JP5045673B2 - 機能部品用リッドとその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、機能部品、特に素子がパッケージ内に収納された機能部品のパッケージを気密に封止するリッド、およびその製造方法に関する。
水晶振動子やソーフィルター（SAW Filter)、センサ等の機能部品は、素子がパッケージ内に収納されており、該パッケージをリッドで蓋をして気密状態にしている。このパッケージをリッドで気密状態に封止するためには、接着剤、硬ロウ、はんだを用いるが、封止作業の容易性や材料の経済性からはんだを用いることが好ましい。パッケージは、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、ガラスセラミック、等のセラミックスで作られており、そのままでははんだで接合できない。そのようなパッケージとリッドとを接合するために、パッケージの接合部にはタングステンやモリブデン等をメタライズ処理した後、その上にはんだ付け可能なAg-Pt、Ni、Au等のめっきを施す。
一方、リッドはコバール（Fe-29Ni-17Co)、42アロイ（Fe-42Ni)等のFe-Ni系合金で作られている。このFe-Ni系合金を板状にしたリッド材料板をパッケージの形状・寸法に合わせて成形しリッドとする。Fe-Ni系合金をリッドとして使用するのは、これらのFe-Ni合金は熱膨張率がセラミックスに近いためである。つまり、パッケージにリッドをはんだ付けするとき、および機能部品をプリント基板にはんだ付けするときに、それぞれ加熱するが、パッケージとリッドとの熱膨張差が大きいと両者間に歪がおこって、脆いパッケージが破壊したり、ヒビ割れが起こってしてしまう。
パッケージとリッドをはんだで接合して作られた機能部品は、プリント基板に実装する。機能部品のプリント基板への実装は、はんだで行うが、この実装時のはんだ付けに際して、先にはんだ付けしたパッケージとリッドとのはんだ接合部が溶融してしまうと、リッドがパッケージから剥がれたり、ずれたりして問題となる。そこでパッケージとリッドを接合するはんだとしては、機能部品の実装に用いるはんだのはんだ付け温度で溶融しない高温はんだを用いる。
従来、機能部品の実装に用いるはんだは、Pb-63SnのPb系共晶はんだであった。一般にはんだ付け温度は、はんだの液相線温度＋３０〜５０℃が適当とされており、Pb系共晶はんだは、液相線温度が１８３℃であるため、この共晶はんだを用いたはんだ付け温度は２１０〜２３０℃となる。従って、機能部品をPb系共晶はんだで実装する場合、上記高温はんだは、固相線温度が２４０℃以上のものであれば機能部品の実装時に高温はんだが溶融せず、パッケージとリッドとが剥離するようなことがない。そこで実装にPb系共晶はんだを用いるような機能部品では、パッケージとリッドのはんだ付けには、Pb主成分の高温はんだ、例えばPb-5Sn（固相線温度３００℃、液相線温度３１４℃）、Pb-2.5Ag（固相線温度３０４℃、液相線温度３０４℃）等を用いていた。
しかしながら、今日、鉛の有害作用が問題となってきており、そのため現在は地球規模でPbの使用が規制されるようになってきた。当然、Pbを含むPb系共晶はんだは規制の対象となっており、実装用のはんだとしてはPbを含まない所謂鉛フリーはんだが用いられるようになってきた。
鉛フリーはんだとは、Sn単体、或いはSnを主成分とし、これにAg、Cu、Sb、Zn、Bi、In、Fe、Ni、Cr、Co、Ge、Ga、P等を添加したものであり、大別するとSn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、Sn-Sb系、Sn-Bi系、Sn-In系等がある。ここでいう「系」とは、二元合金そのものの他、該二元合金に他の金属元素を添加して三元系や四元系以上にしたものである。例えばSn-Ag系としてはSn-3.5AgやSn-3Ag-0.5Cu等がある。
前述のようにPb系共晶はんだは、プリント基板や機能部品に対して熱影響を与えない温度ではんだ付けができ、またはんだ付け性に優れているものであるため、鉛フリーはんだでもPb系共晶はんだに近いはんだ付け温度とはんだ付け性が要求されている。
はんだ付け温度がPb系共晶はんだのそれに近い鉛フリーはんだとしては、Sn-Zn系（Sn-9Zn：固・液相線温度１９９℃）があるが、この系の鉛フリーはんだは、Pb系共晶はんだに比べてはんだ付け性が悪く、またZnが卑の金属であり、はんだ付け後に粒間腐食を起こすことがあるため今のところ多くは使われていない。
Sn-Bi系は、固相線温度が１３９℃であり、プリント基板や半導体素子への熱影響はないが、固相線温度が低すぎる。従って、この系のはんだではんだ付けした部分は、使用時に熱を発するパワートランジスターやトランスが近傍にあると、接合強度が弱くなったり、溶融したりする。同様にSn-In系は、固相線温度が１１７℃に現れるため、固相線温度が低すぎることによる問題が発生する。
Sn-Ag系のSn-3.5Agは固相線温度が２２１℃、液相線温度が２２３℃であり、はんだ付けが２５０℃前後で行える。このはんだ付け温度はPb系共晶はんだのはんだ付け温度よりも少し高いが、プリント基板や機能部品に熱影響を与えない温度である。またSn-Ag系は、はんだ付け性がPb系共晶はんだよりは劣るが、実用上問題なくはんだ付けが行える。
Sn-Cu系のSn-0.7Cuは固・液相線温度が２２７℃であり、はんだ付け温度はSn-Ag系よりも少し高くはなるが、温度管理を適切に行えば問題はない。
また、Sn-Ag系としてはSn-3Ag-0.5Cu（固相線温度２１７℃、液相線温２２０℃）がある。この鉛フリーはんだはSn-Ag系の中でも、固相線温度および液相線温度が最も低いばかりでなく、Sn-Cu系よりもはんだ付け性に優れている。従って、Sn-3Ag-0.5Cuは、現在、代替Pb系共晶はんだとして多く使用されている鉛フリーはんだである。
ところで機能部品のパッケージとリッドのはんだ付けでは、機能部品を実装するときのはんだ付け温度で溶融しないような高温はんだが必要であることは前述の如くである。つまり機能部品の実装用としてPb系共晶はんだが使えなくなったことから、Sn-3Ag-0.5Cuが実装用として広く使用されているが、この鉛フリーはんだを使用する場合、はんだ付け温度は２４０〜２５０℃となる。従って、パッケージとリッドをはんだ付けする鉛フリーの高温はんだは、少なくとも２５０℃以上の固相線温度を有するものでなければならない。
しかしながら、固相線温度が２５０℃以上であり、しかも液相線温度が機能部品の耐熱温度である３００℃以下のSn主成分の高温はんだは、存在しなかった。つまりSn主成分のものにCu、Ag、Sb等の高融点金属を大量に添加して高温はんだにしようとしても、液相線温度だけが上昇して固相線温度は２５０℃以下である。例えばCuを大量に添加したSn-5Cuは固相線温度が２２７℃、液相線温度が３７５℃であり、Agを大量に添加したSn-5Agは固相線温度が２２１℃、液相線温度が２４５℃であり、またSbを大量に添加したSn-10Sbは固相線温度が２４５℃、液相線温度が２６６℃である。従って、これらのはんだを機能部品のリッドとパッケージのはんだ付けに使用し、次いで、Sn-3Ag-0.5Cuのはんだを用いてそのような機能部品をプリント基板に２５０℃ではんだ付けすると、先のはんだ付け部が溶融または半溶融状態となってパッケージとリッドの接合強度が弱くなったり、完全に剥離したりしてしまう。
従来よりSnボールとCuボールを混合した高温はんだ用のソルダペーストが提案されていた（特許文献１、２）。これはソルダペーストとして電子機器のはんだ付けに使用され、得られたCu混合高温はんだが、はんだ接合部を構成し、耐高温特性を有するというのである。
特開2002-254194号公報 特開2002-261105号公報
しかしながら、Cu混合高温はんだは、はんだ付け性が従来のPb主成分の高温はんだよりも劣るものであった。また、Cu混合高温はんだのソルダペーストでは機能部品のパッケージとリッドとのはんだ付けには問題があった。
従って、Cu混合高温はんだを機能部品のパッケージとリッドのはんだ付けに用いようとしても、前述のCu混合高温はんだ用ソルダペーストでは、はんだ付け性の悪いリッドを接合できなかったし、フラックスを含むソルダペーストでは、リッドとパッケージ、特に機能部品のパッケージとのはんだ付けに問題があった。
本発明は、Cu混合高温はんだを用いているにもかかわらず、リッドとパッケージとのはんだ付けの際にはんだが容易に濡れる機能部品用のリッド、および該リッドの製造方法を提供する。
本発明者らは、以下の点に着目して本発明を完成させた。
(i) はんだと液状フラックスを混合したソルダペーストは、はんだ付け部全域に塗布し、塗布後に加熱してソルダペーストを溶融させるとはんだ付け部全域にはんだが付着すること、
(ii) はんだ付け性の悪い材料にはんだを付着させるには該材料にはんだ付け性に優れた金属をめっきしておけば、はんだは該材料に容易に濡れること、
(iii) はんだ中に金属Cu粒子を分散させたはんだ層を予めリッドに設けておくことによって、フラックスを用いることなく、パッケージの接合面への濡れ性を確保でき、また高温での接合強度が改善されること、
(iv)高温はんだ相を予め設けておけば、フラックスを用いる必要がなく、雰囲気はんだ付けが可能となり、機能性部品に収容される素子に悪影響を及ぼすことがないこと。
本発明は、はんだを用いてパッケージと接合する機能部品用リッドにおいて、リッドの片面にはんだ付け性に優れた金属がめっきされており、該めっき面には固相線温度400℃以上のCu系金属粉末とCu6Sn5の金属間化合物とSn含有鉛フリーはんだからなる厚さ５〜４０μｍのはんだ層が形成されており、該はんだ層では鉛フリーはんだのマトリックス中にCu系金属粉末が分散していて、しかも該Cu系金属粉末の周囲にはCu6Sn5の金属間化合物が存在しており、またこの金属間化合物は前記めっき面に接合しているとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結していることを特徴とする機能部品用リッドである。
別の面からは、本発明は、下記工程を備えた機能部品用リッドの製造方法である。
（A)片面にはんだ付け性に優れた金属がめっきされたリッド材料板の該めっき面に、固相線温度400℃以上のCu系金属粉末とSn含有の鉛フリーはんだ粉末とフラックスからなるソルダペーストを一定厚さに塗布する塗布工程；
（B) 前記ソルダペーストが塗布されたリッド材料板を、鉛フリーはんだの液相線温度以上、Cu系金属粉末の固相線温度以下に加熱して、リッド材料板のめっき面に、好ましくは厚さ５〜４０μｍのはんだ層を形成し、該はんだ層の鉛フリーはんだのマトリックス中にCu系金属粉末が分散し、該Cu系金属粉末の周囲にCu6Sn5の金属間化合物が存在し、しかも金属間化合物はリッド材料板に接合するとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結するようにする加熱工程；
（C)片面に前記はんだ層が形成されたリッド材料板を洗浄液で洗浄してフラックス残渣を完全に除去する洗浄工程；および
（D)前記フラックス残渣が除去されたリッド材料板を加工して所定形状のリッドにするリッド成形工程；
からなることを特徴とする機能部品用リッドの製造方法。
さらに別の面からは、本発明は、セラミック製パッケージと熱膨張率がセラミックスに近い金属製リッドとがはんだで接合されている機能部品において、はんだ層はSn含有の鉛フリーはんだのマトリックス中に固相線温度400℃以上のCu系金属粉末が分散しており、該Cu系金属粉末の周囲にはCu6Sn5の金属間化合物が存在していて、しかも該金属間化合物はパッケージに施しためっき層とリッドの金属めっき層に接合しているとともに、金属間化合物同士が少なくとも一部連結していること特徴とする機能部品である。
本発明の機能部品用リッドは、リッドの片面にCu含有高温はんだからなるはんだ層が形成されているため、機能部品を製造するときに、パッケージの上にリッドを載置して加熱するだけで機能部品が得られ、簡便な製造が可能となる。また高融点のCu6Sn5の金属間化合物（以下、CuSn化合物という）がリッドに接合しているため、リッドをパッケージに搭載して加熱したときに、はんだは溶融してパッケージにはんだ付けされるが、はんだ層とリッドとが位置ずれしない。
また本発明の機能部品用リッドの製造方法は、難はんだ付け性のリッド材料板に、はんだ付け性に優れた金属をめっきしておき、しかもソルダペーストをリッド材料板の片面に塗布して加熱するため、はんだ付け性に乏しいSn含有鉛フリーはんだを確実に付着させることができる。しかも、本発明の製造方法では、ソルダペーストの塗布厚さを一定にすることで、はんだ層の付着厚さを一定にすることができるため、本発明の製造方法で得られたリッドはパッケージとの接合不良がないばかりでなく、リッドとパッケージ間の気密性に優れている。
さらに、パッケージとリッドとがSn含有鉛フリーはんだ層で接合されている機能部品は、該はんだ層内で形成されたCuSn化合物がパッケージのめっき層とリッドのめっき層にそれぞれ接合しているばかりでなく、はんだ層内の金属間化合物同士が連結している。従って、そのような機能部品をプリント基板に実装するときに、実装用の鉛フリーはんだ、例えばSn-3Ag-0.5Cu（固相線温度：２１７℃、液相線温度：２２０℃）でのはんだ付け温度（２４０〜２６０℃）でも溶融しないため、リッドがパッケージから剥離したり移動したりしない。本発明によれば、このように信頼性に優れた機能部品が得られる。
本発明は、箱形のパッケージ用の平らなリッドだけでなく、平らなパッケージ用のキャップ型リッドにも適用できる。
本発明にかかるリッドの製造方法におけるソルダペーストの塗布工程を示すもので、図１(Ａ−１)は、その塗布工程の模式的説明図、図１(Ａ−２)は、塗布後のリッド材料板断面の模式図、そして図１(Ａ−３)はその拡大図である。 本発明における加熱工程の説明図であり、図２(Ｂ−１)は、加熱炉であるリフロー炉の模式的説明図、図２(Ｂ−２)は、加熱工程を経たリッド材料板の断面の模式的説明図、図２(Ｂ−３)は、その部分拡大図である。 本発明にかかるリッドの製造方法における洗浄工程（C）の模式的説明図である。 本発明にかかるリッドの製造方法におけるリッド形成工程の模式的説明図であり、図４ (Ｄ−１) は、帯状のリッド材料板から目的形状のリッドを成形する工程の模式的説明図、図４(Ｄ−２)は、帯状のリッド材料板１から打ち抜かれたリッド18の斜視図である。 本発明により製造される機能部品の断面図である。 図５のはんだ付け部Jの拡大断面図である。
本発明では、リッドとしてコバールや４２アロイ等のFe-Ni系合金を用いる。これらの合金は、熱膨張係数がパッケージの材料であるセラミックスに近いため、リッドとパッケージのはんだ付け時や、機能部品の実装時の加熱で両者間に歪が起こらない。ところがこれらのFe-Ni系合金は、はんだ付け性が悪いため、予めリッドに成形する前の帯状のリッド材料板にはんだ付け性に優れた金属をめっきしておく。
本発明において、リッド材料板にめっきするはんだ付け性に優れた金属としては、Sn、Cu、Ag、Sn-Cu合金、Sn-Ag合金、等がある。好ましくは、Sn、Sn-Cu (Cu: 3%以下)、Sn-Bi (Bi: 3 % 以下)である。
リッド材料板へこれらの金属をめっきするには、電解めっき、無電解めっき等で行う。めっきの厚さは、０．５〜５μｍが適している。めっき厚が０．５μｍよりも薄いと、はんだ付け時に溶融はんだ中に容易に拡散してなくなってしまい、はんだ付け性を悪くする。これが５μｍよりも厚くなると、めっき作業に時間がかかって生産性が悪くなる。
本発明で記載する「系合金」とは、前述のように二元系合金だけではなく、該二元系合金に、さらに他の金属が添加された合金も意味する。
本発明に使用するCu系金属粉末は、純Cu粉末または固相線温度が４００℃以上のCu系合金粉末である。Cu系金属粉末の固相線温度が４００℃よりも低いと、ソルダペーストにして加熱したときに、Cu系金属粉末が溶融はんだに容易に溶け込んでしまい、はんだ中に粉末状態で残らなくなってしまうからである。Cu系合金粉末としてはCu-Sn系合金粉末、Cu-Ag系合金粉末、Cu-Zn系合金粉末、Cu-Ni系合金粉末があげられる。純Cuは融点（固相線温度）が１０８３℃、Cu-50Snは固相線温度が４１５℃、Cu-28Agは固相線温度が７８０℃、Cu-98Znは固相線温度が４２４℃、Cu-10Niは固相線温度が１０００℃である。
本発明に使用するCu系金属粉末の平均粒径は、２〜３０μｍが適している。該粒径が２μｍよりも小さいと、溶融はんだに拡散しやすくなり、３０μｍよりも大きいと印刷性に支障をきたすようになる。好ましくは、２〜１５μｍである。
本発明に使用するCu系金属粉末にはNiめっきを施しておいても良い。Cu系金属粉末にNiめっきを施しておくと、Cu系金属粉末とSn含有鉛フリーはんだ粉末とフラックスからなるソルダペーストをリッド材料板に塗布後、加熱したときにCu系金属粉末と溶融鉛フリーはんだとの反応が遅くなって、はんだ付けに支障をきたすCuSn化合物の形成を遅らせ、ボイドが少なくなるなどの効果があり、はんだ付け性が良好となる。この加熱時点では、Niが溶融鉛フリーはんだ中に拡散するのみで、Cuとの反応が抑えられるからである。そしてリッド材料板にはんだ層を形成し、リッドに成形した後、パッケージに搭載して再度、加熱したときにCu系金属粉末と溶融鉛フリーはんだとが反応してCuSn化合物（Cu6Sn5）が生成される。
Niめっきを施すときは、0.03〜0.3μｍの厚さのNiめっきが好ましい。めっき厚さが0.03μｍより薄いとCuSnb化合物の生成を遅らせる効果がなく、一方、0.3μｍより厚くなると、SnCu化合物が形成されず、耐熱性が向上しない。
本発明に使用するSn含有鉛フリーはんだは、純SnまたはSn系はんだ、好ましくはSnが４０質量％以上含有されたSn系合金である。Sn含有鉛フリーはんだは、溶融時にCu系金属粉末の粒子表面領域でCuと合金化してCuSn化合物を形成するようになっている。従って、鉛フリーはんだ中にSnが４０質量％以上含有されていないと、CuSn化合物が形成されにくくなる。
本発明に使用して好適な鉛フリーはんだとしては、純SnまたはSn系合金であり、Sn系合金としてはSn-Ag系合金、Sn-Cu系合金、Sn-Sb系合金、Sn-Zn系合金、Sn-In系合金、Sn-Bi系合金等があげられる。例えばSn-3.5Ag合金、Sn-0.7Cu合金、Sn-3Ag-0.5Cu合金、Sn-9Zn合金、Sn-52Bi合金、Sn-58In合金、等がある。
本発明に使用する鉛フリーはんだの平均粒径は、２〜３０μｍが適している。該粒径が２μｍよりも小さいと表面酸化量が多いため、リフロー性が悪くなってCu系金属粉末との反応性が遅くなり、３０μｍよりも大きいとCu系金属粉末表面との接触が少なく反応性が悪くなり、はんだ粉とCu系粉末の凝集不足やそれによるSnCu化合物の生成が阻害されることも起こる。
本発明のリッドの製造方法で使用するソルダペーストは、Cu系金属粉末とSn含有鉛フリーはんだ粉末とフラックスとを混和してペースト状にしたものである。Cu系金属粉末とSn含有鉛フリーはんだ粉末との混合割合は、Cu系金属粉末１５〜４０質量％、残部Sn含有鉛フリーはんだ粉末が適している。Cu系金属粉末が１５質量％よりも少ないと、はんだの合金層内で形成されるCuSn化合物の量が少なくなって、高温雰囲気における接合強度が弱くなる。しかしながら、Cu系金属粉末が４０質量％よりも多くなると、はんだの量が少なくなって、はんだ付け性が悪くなる。好ましくは、２５〜３５質量％である。
本発明では、リッド材料板の片面にソルダペーストを塗布してから加熱するが、ソルダペーストの好適な塗布厚は２０〜８０μｍである。ソルダペーストの塗布厚が２０μｍよりも薄いと、ソルダペーストを溶融させたときに、リッド材料板に形成されるはんだ層の厚さが薄くなり、リッドをパッケージに搭載して加熱したときに、はんだの量が少なくなって接合強度が弱くなるばかりでなく、パッケージを密封できなくなる。しかるにソルダペーストの塗布厚が８０μｍよりも厚いと、リッド材料板に形成されるはんだ層の厚さが厚くなりすぎてパッケージとのはんだ付け時に、過剰のはんだがパッケージ内に侵入して素子に付着したり、垂れ落ちたりする。
本発明では、リッド材料板の片面に、好ましくはその全面にソルダペーストを塗布後、加熱するが、このときの加熱温度はソルダペースト中のSn含有鉛フリーはんだ粉末が溶融する温度以上であり、Cu系金属粉末が溶融しない温度である。該加熱温度は２５０〜３００℃が適している。つまり２５０℃であれば、ほとんどのSn含有鉛フリーはんだが溶融してリッド材料板に濡れ、３００℃を超えるとパッケージ内に収納されている素子を熱損傷させたり機能劣化させたりする。
本発明に使用するソルダペーストのフラックスとしては、従来多くのはんだ付けに用いられているものが使用できる。一般にソルダペースト用のフラックスは、松脂、活性剤、チキソ剤等の固形成分を溶剤で溶解させたものである。本発明においてもそのようなフラックスを用いればよい。
以上の説明からすでに明らかなように、本発明のリッドの製造に際しては、上述のようなソルダペーストをリッド材料板に塗布し、加熱する。このとき溶融したSnがCu粒子の表面領域でCuと合金化してCu6Sn5金属間化合物を生成する。このCuSn化合物は融点が415℃という高温であるため、得られるはんだ層全体が優れた耐熱性を示す。
一方、このように、リッド材料板の片面にソルダペーストを塗布して加熱すると、溶剤が揮散して表面に固形成分がフラックス残渣として残る。該フラックス残渣が機能部品の中に少しでも残っていると、機能部品の機能に悪影響を与えるため、フラックス残渣は完全に除去しなければならない。フラックス残渣を洗浄する場合、固形成分が樹脂系であればアルコールのような有機溶剤を用い、固形成分が水溶性であれば水系溶剤を用いる。
洗浄して得たリッド板材料は、目的とするリッドの形状・寸法に応じて、適宜手段、例えば打ち抜き加工、さらにはプレス加工によって、平板状のリッドあるいはキャップ型のリッドとする。
本発明のリッドの製造方法は、その好適態様では、帯状のリッド材料板に対して上述の塗布工程、加熱工程、洗浄工程、成形工程の各工程を連続して行えばよく、これによって、上述のようなはんだ層を全面にわたって設けた帯状材から目的形状・寸法のリッドを打ち抜き加工、さらにはプレス加工などの成形手段でもって製造することができる。このようなリッドを用いることで、難はんだ付け材料からなるリッドを、フラックスを使わずにパッケージにはんだ付けすることができる。
本発明のリッドの製造方法を図面に示す方法で行った。
図１〜４は本発明のリッドの製造方法における各工程を説明するものである。
本例のリッドの製造方法に使用したリッド材料板、リッドのめっき、ソルダペーストの１例は以下のとおりである。
リッド材料板：コバール（厚さ０．１ｍｍ、巾４０ｍｍの長尺材）
リッド材料板のめっき：Ni下地（厚さ０．１μｍ）、Snめっき（厚さ３μｍ）
無電解めっきによる。
ソルダペースト
純Cu粉末（Cu系金属粉末）： ２７質量％（平均粒径７μｍ）
純Sn粉末（鉛フリーはんだ粉末）： ６３質量％ (平均粒径１０μｍ)
フラックス：１０質量％
フラックス成分
樹脂（重合ロジン） ５６質量％
活性剤（ジフェニールグアニジンHBr） １質量％
チキソ剤（硬化ヒマシ油） ３質量％
溶剤（ジエチレングリコールモノブチルエーテル）４０質量％
（A)ソルダペースト塗布工程
図１は、本発明にかかるリッド製造方法を構成するソルダペーストの塗布工程を示すもので、図１(Ａ−１)は、その塗布工程の模式的説明図であり、図１(Ａ−２)は、塗布後のリッド断面の模式図、そして図１(Ａ−３)はその拡大図である。
ソルダペーストの塗布工程は、リッド材料板１のめっき２面にソルダペースト３を塗布する工程である。
リッド材料板１のめっき２面にスクリーン４を重ね合わせ、該スクリーン上にソルダペースト３を載置してから、該ソルダペーストをスキージ５で矢印X方向に掻く。塗布したソルダペーストの厚さは４０μｍである。図１(Ａ−１) 参照。
リッド材料板１上のスクリーンを除去すると、リッド１のめっき面２にはソルダペースト３が所定の厚さで塗布される。図１(A-２）参照。
拡大すると、ソルダペースト３は純Cu粉末６、Sn粉末７、フラックス８が混在しているのが分かる。図１(A-３）参照。
（B)加熱工程
図２は、本発明における加熱工程の説明図であり、図２(Ｂ−１)は、加熱炉であるリフロー炉の模式的説明図であり、図２(Ｂ−２)は、加熱工程を経たリッド材料板の断面の模式的説明図であり、図２(Ｂ−３)は、その部分拡大図である。
ソルダペーストが塗布されたリッド材料材１をリフロー炉９で加熱することによりソルダペースト中の鉛フリーはんだを溶融させてめっき面に接合させ、その後、冷却して凝固させる。リフロー炉での加熱温度は、予備加熱温度が１５０℃、本加熱温度が２５０℃である。図２(Ｂ−１)参照。
リッド材料板１のめっき面２には厚さ２０μｍの鉛フリーはんだ層１０が形成される。図２(Ｂ−２)参照。
はんだ層１０では、鉛フリーはんだのマトリックス１１中に純Cu粉末６が分散しており、Cu粉末の外周部と鉛フリーはんだが合金化して形成されたCuSn化合物１２が該Cu金属粉末の周囲に存在している。CuSn化合物１２はめっき２層と接合しているとともに、CuSn化合物１２同士も接合している。CuSn化合物同士の接合は、全てのCuSn化合物が接合しているのではなく、少なくとも一部のCuSn化合物が接合している。はんだ層１０の上には、ソルダペーストのフラックス残渣１３が付着している。図２(B-３）参照。
（C）洗浄工程
図３は、本発明における洗浄工程の模式的説明図である。
はんだ層を片面、好ましくはその全面に設けた帯状のリッド材料板１をアルコール１４が入れられた洗浄槽１５内を通過させてリッド材料板１に付着しているフラックス残渣を洗浄する。洗浄槽１５内には回転ブラシ１６が設置されており、アルコールでフラックス残渣を溶解するとともに該回転ブラシでフラックス残渣を擦り取る。図３参照。
（D）リッド形成工程
図４ (Ｄ−１) は、帯状のリッド材料板から目的形状のリッドを成形する工程の模式的説明図であり、図４(Ｄ−２)は、帯状のリッド材料板１から打ち抜れたリッド18の斜視図である。
すなわち、フラックス残渣が洗浄除去されたリッド材料板１をプレス１７で打ち抜き、３．６ｍｍ×３．６ｍｍのリッドを得る。図４(Ｄ−１)参照。
プレスで打ち抜かれて形成されたリッド１８には、片面に厚さ２０μｍのはんだの層１０が均一に付着している。図４(Ｄ−２)参照。
次に、上記製造方法で得られたリッドをパッケージに搭載して機能部品を作製した。図５は、機能部品19の断面図、図６は図５におけるパッケージとリッドの接合部（J)の拡大断面図である。
機能部品１９のパッケージ２０は内側に段部が形成された箱状であり、内部に素子２１が収納されている。パッケージ２０の上部周縁は枠上のはんだ付け部となっている。該はんだ付け部には高融点の金属がメタライズで付着され、その上にはんだ付け可能な金属がめっきされためっき層２２となっている。機能部品１９は、パッケージ２０のはんだ付け部とリッド１８とがはんだ層１０で接合されているものである。
本発明の機能部品１９は、パッケージ２０の枠上のはんだ付け部の上にリッド１８のはんだ層を合わせて、加熱することによりパッケージ２０とリッドとが接合されたものである。機能部品１９の接合部Jでは、図６に示すようにリッド１８の金属めっき層２がはんだ層１０中のマトリックス１１と接合しているとともに、Cu系金属粉末６の周囲で形成されたCuSn化合物１２と接合している。また同様にパッケージ２０のめっき層２２がはんだ層１０中のマトリックス１１と接合しているとともに、Cu系金属粉末６の周囲で形成されたCuSn化合物１２と接合している。
はんだ層１０中のCuSn化合物１２同士は少なくとも一部が連結しているため、リッド１８のめっき層２とパッケージ２０のめっき層２２間はCuSn化合物で接合されていることになる。従って、リッド１８とパッケージ２０は、それぞれの金属めっき２とめっき層２２を介してマトリックス１１とCuSn化合物１２で接合されている。
ところでCu6Sn5の金属間化合物自体の融点は４１５℃であるが、溶融はんだ中における該化合物は溶融はんだとの組成の割合で融点は多少下がる。本発明者らの実験結果では、３０質量％のCu粉末と７０質量％のSn粉末を２５０℃で溶融させたものでは、ピーク温度が約４００℃に現れた。
次に、本例において使用したCu系金属粉末、鉛フリーはんだ粉末を種々変更して同様の操作により製造したリッドをパッケージへはんだ付けした。結果を表１に示す。
Figure 0005045673
すなわち、表１の組成をもってはんだ層を用いて製造されたリッドを用いて機能部品を作製した。機能部品のリッドは、３．６×３．６×０．１（ｍｍ）であり、該リッドの片面にはNiの下地めっきとその上にSnめっきが電解めっきで施されている。
機能部品のパッケージは、３．８×３．８×１．１（ｍｍ）で、はんだ付け部の巾が０．４５ｍｍの枠状となっていた。該はんだ付け部には厚さ１０μｍのWのメタライズ、その上に１μｍのNiの下地めっき、さらにNi下地めっきの上に厚さ０．５μｍのSnめっき、というめっき層が形成されている。
リッドには、表１の組成の鉛フリーはんだ、Cu系金属粉末、および前述のフラックスから成るソルダペーストを塗布してリフロー加熱することにより、リッドの片面に、厚さ１０〜４０μｍのはんだ層を形成した。該リッドのはんだ層とパッケージのめっき層が合わさるようにして、パッケージの上にリッドを載置し、さらに該リッドの上に１０ｇの重石を載せる。そしてこれらを窒素雰囲気リフロー炉中で、使用した鉛フリーはんだの液相線温度＋３０℃で加熱を行い、リッドとパッケージを接合することにより機能部品を作製した。
このようにしてリッドを接合したパッケージを300℃に加熱し、加熱状態のまま10cmの高さから落下させる耐熱性試験を各々10個ずつ実施した。もし、はんだ付け部に耐熱性がなければ落下によってリッドが外れてしまう。
この試験はパッケージにリッドをはんだ付けした後に行うプリント基板への実装はんだ付けをシミュレートするものである。
試験結果を表１に示す。
表１中の耐熱性の評価は、上述の耐熱試験において機能部品１０個全てのリッドが所定の位置に留まっているものを「○」、機能部品１０個中１個でもリッドが外れたり、ずれたりした場合を「×」とした。
本例においてSnCu化合物の同定は、SEMのＸ線アナライザーにより行い、本発明例の場合にはいずれもCu6Sn5の金属間化合物の生成を確認した。また、断面の顕微鏡観察により各金属間化合物が少なくとも一部において連結していることも確認した。
表１から本発明例のリッドで作製された機能部品ではリッドが外れたり、ずれたりしたものは皆無であったが、比較例のリッドで作製された機能部品では、ほとんどがリッドの脱落やずれを起こしていた。
なお、比較例１〜４はCu系金属粉末を含まない場合であり、比較例５はCu系金属粉末の固相線温度が400℃未満の場合であり、比較例６は、Cu系金属粉末でない場合であり、比較例７は、Cu粉末にめっきをした場合であって、そのめっき厚さが厚い(６wt%)ときの例を示す。いずれも耐熱性が十分でないが、特に比較例６の場合には、Ag-40Snはんだ(固相線温度２２１℃)であり、CuSn化合物が生成されないことから、耐熱性も確保できなかった。

Claims (9)

  1. はんだを用いてパッケージと接合する機能部品用リッドにおいて、リッドと、該リッドの片面に設けたはんだ付け性に優れた金属のめっき層と、該めっき層の表面に形成された、固相線温度400℃以上のCu系金属粉末とCu6Sn5の金属間化合物とSn含有鉛フリーはんだからなる厚さ５〜４０μｍのはんだ層とから成り、該はんだ層では鉛フリーはんだのマトリックス中にCu系金属粉末が分散していて、しかも該Cu系金属粉末の周囲にはCu6Sn5の金属間化合物が存在しており、またこの金属間化合物は前記めっき層表面に接合しているとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結していることを特徴とする機能部品用リッド。
  2. 前記はんだ付け性に優れた金属が、Sn、Cu、Ag、Sn-Cu合金、Sn-Ag合金から選ばれたいずれかであることを特徴とする請求項１記載の機能部品用リッド。
  3. 前記Cu系金属粉末が、純Cu粉末またはCu系合金粉末であることを特徴とする請求項１または２記載の機能部品用リッド。
  4. 前記Cu系金属粉末には、０．０３〜０．３μｍのNiめっきが施されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の機能部品用リッド。
  5. 前記鉛フリーはんだが、純SnまたはSn系合金であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の機能部品用リッド。
  6. （A)片面にはんだ付け性に優れた金属がめっきされたリッド材料板の該めっき面に、固相線温度400℃以上のCu系金属粉末とSn含有の鉛フリーはんだ粉末とフラックスからなるソルダペーストを一定厚さに塗布する工程；
    （B) 前記ソルダペーストが塗布されたリッド材料板を、鉛フリーはんだの液相線温度以上、Cu系金属粉末の固相線温度以下に加熱して、リッド材料板のめっき面にはんだ層を形成し、該はんだ層の鉛フリーはんだのマトリックス中にCu系金属粉末が分散し、該Cu系金属粉末の周囲にCu6Sn5の金属間化合物が存在し、しかも金属間化合物はリッド材料板に接合するとともに金属間化合物同士が少なくとも一部連結するようにする加熱工程；
    （C)片面に前記はんだ層が形成されたリッド材料板を洗浄液で洗浄してフラックス残渣を完全に除去する工程；および
    （D)前記フラックス残渣が除去されたリッド材料板を加工して所定形状のリッドに形成する工程；
    からなることを特徴とする機能部品用リッドの製造方法。
  7. 前記はんだ付け性に優れた金属めっきが、Sn、Cu、Ag、Sn-Cu合金、Sn-Ag合金のいずれかであることを特徴とする請求項６記載の機能部品用リッドの製造方法。
  8. 前記Cu系金属粉末が、純Cu粉末またはCu系合金粉末であることを特徴とする請求項６または７記載の機能部品用リッドの製造方法。
  9. 前記Sn含有の鉛フリーはんだが、純SnまたはSn系合金であることを特徴とする請求項６ないし８のいずれかに記載の機能部品用リッドの製造方法。
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