JP4785188B2 - 金属パッケージおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属外環に絶縁材の介在によりリード部材を気密封着した金属ベースを使用する金属パッケージおよびその製造方法、特に、リード部材がセラミック表面のメタライジングからなる小型化に好適する金属ベースを使用した金属パッケージおよびその製造方法に関する。

水晶振動子・フィルタ・発振器などの電子部品デバイスは、リードと金属外環を絶縁材にて気密封着した金属ベースに水晶片・圧電デバイス片を組み込み、これを金属キャップで気密封止した金属パッケージ内に収容して構成される。たとえば、特許文献１に示されるように、金属外環にリード端子をほう珪酸高融点ガラスで気密封着した気密端子に水晶振動子などの機能部品を組み込んで金属キャップで気密空間に収容して妨害電磁波の侵入を防ぐ金属パッケージ構造がある。この構造は、金属リ−ドが貫通する絶縁材を円筒状金属外環の内部に封着した金属ベースに、蓋体となるキャップを被せたもので、気密雰囲気の金属ベース内部で金属リ−ドに電子部品素子を装着して収納する。このように、水晶振動子等の電子部品素子を搭載して収容する金属パッケージは、シールド効果が有利な金属ベースに金属リードを絶縁材の介在で気密封着する金属パッケージが主流である。同様に、特許文献２は長円状の金属外環の長手方向の両端近傍にリード端子を絶縁して気密封着した気密端子をベース材に用い、リード端子にサポート部材を溶接し、水晶板をこのサポート部材に固着する水晶振動子の支持構造を開示している。しかし、水晶振動子用気密端子では小型化の要請と表面実装方式の増加から、多数の電子デバイスを金属パッケージに収納するために複数個のリードを必要として量産化対応の問題がある。
特開２００１−６８１９４号公報 実開平５−１１５３９号公報

ところが、上述する従来の金属パッケージでは、貫通する一対のリード端子間に絶縁材を介在させ、絶縁性確保の観点からリード端子間の絶縁距離を大きくする必要が生じ、結果的に外径が大となり金属パッケージの小型薄型化が困難であった。特に、複数個のリード端子を必要とする金属パッケージでは、気密端子の金属ベースに絶縁材を介して気密封着される複数個のリード端子の整列精度に問題を生ずる。たとえば、リード長にばらつきが生じて端子接続面が不揃いになったり、リード相互の直立平行度で一部に傾きが生じて短絡事故となったりするために、ショート防止対策に修正作業を余儀なくされる等の問題が生じていた。また、多数のリード端子を有する金属パッケージの製造工程では電子機器への組立作業における表面実装作業面での多くの課題が残されていた。特に、多数のリード端子を所定位置に正確に整列することが必要な小型薄型化金属パッケージにおいて、量産化に好適で作業を容易にすると共にリード端子間の距離短縮化と精度の向上が要請されている。

したがって、本発明の目的は上記の欠陥に鑑みて提案されたものであり、リード端子構造についての独創的な工夫により、金属パッケージの小型化を容易にし、かつ複数個のリード端子を必要とする際に極めて有利となる小型化可能な金属ベース部材を用いる金属パッケージを提供することにある。また、量産化に好適で作業の容易化と工数の削減を可能にすると共に、リード端子間の精度を向上する新規かつ改良された小型薄型化に有利な金属パッケージの製造方法の提案を目的とする。

本発明の別の目的は、多数のリード端子を備える気密端子状の金属ベースからなる表面実装用に好適で薄型化可能な金属パッケージにおいて、金属ベースの表面実装側である裏面側に露呈するリード端子の電極接続部が面一に揃えられるように仕上加工して表面実装作業を容易にすると共に、予めリード端子の電極接続部にはめっきを施す新規かつ改良された金属パッケージ用の金属ベース部材とその製造方法を提供することにある。

本発明によれば、小判または円形筒状の金属外環およびこの金属外環の内側で絶縁材を介在して貫通するリード部材を有し、金属外環とリード部材を絶縁離間して気密封着した金属ベースを使用した金属パッケージであって、前記リード部材が表面にメタライジング導電パターンを有するセラミックセグメントからなることを特徴とする金属パッケージが提供される。ここで、前記セラミックセグメントはＡｌ_２Ｏ_３が主成分のセラミック材、前記絶縁材が高融点ガラス材であり、特に、前記セラミックセグメントにはＡｌ_２Ｏ_３を９０ｗｔ％以上含むセラミック材が選ばれ、前記金属外環にはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏの金属およびこれらの金属を主成分とする合金を含む群から選ばれ、セラミックセグメント、金属外環および絶縁材は加工作業温度における熱膨張率が近似する材料から選択し、かつ前記メタライジング導電パターンは主成分にＷ、ＭｏまたはＭｎから選ばれた金属を含み、前記リード部材のターミナルに少なくともＮｉめっきの層を含む電極部を設けて作製した金属ベース部材を使用することを特徴とする金属パッケージを開示する。したがって、リード部材の導電パターンを微細パターン化して小形でも精度の高いリード配列を可能とするので、金属ベースの小型化ができ小型薄型化金属パッケージを実現する。

本発明の別の観点によれば、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミック材を用いて主幹部と多数の分岐部を有するグリーンシートに成膜する成形工程、前記グリーンシートの分岐部に導電ペースト材を所定のパターンで印刷する工程、前記グリーンシートを焼結してメタライジング導電パターンを有するセラミックセグメントの複数個がフレーム体に連結した櫛状セラミック体を得る焼結工程、この櫛状セラミック体から分岐する複数個のセラミックセグメントを金属外環の内側に貫通配置し絶縁材と共に組み込んで加熱する気密封着工程、冷却後に前記金属外環の内側に絶縁材を介在して貫通する前記セラミックセグメントを前記フレーム体から切断分離してリード部材が前記金属外環に絶縁離間して気密封着した金属ベースを得る仕上工程、前記リード部材の電極部に電子部品素子を装着する実装工程、および前記金属外環の外側に金属キャップを気密封止する封止工程を含む金属パッケージの製造方法が提案される。ここで、セラミック材はＡｌ_２Ｏ_３を９０ｗｔ％以上含み、導電ペースト材はＷ、ＭｏまたはＭｎを主成分に含み、その上にＮｉめっきが施され、、金属外環および絶縁材は前記セラミックセグメントと熱膨張特性が整合する材料として、セラミックセグメント、金属外環および絶縁材の加工作業温度における熱膨張率の近似する材料を選択する。また、仕上工程にはリード部材のメタライジング導電パターンのＮｉめっき部分にＣｕめっきまたはＮｉめっき、およびその上にＡｕめっきまたは半田めっきとを施してリード部材の電極部を形成するめっき工程が含まれる。なお、セラミックセグメントおよび絶縁材の出発材料は、上述するＡｌ_２Ｏ_３と高融点ガラスの組合せ以外にも各種セラミック材と低融点ガラスやポリイミド系樹脂等との組合せでもよい。さらに、リード部材は、板状のセラミックセグメントの表面に複数個のリードパターンを形成するほか、断面方形のセラミックセグメントではその両側面や表裏面にリードパターンを形成して互いに絶縁することもできる。さらに、セラミックセグメントは断面形状を円形や楕円形に形成することもでき、取付用電子部品素子の構造にマッチさせるなどの作業面を考慮して都合良い形状にすることもできる。

従来の金属ベースでは、複数個のリード線を位置決めするために、封着治具に各リードピッチに孔加工をほどこし、その内部にリード線の先端を位置決めし、かつ絶縁材料もリード線の本数分の孔をあける必要があったので小型サイズで複数個のリード線を必要とする金属パッケージには寸法的な限界があった。しかし、本発明の金属ベースでは、複数個のリード端子が単一のセラミックセグメントに形成でき、単一リード部材で複数のリード端子が形成可能である。したがって、封着治具の孔加工も単一でよく、さらに、絶縁材も単一の孔にできるため、小型化への可能性が広がる。たとえば、本発明による金属外環サイズ０．８ｍｍの金属ベースが作製され、従来方法では１．２ｍｍの限界寸法を約３０％も小形にすることができるなど電子部品市場の小形化要請に対応することができる。

また、組立治具を用いて多数のリード線を金属ベースの多数の貫通孔に挿入し絶縁材で気密封着する従来の製造方法に比べて、本発明の組立では単一のセラミック部材を単一の貫通孔に挿入するだけで組立てられ作業が容易となり、歩留の向上と治具の長寿命化が図られ、気密封着後のリード部材の頂面を平坦状態として平行度が保たれる。さらには、絶縁材の選択によっては金属外環とリード部材の気密封着時の封着温度を低くできることからリード部材のリード端子の不揃いがなく、寸法精度の高い配列状態で小形・薄型化した金属ベース部材が提供できる。したがって、このような金属ベースを用いた金属パッケージでは、その内部に収容する水晶振動子などの電子部品素子の搭載および金属パッケージからなる製品の基板上での表面実装処理を容易にすることができる。

本発明の実施形態は、単一または複数の貫通する孔を有する金属外環と、この貫通する孔に高融点ガラスまたは低融点ガラスまたはポリイミド系樹脂等から選択される絶縁材を介在して気密封着したリード部材とを具備した金属ベースを使用し、この金属ベースのリード部材に電子部品素子を装着し、この電子部品素子を収容するように金属キャップを被せて気密封止した金属パッケージである。ここでリード導体であるリード部材は、セラミックセグメントにメタライジングによる導電パターンで形成される。好ましくは、金属外環がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよびこれらの金属を主成分とする合金のいずれかであり、セラミックセグメントがＡｌ_２Ｏ_３を９０ｗｔ％以上含むセラミック材からなり、絶縁材には高融点ガラス材を使用して熱膨張特性での整合性を得る。セラミックセグメントはグリーンシートの成形体にメタライジング用導電パターンを印刷して焼結して作製される。したがって、多数のリード端子も導電パターンにより所定位置に整列配置させることが容易にできる。そして、グリーンシートを焼結したセラミックセグメントからなるリード部材はその頂面部分および底面部分にターミナル用電極部として所定のめっきを施した接続部をメタライジング導電パターンに設けて金属ベースとする。この金属ベースを用いた金属パッケージは、リード端子が導電パターンとして互いに近接して形成可能なために小形の金属パッケージおよびその製造方法としての実用的効果を発揮する。特に、金属薄板を絞り加工あるいはプレス成形にて形成した、小判形または円形状の金属外環と、グリーンシートにメタライズを印刷して焼結したセラミックセグメントの連結体からブレイク分割あるいは、ダイシングにて分割して作製されるリード部材を所定位置に配置し、所定の空隙に絶縁材を介在させ気密封着する気密封着工程と、金属外環に気密封着した成形されたリード部材の露呈面を表面処理して端子用接続部を形成する仕上工程とからなる製造過程は作業の容易化を図る。
尚、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミック材のグリーンシートは、封着工程前にＮｉめっきを施されており、気密封着後の仕上工程でのめっき密着性を向上させる。仕上工程にてリードに施される処理は、再度ＮｉめっきあるいはＣｕめっきなど密着性良好なめっき処理が施され、その上にＡｇめっきやＡｕめっきあるいは半田めっき、または半田めっき上にＡｇめっきやＡｕめっきなど従来のめっき仕様が採用可能である。また、金属外環については、直接半田めっきを行ったり、ＣｕめっきあるいはＮｉめっきを下地として処理された上に半田めっき、またはＡｇめっきやＡｕめっきなどリード材と同様に、従来のめっき仕様が採用可能である。

別の実施態様は、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミック材のグリーンシートを主幹部と多数の分岐部を有する櫛状グリーンシートに成形加工し、このグリーンシートの分岐部の絶縁離間する部分を残した表面に導電ペースト材をパターンで印刷し、このグリーンシートを焼結して、共通のフレーム体に複数個のメタライジング導電パターンを有するセラミックセグメントが連結した櫛状セラミック焼結体を得る。次いで、この櫛状セラミック焼結体の複数個のセラミックセグメントを金属外環と絶縁材と一緒に気密封着用治具に組立てる。たとえば、コバールの金属薄板を筒状に板金加工した金属外環とほう珪酸ガラス粉末材をタブレット状に加工した絶縁材を用いて、セラミックセグメントが貫通する状態に嵌め込んで組立てる。気密封着用治具に組立てられた後加熱により３者を一体に気密封着し、冷却して複数個の金属ベースが連結状態の金属ベース部材を作製するが、セラミックセグメントをフレーム体の連結から切断分離することで、セラミックセグメントの表面にメタライジング導電パターンを有するリード部材とする。換言すると、金属外環の内側に絶縁材の介在でリード部材が金属外環と絶縁される気密封着した金属ベースが完成される。次に、リード部材の一方端部に電子部品素子をはんだ付けにより装着し、金属外環の外側に金属キャップを気密封止して金属パッケージの製造が完了する。好ましくは、セラミック材はＡｌ_２Ｏ_３を９０ｗｔ％以上含み、グリーンシートの表面に印刷する導電ペースト材は主成分がＷ、ＭｏまたはＭｎの金属粉末にガラス粉末やバインダを混ぜて作られ、焼結によりメタライジング導電パターンとされる。このメタライジング導電パターンの接続端子となる部分にはんだ付け用のＮｉめっきが施され、金属ベースとされる。特に、金属外環、絶縁材およびリード部材のセラミックセグメントは、お互いに熱膨張率が近接する材料から選ばれ、熱的作業に対する整合性を良好に維持する。上述するように、複数個のリード部材を櫛状セラミック体の利用で連結状態にすることは作業性の能率向上を図り、量産化を容易にする。また、封着工程で櫛形状のリード部材を金属外環の筒体内に絶縁材と共に気密封着用治具に組立配置する組立・気密封着工程後の仕上工程では、リード部材のターミナル電極部にはＣｕめっきまたはＮｉめっき、およびその上にＡｕめっきあるいは半田めっきを施し、これに電子部品素子を実装し、最後に不要となったフレーム体の切断分離して金属ベースとしてもよい。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について詳述する。本発明の金属パッケージは、図１（ａ）に示すように、貫通する孔を有する円形筒状の金属外環１２とこの金属外環の内側の絶縁材１４で気密封着されたリード部材１６とを具備する金属ベース１０を使用して構成される。リード部材１６は、図１（ｂ）に示すように、棒状のセラミックセグメント１８の表面にメタライズにより一対のリード用導電パターンを形成するが、セラミックセグメント１８は９０ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３を主成分に含むセラミック材からなる。図１（ａ）に示すように、金属ベース１０のリード部材１６は、内方側でリード端子の電極部となる一対のリード用導電パターン２０、２２が設けられ、この電極部に設けて電子部品素子が装着される。一方、リード部材１６の金属外環１２から外方側に伸び出る部分には導出リード端子としてのリード用導電パターン２１、２３が形成される。この金属ベース１０は、一対の導電パターン２０および２２に、図２に示されるように水晶片３４が装着されて電気的に接続された後、金属キャップ３２が金属ベース１０の金属外環外面に被せられ、気密封止されて金属パッケージ３０になる。注目すべきはリード部材１６の構造であり、板状のＡｌ_２Ｏ_３セラミックセグメント１８にメタライズにより形成された導電パターンである。導電パターンの印刷技術は、５０μｍレベルのファインピッチで印刷することが可能であるため、複数リードを必要とする場合でも導電パターンが容易に形成でき、リード用導電パターン間のピッチは封着治具の位置決めに影響されることなく安定した距離が確保できる。それゆえに、小型化に非常に有利となるのみならず、高精度のリードパターンを得ることができる。なお、セラミックセグメントは９０ｗｔ％のＡｌ_２Ｏ_３を主成分に含むセラミック材のほかに９６ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３や９９ｗｔ％Ａｌ_２Ｏ_３などでもよく、好ましくはセラミック材が絶縁材として使用するガラス材や金属外環に使用する金属材と熱膨張特性上の整合性を図ることである。

次に、本発明の金属ベースを用いた金属パッケージの製造方法について簡単に説明する。図２に示すように、水晶振動子用金属パッケージ３０は、金属ベース１０、金属キャップ３２およびキャップ内に収容した水晶片３４を具備し、水晶片３４を装着した金属ベース１０に金属キャップ３２を気密封止して構成される。金属ベース１０の製造方法は、従来の気密端子の製法と同様に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏおよびこれらの金属を主成分とする合金からなる群から選ばれる金属板、たとえばコバール材の薄板をプレス加工により単一の貫通する孔を有する中空円筒状の金属外環１２を作製調達する。この金属外環１２の内側中空部に挿入配置するリード部材１６と高融点ガラス材タブレットの絶縁体とが調達され気密封着用治具に組み込まれる。リード部材１６は本発明の特徴とするセラミック体に導電パターンを形成したものであるが、これはセラミック材から所定形状のグリーンシートを成形加工し、その表面にＷ、Ｍｏ、Ｍｎ等の金属粉末を含む導電ペーストを所定のパターンに印刷し、それを焼結して得るセラミック焼結体を利用する。このセラミック焼結体はフレーム体２６と複数の分岐体２８から成り、分岐体２８が切断分離されてセラミックセグメント１８となり、リード部材１６の構成部材となる。図３（ａ）に示すように、分岐体２８はフレーム体２６と連結する状態で複数個櫛形状に作製され、これに金属外環１２とガラス絶縁材１４とが嵌め込まれ封着により気密封着される。気密封着後、分岐体２８が個別に切断分離され、セラミックセグメント１８の表面に導電パターンを形成したリード部材１６を備えた金属ベース１０が得られる。図３（ｂ）に示すように、金属ベース１０は分岐体２８を所定位置で切断し分離することで複数個の金属ベースが同時に調達できる。すなわち、セラミックセグメント１８に所定のリード用導電パターン２０〜２３を形成した複数個のリード部材１６が、互いに連結状態にあるセラミック焼結体を利用して作製される。これは、金属外環１２にリード部材１６がガラス絶縁材１４により気密封着した気密端子を一括して作製するもので、作業の効率化に役立つ。リード部材が９０ｗｔ％のＡｌ_２Ｏ_３を主成分に含むセラミック材のグリーンシートにより作製する場合、絶縁材１４は高融点ガラス材を用い作業温度での熱膨張特性の整合化を図る。ここで、セラミック成形工程では複数個のリード部材が板状セラミックの表面にメタライズ加工して一体成形すること、気密封着工程ではリード部材がリードパターン間の空隙を維持しつつ空隙に絶縁材を挿入配置して金属外環に気密封着すること、および仕上工程ではリード部材の露呈面を表面処理してリード端子となる接続電極部にはんだめっきを施してターミナルを形成することが注目される。金属外環およびターミナルとなる接続電極部は露呈面をめっきして完成させるが、上述の製造方法は単一のリード部材を複数個並べて個別に組立てる場合に比べて、封着工程での組立工数を略リード本数分の１に低減する。なお、組立工程は、プレス成形した金属外環１２と一体化したリード部材１６が酸洗・酸化などの前処理がなされて、カーボン治具に金属外環、粉末成形したタブレット状絶縁材および一体化したリード部材の順に挿入配置して組み立てが行われる。

換言すると、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミック材を用いて主幹部と多数の分岐部を有するグリーンシートに成膜する成形工程、このグリーンシートの分岐部に導電ペースト材を所定のパターンで印刷する工程、前記グリーンシートを焼結してメタライジング導電パターンを有するセラミックセグメントの複数個がフレーム体に連結した櫛状セラミック体を得る焼結工程、この櫛状セラミック体から分岐する複数個のセラミックセグメントを金属外環の内側に貫通配置し絶縁材と共に気密封着用治具に組み込んで加熱する気密封着工程、冷却後に金属外環の内側に絶縁材を介在して貫通するセラミックセグメントをフレーム体から切断分離し、リード部材が金属外環に絶縁離間して気密封着した金属ベースを得る仕上工程、リード部材の電極部に電子部品素子を装着する実装工程、および金属外環の外側に金属キャップを気密封止する気密封止工程を含む金属パッケージの製造方法を開示する。ここで、焼結工程にはメタライジング導電パターンにＮｉめっきを施す工程を含め、仕上工程として金属ベースのリード部材の一方端部であるターミナルにＣｕめっきあるいはＮｉめっき、およびその上にＡｕめっきあるいは半田めっきを施すめっき工程を含めることで電子部品素子の装着を容易にする。また、金属外環の外側表面にはＣｕめっき、およびその上にはんだめっき、またはＡｇめっきあるいはＡｇめっき＋Ａｕめっきを施して封止を確実にすることができるなど表面実装や気密封止性の高精度化を図ることができる。さらに、金属外環、絶縁材およびリード部材のセラミックセグメントは、お互いに熱膨張率が近接する材料を選んで熱的作業に対する整合性の改善を実施することが好ましい。

本発明に係る金属パッケージに使用する金属ベースの概要図で、図１（ａ）は金属ベース全体の斜視図、図１（ｂ）はリード部材の斜視図ある。 図１に示す金属ベースを使用した金属パッケージにおける分解斜視図である。 同じく金属ベースの製造過程における異なる状態を示す模式図であり、（ａ）は複数個のリード部材を連結状態で金属外環を組み込んで気密封着した状態を示す斜視図、（ｂ）は複数個のリード部材を連結部から切断分離した状態を示す斜視図である。

符号の説明

１０…金属ベース、 １２…金属外環、 １４…絶縁材、 １６…リード部材、
１８…セラミックセグメント、 ２０、２２…内部リード用導電パターン、
２１、２３…外部リード用導電パターン、 ２６…フレーム体、 ２８…分岐体、
３０…金属パッケージ、 ３２…金属キャップ、 ３４…水晶片。

Claims (4)

1. Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏの金属およびこれらの金属を主成分とする合金を含む群から選ばれた貫通孔を有する小判または円形筒状の金属外環と、この貫通孔に配置し高融点ガラス絶縁材の介在により気密封着したリード部材とを具備し、金属外環とリード部材が絶縁離間された金属ベースからなり、前記リード部材はＡｌ _２ Ｏ _３ を９０ｗｔ％以上含むセラミック材の表面にメタライジング導電パターンを有するセラミックセグメントからなり、前記メタライジング導電パターンは主成分にＷ、ＭｏまたはＭｎを含む金属からなることを特徴とする金属パッケージ。
2. 前記リード部材はターミナルにＮｉめっきを施し、このＮｉめっきの上にＣｕまたはＮｉめっきおよびその上にＡｕまたは半田めっきを施して電極部としたことを特徴とする請求項１に記載の金属パッケージ。
3. Ａｌ _２ Ｏ _３ を９０ｗｔ％以上含むセラミック材のグリーンシートを成膜して主幹部と多数の分岐部を有する櫛状に成形する成形工程、Ｗ、ＭｏまたはＭｎを主成分に含む導電ペースト材を前記分岐部に所定のパターンで印刷し、メタライジング導電パターンを有する櫛状セラミック連結体を作製するグリーンシート焼結工程、焼結後のセラミック連結体を分割したセラミックセグメントをリード部材として貫通孔を有する小判または円形筒状の金属外環の所定位置に配置し、空隙に高融点ガラスの絶縁材を介在させ、加熱により３者を一体に気密封着して金属ベースを作製する封着工程、前記リード部材の露呈面を表面処理して端子用接続部を形成する仕上工程、および前記端子用接続部に電子部品素子を実装して前記金属外環の外側に金属キャップを装着する封止工程からなる金属パッケージの製造方法。
4. 前記封着工程に先立ち、前記メタライジング導電パターンにＮｉめっきを施すめっき工程を含み、かつ、前記仕上げ工程に前記Ｎｉめっきの上にＣｕまたはＮｉめっきおよびその上にＡｕまたは半田めっきを施して前記リード部材の電極部を形成することを特徴とする請求項３に記載の金属パッケージの製造方法。

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