部分において、所定の幅を有するＡｕメッキ層を備える。このように部分的にＡｕメッキ層を形成することで、封止時に溶融したろう材の逃げ場所ができることから、余分なろう材の這い上がり現象を抑制することができる。

本発明に係るリッドについて、Ｎｉ合金層のＡｕ濃度を３重量％以下としたのは、ろう材の過剰な濡れ広がりを最大限に低下させるための範囲である。このＮｉ合金層のＡｕ濃度は、低ければ低い程濡れ性が低下することから、Ａｕが０％であっても良い。Ａｕ含有量は、より好ましくは、１．５重量％以下である。尚、Ａｕ０％のＮｉ合金層は、厳密には「合金」と称されるべきではないが、本発明においては、便宜のためこの状態のものでもＮｉ合金層と称する。

Ｎｉ合金層表面について面粗さを０．０１〜０．２０μｍとするのは、上記組成面での濡れ性の抑制を補完する上での濡れ性制御に必要な範囲だからである。面粗さをＪＩＳ Ｂ０６０１によるものとしたのは、その基準を明確にするためである。

一方、Ａｕメッキ層について、その幅は、５００μｍ以下とする。Ａｕメッキ層の幅が広すぎると、封止時のケースへのろう材流れ込み抑制の機能を果たさなくなるからである。また、幅の下限は溶融したろう材の逃げ場としての機能を考慮し１５０μｍを超える範囲とする。このＡｕメッキ層の幅については、リッドのサイズにより調整するが、上記範囲は一般的なリッドに適用されるものである。特に、面積が４．５〜２００ｍｍ^２程度の比較的大判のリッドに好適である。

そして、本発明に係るリッドは、リッド本体の側面及び裏面についても、上記したＮｉ合金層（Ａｕを３重量％以下含み、その表面粗さがＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さで０．０１〜０．２０μｍであるＮｉ合金層）で覆われていることが好ましい。

リッドの側面及び裏面の状態についても規定するのは、這い上がり現象をより確実に抑制するためである。即ち、リッド側面及び裏面についても、ろう材の濡れ性が低下した状態にすることで、ろう材は、その設置部分上及びＡｕメッキ層上でのみ濡れ広がることになり、側面への流出が抑制される。

また、リッドの側面及び裏面についてもＮｉ合金層で被覆することは、パッケージの取扱い性を向上させるという効果も生じさせる。これは、封止されたパッケージは、その後レーザーマーク等を施されて使用に供されるが、その際の冶具、アーム等で表面に傷が付き、この部分的な傷によりマークが不鮮明となることがあった。これに対し、本発明のように、表面粗さを０．０１〜０．２０μｍとし、均一な傷をつけておくことで、冶具等で傷がついてもその傷のみを目立たせることなくレーザーマークの品質を確保することができる。

本発明において、Ａｕメッキ層及びＮｉ合金層の厚さは、特に限定されるものではない。いずれもその表面における作用に基づきろう材の濡れ性を調整するものであるからである。但し、好ましくは、Ａｕメッキ層の厚さは、０．００１〜０．０５μｍとするのが好ましい。また、Ｎｉ合金層については、１〜１０μｍとするのが好ましい。

尚、本発明に係るリッドに融着されるろう材としては、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材（例えば、Ａｕ−１８〜２５ｗｔ％Ｓｎ）、Ａｕ−Ｇｅ系ろう材（Ａｕ−１０〜１５ｗｔ％Ｇｅ）、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材（Ａｕ−２〜５ｗｔ％Ｓｉ）、Ａｕ−Ｓｂ系ろう材（Ａｕ−３０〜４０ｗｔ％Ｓｂ）が適用できる。また、ろう材の厚さは、５〜５０μｍの範囲のものが用いられ、リッドの大きさを考慮して設定される。一方、リッド本体の材質としては、いわゆるコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の従来の材料が適用される。

本発明に係る封止用リッドの製造においては、リッド本体に、Ｎｉ合金層、Ａｕメッキ層、ろう材を設けるものであるから、それらをその形状、組成に合わせてリッド本体上に形成しても良いが、実際には困難となる場合がある。例えば、Ａｕメッキ層は、ろう材の内側に沿って所定幅を維持した状態の形状にする必要があるが、このような形状制御をしつつメッキをするのはマスキング等の手間を考慮すると煩雑な工程となる。

そこで、本発明者等は、本発明にかかるリッド製造の方法として、以下の工程からなるものに想到した。
（ａ） リッド本体の、少なくともろう材を融着する面についてＮｉ及びＡｕメッキを行う工程。
（ｂ） ろう材を融着する工程。
（ｃ） （ｂ）工程で得られるろう材が融着されたリッド本体を複数用意し、前記複数のリッドと、粒径１．５〜５．０ｍｍの球形の研磨媒体とを容器に収容する工程。
（ｄ） 前記容器を揺動して研磨する工程。

この本発明に係るリッドの製造方法は、Ｎｉメッキ及びＡｕメッキを行い、更に、ろう材を融着した状態のリッド本体について、いわゆるバレル研磨を施すものである。この方法では、容器中で研磨媒体によるリッド本体全面の研磨、或いは、リッド本体同士の研磨が生じるが、これにより以下の機構でＮｉ合金層、Ａｕメッキ層が形成される。

Ｎｉ合金層が本来形成される箇所（ケース開口部に対応する箇所）は、研磨前はその表面にＡｕメッキがなされている。これをバレル研磨すると、表面のＡｕメッキが研磨され、やがてＮｉメッキ層が露出することとなる。但し、完全にＡｕメッキが剥がれるとは限らないが、このように微量のＡｕが表面に残留しても研磨媒体等の衝突による運動エネルギーにより残留ＡｕとＮｉとの合金化が生じる（メカニカルアロイング）。その結果、微量のＡｕを含むＮｉ合金層が形成される。また、Ｎｉ合金層の表面粗さについては、この研磨により所定範囲に調整することができる。

Ａｕメッキ層の形成については、以下のような機構で形成される。上記のバレル研磨により、ろう材部分を除くリッド本体表面に存在していたＡｕメッキは大部分が剥離されるが、図１に示すように、ろう材とリッド本体とが接触する隙間については研磨媒体が侵入できないためにＡｕメッキは研磨されない。これにより、Ａｕメッキ層がろう材に沿った状態で一定の間隔を維持して形成されることとなる。この残留するＡｕメッキ層の幅は、研磨媒体の粒径により変化し、粒径の増大と共にＡｕメッキ層の幅も増大するが、少なくとも、１．５ｍｍを超える粒径の研磨媒体の適用により、必要な幅のＡｕメッキ層を形成することができる。但し、研磨媒体を５．０ｍｍを超えるものとすると、Ａｕメッキ層の幅が大きくなり過ぎ、封止時のケースへの流れ込みを抑制の機能が損なわれる。

また、本発明に係るリッドは、その側面及び裏面についても、Ｎｉ合金層で覆われていることが好ましいが、このようなリッド製造については、上記（ａ）工程のＮｉ及びＡｕメッキをリッド本体の全面について行い、その後バレル研磨を行うことで、上記と同様に、Ａｕメッキの研磨・剥離、ＡｕとＮｉとの合金化、更には、表面粗さの調整がなされる。

本発明に係るリッド製造方法においては、Ａｕ、Ｎｉメッキを施し、ろう材を融着したリッド本体を複数、容器に封入して研磨を行うが、封入するリッド本体の数については、特に制限はない。

また、研磨媒体については、ジルコニア、アルミナ、ステンレス、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｕ−Ｓｂ合金のいずれかからなるものが好ましい。研磨媒体の材質については、Ａｕを研磨できる硬度を有するものであって、不純物としてリッドに付着する恐れの少ないものが好ましい。

バレル研磨は、湿式で行うのが好ましい。乾式研磨でも、Ａｕメッキ層の研磨は可能であるが、メディアの当たりが強すぎるため好ましくない。研磨時間については、リッド本体、研磨媒体の封入量にもよるが、１０〜３０分とするのが好ましい。

以上説明した本発明に係るパッケージ封止用のリッドは、Ａｕメッキ層、Ｎｉ合金層を適切に配したことにより、封止時に溶融したろう材がケースへの流れ込むのを抑制することができ、また、這い上がり現象が生じ難い。

本発明に係るリッド製造工程（Ａｕメッキ層の形成過程）を説明する図。 本実施形態で製造したリッドの外観及び説明のための模式図。 比較例で生じた這い上がり現象を示す写真及び模式図。

第１実施形態：以下、本発明の好適な実施形態を説明する。コバール製のリッド本体（寸法：４．７ｍｍ×２．９ｍｍ×０．１ｍｍ）に、電解バレルめっきによりＮｉめっきを行い、電解バレルメッキにより金めっきを行った。このときのめっき厚さは、Ｎｉめっき５μｍ、Ａｕめっき０．０１μｍとした。

キャップ本体にろう材として枠形状の８０ｗｔ％Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎろう材（寸法：外周４．７ｍｍ×２．９ｍｍ、内周３．８ｍｍ×２．０ｍｍ、厚さ４０μｍ）を融着した。融着は、ろう材をリッド本体上に位置決めして載置した後、電気炉に挿入し２８０℃で１８０秒加熱してろう材を融着させることにより行なった。

上記の工程により、ろう材を融着したリッド本体を複数製造し（１００個）、これを研磨媒体であるジルコニアボール（粒径２．５ｍｍ）と共に、ステンレス製の籠に入れた。そして、この籠をバレル研磨機にセットして研磨を行った。バレル研磨後、篩で研磨媒体とリッドとを分離し、リッドを仕上げ洗浄して封止用リッドを製造した。

図２は、上記のようにして製造したリッド表面の写真及び概念図である。リッド本体に融着されたろう材に沿って一定幅のＡｕメッキ層が形成されており（幅２５０μｍ）、その内側はバレル研磨によりＡｕメッキが剥がれたＮｉ合金層が形成されている。Ｎｉ合金層は、研磨によりその表面に微細な傷が付き表面粗さは、０．１０５μｍとなっている。また、Ｎｉ合金層のＡｕ含有量は１．２重量％であった。

第２実施形態：次に、第１実施形態と同様の工程で、同じリッド本体にＮｉメッキ、Ａｕメッキを施し、更に、ろう材を融着し、これについて研磨媒体の粒径を種々変更してＡｕメッキ層の幅を調整して封止用リッドを製造した。製造されたリッドについて、半導体素子（水晶振動子）が搭載されたセラミック製ケースに接合して半導体素子パッケージを製造した（接合温度は３４０℃）。そして、この封止作業における封止特性、流れ込みの有無、這い上がり現象の有無等の検討を行った。

このとき、封止特性は、封止後のパッケージについてファインリークテストであるヘリウムリークテストを行ない、パッケージのリーク率を検討した。ここで、ヘリウムリークテストは、製造したパッケージをヘリウムリークディテクタにかけ、パッケージ外部を真空に引き、内部のヘリウム分子が漏出するのをカウントすることにより行なった。また、流れ込みの有無は、製造した水晶振動子パッケージについて周波数特性（クリスタルインピーダンス（ＣＩ）値）の測定を行った。ＣＩ値の測定は、π回路を使用したゼロ位相法で、水晶電流は１０μＷとした。そして、測定値が基準値以下となる（不合格となる）パッケージの発生率により比較を行った。更に、這い上がり現象については、封止後のパッケージの外観観察を行い、リッド側面又は裏面へのろう材付着があるものの割合を比較した。以上の検討結果を表１に示す。尚、表には比較として、バレル研磨を行わない従来のリッドの検討結果を併せて示した。

以上の検討から、従来品のリッドでは、リーク試験においては劣るものではないが、ケース内への流れ込みによる振動子の劣化によりＣＩ値が基準値を下回る確立が高く、また、這い上がり現象が生じる率も高くなっている。図３は、這い上がりが生じたパッケージの外観である。これに対し、本実施形態のように所定幅を有する枠形状のＡｕメッキ層を形成したリッドでは、封止後の評価結果がいずれも良好な結果を有することが確認された。

第３実施形態：ここでは寸法の異なるリッド本体を複数用意して封止用リッドを製造した。基本的な工程は第１実施形態と同様とし、研摩媒体の粒径を変更しつつＡｕメッキ層の幅を変更したものを製造した。具体的には、以下の封止用リッドを製造した。

以上の各製品例については、第２実施形態と同様にパッケージの封止試験を行ったところ、いずれも良好な結果を示し、ろう材の這い上がりもなかった。

本発明に係る封止用のリッドは、封止特性が改善され、封止時のケースへの流れ込み、這い上がり現象が生じ難くなっている。本発明は、水晶振動子、ＳＡＷフィルター、各種センサー等の電子部品パッケージの封止の歩留まり、効率を向上させるものである。

Claims (8)

1. リッド本体に枠形状のろう材が融着されたパッケージ封止用のリッドにおいて、
   前記ろう材の内側の四辺に沿い、１５０μｍ超で５００μｍ以下の幅を有する枠形状のＡｕメッキ層と、
   前記枠形状のＡｕメッキ層の開口部分にＡｕを３重量％以下含むＮｉ合金層と、が設けられており、
   更に、前記Ｎｉ合金層の表面粗さが、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さで０．０１〜０．２０μｍであることを特徴とするパッケージ封止用のリッド。
2. リッド本体の側面及び裏面が、Ａｕを３重量％以下含むＮｉ合金層で覆われており、前記Ｎｉ合金層の表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さで０．０１〜０．２０μｍである請求項１記載のパッケージ封止用のリッド。
3. Ａｕメッキ層の厚さは、０．００１〜０．０１μｍである請求項１又は請求項２記載のパッケージ封止用のリッド。
4. Ｎｉ合金層の厚さは、１〜１０μｍである請求項１〜請求項３のいずれかに記載のパッケージ封止用のリッド。
5. ろう材は、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材、Ａｕ−Ｇｅ系ろう材、Ａｕ−Ｓｉ系ろう材、Ａｕ−Ｓｂ系ろう材である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の封止パッケージ用のリッド又はケース。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載のリッドを製造する方法であって、下記工程を含む方法。
   （ａ） リッド本体の、少なくともろう材を融着する面について、Ｎｉメッキを行い次いでＡｕメッキを行う工程。
   （ｂ） ろう材を融着する工程。
   （ｃ） （ｂ）工程で得られるろう材が融着されたリッド本体を複数用意し、前記複数のリッドと、粒径１．５〜５．０ｍｍの球形の研磨媒体とを容器に収容する工程。
   （４）前記容器を揺動して研磨する工程。
7. （ａ）工程のＮｉメッキ及びＡｕメッキをリッド本体の全面について行う請求項６記載の方法。
8. 研磨媒体は、ジルコニア、アルミナ、Ａｕ−Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金、Ａｕ−Ｓｂ合金のいずれかからなる請求項６又は請求項７記載の方法。