JP4071191B2 - 電子部品パッケージ封止用の蓋体 - Google Patents

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。

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。パッケージを封止するのは、半導体素子が空気中の湿気、酸素により特性が不安定となるのを防止するためである。この電子部品のパッケージにおいて、ベースはアルミナ、窒化アルミニウム等の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。

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方法が一般的である。そして、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。シールリング法はリング状（枠状）のろう材を蓋体に接合し、これをベースに載置し、シーム溶接、電気炉加熱してろう材を溶融させて接合する方法である。この方法は容器材質及びその薄さに制限を持たせる必要がなく、高レベルの気密状態を適正なコストで実現できるという利点があることから、従来から広く用いられている方法である。

しかし、最近の電子部品の小型化に対しては、このシールリング方式は十分に対応できない。何故ならば、シールリング方式では蓋体とベースとを確実に接合するために相応の厚さのろう材を接合しておく必要があるが、それでは蓋体全体の厚さが大きくなり、結果、パッケージ全体の厚さが大きくなってしまう。これでは、低背化が要求されるパッケージに対応できない。

そこで、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、電子ビ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。この方法では厚みのあるろう材を用いる必要はなく、パッケージの低背化を図りつつ気密封止が可能となる。

一方、ダイレクトリッド方式にも問題がないわけではない。即ち、この方法では蓋体をベースに固定した後、シーム溶接、電子ビーム溶接を行うが、その際の条件（電流値、エネルギー出力等）の設定に正確さが必要となり、熱歪が生じやすくパッケージの変形、破損が生じ易い。この場合、溶融状態のろう材がこれをある程度は緩和できるが、ろう材の量は少ないことからその効果は十分ではなく、変形等を免れることはできない。

そこで、ダイレクトリッド法において、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、蓋体接合時に派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。
特開２００３−１５８２１１号公報

上記した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、気密性を確保することができる点で有効なものである。しかしながら、中間層を設けるということは必然的に蓋体全体の厚みを大きくすることであるから、むやみに中間層を厚くすることはできない。この点、本発明者が検討したところ、銅を中間層とする場合、気密性を確保するという前提のもとで有効な中間層の厚さは4０μｍであるが、これでは今後より低背化が求められる電子部品に十分対応できないと考えられる。

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、中間層を従来以上に薄くすることができ、且つ、ベースへ接合後の気密性においても良好なもの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、銅に替えて、銅−ニッケル合金を適用することでより好ましい中間層を形成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、前記蓋体と銀系ろう材層との中間に銅−ニッケル合金よりなる中間層を備えるパッケージ封止用の蓋体である。

従来の銅を中間層とする蓋体では、銅の電気抵抗が小さいために、抵抗加熱による溶接をその原理とするシーム溶接では溶接に時間を要する。そして、パッケージはシーム溶接が完了するまでの間熱歪の影響を受け続けることとなる。従来の蓋体で銅中間層が４０μｍ程度必要となるのは、このシーム溶接が完了するまでの間に熱歪の影響を緩和するのに十分な厚さが必要となるからである。本発明では、この点に鑑み、銅よりも電気抵抗が大きい銅−ニッケル合金を用いる。これによりシーム溶接を短時間で完了させることができ、熱歪緩和のための時間を短縮させ、中間層の厚さを薄くすることができる。そして、溶接性の良好な銅−ニッケル合金を用いることにより、接合部品質も良好となり、気密性の高いパッケージを製造することができる。

ここで、中間層を形成する銅−ニッケル合金の組成は、ニッケル濃度を２０〜５０重量％とするのが好ましい。２０重量％未満とすると電気抵抗が小さく溶接性を損ねるからである。一方、ニッケル濃度の上昇に伴い電気抵抗は上昇するが、５０重量％を超えると電気抵抗が低下する傾向があり、この場合も溶接性が悪化する。そして、特に好ましいのは、３０〜５０重量％である。

中間層の厚さは１〜３０μｍとするのが好ましい。１μｍ未満であると、溶接時の熱歪の緩和が不十分となるからであり、３０μｍを超えると蓋体が厚くなりパッケージの小型化に好ましくないからである。

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％）、銀−銅−亜鉛合金（銅濃度２０〜４０重量％、亜鉛濃度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、その表面（ろう材槽とは反対の面）にニッケル層を備えるものが好ましい。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。

以上のように、本発明では中間層として銅−ニッケル合金を適用することにより中間層を薄くしつつ蓋体接合時の熱歪の緩和を図ることができる。ここで、銅−ニッケル合金は、強度的にパッケージの蓋体として適用可能である。こで、銅−ニッケル合金自体を蓋体の本体とし、これに銀系ろう材を接合したものを蓋体としても良い。

この場合の、銅−ニッケル合金の厚さは、３０〜１００μｍとするのが好ましい。３０μｍ未満であると強度が低くなりすぎてパッケージの蓋体として機能しないからであり、１００μｍを超えるとパッケージの低背化に十分対応できないからである。また、銀系ろう材については、上記と同様のものが適用でき、その厚さも同様の範囲とすることが好ましい。

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。このクラッド材としては、銅−ニッケル合金層を蓋体の本体とする場合は、銀系ろう材層と、該銀系ろう材層の表面に銅−ニッケル合金層が積層されたクラッド材が用いられ、低熱膨張金属を蓋体の本体とする場合は、銅−ニッケル合金層の表面に低熱膨張金属層を積層したクラッド材が用いられる。また、最表面にニッケル層を備える蓋体の製造においては、最表面層である銅−ニッケル合金層又は低熱膨張金属層の表面に更にニッケル層を積層したクラッド材が用いられる。尚、銅−ニッケル合金層は、ニッケル濃度２０〜５０重量％の銅−ニッケル合金が好ましく、銅−ニッケル合金層の厚さは、この層が蓋体の本体となるか中間層となるかにより異なり、１〜３０μｍ又は３０〜１００μｍとするのが好ましい。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、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、接合時の熱歪を十分に緩和しつつ、中間層を従来以上に薄くすることができることから、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となる。本発明に係るパッケージ用の蓋体は、溶接性も良好で、接合後の気密性においても良好である。

第１実施形態：まず、ニッケル製の板材（幅２７ｍｍ、厚さ０．０６５ｍｍ）と、コバール合金製の板材（幅２７ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ）とを圧接してクラッド材を製造し、このクラッド材に銅−３０重量％ニッケル合金製の板材（幅２７ｍｍ、厚さ０．０６１ｍｍ）を圧接してクラッド材とした。そして、このクラッド材を水素と窒素ガスとの混合雰囲気下で７５０℃、２分間焼鈍し、その後ろう材として銀−２８重量％銅合金からなる板材（幅２７ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ）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を蓋体（寸法３．０５×１．３５ｍｍ）を製造した。このときの各層の厚さは、０．００３ｍｍ（ニッケル層）、０．０６４ｍｍ（コバール）、０．００３ｍｍ（銅−３０重量％ニッケル層（中間層））、０．０１５ｍｍ（ろう材層）であった。

第２実施形態：ここでは、蓋体としてコバールを適用せず、第１実施形態では銅−３０重量％ニッケル合金を蓋体の本体として蓋体を製造した。ここでの基本的な製造工程は、第１実施形態と同様であり、ニッケル板材と銅−３０重量％ニッケル合金板材とを圧接して焼鈍後、これに第１実施形態と同様に銀−２８重量％銅合金板材を圧接してクラッド材を製造し、打ち抜き加工にて蓋体を製造した。このときの各層の厚さは、０．００３ｍｍ（ニッケル層）、０．０４７ｍｍ（銅−３０重量％ニッケル層）、０．０１５ｍｍ（ろう材層）であった。

第３実施形態：ここでは、第２実施形態において、ろう材として銀−３０重量％銅−１０重量％錫合金を用いて蓋体を製造した。製造工程については第２実施形態と同様とした。このときの各層の厚さは、０．００３ｍｍ（ニッケル層）、０．０４７ｍｍ（銅−３０重量％ニッケル層）、０．０１５ｍｍ（ろう材層）であった。

比較例１、２：上記各実施形態に対する比較として、第１実施形態と構成を同じくし、中間層として銅を適用する蓋体を製造した。製造工程については第１実施形態と同様とし、各層の厚さは、比較例１として、０．００３ｍｍ（ニッケル層）、０．０４５ｍｍ（コバール）、０．０４０ｍｍ（中間層）、０．０１５ｍｍ（ろう材層）のものと、比較例２として０．００３ｍｍ（ニッケル層）、０．０６４ｍｍ（コバール）、０．００３ｍｍ（中間層）、０．０１５ｍｍ（ろう材層）のものの２種類を製造した。

以上製造した第１〜第３実施形態、及び、比較例１，２の蓋体の構成を図１に示す。

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、図２のように、上部が開口したセラミック製のベース１００の接合部にメタライズ層１０１（タングステン＋ニッケルめっき＋金めっき）を形成し、ベース１００の開口部に圧電振動素子１０２を載置し、このベース１００に蓋体１を重ねて位置決めした。その後、溶接ローラー２００を接触させて、押圧・通電させつつ溶接ローラー２００を走行させることにより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３００とした。

このパッケージの製造工程においては、シーム溶接性も評価している。シーム溶接性とは、シーム溶接のし易さを示すが、これは、接合時においてパッケージに割れの発生の有無を目視により確認すると共に、接合後の蓋体とベースとの接合状態を断面形状により判断することにより評価するものである。

表１は、第１〜第３実施形態、及び、比較例１，２に係る蓋体を用いて製造された電子部品パッケージのシーム溶接性、蓋体の厚みを示す。

表１から、第１〜第３実施形態に係る蓋体により製造されるパッケージの蓋体厚さは、いずれも０．１ｍｍ以下となっておりパッケージの低背化に有効であることが確認された。この点、比較例（従来技術）において中間層の厚さを薄くした比較例２でも蓋体厚さを薄くすることができるが、この場合、パッケージに割れが発生し、シーム溶接性に劣ることが確認された。

第１〜第３実施形態及び比較例１，２の蓋体の構成を示す図。 本実施形態で実施したパッケージの製造工程を示す図。

Claims (3)

1. コバール、鉄ニッケル合金からなる蓋体と、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電子部品パッケージ封止用の蓋体であって、
   前記蓋体と銀系ろう材層との中間に、ニッケル濃度が３０重量％の銅−ニッケル合金よりなり、厚さ１〜３０μｍの中間層を備える電子部品パッケージ封止用の蓋体。
2. 前記銀系ろう材は、銀−銅合金、銀−銅−錫合金、銀−銅−インジウム合金、銀−銅−亜鉛合金である請求項１記載の電子部品パッケージ封止用の蓋体。
3. 前記蓋体の表面にニッケル層を備える請求項１又は請求項２記載の電子部品パッケージ封止用の蓋体。

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