TWI402947B - 不透氣密封蓋及其製造方法 - Google Patents

Description

不透氣密封蓋及其製造方法

本發明係有關融接各種電子零件封裝之氣密密封所使用之焊材之不透氣密封蓋。詳細而言，係有關可控制安裝後之焊材之形狀，且密封時具焊材流動安定性之不透氣密封蓋。

行動電話等之各種電子機器所使用之SAW濾光片、水晶振盪器之類的半導體元件，係在被封入防止因空氣中的濕氣、氧氣而導致氧化、劣化之陶瓷製容體(封裝)之狀態下而被使用。該半導體封裝，係由具有開口之容體(基座；base)、與作成蓋之密封蓋所構成，半導體封裝之氣密密封工程，係在將半導體元件載置於基座內，使密封蓋覆蓋於此之後，藉由接合基座與密封蓋而進行。

基座與密封蓋之接合方法係有各種方法，一般上為利用焊材進行接合之焊材融接法。焊材融接法所使用之密封蓋，係將焊材融接在其接合面之物，在氣密密封時使密封蓋覆蓋在基座，將此等以電爐等加熱使焊材熔解．凝固而形成封裝之物。

作為密封蓋本體之構成材料，一般上採用科瓦鐵鎳鈷合金(Fe－Ni－Co系合金)、42合金(Fe－Ni系合金)。此外，作為焊材，基於可信賴性、耐蝕性優異等之理由而可以採用金－錫系焊材，特別是，通常使用共晶組成之金80wt%－錫20wt%焊材。接著，密封蓋，一般上，係藉由利用打穿加工等將考慮基座形狀而被成形成窗框形狀之金－錫系焊材融接在密封蓋本體而製造。

就利用焊材融接法之密封所製造之半導體封裝為人所憂心之缺點，首先考慮基座與密封蓋之接合不良，加上，舉例在封裝密封時所熔融之焊材流入基座內等等。有這種焊材流入之情況時，將對半導體元件產生影響，特別是，水晶振盪器中頻率的變動等，會對其性能帶來顯著的損害。

焊材流入問題之考量，係依被融接在密封蓋之焊材之量以及焊材流動之安定性而不同。亦即，在焊材量多，且焊材流動不安定時，會造成熔融之焊材不規則地流過密封蓋表面且侵入基座內之情形。

這樣的場合下，也考慮以減少焊材之量，讓過剩的焊材不侵入基座內的做法。但是，這會出現在基座與密封蓋之間隙產生焊材不足，而造成無法完全密封間隙之接合不良之問題。

因此，本發明之目的在於提供一種被融接焊材之封裝密封用之密封蓋，不會成為封裝缺點之主因之，不會流入焊材之基座內之類的密封蓋。又，在該場合下，前提是不會產生基座與密封蓋之接合不良。

本案發明人等為了解決上述課題而進行檢討，且企圖控制往密封蓋本體被融接之焊材之形狀。以前的密封蓋中，即使在融接前將焊材成形成窗框形狀，在融接後也會變成圖1(a)所示之類的不定形。焊材形狀成為不定形時，往基座進行接合時之焊材流動會因不同部位而變成不規則，且提高往基座內流入之疑慮。因此，考慮藉由將融接後之焊材形狀，作成大致等於融接前之形狀之狀態(參照圖1(b))，就能夠控制焊材之不規則流動。

為了控制融接後(凝固後)之焊材形狀，則必須控制焊材融接時在蓋本體表面之焊材流動。此外，控制在蓋本體表面之焊材流動，係能夠抑制在與基座接合時焊材之不規則流動，也能防止焊材之往基座內流入。

就以上為背景下，本案發明人等係針對控制蓋本體表面之焊材之焊材流動而進行檢討。於是，本案發明人等係針對影響金(Au)－錫(Sn)焊材之焊材流動安定性之因子進行檢討，首先，著眼於蓋本體表面之面粗細度，且發現在特定表面粗細度之蓋本體，焊材之流動安定性會變得良好，而想到本發明。

亦即，本發明係一種不透氣密封蓋，包括：密封蓋本體；及被融接在該密封蓋本體表面之金－錫焊材，之不透氣密封蓋，其特徵在於：前述密封蓋本體之被融接金－錫系焊材之面之根據JIS B0601所規定之表面粗細度係0.005~0.25 μ m。

在本發明，將密封蓋本體之被融接焊材之表面之面粗細度設定在0.005~0.25 μ m方面，係根據本案發明人等之檢討，理由是：在超過0.25 μ m之面粗細度下，於融接時焊材之流動(擴大)會變得不規則，融接後之焊材形狀則成為不定形之形狀。另一方面，關於0.005 μ m之下限值，係因為難以將蓋本體之表面加工成低於該下限值之面粗細度，且並不適於量產的緣故。將面粗細度設定在根據JIS B0601者，係為了明確地作成其基準。接著，面粗細度之範圍在0.005~0.1 μ m尤佳。

於本發明，被融接焊材之面之面粗細度在上述範圍內即可。從而，在密封蓋本體直接融接焊材之場合，密封蓋本體之面粗細度於上述範圍即可。在此，本發明之密封蓋本體之材質，係可適用與以前相同之材質，而以科瓦鐵鎳鈷合金(kovar)或者42合金(alloy)較佳。

另一方面，於一般的密封蓋，其目的在於可確保密封蓋之耐蝕性以及可確保使金－錫系焊材熔融時的濕潤性，以對科瓦鐵鎳鈷合金等所構成之基材施予電鍍鎳(Ni)以及電鍍金(Au)者作為密封蓋本體，在此融接焊材而形成密封蓋。於具有此類之電鍍之密封蓋，電鍍金面成為融接焊材之面，且要求其面粗細度是在上述範圍內。

在此，本案發明人等，在對密封蓋本體施予電鍍金之場合，發現其厚度與融接時焊材之安定性兩者具有關連性。根據本案發明人等，藉由將電鍍金厚度在0.003~0.05 μ m之範圍內進行電鍍，與將表面粗細度設定在適當範圍內，兩者相輔相成而能讓焊材流動安定，且將融接後之焊材作成適宜的形狀。此外，電鍍金厚度在0.003 μ m以下之場合，濕潤性會變得極差，密封蓋之製造良率將會下降。接著，電鍍金層之厚度係以設定在0.005~0.025 μ m尤佳。

此外，在密封蓋進行電鍍金之場合，一般上，先進行電鍍鎳，而在其上進行電鍍金。該場合，電鍍鎳厚度最好是在0.01~5 μ m。電鍍鎳並不會影響到焊材之流動，但為了電鍍之上述目的(確保耐蝕性、濕潤性)，以該程度的厚度是足夠的。

另一方面，有關被融接之焊材，根據本案發明人等之檢討，為了將融接後之焊材之形狀作成適宜的形狀，可藉由將在融接前被成形之焊材的形狀、尺寸作成過當之形狀、尺寸，而使之變得容易。該焊材，係以具有窗框形狀，且利用以下數式所求出之形狀指數S在2.5以上6以下者較佳。

S＝w/((a－2w)．T)

於該式，w係表示焊材之通道寬幅(gangway width)(mm)，a表示焊材之長邊長度，T則表示焊材之厚度(mm)(參照圖2)。針對融接前之焊材以上述方式規定其尺寸，是因為在形狀指數S為2.5以下時，融接時焊材會積存在角落使之產生形狀不良的緣故，在超過6時，則是會造成焊材之浪費的緣故。

構成焊材之金－錫系焊材之組成，並未特別受限定，能夠適用錫濃度10~90重量百分比者。但是，從密封時確保可信賴性之觀點而言，較佳之焊材組成係錫濃度20~25重量百分比，在20~22重量百分比更好。此外，焊材之厚度，為了確實地進行密封，作成10~40 μ m較佳。

關於本發明之密封蓋之製造，除了調整密封蓋本體之面之面粗細度、電鍍金厚度、焊材尺寸之外，係與以前的密封蓋之製造工程相同。亦即，是將由構成密封蓋本體之材料(科瓦鐵鎳鈷合金、42合金)所形成之板材進行成型加工，且適當地施予電鍍鎳、電鍍金之後而接合焊材。

作為關於本發明之密封蓋之製造工程，較佳之工程，係將科瓦鐵鎳鈷合金、42合金所形成之板材進行壓延加工，且在這時，調整面粗細度，利用打穿加工等將該板材作成密封蓋，並於加工成所要的尺寸、形狀之後進行接合焊材之工程。利用此壓延加工之面粗細度，係能藉由調整壓延滾筒之加工面之面粗細度而予以調整，而壓延滾筒加工面之面粗細度則能利用調整研磨條件等而予以調整。

此外，在對密封蓋本體進行電鍍鎳、電鍍金之場合，係於被以上述方式調整面粗細度以及成型加工之基材進行電鍍處理。此時，電鍍後之表面之面粗細度，因為會依從基材之面粗細度，所以對於電鍍面並不需要進行表面粗細度之調整，而且能夠藉由在電鍍處理後之密封蓋本體直接地接合焊材而作成密封蓋。

焊材，係在往密封蓋本體進行接合之前利用打穿加工等而被成型加工成窗框形狀。焊材之接合，最好是利用融接以進行接合，此時的條件係依焊材之組成而有不同，但以設定加熱溫度為310~350℃、加熱時間0.1~10分鐘較佳。此外，焊材之融接，除了將被成型加工之箔狀(固體狀態)的焊材往密封蓋本體載置並使之融接之方法之外，也可以將糊狀的焊材印刷在密封蓋本體並使之融接。

如以上說明，關於本發明之不透氣密封蓋，係讓在被融接到密封蓋本體時之焊材流動受到控制。結果，能夠使形狀大致維持而融接焊材，且能夠有效率地製造被融接窗框形狀之焊材之密封蓋。

此外，關於本發明之不透氣密封蓋，因為焊材流動被改善，所以在往基座進行密封接合時的焊材流動也會較佳，且能抑制焊材之不規則的流動。從而，能夠作成適合的焊材形狀，同時，能防止造成封裝缺點之重要因素之焊材往基座內流入之情形。此外，因為焊材流動被改善，所以也消除產生接合不良之疑慮，且不需使用多量的焊材。必要最小限度的焊材使用，也有助於資源的有效利用。

又，於本發明，融接後的焊材之較佳形狀，係具有約略窗框形狀，在將融接後的焊材之通道寬幅設為W時，相對於融接前的焊材之通道寬幅w，以形成0.8w<W<1.6w較佳。包括這樣關係之密封蓋，在接合到基座時，將不易產生焊材往封裝侵入等之缺點。

以下，係說明本發明之最佳實施型態。本實施型態中，係針對市售之科瓦鐵鎳鈷合金板材進行種種面粗細度調整並予以加工，在此板材融接金－錫系焊材而作成密封蓋，評價該焊材之形狀、封裝密封時之品質。

密封蓋之製造，係以以下做法進行。針對市售的科瓦鐵鎳鈷合金製板材(尺寸：寬幅30mm×厚度0.2mm，面粗細度0.8 μ m)，利用壓延加工調整面粗細度。本實施型態中，在# 1000研磨＋搪磨(lapping)、# 1000研磨、# 500研磨、# 180研磨、# 80研磨之各條件下用調整加工面粗細度之壓延滾筒進行壓延加工，作成0.01 μ m、0.05 μ m、0.10 μ m、0.25 μ m、0.51 μ m之面粗細度之板材。接著，由此等之板材，利用衝壓打穿加工進行加工基材(尺寸：3.5mm□、厚度0.1mm)、利用電解桶(barrel)電鍍進行電鍍鎳2.18 μ m、電鍍金0.01~0.1 μ m，而形成密封蓋本體。

其次，在該密封蓋本體融接窗框形狀之金－錫焊材(外尺寸：3.5mm×3.5mm、內尺寸：3.0mm×3.0mm、通道寬幅(gangway width)0.25mm)而製造出密封蓋。又，此場合之形狀指數S係3.33。焊材之融接，係藉由將焊材定位並載置於密封蓋本體上之後，***電爐，在氮氣環境下以300~320℃加熱2分鐘而進行。又，作為所融接之焊材，係使用錫濃度20、21、22重量百分比之複數之金－錫焊材。此外，本實施型態中，係利用焊材組成等分別製造1000個密封蓋，且評價其生產良率等。

針對製造出之密封蓋，首先，邊確認焊材之形狀，邊測定融接後的焊材之寬幅且求出其平均數。此外，將焊材的寬幅在400 μ m以下者判定為合格，且算定合格品之生產良率。

其次，使用製造出之密封蓋進行與基座之接合，且進行評價。使用之基座，係氧化鋁(alumina)製的(尺寸：3.8mm×3.8mm、高度2.0mm)。此外，作為前處理，將基座之上面以鎢(tungsten)進行金屬化(metallize)，再者，進行電鍍鎳3 μ m、電鍍金0.5 μ m。

與基座之接合，係在上述基座以密封蓋融接焊材之面為下而載置，在10^{－ 5} atm之真空中，以溫度300~330℃加熱3分鐘而密封接合。

密封後，首先，測定嵌條(fillet)寬幅(由上方來看封裝，會從密封蓋露出之焊材之寬幅)。之後，從基座剝離密封蓋，檢討有無焊材往基座內部流入之情形。流入之有無，係以密封前後融接寬幅之差之平均值作為侵入平均值而加以判定。將以上之評價結果顯示於表1。

從表1可知，藉由將密封蓋本體之面粗細度設定在0.25 μ m以下，可得生產良率、嵌條寬幅、焊材流入等之綜合判定為良好者。特別是，可確認：藉由面粗細度，再加上將電鍍金厚度設定在0.05以下，可得到生產良率成95%以上，無焊材侵入之虞，之極為優良的密封蓋。

另一方面，面粗細度為超過0.25 μ m之0.51 μ m之密封蓋，雖然融接寬幅之平均低於400 μ m，但是生產良率大為降低。這是因為，在這樣的面粗細度之密封蓋本體融接焊材時，焊材變成圖1(a)之類的不定形者較多的緣故。接著，即使針對作成封裝時的評價，嵌條寬幅、侵入平均值也是一起急遽惡化。在密封時，發生此類之焊材流入之場合，焊材會與密封蓋之電鍍鎳進行反應，放出介在電鍍鎳中之氣體，而有對封裝內部之半導體元件造成不良影響之虞(例如，使水晶振盪器之頻率發生變動)。

產業上之利用可能性

根據關於本發明之方法，能夠有效率地製造被融接窗框形狀焊材之不透氣密封蓋，而關於本發明之不透氣密封蓋，因為焊材流動被改善，所以能夠作成適合的焊材形狀，同時，能防止造成封裝缺點之重要因素之焊材往基座內流入之情形。也消除產生接合不良之疑慮，且不需使用多量的焊材。必要最小限度的焊材使用，也有助於資源的有效利用。

a．．．焊材之長邊長度

w．．．焊材之通道寬幅(gangway width)

T．．．焊材之厚度

圖1(a)、(b)係模式地圖示焊材融接後密封蓋之外觀。

圖2係焊材各部尺寸之說明圖。

a．．．焊材之長邊長度

w．．．焊材之通道寬幅(gangway width)

T．．．焊材之厚度

Claims (8)

1. 一種不透氣密封蓋，包括：密封蓋本體；及金(Au)-錫(Sn)焊材，被融接在該密封蓋本體表面，其特徵在於：前述金-錫焊材係於進行電鍍金(Au)之後而被融接在密封蓋本體之物；前述密封蓋本體之被融接金-錫系焊材之面之根據JIS B0601所規定之表面粗細度係0.005~0.25μm；前述電鍍金之厚度係0.003~0.05μm；以及前述被融接在密封蓋本體之金-錫焊材係將一種具有窗框形狀，且利用以下數式所求出之形狀指數S為2.5以上6以下之物進行融接：S=w/((a-2w)‧T)其中，w係表示焊材之通道寬幅(gangway width)(mm)，a係表示焊材之長邊長度，T係表示焊材之厚度(mm)。
2. 如申請專利範圍第1項之不透氣密封蓋，其中前述密封蓋本體係由科瓦鐵鎳鈷合金(kovar)或者42合金(alloy)所構成。
3. 如申請專利範圍第1或2項之不透氣密封蓋，其中在密封蓋本體施以電鍍鎳(Ni)，且在電鍍鎳以及電鍍金之上融接金-錫系焊材。
4. 如申請專利範圍第3項之不透氣密封蓋，其中前述電鍍鎳之厚度係0.01~5μm。
5. 如申請專利範圍第1項之不透氣密封蓋，其中前述金-錫系焊材之錫濃度係10~90重量百分比。
6. 如申請專利範圍第1項之不透氣密封蓋，其中在將融接後之焊材之通道寬幅作成W後，相對於融接前之焊材之通道寬幅w，形成0.8w<W<1.6w。
7. 一種不透氣密封蓋之製造方法，將科瓦鐵鎳鈷合金或者42合金所構成之板材加以成型，並在密封蓋本體融接金-錫系焊材，其特徵在於：在融接前述金-錫系焊材之前，利用壓延加工前述板材，將根據JIS B0601所規定之表面粗細度作成0.005~0.25μm；在前述壓延加工之後，形成厚度為0.003~0.05μm之電鍍金；以及之後，融接具有窗框形狀，且利用以下數式所求出之形狀指數S為2.5以上6以下之前述金-錫焊材：S=w/((a-2w)‧T)其中，w係表示焊材之通道寬幅(gangway width)(mm)，a係表示焊材之長邊長度，T係表示焊材之厚度(mm)。
8. 如申請專利範圍第7項之不透氣密封蓋之製造方法，其中在壓延加工後進行電鍍鎳以及電鍍金。