JP5695409B2 - 電子部品およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は表面実装型電子部品とその製造法に関するものである。
たとえば水晶振動子等の電子部品は、電子機器の基準発振源や、マイクロコンピュータのクロック源などとして用いられている。
この水晶振動子は中空かつ真空に気密封止された小型の表面実装型パッケージに水晶振動片を封入して構成される表面実装型電子部品が中心となっている。
従来の中空で気密封止された小型の表面実装型パッケージとしてセラミックス、ガラス、結晶化ガラスなどの脆性材料の容器にガラス・金属などの蓋を接合した表面実装型パッケージが製造されている。
このようなパッケージを用いた水晶振動子は、基板にガラスまたは金属製の蓋が接合材で接合されており、外部電極と内部電極とは貫通電極により接続されている。また、内部電極は接続材により水晶振動片と接続されている。また、基板はセラミックス、ガラス、結晶化ガラスなどが使用される。
セラミックスの場合、厚膜導体に電気めっきを施すのが一般的であるが、ガラス、結晶化ガラスなどでは厚膜導体を使用するような高温過程が行えない。また、ガラス、結晶ガラスは、脆く欠けやすいのでバレルめっきによる電気めっきが利用できない。このため外部電極は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕの３層構造をスパッタで形成するのが一般的である（特許文献１、特許文献２）。図６にこの３層構造の外部電極の構造を詳しく示す。
外部電極は、ガラスなどで形成された基板１に対して密着性がよいＣｒ，Ｔｉなどから選ばれる下地金属層１２と、下地電極層１２上にはんだとの接続をなすＮｉ、Ｐｔなどから選ばれるはんだ付け金属層１３と、はんだ付け金属層１３上にはんだ付け金属層１３の酸化を防止し、はんだ付け時にすみやかにはんだに溶解するＡｕ、Ａｇ、Ｓｎなどで形成される保護金属層１４とから構成される。
このとき、外部電極として、最も多く利用されるのはＣｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層構造である。
このような水晶振動子は、外部電極がはんだにより電子装置の回路基板のランドと接続・固定され回路基板とともに電子装置に実装される。
ところでＣｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層構造とした場合、Ｃｒ、Ｎｉの熱膨張率はそれぞれ６．２ｐｐｍ／℃、１３．７ｐｐｍ／℃とその差が大きい。そのため、はんだ付け後に大きな熱応力が生じ衝撃等により基板とＣｒあるいはＣｒとＮｉの間で剥離が生じやすい。
また、基板として廉価なソーダガラスを用いた場合、ソーダガラスの熱膨張率は約８〜９ｐｐｍ／℃であるため、ソーダガラスとＣｒの熱膨張率もやや差がある。
これを改善するために、下地に熱膨張率約９ｐｐｍ／℃のＴｉを利用しＴｉ−Ｎｉ−Ａｕの３層構造にすると熱応力的には有利であるが、ＴｉとＮｉははんだ付け時の加熱温度であるはんだ付け温度のような低温でも反応し、脆い金属間化合物を形成するため衝撃等により剥離を生じやすい。
そこで、本発明は上記欠点を改善し表面実装型電子部品の外部電極の耐衝撃性を向上させることを目的とするものである。
上記課題を解決するため本発明では、脆性材料で形成された基板と、前記基板を備えたパッケージと、前記パッケージに設置された電子素子と、前記基板上に形成された外部電極と、を備える電子部品において、前記外部電極が、前記基板上に形成された下地金属層と、前記下地金属層上に形成されたバリア金属層と、前記バリア金属層上に形成されたはんだ付け金属層と、前記はんだ付け金属層上に形成された保護金属層を備え、前記バリア金属層は、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層の熱膨張率と近い熱膨張率を有するとともに、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層とはんだ付け温度より低い温度で反応しない金属で形成されていることを特徴とする。
本発明によれば、はんだ付け時の熱応力を低減することができる。また、下地金属層とはんだ付け金属層の間に脆い金属間化合物相が形成されることを抑制し、衝撃によって破壊しにくい界面を形成することにより、回路基板にはんだ付けした際の衝撃に強い外部電極を得ることができる。
また、前記バリア金属層がＶあるいはＶ合金で形成されることを特徴とする。
また、前記下地金属層がＴｉあるいはＴｉ合金で形成されることを特徴とする。
また、前記下地金属層がＴｉあるいはＴｉ合金で形成されることを特徴とする。
また、前記はんだ付け金属層はＮｉ、Ｃｏ、及びＮｉ合金のいずれかで形成されることを特徴とする。
また、前記基板がソーダガラスであることを特徴とする。
また、前記電子素子が水晶振動片であることを特徴とする。
また、前記基板がソーダガラスであることを特徴とする。
また、前記電子素子が水晶振動片であることを特徴とする。
また、本発明は、脆性材料で形成された基板と、前記基板を備えたパッケージと、前記パッケージに設置された電子素子と、前記基板上に形成され、下地金属層、はんだ付け金属層、及び保護金属層を有する外部電極と、を備える電子部品の製造方法において、前記基板上に前記下地金属層を形成する工程と、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層の熱膨張率と近い熱膨張率を有するとともに、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層とはんだ付け温度より低い温度で反応しないバリア金属層を前記下地金属層上に形成する工程と、前記バリア金属層上に前記はんだ付け金属層を形成する工程と、前記はんだ付け金属層上に前記保護金属層を形成する工程とにより外部電極を形成する工程を備えることを特徴とする。
本発明によれば、はんだ付け時の熱応力を低減することができる。また、下地金属層とはんだ付け金属層の間に脆い金属間化合物相が形成されることを抑制し、衝撃によって破壊しにくい界面を形成することにより、回路基板にはんだ付けした際の衝撃に強い外部電極を得ることができる。
以下に、本発明を詳細に説明する。
以下に、本発明の第一実施形態に係る電子部品を図１から図３を用いて詳細に説明する。
以下に、本発明の第一実施形態に係る電子部品を図１から図３を用いて詳細に説明する。
図１は本発明に係る電子部品の外部電極の断面を示す図である。また、図２は、図１の外部電極を備えた電子部品の断面を示す図である。また、図３は、図２の電子部品を回路基板に実装した状態の断面を示す図である。なお、本発明において、電子部品は表面実装型の電子部品である。
本実施形態において、電子素子８は、水晶振動片であり、電子部品１００は水晶振動子である。
図２に示すように、電子部品１００は、脆性材料で形成された基板１と、基板１を備えたパッケージと、パッケージに設置された電子素子８と、基板１上に形成された外部電極４と、を備えている。
本実施形態において、基板１と蓋２とで内部に中空構造を有する電子部品のパッケージを構成している。また、基板１と蓋２とは、接合部３を介して接合されている。
基板１は、ガラスなどの脆性材料を使用する。また、基板１は特に、ソーダガラスが好都合である。基板１としてソーダガラスの薄板を用いることにより、安価に製造することができる。ソーダガラスは、ソーダ石灰ガラスとも呼ばれ、シリカ（ＳｉＯ２）、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウムを主原料とするガラスであり、フロート法により薄板ガラスを低コストで製造することができる。
また、蓋２は、セラミック、シリコンその他無機単結晶、ガラス、金属、合金などで形成されている。
蓋２をガラスで形成した場合、ガラスにはフロート法で製造した薄板のソーダガラスを利用すると低コスト化が可能である。また、フロート法では平滑度の良好な薄板ソーダガラスの製造が容易である。また、このソーダガラスは研磨性が良好で０．５ｍｍから０．２ｍｍの厚みの平滑な薄板ガラスが比較的容易に得られる。また、ソーダガラスは熱膨張率が水晶振動子に近く、振動特性において有利である。また、基板１にガラスを使用することにより、水晶振動子の周波数の微調整をレーザーにより外部から行うことが出来る。
また、電子素子８は、基板１上に内部電極６及び接続部７を介して設置されている。また、内部電極６は、貫通電極５を介して外部電極４と電気的に接続されている。なお、電子素子８は、必ずしも基板に設置する必要はなく、蓋２上に設置されていてもよい。その際、引き回し電極により外部電極４と電気的に接続する。
貫通電極５としてはＡｇあるいはＡｇＰｄ、ＡｇＰｔなどの金属、合金とガラス・フリットよりなる厚膜ペーストを充填して焼成した厚膜電極、ＦｅＮｉ合金、コバール合金、ＦｅＮｉＣｒ合金、ジュメット線などの金属リードをガラス・フリットで封止した気密封止電極あるいははんだやめっきなどによる金属封止などが利用できる。なお、特に真空封止を必要としない場合は貫通電極５には導電樹脂なども利用できる。
外部電極４は、基板１上に形成された下地電極層１２と、下地電極層１２上に形成されたバリア金属層１５と、バリア金属層１５上に形成され、はんだと接続するはんだ付け金属層１３と、はんだ付け金属層１３上に形成された保護金属層１４を備えている。
下地金属層１２は、はんだ、特にその主成分のＳｎとはんだ付け温度付近で反応したり、又は溶解したりせず、かつ基板１との密着性がよく、基板１と熱膨張率が近いＴｉまたはＴｉ合金を使用する。Ｔｉ合金としては、たとえばＴｉ−６Ａｌ−４Ｖなどが挙げられる。
また、下地金属層１２の厚みは０．０１μｍ〜０．３μｍで形成することが好ましい。下地金属層１２は、０．０１μｍより薄いとはんだ付け金属層１３との拡散等によりガラスとの密着性が劣り、０．３μｍより厚いと膜応力によりガラスとの密着性が低下する。
バリア金属層１５は、下地金属層１２やはんだ付け金属層１３の熱膨張率と近い熱膨張率を有し、かつはんだ付け時の加熱温度であるはんだ付け温度付近の約３００℃以下で反応しないＶ（バナジウム）で形成する。これにより、はんだ付け温度付近で反応しないため、このとき、脆い金属間化合物を形成することがない。そのため、衝撃等により剥離を防ぎ、耐久性を向上することができる。また、バリア金属層１５は、熱膨張率が大きく変化しない範囲でＶを合金化したものでも良い。Ｖ合金としてはたとえばＶ−Ｔｉ合金などが例として挙げられる。
バリア金属層１５の厚みも下地金属層１２と同様の理由により同様の厚みが好ましい。
はんだ付け金属層１３、はＮｉまたはＣｏあるいはＮｉ合金を使用する。Ｎｉ合金としては例えばＮｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ合金などが挙げられる。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金としては、たとえばインコネル（登録商標）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ合金としては、ハステロイ（登録商標）などが例として挙げられる。
はんだ付け金属層１３、はＮｉまたはＣｏあるいはＮｉ合金を使用する。Ｎｉ合金としては例えばＮｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ合金などが挙げられる。Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ合金としては、たとえばインコネル（登録商標）、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ合金としては、ハステロイ（登録商標）などが例として挙げられる。
これらＮｉ合金の熱膨張率は、約１１〜１２ｐｐｍ／℃であり、又Ｃｏの熱膨張率は１２．３ｐｐｍ／℃であり、Ｎｉの熱膨張率１３．７ｐｐｍ／℃より小さい値をもっている。
以上により、基板１として熱膨張率約８〜９ｐｐｍ／℃のソーダガラス、下地金属層１２として熱膨張率約９ｐｐｍ／℃のＴｉあるいはＴｉ合金、バリア金属層１５として熱膨張率約８〜９ｐｐｍ／℃のＶあるいはＶ合金、はんだ付け金属層１３として熱膨張率１３．７のＮｉ、熱膨張率約１１〜１２ｐｐｍ／℃のＮｉ合金、又は熱膨張率１２．３ｐｐｍ／℃のＣｏという構成となるため、それぞれの熱膨張率の差を小さくできる。また、熱膨張率の差を段階的に緩和できる構成にすることも可能である。これらのように構成することで、はんだ付けの際の熱による応力を低減することができる。
はんだ付け金属層１３は０．２μ〜２．０μｍの厚みに形成することが好ましい。はんだ付け金属層１３が０．２μより薄いと、はんだが下地金属層１２にも影響を及ぼしパッケージの基板と下地金属層１２の接着強度が低くなる虞がある。また、はんだ付け金属層１３が２．０μｍより厚くなると膜応力によりが外部電極自体の密着性が低下する虞がある。
ただし、はんだ付け温度が高い場合やリフロー処理等の熱処理を複数回行う場合などを考慮するとはんだ付け金属層１３はやや厚めにするほうが好ましく、その場合は０．４μｍ以上とするのがより好ましい。
保護金属層１４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎなどが使用される。この保護金属層１４ははんだ付けの際、はんだに溶解する。
保護金属層１４の厚みは、例えばＡｕを用いた場合、０．０１μｍ〜０．５μｍで形成することが好ましい。Ａｕを用いた場合、０．０１μｍより薄くなると保護効果が不十分となりはんだ付け性が大きく低下する虞がある。また、０．５μｍ以上では、はんだ溶融時の粘度が大きくなるボイド発生の原因となる。
以下、本実施形態に係る電子部品１００の製造方法を説明する。
本発明に係る電子部品１００は、基板１に形成された貫通孔に貫通電極５を形成する工程を行う。
本発明に係る電子部品１００は、基板１に形成された貫通孔に貫通電極５を形成する工程を行う。
次に、基板１上に内部電極６を形成する工程を行う。内部電極６はめっき、スパッタなどで形成することができる。
次に、内部電極６上に電子素子８を設置する工程を行う。電子素子８は、接続部７として有機導電性接着剤を使用する、接続部７としてＡｕ−２０重量％Ｓｎその他の高温はんだを使用する、接続部７としてＡｕバンプを使用して超音波接合を利用する、または接続部７としてバンプを用いて接続するなどにより内部電極６と接続する。
その後、基板１上に蓋２を設置し、パッケージを形成する工程を行う。このとき、蓋２と基板１の電子素子８を設けた部分との間で外気と遮断された空洞部を形成する。
この工程において、蓋２がガラスの場合、基板１との接合は陽極接合やガラスを直接溶融させるレーザー接合が可能である。また、蓋２と基板１との接合は、間に接合部３として低融点ガラスなどを介在させて接合させることができる。また、蓋２と基板１との接合は、接合部３としてレーザー光吸収材を介在させるレーザー接合が可能である。また、接合部３にＡｕ−２０重量％Ｓｎはんだなどの高温はんだを使用することもできる。また、接合部３に有機樹脂を用いて加熱・加圧接合などが可能である。
また、蓋２が金属の場合はろう材を挟んでの溶接が可能である。
また、蓋２が金属の場合はろう材を挟んでの溶接が可能である。
なお、蓋２に空間を形成するための凹部を形成するには、ガラスのプレス成形を利用することができる。また、エッチングを利用して凹部を形成することもできる。また、サンドブラストを利用して凹部を形成することもできる。また、厚膜法により側壁を形成して蓋２を形成することもできる。また、蓋２の側壁としてガラスプリフォームを接合するなどの方法がある。なお、凹部は蓋２ではなく基板１に形成してもよい。
次に基板１の内部電極６を形成した面と反対の面上に外部電極４を形成する外部電極形成工程を行う。
まず、基板１の内部電極６を形成した面と反対の面に下地金属層１２を形成する工程を行う。下地金属層１２は、スパッタで形成される。
次に、下地金属層１２上にバリア層１５を形成する工程を行う。バリア金属層１５の形成はスパッタにより行われる。
次に、バリア金属層１５上にはんだ付け金属層１３を形成する工程を行う。
次に、はんだ付け金属層１３上に保護金属層１４を形成する工程を行う。
次に、はんだ付け金属層１３上に保護金属層１４を形成する工程を行う。
以上のように各金属層の形成をスパッタで行うことにより、金属の種類にほぼ関係なく密着性によい金属層がガラスに形成できる。
また、各金属層の形成には、本発明の部品のように給電構造がとれないものでは無電解めっきが利用しうる。なお、無電解めっきでは、利用できる金属に制約がある。
以上により、図２に示すような電子部品１００を形成することができる。
以上により、図２に示すような電子部品１００を形成することができる。
図３に示すように、以上のように形成した電子部品１００は、外部電極４とはんだ９を接合することにより、電子回路基板１１上のランド１０に接続される。このときはんだ９は、Ｐｂフリーはんだを用いることができる。なお、説明した製造方法は、一例であり、これに限定されるものではない。
図４は、本発明の第二実施形態の電子部品の断面図である。なお、第一実施形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施形態は、第一実施形態と内部電極７の外部への取り出しは層間電極１６によって行われ、層間電極１６から引き回し電極１７によって外部電極４と接続される点で異なる。
図５は、本発明の第三実施形態の電子部品の断面図である。なお、第一実施形態と同様の構成については説明を省略する。
本実施形態は、第一実施形態と異なり、光センサのような電子素子１８が基板１上の内部電極６にワイヤボンディング１９により接続されている点、電子素子１８の封止を蓋ではなく樹脂、ガラスなどの封止剤２０により封止している点で異なる。
以上のようなガラスなどを基板に使用した表面実装パッケージ型の本発明の各種電子部品は電子回路基板にＰｂフリーはんだで接続・固定し実装した状態で優れた各種信頼性を保持することができる。
特に、落下衝撃性は、Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層構造の外部電極より非常に優れている。
特に、落下衝撃性は、Ｃｒ−Ｎｉ−Ａｕの３層構造の外部電極より非常に優れている。
なお、上記では電子部品として水晶振動片を搭載した水晶振動子を例にのべたが、ＳＡＷフィルター、受・発光デバイスのような半導体やＩＣチップや加速度センサ、圧力センサその他のＭＥＭＳセンサ、光部品、高周波部品、マルチ・チップ・モジュールなどの複数のチップや要素からなる電子素子を封止した形態の表面実装パッケージをもつ電子部品、複合部品であっても同様に本発明は適用できるのは勿論である。
この場合たとえば電子素子の電極とパッケージの内部電極との接続はワイヤボンディングやバンプ電極なども利用できる。
更に封止方法としては中空封止だけでなく、ＬＥＤなどの半導体を封入し樹脂あるいはガラスを充填したような中実のパッケージ形態をもつ表面実装電子部品にも本発明は適用できる。
この場合ベースに側壁を形成し樹脂あるいはガラスを充填したような表面実装パッケージ形態あるいはベースにチップ状電子素子を搭載し樹脂封止ないし樹脂コートしたようなパッケージ形態の表面実装電子部品にも本発明は適用できる。
１ ガラス基板
２ 蓋
３ 接合材
４ 外部電極
５ 貫通電極
６ 内部電極
７ 接続材
８ 水晶振動片
９ はんだ
１０ ランド
１１ 回路基板
１２ 下地金属層
１３ はんだ付け金属層
１４ 保護金属層
１５ バリア金属層
１６ 層間電極
１７ 引き回し電極
１８ 電子素子
１９ ワイヤボンディング
２０ 封止樹脂
１００ 電子部品
２ 蓋
３ 接合材
４ 外部電極
５ 貫通電極
６ 内部電極
７ 接続材
８ 水晶振動片
９ はんだ
１０ ランド
１１ 回路基板
１２ 下地金属層
１３ はんだ付け金属層
１４ 保護金属層
１５ バリア金属層
１６ 層間電極
１７ 引き回し電極
１８ 電子素子
１９ ワイヤボンディング
２０ 封止樹脂
１００ 電子部品
Claims (4)
- 脆性材料で形成された基板と、前記基板を備えたパッケージと、前記パッケージに設置された電子素子と、前記基板上に形成された外部電極と、を備える電子部品において、
前記外部電極が、前記基板上に形成された下地金属層と、前記下地金属層上に形成されたバリア金属層と、前記バリア金属層上に形成されたはんだ付け金属層と、前記はんだ付け金属層上に形成された保護金属層を備え、
前記バリア金属層は、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層の熱膨張率と近い熱膨張率を有するとともに、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層とはんだ付け温度より低い温度で反応しない金属で形成され、
前記バリア金属層はＶあるいはＶ合金で形成され、前記下地金属層はＴｉあるいはＴｉ合金で形成され、前記はんだ付け金属層はＮｉ、Ｃｏ、及びＮｉ合金のいずれかで形成されることを特徴とする電子部品。 - 前記基板がソーダガラスであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
- 前記電子素子が水晶振動片であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子部品。
- 脆性材料で形成された基板と、前記基板を備えたパッケージと、前記パッケージに設置された電子素子と、前記基板上に形成され、下地金属層、はんだ付け金属層、及び保護金属層を有する外部電極と、を備える電子部品の製造方法において、
前記基板上に前記下地金属層を形成する工程と、
前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層の熱膨張率と近い熱膨張率を有するとともに、前記下地金属層及び前記はんだ付け金属層とはんだ付け温度より低い温度で反応しないバリア金属層を前記下地金属層上に形成する工程と、
前記バリア金属層上に前記はんだ付け金属層を形成する工程と、
前記はんだ付け金属層上に前記保護金属層を形成する工程とにより外部電極を形成する外部電極形成工程を備え、
前記バリア金属層はＶあるいはＶ合金で形成され、前記下地金属層はＴｉあるいはＴｉ合金で形成され、前記はんだ付け金属層はＮｉ、Ｃｏ、及びＮｉ合金のいずれかで形成されることを特徴とする電子部品の製造方法。
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