JP2006269970A - 電子部品のはんだ接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品に用いられる良好なＰｂフリーの高融点はんだ接合を安価に提供すること。
【解決手段】金属蓋材２の表面にＣｕとＳｎとを厚さ５μｍ〜２０μｍで交互にめっきし、かつ最上層をＳｎめっき６にした後、この金属蓋材２をセラミック製中空パッケージ１との接合部に配置し、Ｓｎの融点以上に加熱することによりＣｕとＳｎを合金化するとともに、金属蓋材２とセラミック製中空パッケージ１を接合する。
【選択図】図２

Description

本発明は電子機器や電子部品における、はんだによる接合に関し、特に鉛を含有しない（以下「Ｐｂフリー」という。）高融点はんだによる接合に関するものである。

電子部品をプリント配線基板上に実装するため、あるいは電子部品を気密封止するための金属蓋材の接合や電子部品内部の電子素子等の接合を行うため、従来からはんだが使われている。

電子部品をプリント配線基板に実装する場合、従来から融点１８３℃のＰｂとＳｎの共晶はんだが用いられてきたが、近年環境への配慮からＰｂを使わないＰｂフリーのはんだが使われるようになった。

Ｐｂフリーはんだの代表的なものとしては、Ｓｎ−Ａｇ系（Ｓｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ 共晶温度２２１℃）、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ（Ｓｎ−０．７ｍａｓｓ％Ｃｕ 共晶温度２２７℃）がある。これらのはんだを用いて、電子部品を基板に実装する場合、最高で２６０℃の温度ではんだ付けされる。

したがって、基板に実装される電子部品に使用されるはんだは、この基板実装時においても安定した接合状態を保持する必要があり、少なくとも融点２６０℃以上のいわゆる高融点はんだが要求される。

高融点はんだを使う電子部品として水晶振動子、水晶フィルタ、弾性表面波フィルタ等のデバイスが挙げられる。これらはセラミック等のパッケージまたは基板に電子素子を搭載した後、この電子素子を外気から保護するために主に金属蓋材をはんだ接合することで気密封止している。

この場合、金属蓋材のセラミックとの接合部分にあらかじめはんだ層を形成し、電子素子を搭載したセラミックパッケージまたは基板に載せ、はんだ材の融点以上に加熱することで融着する方法が採られる。

はんだ層を形成する方法としては、金属蓋材にはんだの薄板を圧延により圧着する方法、金属蓋材とはんだの薄板を重ねて加熱し融着する方法等がある。この場合、はんだは薄板状に加工する必要があり、はんだ材はやわらかく加工性が良いことが要求される。

そのほか、はんだを溶融させた状態で、金属蓋材を浸漬したり、噴流中に通すことで融着する方法もある。気密封止するためにはいずれの方法も金属とのぬれが良いことが求められる。

気密封止に使われる高融点はんだとしては３００℃程度の融点を有するＰｂリッチのＰｂ−５ｍａｓｓ％ＳｎやＰｂ−１０ｍａｓｓ％Ｓｎが従来から使われているが、この高融点はんだもＰｂフリーにする要求が強い。しかしながら、Ｐｂフリーの実用化された高融点はんだはないのが実情である。

なお、Ａｕ−２０ｍａｓｓ％Ｓｎ（共晶温度２８０℃）は知られているが、硬いこととコスト高なため、その使用は狭い範囲に限られている。

そのほか、Ｐｂフリーの高融点はんだとしてＺｎ−Ａｌ系（例えば特許文献１）、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系（例えば特許文献２）等種々提案されているが、硬くて加工性が悪い、ぬれ性が悪い等の理由で接合強度が得られず、実用化に至っておらず、Ｐｂフリーの高融点はんだが求められている。
特開平１１−１７２３５２号公報 特開２００３−２９０９７５号公報

本発明が解決しようとする課題は、電子部品に用いられる良好なＰｂフリーの高融点はんだ接合を安価に提供することにある。

上記課題を解決するため本発明の電子部品のはんだ接合方法は、第一の部品の表面に、はんだ合金成分である第一の金属と、はんだ合金成分であって第一の金属より低融点である第二の金属とを交互にめっきし、かつ最上層を第二の金属のめっきにした後、第二の部品と接触させ、第二の金属の融点以上に加熱することにより第一の金属と第二の金属を合金化するとともに、第一の部品と第二の部品を接合するものである。

以下、第一の金属をＣｕ、第二の金属をＳｎとした例によって本発明の要旨を説明する。

従来からＰｂフリーはんだの一つとしてＳｎ−Ｃｕ系が知られているが、実用化されているのは基板実装に使われる低融点のものである。ＳｎにＣｕを添加していくと融点が上がることは知られているが、この場合、ＣｕがＳｎに固溶あるいはＣｕ−Ｓｎの金属間化合物を形成してはんだ合金の強度は増すものの、流動性は低下し、更に硬くなることから、合金化したものは接合に使うことが難しかった。

これに対して、本発明者は、ＣｕとＳｎは比較的低い温度でも高融点の化合物を形成しやすいこと、Ｓｎは融点が２３２℃と比較的低く金属に対するぬれ性もよいことに着目し、あらかじめ合金化したはんだを使うのではなく、第一の部品（例えば金属蓋材）にＣｕとＳｎの単体の層を重ねて付着させた状態で第二の部品（例えばセラミックパッケージ）に載せ、加熱するという新しい発想により上記本発明の方法を完成するに至った。

すなわち、本発明では、表面層（最上層）をＳｎとしておくことで、Ｓｎの融点以上の温度（２３２℃）で加熱すれば、まず、Ｓｎが融けてセラミックと接合し、同時にＣｕとＳｎの反応が起こり、高融点で耐熱性のある接合部を形成させることができる。

具体的に説明すると、金属蓋材の表面に第一層としてＳｎ−Ｃｕ系のはんだ合金の構成元素であるＣｕめっきを行い、その上に第二層としてＳｎめっきを行う。金属蓋材と第一層のＣｕとの接合強度、および第一層のＣｕと第二層のＳｎとの接合強度はめっきにより確保できる。

次にセラミックパッケージまたは基板と重ねてＳｎの融点である２３２℃以上に加熱すると、最上層にあるＳｎは溶融し、ぬれ性がよいためセラミックパッケージまたは基板との接合強度が確保できる。同時にＳｎの中へのＣｕの拡散がはじまり、Ｃｕ−Ｓｎの金属間化合物が形成され、基板実装時の２６０℃の温度に耐えうる耐熱強度のある合金接合部が得られる。

このように本発明は、高融点はんだの合金成分を融かし合わせて合金化させた後に金属蓋材に融着させ、更にセラミックパッケージ等に重ねて加熱融着させるという従来の発想を大幅に転換させたものであり、溶融合金化と金属蓋材への融着及びセラミックパッケージ等との接合を一工程で行うことができ、安価で確実な高融点はんだ接合方法を提供することができる。

めっきも特殊なものではなく一般的に使われている安価な方法が利用できる。また、高融点はんだ合金を使用して融着する場合はその融点以上の温度に加熱する必要があるが、本発明は最終的なはんだ接合部の融点よりはるかに低い温度で接合できるため、接合時、部品に与える熱的影響も少なくできる。

更には、加熱冷却を繰り返すことで発生するはんだ層の相変化や結晶粒粗大化による機械的強度の低下といった問題も低減できる。

更に、めっきを用いることで、被めっき面との密着も良く、ＣｕとＳｎが全面に密着しており反応性も良く、ボイドの少ない均一な皮膜を形成できることから、接合信頼性の高い高融点はんだ接合が可能となる。

本発明により、電子部品のはんだ接合において、基板実装温度に耐えうる耐熱強度に優れたＰｂフリーの高融点はんだ接合を安価に実現できる。

図１は、高周波デバイス等のセラミック製中空パッケージ（以下「セラミックパッケージ」という。）に電子素子を搭載し、コバール材（Ｆｅ−２０ｍａｓｓ％Ｎｉ−１７ｍａｓｓ％Ｃｏ）の蓋を本発明によりはんだ接合して気密封止した場合の概略内部断面図である。また図２は接合前の接合部分の断面拡大図である。

蓋材として使用される金属は連続的なめっきの後で蓋の形状にスタンピングで抜くことを考えると、リボン状のものが好ましく、厚さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、巾１０ｍｍ〜３０ｍｍのものがよく使われる。

また、金属の材質としては接合強度の点からはセラミックと熱膨張係数の近いコバールや４２アロイ（Ｆｅ−４２ｍａｓｓ％Ｎｉ）が好ましいが、特に限定されるものではなく、用途に応じて使い分ければよい。

このリボン状の金属材の片面にマスクをし、片面のみにまずＣｕめっき５（図２参照）を厚さ約１０μｍまで行い、次にその上にＳｎめっき６を厚さ約１０μｍまで行う。

片面のめっきする部分は全面でも良いが、セラミックパッケージまたは基板との接合部分に対応した外周の額縁状の部分のみでも良い。ただし、マスクの必要が無い全面めっきの方がコスト的には有利である。

第一層と第二層の金属は第二層の金属の融点が３５０℃以下で、第一層の金属と第二層の金属が反応して融点２６０℃以上の合金あるいは化合物ができるような金属の組み合わせでよい。ここで第二層の金属の融点が３５０℃以下としたのは、一般的に電子素子の耐熱温度が３５０℃とされていることによる。

例えば第一層の金属としてはＣｕの他にＮｉ、Ａｇ、Ａｕ等が考えられるが、コストの上からはＣｕ、Ｎｉが好ましい。第二層の金属としてはＳｎの他にＩｎが考えられるが、コストの上からはＳｎが好ましい。

めっき層の厚さは、厚くなり過ぎると膜厚のばらつきが大きくなるため、厚さの均一性の確保、コスト等の面から、５μｍ〜４０μｍが好ましく、５μｍ〜２０μｍがより好ましい。

また、めっきのトータルの厚さは被めっき面の表面粗さ等にもよるが、接合強度が得られればコスト的にはなるべく薄い方がよく、実用上は１０〜１００μｍが好ましい。更に、コスト的には二層が好ましいが、必ずしも二層である必要は無く多層でもかまわない。

次にこのめっきされた金属材をセラミックパッケージ１のサイズに合わせてスタンピングにより打ち抜いて金属蓋材２を得る。

次に電子素子８が収納されたセラミックパッケージ１の上にこの金属蓋材２をめっき面を下にして載せ、Ｎ２雰囲気炉に入れ、例えば２６０℃で３０秒加熱することで良好なはんだ接合部３（図１参照）が得られる。なお、電子素子８はセラミックパッケージ１内の内部電極１０とボンディングワイヤー９を介して電気的に接続されており、電子素子８を収納したセラミックパッケージ１は外部端子１１により、基板と電気的に接続される。

加熱温度は２４０℃〜３００℃が好ましい。温度が低すぎるとＳｎの溶融が十分でなく、接合が不十分となる。温度が高すぎると電子素子に熱的ダメージを与えることがある。

セラミックパッケージ１の金属蓋材２と接合する部分にはＷのメタライズ層４が形成されており、その上面にＮｉめっき（図示せず）、最上面にはＡｕめっき（図示せず）が施されている。このめっきはＳｎのぬれ性をよくするためのものである。

加熱時は接合部の酸化を防止するためにＮ２やＨ２の雰囲気であることが望ましい。

電子素子収納用パッケージまたは基板はセラミック製に限定されるものではなく、２４０℃以上の温度に耐えうるものであれば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂製でもよい。

本実施例では金属蓋材側にＣｕ、Ｓｎのめっき層を形成し、セラミックパッケージとはんだ接合するようにしたが、本実施例とは逆に図３に示すようにセラミックパッケージ１側の金属蓋材２を接合する部分にあらかじめＣｕめっき５およびＳｎめっき６を施し、同様にはんだ接合することも可能である。この場合、金属蓋材２の少なくとも接合部分にはＳｎめっき７やＡｕめっき等、Ｓｎとのぬれ性のよい金属をあらかじめめっきしておくことで接合は確実なものとなる。

セラミックパッケージと金属蓋材の接合状況を示す概略内部断面図である。 セラミックパッケージとめっき層を形成した金属蓋材の接合前の断面拡大図である。 めっき層を形成したセラミックパッケージと金属蓋材の接合前の断面拡大図である。

符号の説明

１ セラミックパッケージ
２ 金属蓋材
３ はんだ接合部
４ メタライズ層
５ Ｃｕめっき
６ Ｓｎめっき
７ Ｓｎめっき
８ 電子素子
９ ボンディングワイヤー
１０ 内部電極
１１ 外部端子

Claims (7)

1. 第一の部品の表面に、はんだ合金成分である第一の金属と、はんだ合金成分であって第一の金属より低融点である第二の金属とを交互にめっきし、かつ最上層を第二の金属のめっきにした後、第二の部品と接触させ、第二の金属の融点以上に加熱することにより第一の金属と第二の金属を合金化するとともに、第一の部品と第二の部品を接合する電子部品のはんだ接合方法。
2. 第一の金属がＣｕ、第二の金属がＳｎである請求項１に記載の電子部品のはんだ接合方法。
3. 第一の金属がＮｉ、第二の金属がＳｎである請求項１に記載の電子部品のはんだ接合方法。
4. 第一の部品が金属蓋材であり、第二の部品がセラミックから成る電子素子収納用パッケージまたは基板である請求項１に記載の電子部品のはんだ接合方法。
5. 第一の部品がセラミックから成る電子素子収納用パッケージまたは基板であり、第二の部品が金属蓋材である請求項１に記載の電子部品のはんだ接合方法。
6. 第一の金属と第二の金属のめっき厚さが各々５〜４０μｍである請求項１に記載の電子部品のはんだ接合方法。
7. 金属蓋材の表面にＣｕとＳｎとを厚さ５μｍ〜２０μｍで交互にめっきし、かつ最上層をＳｎめっきにした後、この金属蓋材をセラミック製中空パッケージとの接合部に配置し、Ｓｎの融点以上に加熱することによりＣｕとＳｎを合金化するとともに、金属蓋材とセラミック製中空パッケージを接合する電子部品のはんだ接合方法。
   

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