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。
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、下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蓋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、下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蓋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、下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蓋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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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、
下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蓋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。 - 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。 - 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。 - 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、
下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蓋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。 - 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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