JP2013038188A - パッケージ封止用の蓋体 - Google Patents

Abstract

【解決課題】ダイレクトリッド方式に対応可能なパッケージ用の蓋体であって、従来品よりも薄く、且つ、パッケージ接合後の気密性においても良好であるものを提供する。
【解決手段】本発明は、低熱膨張金属からなる蓋体と、該蓋体のベースへの接合面に接合される銀系ろう材層とからなるパッケージ封止用の蓋体であって、前記蓋体は、前記銀系ろう材層の反対側の表面に導電性金属からなり厚さ０．５〜５０μｍの金属層を備えるパッケージ封止用の蓋体である。この金属層を構成する導電性金属は、銅、金、銀、アルミニウム又はこれらの金属の合金のいずれかが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品パッケージ製造に用いられる蓋体に関する。特に、パッケージの低背化を考慮しつつ、パッケージの割れを抑制すると共に封止性に優れた蓋体を提供する。

携帯電話等の電子機器で使用されるＳＡＷフィルタ、水晶振動子のような電子部品は、半導体素子を開口を有する容体（ベース）に収容し、これに蓋体を被せて封止したパッケージとして用いられている。この電子部品パッケージにおいて、ベースはアルミナを主成分としたセラミック製のものが一般的であり、蓋体はコバール（鉄−ニッケル−コバルト合金）、鉄−ニッケル合金等の低熱膨張金属よりなるものが通常使用される。

蓋体のベースへの接合方法としては、蓋体に予めろう材を接合し、これにより接合を行うろう接法が一般的である。また、ろう接法もシールリング方式とダイレクトリッド方式とに区別されるが、電子部品の小型化のための低背化が要求されるパッケージの接合方式として有効なのがダイレクトリッド方式である。ダイレクトリッド方式とは、蓋体に薄いろう材層を形成し、これをベースに被せてシーム溶接等によりろう材層を溶融させて接合する方法である。この方法は、厚みのあるろう材を用いるシールリング方式とは異なり、パッケージの低背化を図りつつ気密封止が可能となる。

ダイレクトリッド方式による封止方法の問題としては、この方法では蓋体をベースに固定した後、シーム溶接を行うが、その際の接合条件（電流値等）の設定に正確さが必要となる点が挙げられる。そして、この接合条件の設定を誤ると熱歪が生じやすくパッケージの変形、破損が生じ易くなる。この熱歪とは、接合された蓋体とパッケージが室温まで冷却される際に、各々の収縮量が異なるため生じる内部応力である。

そこで、ダイレクトリッド法における熱歪を緩和する方法として、蓋体本体とろう材層との間に銅を中間層として設けた蓋体が知られている（特許文献１）。この蓋体では、蓋体接合時に発生した熱歪を中間層が吸収し、これによりベースへの応力負荷を軽減することができるためパッケージの変形、割れを防止することができる。また、本願出願人は、中間層として銅合金（銅−ニッケル合金）を適用することで、中間層の厚さをより薄くすることができることを見出している（特許文献２）。これらの中間層を備える蓋体は、ダイレクトリッド方式の欠点を解消すると共に、その利点であるパッケージの低背化へ寄与するものとされている。

特開２００３−１５８２１１号公報 特開２００５−１８３８３０号公報

しかし、電子部品の小型化への要求は留まるところを知らず、より低背化されたパッケージが求められている。この要求に応えるためには、中間層を薄くすれば対応可能とも思われるが、本発明者等によると、中間層を過度に薄くすると封止過程でパッケージに割れが生じる可能性が高くなる。また、中間層の厚さを維持しつつ蓋体本体を薄くすることも考えられるが、その場合、パッケージの強度低下の要因となりこれも好ましいものではない。

本発明は以上のような背景の下になされたものであり、ダイレクトリッド方式に対応可能なパッケージ用の蓋体であって、従来以上に薄く、且つ、パッケージ接合後に割れが生じず気密性においても良好である技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく本発明者は鋭意検討を行い、従来の中間層を設けたパッケージ用の蓋体においても割れが生じる要因について詳細な検討を行った。

図１は、従来の蓋体を用いたダイレクトリッド方式よるパッケージ封止の工程を説明するものである。図１において、入力される電流は、一方のローラー電極から蓋体を通して他方のローラー電極へと流れ、この際の抵抗加熱がろう材を溶融させることとなる。これまでの知見では、このとき蓋体で電流が主に流れる層は、導電性が低い蓋体本体であると考えられていた。そのため、抵抗の大きい蓋体本体の発熱量が過大となると、発熱のないパッケージとの間で熱歪が生じるため、これを緩和するために中間層が必要であると考えられていた。そして、中間層の厚さは、熱歪緩和のために規定されるものであり、一定以上の厚さが必要であり、中間層を薄くすると熱歪の緩和が不十分であり割れが生じると考えられていた。

また、本発明者等は、従来の中間層を適用する蓋体に関する問題点として、ろう材と中間層との合金化の問題を見出した。これは、通常使用される銀系ろう材は、中間層である銅、銅合金と容易に合金化し、その融点が上昇する傾向がある。そのため、ろう材を溶かすために必要以上に蓋体を加熱する必要が生じ、熱歪がさらに大きくなり割れ発生の懸念が高くなる。また、中間層がろう材と合金化する結果、薄くなってしまい熱歪緩和の効力が小さくなることも割れを発生さる要因となる。

本発明者等は、上記従来の考察を見直し、パッケージ封止時の熱源について再検討をし、図１の構成において、抵抗が最も高い部位は、ローラー電極の蓋体本体への加圧部直下の点接触部分にあると認識した。この場合、溶接のための熱源は、当該点接触部分となるが、そうであれば、蓋体本体の抵抗を低くし、発熱を抑えることが熱歪抑制の点で好ましいといえる。また、蓋体本体の抵抗を低くすることができるのであれば、中間層も不要であると考えた。そして、中間層の排除は、その合金化によるろう材の融点向上の問題も解消させることができる。

そこで、本発明者等は、蓋体の抵抗を低減する構成について検討を行ったところ、蓋体の表面側（パッケージへの接合面の反対側）に導電性金属からなる層を形成することで、蓋体接合時の蓋体の抵抗を低減できることを見出し本発明に想到した。

即ち、本発明は、低熱膨張金属からなる蓋体と、該蓋体のベースへの接合面に接合される銀系ろう材層とからなるパッケージ封止用の蓋体であって、前記蓋体は、前記接合面の反対側の表面に、導電性金属からなる厚さ０．５〜５０μｍの金属層を備えるパッケージ封止用の蓋体である。

本発明に係る蓋体を用いたダイレクトリッド方式よるパッケージ封止の工程を図２に示す。この各部材の構成において、入力される電流の経路は、基本的に従来（図１）と同様である。従って、ローラー電極の蓋体本体への加圧部直下の点接触部分が最大抵抗を示すことに変わりはなく、この箇所がろう材溶融のための熱源となる。但し、本発明のように蓋体の表面に導電性金属からなる金属層を設けることで、電流が主に蓋体表面を流れるようになるため、蓋体の抵抗を低くすることができる。

また、本発明は、従来の蓋体の中間層を使用しないことから、ろう材と中間層との合金化によるろう材の融点上昇の懸念もない。尚、本発明では、蓋体と銀系ろう材とが接触することになるが、通常蓋体を構成するコバール等の低膨張金属は、銀系ろう材と合金化し難いのでろう材の融点上昇が生じることはない。

以上説明した、蓋体の抵抗の低減及びろう材の合金化阻止により、蓋体の発熱は抑制されることとなり、熱歪及びそれに起因するパッケージの割れが生じ難くなっている。

ここで、蓋体の表面に形成される導電性金属からなる金属層の厚さは、０．５〜５０μｍとする。０．５μｍ未満であると、金属層の導電性が低下し、蓋体の抵抗が上昇するおそれがあるからである。一方、50μｍを上限とするのは、これ以上厚い金属層を設けるとパッケージの低背化のために蓋体を薄くする必要があり、蓋体の強度が低下することとなるからである。

そして、金属層を構成する導電性金属は、導電性良好な金属、例えば、銅、金、銀、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の各種の金属又はこれらの金属の合金を適用できるが、好ましくは、銅、金、銀、アルミニウム又はこれらの合金である。これらの金属は、特に良好な導電性を有し、蓋体の抵抗を低減するのに有用である。更に好ましいのは、銅や銅−ニッケル等の銅合金からなる金属層である。

本発明において、好ましいろう材は銀系ろう材であるが、その中でも、銀−銅合金（銅濃度１０〜３０重量％）、銀−銅−錫合金（銅濃度２０〜４０重量％、錫濃度１〜４０重量％）、銀−銅−インジウム合金（銅濃度２０〜４０重量％、インジウム濃度１〜４０重量％）が好ましい。これらの合金は融点が低く、熱影響が少ないからである。また、蓋体を構成する低熱膨張金属としては、コバール（鉄−２９重量％ニッケル−１７重量％コバルト合金）の他、鉄−ニッケル合金が適用できる。

本発明に係る蓋体は、金属層の表面にニッケル層を備えるものが好ましい。蓋体の耐食性を確保するためである。また、電子部品パッケージでは、その識別のために表面に識別記号を電子ビームマークにより印字することが多い。ニッケル層を形成することにより、印字性が良好となり、効率的なパッケージ製造に有用だからである。このニッケル層の厚さは、１〜５μｍとするのが好ましい。

本発明に係るパッケージ用蓋体の製造方法としては、製造効率を考えれば、蓋体を構成する各層が積層されたシート状のクラッド材を製造し、これを打ち抜き加工等により製造するのが好ましい。また、クラッド材の製造は、各層を構成する板材を順次圧延ロール等で圧接し、適宜に焼鈍を行うことにより製造することができる。また、金属層の表面にニッケル層を形成する方法としては、上記圧接工程で、ニッケル板を同様に圧接する他、めっきにより形成しても良い。

以上説明したように、本発明に係るパッケージ用の蓋体は、ダイレクトリッド方式によるパッケージの接合において、蓋体の発熱及びそれによる熱歪を抑制し、パッケージの割れを防止することができる。そして、本発明に係るパッケージ用の蓋体は、今後より高くなるであろうパッケージの低背化への要求に対応可能であり、パッケージへ接合した後の気密性においても良好である。

従来の中間層を備える蓋体を用いたパッケージ封止の工程を説明する図。 本発明の蓋体を用いたパッケージ封止の工程を説明する図。

第１実施形態：ニッケル製の板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．０３５ｍｍ）と、銅製の板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．０４３ｍｍ）と、コバール合金製の板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．４４ｍｍ）とを圧接してクラッド材を製造した。その後ろう材として銀−２８重量％銅合金からなる板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．０８５ｍｍ）をクラッド材に圧接して蓋体の素材となるクラッド材を製造した。そして、クラッド材を打ち抜き加工して蓋体（寸法１．５８×１．１８ｍｍ）を製造した。このときの各層の厚さは、４μｍ（ニッケル層）／５μｍ（銅層（金属層））／５１μｍ（コバール）／１０μｍ（ろう材）であった。蓋体は、後述の封止試験のため、１０万個製造した。

第２〜第４実施形態：ここでは、金属層である銅層の厚さを変えた蓋体を複数製造した。上記第１実施形態において、クラッドする銅製の板材の厚さを調整してクラッド材を製造し、これにろう材（銀−２８重量％銅合金）を圧接し、打ち抜き加工で蓋体を製造した。銅層の厚さは、１μｍ、１０μｍ、４０μｍとした。ニッケル層、コバール、ろう材の厚さは第１実施形態と同様である。これらの蓋体についても１０万個製造した。

第５〜第７実施形態：ここでは 金属層の材質を変更した蓋体を製造した。上記第１実施形態において、銀、金、銅−３０％ニッケル合金の板材を使用してクラッド材を製造し、これにろう材（銀−２８重量％銅合金）を圧接し、打ち抜き加工で蓋体を製造した。金属層の厚さは、いずれも５μｍに調整した。ニッケル層、コバール、ろう材の厚さは第１実施形態と同様である。これらの蓋体についても１０万個製造した。
第８〜第１０実施形態：ここでは ろう材の材質を変更した蓋体を製造した。上記第１実施形態において、銅の板材を使用してクラッド材を製造し、これにろう材としてそれぞれ銀−１５重量％銅，銀−２９重量％銅−４重量％Ｓｎ合金、銀−２５．９重量％銅−７．５重量％Ｉｎ合金を圧接し、打ち抜き加工で蓋体を製造した。金属層の厚さは、いずれも５μｍに調整した。ニッケル層、コバール、ろう材の厚さは第１実施形態と同様である。これらの蓋体についても１０万個製造した。

比較例１：従来の蓋体として、銅からなる中間層を有する蓋体を製造した。ニッケル製の板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．０３５ｍｍ）と、コバール合金製の板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．０３３ｍｍ）とを圧接してクラッド材を製造し、このクラッド材に銅製の板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．１７ｍｍ）を圧接してクラッド材とした。その後ろう材として銀−２８重量％銅合金からなる板材（幅１０ｍｍ、厚さ０．０６８ｍｍ）をクラッド材に圧接して蓋体の素材となるクラッド材を製造した。ぞして、クラッド材を打ち抜き加工して蓋体（寸法１．５８×１．１８ｍｍを製造した。このときの各層の厚さは、４μｍ（ニッケル層）／３８μｍ（コバール）／２０μｍ（中間層）／８μｍ（ろう材）であった。この蓋体も封止試験のため、１０万個製造した。

比較例２：ここでは比較例１について、ろう材の材質を変更した蓋体を製造した。比較例１と同様にしてクラッド材を製造し、これにろう材として銀−２９重量％銅−４重量％Ｓｎ合金を圧接し、打ち抜き加工で蓋体を製造した。このときの各層の厚さは比較例１と同様とした。この蓋体も封止試験のため、１０万個製造した。

次に、これらの蓋体を用いて、電子部品パッケージを製造した。パッケージの製造は、上部が開口したセラミック製のベースの接合部（縁部分）にメタライズ層（タングステン＋ニッケルめっき＋金めっき）を形成し、ベースの開口部に圧電振動素子を載置し、このベースに製造した蓋体を重ねて位置決めした。尚、パッケージのベースの寸法は、外寸１．６０ｍｍ×１．２５mm、内寸１．３０ｍｍ×０．９５ｍｍ、高さ０．３３ｍｍのものを使用した。その後、ローラー電極を接触させて、押圧・通電させつつ走行させることにより（通電時の電流値は８３Ａ）、接合部を通電加熱してろう材を溶融させて接合し、電子部品パッケージとした。

このパッケージの封止試験では、接合時のパッケージに割れの発生の有無を目視により確認し、製造個数（１０万個）に対する割れ発生個数の割合（割れ発生率）を求めた。また、接合時の蓋体中央部の温度を放射温度計で測定し、その平均値も記録した。更に、接合時の電圧値（８３Ａの電流を通電させるための電圧値）も測定した。これらの結果を表１に示す。

表１から、従来の中間層を備える蓋体は、割れ発生率が無視できない値であった。これに対し第１〜第１０実施形態に係る蓋体は、いずれも割れ発生率が著しく改善されている。そして、接合時の蓋体の温度も極めて低い。この蓋体の温度上昇の抑制が、割れ抑制に繋がったものと考えられる。

また、蓋体の電圧値について着目すると、比較例では１．２Ｖであったのに対し、第１〜第１０実施形態では０．６Ｖ以下と著しく低下し。この電圧値は、所定電流（８３Ａ）を通電させるための電圧値であり、上記結果は各実施形態の蓋体の抵抗値が低下していることを示す。このことより、本願に係る蓋体は、封止の信頼性・歩留を向上させるだけではなく、消費電力も低減できると考えられる。

尚、蓋体温度の値をみると、同じ材料であれば金属層が厚くなる程、蓋体の温度は低下する傾向にあると考えられる。但し、金属層を厚くすることは、パッケージの低背化に反することとなることから、金属層の厚さは要求されるパッケージの厚さと製品歩留まりにより設定することが好ましい。

本発明によれば、封止パッケージの製造について、割れ発生を抑制しつつ効率的に製造することができる。本発明は、蓋体全体を厚くすることなく前記効果を奏するものであり、電子部品の小型化への要求に応えることができる。

Claims (4)

1. 低熱膨張金属からなる蓋体と、該蓋体のベースへの接合面に接合される銀系ろう材層とからなるパッケージ封止用の蓋体であって、
   前記蓋体は、前記接合面の反対側の表面に、導電性金属からなる厚さ０．５〜５０μｍの金属層を備えるパッケージ封止用の蓋体。
2. 金属層を構成する導電性金属は、銅、金、銀、アルミニウム、又は、これらの金属の合金のいずれかである請求項１記載のパッケージ封止用の蓋体。
3. 銀系ろう材は、銀−銅合金、銀−銅−錫合金、銀−銅−インジウム合金である請求項１又は請求項２に記載のパッケージ封止用の蓋体。
4. 更に、金属層の表面にニッケル層を備える請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のパッケージ封止用の蓋体。

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