KR20040063898A - 전자부품용 패키지, 그 덮개, 그 덮개용 덮개재 및 그덮개재의 제조방법 - Google Patents

전자부품용 패키지, 그 덮개, 그 덮개용 덮개재 및 그덮개재의 제조방법 Download PDF

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KR20040063898A KR10-2004-7004311A KR20047004311A KR20040063898A KR 20040063898 A KR20040063898 A KR 20040063898A KR 20047004311 A KR20047004311 A KR 20047004311A KR 20040063898 A KR20040063898 A KR 20040063898A
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Abstract

본 발명의 덮개재(1)는, 저열팽창금속으로 형성된 기재층(2)과, 이 기재층(2)의 한쪽 표면에 적층되며, 내력이 110N/㎟ 이하의 저내력금속으로 형성된 중간금속층(3)과, 이 중간금속층(3)에 적층되며, 은을 주성분으로 하는 은납땜합금으로 형성된 납땜재층(4)을 구비한다. 상기 중간금속층(3)과 납땜재층(4)은 서로 압접과 동시에 확산접합되며, 상기 납땜재층(4)은 그 외표면에서 관찰되는 팽창부의 면적비율이 0.5% 이하가 된다. 상기 저내력금속으로서는, 무산소동이 바람직하다. 상기 덮개재(1)로부터 가공된 덮개는, 세라믹을 주재로 하여 형성된, 전자부품용 패키지의 케이스에 이 덮개를 납땜할 때에, 접합성이 우수하고, 케이스에 균열이 발생하기 어려우며, 또한 납땜 작업성이 우수하다.

Description

전자부품용 패키지, 그 덮개, 그 덮개용 덮개재 및 그 덮개재의 제조방법{Package for Electronic Parts, Lid Thereof, Material for the Lid and Method for Producing the Lid Material}
반도체 소자, 압전진동자 및 여러 전자부품을 수납하는 패키지는, 일본 특허공개 2000-3973호 공보(특허문헌1)에 개시되어 있는 바와 같이, 전자부품을 수납하기 위한 오목부가 윗면에 개구되도록 형성된 케이스와, 상기 오목부를 밀폐할 상기 케이스의 개구부를 폐쇄하도록 케이스의 개구 외주부(外周部)에 납땜한 덮개를 구비하고 있다.
상기 케이스는, 알루미나(Alumina) 또는 질화알루미늄 등의 세라믹스를 주재(主材)로 하여 형성되고 있다. 한편, 상기 덮개는, Fe-29%Ni-17%Co합금(상품명: KOVAR) 등의 저열팽창합금으로 형성된 기재층(基材層)과, 상기 기재층의 한쪽 표면에 적층되어 금속납땜재에 의해 형성된 재료층을 구비하고 있다. 상기 금속납땜재로서는, 주로 은을 주성분으로 하는 은납땜합금이 이용된다.
상기 케이스의 개구부에 상기 덮개를 납땜(Brazing)하는 수단으로는, 특허문헌1에 개시되어 있는 바와 같이, 씨임용접(Seam Welding)이 적용되는 경우가 있다. 씨임용접은, 진공 중에서 실시할 필요가 없고, 비교적 간단한 설비로 효율 좋게 납땜을 행할 수 있다. 납땜 이외에 다른 수단으로서, 케이스에 중첩시킨 덮개의 외주부에 그 뒷면(외면)으로부터 전자빔(Electron Beam)을 조사하여 납땜재층을 용융시켜 접합하는 전자빔용접도 적용될 수 있다.
또한, 전자부품용 패키지의 관련기술로서, 일본 특허공개 평 3-283549호 공보(특허문헌2)에는, 질화알루미늄 기판과 KOVAR 등의 저열팽창합금으로 형성된 캡(Cap) 또는 캡 설치용 금형(Cap Fixture) 사이에 동박(銅箔)을 개재시켜, 상기 기판과 동박, 동박과 캡 등을 납땜한 전자부품용 패키지가 개시되어 있다.
또한, 일본 특허공개 2000-164746호 공보(특허문헌3)에는, 전자부품용 패키지의 덮개용 덮개재로서, 기재층에 확산접합시킨 Ni기 금속층에 납땜재층을 압접하고, 상기 Ni기 금속층에서의 최대 최소 두께비를 소정의 값으로 규정한 것이 개시되어 있다.
최근, 전자부품의 저높이화(Heigt Reduction), 소형화에 따라, 그 패키지도 보다 더 저높이화, 소형화를 바라고 있다. 이 때문에, 덮개의 두께가 얇게 되고 또한 케이스 자체도 소형화되고, 이에 따라 세라믹으로 형성된 케이스의 전자부품 수용용 오목부의 주위 벽부도 얇게 되어 가고 있다.
이러한 상황 아래, 덮개를 케이스에 납땜하면, 은납땜합금의 융점이 780℃ 정도로 비교적 고온이기 때문에, 특허문헌1의 기술에서는, 케이스를 형성하는 세라믹과 덮개의 기재층을 형성하는 저열팽창금속과의 열팽창율 차이에 의해, 납땜재가 냉각과정에서 케이스의 벽부에 큰 열응력이 발생하며, 이 응력에 의해 균열이 발생하고, 기밀성이 저하된다는 문제가 있다. 이러한 문제는, 씨임용접의 경우에 한하지 않고, 전자빔용접에서도 마찬가지이다.
또한, 특허문헌2에 개시된 기술에서는, 동박을 캡 또는 캡 설치금형의 변형 흡수재로서 사용하고 있지만, 그 바람직한 두께가 0.1~2.0mm로 기재되어 있고, 두꺼운 영역에서는 그 자체의 열변형이 크기 때문에, 판상 기판의 균열 방지에는 효과가 있을지 모르나, 소형화된 케이스의 얇은 두께 벽부의 균열 방지에는 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 또한, 동박은 기판 및 캡 등의 양쪽에 납땜하는 것이 기재되어 있으며, 납땜 작업성이 매우 나쁘고, 심지어는 패키지의 생산성도 낮다.
한편, 특허문헌3에 개시된 기술에서는, Ni기 금속층과 납땜재는 적층되어 있지만, 압접되어 있을 뿐이며, 확산접합되어 있지 않기 때문에, 납땜재로서 은납땜합금과 같은 냉간압연성이 좋지 않은 경납을 이용하는 경우에는 두층의 접합성에 문제가 있다. 또한, 두층을 압접 후에 확산소둔하여도 확산소둔 시에 문제가 되는 공공(Void)의 발생에 대하여 전혀 개시되어 있거나 시사되어 있지 않다.
본 발명은 이러한 문제를 예의 주시한 것으로, 전자부품용 패키지의 케이스에 덮개를 납땜할 때에 케이스에 발생하는 열응력을 완화할 수 있으며, 나아가 케이스에 균열이 생기기 어렵고, 또한 납땜작업성이 우수한 전자부품용 패키지의 덮개, 그 소재가 되는 덮개재 및 그 덮개재의 제조방법을 제공하며, 더욱이 상기 덮개로 밀폐되어 기밀성이 우수한 전자부품용 패키지를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은, 전자부품을 수납하는 케이스(Case)의 개구부(開口部)가 덮개(Lid)에 의해 덮힌 전자부품용 패키지(Package), 그 덮개 및 그 소재가 되는 덮개재(Lid Material)에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 덮개재의 기본 구조를 도시하는 부분 단면 모식도이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 전자부품용 패키지의 기본 구조를 도시한 단면 모식도이다.
도 3은, 실시예에서 전자부품용 패키지의 케이스의 평면도이다.
본 발명에 의한 덮개재는, 전자부품을 수납하기 위한 수납 공간이 표면에 개구되도록 형성된 케이스의 개구 외주부에 용착되는 덮개용 덮개재이며, 저열팽창금속으로 형성된 기재층과, 이 기재층의 한쪽 표면에 적층되며, 내력이 110N/㎟ 이하, 바람직하게는 100N/㎟ 이하의 저내력(低耐力)금속으로 형성된 중간금속층과, 이 중간금속층에 적층되며, 은을 주성분으로 하는 은납땜합금으로 형성된 납땜재층을 구비한다. 상기 중간금속층과 납땜재층은 서로 압접과 동시에 확산접합되며, 상기 납땜재층은 그 외표면에서 관찰되는 팽창부의 면적비율이 0.5% 이하가 된다. 또, 본 발명에서, 「내력」이라 함은, 0.2%의 영구신율을 일으킬 때의 응력을 의미한다.
이 덮개재에 의하면, 상기 기재층에 적층된 중간금속층과 납땜층은 압접과 동시에 확산접합되어 있기 때문에, 납땜작업에 임할 때, 납땜재를 별도로 준비할 필요가 없으므로, 납땜 작업성이 우수하다. 또한, 압접 시의 압하율을 조절하여도 중간금속층을 용이하게 얇게 형성할 수 있다.
또한, 상기 중간금속층은 내력이 110N/㎟ 이하의 저내력금속으로 형성되어 있기 때문에, 덮개재로부터 제작된 덮개를 케이스의 개구 외주부에 납땜할 때, 케이스와 기재층의 열팽창율의 차이에 기인하여 기재층이 케이스에 대하여 변형하여도, 중간금속층이 용이하게 소성변형한다. 이 때문에, 기재층의 변형에 따라 케이스에 발생하는 열응력을 억제할 수 있으며, 나아가 케이스의 벽부에 생기는 균열을 방지할 수 있다.
또한, 상기 중간금속층과 납땜재층은 압접과 동시에 확산접합되어 있음에 관계없이, 그 사이에 공공이 실질적으로 개재되지 않는다. 이 때문에, 덮개의 납땜 시에, 씨임용접이나 전자빔용접 등의 극히 단시간의 국부가열(덮개 둘레부의 가열)로도, 기재층에서 발생한 주울(Joule)열 혹은 기재층에 부여된 열을 중간금속층을 통하여 납땜재층으로 빠르게 전달할 수 있다. 따라서, 납땜재층을 확실히 용융시킬 수 있고, 납땜에 의한 접합성이 우수하다. 이러한 효과는 상기 중간금속층을 얇게 형성해 둠으로써 더 촉진된다.
또한, 상기한 바와 같이, 상기 중간금속층과 납땜재층 사이에는 공공이 실질적으로 개재되어 있지 않기 때문에, 덮개는 타발가공성(Stampability)이 우수하고, 적은 크기의 덮개이어도, 치수정밀도가 높은 덮개를 타발가공(Stamping)으로 용이하게 제작할 수 있으며, 생산성이 우수하다.
상기 덮개재에서, 상기 저내력금속으로서는, 동함유량이 99.9mass% 이상의 순동(純銅)인 것이 바람직하다. 특히, 산소함유량이 0.05mass% 이하의 무산소동이 바람직하다. 순동은 열전도성이 양호하며, 또한 내력이 낮고, 소성변형성이 풍부하다. 순동 중의 불순물이 증가하면 단단하게 되며, 열응력을 완화하는 효과가 감소하므로, 불순물은 0.1mass% 이하로 막는 것이 바람직하다. 또한, 산소함유량이 증가하면 열전도율이 저하하고, 또 중간금속층과 납땜재층의 확산 소둔 시에 공공이 발생하기 쉽게 되므로, 산소함유량은 0.05mass% 이하로 막는 것이 바람직하다.
또한, 상기 덮개에서, 상기 중간금속층은 그 두께를 10~ 200㎛(10㎛ 이상, 200㎛ 이하)로 하는 것이 바람직하며, 10㎛ 이상, 100㎛ 미만으로 하는 것이 보다바람직하다. 10㎛ 미만에서는, 소성변형량을 충분히 취할 수 없기 때문에, 기재층의 변형에 따라 변형하는 것이 어렵게 되며, 케이스에 발생하는 열응력을 경감하는 효과가 너무 작게 된다. 반면, 200㎛를 초과하면, 중간금속층 자체의 열변형이 무시될 수 없게 되고, 케이스에 발생하는 열응력을 경감할 수 없게 된다.
또한, 상기 덮개에서, 기재층의 다른 쪽 표면에 순니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 니켈합금으로 이루어진 니켈기 금속으로 형성된 니켈기 금속층을 접합함으로써, 기재층의 외표면의 내식성을 향상시킬 수 있으며, 나아가 덮개, 덮개재로부터 가공한 덮개, 또한 이것으로 밀폐된 전자부품용 패키지의 오염과 손상을 방지할 수 있다. 또한, 니켈기 금속층은 기재층과 중간금속층의 열팽창율의 상위로 발생하는 휨을 억제하는 효과도 있다.
본 발명에 의한 덮개재의 제조방법은, 전자부품을 수납하기 위한 수납 공간이 표면에 개구되도록 형성된 케이스의 개구 외주부에 용착(溶着)되는 덮개용 덮개재의 제조방법이며, 저열팽창금속으로 형성된 기재층의 한쪽 표면에 내력이 110N/㎟ 이하의 저내력금속으로 형성된 중간금속층이 적층된 중간금속층 적층체를 준비하는 준비공정과, 상기 중간금속층 적층체의 중간금속층에 은을 주성분으로 하는 은납땜합금으로 형성된 납땜재층을 압접하여 납땜재층 압접체를 얻는 압접공정과, 상기 납땜재층 압접체에 확산소둔을 실시하여 상기 중간금속층과 납땜재층이 서로 확산접합된 덮개재를 제조하는 확산소둔공정을 구비한다. 상기 압접공정에서 압접 시의 압하율은 50~ 80%(50% 이상, 80% 이하)로 하고, 상기 소둔공정에서 소둔온도를 380~ 590℃(380℃ 이상, 590℃ 이하)로 한다. 이러한 제조방법에 의해, 중간금속층과 납땜재층 사이에 공공의 발생을 실질적으로 무시할 수 있는 수준까지 저감할 수 있다.
이 제조방법에서도, 상기 중간금속층을 형성하는 저내력금속으로서는, 동함유량이 99.9mass% 이상의 순동이 바람직하며, 특히 산소함유량이 0.05mass% 이하의 무산소동이 바람직하다. 또한, 납땜재층 압접체의 중간금속층의 평균두께는 바람직하게는 10~ 200㎛, 보다 바람직하게는 10㎛ 이상, 100㎛ 미만으로 하는 것이 좋다. 또한, 중간금속층 적층체는 기재층의 다른 쪽 표면에 순니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 니켈합금으로 이루어진 니켈기 금속으로 형성된 니켈기 금속층을 적층 형성해 두는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 전자부품용 패키지는, 전자부품을 수납하기 위한 수납 공간이 표면에 개구되도록 형성된 케이스와, 이 케이스의 개구부를 피복하도록 그 개구 외주부에 용착된 덮개를 구비한다. 상기 덮개는 상기 덮개재로부터, 예컨대 타발가공으로 가공된 것이다.
이 전자부품용 패키지에 의하면, 덮개의 케이스에 납땜할 때, 상기 중간금속층에 의해 납땜재층의 용융을 빠르게 행하면서, 상기 케이스에 상기 열응력을 억제하여 덮개와 케이스를 납땜할 수 있다. 이 때문에, 케이스의 균열이나 접합 불량을 방지할 수 있으며, 우수한 기밀성을 얻을 수 있다. 또한, 덮개를 케이스에 납땜할 때, 납땜재를 별로로 준비할 필요가 없으므로, 납땜 작업성, 생산성이 우수하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 덮개재에 의하면, 중간금속층과 납땜재층이 실질적으로 공공을 개재시키지 않으며, 일체적으로 접합되어 있기 때문에, 납땜작업할 때에, 납땜재를 별도로 준비할 필요가 없으므로, 작업성이 우수하다. 또한, 이 덮개재로부터 형성된 덮개를 전자부품용 패키지의 케이스에, 씨임용접이나 전자빔용접 등의 국부가열로 납땜할 경우에도, 공공에 기인하는 열전도 불량에 의한 접합불량을 방지할 수 있으며, 납땜에 의한 접합성이 우수하다. 또한, 상기 중간금속층에 의해 납땜할 때, 덮개가 변형하여도, 케이스의 벽부에 발생하는 열응력을 억제할 수 있으며, 나아가 열응력에 의해 상기 벽부에 생기는 균열을 억제할 수 있다. 이 때문에, 기밀성이 우수한 전자부품용 패키지를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 덮개재의 제조방법에 의하면 상기 덮개재를 용이하게 제조할 수 있다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 덮개재의 기본 구조를 도 1을 참조하여 설명한다.
이 덮개(1)는, 기재층(2)의 한쪽 표면(도면에서는 윗면)에 니켈기 금속층(5)이, 다른 표면(도면에서는 아래면)에 중간금속층(3)이 각각 압접과 동시에 확산되며, 또한 상기 중간금속층(3)의 표면에 납땜재층(4)이 압접과 동시에 확산접합되어있다.
상기 기재층(2)은, 순철(순 Fe)의 내력(200N/㎟) 이상의 내력을 가지며, 열팽창율이 철보다 작은 저열팽창금속으로 형성되어 있다. 상기 저열팽창금속은 30~ 300℃에서 열팽창율이 4.0~ 5.5×10-6/℃인 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 저열팽창합금으로서는, 예컨대 Fe-42mass%Ni 합금 등의 니켈(Ni)을 36~ 50mass% 함유한 Fe-Ni합금, 또는 KOVAR(상품명) 등의 Ni을 20~ 30mass%, 코발트(Co)를 1~ 20mass% 함유한 Fe-Ni-Co합금이 바람직하다.
상기 니켈기 금속층(5)은 덮개재(1)의 외표면의 내식성을 향상시키는 것이며, 순니켈이나, Ni를 50wt% 이상 함유하는 Cu-Ni합금 등의 Ni을 주성분으로 한 니켈합금으로 이루어지는 니켈기 금속으로 형성된다. 상기 니켈기 금속은 상기 기재층(2)과의 압접성, 확산접합성도 양호하다. 또한, 이 니켈기 금속층(5)은 필요에 따라 형성하면 좋으며, 반드시 필요한 것은 아니다.
상기 중간금속층(3)은, 내력이 110N/㎟ 이하의 저내력금속으로 형성된다. 상기 저내력금속으로서는, 동(Cu)함유량이 90mass% 이상, 바람직하게는 95mass% 이상의 Cu를 주성분으로 하는 동기(銅基) 합금, 예컨대 Cu-Ni합금이 바람직하며, Cu함유량이 99.9mass% 이상의 순동이 더 바람직하다. Cu함유량이 99.9mass% 미만으로 되면, 불순물의 종류에 따라 대부분 단단하게 되기 쉬우며, 납땜재층(4)을 용융시킨 후의 냉각과정에서 기재층(2)의 변형에 따라 소성변형이 어렵게 되기 때문이다. 또한, 상기 순동으로서는, 산소함유량이 0.05mass% 이하, 바람직하게는 0.01mass% 이하의 무산소동이 바람직하다. 산소함유량이 적을수록 연하게 되며, 열응력완화효과가 높다. 또한 산소함유량이 적을수록, 중간금속층과 납땜재층을 압접하여, 확산접합할 때에, 산소에 기인하는 공공의 발생량을 억제할 수 있다. 또한 산소함유량이 0.05mass% 이하의 무산소동은 저가로 입수할 수 있다. 이러한 이유로 순동으로서는 산소함유량이 0.05mass% 이하의 무산소동이 가장 바람직하다. 상기 저내력금속으로서는, 상기 동기 금속에 한정되지 않고, 순Ni이나 Ni을 90mass% 이상 함유한 니켈기 합금을 이용할 수도 있다.
상기 중간금속층(3)의 소성변형의 용이성은, 같은 층을 형성하는 저내력금속의 내력에 의해 좌우되며, 앞서 기재된 바와 같이 Cu함유량이 많을수록 내력이 작게 되며, 소성변형이 용이하게 된다. 예컨대, 내력은, 순동이 69N/㎟, 90mass%Cu- Ni합금이 103N/㎟, 순니켈이 59N/㎟이다. 이에 대하여, KOVAR의 내력은, 345N/㎟이며, 상기 저내력금속의 그것보다 3배 이상 크다. 이와 같이, 중간금속층(3)을 형성하는 저내력금속은, 그 내력이 기재층(2)을 형성하는 저열팽창금속의 내력의 1/3 이하인 것이 바람직하다.
상기 납땜재층(4)은, 은(Ag)을 주성분으로 하는 은납땜함금으로 형성된다. 주성분인 Ag의 함유량은 70~ 90mass%로 하는 것이 바람직하다. 상기 은납땜합금의 융점은 700~ 900℃ 정도의 것이 바람직하다. 구체적인 은납땜합금으로서, 85mass% Ag-Cu합금(은납땜, 융점이 780℃) 등의 Ag-Cu합금, 기타 융점이 상기 융점범위 내의 Ag-Cu-Zn합금, Ag-Cu-Ni합금을 들 수 있다.
전자부품용 패키지는 400℃ 정도 이하의 온도에서 기판에 납땜되기 때문에, 일단 용착된 납땜재층이 그 온도에서 연화, 열화되지 않을 필요가 있다. Ag의 함유량이 70~ 90mass%인 은납땜합금은, 상기 온도조건을 만족하며, 또한 강도 및 내식성도 양호하므로 바람직하다.
한편, 은납땜합금은 후술하는 바와 같이, 상기 중간금속층과 납땜재층과의 확산접합 시에 그 계면에 공공이 생성하기 쉬운 경향이 있다. 또한, 그 융점이 높기 때문에, 덮개재(1)로부터 가공된 덮개를 케이스의 개구 외주부에 납땜할 때에, 덮개의 납땜부를 고온으로 가열할 필요가 있으며, 기재층(2)의 열변형에 의해 케이스에 열응력이 발생된다는 문제가 있다. 이 문제는 상기 기재층(2)과 납땜재층(4) 사이에 상기 중간금속층(3)을 개재시킴으로써 해소된다.
상기 납땜재층(4)은, 그 외표면에서 관찰되는 팽창부의 면적비율이 0.5% 이하가 된다. 상기 팽창부는, 상기 중간금속층(3)과 납땜재층(4)과의 접합계면에 생성된 공공에 기인한다. 상기 기재층(2)과 중간금속층(3)은 압접성, 확산소둔에 의한 확산접합성이 양호하며, 두층의 계면에 공공이 생기지 않게 용이하게 확산접합할 수 있다. 한편, 중간금속층(3)을 동기 금속으로 형성한 경우, 은납땜합금으로 이루어지는 납땜재층(4)과의 접합계면에 공공이 매우 발생하기 쉽다. 그 이유는 이하와 같다. 압접 시에 동기 금속으로 형성된 중간금속층의 표면에 생성된 산화피막이 분단(分斷)되며, 확산소둔 시에 분단된 산화피막이 산소를 방출하고, 또한 은납땜합금도 산소나 수소를 방출한다. 이들 가스가 응집하여 공공을 발생시킨다. 이 중간금속층과 납땜재층과의 계면에 형성된 공공은, 열전도 불량에 기인하는 접합 불량의 원인이 된다. 상기 팽창부의 면적율은 이 공공량의 지표이며, 면적율이 0.5% 이하이면, 공공량은 충분히 작은 량이고, 열전도 불량이나 접합 불량은 실질적으로 문제가 되지 않는다. 팽창부의 면적율은 적을수록 좋으며, 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 공공량이 0.5% 이하이면, 타발가공성이 우수하고, 적은 크기의 덮개이어도, 치수 정밀도가 높은 덮개를 타발가공으로 용이하게 다량으로 제작할 수 있다.
상기 각 층의 평균두께는, 케이스의 개구부의 크기에 따르지만, 기재층(2)은 30~ 200㎛, 바람직하게는 50~ 100㎛ 정도가 된다. 중간금속층(3)은 10~ 200㎛, 바람직하게는 10㎛ 이상, 100㎛ 미만, 보다 바람직하게는 15~ 60㎛가 된다. 중간금속층이 10㎛ 미만에서는 열응력을 경감하는 작용이 부족하고, 반면 200㎛를 초과하면 층 두께가 너무 두꺼워, 중간금속층 자체의 열변형을 무시할 수 없게 되고, 오히려 열응력의 경감 작용이 열화하게 된다. 또한, 기재층(2)의 변형에 대한 중간금속층(3)의 소성변형량을 충분히 확보할 수 있도록, 기재층(2)의 두께(tb)에 대한 중간금속층(3)의 두께(tm)의 비(tb/tm)를 0.25~ 0.6 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 납땜재층(4)은 5~ 50㎛ 정도로 좋으며, 니켈기 금속층(5)은 3~ 50㎛ 정도로 좋다. 또한, 전자부품용 패키지의 저높이화의 관점에서, 덮개 전체의 두께는 50~ 150㎛로 하는 것이 바람직하다.
다음에, 상기 덮개재의 제조방법에 대하여 설명한다.
상기 덮개재(1)는, 이하의 공정으로 제조된다. 기재층(2)의 소재인 기재시트(Base Sheet)의 한쪽 표면에 니켈기 금속층(5)의 소재인 니켈기 금속시트를, 다른 쪽 표면에 중간금속층(3)의 소재인 동기 금속시트를 중첩시켜, 이 중첩된 중첩체를 한쌍의 롤(Roll)을 통해 압하율 70~ 80% 정도로 압하하여, 이에 따라 각각의 시트를 압하하는 동시에 압접하고, 기재층의 양면에 니켈기 금속층 및 중간금속층이 압접된 중간금속층 적층체를 얻는다. 상기 중간금속층 적층체에는, 필요에 따라 추가로 950~ 1050℃ 정도의 온도에서 중간소둔을 실시할 수 있다. 이 중간소둔에 의해, 인접한 층끼리를 확산접합하여, 그 접합력을 향상시키는 동시에 각 층을 연화시킬 수 있다. 덮개재(1)에 니켈기 금속층(5)을 형성하지 않은 경우에는 상기 니켈기 금속시트가 불필요한 것은 물론이다. 이상과 같이 하여 상기 중간금속층 적층체를 준비하는 공정을 본 발명에서는 준비공정이라 부른다.
다음에, 상기 중간금속층 적층체의 중간금속층의 표면에 납땜재층(4)의 소재인 납땜재 시트를 중첩시켜, 이 중첩된 중첩체를 다시 한쌍의 롤을 통해 압하하여, 이에 따라 중간금속층의 표면에 납땜재층이 압접된 납땜재층 압접체를 얻는다. 이 공정을 압접공정이라 부른다. 이 납땜재층 압접체는 확산소둔이 실시되며, 중간금속층과 납땜재층 사이에 공공을 개재시키지 않고, 두층이 확산접합된 덮개재(1)를 얻는다. 이 공정을 확산접합공정이라 부른다. 상기 덮개재(1)는, 필요에 따라 추가로 사상압연이 실시되며, 그 판 두께가 조정되어도 좋다. 사상압연 후의 각 층의 층 두께는, 압연의 압하율을 R로 할 때, 거의 본래의 층 두께의 (1-R)배로 두께가 준다.
상기 압접공정 및 확산소둔공정에서는, 중간금속층과 납땜재층 사이에 공공을 발생시키지 않도록 두층을 접합시키는 것이 중요하다. 본 발명자가 공공의 발생을 억제할 수 있는 제조조건을 조사한 바, 중간금속층을 공공을 발생시키기 쉬운 동기 금속으로 형성한 경우에서도, 상기 납땜재층 압접체를 얻기 위한 압하율을50~ 80%로 하고, 그 확산접합온도를 380~ 590℃로 하면 좋다는 것을 알았다. 즉, 압하율을 50% 미만, 소둔온도를 380℃ 미만으로 하면 압접 및 확산소둔 시의 접합이 부족하여 접합강도가 저하하게 된다. 반면, 압하율을 80% 초과, 소둔온도를 590℃ 초과하게 되면, 가스의 응집이 활발하여 공공량이 급속히 증대하게 된다. 압하율을 낮게 설정하는 경우, 소둔온도가 낮은 쪽이 공공은 발생하기 어렵다. 소둔시간의 상한은 특히 정하지 않지만, 생산성을 고려하면 10분 이하, 바람직하게는 5분 이하로 하는 것이 좋다.
다음에, 전자부품용 패키지의 실시예를 도 2를 참조하면서 설명한다. 이 패키지의 케이스(31)의 밀폐에 이용된 덮개(21)는, 상기 덮개재(1)를 프레스에 의해 소정 치수로 타발가공한 것이다. 도면에서, 상기 덮개(21)를 구성하는 각부분에 대하여는 덮개재(1)와 동일하므로, 같은 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
이 패키지는, 전자부품(P)을 수납하기 위한 수납 공간(오목부, 33)이 윗면으로 개구되도록 형성된 케이스(31)와, 이 케이스(31)의 개구 외주부에 납땜으로 용착된 덮개(21)를 구비하고 있다. 상기 케이스(31)는, 상기 수납 공간(33)이 윗면으로 개구되어, 알루미나 또는 질화규소 등의 세라믹으로 형성된, 절연성을 가지는 케이스 본체(32)를 구비하며, 이 케이스 본체(32)의 개구 외주부에 납땜재와의 용착을 촉진할 용착촉진층(37)이 일체적으로 형성되어 있다. 상기 용착촉진층(37)은, 케이스 본체(32)와 일체적으로 소성된 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo) 등의 고융점 금속으로 이루어진 금속층(Metallization Layer, 34)을 가지며, 그 위에 니켈층(35), 필요에 따라 추가로 금층(金層, 36)이 형성되어 있다.
상기 덮개(21)를 케이스(31)의 개구 외주부에 용착하려면, 우선 케이스(31)의 개구부를 폐쇄하도록 케이스(31) 위에, 그 납땜재층(4)이 케이스(31)의 개구 외주부에 접하도록 덮개(21)를 적치하고, 진공 혹은 불활성가스 중에서, 상기 납땜재층(4)을 용융시켜, 덮개(21)를 케이스(31)의 개구 외주부에 용착한다. 상기 납땜재층(4)의 용착은, 씨임용접, 전자빔용접 등에 의해, 국부가열로 행하는 것이 바람직하다. 상기 납땜재층(4)을 형성하는 은납땜합금의 융점이 비교적 고온이기 때문에, 전자부품(P)을 수납한 케이스(31) 및 덮개(21)의 전체를 노 속에서 가열하고, 납땜재층(4)을 용융시키는 것은 케이스(31)에 수납된 전자부품(P)의 특성을 열화시킬 우려가 있기 때문에, 상기 가열방법은 피해야 한다. 상기 씨임용접은 덮개(21)의 대향하는 2변의 단부를 따라 한쌍의 전극롤러를 전동시키면서 통전하여, 주로 기재층(2)의 롤러의 접촉부 근방에서 국부적으로 주울열을 발생시키고, 이것을 중간금속층(3)을 통하여 납땜재층(4)에 전도시켜, 이 납땜재층(4)을 용융하고, 용융된 납땜재에 의해 덮개(21)를 케이스(31)에 납땜하는 방법이다.
이 전자부품용 패키지는, 덮개(21)의 기재층(2)과 납땜재층(4) 사이에 공공을 실질적으로 개재시키지 않고, 중간금속층(3)이 마련되어 있기 때문에, 덮개(21)를 케이스(31)에 납땜할 때, 상기 중간금속층(3)에 의해 납땜재층(4)의 용융을 빠르게 행하면서, 덮개(21)의 기재층(2)이 열변형되어도, 중간금속층(3)이 소성변형되어 기재층(2)의 변형을 흡수하므로, 케이스(31)에 무리한 열응력이 작용하지 않으며, 케이스 본체(32)의 균열을 방지할 수 있다. 이 때문에, 케이스(31)는 기밀성이 우수하고, 그 속에 수납된 전자부품(P)의 수명을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위는 상기 실시예나 이하의 실시예에 의해 한정적으로 해석되는 것은 아니다.
[실시예]
도 1에 도시된 4층구조의 덮개의 시료가 하기의 요령으로 제작되었다. 기재층(2)의 소재로서 폭 20mm, 두께 1100㎛의 Fe- 29mass% Ni- 17mass% Co합금으로 이루어진 기재시트를, 또한 니켈기 금속층(5)의 소재로서 폭 20mm, 두께 100㎛의 순Ni로 이루어진 니켈시트를, 또한 중간금속층(3)의 소재로서 폭 20mm, 두께 600㎛의 무산소동(Cu: 99.95mass%, O: 0.0006mass%)로 이루어진 동시트를 준비하였다. 기재시트의 한쪽 표면에 니켈시트를, 다른 쪽 표면에 동시트를 중첩시키고, 압하율 60%로 냉간에서 롤압하하여, 인접한 소재끼리 압접된 동층 적층체를 얻었다. 또한, 이 동층 적층체는 소둔로에서 1000℃, 3분간 유지하여 확산소둔이 실시되었다.
이 동층 접합체의 동층에 납땜재층(4)의 소재로서 폭 20mm, 두께 75㎛의 85mass% Ag-Cu(융점 780℃)로 이루어진 납땜재 시트를 중첩시키고, 표 1에 나타난 44~ 80%의 여러 압하율로 냉간에서 롤압하하여, 동층 적층체의 동층에 납땜재층이 압접된 납땜재층 압접체를 얻었다. 이 납땜재층 압접체를 표 1에 나타난 여러 소둔온도에서 3분 정도 확산소둔을 행하고, 기재층(2)의 한쪽 표면에 니켈기 금속층(5)이, 다른 쪽 표면에 중간금속층(3)이 일체적으로 접합된 4층구조의 덮개재(1)를 얻었다. 즉, 이 실시예에서는, 니켈기 금속층(5)으로서 니켈층이, 중간금속층(3)으로서 동층이 형성되었다. 납땜재층을 압접할 때의 압하율에 대한 각 층의 최종 평균두께는 하기한 바와 같았다.
① 압하율: 44%
압접할 수 없었기 때문에 측정할 수 없음.
② 압하율: 50%
니켈층 19㎛, 기재층 206㎛, 동층 113㎛, 납땜재층 38㎛
③ 압하율: 55%
니켈층 17㎛, 기재층 186㎛, 동층 101㎛, 납땜재층 34㎛
④ 압하율: 60%
니켈층 15㎛, 기재층 165㎛, 동층 90㎛, 납땜재층 30㎛
⑤ 압하율: 70%
니켈층 11㎛, 기재층 121㎛, 동층 66㎛, 납땜재층 23㎛
⑥ 압하율: 75%
니켈층 9㎛, 기재층 103㎛, 동층 56㎛, 납땜재층 19㎛
⑦ 압하율: 80%
니켈층 7.5㎛, 기재층 83㎛, 동층 45㎛, 납땜재층 15㎛
얻어진 각 시료의 덮개재로부터 2cm×2cm의 외관 관찰편을 채취하고, 그 납땜재층의 중앙부를 광학현미경으로 5배로 관찰하였다. 그 외관 사진을 이용하여, 육안으로 보아 20mm×20mm(실 치수 4mm×4mm)에서의 공공에 의한 팽창부의 면적을 화상해석 소프트에 의해 측정하고, 팽창부의 면적율을 구하였다. 또한, 화상해석 소프트는 상품명 Image-Pro(제조업체: Media Cyver Netics)를 사용하였다.
또한, 상기 덮개재로부터 폭 10mm× 길이 100mm의 접합시료편을 채취하고,그 길이방향의 중앙을 중심으로 하여 시험편의 양단이 겹치도록 180°절곡한 후, 원래대로 되돌려 굴곡부에서의 납땜재층의 박리 유무를 관찰하여, 납땜재층의 접합성을 평가하였다. 이상의 조사 결과를 표 1에 같이 기재한다. 표 1의 납땜재층의 접합성에 대하여, 납땜재층이 동층으로부터 부상(浮上)하지 않고 박리하지 않았던 것을 ◎, 일부 부상이 발생하였지만 굴곡부 전체로서는 박리하지 않았던 것을 ○, 굴곡부가 전체적으로 부상하여 박리한 것을 ×로 나타낸다.
시료No. 납땜재층 접합조건 팽창부 면적율% 접합성 비고
압하율% 소둔온도℃
1 44 - - - 비교예
2 50 350 0.1 이하 × 비교예
3 50 380 0.1 이하 ○ 실시예
4 50 500 0.1 이하 ○ ″
5 50 600 2.5 × 비교예
6 50 700 21 × ″
7 55 350 0.1 이하 × 비교예
8 55 380 0.1 이하 ○ 실시예
9 55 500 0.1 이하 ○ ″
10 55 600 1.2 ○ 비교예
11 55 700 25 × ″
12 60 350 0.1 이하 × 비교예
13 60 380 0.1 이하 ○ 실시예
14 60 400 0.1 이하 ○ 실시예
15 60 500 0.1 이하 ○ ″
16 60 600 5.5 × 비교예
17 60 700 32 × ″
18 70 350 0.1 이하 × 비교예
19 70 400 0.1 이하 ○ 실시예
20 70 500 0.1 이하 ◎ ″
21 70 590 0.1 이하 ○ ″
22 70 650 10 × 비교예
23 70 700 39 × 비교예
24 75 590 0.1 이하 ○ 실시예
25 75 650 40 × 비교예
26 80 590 0.1 이하 ○ 실시예
표 1에서, 실시예에 따른 각 시료는, 팽창부의 발생율이 0.10% 이상이며, 공공은 거의 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 이들 시료에 대하여는 납땜재층의 접합성도 양호하며, 미소 크기의 덮개에의 타발성도 문제가 없음을 알 수 있다. 한편, 압하율이 44%인 시료 No.1은 납땜재층을 압접할 수 없었다. 또한, 납땜재층의 압접 시의 압하율이 50% 이상이어도, 소둔온도가 350℃로 낮은 시료 No.2, 7, 12, 18에서는 납땜재층의 접합성이 불충분하였다. 또한, 압하율이 적절하여도 확산소둔온도가 600℃ 이상으로 너무 높은 시료 No.5, 6, 10, 11, 16, 17, 22, 23, 25는 팽창율이 급격히 상승하고, 접합강도도 저하하여 180°의 굴곡에 의해 납땜재층의 박리가 굴곡부 전체에 확인되었다.
다음에, 도 2에 나타난 바와 같이, 윗면에 개구된 전자부품의 수납 공간을 가지는 알루미나 제품의 케이스 본체(32)의 외주부에, 텅스텐·금속층(34), 니켈층(35) 및 금속(36)으로 이루어진 용착촉진층(37)을 구비한 케이스(31)를 준비하였다. 이 케이스(31)의 평면 치수는 도 3에 도시된 바와 같이, A= 5mm, B= 3mm, C= 0.5mm이다.
한편, 표 1의 시료 No.14~16의 덮개재를 소재로 하여, 또 0.1mm까지 냉간에서 사상압연을 행한 후, 타발가공하고, 상기 케이스(31)의 윗면을 피복 가능한 4.8×2.8mm의 덮개(21)를 얻었다. 사상압연 후의 덮개재의 각 층의 평균 두께는, 니켈층이 5㎛, 기재층이 55㎛, 동층이 30㎛, 납땜재층이 10㎛이었다. 이 덮개(21)를 케이스(31) 위에 납땜재층(4)이 상기 용착촉진층(37)에 접촉되도록 적치하여, 헬륨가스 분위기에서 같은 조건으로 씨임용접을 행하고, 덮개를 케이스에 용착하였다.
얻어진 패키지를 진공용기에 넣어 밀폐하고, 진공용기 내의 가스를이온펌프(Ion Pump)로 배기하여, 도달진공도에서 배기가스 중의 헬륨가스 유무를 조사하였다. 그 결과, 헬륨가스는 실시예 No.14 및 15의 덮개재를 사용한 패키지에서 확인되지 않았다. 비교예인 No.16의 덮개재를 사용한 것에서는 확인되었다. 이에 따라, 상기 실시예의 덮개재를 사용한 패키지의 케이스 본체에는 균열은 발생하지 않고, 또 덮개와 케이스와의 접합 상태는 양호한 것이 확인되었다. 한편, 상기 비교예의 덮개를 사용한 패키지에서는 케이스 본체에 균열이 생기지 않았기 때문에, 기밀성이 열화한 원인은 덮개와 케이스와의 접합 불량에 있는 것으로 추측되었다.

Claims (12)

  1. 전자부품을 수납하기 위한 수납 공간이 표면에 개구되도록 형성된 케이스의 개구 외주부에 용착되는 전자부품용 패키지(Package)의 덮개용 덮개재에 있어서,
    저열팽창금속으로 형성된 기재층(基材層)과, 이 기재층의 한쪽 표면에 적층되며, 내력이 110N/㎟ 이하의 저내력 금속으로 형성된 중간금속층과, 이 중간금속층에 적층되며, 은을 주성분으로 하는 은납땜합금으로 형성된 납땜재층을 구비하고,
    상기 중간금속층과 납땜재층은 서로 압접과 동시에 확산접합되며, 상기 납땜재층은 그 외표면에서 관찰되는 팽창부의 면적비율이 0.5% 이하인 것을 특징으로 하는 덮개재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저내력금속은, 동함유량이 99.9mass% 이상의 순동인 것을 특징으로 하는 덮개재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 순동은, 산소함유량이 0.05mass% 이하의 무산소동인 것을 특징으로 하는 덮개재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간금속층의 평균 두께가 10㎛ 이상, 200㎛ 이하인 것을 특징하는 덮개재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기재층의 다른 쪽 표면에 순니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 니켈합금으로 이루어진 니켈기 금속으로 형성된 니켈기 금속층이 접합된 것을 특징으로 하는 덮개재.
  6. 전자부품을 수납하기 위한 수납 공간이 표면에 개구되도록 형성된 케이스의 개구 외주부에 용착되는 전자부품용 패키지의 덮개용 덮개재의 제조방법에 있어서,
    저열팽창금속으로 형성된 기재층의 한쪽 표면에 내력이 110N/㎟ 이하의 저내력 금속으로 형성된 중간금속층이 적층된 중간금속층 적층체를 준비하는 준비공정과,
    상기 중간금속층 적층체의 중간금속층에 은을 주성분으로 하는 은납땜합금으로 형성된 납땜재층을 압접하여 납땜재층 압접체를 얻는 압접공정과,
    상기 납땜재층 압접체에 확산소둔을 실시하여 상기 중간금속층과 납땜재층이 서로 확산접합된 덮개재를 제조하는 확산소둔공정을 구비하고,
    상기 압접공정에서 압접 시의 압하율을 50% 이상, 80% 이하로 하고, 상기 소둔공정에서 소둔온도를 380℃ 이상, 590℃ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 덮개재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저내력금속은, 동함유량이 99.9mass% 이상의 순동인 것을 특징으로 하는 덮개재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 순동은, 산소함유량이 0.05mass% 이하의 무산소동인 것을 특징으로 하는 덮개재의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 납땜재층 압접체의 중간금속층의 평균 두께가 10㎛ 이상, 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 덮개재의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 중간금속층 적층체의 기재층의 다른 쪽 표면에 순니켈 또는 니켈을 주성분으로 하는 니켈합금으로 이루어진 니켈기 금속으로 형성된 니켈기 금속층이 적층된 것을 특징으로 하는 덮개재의 제조방법.
  11. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 기재된 덮개재로부터 상기 케이스의 개구부를 피복하는 크기로 가공된 덮개인 것을 특징으로 하는 전자부품용 패키지의 덮개.
  12. 전자부품을 수납하기 위한 수납 공간이 표면에 개구되도록 형성된 덮개를 구비하며, 이 케이스의 개구부를 피복하도록 그 개구 외주부에 용착된 덮개를 구비하고, 상기 덮개는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 덮개재로부터 가공된 것을 특징으로 하는 전자부품용 패키지.
KR1020047004311A 2001-11-12 2002-11-08 전자부품용 패키지, 그 덮개, 그 덮개용 덮개재 및 그덮개재의 제조방법 KR100899919B1 (ko)

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