JP2008155221A

JP2008155221A - ろう材、圧電デバイス、圧電デバイスの封止方法

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Publication number: JP2008155221A
Application number: JP2006344011A
Authority: JP
Inventors: Shoji Takahashi; 祥二高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供する。
【解決手段】組成比(Au(wt%),Ag(wt%),Sn(wt%))が、Au、Ag、Snの三元組成図において、点A1(41.8, 7.6,50.5)、点A2(62.6, 3.4,34.0)、点A3(75.7, 3.2,21.1)、点A4(53.6,22.1,24.3)、点A5(30.3,33.2,36.6)に囲まれる領域にあることを特徴とするろう材。
【選択図】図１

Description

本発明は、ろう材、圧電デバイス、圧電デバイスの封止方法に関するものである。

圧電振動子、圧電発信器等の圧電デバイスは、パッケージ内に圧電振動片を気密に封止した構造が一般的である（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１又は２記載の圧電デバイスでは、パッケージ外面に形成されて内部と連通する封止孔に、Ａｕ−ＳｎやＡｕ−Ｇｅ等の低融点金属からなる金属ボールを配置し、これにレーザ光を照射して溶融させ、封止孔を閉塞した状態で硬化させて圧電振動片を封止している。
特開２００２−００９５７７号公報特開２００３−１５８４３９号公報

表１に、封止用ろう材として適用可能性のある合金の例を示す。以下に詳細を述べるように、現在知られている合金では、ろう付け性（封止性）、経済性等を同時に満たすものは得られていない。

Ｎｏ．１は共晶組成のＳｎ−Ｐｂ系はんだであるが、この組み合わせでは融点が低く、はんだリフローに耐えるものではないため条件に合わない。また、Ｐｂを含むことから環境に対する負荷が高く、使用を控えなければならない。
Ｎｏ．２のＡｕ−Ｓｎは、融点が２８０℃であり、上記した融点の範囲では下限に位置するが使用可能な範囲である。しかし、Auが重量比で８０％も含まれているため価格の面で不利である。
Ｎｏ．３のＡｕ−Ｇｅも技術的条件は優れているがＡｕ含有量が８８％であり、価格の面から同じく不利である。
Ｎｏ．４のＡｕ−Ｓｂは、Ａｕ−ＳｎやＡｕ−Ｇｅに比して若干Ａｕ含有量を少なくできるが、機械的に極めて脆く、実使用面で大きな制約を受けることとなる。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供することを目的としている。

本発明のろう材は、上記課題を解決するために、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、点Ａ１（４１．８，７．６，５０．５）、点Ａ２（６２．６，３．４，３４．０）、点Ａ３（７５．７，３．２，２１．１）、点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）に囲まれる領域にあることを特徴とする。
本発明では、上記のように領域を規定して組成範囲を限定したことで、Ａｕ含有量を従来に比して減少させつつ、封止材として同等の特性が得られるようにしている。

また、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、点Ｂ１（４７．８，１４．２，３８．０）、点Ｂ２（６２．７，５．５，３１．８）、点Ｂ３（６０．２，１２．６，２７．１）、点Ｂ４（４９．３，２１．０，２９．８）、に囲まれる領域にあることを特徴とする。
本発明では、このような組成範囲に限定することで、先の組成範囲のもので得られる効果に加え、さらに良好な耐熱性が得られるろう材とすることができる。

Ａｕ又はＡｇと固溶体を形成し、バルクの融点が４００℃以上である金属元素を、０．１ｗｔ％以上３％以下含有する構成としてもよい。このような構成とすれば、ろう材の融点と硬さを上昇させ、耐熱性及び機械強度に優れるろう材が得られる。

前記金属元素は、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔのいずれかであることが好ましい。また、前記金属元素が、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔから選ばれる複数の金属元素であり、当該金属元素の合計の含有量が、０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下であることが好ましい。
このように、前記金属元素は、単体で添加してもよく、複数元素の混合物を添加してもよい。いずれの添加形態であっても、融点と硬さを上昇させ、耐熱性及び機械強度を向上させることができる。

また本発明において、以上に説明したろう材はボール状に成形されていてもよい。かかるろう材は狭小な封止孔の封止に有用である。

本発明の圧電デバイスは、パッケージのキャビティ内に圧電振動片を気密に封止してなる圧電デバイスであって、前記キャビティの内部と前記パッケージの外部とを連通する封止孔が、先に記載の本発明のろう材を用いて封止されていることを特徴とする。
この封止方法によれば、良好な封止性が得られ、かつ安価に提供可能な本発明のろう材によって封止孔が封止されるので、良好な気密封止構造が形成された圧電デバイスを安価に提供することができる。

本発明の圧電デバイスの封止方法は、パッケージのキャビティ内に圧電振動片を気密に封止してなる圧電デバイスの封止方法であって、前記キャビティの内部と前記パッケージの外部とを連通する封止孔に対して、先の本発明のろう材を球形に形成してなる封止材を配置し、前記封止材に対してレーザ光を照射することにより、前記封止孔を閉塞することを特徴とする。
この封止方法によれば、良好な封止性が得られ、かつ安価に提供可能な本発明のろう材によって封止孔が封止されるので、良好な気密封止構造が形成された圧電デバイスを安価に製造することができる。

本発明の電子部品は、先に記載の本発明のろう材を用いて封止された気密封止構造を備えたことを特徴とする。この構成によれば、本発明のろう材を用いていることで、封止性に優れた気密封止構造を具備する電子部品を安価に提供することができる。

（第１の実施形態）
［Ａｕ−Ａｇ−Ｓｎ三元合金ろう材］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明に係るろう材の主要構成元素であるＡｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図である。表２は、図１に示す点Ａ１〜Ａ５、点Ｂ１〜Ｂ４、点Ｃ１、点Ｘ１〜Ｘ６の組成、融点等を示すものである。

本実施形態のろう材は、図１に示す三元組成図に黒丸の点で示されている点Ａ１〜Ａ５に囲まれる領域にあることを特徴とするものである。具体的には、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、点Ａ１（４１．８，７．６，５０．５）、点Ａ２（６２．６，３．４，３４．０）、点Ａ３（７５．７，３．２，２１．１）、点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）に囲まれる領域にあるものである。
本発明では、上記のように領域を規定して組成範囲を限定したことで、Ａｕ含有量を従来に比して減少させつつ、封止材として同等の特性が得られるようにしている。
また本発明では、図１に示すように、Ａｕ含有量は３０．３ｗｔ％％以上７５．７ｗｔ％以下であり、先の表１に示したＡｕ合金に比してＡｕ含有量を少なくすることができる。
特に、Ａｕ含有量が４０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である範囲とすれば、従来のＡｕ−ＳｎやＡｕ−Ｇｅのろう材に対してコスト低減効果が顕著である。さらに、かかるＡｕ含有量範囲では、図１に示すように比較的広い範囲のＡｇ含有量及びＳｎ含有量が許容されるため、耐熱条件等に応じて組成比を変更することも容易である。

また本発明のろう材は、図１に示す三元組成図に二重丸の点で示されている点Ｂ１〜Ｂ４に囲まれる領域にあることを特徴とするものである。具体的には、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、点Ｂ１（４７．８，１４．２，３８．０）、点Ｂ２（６２．７，５．５，３１．８）、点Ｂ３（６０．２，１２．６，２７．１）、点Ｂ４（４９．３，２１．０，２９．８）、に囲まれる領域にあるものである。
本発明では、このような組成範囲に限定することで、先の組成範囲のもので得られる効果に加え、さらに良好な耐熱性が得られるろう材とすることができる。

二元および三元合金材料については、融点・金属組織等が既に学術レベルで多く調査されている。また錫・鉛系のはんだおよび無鉛はんだに関する研究や実用品も多く発表されている。それらは、大半が２００℃前後の融点を持つ材料である。本発明のごとく、はんだリフロー処理に耐えられる温度域でのろう材料調査は極めて少ない。

本発明でははんだリフロー加工に耐えられるろう材として使用可能な成分範囲について先ず検討を行った。電子部品用のろう材として用いられる材料については、強度、濡れ性、耐食性、耐熱性等を十分考慮する必要がある。

耐熱性に関しては、電子部品の実装段階でのはんだ付け温度に耐え自分自身が溶解することがないことが、第一の要求点である。はんだリフローの温度は一般的に２５０℃から２７０℃程度の範囲であるため、ろう材そのものの融点は、概ね２８０℃以上であることが必要である。

一方、ろう材の融点の最高温度は、適用される電子部品の耐熱温度にもよるが、素子自体の熱劣化等を防止することと、ろう付けの難易さを勘案すると、上限は約５００℃である。よって、ろう材の融点は、２８０℃から５００℃の範囲が求められる。また環境保護の為、鉛・カドミウム等の有害金属の使用も控えなければならない。

表２には、本発明に係る組成範囲を含む各種条件で検証したＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ三元合金の例が示されている。表２のＮｏ．１〜５が点Ａ１〜Ａ５に対応し、Ｎｏ．６〜９が点Ｂ１〜Ｂ４に対応し、Ｎｏ．１０は点Ｃ１に対応する。また、Ｎｏ．１１〜１６は、比較のために検証した本発明に係る組成範囲を外れる条件（点Ｘ１〜Ｘ６）に対応する。

表２に示されているように、本発明に係る組成範囲に含まれるＮｏ．１〜１０の条件では、いずれも融点が２８０℃から５００℃の範囲内にあり、実装工程における良好な耐熱性と、封止工程における良好な濡れ性（封止性）とを兼ね備えたものとなっている。
さらに、点Ｂ１〜Ｂ４に囲まれる領域に対応するＮｏ．６〜１０では、固相線温度が３４６℃以上であり、液相線温度は３５０℃以上であることから、Ｓｎ−Ｐｂはんだに比して融点が高くなる鉛フリーはんだを用いたはんだフロー工程にも十分耐えうるものとなっている。

一方、本発明に係る組成範囲に含まれないＮｏ．１１〜１６のうち、Ｎｏ．１１，１４，１５については、融点（固相線温度）が２８０℃を下回っており、はんだリフロー温度に対する抵抗がなく、はんだリフロー工程で自らも溶解することが想定され、圧電デバイスの真空封止に用いた場合には、真空が破壊するおそれがある。
また、Ｎｏ．１２，１３，１４については、融点（液相線温度）が５００℃を超えており、圧電デバイスの真空封止に用いる際には、レーザ光照射による封止工程において材料が十分に溶融せず、濡れ性が低下して十分な真空封止ができなくなるおそれがある。
特にＮｏ．１４は凝固温度範囲が２３９℃〜５２７℃ときわめて広く、ろう材としては不適当である。
なお、Ｎｏ．１６は一般に知られているＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ合金であるが、液相線温度が５００℃以上であり、ろう材として好適に用いることができるものではない。

本発明者は、表２に示した各組成比の合金について、圧電デバイスのパッケージの封止材として用いた場合の封止性、機械強度等についても検証しており、Ｎｏ．１〜１０に示す組成の材料を封止材として用いた場合、いずれも良好な封止が行えることを確認している。すなわち本発明に係るろう材は、Ａｕの含有量も少なく、安価で高性能なろう材として使用できる。

なお、圧電デバイスの具体的構成とその封止方法については、後段の「圧電デバイス」の項で図２を参照して説明している。本例では、各組成の材料を直径約０．４ｍｍの球状にガスアトマイズ法で成形し、パッケージの封止孔に配置した後にレーザ光を照射して溶融後固化させることで真空封止材として使用した。

［圧電デバイス］
次に、本発明のろう材を封止材として好適に用いることができる圧電デバイスの構成とその封止方法について説明する。
図２（ａ）は、圧電デバイスの一例である表面実装型水晶振動子の概略平面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）に対応する断面図である。図２（ｃ）はろう材を用いた封止工程の説明図である。

図２に示す水晶振動子は、セラミック材料のベース１１と蓋部１２とからなるパッケージ１３と、パッケージ１３の内部に気密に封止された音叉型水晶振動片１４とを備えている。ベース１１は、大略矩形状のセラミック薄板からなる底板部１５と、形状の異なる複数枚のセラミック薄板を積層してなる大略矩形状の枠体部１６とを一体に積層接合して、水晶振動片１４を収容するキャビティ１７を画定する薄い箱型に形成されている。

水晶振動片１４は、その基端部１４ａにおいて導電性接着剤１８により、キャビティ１７底面に形成された接続電極１９に片持ちで略水平に固着されている。また、水晶振動片１４の振動腕先端部１４ｂに対応する位置のキャビティ１７底面には、凹部２０が形成されている。凹部２０は、外部からの衝撃等で水晶振動片１４の振動腕が下向きに振れても振動腕先端部１４ｂがベース１１に衝突しないための逃げとして機能する。

蓋部１２は、ガラス又はセラミックス等の絶縁材料からなる矩形薄板で形成され、ベース１１の上端面に低融点ガラス２２で気密に接合されている。音叉型水晶振動片を実装する場合には、蓋部１２の接合後にパッケージ１３の外側からレーザ光を照射して周波数調整できるように、透明なガラス製の蓋とすることが好ましい。

ベース１１には、パッケージ１３の外部とキャビティ１７の内部とを連通する封止孔２３が設けられている。封止孔２３は、ベース１１の底面に開口する円形の外側孔部２４と、キャビティ１７の底面に開口する円形の内側孔部２５とで構成されている。外側孔部２４、及び内側孔部２５は、それぞれ底板部１５と枠体部１６を構成するセラミック薄板に形成された貫通孔である。外側孔部２４と内側孔部２５とは、図２（ａ）に示すように平面視で同心位置に形成されており、外側孔部２４は内側孔部２５よりも大きい径を有して形成されている。

封止孔２３は、外側孔部２４が、本発明に係るＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ合金のろう材からなる封止材２７で閉塞され、パッケージ１３の内部を気密に封止している。外側孔部２４の内周面には、封止材２７の接着性を増すためのメタライズ部２８（図２（ｃ）参照）が形成されている。

上記構成の水晶振動子において、封止孔２３は、例えば以下の工程により封止される。
封止孔２３を封止材２７により封止する工程では、まず、水晶振動片１４をベース１１に実装しかつ該ベース上面に蓋部１２を接合した後、パッケージ１３を、底面（底板部１５側）を上向きにして真空雰囲気内に配置する。このとき、外側孔部２４の内部には、図２（ｃ）に示すように、メタライズ部２８が形成されている。

メタライズ部２８は、スクリーン印刷により金属膜を形成し、かかる金属膜上にめっき層を形成する方法や、蒸着又はスパッタリングなどの公知の成膜法により形成することができる。メタライズ部２８は、外側孔部２４と内部通路２６との接続部分に形成された段差２９の表面にも形成されている。

次に、図２（ｃ）に示すように、上向きにされたパッケージ１３の外側孔部２４に、本発明に係るろう材であるＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ合金を用いて形成された金属ボール３０を入れる。金属ボール３０は、図示のように、外側孔部２４内に位置する内側孔部２５の周囲に形成されている段差２９に載せられる粒径のものが用いられ、例えば粒径０．４ｍｍ程度に成形されたものが用いられる。

次に、段差２９上の金属ボール３０にレーザビームを照射すると、溶融した金属材料は外側孔部２４の内部全体に拡がり、これを完全に閉塞して固化する。外側孔部２４の内周面及び段差２９がメタライズされていることにより、それらと封止材２７との良好な接着性が得られるので、パッケージ内部を確実に気密封止することができる。

本発明では、封止孔２３を閉塞する封止材２７として、先に記載の本発明に係るろう材が用いられている。先述したように、本発明者は、表２に記載した各組成の材料を用いてろう付けを行い、その封止性等を評価している。その結果、表２に併記されているように、本発明に係る組成範囲のＮｏ．１〜Ｎｏ．１０の材料について、良好な封止性が得られることが確認されている。そして、本発明によれば、従来のろう材に比してＡｕ含有量が少ないろう材を用いるため、安価に圧電デバイスを提供することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
本実施形態は、前記三元組成のろう材に対して第四の成分を添加することで、更なる効果を得られるようにしたものである。表３に実施例を示す。本例では、表２のＮｏ．１０材（５３．２Ａｕ−１４．６Ａｇ−３２．２Ｓｎ）を基準材料とし、これに各種金属元素を添加して検証を行った結果について説明する。

表３に結果を示す実験では、表２のＮｏ．１０材について、Ａｕ−Ａｇ−Ｓｎの基本組成比は変えず、第四成分としてＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔを０．１％から３％超の範囲で変化させたものを作製した。表３のＮｏ．１は第四成分を添加していないもの（表２のＮｏ．１０）である。

表３の成分表記は、先に混合されたＡｕ−Ａｇ−Ｓｎを一つの成分とみなし、第四成分との比率で記載している。例えばＮｏ．２の場合、Ｎｉ：０．０５％と表記されているが、基本のＡｕ−Ａｇ−Ｓｎの比率は重量比で約Ａｕ：Ａｇ：Ｓｎ＝５３．２：１４．６：３２．２であり、これに対し重量比０．０５％のＮｉ（第四成分）を添加している。
また、表３中の組成欄の「ｍｉｘ」は、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔを比率１：１：１で混合して第四成分としたものであり、表記した重量比で基準材料に添加している。

表３に示すように、第四成分としてＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔのいずれを添加した場合もほぼ同じ傾向で液相線温度と硬さが上昇している。このように硬さが上昇するのは、第四成分として添加されたＮｉ、Ｐｄ、Ｐｔが、Ａｕ又はＡｇと硬い固溶体を形成し、この固溶体がろう材を溶融後固化させた封止材中に析出するためであると考えられる。

また、第四成分の添加により液相線温度は急速に上昇しており、添加量が３％を超えると５００℃に達し、レーザ光による溶融が不十分になるおそれが生じるため封止用のろう材としては不適なものとなる。一方、添加量が０．１％を下回ると硬さの変化が少なく、強度向上には寄与しない。
よって、第四成分の添加は何れの材料も０．１％以上、３％以下が望ましい。また、第四成分を数種類混合した場合も、液相線温度及び硬さの変化は単体で添加したときと同様の傾向であり、混合して添加する場合も同じく合計で０．１％以上、３％以下が望ましい。

さらに、本発明者は、本例の第四成分を添加したろう材についても、表２に示した各材料と同様に圧電デバイスの封止に用いて効果を検証した。具体的には、第１実施形態と同様に、表３に示した各材料をガスアトマイズ法で直径０．４ｍｍの球状に成形し、図２に示す水晶パッケージにてレーザ封止を行った。
得られたサンプルについて封止性（濡れ性）の評価を行ったところ、Ｎｉ添加量が３％を超えているＮｏ．７の材料、Ｐｔ添加量が３％を超えているＮｏ．１４の材料、及び混合物の添加量が３％を超えているＮｏ．２０の材料を除き、良好な封止が行えることが確認された。

なお、本実施形態では上述した基準材料（表２のＮｏ．１０材）についての第四成分の添加結果について説明したが、本発明者による実験結果によれば、先に記載の本発明に係る組成範囲の材料に対して第四成分の添加を行った場合にも同様の効果が得られることが確認されている。

本発明に係るろう材における組成範囲を示す三元組成図。本発明に係る圧電デバイスの構成及び封止方法を示す図。

符号の説明

１１ベース、１２蓋部、１３パッケージ、１４水晶振動片、１４ａ基端部、１４ｂ振動腕先端部、１５底板部、１６枠体部、１７キャビティ、１８導電性接着剤、１９接続電極、２０凹部、２２低融点ガラス、２３封止孔、２４外側孔部、２５内側孔部、２７封止材（ろう材）、２８メタライズ部、２９段差、３０金属ボール。

Claims

組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、
Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
点Ａ１（４１．８，７．６，５０．５）、
点Ａ２（６２．６，３．４，３４．０）、
点Ａ３（７５．７，３．２，２１．１）、
点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、
点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）
に囲まれる領域にあることを特徴とするろう材。
組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））が、
Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
点Ｂ１（４７．８，１４．２，３８．０）、
点Ｂ２（６２．７，５．５，３１．８）、
点Ｂ３（６０．２，１２．６，２７．１）、
点Ｂ４（４９．３，２１．０，２９．８）、
に囲まれる領域にあることを特徴とするろう材。
請求項１又は２に記載のろう材において、
Ａｕ又はＡｇと固溶体を形成し、バルクの融点が４００℃以上である金属元素を、０．１ｗｔ％以上３％以下含有することを特徴とするろう材。
請求項３に記載のろう材において、
前記金属元素が、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔのいずれかであることを特徴とするろう材。
請求項３に記載のろう材において、
前記金属元素が、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔから選ばれる複数の金属元素であり、当該金属元素の合計の含有量が、０．１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下であることを特徴とするろう材。
パッケージのキャビティ内に圧電振動片を気密に封止してなる圧電デバイスであって、
前記キャビティの内部と前記パッケージの外部とを連通する封止孔が、請求項１から５のいずれか１項に記載のろう材を用いて封止されていることを特徴とする圧電デバイス。
パッケージのキャビティ内に圧電振動片を気密に封止してなる圧電デバイスの封止方法であって、
前記キャビティの内部と前記パッケージの外部とを連通する封止孔に対して、請求項１から５のいずれか１項に記載のろう材を球形に形成してなる封止材を配置し、
前記封止材に対してレーザ光を照射することにより、前記封止孔を閉塞することを特徴とする圧電デバイスの封止方法。