JP5459127B2 - 機能部品の製造方法及び機能部品 - Google Patents

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Description

本発明は、セラミック基板に固着されている機能素子に蓋を被せて封止する機能部品の製造方法及び機能部品に関するものである。
近年、モバイル機器、例えば携帯電話等において、内部の電子回路部を小型・薄型化することが求められている。しかしながら、電子回路部を小型・薄型化することで、機器内部に搭載されるICチップ、水晶振動子及びSAW(Surface Acoustic Wave)フィルタ等(以下、「機能素子」という)が、所望の周波数の電波を送受信する際に、当該周波数以外の周波数成分であるノイズの影響を受けやすくなる。
このようなノイズの影響の問題を解決する手段として、機能素子を密閉空間に封止することが考えられている。例えば、リッド(蓋)の一例であるキャップの内面全体にはんだを予め付着させておいて、基板にダイボンドされた機能素子を当該キャップで覆って加熱することで、キャップ内面のはんだが溶融して、キャップと基板とがはんだ付けされて機能素子が封止される(特許文献1)。
このときに使用されるはんだは、封止用のはんだであり、例えば、融点が260度以上の高温はんだである。高温はんだが使用される理由は、機能素子を封止処理した後にこの機能素子をプリント基板等に実装することによる。つまり、機能素子をプリント基板に実装するはんだには、その融点が220℃程度の例えばSn-3.0%Ag-0.5%Cuはんだが一般に用いられていて、封止に高温はんだではなくSn-3.0%Ag-0.5%Cuはんだを用いると、機能素子をプリント基板に実装する際に、当該はんだが再溶融してしまう。
特開2004−55774号公報
封止に用いられるキャップは、金属製フープ基材に封止用のはんだを予め付着させた後、プレス加工による打ち抜きと同時に、あるいは、プレス打ち抜きに先立って絞り加工を行って、当該キャップの形状を成形する。この場合、封止用のはんだは絞り加工に耐えうるものでなければならない。
しかしながら、上述の絞り加工に耐えうるような高温はんだは、鉛フリーはんだでは存在しない(鉛入りのはんだは、絞り加工に耐えうるが、地球環境保護の点からその使用は適していない。)。封止用のはんだであるBi-Sn系のはんだ(ここで、Bi-Sn系のはんだとは、Bi及びSnからなるはんだや、このBi及びSnからなるはんだに、Ag、Cu、Fe、Ni、Co、Sb、In及びZnのうち1種以上が少量添加されたものをいう。)は、硬くて脆いために、絞り加工によって当該はんだにクラックが発生したり、キャップから剥離したりする可能性がある。クラックの発生やキャップからの剥離が生じると、キャップに付着するはんだの量が減少して、キャップと基板との間で隙間が生じて封止不良が生じる可能性がある。
また、Bi-Sn系のはんだの代わりに、80%Au-20%Snのはんだをプリフォームしたものが使用可能であるが、このはんだは高価なために大量生産に適さない。
本発明は、このような課題を解決したものであって、鉛フリーはんだを使用して、機能素子を外部から確実に遮蔽(封止)することができ、生産性に優れた機能部品の製造方法及び機能部品を提供することを目的とする。
本発明者らは、金属製フープ基材にBi-Sn系の高温はんだを予め付着させるのではなく、内面を表面処理されたキャップと、箔形状のBi-Sn系のはんだとを組み合わせることにより、所望の封止が実現できることを見出した。
本発明に係る機能部品の製造方法は、各々が電極部に囲われた複数の機能素子をセラミック基板に固定する第1の工程と、機能素子を露出するように複数の開口孔が設けられた、Biが90%以上、残りがSnで構成されたはんだ箔をセラミック基板に載置する第2の工程と、方が開口されると共に、外周部にフランジを有する蓋であって、該フランジが電極部上のはんだ箔の表面に当接するように複数ので機能素子を各々覆う第3の工程と、蓋をセラミック基板に向けて加圧しながら、はんだ箔が溶融する温度以上に該セラミック基板を加熱して、複数の機能素子を封止する第4の工程とを有するものである。
本発明に係る機能部品の製造方法では、各々が電極部に囲われた複数の機能素子をセラミック基板に固定し、この固定した機能素子を露出するように複数の開口孔が設けられた、Biが90%以上、残りがSnで構成されたはんだ箔をセラミック基板に載置し、方が開口されると共に、外周部にフランジを有する蓋であって、該フランジが電極部上のはんだ箔の表面に当接するように複数ので機能素子を各々覆い、蓋をセラミック基板に向けて加圧しながら、はんだ箔が溶融する温度以上に該セラミック基板を加熱して、複数の機能素子を封止する。例えば、はんだ箔は、Bi-Sn系はんだで構成される。
これにより、溶融したはんだ箔がセラミック基板に形成された電極部に集まって、セラミック基板と蓋とが固着されて、はんだ付けすることができるようになる。
また、本発明に係る機能部品は、各々が電極部に囲われた複数の機能素子をセラミック基板に固定する第1の工程と、機能素子を露出するように複数の開口孔が設けられた、Biが90%以上、残りがSnで構成されたはんだ箔をセラミック基板に載置する第2の工程と、方が開口されると共に、外周部にフランジを有する蓋であって、該フランジが電極部上のはんだ箔の表面に当接するように複数ので機能素子を各々覆う第3の工程と、蓋をセラミック基板に向けて加圧しながら、はんだ箔が溶融する温度以上に該セラミック基板を加熱して、複数の機能素子を封止する第4の工程とで製造されることを特徴とするものである。
本発明に係る機能部品の製造方法及び機能部品によれば、セラミック基板と蓋とを固着するはんだに硬くて脆いBi-Sn系はんだを使用しても、当該はんだに従来のようなクラックが発生せず、キャップからの剥離も生じない。この結果、キャップに付着するはんだの量が減少することを防止でき、機能素子を外部から遮蔽(封止)した、生産性に優れた機能部品を提供することができる。
SAWフィルタ装置1の構成例を示す正面断面図である。 はんだ箔5の製造例(その1)を示す説明図である。 はんだ箔5の製造例(その2)を示す説明図である。 SAWフィルタ装置1の製造例(その1)を示す分解斜視図である。 SAWフィルタ装置1の製造例(その2)を示す分解斜視図である。 SAWフィルタ装置1の製造例(その3)を示す分解斜視図である。
以下、図面を参照して本発明の機能部品の一例としてSAWフィルタ装置について説明する。
[SAWフィルタ装置1の構成例]
図1に示すように、本実施の形態に係る機能部品の一例であるSAWフィルタ装置1は、セラミック基板2、機能素子の一例であるSAWフィルタ素子3、蓋の一例であるキャップ4及びはんだ箔5で構成される。
SAWフィルタ装置1は、キャップに予めはんだを形成せずに、セラミック基板2とキャップ4との間に鉛フリーはんだで構成された箔形状のはんだ箔5を噛ませて固着するので、従来のようにキャップ4からはんだのクラックが発生しない。SAWフィルタ装置1は、鉛フリーはんだを使用して、SAWフィルタ素子3を外部から遮蔽(封止)し、かつ、はんだのクラックに起因する封止不良を防止することができる。
セラミック基板2は、はんだ溶融時の加熱温度に耐えることができる電気絶縁性の材料であるセラミックスで構成される。このセラミックスは、例えば、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト及びガラスセラミック等の材料である。
セラミック基板2の表面の所定の位置に電極部2a,2bが形成される。電極部2a,2bは、例えば、WやMo等の高融点金属でメタライズ処理した後、Niめっき及びAuめっきを施すことにより形成される。
電極部2aは、SAWフィルタ素子3の周囲を囲うように形成され、セラミック基板2とキャップ4とを接合するためのものである。電極部2bは、SAWフィルタ素子3の固定位置に形成され、SAWフィルタ素子3のグランド電極になる。
セラミック基板2にはSAWフィルタ素子3が超音波振動等で実装される。SAWフィルタ素子3は、表面弾性波素子とも呼ばれ、所定の周波数の電波のみを通過させる機能を有し、当該周波数以外の周波数成分であるノイズを除去するために用いられる。
セラミック基板2にははんだ箔5が形成される。はんだ箔5は、厚さ30μm程度の箔形状を有し、鉛フリーはんだであって、Bi-Sn系の高温はんだで構成される。例えば、はんだ箔5は、Biが90%以上、残りがSnで構成されたり、Biが90%以上、Snが5%以下、残りがAg、Cu、Fe、Ni、Co、Sb、In及びZnのうち1種以上で構成されるものである。
はんだ箔5には図4で後述する開口孔5aが複数設けられる。この開口孔5aは、SAWフィルタ素子3を露出するために当該SAWフィルタ素子3の外形よりもわずかに大きい(例えば、開口孔5aの大きさは、電極部2aの内周と同じ大きさでもよいし、電極部2aの内周と外周との距離を幅としたとき、電極部2aの内周から当該幅の1/3程度外周へ広がった大きさでもよい。)ものであり、キャップ4の外周部にあるフランジのみに溶融したはんだ箔5が集合されるように開口されている。因みに、図1のSAWフィルタ装置1では、はんだ箔5は、溶融してはんだ付けされるので、正確には箔形状ではない。
キャップ4は、その下方が開口され、SAWフィルタ素子3を覆うSAWフィルタ素子用の蓋(機能素子用蓋)である。また、キャップ4は、その外周部にフランジが設けられ、このフランジがはんだ箔5に当接する。はんだ箔5の下方には電極部2aが形成されていて、キャップ4は、電極部2a及びはんだ箔5を介してセラミック基板2に接合することで、SAWフィルタ素子3を封止する。因みに、キャップ4のサイズは、縦:約2mm、横:約3mm、高さ:約0.5mm、厚さ:0.1mm未満である。
キャップ4は、溶融したはんだを付着しやすくするための表面処理(表面の酸化を防止するための処理)を施した平板を絞り加工して、その後、所定のサイズに打ち抜くことで、図1や後述する図6のような形状に形成される。キャップ4に使用される材料は、その熱膨張係数がセラミック基板2の熱膨張係数に近いものが好ましい。例えば、キャップ4の材料としては、42アロイ(Fe-42Ni合金)、45アロイ(Fe-45Ni合金)及びコバール(Fe-29Ni-17Co合金)等が挙げられる。
このように構成されたSAWフィルタ装置1は、セラミック基板2に形成された電極部2aとキャップ4とを箔形状のはんだ箔5ではんだ付けしてSAWフィルタ素子3を封止する。これにより、従来のSAWフィルタ装置のようにキャップの内面全体に高温はんだを付着させてから絞り加工等をする必要がないので、はんだのクラックやキャップからのはんだの剥離が発生しない。この結果、SAWフィルタ装置1は、キャップに付着するはんだの量が減少することを防止でき、SAWフィルタ素子3を外部から遮蔽して、はんだのクラックに起因する封止不良を防止することができる。
[はんだ箔製造装置50の構成例]
次に、はんだ箔製造装置50の構成例について説明する。はんだ箔5は、図2に示すはんだ箔製造装置50で製造される。はんだ箔製造装置50は、ノズル51、ヒータ52、ローラ53及びスクレーパ54で構成される。これらの構成部材が当該はんだ箔製造装置50内に収容される。
ノズル51は、一端に溶融はんだを吐出する吐出部51bを有し、他端にはんだやアルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを取り入れる取入部51aを有する。ノズル51は、例えば、石英ガラス等の耐熱性を有する材料で構成される。ノズル51の吐出部51bは、窄まった形状になっているが、これに限定されない。
ノズル51の吐出部51b近傍にはヒータ52が設けられる。ヒータ52は、ノズル51に投入されるはんだを加熱して溶融させるものである。従って、ヒータ52は、はんだの融点以上の加熱能力があるものである。例えば、ヒータ52には、高周波加熱装置や、ハロゲンヒータ等が挙げられる。
ノズル51及びヒータ52の下方にはローラ53が設けられる。ローラ53は、軸53aを中心にして回転する。ローラ53は、熱伝導の良好な材料で構成され、例えば、銅等で構成される。ローラ53は、外周面にはんだ箔5を形成する形成面53bを有する。形成面53bは、はんだ箔5の厚みを一定にするため、ほとんど凹凸がなく均一になっている。
ローラ53の形成面53bにはスクレーパ54が設けられる。スクレーパ54は、形成面53bで生成されたはんだ箔5をその先端部54aで掻き取るものである。形成面53bとスクレーパ54とは、非常に近接しているが、接してはいない。この理由は、形成面53bとスクレーパ54とが接してしまうと、形成面53bに傷が付いたり、スクレーパ54を傷めたりして、均一の厚みのはんだ箔5を形成することができなくなってしまうことによる。
[はんだ箔5の製造方法]
次に、はんだ箔5の製造方法について説明する。はんだ箔製造装置50内は、減圧されて、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスが満たされていて、ノズル51の取入部51aに投入されたBi-Sn系はんだが吐出部51b付近に待機していることを前提とする。
図2に示すように、ローラ53を反時計回りに所定の速度で高速回転させる。ヒータ52をONにしてノズル51を加熱し、ノズル内のはんだを溶解して、溶融はんだの状態にする。
ノズル51をローラ53上の所定の位置まで急降下させて、取入部51aから所定の流量の不活性ガスを噴出する。すると、ノズル51に待機している溶融はんだは、取入部51aからの不活性ガスに押されることにより、吐出部51bからローラ53上に吐出して、パドル5bと称す雫形状の溶融はんだを形成する。パドル5bは、高速回転しているローラ53の形成面53bで瞬時に急冷・凝固しながら、図3に示すようなはんだ箔5を連続的に形成する。
このはんだ箔5は、ノズル51の取入部51aに噴出させる不活性ガスの圧力とローラ53の回転速度とにより、その厚みが決定される。形成面53bに形成されたはんだ箔5は、ローラ53の回転によりスクレーパ54まで到達する。このとき、ローラ53は熱伝導の良好な材料で構成されているので、冷却されて箔形状の固体になっている。スクレーパ54まで到達したはんだ箔5は、スクレーパ54の先端部54aで掻き取られて、スクレーパ54の他端にある図示しないはんだ箔回収部に回収される。
その後、図示しない穿設装置ではんだ箔5の所定の箇所に、図4で示す開口孔5aを、セラミック基板2に固定されたSAWフィルタ素子3の数と同じ数だけ穿設することにより、本発明に係るはんだ箔5が完成する。
[SAWフィルタ装置1の製造方法]
次に、本発明に係るSAWフィルタ装置1の製造方法の一例について説明する。図4に示すように、セラミック基板2に電極部2aが形成され、電極部2aに囲われて所定数のSAWフィルタ素子3がセラミック基板2に固定され、はんだ箔5の所定の箇所にSAWフィルタ素子3を露出する開口孔5aが所定数だけ設けられていることを前提にする。また、セラミック基板2とキャップ4とをフラックスを使用しないではんだ付けするために、低酸素濃度雰囲気になっている。なお、セラミック基板2に形成された電極部2a、セラミック基板2に固定されたSAWフィルタ素子3、はんだ箔5に形成された開口孔5aについて、図4乃至図6では図を見易くするためにそれらの数を省略している。
SAWフィルタ素子3が所定の位置に固定されたセラミック基板2に上方からはんだ箔5を載置する。このとき、はんだ箔5の開口孔5aからSAWフィルタ素子3が露出するように、セラミック基板2及びはんだ箔5を位置決めしておく。これにより、セラミック基板2にはんだ箔5が形成される。
図5に示すように、はんだ箔5が載置されたセラミック基板2のSAWフィルタ素子3の各々に、下方が開口されたキャップ4を覆う。
その後、図6に示すように、キャップ4の上方から加圧装置60を下ろして、当該キャップ4をセラミック基板に(矢印方向に)向けて加圧しながら、はんだ箔が溶融する温度以上で加熱する。この加熱は、コンベア式のリフロー炉で行っても良いし、バッチ式の加熱炉で行っても良い。但し、加熱温度は、はんだ箔がBi-Sn系の高温はんだで構成されるので、この高温はんだの融点以上(本例では加熱温度を約350度に設定している)にする。
はんだ箔5が加熱されると溶融はんだ状態になる。この溶融はんだは、セラミック基板2に対して濡れ難いので、当該セラミック基板2にははんだ付けされずに電極部2aに集まっていく。このため、はんだ箔5の開口孔5aの大きさは、電極部2aの内周と同じ大きさでなくとも、電極部2aの内周と外周との距離を幅としたとき、電極部2aの内周から当該幅の1/3程度外周へ広がった大きさであれば良い。
これにより、電極部2aを介してセラミック基板2とキャップ4とがはんだ箔5(溶融はんだ)により固着されて、封止することができるようになる。
SAWフィルタ素子3をキャップ4で封止した後、各種検査(封止の検査や、電気的検査等)を行い、ダイシングにより個片にすることで、SAWフィルタ装置1が完成する。
このように、本実施の形態に係るSAWフィルタ装置1の製造方法によれば、所定の位置に電極部2a,2bが形成されるセラミック基板2に、電極部2aに囲われて所定数のSAWフィルタ素子3を固定し、この固定したSAWフィルタ素子3を露出する所定数の開口孔5aが設けられたはんだ箔5をセラミック基板2に形成(載置)し、このはんだ箔5の開口孔5aによって露出したSAWフィルタ素子3に、下方が開口されたキャップ4を覆い、このキャップ4をセラミック基板2に向けて加圧しながら、はんだ箔5が溶融する温度以上で加熱する。
これにより、溶融したはんだ箔5がセラミック基板2に形成された電極部2aに集まって、セラミック基板2とキャップ4とが固着されて、はんだ付けすることができるようになる。
このように、本実施の形態に係るSAWフィルタ装置1によれば、セラミック基板2とキャップ4とを固着するはんだに硬くて脆いBi-Sn系はんだを使用しても、当該はんだに従来のようなクラックが発生せず、キャップ4からの剥離も生じない。この結果、キャップ4に付着するはんだの量が減少することを防止でき、SAWフィルタ素子3を外部から遮蔽(封止)した、生産性に優れた機能部品を提供することができる。
なお、本実施の形態では機能素子をSAWフィルタ素子で説明したが、これに限定されず、水晶振動子やICチップ等にも適用可能である。
1 SAWフィルタ装置(機能部品)
2 セラミック基板
2a,2b 電極部
3 SAWフィルタ素子(機能素子)
4 キャップ
5 はんだ箔
5a 開口孔
5b パドル
50 はんだ箔製造装置
51 ノズル
52 ヒータ
53 ローラ
54 スクレーパ
60 加圧装置

Claims (5)

  1. 各々が電極部に囲われた複数の機能素子をセラミック基板に固定する第1の工程と、
    前記機能素子を露出するように複数の開口孔が設けられた、Biが90%以上、残りがSnで構成されたはんだ箔を前記セラミック基板に載置する第2の工程と、
    方が開口されると共に、外周部にフランジを有する蓋であって、該フランジが前記電極部上のはんだ箔の表面に当接するように複数ので前記機能素子を各々覆う第3の工程と、
    前記蓋を前記セラミック基板に向けて加圧しながら、前記はんだ箔が溶融する温度以上に該セラミック基板を加熱して、複数の前記機能素子を封止する第4の工程とを有する機能部品の製造方法。
  2. 前記はんだ箔は、
    Bi-Sn系はんだで構成されることを特徴とする請求項1に記載の機能部品の製造方法。
  3. 前記機能素子は、
    表面弾性波素子又は水晶振動子であることを特徴とする請求項1に記載の機能部品の製造方法。
  4. 各々が電極部に囲われた複数の機能素子をセラミック基板に固定する第1の工程と、
    前記機能素子を露出するように複数の開口孔が設けられた、Biが90%以上、残りがSnで構成されたはんだ箔を前記セラミック基板に載置する第2の工程と、
    方が開口されると共に、外周部にフランジを有する蓋であって、該フランジが前記電極部上のはんだ箔の表面に当接するように複数ので前記機能素子を各々覆う第3の工程と、
    前記蓋を前記セラミック基板に向けて加圧しながら、前記はんだ箔が溶融する温度以上に該セラミック基板を加熱して、複数の前記機能素子を封止する第4の工程とで製造されることを特徴とする機能部品。
  5. 前記蓋には、はんだを付着するための表面処理が施されていることを特徴とする請求項4に記載の機能部品。
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