WO2008026761A1 - Couvercle pour une pièce fonctionnelle et son procédé de production - Google Patents

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lid
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Rikiya Kato
Mitsuo Zen
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Senju Metal Industry Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a lid that hermetically seals a functional component, particularly a package of functional components in which elements are housed in a package, and a method for manufacturing the same.
  • Functional parts such as a crystal resonator, a saw filter (SAW filter), and a sensor are housed in a package, and the package is covered with a lid to keep it airtight.
  • solder In order to seal the knockout in a hermetic state with a lid, it is preferable to use solder from the viewpoint of ease of 1S sealing work using an adhesive, a hard solder, and solder and the economical efficiency of the material.
  • the package is made of ceramics such as alumina, aluminum nitride, mullite, glass ceramic, etc. and cannot be soldered as it is.
  • the joint of the package is metallized with tungsten, molybdenum, or the like, and then plated with solderable Ag-Pt, Ni, Au, or the like.
  • the lid is made of an Fe_Ni alloy such as Kovar (Fe_29Ni-17Co) or 42 alloy (Fe_42Ni).
  • a lid material plate made of this Fe-Ni alloy is formed into a lid according to the shape of the package.
  • Fe-Ni alloys have a thermal expansion coefficient close to that of ceramics. In other words, when the lid is soldered to the package and when the functional component is soldered to the printed circuit board, they are heated, but if the thermal expansion difference between the knocker and the lid is large, distortion occurs between the two. A fragile package breaks or cracks occur.
  • Functional parts made by soldering the node / cage and lid with solder are mounted on a printed circuit board. Functional components are mounted on the printed circuit board with solder, but when soldering at the time of mounting, if the solder joint between the previously soldered package and the lid melts, the lid may come off from the package, It becomes a problem when it slips. Therefore, as the solder that joins the package and the lid, a high-temperature solder that does not melt at the soldering temperature of the solder used for mounting the functional parts is used. [0005] Conventionally, the solder used for mounting functional parts was Pb_63Sn Pb-based eutectic solder.
  • the soldering temperature is considered to be the solder liquidus temperature + 30-50 ° C.
  • Pb-based eutectic solder has a liquidus temperature of 183 ° C.
  • the temperature of soldering and soldering is 210 ⁇ 230 ° C. Therefore, when mounting functional parts with Pb-based eutectic solder, if the above high-temperature solder has a solidus temperature of 240 ° C or higher, the high-temperature solder will not melt when the functional parts are mounted. The lid does not peel off.
  • Pb-based high-temperature solder such as Pb_5Sn (solidus temperature 300 ° C, liquidus wire, is used for soldering the package and lid.
  • Pb-2.5Ag solidus temperature 304 ° C, liquidus temperature 304 ° C), etc. were used.
  • Lead-free solder consists of Sn alone or Sn as the main component, and Ag, Cu, Sb, Zn, Bi, In, Fe, Ni, Cr, Co, Ge, Ga, P, etc. are added to this. Broadly classified, there are Sn_Ag, Sn—Cu, Sn—Zn, Sn—Sb, Sn_Bi, Sn_In, and the like.
  • system refers to a binary alloy or a ternary system or a quaternary system or higher by adding other metal elements to the binary alloy. For example, Sn-Ag series includes Sn-3.5Ag and Sn-3Ag-0.5Cu.
  • the Pb-based eutectic solder can be soldered at a temperature and V that does not affect the printed circuit board and functional parts, or has excellent solderability! /. For this reason, even lead-free solder is required to have a soldering temperature and solderability close to those of Pb eutectic solder.
  • the Sn-Bi system has a solidus temperature of 139 ° C, and there is no thermal effect on the printed circuit board or semiconductor element, but the solidus temperature is too low. Therefore, the part soldered with this type of solder is If power transistors or transformers that generate heat during use are in the vicinity, the bonding strength will be weakened or melted. Similarly, the Sn-In system has a solidus temperature of 117 ° C, which causes problems due to the solidus temperature being too low.
  • Sn-Ag Sn-3.5Ag has a solidus temperature of 221 ° C and a liquidus temperature of 223 ° C, and can be soldered at around 250 ° C. This soldering temperature is slightly higher than the soldering temperature of Pb-based eutectic solder, but it does not affect the printed circuit board and functional parts. In addition, Sn-Ag soldering is inferior to Pb eutectic soldering, but it can be soldered without problems in practice.
  • the Sn-Cu-based Sn-0.7Cu has a solid-liquidus temperature of 227 ° C, and the soldering temperature is slightly higher than that of the Sn_Ag system.
  • Sn-Ag series includes Sn-3Ag-0.5Cu (solidus temperature 217 ° C, liquidus temperature 220 ° C).
  • this lead-free solder has superior solderability compared to the Sn-Cu series, which has the lowest solidus and liquidus temperatures. Therefore, Sn-3Ag-0.5Cu is a lead-free solder that is currently widely used as an alternative Pb-based eutectic solder.
  • soldering of the functional component package and the lid it is necessary to use a high-temperature solder that does not melt at the soldering temperature when the functional component is mounted.
  • Pb-based eutectic solder can no longer be used for mounting functional parts
  • Sn-3A g-0.5Cu is widely used for mounting S.
  • the soldering temperature Is 240-250 ° C. Therefore, the lead-free high-temperature solder that solders the package and lid must have a solidus temperature of at least 250 ° C.
  • Sn-5Cu with a large amount of Cu added has a solidus temperature of 227 ° C and a liquidus temperature of 375 ° C
  • Sn-5Ag with a large amount of Ag added has a solidus temperature of 221 ° C.
  • the liquidus temperature is 245 ° C
  • Sn-10Sb with a large amount of Sb added has a solidus temperature of 245 ° C and a liquidus temperature of 266 ° C.
  • solders are used for soldering the functional component lid and package, and then soldering such functional components to a printed circuit board using Sn_3Ag-0.5Cu solder at 250 ° C, the previous solder The welded part becomes molten or semi-molten and the bonding strength between the package and the lid is weakened or completely peeled off.
  • solder pastes for high-temperature solders in which Sn balls and Cu balls are mixed have been proposed (Patent Documents 1 and 2). This is used as a solder paste for soldering electronic equipment, and the resulting Cu-mixed high-temperature soldering force solder joints constitute high-temperature resistance.
  • Patent Document 1 JP 2002-254194 A
  • Patent Document 2 JP 2002-261105 A
  • Cu-mixed high-temperature solder has inferior solderability to conventional high-temperature Pb-based solder.
  • the solder paste of Cu mixed high temperature solder had a problem in soldering the functional component package and the lid.
  • solder paste for Cu mixed high temperature solder could not join a lid with poor solderability.
  • solder paste containing flux has a problem in soldering the lid and the package, particularly the functional component package.
  • the present invention provides a lid for a functional component in which the solder easily gets wet when soldering the lid and the package despite using Cu high-temperature solder, and a method for manufacturing the lid .
  • Solder paste mixed with solder and liquid flux should be applied to the entire soldered area and heated after application to melt the solder paste.
  • a metal having excellent solderability is plated on one side of the lid, and a solidus temperature of 400 ° is applied to the plated surface.
  • a 5 to 40 m thick solder layer is formed of Cu-based metal powder of C or higher, Cu Sn intermetallic compound, and Sn-containing lead-free solder.
  • a Cu-based solder layer is formed in the lead-free solder matrix.
  • the metal powder is dispersed! /, And the force of the Cu-based metal powder is surrounded by an intermetallic compound of Cu Sn, and this intermetallic compound is bonded to the mating surface.
  • the functional component lid is characterized in that intermetallic compounds are at least partially connected to each other.
  • the present invention is a method for producing a functional component lid comprising the following steps.
  • solder paste comprising:
  • the lid material plate coated with the solder paste is heated to a temperature higher than the liquidus temperature of lead-free solder and lower than the solidus temperature of the Cu-based metal powder.
  • a solder layer having a thickness of 5 to 40 Hm is formed, Cu-based metal powder is dispersed in the lead-free solder matrix of the solder layer, and an intermetallic compound of Cu Sn around the Cu-based metal powder.
  • the present invention relates to a functional component in which a ceramic package and a thermal expansion coefficient are close to those of ceramics and a metal lid is joined with solder! /
  • solder layer Cu-based metal powder with a solidus temperature of 400 ° C or higher is dispersed in a Sn-containing lead-free solder matrix, and an intermetallic compound of Cu Sn is present around the Cu-based metal powder.
  • the intermetallic compound is bonded to the plating layer applied to the package and the metal plating layer of the lid, and the intermetallic compound is at least partially connected to each other.
  • the lid for functional parts of the present invention has a solder layer made of high-temperature Cu-containing solder formed on one side of the lid, when the functional parts are manufactured, the lid is placed on the package and heated. A functional component can be obtained simply by doing so, and simple manufacturing becomes possible. Also, since the high melting point Cu Sn intermetallic compound (hereinafter referred to as CuSn compound) is bonded to the lid, when the lid is mounted on the package and heated, the solder melts and is soldered to the package.
  • CuSn compound the high melting point Cu Sn intermetallic compound
  • the method for producing a lid for functional parts according to the present invention is such that a metal having excellent solderability is attached to a lid material plate having poor solderability, and a solder paste is applied to the lid material plate. Since it is applied to one side and heated, it has poor solderability! / Sn can reliably adhere Sn-containing lead-free solder. Moreover, in the manufacturing method of the present invention, the thickness obtained by applying the solder paste can be made constant by making the applied thickness of the solder paste constant. If there is no joint failure, the power and the tightness between the lid and the cage are excellent.
  • the CuSn compound formed in the solder layer is joined to the plating layer and the lid adhesion layer of the package, respectively.
  • the intermetallic compounds in the solder layer connected by force are connected. Therefore, when mounting such functional components on a printed circuit board, lead-free solder for mounting, for example Sn-3Ag-0.5Cu (solidus temperature: 217 ° C, liquidus temperature: 220 ° C)
  • the lid does not melt at the soldering temperature (240 to 260 ° C), so the lid does not peel or move from the package. According to the present invention, a functional component having excellent reliability can be obtained.
  • the present invention can also be applied to a cap-type lid for a flat package that can be obtained by using only a flat lid for a box-shaped package.
  • FIG. 1 (A-1) is a schematic explanatory diagram of the coating process
  • FIG. — 2) is a schematic diagram of the cross-section of the lid material plate after application
  • FIG. 1 (A-3) is an enlarged view thereof.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a heating process in the present invention
  • FIG. 2 (B-1) is a schematic explanatory diagram of a reflow furnace that is a heating furnace
  • FIG. 2 (B-2) is a lid that has undergone a heating process.
  • a schematic illustration of the cross section of the material plate, Fig. 2 (B-3), is a partially enlarged view thereof.
  • FIG. 3 is a schematic explanatory view of a cleaning step (C) in the method for producing gallid, which is effective in the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory view of a lid forming step in the method for manufacturing a lid according to the present invention.
  • FIG. 4 (D-1) is a schematic view of a step of forming a target shape of a lid from a strip-shaped lid material plate.
  • Fig. 4 (D-2) is a perspective view of the lid 18 punched from the strip-shaped lid material plate 1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a functional component manufactured according to the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the soldering portion J of FIG.
  • an Fe—Ni alloy such as Kovar or 42 alloy is used as the lid. Since these alloys have a thermal expansion coefficient close to that of ceramics, which is the material of the package, no distortion occurs between them when soldering the lid and the package or heating when mounting the functional parts. However, since these Fe-Ni alloys have poor solderability, a metal having excellent solderability is put on the strip-shaped lid material plate before being formed into a lid in advance.
  • examples of the metal having excellent solderability to be plated on the lid material plate include Sn, Cu, Ag, Sn-Cu alloy, Sn_Ag alloy, and the like.
  • a suitable plating thickness is 0.5 to 5 mm. If the plating thickness is less than 0.5 mm, it will not easily diffuse into the molten solder during soldering, and solderability will deteriorate. If this is thicker than 5 m, the plating process will take time S and productivity will deteriorate.
  • system alloy described in the present invention means an alloy in which another metal is further added to the binary alloy as described above.
  • the Cu-based metal powder used in the present invention is a pure Cu powder or a Cu-based alloy powder having a solidus temperature of 400 ° C or higher. If the solidus temperature of the Cu-based metal powder is lower than 400 ° C, the Cu-based metal powder easily dissolves in the molten solder when heated as a solder paste, and in the powder state in the solder. Because it will not remain.
  • Cu-based alloy powders include Cu-Sn-based alloy powder, Cu-Ag-based alloy powder, Cu-Zn-based alloy powder, and Cu_Ni-based alloy powder.
  • Pure Cu has a melting point (solidus temperature) of 1083 ° C
  • Cu_50Sn has a solidus temperature of 415 ° C
  • Cu_28Ag has a solidus temperature of 780 ° C
  • Cu_98Zn has a solidus temperature of 424 ° C
  • Cu- lONi has a solidus temperature of 1000 ° C.
  • the average particle size of the Cu-based metal powder used in the present invention is suitably 2 to 30 m. If it is smaller than the particle size force, it tends to diffuse into the molten solder, and if it is larger than 30 in, the printability will be hindered. Preferably, it is 2-15111.
  • the Cu-based metal powder used in the present invention may be plated with Ni.
  • M-plating is applied to Cu-based metal powder, solder paste consisting of Cu-based metal powder, Sn-containing lead-free solder powder and flats is applied to the lid material plate, and then heated to Cu-based metal powder and molten lead. Since the reaction with the free solder is slow, the formation of CuSn compounds that interfere with soldering is delayed, and voids are reduced, resulting in good solderability. This is because at this heating point, M only diffuses into the molten lead-free solder and the reaction with Cu is suppressed.
  • the Cu-based metal powder reacts with the molten lead-free solder, resulting in a CuSn compound (Cu Sn) Is generated.
  • Ni plating with a thickness of 0.03 to 0.3 ⁇ m is preferred! /.
  • Plating thickness is 0. If the thickness is less than 111, the effect of delaying the formation of the CuSnb compound is reduced. On the other hand, if the thickness is greater than 0.3 m, the SnCu compound is not formed and the heat resistance is not improved.
  • the Sn-containing lead-free solder used in the present invention is pure Sn or Sn-based solder, preferably Sn-based alloy containing 0 mass% or more of Sn force.
  • Sn-containing lead-free solder is alloyed with Cu in the particle surface region of the Cu-based metal powder when melted to form a CuSn compound. Therefore, if Sn is not contained in lead-free solder by 40% by mass or more, CuSn compounds are not easily formed.
  • Lead-free solders suitable for use in the present invention are pure Sn or Sn-based alloys, and Sn-based alloys include Sn-Ag based alloys, Sn-Cu based alloys, Sn_Sb based alloys, Sn_Zn based alloys. Sn_In alloy, Sn-Bi alloy and the like. Examples include Sn-3.5Ag alloy, Sn_0.7Cu alloy, Sn_3Ag-0.5Cu alloy, Sn_9Zn alloy, Sn_52Bi alloy, Sn_58In alloy.
  • the average particle size of the lead-free solder used in the present invention is suitably 2 to 30 m. If the particle size is smaller than 2 in, the amount of surface oxidation is large, so the reflow property is poor and the reactivity with the Cu-based metal powder becomes slow. However, the reactivity is poor and the solder powder and Cu-based powder are not sufficiently agglomerated and the formation of SnCu compounds is hindered.
  • the solder paste used in the method for producing a lid of the present invention is a paste obtained by mixing Cu-based metal powder, Sn-containing lead-free solder powder, and flux.
  • the mixing ratio of Cu-based metal powder and Sn-containing lead-free solder powder is 15 to 40% by mass of Cu-based metal powder, and the remainder is Sn-containing lead-free solder powder. If the Cu-based metal powder is less than 15% by mass, the amount of CuSn compound formed in the alloy layer of the solder is reduced, and the bonding strength in a high-temperature atmosphere is weakened. However, if the amount of Cu-based metal powder exceeds 40% by mass, the amount of solder decreases and solderability deteriorates. Preferably, it is 25-35 mass%.
  • the heating force S is applied after the solder paste is applied to one side of the lid material plate, and the preferable application thickness of the solder paste is 20 to 80 ⁇ m.
  • the solder paste is thinner than 3 ⁇ 40 ⁇ m, when the solder paste is melted, the thickness of the solder layer formed on the lid material plate becomes thin, and when the lid is heated in a package The amount of solder is small If the bonding strength becomes weak, it becomes impossible to seal the package with force. However, if the solder paste coating thickness is greater than 80 m, the thickness of the solder layer formed on the lid material plate will be too thick, and excessive solder will enter the package when soldering to the package. Adheres to or drops off.
  • a solder paste is applied to one surface of the lid material plate, preferably the entire surface thereof, and then heated.
  • the heating temperature at this time is equal to or higher than the temperature at which the Sn-containing lead-free solder powder in the solder paste melts.
  • the heating temperature is 250-300 ° C force S. In other words, most Sn-containing lead-free solders melt at 250 ° C and get wet with the lid material plate, and if the temperature exceeds 300 ° C, the elements housed in the package are thermally damaged and their functions deteriorate. .
  • solder paste flux used in the present invention those conventionally used in many soldering processes can be used.
  • flux for solder paste is obtained by dissolving solid components such as pine resin, activator, thixotropic agent in a solvent. In the present invention, such a flux is used.
  • the solder paste as described above is applied to the lid material plate and heated. At this time, the molten Sn is alloyed with Cu in the surface region of the Cu particles to form a Cu Sn intermetallic compound.
  • This CuSn compound has a melting point of 415 ° C, which is very high, so the entire solder layer obtained has excellent heat resistance.
  • the solvent is evaporated and the solid component remains as a flux residue on the surface. If even a small amount of the flux residue remains in the functional component, it will adversely affect the function of the functional component, so the flux residue must be completely removed.
  • an organic solvent such as alcohol is used if the solid component is a resin, and an aqueous solvent is used if the solid component is water-soluble.
  • the plate material obtained by washing is made into a plate-like lid or a cap-type lid by appropriate means, for example, punching and further pressing according to the shape and dimensions of the target lid. .
  • the method for producing the lid is more than that for a strip-shaped lid material plate.
  • the desired shape and size of the lid are punched out from the strip with the solder layer as described above. It can be manufactured by forming means such as processing and press processing.
  • a lid made of a difficult-to-solder material can be soldered to a package without using a flux.
  • 1 to 4 illustrate each step in the method for manufacturing a lid according to the present invention.
  • lid material plate used in the manufacturing method of the lid of this example.
  • Ridge material plate Kovar (long material with thickness 0 ⁇ lmm, width 40mm)
  • Lid material plate plating Ni base (thickness 0 ⁇ 1 111), Sn plating (thickness 3 111)
  • Active agent diphenyl guaiacolsulfonate two gin HBr
  • mass 0/0 thixotropic agent (hydrogenated castor oil) 3 wt%
  • Fig. 1 shows the solder paste coating process that constitutes the manufacturing method of the rivet, which is a power of the present invention.
  • Fig. 1 ( ⁇ -1) is a schematic explanatory diagram of the coating process
  • Fig. 1 ( Fig. 2 (2) is a schematic diagram of the cross-section of the lid after application
  • Fig. 1 (3-3) is an enlarged view thereof.
  • the solder paste applying step is a step of applying the solder paste 3 to the two surfaces of the lid material plate 1.
  • the screen 4 is placed on the surface 2 of the lid material plate 1 and the solder paste 3 is placed on the screen, and then the solder paste is spread in the direction of arrow X with the squeegee 5.
  • the thickness of the recer paste applied is 40 m. Refer to Figure 1 (A-1).
  • solder paste 3 is applied to the mating surface 2 of the lid 1 with a predetermined thickness. Refer to Figure 1 ( ⁇ -2).
  • solder paste 3 is a mixture of pure Cu powder 6, Sn powder 7 and flux 8. Refer to Figure 1 ( ⁇ -3).
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a heating process in the present invention
  • FIG. 2 (B-1) is a schematic explanatory diagram of a reflow furnace that is a heating furnace
  • FIG. 2 (B-2) is a heating process
  • FIG. 2 (B-3) is a partially enlarged view of a cross-section of the lid material plate that has undergone the above process.
  • the lead material 1 coated with the solder paste is heated in a reflow furnace 9 to melt the lead-free solder in the solder paste and join it to the plated surface, and then cooled and solidified.
  • the heating temperature in the reflow furnace the preheating temperature is 150 ° C and the main heating temperature is 250 ° C. Refer to Figure 2 (B-1).
  • a lead-free solder layer 10 having a thickness of 20 m is formed on the mating surface 2 of the lid material plate 1. Refer to Figure 2 (B-2).
  • solder layer 10 pure Cu powder 6 is dispersed in a lead-free solder matrix 11, and a CuSn compound 12 formed by alloying the outer periphery of the Cu powder and lead-free solder is formed around the Cu metal powder.
  • a CuSn compound 12 formed by alloying the outer periphery of the Cu powder and lead-free solder is formed around the Cu metal powder.
  • CuSn compound 12 is attached to two layers and CuSn compound 12 is also bonded to each other. In joining CuSn compounds, not all CuSn compounds are joined, but at least some of the CuSn compounds are joined.
  • a solder paste flux residue 13 is attached on the solder layer 10. Refer to Figure 2 (B-3).
  • FIG. 3 is a schematic explanatory view of the cleaning step in the present invention.
  • the strip-shaped lid material plate 1 provided on one side, preferably the entire surface, of the solder layer is passed through a cleaning tank 15 containing alcohol 14 to wash away the flux residue adhering to the lid material plate 1.
  • a rotating brush 16 is installed in the washing tank 15, and it is flacked with alcohol. The soot residue residue is dissolved and dissolved, and at the same time, the flax rack residue residue residue is scraped off with the rotating rotary brush. . See Fig. 33. .
  • Fig. 44 ((DD--11)) shows the process of forming a desired shape of the slitted rib from the strip-shaped ribbed material plate.
  • Fig. 44 ((DD --- 22)) is a strip-shaped, strip-shaped material plate 11 punched from 11
  • FIG. 10 is a perspective view of the extracted riritsudodo 1188. .
  • the Lilithod 1188 punched and punched with prepress, has a layer of solder that has a thickness of 2200 HH mm on one side. Layer 1100 is adhered evenly and uniformly. . Refer to Figure 44 ((DD--22)). .
  • Fig. 55 is a cross-sectional view of the functional component part 1199
  • Fig. 66 is a joint between the package and the slit in Fig. 55.
  • FIG. 4 is an enlarged and enlarged cross-sectional view of a part ((JJ)). .
  • the Pacage cage 2200 of the functional parts 1199 has a box-like shape in which a stepped portion is formed on the inner inner side, The element element 22 11 is stored and accommodated in the part. .
  • the peripheral edge of the upper upper portion of the Pappage cage 2200 is a soldering portion on the frame. .
  • the metal solder genus having a high and high melting point is attached to and attached to the soldered portion by Memeta Tararaizu, and on top of it, Since the gold metal genus that can be attached to the soldering layer has been clarified, it has become a layer 2222.
  • the functional parts 1199 has a layered layer 1100 where the soldered portion of the package 2200 and the slitted 1188 are joined. It is what has been joined together. .
  • the functional component part 1199 of the present invention is located on the solder attachment portion on the frame of the package 2200.
  • the package 2200 and the Rirituddo are separated. It is the one that has been joined together.
  • the joint section JJ of the functional parts 1199 as shown in FIG.
  • the CCuu-based gold metal powder powder powder 66 It is in close contact with the CCuuSSnn compound 1122 formed around the perimeter. .
  • the package layer 2222 of the package 2200 is in close contact with the matrix trixus 1111 in the layer 1100.
  • the CCuuSSnn compound in the Handanda layer 1100 1122 There are at least a few of them, but some of them are linked together Therefore, the gap between the prilled layer layer 22 of the rib 1111 88 and the puddle cage layer 2222 of the package 2200 is joined with a CCuuSSnn compound. It will be here and there. . Therefore, the Riritsudo 1188 and the Nocken Cage 2200 are connected to each other through the gold metal layer 2222 and the layer 2222, respectively. [0057] By the way, the melting point of the Cu Sn intermetallic compound itself is 415 ° C.
  • the melting point of the compound in the molten solder slightly lowers in proportion to the composition of the molten solder.
  • a peak temperature appeared at about 400 ° C. when 30% by mass of Cu powder and 70% by mass of Sn powder were melted at 250 ° C.
  • a functional component was manufactured using a lid manufactured using a solder layer with the composition shown in Table 1.
  • the lid of the functional component is 3.6 X 3.6 X 0.1 (mm), and one surface of the lid is provided with an M base coat and an Sn plating applied thereon with an electrolytic coat.
  • the package of the functional component was 3.8 X 3.8 X 1.1 (mm) and had a frame shape with a soldering part width of 0.4 to 5 mm.
  • the soldered part has a 10 m thick W metallization, a 11 mm thick Ni undercoat, and a 0.5 ⁇ m thick Sn plating on the Ni undercoat. An ume layer is formed.
  • the lead is coated with a lead-free solder having the composition shown in Table 1, Cu-based metal powder, and a solder paste composed of the above-described flux force, and reflow-heated to obtain a thickness of 10 on one side of the lid.
  • a solder layer of ⁇ 40 m was formed. Place the lid on the package so that the solder layer of the lid and the plating layer of the package are combined, and then put 10g of weight on the lid. Put it on. These are heated in a nitrogen atmosphere reflow oven at the liquidus temperature of the lead-free solder used + 30 ° C, and the lid and the package are joined to produce functional parts.
  • This test simulates soldering on a printed circuit board after soldering the lid to the package.
  • Table 1 shows the test results.
  • the SnCu compound was identified using an SEM X-ray analyzer, and in all of the examples of the present invention, formation of an intermetallic compound of Cu Sn was confirmed. It was also confirmed by microscopic observation of the cross section that each intermetallic compound was at least partially connected.
  • Table 1 shows that none of the functional parts manufactured with the lid of the present invention was detached or displaced, but most of the functional parts manufactured with the comparative example of the lid were made of a lid. Occurrence of omission and slipping!
  • Comparative Example 14 is a case where no Cu-based metal powder is contained
  • Comparative Example 5 is a case where the solidus temperature of the Cu-based metal powder is less than 400 ° C
  • Comparative Example 6 is a case where Cu Comparative Example 7 shows an example in which the Cu powder was plated and the plating thickness was thick (6 wt%). None of them have sufficient heat resistance, but in the case of Comparative Example 6, it was Ag-40Sn solder (solidus temperature 221 ° C), and no CuSn compound was formed, so heat resistance could not be secured. .

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Description

明 細 書
機能部品用リツドとその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、機能部品、特に素子がパッケージ内に収納された機能部品のパッケ一 ジを気密に封止するリツド、およびその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 水晶振動子ゃソーフィルター (SAW Filter),センサ等の機能部品は、素子がパッケ ージ内に収納されており、該パッケージをリツドで蓋をして気密状態にしている。この ノ ッケージをリツドで気密状態に封止するためには、接着剤、硬ロウ、はんだを用いる 1S 封止作業の容易性や材料の経済性からはんだを用いることが好ましい。パッケ一 ジは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、ガラスセラミック、等のセラミックスで作ら れており、そのままでははんだで接合できない。そのようなパッケージとリツドとを接合 するために、パッケージの接合部にはタングステンやモリブデン等をメタライズ処理し た後、その上にはんだ付け可能な Ag-Pt、 Ni、 Au等のめっきを施す。
[0003] 一方、リツドはコバール（Fe_29Ni-17Co)、 42ァロイ（Fe_42Ni)等の Fe_Ni系合金で作 られている。この Fe-Ni系合金を板状にしたリツド材料板をパッケージの形状 '寸法に 合わせて成形しリツドとする。 Fe-Ni系合金をリツドとして使用するのは、これらの Fe-Ni 合金は熱膨張率がセラミックスに近いためである。つまり、パッケージにリツドをはんだ 付けするとき、および機能部品をプリント基板にはんだ付けするときに、それぞれ加 熱するが、ノ ッケージとリツドとの熱膨張差が大きいと両者間に歪がおこって、脆いパ ッケージが破壊したり、ヒビ割れが起こってしてしまう。
[0004] ノ /ケージとリツドをはんだで接合して作られた機能部品は、プリント基板に実装す る。機能部品のプリント基板への実装は、はんだで行うが、この実装時のはんだ付け に際して、先にはんだ付けしたパッケージとリツドとのはんだ接合部が溶融してしまう と、リツドがパッケージから剥がれたり、ずれたりして問題となる。そこでパッケージとリ ッドを接合するはんだとしては、機能部品の実装に用いるはんだのはんだ付け温度 で溶融しなレ、高温はんだを用いる。 [0005] 従来、機能部品の実装に用いるはんだは、 Pb_63Snの Pb系共晶はんだであった。 一般にはんだ付け温度は、はんだの液相線温度 + 30〜50°Cが適当とされており、 P b系共晶はんだは、液相線温度が 183°Cであるため、この共晶はんだを用レ、たはん だ付け温度は 210〜230°Cとなる。従って、機能部品を Pb系共晶はんだで実装する 場合、上記高温はんだは、固相線温度が 240°C以上のものであれば機能部品の実 装時に高温はんだが溶融せず、ノ ッケージとリツドとが剥離するようなことがない。そ こで実装に Pb系共晶はんだを用いるような機能部品では、パッケージとリツドのはん だ付けには、 Pb主成分の高温はんだ、例えば Pb_5Sn (固相線温度 300°C、液相線 温度 314°C)、 Pb-2.5Ag (固相線温度 304°C、液相線温度 304°C)等を用いていた。
[0006] しかしながら、今日、鉛の有害作用が問題となってきており、そのため現在は地球 規模で Pbの使用が規制されるようになってきた。当然、 Pbを含む Pb系共晶はんだは 規制の対象となっており、実装用のはんだとしては Pbを含まない所謂鉛フリーはんだ が用いられるようになつてきた。
[0007] 鉛フリーはんだとは、 Sn単体、或いは Snを主成分とし、これに Ag、 Cu、 Sb、 Zn、 Bi、 I n、 Fe、 Ni、 Cr、 Co、 Ge、 Ga、 P等を添加したものであり、大別すると Sn_Ag系、 Sn-Cu 系、 Sn-Zn系、 Sn-Sb系、 Sn_Bi系、 Sn_In系等がある。ここでいう「系」とは、二元合金そ のものの他、該ニ元合金に他の金属元素を添加して三元系や四元系以上にしたも のである。例えば Sn-Ag系としては Sn-3.5Agや Sn-3Ag-0.5Cu等がある。
[0008] 前述のように Pb系共晶はんだは、プリント基板や機能部品に対して熱影響を与えな V、温度ではんだ付けができ、またはんだ付け性に優れて!/、るものであるため、鉛フリ 一はんだでも Pb系共晶はんだに近いはんだ付け温度とはんだ付け性が要求されて いる。
[0009] はんだ付け温度が Pb系共晶はんだのそれに近い鉛フリーはんだとしては、 Sn-Zn 系（Sn-9Zn :固 '液相線温度 199°C)がある力 この系の鉛フリーはんだは、 Pb系共晶 はんだに比べてはんだ付け性が悪ぐまた Znが卑の金属であり、はんだ付け後に粒 間腐食を起こすことがあるため今のところ多くは使われて!/、なレ、。
[0010] Sn-Bi系は、固相線温度が 139°Cであり、プリント基板や半導体素子への熱影響は ないが、固相線温度が低すぎる。従って、この系のはんだではんだ付けした部分は、 使用時に熱を発するパワートランジスターやトランスが近傍にあると、接合強度が弱く なったり、溶融したりする。同様に Sn-In系は、固相線温度が 117°Cに現れるため、固 相線温度が低すぎることによる問題が発生する。
[0011] Sn-Ag系の Sn-3.5Agは固相線温度が 221°C、液相線温度が 223°Cであり、はんだ 付けが 250°C前後で行える。このはんだ付け温度は Pb系共晶はんだのはんだ付け 温度よりも少し高いが、プリント基板や機能部品に熱影響を与えない温度である。ま た Sn-Ag系は、はんだ付け性が Pb系共晶はんだよりは劣るが、実用上問題なくはん だ付けが行える。
[0012] Sn-Cu系の Sn-0.7Cuは固.液相線温度が 227°Cであり、はんだ付け温度は Sn_Ag 系よりも少し高くはなる力 温度管理を適切に行えば問題はない。
また、 Sn-Ag系としては Sn-3Ag-0.5Cu (固相線温度 217°C、液相線温 220°C)があ る。この鉛フリーはんだは Sn-Ag系の中でも、固相線温度および液相線温度が最も低 いばかりでなぐ Sn-Cu系よりもはんだ付け性に優れている。従って、 Sn-3Ag-0.5Cu は、現在、代替 Pb系共晶はんだとして多く使用されている鉛フリーはんだである。
[0013] ところで機能部品のパッケージとリツドのはんだ付けでは、機能部品を実装するとき のはんだ付け温度で溶融しないような高温はんだが必要であることは前述の如くであ る。つまり機能部品の実装用として Pb系共晶はんだが使えなくなったことから、 Sn-3A g-0.5Cuが実装用として広く使用されている力 S、この鉛フリーはんだを使用する場合、 はんだ付け温度は 240〜250°Cとなる。従って、パッケージとリツドをはんだ付けする 鉛フリーの高温はんだは、少なくとも 250°C以上の固相線温度を有するものでなけれ ばならない。
[0014] しかしな力 、固相線温度が 250°C以上であり、し力、も液相線温度が機能部品の耐 熱温度である 300°C以下の Sn主成分の高温はんだは、存在しなかった。つまり Sn主 成分のものに Cu、 Ag、 Sb等の高融点金属を大量に添加して高温はんだにしょうとし ても、液相線温度だけが上昇して固相線温度は 250°C以下である。例えば Cuを大量 に添加した Sn-5Cuは固相線温度が 227°C、液相線温度が 375°Cであり、 Agを大量 に添加した Sn-5Agは固相線温度が 221°C、液相線温度が 245°Cであり、また Sbを大 量に添加した Sn-10Sbは固相線温度が 245°C、液相線温度が 266°Cである。従って 、これらのはんだを機能部品のリツドとパッケージのはんだ付けに使用し、次いで、 Sn _3Ag-0.5Cuのはんだを用いてそのような機能部品をプリント基板に 250°Cではんだ 付けすると、先のはんだ付け部が溶融または半溶融状態となってパッケージとリツド の接合強度が弱くなつたり、完全に剥離したりしてしまう。
[0015] 従来より Snボールと Cuボールを混合した高温はんだ用のソルダペーストが提案され ていた（特許文献 1、 2)。これはソルダペーストとして電子機器のはんだ付けに使用さ れ、得られた Cu混合高温はんだ力 はんだ接合部を構成し、耐高温特性を有すると いうのである。
特許文献 1：特開 2002-254194号公報
特許文献 2：特開 2002-261105号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] しかしながら、 Cu混合高温はんだは、はんだ付け性が従来の Pb主成分の高温はん だよりも劣るものであった。また、 Cu混合高温はんだのソルダペーストでは機能部品 のパッケージとリツドとのはんだ付けには問題があった。
[0017] 従って、 Cu混合高温はんだを機能部品のパッケージとリツドのはんだ付けに用いよ うとしても、前述の Cu混合高温はんだ用ソルダペーストでは、はんだ付け性の悪いリ ッドを接合できなかったし、フラックスを含むソルダペーストでは、リツドとパッケージ、 特に機能部品のパッケージとのはんだ付けに問題があった。
[0018] 本発明は、 Cu混合高温はんだを用いているにもかかわらず、リツドとパッケージとの はんだ付けの際にはんだが容易に濡れる機能部品用のリツド、および該リッドの製造 方法を提供する。
課題を解決するための手段
[0019] 本発明者らは、以下の点に着目して本発明を完成させた。
(0はんだと液状フラックスを混合したソルダペーストは、はんだ付け部全域に塗布 し、塗布後に加熱してソルダペーストを溶融させるとはんだ付け部全域にはんだが付 着すること、
(ii)はんだ付け性の悪い材料にはんだを付着させるには該材料にはんだ付け性に 優れた金属をめつきしておけば、はんだは該材料に容易に濡れること、
(iii)はんだ中に金属 Cu粒子を分散させたはんだ層を予めリツドに設けておくことに よって、フラックスを用いることなぐパッケージの接合面への濡れ性を確保でき、また 高温での接合強度が改善されること、
(iv)高温はんだ相を予め設けておけば、フラックスを用いる必要がなぐ雰囲気はん だ付けが可能となり、機能性部品に収容される素子に悪影響を及ぼすことがないこと
〇
[0020] 本発明は、はんだを用いてパッケージと接合する機能部品用リツドにおいて、リツド の片面にはんだ付け性に優れた金属がめっきされており、該めっき面には固相線温 度 400°C以上の Cu系金属粉末と Cu Snの金属間化合物と Sn含有鉛フリーはんだから なる厚さ 5〜40 mのはんだ層が形成されており、該はんだ層では鉛フリーはんだの マトリックス中に Cu系金属粉末が分散して!/、て、し力、も該 Cu系金属粉末の周囲には Cu Snの金属間化合物が存在しており、またこの金属間化合物は前記めつき面に接 合しているとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結していることを特徴とする 機能部品用リツドである。
[0021] 別の面からは、本発明は、下記工程を備えた機能部品用リツドの製造方法である。
(A)片面にはんだ付け性に優れた金属がめっきされたリツド材料板の該めっき面に、 固相線温度 400°C以上の Cu系金属粉末と Sn含有の鉛フリーはんだ粉末とフラックス 力、らなるソルダペーストを一定厚さに塗布する塗布工程；
(B)前記ソルダペーストが塗布されたリッド材料板を、鉛フリーはんだの液相線温度 以上、 Cu系金属粉末の固相線温度以下に加熱して、リツド材料板のめっき面に、好 ましくは厚さ 5〜40 H mのはんだ層を形成し、該はんだ層の鉛フリーはんだのマトリツ タス中に Cu系金属粉末が分散し、該 Cu系金属粉末の周囲に Cu Snの金属間化合物 が存在し、しかも金属間化合物はリツド材料板に接合するとともに金属間化合物同士 が少なくとも一部連結するようにする加熱工程；
(C)片面に前記はんだ層が形成されたリツド材料板を洗浄液で洗浄してフラックス残 渣を完全に除去する洗浄工程；および
(D)前記フラックス残渣が除去されたリツド材料板を加工して所定形状のリツドにするリ ッド成形工程；
力 なることを特徴とする機能部品用リツドの製造方法。
[0022] さらに別の面からは、本発明は、セラミック製パッケージと熱膨張率がセラミックスに 近レ、金属製リツドとがはんだで接合されて!/、る機能部品にお!/、て、はんだ層は Sn含 有の鉛フリーはんだのマトリックス中に固相線温度 400°C以上の Cu系金属粉末が分 散しており、該 Cu系金属粉末の周囲には Cu Snの金属間化合物が存在していて、し 力、も該金属間化合物はパッケージに施しためっき層とリツドの金属めつき層に接合し ているとともに、金属間化合物同士が少なくとも一部連結していること特徴とする機能 部品である。
発明の効果
[0023] 本発明の機能部品用リツドは、リツドの片面に Cu含有高温はんだからなるはんだ層 が形成されているため、機能部品を製造するときに、パッケージの上にリツドを載置し て加熱するだけで機能部品が得られ、簡便な製造が可能となる。また高融点の Cu Sn の金属間化合物（以下、 CuSn化合物という）がリツドに接合しているため、リツドをパッ ケージに搭載して加熱したときに、はんだは溶融してパッケージにはんだ付けされる
1S はんだ層とリツドとが位置ずれしない。
[0024] また本発明の機能部品用リツドの製造方法は、難はんだ付け性のリツド材料板に、 はんだ付け性に優れた金属をめつきしておき、し力、もソルダペーストをリツド材料板の 片面に塗布して加熱するため、はんだ付け性に乏し!/、Sn含有鉛フリーはんだを確実 に付着させること力 Sできる。しかも、本発明の製造方法では、ソルダペーストの塗布厚 さを一定にすることで、はんだ層の付着厚さを一定にすることができるため、本発明 の製造方法で得られたリツドはパッケージとの接合不良がないば力、りでなぐリツドと ノ クケージ間の気密性に優れてレ、る。
[0025] さらに、パッケージとリツドとが Sn含有鉛フリーはんだ層で接合されている機能部品 は、該はんだ層内で形成された CuSn化合物がパッケージのめっき層とリツドのめつき 層にそれぞれ接合しているば力、りでなぐはんだ層内の金属間化合物同士が連結し ている。従って、そのような機能部品をプリント基板に実装するときに、実装用の鉛フ リーはんだ、例えば Sn-3Ag-0.5Cu (固相線温度： 217°C、液相線温度： 220°C)での はんだ付け温度（240〜260°C)でも溶融しないため、リツドがパッケージから剥離し たり移動したりしない。本発明によれば、このように信頼性に優れた機能部品が得ら れる。
[0026] 本発明は、箱形のパッケージ用の平らなリツドだけでなぐ平らなパッケージ用のキ ヤップ型リツドにも適用できる。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]本発明に力、かるリツドの製造方法におけるソルダペーストの塗布工程を示すも ので、図 1(A— 1)は、その塗布工程の模式的説明図、図 1(A— 2)は、塗布後のリツド 材料板断面の模式図、そして図 1(A— 3)はその拡大図である。
[図 2]本発明における加熱工程の説明図であり、図 2(B— 1)は、加熱炉であるリフロー 炉の模式的説明図、図 2(B— 2)は、加熱工程を経たリツド材料板の断面の模式的説 明図、図 2(B— 3)は、その部分拡大図である。
[図 3]本発明に力、かるリツドの製造方法における洗浄工程 (C)の模式的説明図である
〇
[図 4]本発明にかかるリツドの製造方法におけるリツド形成工程の模式的説明図であり 、図 4 (D- 1)は、帯状のリツド材料板から目的形状のリツドを成形する工程の模式的 説明図、図 4(D— 2)は、帯状のリツド材料板 1から打ち抜かれたリツド 18の斜視図であ
[図 5]本発明により製造される機能部品の断面図である。
[図 6]図 5のはんだ付け部 Jの拡大断面図である。
発明を実施するための最良の形態
[0028] 本発明では、リツドとしてコバールや 42ァロイ等の Fe-Ni系合金を用いる。これらの 合金は、熱膨張係数がパッケージの材料であるセラミックスに近いため、リツドとパッ ケージのはんだ付け時や、機能部品の実装時の加熱で両者間に歪が起こらない。と ころがこれらの Fe-Ni系合金は、はんだ付け性が悪いため、予めリツドに成形する前 の帯状のリツド材料板にはんだ付け性に優れた金属をめつきしておく。
[0029] 本発明において、リツド材料板にめっきするはんだ付け性に優れた金属としては、 S n、 Cu、 Ag、 Sn-Cu合金、 Sn_Ag合金、等がある。好ましくは、 Sn、 Sn-Cu (Cu: 3%以下） 、 Sn-Bi (Bi: 3 %以下)である。
[0030] リツド材料板へこれらの金属をめつきするには、電解めつき、無電解めつき等で行う 。めっきの厚さは、 0. 5〜5〃mが適している。めっき厚が 0. 5〃 mよりも薄いと、はん だ付け時に溶融はんだ中に容易に拡散してなくなってしまい、はんだ付け性を悪くす る。これが 5 mよりも厚くなると、めっき作業に時間力 Sかかって生産性が悪くなる。
[0031] 本発明で記載する「系合金」とは、前述のように二元系合金だけではなぐ該ニ元 系合金に、さらに他の金属が添加された合金も意味する。
本発明に使用する Cu系金属粉末は、純 Cu粉末または固相線温度が 400°C以上の Cu系合金粉末である。 Cu系金属粉末の固相線温度が 400°Cよりも低いと、ソルダぺ 一ストにして加熱したときに、 Cu系金属粉末が溶融はんだに容易に溶け込んでしま い、はんだ中に粉末状態で残らなくなってしまうからである。 Cu系合金粉末としては C u-Sn系合金粉末、 Cu-Ag系合金粉末、 Cu-Zn系合金粉末、 Cu_Ni系合金粉末があ げられる。純 Cuは融点（固相線温度）が 1083°C、 Cu_50Snは固相線温度が 415°C、 Cu_28Agは固相線温度が 780°C、 Cu_98Znは固相線温度が 424°C、 Cu-lONiは固 相線温度が 1000°Cである。
[0032] 本発明に使用する Cu系金属粉末の平均粒径は、 2〜30 mが適して!/、る。該粒径 力 よりも小さいと、溶融はんだに拡散しやすくなり、 30 inよりも大きいと印刷性 に支障をきたすようになる。好ましくは、 2〜15 111である。
[0033] 本発明に使用する Cu系金属粉末には Niめっきを施しておいても良い。 Cu系金属 粉末に Mめっきを施しておくと、 Cu系金属粉末と Sn含有鉛フリーはんだ粉末とフラッ タスからなるソルダペーストをリツド材料板に塗布後、加熱したときに Cu系金属粉末と 溶融鉛フリーはんだとの反応が遅くなつて、はんだ付けに支障をきたす CuSn化合物 の形成を遅らせ、ボイドが少なくなるなどの効果があり、はんだ付け性が良好となる。 この加熱時点では、 Mが溶融鉛フリーはんだ中に拡散するのみで、 Cuとの反応が抑 えられるからである。そしてリツド材料板にはんだ層を形成し、リツドに成形した後、パ ッケージに搭載して再度、加熱したときに Cu系金属粉末と溶融鉛フリーはんだとが反 応して CuSn化合物（Cu Sn )が生成される。
6 5
[0034] Mめっきを施すときは、 0·03〜0·3 μ mの厚さの Niめっきが好まし!/、。めっき厚さが 0. 03 111より薄いと CuSnb化合物の生成を遅らせる効果がなぐ一方、 0.3 mより厚く なると、 SnCu化合物が形成されず、耐熱性が向上しない。
[0035] 本発明に使用する Sn含有鉛フリーはんだは、純 Snまたは Sn系はんだ、好ましくは Sn 力 0質量％以上含有された Sn系合金である。 Sn含有鉛フリーはんだは、溶融時に C u系金属粉末の粒子表面領域で Cuと合金化して CuSn化合物を形成するようになって いる。従って、鉛フリーはんだ中に Snが 40質量％以上含有されていないと、 CuSn化 合物が形成されにくくなる。
[0036] 本発明に使用して好適な鉛フリーはんだとしては、純 Snまたは Sn系合金であり、 Sn 系合金としては Sn-Ag系合金、 Sn-Cu系合金、 Sn_Sb系合金、 Sn_Zn系合金、 Sn_In系 合金、 Sn-Bi系合金等があげられる。例えば Sn-3.5Ag合金、 Sn_0.7Cu合金、 Sn_3Ag- 0.5Cu合金、 Sn_9Zn合金、 Sn_52Bi合金、 Sn_58In合金、等がある。
[0037] 本発明に使用する鉛フリーはんだの平均粒径は、 2〜30 mが適している。該粒 径が 2 inよりも小さいと表面酸化量が多いため、リフロー性が悪くなつて Cu系金属 粉末との反応性が遅くなり、 SC^ mよりも大きいと Cu系金属粉末表面との接触が少な く反応性が悪くなり、はんだ粉と Cu系粉末の凝集不足やそれによる SnCu化合物の生 成が阻害されることも起こる。
[0038] 本発明のリツドの製造方法で使用するソルダペーストは、 Cu系金属粉末と Sn含有鉛 フリーはんだ粉末とフラックスとを混和してペースト状にしたものである。 Cu系金属粉 末と Sn含有鉛フリーはんだ粉末との混合割合は、 Cu系金属粉末 15〜40質量％、残 部 Sn含有鉛フリーはんだ粉末が適している。 Cu系金属粉末が 15質量％よりも少ない と、はんだの合金層内で形成される CuSn化合物の量が少なくなつて、高温雰囲気に おける接合強度が弱くなる。し力もながら、 Cu系金属粉末が 40質量％よりも多くなる と、はんだの量が少なくなつて、はんだ付け性が悪くなる。好ましくは、 25〜35質量 %である。
[0039] 本発明では、リツド材料板の片面にソルダペーストを塗布してから加熱する力 S、ソル ダペーストの好適な塗布厚は 20〜80 μ mである。ソルダペーストの塗布厚力 ¾0 μ m よりも薄いと、ソルダペーストを溶融させたときに、リツド材料板に形成されるはんだ層 の厚さが薄くなり、リツドをパッケージに搭載して加熱したときに、はんだの量が少なく なって接合強度が弱くなるば力、りでなぐパッケージを密封できなくなる。しかるにソル ダペーストの塗布厚が 80 mよりも厚いと、リツド材料板に形成されるはんだ層の厚さ が厚くなりすぎてパッケージとのはんだ付け時に、過剰のはんだがパッケージ内に侵 入して素子に付着したり、垂れ落ちたりする。
[0040] 本発明では、リツド材料板の片面に、好ましくはその全面にソルダペーストを塗布後 、加熱するが、このときの加熱温度はソルダペースト中の Sn含有鉛フリーはんだ粉末 が溶融する温度以上であり、 Cu系金属粉末が溶融しない温度である。該加熱温度は 250〜300°C力 S適している。つまり 250°Cであれば、ほとんどの Sn含有鉛フリーはん だが溶融してリツド材料板に濡れ、 300°Cを超えるとパッケージ内に収納されている 素子を熱損傷させたり機能劣化させたりする。
[0041] 本発明に使用するソルダペーストのフラックスとしては、従来多くのはんだ付けに用 いられているものが使用できる。一般にソルダペースト用のフラックスは、松脂、活性 剤、チキソ剤等の固形成分を溶剤で溶解させたものである。本発明においてもそのよ うなフラックスを用いればょレ、。
[0042] 以上の説明からすでに明らかなように、本発明のリツドの製造に際しては、上述のよ うなソルダペーストをリツド材料板に塗布し、加熱する。このとき溶融した Snが Cu粒子 の表面領域で Cuと合金化して Cu Sn金属間化合物を生成する。この CuSn化合物は 融点が 415°Cと!/、う高温であるため、得られるはんだ層全体が優れた耐熱性を示す。
[0043] 一方、このように、リツド材料板の片面にソルダペーストを塗布して加熱すると、溶剤 が揮散して表面に固形成分がフラックス残渣として残る。該フラックス残渣が機能部 品の中に少しでも残っていると、機能部品の機能に悪影響を与えるため、フラックス 残渣は完全に除去しなければならない。フラックス残渣を洗浄する場合、固形成分が 樹脂系であればアルコールのような有機溶剤を用い、固形成分が水溶性であれば水 系溶剤を用いる。
[0044] 洗浄して得たリツド板材料は、 目的とするリツドの形状 ·寸法に応じて、適宜手段、例 えば打ち抜き加工、さらにはプレス加工によって、平板状のリツドあるいはキャップ型 のリツドとする。
[0045] 本発明のリツドの製造方法は、その好適態様では、帯状のリツド材料板に対して上 述の塗布工程、加熱工程、洗浄工程、成形工程の各工程を連続して行えばよぐこ れによって、上述のようなはんだ層を全面にわたって設けた帯状材から目的形状 '寸 法のリツドを打ち抜き加工、さらにはプレス加工などの成形手段でもって製造すること ができる。このようなリツドを用いることで、難はんだ付け材料からなるリツドを、フラック スを使わずにパッケージにはんだ付けすることができる。
実施例
[0046] 本発明のリツドの製造方法を図面に示す方法で行った。
図 1〜4は本発明のリツドの製造方法における各工程を説明するものである。
本例のリツドの製造方法に使用したリツド材料板、リツドのめつき、ソルダペーストの 1 例は以下のとおりである。
リツド材料板：コバール（厚さ 0· lmm、巾 40mmの長尺材）
リツド材料板のめっき： Ni下地（厚さ 0· 1 111)、 Snめっき（厚さ 3 111)
無電解めつきによる。
ソノレダペースト
純 Cu粉末（Cu系金属粉末）： 27質量％ (平均粒径 7 m)
純 Sn粉末 (鉛フリーはんだ粉末）： 63質量％ (平均粒径 10 m)
フラックス： 10質量0 /0
フラックス成分
樹脂 (重合ロジン） 56質量％
活性剤（ジフェニールグァニジン HBr) 1質量0 /0 チキソ剤（硬化ヒマシ油） 3質量％
溶剤（ジエチレングリコールモノブチルエーテル） 40質量0 /0
(Α)ソルダペースト塗布工程
図 1は、本発明に力、かるリツド製造方法を構成するソルダペーストの塗布工程を示 すもので、図 1(Α— 1)は、その塗布工程の模式的説明図であり、図 1(Α— 2)は、塗布 後のリツド断面の模式図、そして図 1(Α— 3)はその拡大図である。
[0047] ソルダペーストの塗布工程は、リツド材料板 1のめつき 2面にソルダペースト 3を塗布 する工程である。 リツド材料板 1のめつき 2面にスクリーン 4を重ね合わせ、該スクリーン上にソルダぺ 一スト 3を載置してから、該ソルダペーストをスキージ 5で矢印 X方向に搔く。塗布した ソノレダペーストの厚さは 40 mである。図 1(A— 1)参照。
[0048] リツド材料板 1上のスクリーンを除去すると、リツド 1のめつき面 2にはソルダペースト 3 が所定の厚さで塗布される。図 1(Α-2)参照。
拡大すると、ソルダペースト 3は純 Cu粉末 6、 Sn粉末 7、フラックス 8が混在している のが分かる。図 1(Α-3)参照。
(B)加熱工程
図 2は、本発明における加熱工程の説明図であり、図 2(B— 1)は、加熱炉であるリフ ロー炉の模式的説明図であり、図 2(B— 2)は、加熱工程を経たリツド材料板の断面の 模式的説明図であり、図 2(B— 3)は、その部分拡大図である。
[0049] ソルダペーストが塗布されたリツド材料材 1をリフロー炉 9で加熱することによりソルダ ペースト中の鉛フリーはんだを溶融させてめっき面に接合させ、その後、冷却して凝 固させる。リフロー炉での加熱温度は、予備加熱温度が 150°C、本加熱温度が 250 °Cである。図 2(B— 1)参照。
[0050] リツド材料板 1のめつき面 2には厚さ 20 mの鉛フリーはんだ層 10が形成される。図 2(B— 2)参照。
はんだ層 10では、鉛フリーはんだのマトリックス 11中に純 Cu粉末 6が分散しており 、 Cu粉末の外周部と鉛フリーはんだが合金化して形成された CuSn化合物 12が該 Cu 金属粉末の周囲に存在している。 CuSn化合物 12はめつき 2層と接合しているとともに 、 CuSn化合物 12同士も接合している。 CuSn化合物同士の接合は、全ての CuSn化合 物が接合しているのではなぐ少なくとも一部の CuSn化合物が接合している。はんだ 層 10の上には、ソルダペーストのフラックス残渣 13が付着している。図 2(B-3)参照。
(C)洗浄工程
図 3は、本発明における洗浄工程の模式的説明図である。
[0051] はんだ層を片面、好ましくはその全面に設けた帯状のリツド材料板 1をアルコール 1 4が入れられた洗浄槽 15内を通過させてリツド材料板 1に付着しているフラックス残渣 を洗浄する。洗浄槽 15内には回転ブラシ 16が設置されており、アルコールでフラック スス残残渣渣をを溶溶解解すするるととととももにに該該回回転転ブブララシシででフフララッッククスス残残渣渣をを擦擦りり取取るる。。図図 33参参照照。。
((DD))リリツツドド形形成成工工程程
図図 44 ((DD-- 11))はは、、帯帯状状ののリリツツドド材材料料板板かからら目目的的形形状状ののリリツツドドをを成成形形すするる工工程程のの模模式式的的 説説明明図図でであありり、、図図 44((DD—— 22))はは、、帯帯状状ののリリツツドド材材料料板板 11かからら打打ちち抜抜れれたたリリツツドド 1188のの斜斜視視図図 ででああるる。。
[0052] すすななわわちち、、フフララッッククスス残残渣渣がが洗洗浄浄除除去去さされれたたリリツツドド材材料料板板 11ををププレレスス 1177でで打打ちち抜抜きき、、 33 .. 66mmmm XX 33.. 66mmmmののリリツツドドをを得得るる。。図図 44((DD—— 11))参参照照。。
ププレレススでで打打ちち抜抜かかれれてて形形成成さされれたたリリツツドド 1188ににはは、、片片面面にに厚厚ささ 2200 HH mmののははんんだだのの層層 11 00がが均均一一にに付付着着ししてていいるる。。図図 44((DD—— 22))参参照照。。
[0053] 次次にに、、上上記記製製造造方方法法でで得得らられれたたリリツツドドををパパッッケケーージジにに搭搭載載ししてて機機能能部部品品をを作作製製ししたた 。。図図 55はは、、機機能能部部品品 1199のの断断面面図図、、図図 66はは図図 55ににおおけけるるパパッッケケーージジととリリツツドドのの接接合合部部 ((JJ))のの 拡拡大大断断面面図図ででああるる。。
[0054] 機機能能部部品品 1199ののパパッッケケーージジ 2200はは内内側側にに段段部部がが形形成成さされれたた箱箱状状でであありり、、内内部部にに素素子子 22 11がが収収納納さされれてていいるる。。パパッッケケーージジ 2200のの上上部部周周縁縁はは枠枠上上ののははんんだだ付付けけ部部ととななっってていいるる。。 該該ははんんだだ付付けけ部部ににはは高高融融点点のの金金属属ががメメタタラライイズズでで付付着着さされれ、、そそのの上上ににははんんだだ付付けけ可可 能能なな金金属属ががめめっっききさされれたためめつつきき層層 2222ととななっってていいるる。。機機能能部部品品 1199はは、、パパッッケケーージジ 2200のの ははんんだだ付付けけ部部ととリリツツドド 1188ととががははんんだだ層層 1100でで接接合合さされれてていいるるももののででああるる。。
[0055] 本本発発明明のの機機能能部部品品 1199はは、、パパッッケケーージジ 2200のの枠枠上上ののははんんだだ付付けけ部部のの上上ににリリツツドド 1188のの ははんんだだ層層をを合合わわせせてて、、加加熱熱すするるここととにによよりりパパッッケケーージジ 2200ととリリツツドドととがが接接合合さされれたたももののでで ああるる。。機機能能部部品品 1199のの接接合合部部 JJでではは、、図図 66にに示示すすよよううににリリツツドド 1188のの金金属属めめつつきき層層 22ががははんん だだ層層 1100中中ののママトトリリッッククスス 1111とと接接合合ししてていいるるととととももにに、、 CCuu系系金金属属粉粉末末 66のの周周囲囲でで形形成成ささ れれたた CCuuSSnn化化合合物物 1122とと接接合合ししてていいるる。。ままたた同同様様ににパパッッケケーージジ 2200ののめめつつきき層層 2222ががははんん だだ層層 1100中中ののママトトリリッッククスス 1111とと接接合合ししてていいるるととととももにに、、 CCuu系系金金属属粉粉末末 66のの周周囲囲でで形形成成ささ れれたた CCuuSSnn化化合合物物 1122とと接接合合ししてていいるる。。
[0056] ははんんだだ層層 1100中中のの CCuuSSnn化化合合物物 1122同同士士はは少少ななくくとともも一一部部がが連連結結ししてていいるるたためめ、、リリツツドド 11 88ののめめつつきき層層 22ととパパッッケケーージジ 2200ののめめつつきき層層 2222間間はは CCuuSSnn化化合合物物でで接接合合さされれてていいるるここととにに ななるる。。従従っってて、、リリツツドド 1188ととノノ ッッケケーージジ 2200はは、、そそれれぞぞれれのの金金属属めめつつきき 22ととめめつつきき層層 2222をを介介
Figure imgf000015_0001
[0057] ところで Cu Snの金属間化合物自体の融点は 415°Cである力 溶融はんだ中にお ける該化合物は溶融はんだとの組成の割合で融点は多少下がる。本発明者らの実 験結果では、 30質量％の Cu粉末と 70質量％の Sn粉末を 250°Cで溶融させたもので は、ピーク温度が約 400°Cに現れた。
[0058] 次に、本例にぉレ、て使用した Cu系金属粉末、鉛フリーはんだ粉末を種々変更して 同様の操作により製造したリツドをパッケージへはんだ付けした。結果を表 1に示す。
[0059] [表 1]
Figure imgf000016_0001
[0060] すなわち、表 1の組成をもってはんだ層を用いて製造されたリツドを用いて機能部 品を作製した。機能部品のリツドは、 3. 6 X 3. 6 X 0. 1 (mm)であり、該リッドの片面 には Mの下地めつきとその上に Snめっきが電解めつきで施されている。
[0061] 機能部品のパッケージは、 3. 8 X 3. 8 X 1. 1 (mm)で、はんだ付け部の巾が 0. 4 5mmの枠状となっていた。該はんだ付け部には厚さ 10 , mの Wのメタライズ、その 上に 1 1丄 mの Niの下地めつき、さらに Ni下地めつきの上に厚さ 0. 5 μ mの Snめっき、と レ、うめつき層が形成されてレ、る。
[0062] リツドには、表 1の組成の鉛フリーはんだ、 Cu系金属粉末、および前述のフラックス 力、ら成るソルダペーストを塗布してリフロー加熱することにより、リツドの片面に、厚さ 1 0〜40 mのはんだ層を形成した。該リツドのはんだ層とパッケージのめっき層が合 わさるようにして、パッケージの上にリツドを載置し、さらに該リツドの上に 10gの重石を 載せる。そしてこれらを窒素雰囲気リフロー炉中で、使用した鉛フリーはんだの液相 線温度 + 30°Cで加熱を行い、リツドとパッケージを接合することにより機能部品を作
； ^^し/
[0063] このようにしてリツドを接合したパッケージを 300°Cに加熱し、加熱状態のまま 10cmの 高さから落下させる耐熱性試験を各々 10個ずつ実施した。もし、はんだ付け部に耐 熱性がなければ落下によってリツドが外れてしまう。
[0064] この試験はパッケージにリツドをはんだ付けした後に行うプリント基板への実装はん だ付けをシミュレートするものである。
試験結果を表 1に示す。
[0065] 表 1中の耐熱性の評価は、上述の耐熱試験において機能部品 10個全てのリツドが 所定の位置に留まっているものを「〇」、機能部品 10個中 1個でもリツドが外れたり、 ずれたりした場合を「 X」とした。
[0066] 本例において SnCu化合物の同定は、 SEMの X線アナライザ一により行い、本発明 例の場合にはいずれも Cu Snの金属間化合物の生成を確認した。また、断面の顕微 鏡観察により各金属間化合物が少なくとも一部において連結していることも確認した
[0067] 表 1から本発明例のリツドで作製された機能部品ではリツドが外れたり、ずれたりした ものは皆無であつたが、比較例のリツドで作製された機能部品では、ほとんどがリツド の脱落やずれを起こして!/、た。
[0068] なお、比較例 1 4は Cu系金属粉末を含まない場合であり、比較例 5は Cu系金属 粉末の固相線温度が 400°C未満の場合であり、比較例 6は、 Cu系金属粉末でない場 合であり、比較例 7は、 Cu粉末にめっきをした場合であって、そのめつき厚さが厚い (6 wt%)ときの例を示す。いずれも耐熱性が十分でないが、特に比較例 6の場合には、 A g-40Snはんだ (固相線温度 221°C)であり、 CuSn化合物が生成されないことから、耐 熱性も確保できなかった。

Claims

請求の範囲
[1] はんだを用いてパッケージと接合する機能部品用リツドにおいて、リツドと、該リツド の片面に設けたはんだ付け性に優れた金属のめっき層と、該めっき層の表面に形成 された、固相線温度 400°C以上の Cu系金属粉末と Cu Snの金属間化合物と Sn含有 鉛フリーはんだからなる厚さ 5〜40 mのはんだ層とから成り、該はんだ層では鉛フリ 一はんだのマトリックス中に Cu系金属粉末が分散していて、し力、も該 Cu系金属粉末 の周囲には Cu Snの金属間化合物が存在しており、またこの金属間化合物は前記め つき層表面に接合しているとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結している ことを特徴とする機能部品用リツド。
[2] 前記はんだ付け性に優れた金属力 S、 Sn、 Cu、 Ag、 Sn-Cu合金、 Sn_Ag合金から選ば れたいずれかであることを特徴とする請求項 1記載の機能部品用リツド。
[3] 前記 Cu系金属粉末が、純 Cu粉末または Cu系合金粉末であることを特徴とする請 求項 1または 2記載の機能部品用リツド。
[4] 前記 Cu系金属粉末には、 0. 03-0. 3 mの Niめっきが施されていることを特徴と する請求項 1ないし 3のいずれかに記載の機能部品用リツド。
[5] 前記鉛フリーはんだが、純 Snまたは Sn系合金であることを特徴とする請求項 1ない し 4のいずれかに記載の機能部品用リツド。
[6] (A)片面にはんだ付け性に優れた金属がめっきされたリツド材料板の該めっき面に、 固相線温度 400°C以上の Cu系金属粉末と Sn含有の鉛フリーはんだ粉末とフラックス 力、らなるソルダペーストを一定厚さに塗布する工程；
(B)前記ソルダペーストが塗布されたリッド材料板を、鉛フリーはんだの液相線温度 以上、 Cu系金属粉末の固相線温度以下に加熱して、リツド材料板のめっき面にはん だ層を形成し、該はんだ層の鉛フリーはんだのマトリックス中に Cu系金属粉末が分散 し、該 Cu系金属粉末の周囲に Cu Snの金属間化合物が存在し、しかも金属間化合 物はリツド材料板に接合するとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結するよ うにする加熱工程；
(C)片面に前記はんだ層が形成されたリツド材料板を洗浄液で洗浄してフラックス残 渣を完全に除去する工程；および (D)前記フラックス残渣が除去されたリツド材料板を加工して所定形状のリツドに形成 する工程；
力 なることを特徴とする機能部品用リツドの製造方法。
[7] 前記はんだ付け性に優れた金属めつき力 S、 Sn、 Cu、 Ag、 Sn-Cu合金、 Sn_Ag合金の いずれかであることを特徴とする請求項 6記載の機能部品用リツドの製造方法。
[8] 前記 Cu系金属粉末が、純 Cu粉末または Cu系合金粉末であることを特徴とする請 求項 6または 7記載の機能部品用リツドの製造方法。
[9] 前記 Sn含有の鉛フリーはんだ力 純 Snまたは Sn系合金であることを特徴とする請求 項 6ないし 8のいずれかに記載の機能部品用リツドの製造方法。
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