JP5632563B2 - 気密封止用蓋材および電子部品収納用パッケージ - Google Patents

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Description

この発明は、気密封止用蓋材およびそれを用いた電子部品収納用パッケージに関する。
従来、気密封止用蓋材を用いた電子部品収納用パッケージが知られている。そのような電子部品収納用パッケージは、たとえば、特開2012−74807号公報に開示されている。
特開2012−74807号公報には、圧電振動素子と、圧電振動素子が収納される凹部を有する絶縁基板および絶縁基板の上部周縁に配置された、コバールからなるシールリングからなるパッケージ本体(電子部品収納部材)と、シールリングにシーム溶接される蓋部材(気密封止用蓋材)とを備える圧電振動子が開示されている。この圧電振動子の蓋部材は、Niめっき処理されたコバール材(29Ni−16Co−Fe合金)からなる。
ここで、蓋部材を製造する際には、Niめっき層をコバール材の全面に形成するために、コバール材をプレス加工して所定の寸法にした後に、コバール材の表面にNiめっき処理を行うことによって製造するのが一般的である。なお、コバール材の表面にNiめっきを形成する方法として、無電解Niめっき処理と電解Niめっき処理とがある。
特開2012−74807号公報
しかしながら、コバール材の表面に無電解Niめっき処理を行う場合には、バレル内でめっき処理される複数の蓋部材同士が互いに重なることに起因して、Niめっきの厚みにばらつきが生じやすい。これにより、蓋部材とシールリングとを溶接する時に、Niめっきの厚みのばらつきに起因して、十分な気密封止ができない場合があるという不都合がある。このため、コバール材の表面に無電解Niめっき処理を行う際には、Niめっきの厚みにばらつきが生じるのを抑制するために、複数の蓋部材同士の重なりを抑制するためのダミー部材をバレル内に投入する必要がある。したがって、バレルにおいて一度にめっき処理可能な蓋部材の数が減少する。この結果、1つの蓋部材当たりの無電解Niめっき処理に要する時間が長くなる。
また、コバール材の表面に電解Niめっき処理を行う場合にも、めっき処理時の電流密度を大きくしてめっき処理速度を大きくするに伴い、Niめっきの厚みにばらつきが生じやすくなる。これにより、無電解Niめっき処理と同様に、蓋部材とシールリングとを溶接する時に、Niめっきの厚みのばらつきに起因して、十分な気密封止ができない場合があるという不都合がある。このため、コバール材の表面に電解Niめっき処理を行う際には、Niめっきの厚みにばらつきが生じるのを抑制するために、めっき処理時の電流密度を小さくしてめっき処理速度を小さくする必要がある。したがって、1つの蓋部材当たりの電解Niめっき処理に要する時間が長くなる。
また、無電解Niめっき処理および電解Niめっき処理のいずれを行った場合にも、Niめっき処理後に、蓋部材を十分に洗浄してメッキ液による蓋部材の腐食を防止する必要がある。このため、1つの蓋部材当たりのNiめっき処理に要する時間がさらに長くなる。
これらの結果、特開2012−74807号公報に開示された圧電振動子では、1つの蓋部材当たりのNiめっき処理に要する時間が長くなるため、1つの蓋部材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなるという問題点がある。
また、Niめっきの厚みにばらつきが生じた場合には、コバール材の表面が露出する場合がある。この場合、Niめっきに覆われていない部分からコバール材が腐食してしまうため、蓋部材の耐食性が低くなるという問題点もある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、1つの気密封止用蓋材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなるのを抑制しつつ、耐食性が低くなるのを抑制することが可能な気密封止用蓋材およびそれを用いた電子部品収納用パッケージを提供することである。
この発明の第1の局面による気密封止用蓋材は、電子部品を収納するための電子部品収納部材を含む電子部品収納用パッケージに用いられる気密封止用蓋材であって、Niと、1質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金により構成された基材層と、基材層の電子部品収納部材側の一方表面に少なくとも接合され、Ni、または、Ni合金により構成された表面層とを備えるクラッド材により構成されている。
この発明の第1の局面による気密封止用蓋材は、上記のように、Ni−Cr−Fe合金により構成された基材層と、基材層の電子部品収納部材側の一方表面に少なくとも接合され、Ni、または、Ni合金により構成された表面層とを備えるクラッド材により構成することによって、基材層の表面上にNiめっき処理を行う必要がない。これにより、Niめっき処理を行う場合と比べて、1つの気密封止用蓋材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなるのを抑制することができる。
また、第1の局面による気密封止用蓋材では、基材層をNi−Cr−Fe合金により構成することによって、主にCrからなる不動態膜が基材層の表面上に形成されるので、基材層がコバール(29Ni−16Co−Fe合金)により構成されている場合よりも、基材層の耐食性を向上させることができる。これにより、Ni、または、Ni合金により構成された表面層に覆われていない部分から、基材層が腐食するのを抑制することができるので、気密封止用蓋材の耐食性が低くなるのを抑制することができる。また、基材層は、1質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されている。このように構成すれば、基材層のCrの含有率を1質量%以上にすることにより、主にCr からなる不動態膜が基材層の表面上に確実に形成されるので、基材層の耐食性をより向上させることができる。また、基材層のCrの含有率を10質量%以下にすることにより、基材層の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができるので、たとえばセラミックスにより構成された電子部品収納部材と、気密封止用蓋材との熱膨張差が大きくなるのを抑制することができる。これにより、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との間に発生する熱応力を小さくすることができるので、熱応力に起因して電子部品収納用パッケージが破損するのを抑制することができる。
上記第1の局面による気密封止用蓋材において、好ましくは、基材層は、6質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されている。このように構成すれば、主にCrからなる不動態膜が基材層の表面上により確実に形成されるので、基材層の耐食性をさらに向上させることができる。
上記第1の局面による気密封止用蓋材において、好ましくは、表面層は、NiとCuとを含有するNi−Cu合金により構成されている。このように構成すれば、表面層がNiにより構成されている場合や、他のNi合金により構成されていると比べて、表面層の融点を低くすることができるので、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との接合時の温度を低下させることができる。これにより、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との間に発生する熱応力を小さくすることができる。
この場合、好ましくは、表面層は、30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成されている。このように構成すれば、耐食性に優れたNiが表面層に十分に含まれるので、表面層の耐食性を十分に確保することができる。
上記表面層が30質量%以上のNiを含有する構成において、好ましくは、表面層は、60質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成されている。このように構成すれば、Niが表面層にさらに十分に含まれるので、表面層において、耐食性だけでなく耐酸化性も効果的に向上させることができる。これにより、大気中で熱処理が行われた場合であっても、表面層が酸化することを確実に抑制することができる。
上記第1の局面による気密封止用蓋材において、好ましくは、表面層は、1μm以上10μm以下の厚みを有する。このように構成すれば、表面層を電子部品収納部材に対して溶接するための接合層として用いる場合に、接合するために必要な表面層の厚みを十分に確保することができるので、電子部品収納用パッケージの気密封止が困難になるのを抑制することができる。また、表面層の厚みを10μm以下にすることによって、表面層を電子部品収納部材に対して溶接するための接合層として用いる場合に、接合に寄与しない表面層の割合が大きくなるのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、表面層は、2μm以上6μm以下の厚みを有する。このように構成すれば、電子部品収納用パッケージの気密封止が困難になるのをより抑制することができるとともに、接合に寄与しない表面層の割合を十分に小さくすることができる。
上記第1の局面による気密封止用蓋材において、好ましくは、表面層は、基材層の電子部品収納部材側の一方表面上に接合された第1表面層と、基材層の電子部品収納部材とは反対側の他方表面上に接合された第2表面層とを含む。このように構成すれば、気密封止用蓋材の表裏に、それぞれ、NiとCuとを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成された第1表面層および第2表面層が配置されるので、気密封止用蓋材の両表面のどちらでも電子部品収納部材に接合することができる。これにより、気密封止用蓋材と気密封止用蓋材との接合の作業性を向上させることができる。
この場合、好ましくは、第2表面層は、第1表面層と同一の金属材料からなる。このように構成すれば、気密封止用蓋材の表裏に、同一の金属材料により構成された第1表面層および第2表面層がそれぞれ配置されるので、気密封止用蓋材の表裏を判別する必要がない。これにより、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との接合の作業性をより向上させることができる。
上記第2表面層が第1表面層と同一の金属材料からなる構成において、好ましくは、基材層は、36質量%以上48質量%以下のNiを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されており、第1表面層および第2表面層は、共に、30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成されている。このように構成すれば、基材層のCrの含有率を1質量%以上にすることにより、気密封止用蓋材の耐食性を確実に確保しつつ、1つの気密封止用蓋材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなることを確実に抑制することができる。
上記基材層が36質量%以上48質量%以下のNiを含有するNi−Cr−Fe合金である構成において、好ましくは、基材層は、6質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されており、第1表面層および第2表面層は、共に、Ni−Cu合金により構成されている。このように構成すれば、基材層のCrの含有率を6質量%以上にすることにより、気密封止用蓋材の耐食性をより確実に確保しつつ、タクトタイムが長くなることをより確実に抑制することができる。また、表面層がNi−Cu合金により構成されていることによって、表面層がNiにより構成されている場合と比べて、表面層の融点を低くすることができるので、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との接合時の温度を低下させることができる。これにより、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との間に発生する熱応力を小さくすることができる。
上記表面層が第1表面層と第2表面層とを含む構成において、好ましくは、クラッド材は、第1表面層の電子部品収納部材側の表面に少なくとも接合された銀ろう層を含む。このように構成すれば、銀ろう層により、銀ろうが形成されたシールリングなどを用いなくとも、気密封止用蓋材と電子部品収納部材とを封止することができるので、電子部品収納用パッケージを作成する際に、部品点数を削減することができる。また、シールリングを設けない分、電子部品収納用パッケージを小型化することができる。
上記第1の局面による気密封止用蓋材において、好ましくは、基材層の電子部品収納部材側の一方表面に接合されている表面層は、電子部品収納部材に対して抵抗溶接される際に、溶融する接合層として機能するように構成されている。このように構成すれば、抵抗溶接によって、接合層として機能する表面層を備える気密封止用蓋材と、電子部品収納部材とを容易に接合することができる。
この発明の第2の局面による気密封止用蓋材は、電子部品を収納するための電子部品収納部材を含む電子部品収納用パッケージに用いられる気密封止用蓋材であって、Niと、Crと、6質量%以上18質量%以下のCoと、Feとを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成された基材層と、基材層の電子部品収納部材側の一方表面に少なくとも接合され、Ni、または、Ni合金により構成された表面層とを備えるクラッド材により構成されている。
この発明の第2の局面による気密封止用蓋材は、上記のように、Ni−Cr−Co−Fe合金により構成された基材層と、基材層の電子部品収納部材側の一方表面に少なくとも接合され、Ni、または、Ni合金により構成された表面層とを備えるクラッド材により構成することによって、基材層の表面上にNiめっき処理を行う必要がない。これにより、Niめっき処理を行う場合と比べて、1つの気密封止用蓋材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなるのを抑制することができる。
また、第2の局面による気密封止用蓋材では、基材層をNi−Cr−Co−Fe合金により構成することによって、主にCr からなる不動態膜が基材層の表面上に形成されるので、基材層がコバール(29Ni−16Co−Fe合金)により構成されている場合よりも、基材層の耐食性を向上させることができる。これにより、Ni、または、Ni合金により構成された表面層に覆われていない部分から、基材層が腐食するのを抑制することができるので、気密封止用蓋材の耐食性が低くなるのを抑制することができる。また、基材層は、6質量%以上18質量%以下のCoを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成されている。このように構成すれば、基材層のCoの含有率を6質量%以上18質量%以下にすることにより、基材層の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができるので、たとえばセラミックスにより構成された電子部品収納部材と、気密封止用蓋材との熱膨張差が大きくなるのを抑制することができる。これにより、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との間に発生する熱応力を小さくすることができるので、熱応力に起因して電子部品収納用パッケージが破損するのを抑制することができる。
上記基材層が6質量%以上18質量%以下のCoを含有する構成において、好ましくは、基材層は、1質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成されている。このように構成すれば、基材層のCrの含有率を1質量%以上にすることにより、気密封止用蓋材の耐食性を確実に確保しつつ、1つの気密封止用蓋材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなることを確実に抑制することができる。
この発明の第3の局面による電子部品収納用パッケージは、電子部品を収納するための電子部品収納部材と、電子部品収納部材に対して抵抗溶接される上記第1の局面または上記第2の局面による気密封止用蓋材とを備える。
この発明の第の局面による電子部品収納用パッケージは、Ni、または、Ni合金により構成された表面層に覆われていない部分から、上記第1の局面または上記第2の局面による気密封止用蓋材の基材層が腐食するのを抑制することができるので、気密封止用蓋材の耐食性が低くなるのを抑制することができる。
上記第の局面による電子部品収納用パッケージにおいて、好ましくは、基材層の電子部品収納部材側の一方表面に接合されている表面層は、電子部品収納部材に対して抵抗溶接される際に、溶融する接合層として機能している。このように構成すれば、抵抗溶接によって、接合層として機能する表面層を含む気密封止用蓋材と、電子部品収納部材とを容易に接合することができる。
本発明によれば、上記のように、1つの気密封止用蓋材を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなるのを抑制しつつ、気密封止用蓋材の耐食性が低くなるのを抑制することができる。
本発明の一実施形態による気密封止用蓋材の構成を示した斜視図である。 図1の400−400線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による電子部品収納用パッケージの構成を示した斜視図である。 図3の500−500線に沿った断面図である。 本発明の一実施形態による電子部品収納部材の構成を示した斜視図である。 本発明の一実施形態による電子部品収納用パッケージの製造プロセスを説明するための斜視図である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行った気密封止用蓋材の耐食性試験の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったシーム溶接試験(条件固定試験)の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったシーム溶接試験(条件変化試験)の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行った実施例1のリーク試験および信頼性試験の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行った実施例3〜6のリーク試験および信頼性試験の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったNi−Cu合金の耐食性試験の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったNi−Cu合金の耐酸化性試験の結果を示した表である。 本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったNi−Cu合金の耐酸化性試験の結果を示したグラフである。 本発明の一実施形態の基材層の組成を検討するための熱膨張係数のグラフである。 本発明の一実施形態の基材層の組成を検討するための熱膨張係数の表である。 本発明の実施形態の第1変形例による気密封止用蓋材の構成を示した断面図である。 本発明の実施形態の第2変形例による気密封止用蓋材の構成を示した断面図である。 本発明の実施形態の第2変形例による電子部品収納用パッケージの構成を示した断面図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図1および図2を参照して、本発明の一実施形態による気密封止用蓋材1の構造を説明する。
本発明の一実施形態による気密封止用蓋材1は、後述する水晶振動子20を収納するための電子部品収納部材30を含む電子部品収納用パッケージ100に用いられる。また、気密封止用蓋材1は、図1に示すように、長手方向(X方向)に約2.3mmの長さL1、短手方向(Y方向)に約1.8mmの長さL2、および、厚み方向(Z方向)に約80μmの厚みt1を有している。
また、気密封止用蓋材1は、図2に示すように、基材層10と、基材層10の下面10a(Z2側の面)および上面10b(Z1側の面)にそれぞれ圧接接合された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる。また、表面層11および12は、それぞれ、気密封止用蓋材1の下面1a側および上面1b側に配置されている。この気密封止用蓋材1の下面1a側に配置された表面層11は、電子部品収納部材30に対して抵抗溶接の一種であるシーム溶接により溶接される際に、溶融する接合層として機能する。なお、表面層11および12は、それぞれ、本発明の「第1表面層」および「第2表面層」の一例であり、下面10aおよび上面10bは、それぞれ、本発明の「一方表面」および「他方表面」の一例である。
ここで、本実施形態では、基材層10は、Ni、Cr、Feおよび不可避不純物からなるNi−Cr−Fe合金、または、Ni、Cr、Co、Feおよび不可避不純物からなるNi−Cr−Co−Fe合金により構成されている。なお、基材層10を構成するNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金のNiの含有率は、おおよそ36質量%以上48質量%以下であるのが好ましく、42質量%近傍であるのがより好ましい。また、Ni−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金のCrの含有率は、おおよそ1質量%以上10質量%以下であるのが好ましく、おおよそ4質量%以上10質量%以下であるのがより好ましい。さらに好ましくは、Crの含有率は、おおよそ6質量%以上10質量%以下である。また、Ni−Cr−Co−Fe合金から基材層10が構成されている場合には、Coの含有率は、おおよそ6質量%以上18質量%以下であるのが好ましい。また、基材層10は、おおよそ、36質量%以上48質量%以下のNiと、6質量%以上10質量%以下のCrと、6質量%以上18質量%以下のCoと、Feとを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成されるのがさらに好ましい。
また、表面層11および12は、同一の金属材料から構成されており、NiとCuと不可避不純物とからなるNi−Cu合金、または、Niにより構成されている。なお、低融点化の観点においては、表面層11および12は、おおよそ、30質量%以上のNiと、70質量%以下のCuとを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成されているのが好ましく、おおよそ、30質量%以上のNiと、70質量%以下のCuとを含有するNi−Cu合金により構成されているのがより好ましい。また、耐酸化の観点においては、表面層11および12は、おおよそ、45質量%以上のNiと、55質量%以下のCuとを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成されているのが好ましく、おおよそ、60質量%以上のNiと、40質量%以下のCuとを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成されているのがより好ましい。
なお、気密封止用蓋材1は、おおよそ、36質量%以上48質量%以下のNiと1質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金により構成される基材層10と、おおよそ30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成される表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなるのが好ましい。また、気密封止用蓋材1は、おおよそ、36質量%以上48質量%以下のNiと4質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金により構成される基材層10と、おおよそ30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成される表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなるのがより好ましい。また、気密封止用蓋材1は、おおよそ、36質量%以上48質量%以下のNiと6質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金により構成される基材層10と、おおよそ30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成される表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなるのがさらに好ましい。
また、気密封止用蓋材1の側面のうち、少なくとも基材層10が露出する部分には、基材層10を構成するNi−Cr−Fe合金のCrが酸化されることによって、主にCrからなる不動態膜が形成されている。これにより、基材層10の耐食性が向上するように構成されている。
また、基材層10は、おおよそ74μmの厚みt2を有し、表面層11は、おおよそ3μmの厚みt3を有し、表面層12は、おおよそ3μmの厚みt4を有している。なお、表面層11の厚みt3は、おおよそ1μm以上10μm以下の厚みであることが好ましく、おおよそ2μm以上6μm以下の厚みであることがより好ましい。さらに、厚みt3は、おおよそ3μm以上4μm以下の厚みであることが好ましい。また、気密封止用蓋材1の表裏を同一の構造にするために、表面層11の厚みt3と表面層12の厚みt4とが同一の厚みである方が好ましい。
次に、図3および図4を参照して、本発明の一実施形態による気密封止用蓋材1が用いられる電子部品収納用パッケージ100の構造を説明する。
本実施形態による電子部品収納用パッケージ100は、図3および図4に示すように、気密封止用蓋材1と、水晶振動子20(図4参照)を収納した状態で、気密封止用蓋材1により気密封止される電子部品収納部材30とを備えている。電子部品収納用パッケージ100では、気密封止用蓋材1は、気密封止用蓋材1の表面層11が電子部品収納部材30側(下側、Z2側)になるように、電子部品収納部材30の上に配置されている。なお、水晶振動子20は、本発明の「電子部品」の一例である。
電子部品収納部材30は、セラミックスであるアルミナ(Al)により構成された箱型形状の基台31と、基台31にろう付け接合されたリング状のシールリング32と、シールリング32を覆う保護めっき層33とを含んでいる。
基台31は、図4に示すように、Z2側の底部31aと、底部31aの上面(Z1側の面)の外周縁から上方(Z1側)に延びるように形成された側部31bとを含んでいる。また、電子部品収納部材30には、底部31aおよび側部31bに囲まれるように凹部31cが形成されている。また、水晶振動子20は、バンプ40により凹部31cに固定された状態で、凹部31c内に収納されている。
また、側部31bの上端には、メタライズ層31dが形成されている。このメタライズ層31dは、基材31を構成するセラミックス(Al)と、シールリング32を構成する金属(コバール)とのろう付け接合を良好にするために形成されている。また、メタライズ層31dは、側部31bの上端から上方(シールリング32側、Z1側)に向かって、W層、Ni層およびAu層(図示せず)がこの順に積層された構造を有している。
金属製のシールリング32は、コバール(29Ni−16Co−Fe合金)により構成された基材32aと、基材32aの少なくとも下面に配置された銀ろう部32bとを有している。また、基台31のメタライズ層31dと、シールリング32の銀ろう部32bとが当接した状態で熱が加えられることにより、銀ろう部32bが溶融される。これにより、基台31とシールリング32とがろう付け接合されている。また、基台31とシールリング32とがろう付け接合された状態で、Niめっき層およびAuめっき層(図示せず)からなる保護めっき層33が、シールリング32を覆うように形成されている。
また、気密封止用蓋材1は、電子部品収納部材30のシールリング32の上面に配置された状態で、抵抗溶接の一種であるシーム溶接により溶接されることにより電子部品収納部材30に対して接合されている。つまり、シーム溶接により、気密封止用蓋材1の表面層11が溶融することによって、気密封止用蓋材1がシールリング32の上面に接合されている。
次に、図1〜図6を参照して、本発明の一実施形態による電子部品収納用パッケージ100の製造プロセスを説明する。
まず、Ni−Cr−Fe合金により構成された基材(図示せず)と、Ni−Cu合金、または、Niにより構成された一対の表面材(図示せず)とを準備して、基材の両面にそれぞれ表面材を配置する。なお、表面材の厚みと基材の厚みと表面材の厚みとの比率は、約4:92:4である。そして、基材と一対の表面材とを圧延機(図示せず)を用いて圧延加工することにより、基材の両面にそれぞれ表面材が接合されたクラッド材(図示せず)が作製される。この際、クラッド材の厚みt1(図2参照)が約80μmになるまでクラッド材を圧延することによって、基材層10の厚みt2(図2参照)は、おおよそ74μmになり、表面層11の厚みt3(図2参照)および表面層12の厚みt4(図2参照)は、共におおよそ3μmになる。
その後、クラッド材を、長手方向(X方向)に約2.3mmの長さL1(図1参照)、および、短手方向(Y方向)に約1.8mmの長さL2(図1参照)の長方形形状に打ち抜き加工(プレス加工)する。これにより、図1および図2に示すような、基材層10と、基材層10の下面10a(Z2側の面)および上面10b(Z1側の面)にそれぞれ圧接接合された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材1が製造される。なお、この3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材1では、Niめっき処理を行う必要はない。
また、図5に示すように、基台31とシールリング32とを準備する。そして、基台31のメタライズ層31d(図4参照)と、シールリング32の銀ろう部32b(図4参照)とを当接させた状態で、基台31とシールリング32とを真空炉(図示せず)内に配置する。そして、所定の温度で銀ろう部32bを溶融させることによって、基台31とシールリング32とをろう付け接合する。その後、シールリング32を覆うように保護めっき層33を形成することによって、電子部品収納部材30が製造される。
そして、図6に示すように、電子部品収納部材30に水晶振動子20(図4参照)を収納した状態で、シールリング32の上面に気密封止用蓋材1を配置する。そして、シーム溶接により、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30とを接合する。具体的には、シーム溶接機50の一対のローラ電極50aを気密封止用蓋材1の周縁部上に配置する。そして、窒素雰囲気下、または、真空雰囲気下において、溶接電源50bから所定の出力で電流を流しながら、一対のローラ電極50aを気密封止用蓋材1の周縁部に沿って、所定の溶接速度でX方向またはY方向に移動させる。これにより、気密封止用蓋材1の下面1a側に配置された表面層11と、電子部品収納部材30のシールリング32の上面との接合領域で熱が発生する。この結果、接合層として機能する表面層11が溶融されて、気密封止用蓋材1が電子部品収納部材30に対して溶接される。その結果、図3および図4に示す電子部品収納用パッケージ100が製造される。
本実施形態では、上記のように、気密封止用蓋材1を、Ni−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金により構成されている基材層10と、基材層10の下面10aおよび上面10bにそれぞれ圧接接合され、Ni−Cu合金、または、Niにより構成された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなるように構成する。これにより、基材層10の表面上にNiめっき処理を行う必要がない。この結果、Niめっき処理を行う場合と比べて、1つの気密封止用蓋材1を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなるのを抑制することができるとともに、必要なコストが大きくなるのを抑制することができる。
また、本実施形態では、基材層10をNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金により構成することによって、主にCrからなる不動態膜が基材層10の露出する側面上に形成されるので、基材層10がコバール(29Ni−16Co−Fe合金)により構成されている場合よりも、基材層10の耐食性を向上させることができる。これにより、Ni−Cu合金、または、Niにより構成された表面層11および12に覆われていない基材層10の側面から、基材層10が腐食するのを抑制することができるので、気密封止用蓋材1の耐食性が低くなるのを抑制することができる。
また、本実施形態では、基材層10を、おおよそ1質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金により構成する。また、好ましくは、基材層10を、おおよそ6質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金により構成する。これにより、主にCrからなる不動態膜が基材層10の露出する側面上に確実に形成されるので、基材層10の耐食性をより向上させることができる。また、基材層10の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができるので、Alにより構成された電子部品収納部材30と、気密封止用蓋材1との熱膨張差が大きくなるのを抑制することができる。これにより、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30との間に発生する熱応力を小さくすることができるので、熱応力に起因して電子部品収納用パッケージ100が破損するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、基材層10を、おおよそ36質量%以上48質量%以下のNiと、おおよそ6質量%以上10質量%以下のCrと、6質量%以上18質量%以下のCoと、Feとを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成する。これにより、基材層10の熱膨張係数が大きくなるのを抑制することができるので、アルミナにより構成された電子部品収納部材30の基台31と、気密封止用蓋材1との熱膨張差が大きくなるのを抑制することができる。これにより、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30との間に発生する熱応力を小さくすることができるので、熱応力に起因して電子部品収納用パッケージ100が破損するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、表面層11および12を、60質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成すれば、耐食性に優れたNiが表面層11および12にさらに十分に含まれるので、表面層11および12において、耐食性だけでなく、耐酸化性も効果的に向上させることができる。これにより、大気中で熱処理が行われた場合であっても、表面層11および12が酸化することを確実に抑制することができる。また、表面層11がNiにより構成されている場合や、他のNi合金により構成されている場合と比べて、表面層11の融点を低くすることができるので、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30とのシーム溶接時の温度を低下させることができる。これにより、水晶振動子20に加えられる熱を小さくするとともに、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30との間に発生する熱応力を小さくすることができる。
また、本実施形態では、表面層11および12が、それぞれ、おおよそ3μmの厚みt3およびt4を有することによって、表面層11を電子部品収納部材30に対して接合するために必要な表面層11の厚みt3を、十分に確保することができるので、電子部品収納用パッケージ100の気密封止が困難になるのをより抑制することができる。また、接合に寄与しない表面層11の割合を十分に小さくすることができる。
また、本実施形態では、気密封止用蓋材1の下面1aおよび上面1bにそれぞれ配置された表面層11および12を、同一の金属材料から構成することによって、気密封止用蓋材1の表裏を判別する必要がない。これにより、気密封止用蓋材1と気密封止用蓋材30との接合の作業性をより向上させることができる。
また、本実施形態では、気密封止用蓋材1は、好ましくは、おおよそ、36質量%以上48質量%以下のNiと1質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金により構成される基材層10と、おおよそ30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成される表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる。また、気密封止用蓋材1は、より好ましくは、おおよそ、36質量%以上48質量%以下のNiと6質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金により構成される基材層10と、おおよそ30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成される表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる。このように構成すれば、基材層10のCrの含有率を少なくとも1質量%以上にすることにより、気密封止用蓋材1の耐食性を確実に確保しつつ、1つの気密封止用蓋材1を製造するために必要な時間(タクトタイム)が長くなることを確実に抑制することができる。
また、本実施形態では、気密封止用蓋材1の下面1a側に配置された表面層11を、電子部品収納部材30に対してシーム溶接される際に溶融する接合層として機能するように構成することによって、シーム溶接によって、接合層として機能する表面層11を備える気密封止用蓋材1と、電子部品収納部材30とを容易に接合することができる。
(実施例)
次に、図2および図5〜図15を参照して、上記実施形態の効果を確認するために行った気密封止用蓋材の耐食性試験と、気密封止用蓋材と電子部品収納部材とのシーム溶接試験と、電子部品収納用パッケージのリーク試験および信頼性試験と、気密封止用蓋材の表面材を構成するNi−Cu合金の耐食性試験および耐酸化試験と、基材層の検討とについて説明する。
(気密封止用蓋材の耐食性試験)
以下に説明する気密封止用蓋材の耐食性試験では、図7に示すように、上記実施形態の気密封止用蓋材1(図2参照)に対応する実施例1〜4として、42Ni−Cr−Fe合金により構成された基材層10と、Ni−Cu合金またはNiにより構成された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材1を用いた。また、上記実施形態の気密封止用蓋材1(図2参照)に対応する実施例5および6として、29Ni−6Cr−16Co―Fe合金により構成された基材層10と、Ni−Cu合金またはNiにより構成された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材1を用いた。
ここで、実施例1では、42質量%のNiと6質量%のCrとFeとを含有する42Ni−6Cr−Fe合金により構成された基材層10と、30質量%のNiと70質量%のCuとを含有する30Ni−Cu合金により構成された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材1(30Ni−Cu/42Ni−6Cr−Fe/30Ni−Cu)を用いた。
また、実施例2では、実施例1と異なり、42質量%のNiと4質量%のCrとFeとを含有する42Ni−4Cr−Fe合金により構成された基材層10を備える気密封止用蓋材1(30Ni−Cu/42Ni−4Cr−Fe/30Ni−Cu)を用いた。つまり、実施例2の基材層10では、実施例1の基材層10よりもCrの含有率を小さくした。
また、実施例3では、実施例1と異なり、65質量%のNiとCuとを含有する65Ni−Cu合金により構成された表面層11および12を備える気密封止用蓋材1(65Ni−Cu/42Ni−6Cr−Fe/65Ni−Cu)を用いた。つまり、実施例2の表面層11および12では、実施例1の表面層11および12よりもNiの含有率を大きくした。
また、実施例4では、実施例1と異なり、Niにより構成された表面層11および12を備える気密封止用蓋材1(Ni/42Ni−6Cr−Fe/Ni)を用いた。つまり、実施例4の表面層11および12では、実施例1〜3と異なり、Cuを含有したNi−Cu合金を用いなかった。
また、実施例5では、実施例1と異なり、29質量%のNiと6質量%のCrと16質量%のCoとFeとを含有する29Ni−6Cr−16Co−Fe合金により構成された基材層10と、65Ni−Cu合金により構成された表面層11および12とを備える気密封止用蓋材1(65Ni−Cu/29Ni−6Cr−16Co−Fe/65Ni−Cu)を用いた。
また、実施例6では、実施例1と異なり、29Ni−6Cr−16Co−Fe合金により構成された基材層10と、Niにより構成された表面層11および12とを備える気密封止用蓋材1(Ni/29Ni−6Cr−16Co−Fe/Ni)を用いた。
一方、実施例1〜6に対する比較例1として、29質量%のNiと16質量%のCoとFeとを含有する一方、Crを含有しないFe系合金(29Ni−16Co−Fe合金、いわゆるコバール)により構成された基材層と、30Ni−Cu合金により構成された一対の表面層とから構成された、3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材(30Ni−Cu/29Ni−16Co−Fe/30Ni−Cu)を用いた。
また、比較例2として、29Ni−16Co−Fe合金により構成された基材層と、Niにより構成された一対の表面層とから構成された、3層のクラッド材からなる気密封止用蓋材(Ni/29Ni−16Co−Fe/Ni)を用いた。また、比較例3として、29Ni−16Co−Fe合金により構成された基材層の全面にNiめっき処理を行った気密封止用蓋材(Niめっき29Ni−16Co−Fe)を用いた。
なお、実施例1〜6および比較例1〜3の気密封止用蓋材を、長手方向(X方向)に2.3mmの長さ、短手方向(Y方向)に1.8mmの長さ、および、厚み方向(Z方向)に80μmの厚みを有するように形成した。また、実施例1〜6、比較例1および2の気密封止用蓋材の基材層の厚みは、74μmであり、一対の表面層の厚みは、共に3μmであった。また、比較例3の気密封止用蓋材の基材層の厚みは、74μmであり、Niめっき層の厚みは、3μmであった。
そして、実施例1〜6および比較例1〜3の気密封止用蓋材に対して、JIS C60068−2−11に従い、35±2℃の温度、5±1質量%の塩濃度、および、6.5以上7.2以下のpHの条件下で、塩水噴霧試験を48時間行った。そして、気密封止用蓋材における腐食の度合いを観察した。
ここで、図7では、耐食性の評価として、塩水噴霧試験終了後(48時間経過後)であっても気密封止用蓋材にほとんど腐食が確認できなかった場合には、○印(丸印)を付した。また、塩水噴霧試験終了後に、実用上問題ない程度ではあるものの、気密封止用蓋材の周縁部近傍に多少の腐食が確認された場合には、△印(三角印)を付した。また、24時間経過後に、気密封止用蓋材の周縁部近傍に多くの腐食が確認された場合には、×印(バツ印)を付した。
図7に示すように、Ni−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金を基材層10として用いた実施例1〜6の気密封止用蓋材1における腐食の度合いは、実用上問題ない程度であり、十分な耐食性を有していることが判明した。これは、実施例1〜6の気密封止用蓋材1では、基材層10が露出する部分(側面)に、主にCrからなる不動態膜が十分に形成されたからであると考えられる。さらに、42Ni−6Cr−Fe合金を基材層10として用いた実施例1、3および4の気密封止用蓋材1では、ほとんど腐食を確認することができなかった。これにより、42Ni−6Cr−Fe合金を基材層10として用いることによって、Niめっき29Ni−16Co−Fe合金により構成された比較例3の気密封止用蓋材と同等の耐食性を有する程度まで、耐食性を十分に向上させることができることが確認できた。これは、実施例1、3および4の気密封止用蓋材1では、基材層10が露出する部分(側面)に、主にCrからなる不動態膜が十分に形成されたからであると考えられる。
一方、29Ni−16Co−Fe合金を基材層として用いた比較例1および2の気密封止用蓋材では、24時間経過後に、気密封止用蓋材の周縁部近傍に多くの腐食が確認された。これは、比較例1および2の気密封止用蓋材では、基材層が露出する側面から29Ni−16Co−Fe合金が腐食したからであると考えられる。これにより、29Ni−16Co−Fe合金を基材層として用いた場合には、耐食性が不十分であることが確認できた。
これにより、Ni−Cr−Fe合金の耐食性を向上させるためには、Ni−Cr−Fe合金およびNi−Cr−Co−Fe合金ではCrを6質量%以上含有させることが好ましいことが判明した。なお、実施例2、5および6の気密封止用蓋材1では、比較例1および2の気密封止用蓋材よりも、明らかに腐食の度合いは小さかった。つまり、Crを含有する合金を基材層として用いることによって、29Ni−16Co−Fe合金を基材層として用いる場合よりも、耐食性を向上させることが可能であることが確認できた。
(シーム溶接試験)
以下に説明する気密封止用蓋材と電子部品収納部材とのシーム溶接試験では、上記実施例1、2、比較例2および3と同一の気密封止用蓋材を用いた。
そして、実施例1、2、比較例2および3の気密封止用蓋材と、図5に示す電子部品収納部材30とを、図6に示すように、半自動シーム溶接機50(NAW−1105C、日本アビオニクス株式会社製)を用いてシーム溶接を行った。具体的には、窒素雰囲気下において、溶接電源50bから所定の出力で電流を流しながら、一対のローラ電極50aを気密封止用蓋材の周縁部に沿って、所定の溶接速度でX方向またはY方向に移動させた。これにより、気密封止用蓋材と電子部品収納部材とを溶接した。
ここで、まず、半自動シーム溶接機50の出力を所定の基準値にするとともに、溶接速度を10mm/secにした状態(基本条件)で、実施例1、2、比較例2および3の気密封止用蓋材と電子部品収納部材とのシーム溶接を行った(条件固定試験)。なお、この基本条件は、比較例3の気密封止用蓋材(Niめっき29Ni−16Co−Fe合金)と、電子部品収納部材とを溶接する際における通常の条件である。
そして、シーム溶接時の熱による熱応力に起因したクラックの発生の有無と、電子部品収納部材側の表面層における溶融状態とを観察した。ここで、図8では、クラックの発生の有無の評価として、クラックの発生が確認できなかった場合には、○印(丸印)を付した。また、クラックの発生が確認できた場合には、×印(バツ印)を付した。
また、図8および図9では、溶融状態の評価として、気密封止用蓋材の表面層と電子部品収納部材との接合領域において、表面層が過不足なく均一に溶融している場合には、◎印(二重丸印)を付した。また、接合領域において、表面層が過不足なく溶融している一方、若干不均一に溶融している場合には、○印(丸印)を付した。また、表面層が気密封止用蓋材の側面を覆うように過剰に溶融している場合(過剰溶融の場合)には、△印(三角印)を付した。また、接合領域において、表面層に十分に溶融している部分と十分に溶融していない部分とが不均一に存在する場合(不均一溶融の場合)には、□印(四角印)を付した。また、接合領域において、表面層が十分に溶融していない場合には、×印(バツ印)を付した。
図8に示すように、条件固定試験の結果としては、実施例1、2、比較例2および3のいずれにおいても、クラックの発生は確認できなかった。これは、実施例1、2、比較例2および3のいずれにおいても、電子部品収納部材と電子部品収納部材との熱膨張係数の差が十分に小さいことによって、シーム溶接時の熱に起因する熱応力が十分に小さく、その結果、クラックが発生しなかったと考えられる。このことから、実施例1および2の42Ni−Cr−Fe合金から構成された基材層10を備える気密封止用蓋材1を用いてシーム溶接を行った場合であっても、比較例2および3の29Ni−16Co−Fe合金から構成された基材層を備える気密封止用蓋材を用いてシーム溶接を行う場合と同様に、クラックの発生を抑制することができ、その結果、電子部品収納用パッケージが破損するのを抑制することが可能であることが確認できた。
また、実施例1および2では、比較例2および3と異なり、表面層の溶融が過剰になった。これに対しては、以下の理由が考えられる。つまり、実施例1および2の表面層11を構成する30Ni−Cu合金の比抵抗(約34μΩ/cm)が、比較例2および3の表面層を構成するNiの比抵抗(約8.5μΩ/cm)よりも大きいことによって、実施例1および2では、比較例2および3よりも、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との接合領域で発生する熱量が大きい。さらに、30Ni−Cu合金の融点(約1200℃)は、Niの融点(約1450℃)よりも低いため、実施例1および2では、比較例2および3よりも、表面層は低い温度で溶融する。これらの結果、気密封止用蓋材と電子部品収納部材との接合領域で発生した大きな熱量により、接合領域だけでなくその近傍における表面層の温度も融点を超えて高くなる。この結果、表面層が過剰に溶融したと考えられる。
このことから、30Ni−Cu合金により構成された表面層11を備える実施例1および2の気密封止用蓋材1では、より小さな出力、および、より速い溶接速度により、電子部品収納部材30とのシーム溶接が可能であることが判明した。
そこで、実施例1の気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30とのシーム溶接を、出力および溶接速度を変化させて行った(条件変化試験)。この際、上記基本条件における出力を1(所定の基準値)として、半自動シーム溶接機50における出力比を1(所定の基準値の1倍)、0.8(所定の基準値の0.8倍)、0.6(所定の基準値の0.6倍)および0.4(所定の基準値の0.4倍)に変化させた。また、上記基本条件における溶接速度を1(10mm/sec)として、半自動シーム溶接機50における溶接速度比を1(10mm/sec)、1.2(12mm/sec)、1.6(16mm/sec)、2.0(20mm/sec)および2.4(24mm/sec)に変化させた。
そして、気密封止用蓋材1の電子部品収納部材30側の表面層11における溶融状態を観察した。なお、溶融状態の評価は、上記条件固定試験と同様に行った。
図9に示すように、条件変化試験の結果としては、半自動シーム溶接機50の出力比を1に固定した状態で、溶接速度比を変化させた場合には、溶接速度比が1および1.2の場合には、30Ni−Cu合金からなる表面層11の溶融が過剰になった。これは、半自動シーム溶接機50の出力が大き過ぎ、かつ、所定の接合領域に留まる時間が長すぎたからであると考えられる。一方、溶接速度比が2.0および2.4の場合には、30Ni−Cu合金からなる表面層11に十分に溶融している部分と十分に溶融していない部分とが不均一に存在する状態になった。これらは、半自動シーム溶接機50の出力が大き過ぎ、かつ、所定の接合領域に留まる時間が短すぎたからであると考えられる。
一方、半自動シーム溶接機50の出力比が1で、かつ、溶接速度比が1.6の場合には、若干不均一に溶融しているものの、表面層11が過不足なく溶融した。これは、所定の接合領域に留まる時間が適切であったからであると考えられる。
また、半自動シーム溶接機50の溶接速度比が1で、かつ、出力比が0.8および0.6の場合においても、若干不均一に溶融しているものの、表面層11が過不足なく溶融した。これは、半自動シーム溶接機50の出力が低いことによって、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30との接合領域で発生した熱量が小さくなったからであると考えられる。一方、半自動シーム溶接機50の溶接速度比が1で、かつ、出力比が0.4の場合には、接合領域において、表面層11が十分に溶融しなかった。これは、半自動シーム溶接機50の出力が低すぎたからであると考えられる。
また、半自動シーム溶接機50の出力比が0.8で、かつ、溶接速度比が1.6または2.0の場合、および、出力比が0.6で、かつ、溶接速度比が1.6または2.0の場合には、接合領域において、表面層11が過不足なく均一に溶融した。これにより、実施例1の気密封止用蓋材1を用いた場合には、半自動シーム溶接機50の出力比が0.6以上0.8以下で、かつ、溶接速度比が1.6以上2.0以下であれば、表面層11の溶融を過不足ない均一な状態にすることが可能であることが判明した。
(電子部品収納用パッケージのリーク試験および信頼性試験)
以下に説明する電子部品収納用パッケージのリーク試験および信頼性試験では、上記シーム溶接試験(条件変化試験)において、実施例1、3〜6および比較例3の気密封止用蓋材を用いて作成した電子部品収納用パッケージを各々複数個以上用いて、電子部品収納用パッケージの気密性を確認した。
この際、実施例1(30Ni−Cu/42Ni−6Cr−Fe/30Ni−Cu)では、実施例1−1として、半自動シーム溶接機50の出力比が0.8で、かつ、溶接速度比が1.6の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージ100を用いた。また、実施例1−2として、出力比が0.8で、かつ、溶接速度比が2.0の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージ100を用いた。また、実施例1−3として、出力比が0.6で、かつ、溶接速度比が1.6の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージ100を用いた。また、実施例1−4として、出力比が0.6で、かつ、溶接速度比が2.0の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージ100を用いた。
また、実施例3(65Ni−Cu/42Ni−6Cr−Fe/65Ni−Cu)、実施例4(Ni/42Ni−6Cr−Fe/Ni)、実施例5(65Ni−Cu/29Ni−6Cr−16Co−Fe/65Ni−Cu)、実施例6(Ni/29Ni−6Cr−16Co−Fe/Ni)、および、比較例3(Niめっき29Ni−16Co−Fe)では、それぞれ、実施例3〜6(比較例3)−1として、半自動シーム溶接機50の出力比が1.0の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージを用いた。また、実施例3〜6(比較例3)−2として、半自動シーム溶接機50の出力比が0.8の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージを用いた。また、実施例3〜6(比較例3)−3として、半自動シーム溶接機50の出力比が0.6の条件でシーム溶接された電子部品収納用パッケージを用いた。なお、実施例3〜6および比較例3の全てにおいて、溶接速度比を1.0とした。
(リーク試験)
リーク試験として、JIS C60068−2−17に従い、微小リークを検出するためのHeリーク試験と、大リークを検出するためのバブルリーク試験とを行った。Heリーク試験では、実施例1、3〜6(比較例3)−1、実施例1、3〜6(比較例3)−2、実施例1、3〜6(比較例3)−3、および、実施例1−4の電子部品収納用パッケージをHe導入機内に配置した状態で、He導入機内を脱気して減圧状態にした。その後、He導入機内にHeを0.4MPa(加圧状態)になるまで導入した後、加圧状態で1時間保持した。この際、電子部品収納用パッケージにおいて気密封止がされていない場合には、Heが電子部品収納用パッケージ内に導入される。その後、He導入機から取り出した電子部品収納用パッケージをリーク試験機内に配置して、Heのリークの有無を測定した。ここで、Heが電子部品収納用パッケージ内に導入されている場合には、リーク試験機においてHeが検出される。その結果、電子部品収納用パッケージに微小な孔が存在しており、気密封止がされていないことが検出される。
バブルリーク試験では、実施例1、3〜6(比較例3)−1、実施例1、3〜6(比較例3)−2、実施例1、3〜6(比較例3)−3、および、実施例1−4の電子部品収納用パッケージを125℃のフッ素系不活性液体の中に30秒間投入することによって、電子部品収納用パッケージから気泡(バブル)が発生しているか否かを観察した。なお、このバブルリーク試験では、Heリーク試験では検出が困難な大きな孔が検出される。
ここで、図10および図11では、リーク試験の評価として、全ての電子部品収納用パッケージにおいてリークが確認できなかった場合には、○印(丸印)を付した。また、電子部品収納用パッケージにおいてリークが確認された場合には、リーク試験を行った電子部品収納用パッケージのうち、リークが確認できなかった電子部品収納用パッケージ(合格品)の割合を記した。
図10および図11に示すように、リーク試験の結果としては、Heリーク試験では、実施例1−4を除いて、Heのリークが検出できなかった。さらに、バブルリーク試験では、実施例1、3〜6および比較例3の全てにおいて、気泡が観察できなかった。これにより、実施例1、3〜6−1、実施例1、3〜6−2および実施例1、3〜6−3の電子部品収納用パッケージ100では、気密封止が完全に行われていることが確認できた。
一方、実施例1−4では、リーク試験を行った電子部品収納用パッケージ100のうち、28%(=100%−72%)の電子部品収納用パッケージ100において、Heのリークが検出された。これにより、実施例1−4では、微小な孔が存在しており気密封止が完全には行われていない電子部品収納用パッケージ100が存在することが判明した。これは、実施例1−4では、実施例1−1および1−2よりも出力が小さく、かつ、実施例1−1および1−3よりも溶接速度が速いため、表面層11の接合領域において、十分に溶融していない部分が生じやすかったからであると考えられる。これにより、表面層11の溶融を過不足ない均一な状態にしつつ、電子部品収納用パッケージ100における気密封止を完全に行うためには、半自動シーム溶接機50の出力比を0.8程度にし、溶接速度比を1.6以上2.0以下にするか、または、出力比を0.6程度にして、溶接速度比を1.6程度にするのがよいと考えられる。
また、表面層11のNiの含有率が65%以上である実施例3〜6では、出力比を小さくしたとしても、溶接速度比が1.0の場合にはリークが生じないことが確認できた。これにより、Niの含有率が大きいことに起因して表面層の融点が高い場合であっても、出力比を0.6以上、かつ、溶接速度比を1.0程度にすることによって、表面層11の溶融を過不足ない均一な状態にしつつ、電子部品収納用パッケージ100における気密封止を完全に行うことが可能であることが確認できた。
(信頼性試験)
信頼性試験では、上記リーク試験において、Heのリークが検出されず、かつ、気泡が観察されなかった、合格品の実施例1、3〜6(比較例3)−1、実施例1、3〜6(比較例3)−2、実施例1、3〜6(比較例3)−3、および、実施例1−4の電子部品収納用パッケージを用いた。また、信頼性試験として、プレッシャクッカ試験(PCT)と、ヒートサイクル試験とを行った。なお、実施例3〜6−1、実施例3〜6(比較例3)−2および実施例3〜6(比較例3)−3では、PCTのみを行った。
PCTでは、120℃、100%RHおよび0.2MPaの条件(高温高湿高圧条件)下で、実施例1、3〜6(比較例3)−1、実施例1、3〜6(比較例3)−2、実施例1、3〜6(比較例3)−3、および、実施例1−4の電子部品収納用パッケージを、96時間保持した。その後、上記リーク試験と同様の試験を行った。
ヒートサイクル試験では、実施例1−1〜1−4および比較例3−1の電子部品収納用パッケージを、−45℃で30分保持した後に、85℃で30分保持するというサイクルを1サイクルとして、1000サイクル行った。その後、上記リーク試験と同様の試験を行った。
図10および図11に示すように、信頼性試験の結果としては、PCT後のリーク試験において、合格品の実施例1、3〜6(比較例3)−1、実施例1、3〜6(比較例3)−2、実施例1、3〜6(比較例3)−3、および、実施例1−4の全ての電子部品収納用パッケージにおいて、Heのリークが検出されず、かつ、気泡が観察されなかった。また、ヒートサイクル試験後のリーク試験においても、合格品の実施例1−1〜1−4および比較例3−1の全ての電子部品収納用パッケージにおいて、Heのリークが検出されず、かつ、気泡が観察されなかった。これにより、合格品の実施例1および3〜6の電子部品収納用パッケージ100は、気密性に関して、信頼性が十分に高いと考えられる。
(Ni−Cu合金の耐食性試験)
また、気密封止用蓋材の表面材を構成するNi−Cu合金の耐食性を確認するために、Ni−Cu合金の耐食性試験を行った。以下に説明するNi−Cu合金の耐食性試験では、図12に示すように、NiおよびCuの含有率を異ならせたNi−Cu合金を用いた。
具体的には、実施例7として、13質量%のNiと、87質量%のCuとを含有する13Ni−Cu合金を用いた。また、実施例8として、23質量%のNiと、77質量%のCuとを含有する23Ni−Cu合金を用いた。また、実施例9として、30質量%のNiと、70質量%のCuとを含有する30Ni−Cu合金を用いた。また、実施例10として、45質量%のNiと、55質量%のCuとを含有する45Ni−Cu合金を用いた。
なお、実施例7〜10のNi−Cu合金材として、10mm×10mm×500μm(厚み)の板材を用いた。
そして、実施例7〜10のNi−Cu合金材に対して、耐食性試験を行った。具体的には、上記気密封止用蓋材の耐食性試験と同様に、JIS C60068−2−11に従い、塩水噴霧試験を行った。そして、Ni−Cu合金における腐食の度合いを観察した。なお、図12では、耐食性の評価として、Ni−Cu合金にほとんど腐食が確認できなかった場合には、○印(丸印)を付した。また、Ni−Cu合金に多少の腐食が確認された場合には、△印(三角印)を付した。また、Ni−Cu合金に多くの腐食が確認された場合には、×印(バツ印)を付した。
図12に示すように、Niの含有率が23質量%以下である実施例7および8では、Ni−Cu合金に多少の腐食が確認された。一方、Niの含有率が30質量%以上である実施例9および10では、Ni−Cu合金にほとんど腐食が確認できなかった。これにより、気密封止用蓋材の耐食性を向上させるためには、30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金を用いることが好ましいことが判明した。なお、Ni−Cu合金は、Niの含有率が大きくなるに従い融点が高くなるので、Niの含有率が30質量%以上で、かつ、30質量%に近いNi−Cu合金が、十分な耐食性を有しつつ、融点が低くすることが可能な点から好ましい。
(Ni−Cu合金の耐酸化試験)
さらに、気密封止用蓋材の表面材を構成するNi−Cu合金の耐酸化性を確認するために、Ni−Cu合金の耐酸化性試験を行った。以下に説明するNi−Cu合金の耐酸化性試験では、図13に示すように、NiおよびCuの含有率を異ならせたNi−Cu合金の板材、または、Niの板材を用いた。
具体的には、上記した耐食性試験で用いた実施例8(23Ni−Cu合金)の板材、実施例9(30Ni−Cu合金)の板材および実施例10(45Ni−Cu合金)の板材に加えて、実施例11として、65質量%のNiと、35質量%のCuとを含有する65Ni−Cu合金の板材を用いた。また、実施例12として、Cuを含まない純Niの板材を用いた。
そして、実施例8〜12のNi−Cu合金(純Ni)の板材に対して、耐酸化試験を行った。具体的には、大気中において、200℃で所定の時間(1時間または24時間)加熱することにより、酸化に起因する板材表面の変色度合いを観察した。また、熱処理後の表面の酸素濃度をEDXにより測定した。なお、比較実験として、窒素雰囲気中においても上記大気中と同様の試験を行った。
ここで、図13では、変色度合いの評価として、金属色(いわゆる銀色)の表面が略変化しない場合には、◎印(二重丸印)を付した。また、金属色の表面が若干色づいたものの、大幅な変色が生じない場合には、○印(丸印)を付した。また、金属色の表面が黄土色や黒色に顕著に変色した場合には、△印(三角印)を付した。
図13に示すように、窒素雰囲気中では、実施例8〜12のいずれにおいても、全く変色は確認できなかった。つまり、酸素が存在しない窒素雰囲気中では、変色が生じないことが確認できた。一方、酸素が存在する大気中においては、Niの含有率が30質量%以下である実施例8および9では、200℃で1時間加熱した場合、および、200℃で24時間加熱した場合の双方において、Ni−Cu合金に顕著な変色が確認された。一方、Niの含有率が65質量%以上である実施例11および12では、200℃で1時間加熱した場合、および、200℃で24時間加熱した場合の双方において、Ni−Cu合金にほとんど酸化による変色が確認できなかった。これにより、気密封止用蓋材の耐酸化性を大幅に向上させるためには、65質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金を用いることが好ましいことが判明した。
また、大気中において、Niの含有率が45質量%である実施例10では、200℃で1時間加熱した場合には、Ni−Cu合金にほとんど酸化による変色が確認できなかったものの、200℃で24時間加熱した場合には、Ni−Cu合金に若干の変色が確認された。これにより、気密封止用蓋材の耐酸化性をある程度向上させるためには、45質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金を用いることが好ましいことが判明した。
また、図14に示すEDXの結果からも、Niの含有率を大きくすることによって、熱処理後の板材表面の酸素濃度が小さくなることが確認できた。また、図14に示すグラフから、60質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金であれば、200℃で24時間加熱した場合であっても酸素濃度が約0.3質量%以下になると考えられる。この結果、60質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金であれば、変色はほとんど生じずに、耐酸化性を十分に向上させることが可能であると考えられる。
これらのことから、上記耐食性試験では、30質量%程度のNiを含有するNi−Cu合金が、十分な耐食性を有しつつ、融点が低くすることが可能な点から好ましかったものの、耐酸化性が低く変色しやすいため、見栄えが必要な場合には余り適していないと考えられる。一方、融点は高くなるものの、見栄えが特に重要な場合には、酸化に対して大きな耐性を有しており、略変色しない60質量%程度のNiを含有するNi−Cu合金を用いる方が好ましいと考えられる。また、変色などの見栄えがある程度必要な場合には、Niの含有率が45質量%程度のNiを含有するNi−Cu合金を用いる方が、融点を低下させつつ、変色もある程度抑制できるので好ましいと考えられる。
(熱膨張特性に基づく基材層の組成の検討)
最後に、気密封止用蓋材1に用いられる基材層10を構成するNi−Cr−Fe合金およびNi−Cr−Co−Fe合金の熱膨張係数に基づいて、本発明の基材層に適した合金の組成について検討した。なお、封止における溶接対象(基台31)を構成するアルミナ(Al)の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するNi−Cr−Fe合金およびNi−Cr−Co−Fe合金が、基材層として適していると考えられる。なお、図15では、温度変化に対する熱膨張係数の変化をグラフにするとともに、図16では、所定の温度範囲(30℃から300℃まで、30℃から400℃までおよび30℃から500℃まで)における平均熱膨張係数を示す。
図15に示すグラフから、いずれの温度においても、比較例であるSUS304の熱膨張係数と比べて、Ni−Cr−Fe合金およびNi−Cr−Co−Fe合金は、いずれも熱膨張係数が小さく、アルミナ(Al)の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有していた。また、図16に示す表から、いずれの温度範囲においても、比較例であるSUS304の平均熱膨張係数(17.3×10−6/K)と比べて、Ni−Cr−Fe合金およびNi−Cr−Co−Fe合金は、いずれも平均熱膨張係数(5.8×10−6/K以上13.4×10−6/K以下)が小さく、アルミナ(Al)の平均熱膨張係数(7.2×10−6/K)に近い平均熱膨張係数を有していた。つまり、Ni−Cr−Fe合金およびNi−Cr−Co−Fe合金は、SUS304よりも基材層に適していると考えられる。
また、Ni−Cr−Fe合金では、Niの含有率を大きくするにしたがって、全体的に熱膨張係数が小さくなり、アルミナの熱膨張係数に近くなった。一方、Niの含有量が40質量%以上では、熱膨張係数の変化はあまり確認できなかった。
また、Ni−Cr−Co−Fe合金(29Ni−6Cr−16Co−Fe合金)の熱膨張係数は、いずれの温度においても、Crを含まない29Ni−16Co−Fe合金(いわゆるコバール)よりも熱膨張係数が大きくなったものの、Ni−Cr−Fe合金の熱膨張係数よりも小さくなり、最もアルミナの熱膨張係数に近くなった。
また、本実験ではアルミナの平均熱膨張係数は30℃から400℃までの温度範囲において7.2×10−6/Kになったものの、一般的にはアルミナの平均熱膨張係数は30℃から400℃までの温度範囲において6.4×10−6/K以上8.1×10−6/K以下の範囲に含まれる。したがって、このアルミナの平均熱膨張係数の範囲に近い合金が基材層に適していると考えられる。つまり、Niの含有量が40質量%以上のNi−Cr−Fe合金や、Ni−Cr−Co−Fe合金(29Ni−6Cr−16Co−Fe合金)が、基材層に適していると考えられる。
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、気密封止用蓋材1が、基材層10と、基材層10の下面10aおよび上面10bにそれぞれ圧接接合された表面層11および12とから構成された、3層のクラッド材からなる例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図17に示す本実施形態の第1変形例のように、気密封止用蓋材201が、基材層10と、基材層10の下面10a(電子部品収納部材側(Z2側)の面)に圧接接合された表面層11とから構成された、2層のクラッド材からなるように構成してもよい。
また、図18および図19に示す本実施形態の第2変形例のように、気密封止用蓋材301が、基材層10と、基材層10の下面10aおよび上面10bにそれぞれ圧接接合された表面層11および12とだけでなく、表面層11の下面(電池部品収納部材側)に圧接接合された銀ろう層313とから構成された、4層のクラッド材からなるように構成してもよい。なお、銀ろう層313として、72質量%のAgとCuとからなる銀ろう材を用いるのが好ましい。
また、図19に示す本実施形態の第2変形例の電子部品収納用パッケージ300では、電子部品収納部材330は、上記実施形態とは異なり、基台31のみからなり、シールリングは設けられていない。そして、気密封止用蓋材301の銀ろう層313と、基台31のメタライズ層31dとが接触した状態で、シーム溶接または電子ビーム溶接により銀ろう層313と基台31とが溶接されている。この際、72質量%のAgとCuとからなる銀ろう材からなる銀ろう層313は、融点が約780℃であり、Ni−Cu合金やNiよりも融点が低いので、封止時に発生する熱応力を小さくすることが可能である。なお、シーム溶接を行った場合には、気密封止用蓋材301と基台31との外縁端部に溶接跡が生じる一方、電子ビーム溶接を行った場合には、気密封止用蓋材301と基台31との外縁端部よりも内側(水晶振動子20が収容されている側)に溶接跡が生じる。
上記第2変形例では、気密封止用蓋材301に接合されるシールリングに銀ろう部を設けなくても、気密封止用蓋材301とシールリングとを封止(ろう付け接合)することができるので、電子部品収納用パッケージ300を作成する際に、部品点数を削減することができる。
また、上記実施形態では、基材層10を構成するNi−Cr−Fe合金またはNi−Cr−Co−Fe合金のNiの含有率が約36質量%以上約48質量%以下である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、基材層は、Ni−Cr−Fe合金により構成されていればよく、Niの含有率が約36質量%以上約48質量%以下でなくてもよい。この際、熱応力に起因する電子部品収納用パッケージの破損を抑制するために、基材層を構成するNi−Cr−Fe合金の熱膨張係数は、基台およびシールリングの熱膨張係数に近似した値であることが好ましい。
また、上記実施形態では、表面層11および12がNi−Cu合金、または、Niにより構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、表面層は、Ni合金により構成されていればよく、Ni−Cu合金またはNiに限られない。この場合、Ni合金は、Niよりも融点が低い方が好ましく、たとえば、Ni−Ag合金、Ni−Al合金、Ni−Au合金、Ni−Bi合金、Ni−Co合金、Ni−Cr合金、Ni−Fe合金、Ni−Ti合金、Ni−Si合金、Ni‐Sn合金、Ni−Mn合金、Ni−Mg合金、Ni−P合金、Ni−V合金およびNi−Zn合金などが好ましい。
また、上記実施形態では、表面層11および12が同一の金属材料から構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、表面層11および12が異なる金属材料から構成されていてもよい。この際、電子部品収納部材30とは反対側の表面層12は、NiとCuとを含有するNi−Cu合金、および、Ni以外の耐食性を有する金属材料から構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、気密封止用蓋材1が約80μmの厚みt1を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、気密封止用蓋材の厚みは、約80μm以外の厚みでもよい。なお、気密封止用蓋材の厚みは、約70μm以上約150μm以下であるのが好ましい。この際、電子部品収納部材側の表面に少なくとも配置される表面層の厚みは、気密封止用蓋材の厚みに拘わらず、1μm以上10μm以下であるのが好ましい。
また、上記実施形態では、気密封止用蓋材1の上面1bが平坦面状である例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、気密封止用蓋材の外縁に向かって気密封止用蓋材の厚みが小さくなるように、気密封止用蓋材の上面の周縁部を傾斜させることによって、テーパ形状のローラ電極の傾斜に合わせてもよい。これにより、気密封止用蓋材と一対のローラ電極との当接面積を大きくすることが可能である。
また、上記実施形態では、抵抗溶接の一種であるシーム溶接により、気密封止用蓋材1と電子部品収納部材30とを接合する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、抵抗溶接の一種である抵抗スポット溶接により、気密封止用蓋材と電子部品収納部材とを接合してもよい。また、抵抗溶接以外の接合方法を用いて、気密封止用蓋材と電子部品収納部材とを接合してもよい。たとえば、電子ビームを用いた電子ビーム溶接によって、気密封止用蓋材と電子部品収納部材とを接合してもよい。この際、融点が低いNi−Cu合金により表面層を構成することによって、電子ビームにより表面層を容易に溶融させることができるので好ましい。
また、上記実施形態では、水晶振動子20を電子部品収納部材30に収納した例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、SAWフィルタ(表面弾性波フィルタ)などを電子部品収納部材に収納してもよい。
1、201、301 気密封止用蓋材
10 基材層
10a 下面(一方表面)
10b 上面(他方表面)
11 表面層(第1表面層)
12 表面層(第2表面層)
20 水晶振動子(電子部品)
30、330 電子部品収納部材
100、300 電子部品収納用パッケージ
313 銀ろう層

Claims (17)

  1. 電子部品を収納するための電子部品収納部材を含む電子部品収納用パッケージに用いられる気密封止用蓋材であって、
    Niと、1質量%以上10質量%以下のCrとFeとを含有するNi−Cr−Fe合金により構成された基材層と、
    前記基材層の前記電子部品収納部材側の一方表面に少なくとも接合され、Ni、または、Ni合金により構成された表面層とを備えるクラッド材により構成されている、気密封止用蓋材。
  2. 前記基材層は、6質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されている、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  3. 前記表面層は、NiとCuとを含有するNi−Cu合金により構成されている、請求項1に記載の気密封止用蓋材。
  4. 前記表面層は、30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成されている、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  5. 前記表面層は、60質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金により構成されている、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  6. 前記表面層は、1μm以上10μm以下の厚みを有する、請求項1に記載の気密封止用蓋材。
  7. 前記表面層は、2μm以上6μm以下の厚みを有する、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  8. 前記表面層は、前記基材層の前記電子部品収納部材側の前記一方表面上に接合された第1表面層と、前記基材層の前記電子部品収納部材とは反対側の他方表面上に接合された第2表面層とを含む、請求項1に記載の気密封止用蓋材。
  9. 前記第2表面層は、前記第1表面層と同一の金属材料からなる、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  10. 前記基材層は、36質量%以上48質量%以下のNiを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されており、
    前記第1表面層および前記第2表面層は、共に、30質量%以上のNiを含有するNi−Cu合金、または、Niにより構成されている、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  11. 前記基材層は、6質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Fe合金により構成されており、
    前記第1表面層および前記第2表面層は、共に、Ni−Cu合金に より構成されている、請求項10に記載の気密封止用蓋材。
  12. 前記クラッド材は、前記第1表面層の前記電子部品収納部材側の表面に少なくとも接合された銀ろう層を含む、請求項に記載の気密封止用蓋材。
  13. 前記基材層の前記電子部品収納部材側の前記一方表面に接合されている前記表面層は、前記電子部品収納部材に対して抵抗溶接される際に、溶融する接合層として機能するように構成されている、請求項1に記載の気密封止用蓋材。
  14. 電子部品を収納するための電子部品収納部材を含む電子部品収納用パッケージに用いられる気密封止用蓋材であって、
    Niと、Crと、6質量%以上18質量%以下のCoと、Feとを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成された基材層と、
    前記基材層の前記電子部品収納部材側の一方表面に少なくとも接合され、Ni、または、Ni合金により構成された表面層とを備えるクラッド材により構成されている、気密封止用蓋材。
  15. 前記基材層は、1質量%以上10質量%以下のCrを含有するNi−Cr−Co−Fe合金により構成されている、請求項14に記載の気密封止用蓋材。
  16. 電子部品を収納するための電子部品収納部材と、
    前記電子部品収納部材に対して抵抗溶接される請求項1または14に記載の気密封止用蓋材とを備える、電子部品収納用パッケージ。
  17. 前記基材層の前記電子部品収納部材側の前記一方表面に接合されている前記表面層は、前記電子部品収納部材に対して前記抵抗溶接される際に、溶融する接合層として機能している、請求項16に記載の電子部品収納用パッケージ。
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