JP2005166955A - ハーメチックシールキャップ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 融着後のろう材の形状を制御し、接合不良を生じさせることがないシールキャップを提供すること。
【解決手段】 本発明は、シールキャップ本体と、前記シールキャップ本体のベースへの接合面形成されるニッケルめっき層及び金めっき層と、前記金めっき層上に融着されたろう材と、からなるハーメチックシールキャップにおいて、金めっき層表面のニッケル濃度が１．０〜２０．０重量％であることを特徴とするハーメチックシールキャップである。そして、この金めっき層の表面粗度は０．５〜４．０μｍであるものが好ましい。本発明にかかるシールキャップは、金めっき層の厚さを０．０９〜０．２μｍと厚くし、更に、金めっき後に熱処理をした後にＡｕ系ろう材を融着させることで製造できる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、半導体素子パッケージにおいて、ベース内に収容された半導体素子をハーメチックシールするためのハーメチックシールキャップの製造方法に関する。

携帯電話等で使用されるＳＡＷフィルタ、水晶振動子のような半導体素子はセラミック製の容体（パッケージ）に封入された状態で使用されている。半導体素子パッケージは、開口を有するベース内に半導体素子を搭載し、これに蓋となるシールキャップを被せ両者を接合することにより行われる。

ベースとシールキャップとの接合方法には各種あるが、一般的な方法はろう材により接合を行うろう付け法である。この方法では、シールキャップ本体１にろう材２を融着してシールキャップ３とし（図３（ａ））、シールキャップ３を、内部に半導体素子４が載置されたベース５に被せ、これらを電気炉等で加熱してろう材を溶解・凝固させてパッケージ６とするものである（図３（ｂ））。そして、シールキャップに融着するろう材としては、Ａｕ系ろう材（例えば、Ａｕ８０ｗｔ％−Ｓｎ２０ｗｔ％に代表されるＡｕ−Ｓｎ系ろう材や、Ａｕ−Ｇｅ系ろう材）が広く用いられている。これは、Ａｕ系ろう材（金合金）が耐食性に優れていることに加え、デバイス組み込み工程で使用されるはんだ（融点１８０〜２３０℃）よりも融点が高く中程度の融点を有するため（例えば、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材の融点は２８０〜３００℃である）、組立工程時に封止部分のろう材を再溶融させることなくパッケージの気密性を維持することができるからである。

Ａｕ系ろう材をシールキャップ本体に融着する際には、シールキャップ本体にＮｉめっき及びＡｕめっきを施すのが一般的である。これは、ＡｕめっきがＡｕ系ろう材の濡れ性を確保する目的によりなされ、ＮｉめっきはＡｕめっきの密着性を確保することを目的とするものである。そして、この金めっきの厚さは０．０１〜０．０５μｍ程度と極めて薄いものである。これは、封止後のデバイスにはレーザーマークを行なうのが通常であるが、金めっきが厚すぎるとシールキャップ表面がレーザーを反射して印字できないということがあるため、金めっきの厚さはできるだけ薄くする必要があるとされているからである。また、溶融時のろう材の濡れ性を改善するという目的には、上記程度の薄い金めっきで十分と考えられているからである。

ところで、本発明者等は、上記のようなパッケージ封止用のシールキャップにおいて、金めっきの厚さを意図的に厚くしたシールキャップについて開示している（特許文献１）。これは、金めっきの厚さを調製することで、ろう材の濡れ性を制御するものである。そして、溶着させたろう材が余分に広がることなく適度な広さ、厚さとなるようにし、半導体素子を破壊することなく、確実にパッケージの気密性を確保することを目的とするものである。
特開２００２−１９９０８号公報

上記従来技術は、ろう材の濡れ性を調整することができる点で一応の効果はあるが、改善の余地がないわけではない。即ち、従来の技術で製造されるシールキャップのろう材は、その四隅の厚みが四辺よりも厚く盛り上がると共に、四辺の厚さも完全に平滑とはならない傾向がある（図４参照）。この現象は、金めっきの厚さを薄くした場合でも同様に現れる。本発明者等によると、かかる形状のろう材によりパッケージの封止を行うと、まれにではあるが接合不良によるリークが発生することがある。従って、パッケージ製品の歩留まりを確保するためには、より高品質な接合が可能なシールキャップが求められる。

また、上記本発明者等の従来技術は、金めっき厚さが厚いことから反射率の上昇は避けることができず、レーザーマーク処理の効率を考慮すると好ましいものではない。

本発明は以上のような背景の下になされたものであり、融着後のろう材の形状を制御し、接合不良を生じさせることがないシールキャップを提供することを目的としたものである。

本発明者等は上記課題を解決すべく試行を行ない、Ａｕめっきを厚く行い、更に、これに熱処理を施すことで、ろう材を融着した際にろう材が好適な形状となることを見出した。

このシールキャップは、図１で示すように、ろう材の四隅が直角であり、また、その四辺も略一定の厚さを有し、パッケージ封止時に好適な形状となっている。ろう材を融着した際にかかる形状を呈する理由としては必ずしも明らかではないが、熱処理によるＮｉの拡散が生じたことにより、表面性状の変化により何らかの影響によるものと考えられる。そこで、本発明者等はかかる好適な形状のろう材を有するシールキャップについて検討を行い。その結果、Ａｕめっき層に熱処理による組成変化が生じていることを見出し、本発明に想到した。

本発明は、シールキャップ本体と、前記シールキャップ本体のベースへの接合面に形成されるニッケルめっき層及び金めっき層と、前記金めっき層上に融着されたろう材と、からなるハーメチックシールキャップにおいて、金めっき層表面のニッケル濃度が１．０〜２０．０重量％であることを特徴とするハーメチックシールキャップである。そして、この金めっき層表面のニッケル濃度は、３．０〜１０．０重量％のものが特に好ましい。

また、本発明に係るシールキャップは、金めっき層表面の粗度が０．５〜４．０μｍの範囲にある。そして、これらの表面性状によりろう材の形状を好適なものとしている。そして、金めっき層表面の粗度は１．０〜２．０μｍの範囲がより好ましい。

本発明に係るシールキャップによれば、パッケージ封止の際、ベースとの接合品質を良好とすることができパッケージの気密性を確保することができる。また、本発明によればキャップの表面は梨地状の光沢のない表面形態を示し、厚めの金めっきを施したにもかかわらず、反射率の低い表面となる。従って、レーザーマーク処理の効率を低下させることはない。

尚、シールキャップ本体の材質としては、いわゆるコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の従来からのシールキャップ用の材料が適用される。また、ろう材であるＡｕ系ろう材としては、現在最も一般的に利用されているＡｕ−Ｓｎ系ろう材（Ａｕ−２０〜２１％Ｓｎろう材）の他、Ａｕ−Ｇｅ系ろう材（Ａｕ−１２〜１３ｗｔ％Ｇｅろう材）が適用できる。尚、このＡｕ系ろう材の厚さは、２０〜７０μｍの範囲のものが用いられシールキャップの大きさを考慮して設定される。そして、このろう材は、ベースの接合部形状に合わせて枠形状等に成型加工されたものが用いられる。

そして、本発明に係るシールキャップは、上述のように、Ａｕめっきを厚くすると共に、所定の熱処理を施すことにより製造することができる。即ち、本発明に係る製造方法は、シールキャップ本体のベースへの接合面にニッケルめっき層及び金めっき層を形成し、Ａｕ系ろう材を融着させるハーメチックシールキャップの製造方法において、前記金めっき層の厚さを０．０９〜０．２μｍとし、更に、金めっき後に熱処理をした後にＡｕ系ろう材を融着させることを特徴とするものである。

ここで、金めっきの厚さを０．０９〜０．２μｍとするのは、０．０９μｍ未満の厚さでは、融着後のろう材を好適な形状とすることができないからである。また、０．２μｍを超えると、より高い効果が得られない上にコストアップに繋がるからである。

そして、Ａｕめっき後に行なう熱処理についてはその温度を４５０〜６００℃とすることが好ましい。４５０℃未満ではＮｉの拡散が生じないため，本発明の効果が発揮されない。また、６００℃を超えると、表面のニッケル濃度が高くなりろう材の濡れ広がりが悪くなるからである。特に好ましい温度範囲は、５５０〜６００℃である。熱処理時間としては０．５〜１時間とするのが好ましい。熱処理雰囲気については、酸化防止の観点から水素ガス又は不活性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。

尚、ニッケルめっきの厚さは、１．０〜５．０μｍとするのが好ましい。１．０μｍ未満では効果がなく、５．０μｍを超えるとめっきに時間がかかりコストアップに繋がるからである。

また、本発明に係る方法においては、ろう材融着前の金めっきの厚さ及びその後の熱処理において特徴を有するものであり、その他の構成は従来のシールキャップの製法と同様である。そして、金めっき後のシールキャップ本体とろう材との接合方法は、ろう材をシールキャップ本体上に載置した後、電気炉中で２９０〜３２０℃で加熱することによりろう材を融着させる。

本発明によれば、融着後のろう材を好ましい形態に制御することができ、パッケージ封止の際に従来のものより機密性を確保することができる。また、本発明により製造されるシールキャップは、金めっきの厚さは厚いが、表面の光沢（反射率）が抑制されており、レーザーマークの効率を妨げることがない。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。コバール製のシールキャップ本体（寸法：２．３５ｍｍ×１．８５ｍｍ×０．１５ｍｍ）に、電解バレルめっきによりＮｉめっきを行い、電解バレルメッキにより金めっきを行った。このときのめっき厚さは、Ｎｉめっき２．０μｍ、Ａｕめっき０．１μｍとした。そして、めっき後のシールキャップ本体を電気炉にて水素雰囲気中５７０℃で０．５時間加熱して熱処理した。

熱処理後のキャップ本体にＡｕ系ろう材として枠形状の８０ｗｔ％Ａｕ−２０ｗｔ％Ｓｎろう材（寸法：外周２．３５ｍｍ×１．８５ｍｍ、内周１．６０ｍｍ×１．１０ｍｍ、厚さ３０μｍ）を融着してシールキャップを製造した。シールキャップの融着は、ろう材をシールキャップ本体上に位置決めして載置した後、電気炉に挿入し３２０℃で６０秒加熱してろう材を融着させることにより行なった。

以上の工程で製造したシールキャップの外観写真を図２に示す。図２上部の写真が本実施形態で製造したシールキャップの外観を示すが、写真から明らかなように、ろう材の四隅が略直角でありその厚さも均一なものであった。一方、図２下部には従来のシールキャップの外観を示すが、ろう材の四隅が直角とはならずに不均一な厚さとなっており明確な相違があることが確認された。

そして、このシールキャップのＡｕめっき層の表面組成をＥＰＭＡにて調査したところ、ニッケル濃度５．０％であった。また、表面粗さを表面粗さ計にて測定したところ１．６μｍであった。

次に、本実施形態で製造したシールキャップを用いて、半導体素子（ＳＡＷフィルター）が搭載されたセラミック製ベースに接合して半導体素子パッケージを製造した。このときの接合温度は３４０℃とした。

そして、製造したパッケージについて、ファインリークテストであるヘリウムリークテストを行ない、パッケージのリーク率を比較検討した。ここで、ヘリウムリークテストは、製造したパッケージをヘリウムリークディテクタにかけ、パッケージ外部を真空に引き、内部のヘリウム分子が漏出するのをカウントすることにより行なった。その結果、本実施形態で製造したパッケージのリーク率は、０．１％以下であり、極めて良好な気密性が得られることが確認された。

本発明により製造されるシールキャップのろう材の形態を示す図。 本実施形態で製造したシールキャップの外観写真。 ろう付け法によるパッケージの気密封止工程を示す図。 従来のシールキャップのろう材の形態を示す図。

符号の説明

１ シールキャップ本体
２ ろう材
３ シールキャップ
４ 半導体素子
５ ベース
６ セラミックパッケージ

Claims (5)

1. シールキャップ本体と、前記シールキャップ本体のベースへの接合面に形成されるニッケルめっき層及び金めっき層と、前記金めっき層上に融着されたろう材と、からなるハーメチックシールキャップにおいて、
   前記金めっき層表面のニッケル濃度が１．０〜２０．０重量％であることを特徴とするハーメチックシールキャップ。
2. 金めっき層表面の粗度が０．５〜４．０μｍである請求項１記載のハーメチックシールキャップ。
3. シールキャップ本体のベースへの接合面にニッケルめっき層及び金めっき層を形成し、Ａｕ系ろう材を融着させるハーメチックシールキャップの製造方法において、
   前記金めっき層の厚さを０．０９〜０．２μｍとし、更に、金めっき後に熱処理をした後にＡｕ系ろう材を融着させることを特徴とするハーメチックシールキャップの製造方法。
4. 熱処理の温度を４５０〜６００℃とする請求項３記載のハーメチックシールキャップの製造方法。
5. ニッケルめっきの厚さを１．０〜５．０μｍとする請求項３又は請求項４記載のハーメチックシールキャップの製造方法。