JP4618790B2 - ハーメチックシールカバー及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、各種電子部品パッケージの気密封止で使用されるろう材が融着されたハーメチックシールカバーに関する。詳しくは、取付後のろう材の形状が制御され、封止時のろう流れが安定的なハーメチックシールカバーに関する。

携帯電話等の各種電子機器で使用されるＳＡＷフィルタ、水晶振動子のような半導体素子は、空気中の湿気、酸素により酸化、劣化するのを防止する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。この半導体パッケージは、開口を有する容体（ベース）と、蓋となるシールカバーとからなり、半導体パッケージの気密封止工程は、半導体素子をベース内に載置し、これにシールカバーを被せた後、ベースとシールカバーとを接合することにより行われる。

ベースとシールカバーとの接合方法には各種あるが、一般的なのはろう材により接合を行うろう付け法である。ろう付け法で使用されるシールカバーは、ろう材をその接合面に融着したものであり、気密封止の際にはシールカバーをベースに被せ、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とするものである。

シールカバー本体の構成材料としては、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）が一般的に用いられている。また、ろう材としては、信頼性、耐食性に優れる等の理由からＡｕ−Ｓｎ系ろう材が用いられており、特に、共晶組成であるＡｕ８０ｗｔ％−Ｓｎ２０ｗｔ％ろう材が通常使用されている。そして、シールカバーは、打ち抜き加工等によりベースの形状を考慮して窓枠形状に成形されたＡｕ−Ｓｎ系ろう材をシールカバー本体に融着することにより製造されるのが一般的である。
特開２００３−２２４２２３号公報

ろう付け法による封止で製造される半導体パッケージで懸念される欠陥としては、ベースとシールカバーとの接合不良がまず考えられるが、これに加えて、パッケージ封止時に溶融するろう材がベース内に流れ込むことが挙げられる。かかるろう材の流れ込みがあると、半導体素子に影響が生じ、特に、水晶振動子では周波数の変動等、その性能に著しいダメージを与えることがある。

ろう材の流れ込みの問題は、シールカバーに融着されたろう材の量及びろう材の流れの安定性に左右されると考えられる。即ち、ろう材の量が多く、ろう流れが不安定であると、溶融したろう材が不規則にシールカバー表面を流れベース内に侵入することとなる。

かかる場合、ろう材の量を少なくし、過剰のろう材がベース内に侵入しないようにすることも考えられる。しかし、それではベースとシールカバーとの隙間にろう材の不足が生じ、隙間を完全に封止できず接合不良が発生する問題が残る。

そこで、本発明は、ろう材が融着されたパッケージ封止用のシールカバーにおいて、パッケージの欠陥の要因となる、ろう材のベース内への流れ込みがないようなものを提供することを目的とする。尚、この場合において、ベースとシールカバーとの接合不良が生じることがないことを前提とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく検討を行い、シールカバー本体へ融着されたろう材の形状制御を図ることとした。従来のシールカバーでは、ろう材を融着前に窓枠形状に成形していても、融着後には図１（ａ）で示されるような不定形となっている。ろう材形状が不定形となると、ベースへ接合する際のろう流れが部位により不規則となり、ベース内への流れ込みのおそれが高くなる。そこで、融着後のろう材形状が、融着前の形状にほぼ等しい状態（図１（ｂ）参照）となるようにすることで、ろう材の不規則な流れを抑制することができると考えられる。

融着後（凝固後）のろう材の形状を制御するためには、ろう材融着時のカバー本体表面におけるろう流れを制御する必要がある。また、カバー本体表面におけるろう流れを制御することは、ベースと接合時におけるろう材の不規則な流れを抑制し、ベース内へのろう材の流れ込みも防止することができる。

以上を背景に本発明者等は、カバー本体表面のろう材のろう流れの制御について検討を行った。そして、本発明者等はＡｕ−Ｓｎろう材のろう流れの安定性に影響を及ぼす因子について検討し、まず、カバー本体表面の面粗さに着目し、所定の面粗さカバー本体において、ろう材の流れ安定性が良好となることを見出し、本発明に想到した。

即ち、本発明は、シールカバー本体と、該シールカバー本体表面に融着されたＡｕ−Ｓｎろう材とを備えるハーメチックシールカバーにおいて、前記シールカバー本体のＡｕ−Ｓｎ系ろう材が融着される面のＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さが０．００５〜０．２５μｍであることを特徴とするハーメチックシールカバーである。

本発明において、シールカバー本体のろう材が融着される表面の面粗さを０．００５〜０．２５μｍとするのは、本発明者等の検討から、０．２５μｍを超える面粗さでは、融着時にろう材の流れ（広がり）が不規則となり、融着後のろう材の形状が不定形なものとなるからである。一方、０．００５μｍの下限値については、カバー本体の表面をこれ以下の面粗さに加工することが困難であり、量産に適さなくなるからである。面粗さをＪＩＳ Ｂ０６０１によるものとしたのは、その基準を明確にするためである。そして、面粗さの特に好ましい範囲は、０．００５〜０．１μｍである。

本発明においては、ろう材が融着される面の面粗さが上記範囲内にあれば良い。従って、シールカバー本体にろう材を直接融着する場合には、シールカバー本体の面粗さが上記範囲にあれば良い。ここで、本発明におけるシールカバー本体の材質は、従来と同様のものが適用可能であり、コバール又は４２アロイが好ましい

一方、一般的なシールカバーにおいては、シールカバーの耐食性確保及びＡｕ−Ｓｎ系ろう材を溶融させたときの濡れ性確保を目的として、コバール等からなる基材にＮｉメッキ及びＡｕメッキを施したものをシールカバー本体とし、これにろう材を融着してシールカバーとしている。このようなメッキを有するシールカバーにおいては、Ａｕメッキ面がろう材が融着される面となり、その面粗さが上記範囲内にあることが求められる。

ここで、本発明者等は、シールカバー本体にＡｕメッキを施した場合、その厚さと融着時のろう材の安定性に関連があることを見出している。本発明者等によれば、Ａｕメッキ厚を０．００３〜０．０５μｍの範囲内でメッキすることで、表面粗さを適正範囲内にしたことと相俟ってろう流れが安定し、融着後のろう材を好適な形状とすることができる。また、Ａｕメッキ厚が０．００３ｍ未満となる場合、濡れ性が極端に悪くなり、シールカバーの製造歩留が低下する。そして、Ａｕメッキ層の厚さは０．００５〜０．０２５ｍとすることが特に好ましい。

また、シールカバーにＡｕメッキをする場合、まずＮｉメッキを行い、その上にＡｕメッキを行なうことが一般的となっている。この場合、Ｎｉメッキ厚は０．０１〜５μｍとするのが好ましい。Ｎｉメッキはろう材の流れに影響は及ぼさないが、メッキの上記目的（耐食性、濡れ性確保）のためには、この程度の厚さで十分だからである。

一方、融着されるろう材に関して、本発明者等の検討によれば、融着後のろう材の形状を好適なものとするためには、融着前に成形されたろう材の形状、寸法を適当なものとすることでより容易になる。このろう材は、窓枠形状を有し、下記式によりより求められる形状指数Ｓが２．５以上６以下のものが好ましい。

この式において、ｗはろう材のサン幅（ｍｍ）を示し、ａはろう材の長辺長さを示し、Ｔはろう材の厚さ（ｍｍ）を示す（図２参照）。融着前のろう材についてその寸法を上記のように規定するのは、形状指数Ｓが２．５未満であると、融着時のろう材が隅にたまり形状不良を生じさせるからであり、６を超えると、ろう材の無駄が生じるからである。

ろう材となるＡｕ−Ｓｎ系ろう材の組成は、特に限定されるものではなく、Ｓｎ濃度１０〜９０重量％のものが適用できる。但し、好ましいろう材組成は、封止時の信頼性確保の観点から、Ｓｎ濃度２０〜２５重量％、より好ましくは２０〜２２重量％である。また、ろう材の厚さは、封止を確実に行なうために、１０〜４０μｍとするのが好ましい。

本発明に係るシールカバーの製造においては、シールカバー本体の面の面粗さ、Ａｕメッキ厚、ろう材寸法を調整することを除いては、従来のシールカバーの製造工程と同様である。即ち、シールカバー本体を構成する材料（コバール、４２アロイ）からなる板材を成型加工し、適宜にＮｉメッキ、Ａｕメッキを施した後にろう材を接合するものである。

本発明に係るシールカバーの製造工程として好適なものは、コバール、４２アロイからなる板材を圧延加工し、この際、面粗さを調整し、これを打ち抜き加工等によりシールカバーとして所望の寸法、形状に加工した後にろう材を接合するものである。この圧延加工による面粗さは、圧延ロールの加工面の面粗さを調整することで調整可能であり、圧延ロール加工面の面粗さは、研摩条件の調整等で調整可能である。

また、シールカバー本体にＮｉメッキ、Ａｕメッキを行う場合、上記のように面粗さの調整及び成形加工された基材にメッキ処理を行う。このとき、メッキ後の表面の面粗さは、基材の面粗さに追従することから、メッキ面に対して表面粗さの調整を行う必要はなく、メッキ処理後のシールカバー本体に、そのままろう材を接合することでシールカバーとすることができる。

ろう材は、シールカバー本体へ接合する前に打ち抜き加工等により窓枠形状に成型加工される。ろう材の接合は、融着により接合するのが好ましく、この際の条件は、ろう材の組成によるが、加熱温度３１０〜３５０℃、加熱時間０．１〜１０分間とするのが好ましい。また、ろう材の融着は、成型加工された箔状（固体状態）のろう材をシールカバー本体へ載置して融着させる方法の他、ペースト状のろう材をシールカバー本体に印刷して融着させても良い。

以上説明したように、本発明に係るハーメチックシールカバーにおいては、シールカバー本体に融着されるときのろう流れが制御されている。その結果、形状をほぼ維持させてろう材を融着することができ、窓枠形状のろう材が融着されたシールカバーを効率的に製造することができる。

また、本発明に係るハーメチックシールカバーは、ろう流れが改善されていることから、ベースへ封止接合する際のろう流れも良好であり、ろう材の不規則な流れを抑制できる。従って、ろう材の形状を好適なものとしたことと併せて、パッケージの欠陥の要因となるベース内へのろう材の流れ込みを防止することができる。また、ろう流れが改善されていることから、接合不良を生じさせるおそれもなく、多量のろう材を使用する必要もない。必要最小限のろう材の使用は、資源の有効利用にも資する。

尚、本発明において、融着後のろう材の好ましい形状とは、略窓枠形状を有するものであり、融着後のろう材のサン幅をＷとしたとき、融着前のろう材のサン幅ｗに対し、０．８ｗ＜Ｗ＜１．６ｗとなるようなものが好ましい。かかる関係を具備するシールカバーは、ベースに接合した際、パッケージへのろう材の侵入等の欠陥が生じ難い。

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、市販のコバール板材について面粗さを種々調整して加工し、これにＡｕ−Ｓｎ系ろう材を融着してシールカバーとし、そのろう材の形状、パッケージ封止時の品質を評価した。

シールカバーの製造は、次のようにして行った。市販のコバール製の板材（寸法：幅３０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ、面粗さ０．８μｍ）について、圧延加工により面粗さを調整した。本実施形態では、＃１０００研摩＋ラップ仕上げ、＃１０００研摩、＃５００研摩、＃１８０研摩、＃８０研摩の各条件にて加工面粗度が調整された圧延ロールにて圧延加工し、０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１０μｍ、０．２５μｍ、０．５１μｍの面粗さの板材とした。そして、これらの板材から、プレス打ち抜き加工で基材を加工し（寸法：３．５ｍｍ□、厚さ０．１ｍｍ）、電解バレルめっきによりＮｉを２．１８μｍ、Ａｕを０．０１〜０．１μｍメッキしてシールカバー本体とした。

次に、このシールカバー本体に窓枠形状のＡｕ−Ｓｎろう材（外法：３．５ｍｍ×３．５ｍｍ、内寸：３．０ｍｍ×３．０ｍｍ、サン幅０．２５ｍｍ）を融着してシールカバーを製造した。尚、この場合の形状指数Ｓは３．３３である。ろう材の融着は、ろう材をシールカバー本体上に位置決めして載置した後、電気炉に挿入し、窒素雰囲気で３００〜３２０℃で２分間加熱することにより行った。尚、融着するろう材としては、Ｓｎ濃度２０、２１、２２重量％の複数のＡｕ−Ｓｎろう材を用いた。また、本実施形態では、ろう材組成等によりそれぞれ１０００個のシールカバーを製造し、その歩留等を評価した。

製造したシールカバーについては、まず、ろう材の形状を確認しつつ、融着後のろう材の幅を測定しその平均を求めた。また、ろう材の幅が４００μｍ以下のものを合格と判定し、合格品の歩留を算定した。

次に、製造したシールカバーを用いてベースとの接合を行い、評価を行った。使用したベースは、アルミナ製である（寸法：３．８ｍｍ×３．８ｍｍ、高さ２．０ｍｍ）。また、前処理として、ベースの上面をタングステンでメタライズし、更に３μｍのＮｉメッキ、０．５μｍのＡｕメッキをしている。

ベースとの接合は、上記ベースにシールカバーのろう材を融着した面を下にして載置し、１０^−５ａｔｍの真空中、温度３００〜３３０℃で３分間加熱して封止接合した。

封止後、まず、フィレット幅（パッケージを上方より見て、シールカバーよりはみ出たろう材の幅）を測定した。その後、シールカバーをベースから剥離し、ベース内部へのろう材の流れ込みの有無を検討した。流れ込みの有無は、封止前後の融着幅の差の平均値を侵入平均値として判定した。以上の評価結果を表１に示す。

表１から、シールカバー本体の面粗さを０．２５μｍ以下とすることで、歩留、フィレット幅、ろう材の流れ込みの総合的な判定が良好なものが得られることがわかった。特に、面粗さに加え、Ａｕメッキ厚さを０．０５μｍ以下とすることで、歩留が９５％以上となり、ろう材の侵入のおそれも少ない極めて優れたシールカバーが得られることが確認された。

一方、面粗さが０．２５μｍを超える０．５１μｍのシールカバーは、融着幅の平均こそ４００μｍを下回るものの、歩留が大きく低下した。これは、かかる面粗さのシールカバー本体にろう材を融着すると、ろう材が、図１（ａ）のような不定形となるものが多いからである。そして、パッケージとしたときの評価についても、フィレット幅、侵入平均値が共に急激に悪化た。封止時において、このようなろう材の流れ込みが生じる場合、ろう材がシールカバーのＮｉメッキと反応し、Ｎｉメッキ中に介在するガスが放出され、パッケージ内部の半導体素子に悪影響を及ぼす（例えば、水晶振動子の周波数の変動が生じる）おそれがある。

ろう材融着後のシールカバーの外観を模式的に示す図。 ろう材の各部寸法を説明する図。

Claims (7)

1. コバール又は４２アロイからなるシールカバー本体と、該シールカバー本体表面に融着されたＡｕ−Ｓｎろう材とを備える半導体パッケージ用のハーメチックシールカバーにおいて、
   前記Ａｕ−Ｓｎろう材は、シールカバー本体にＡｕメッキをした後に融着されてなるものであり、
   前記シールカバー本体のＡｕ−Ｓｎ系ろう材が融着される面のＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さが０．００５〜０．２５μｍであり、
   前記Ａｕメッキの厚さは０．００３〜０．０５μｍであり、
   更に、融着されるＡｕ−Ｓｎろう材として、窓枠形状を有し、下記式により求められる形状指数Ｓが２．５以上６以下のろう材が融着されたものであることを特徴とするハーメチックシールカバー。
   

   

   ここで、ｗはろう材のサン幅（ｍｍ）を示し、ａはろう材の長辺長さを示し、Ｔはろう材の厚さ（ｍｍ）を示す。
2. シールカバー本体のＡｕメッキの下にＮｉメッキが施され、Ｎｉメッキ及びＡｕメッキの上にＡｕ−Ｓｎ系ろう材が融着されてなる請求項１に記載の半導体パッケージ用のハーメチックシールカバー。
3. Ｎｉメッキの厚さは、０．０１〜５μｍである請求項２記載の半導体パッケージ用のハーメチックシールカバー。
4. Ａｕ−Ｓｎ系ろう材のＳｎ濃度は、１０〜９０重量％である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体パッケージ用のハーメチックシールカバー。
5. 融着後のろう材のサン幅をＷとしたとき、融着前のろう材のサン幅ｗに対し、０．８ｗ＜Ｗ＜１．６ｗとなっている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の半導体パッケージ用のハーメチックシールカバー。
6. コバール又は４２アロイからなる板材を成型してシールカバー本体にＡｕ−Ｓｎ系ろう材を融着する半導体パッケージ用のハーメチックシールカバーの製造方法において、
   前記Ａｕ−Ｓｎ系ろう材を融着する前に、前記板材を圧延加工することにより、ＪＩＳ Ｂ０６０１で規定される表面粗さが０．００５〜０．２５μｍとなるようにし、
   前記圧延加工後に厚さ０．００３〜０．０５μｍのＡｕメッキをし、
   その後、窓枠形状を有し、下記式により求められる形状指数Ｓが２．５以上６以下であるＡｕ−Ｓｎ系ろう材を融着することを特徴とするハーメチックシールカバーの製造方法。
   

   

   ここで、ｗはろう材のサン幅（ｍｍ）を示し、ａはろう材の長辺長さを示し、Ｔはろう材の厚さ（ｍｍ）を示す。
7. 圧延加工後、Ａｕメッキをする前にＮｉメッキをする請求項６記載の半導体パッケージ用のハーメチックシールカバーの製造方法。

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