(57)【要約】【解決課題】ろう材により各種の被接合部材を接合する場合において、微小な部材の接合に対応可能であり、かつ、ボイド等の欠陥の発生が抑制された方法であって、より低コストな方法を提供することを目的とする。【解決手段】目的のろう材と略等しい形状の凹部を有するノズル１０の下面を被接合部材２０に当接し、被接合部材２０をろう材の液相線温度以上に加熱すると共にノズルを介してワイヤＷを被接合部材２０上に押圧する。これにより、ワイヤＷは溶融し、毛細管現象により浸透し凹部内に充填され、凝固することにより目的とする形状のろう材となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材上に所定形状のろう材を融着する方法であって、融着するろう材と略等しい形状の凹部を下面に備えるノズルを被接合部材に当接する工程と、
融着するろう材と同一の構成元素を同一組成で含むワイヤをノズル上方より挿入する工程と、
被接合部材をろう材の液相線温度以上で加熱すると共に、前記ワイヤを被接合部材に押圧し、ワイヤを溶融させる工程と、
を含むろう材の融着方法。
【請求項２】
ノズルの材質をチタン、ステンレス鋼、カーボン、セラミックスのいずれかとする請求項１記載のろう材の融着方法。
【請求項３】
ワイヤの直径を０．１〜１．０ｍｍとし、ノズルの温度をろう材の液相線温度未満に保持する請求項１又は請求項２記載のろう材の融着方法。
【請求項４】
ワイヤは、ろう材と同一組成の合金である請求項１〜請求項３記載のろう材の融着方法。
【請求項５】
ワイヤは、その断面形状が、ろう材を構成する一の構成元素を中心とし、他の構成元素が前記一の構成元素を包囲する同軸構造を有するものである請求項１〜請求項４記載のろう材の融着方法。
【請求項６】
ワイヤは、その断面形状が、ろう材を構成する一の元素を基材とし、他の元素が前記一の構成元素に順次積層するクラッド構造を有する請求項１〜請求項５記載のろう材の融着方法。
【請求項７】
ノズル上流に押出し機を配し、ろう材と同一組成の合金インゴットを前記押出し機により押出し加工してワイヤとする請求項１〜請求項６記載のろう材の融着方法。
【請求項８】
ノズル上流に連続鋳造装置を配し、ろう材と同一組成の合金溶湯を前記連続鋳造装置により連続鋳造してワイヤとする請求項１〜請求項６記載のろう材の融着方法。
【請求項９】
融着するろう材は、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材である請求項１〜請求項８記載のろう材の融着方法。
【請求項１０】
被接合部材を載置し加熱するステージと、
融着するろう材と略等しい形状の凹部を下面に備えるノズルと、
前記ノズルに供給するワイヤを送り又は戻し運動させるピンチローラーと、
インゴットを押出し加工し、ワイヤとする押出機と、
からなるろう材の融着装置。
【請求項１１】
ピンチローラーと押出し機との間のワイヤの長さを検知する検知手段を備え、前記検知手段は、前記押出し機と連動している請求項１０記載のろう材の融着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子パッケージのキャップ等の被接合部材に所定形状のろう材を接合するためのろう材融着方法及びそのための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＡＷフィルター、水晶振動子等の各種半導体素子は、大気暴露によりその導体パターンやパッドが腐食し、特性が悪化するおそれがある。そこで、これら半導体素子は、外気と完全に遮断すべく、通常、内部が真空若しくは不活性ガスが充填された金属製又はセラミック製の容器（パッケージ）に気密封止された状態で電子機器に搭載されている。ここで、半導体素子の気密封止方法としては、製造する電子部品の規模、要求される気密性能等に応じて使い分けられているが、最も広く用いられているのがろう材によるシール法である。このシール法は、予めキャップにろう材を接合し、これを半導体素子が載置されたベースにろう付けし密閉する方法である。
【０００３】
このろう付けによるシール法でキャップにろう材を接合する工程は、従来、ろう材を予めキャップ形状に合わせることとし、図４のように、まずろう材１００を枠形状（或いは四角形）に加工し、これをキャップ１０１に融着して利用している。そして、ろう材を融着したキャップ１０２を半導体素子１０３が載置されたベース１０４上に接合している。そして、ろう材の加工については、打ち抜き加工によるものが一般的である。
【０００４】
ろう材の加工は、現在の加工技術においてはさほど困難なものではなく、また、様々な改良技術も提案されており効率的な加工も可能である（このろう材の打ち抜き加工に関する先行技術としては、特許文献１記載の技術がある。）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３９７８６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ろう材を打ち抜き加工で成形し、これをキャップに接合する従来の方法にはいくつかの問題がある。即ち、最近の電子部品の軽薄短小化へにより、それに用いられるろう材もより薄く、小さなものが要求されるようになったが、加工サイズの縮小には限界がある。また、打ち抜き加工により成形されたろう材にはわずかながら反りが生じることが多いが、反りが生じたろう材を被接合部材に融着する場合、ろう材の溶融・凝固時に周囲のガスを巻き込み、凝固したろう材中にボイド等の欠陥が生じるおそれがある。これは、今後より薄いろう材の適用が求められることを考慮すれば、一層深刻となる問題である。
【０００７】
更に、従来のようにろう材を成形して融着する工程では、最初にろう材の加工が必要となる。ろう材の加工は、ろう材となる合金を製造し、これを打ち抜き加工用のシート又はテープに成形し、そして、これを打ち抜き加工するという複数の工程よりなる。従って、従来の融着方法は、全体として工程数が多くなり、ろう材のコストひいては部材のコストが高くなる傾向がある。また、コスト面について更に言及すると、ろう材を打ち抜き加工する際には、ろう材として使用する面積以上の面積の加工用シート（テープ）が必要になるため、実際に使用する金属量以上の金属が必要であり地金の歩留まりの面からも好ましいとはいない。
【０００８】
以上のような問題は、半導体素子パッケージのキャップの接合のみに限定されるものではなく、予め成形したろう材を用いて被接合部材を接合する場合全てに該当するものである。
【０００９】
本発明は、以上のような背景のもとなされたものであり、ろう材により各種の被接合部材を接合する場合において、微小な部材の接合に対応可能であり、かつ、ボイド等の欠陥の発生が抑制された方法であって、より低コストな方法を提供することを目的とする。また、そのようなろう材の融着方法を実施可能な装置についても開示する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく、従来のろう材を加工する工程と、ろう材を被接合部材に融着する工程を経る方法に替えて、被接合部材上で直接的に所望の形状のろう材を融着・成形する手法について検討した。このようにろう材の加工工程と融着工程とを一工程とすることで工程数の削減、コスト低下を図ることができるからである。そして、その具体的な方法として、目的とするろう材と等しい形状の凹部を有するノズルを用いて被接合部材上にろう材となるワイヤを供給し、このワイヤを凹部内で溶融させ、凹部を鋳型として凝固させて所望の形状とする方法に相当した。
【００１１】
即ち、本発明は、被接合部材上に所定形状のろう材を融着する方法であって、融着するろう材と略等しい形状の凹部を下面に備えるノズルを被接合部材に当接する工程と、融着するろう材と同一の構成元素を同一組成で含むワイヤをノズル上方より挿入する工程と、被接合部材をろう材の液相線温度以上で加熱すると共に、前記ワイヤを被接合部材に押圧し、ワイヤを融解させる工程と、を含むろう材の融着方法である。
【００１２】
以下、本発明に係るろう材融着方法の詳細につき、その工程を図１を示しつつ説明する。まず、本発明で使用するノズルとは、供給するワイヤを固定すると共に、溶融したワイヤを所定形状とするための鋳型としての役割を有するものである。このノズルは、融着するろう材と略等しい形状の凹部を有し、これが鋳型としての機能を有する。このノズル及びその凹部の形状の例を図２に示すが、四角形状のろう材を融着させるためには図２（ａ）のようなノズルが適用できる。また、リング状（枠状）のろう材を融着させるためには、図２（ｂ）のように、凹部はリング状の溝となり、その溝に通じる孔からワイヤを供給できるようになっている。尚、このノズルの組成としては、チタン、ステンレス鋼、カーボン、セラミックスのいずれかとするのが好ましい。これらの材料は濡れ性、耐食性が良好であり、溶融金属の付着が少ないからである。
【００１３】
本発明に係る方法では、被接合部材２０を固定後、ノズル１０の下面を被接合部材２０に当接する（図１（ａ））。そして、目的のろう材と同様の組成で構成元素を含むワイヤＷを、ノズル１０に供給する（図１（ｂ））。ここで、本発明でワイヤを用いるのは、本発明は特に微小なろう材の融着を目的としたものであり、融着するろう材の量を正確に制御するためには供給量の制御が容易なワイヤが好ましいからである。このワイヤの直径は、０．１０ｍｍ〜１．００ｍｍの範囲のものが好ましい。あまりに小径のワイヤを用いると長尺のワイヤが必要になるからであり、また、ワイヤ径が大きいとワイヤの溶融量の制御が困難となるからである。そして、このワイヤについては、融着するろう材と同一組成の合金よりなるワイヤが一般に用いられるが、凝固後に目的組成のろう材（合金）と同一組成となっていれば良いのであるから、必ずしも合金状態のワイヤを用いる必要はない。従って、このワイヤとしては、単一相からなる合金ではなく多相状態のもの、例えば、ろう材を構成する一の構成元素を中心とし、他の構成元素が前記一の構成元素を包囲する同軸構造であるワイヤや、ろう材を構成する一の元素を基材とし、他の元素が前記一の構成元素に順次積層するクラッド構造を有するワイヤを用いても良い。
【００１４】
ノズル１０に供給されたワイヤＷは、被接合部材２０上に押圧される。図１では、ワイヤの供給手段としてピンチローラー１１が適用されている。このとき被接合部材２０を融着目的となるろう材の液相線温度以上に加熱することにより、ワイヤＷは溶融することとなる（図１（ｃ））。この被接合部材２０の加熱は、後述のように被接合部材のみを加熱することが好ましい。また、ワイヤＷの送り長さは、目的となるろう材の量とワイヤの溶融量とが等しくなるような長さである。このワイヤの送り長さは、予め必要な送り長さを計算しワイヤ供給手段の制御部にプログラミングしておくことで制御することができる。尚、この際のノズル１０の温度はろう材の液相線温度未満、即ち、ワイヤＷが溶融しない温度に保持しておくことが好ましい。ノズルを液相線温度以上に加熱してもノズル凹部内でのろう材の成形は可能であるが、ノズル内で溶融したワイヤがノズルの詰まりを生じさせるおそれがあること、また、あまりに早くワイヤを溶融させると溶融したワイヤが酸化するおそれがあるからである。
【００１５】
ノズル１０の凹部内で溶融したワイヤは、毛細管現象により浸透し凹部内に充填され、凝固することにより目的とする形状のろう材となる。そして、所定量のワイヤを供給・溶融させた後に、ワイヤは引き上げられ（図１（ｄ））、ノズル１０を上昇させることでろう材の融着が完了する（図１（ｅ））。
【００１６】
以上の工程により、被接合材上には所望の形状のろう材が形成され、この工程を順次繰り返すことにより複数の被接合部材にろう材を連続的に融着することができる。本発明によれば、ろう材の成形、融着を１つの工程により行なうことができるので、効率的かつ低コストでろう材の融着が可能となる。また、本発明による利点はこれだけではなく、本発明により融着されたろう材にはボイド等の欠陥が発生し難い。従来のろう材の融着方法では融着前にろう材を成形しており、この段階でろう材に生じる反りが欠陥の主要因となっている。これに対し、本発明では、溶融するろう材を被接合部材上で成形しているからである。
【００１７】
本発明に係るろう材の融着方法は、各種のろう材に適用することができるが、Ａｕ−Ｓｎ系のろう材（代表的なものとして８０Ａｕ−２０Ｓｎ（ｗｔ％）ろう材：融点約２８０℃）やそれ以上の融点を有するろう材（銀ろう等一般に硬ろう材と呼ばれているもの）の融着において好ましい成果を見る。前者については、現在半導体パッケージの封止用のろう材の主流であり、後者の高融点のろう材は、高価な貴金属の含有量が多いものが一般的であり、地金歩留まりを考慮すれば本発明に係る方法の適用が好ましいといえるからである。
【００１８】
また、本発明に係る方法の用途は、半導体パッケージを封止するためのろう材の融着に限定されるものではなく、ろう材の融着を要する他の用途にも適用可能である。例えば、リードフレーム上にろう材ペレットをマウントする場合や、光学部品の基板への搭載等への適用が可能である。
【００１９】
ところで、上記のように本発明は、Ａｕ−Ｓｎ系のろう材（８０Ａｕ−２０Ｓｎ（ｗｔ％）ろう材）、高融点ろう材（銀ろう等）の融着に好適である。ここで、これらのろう材を融着する場合においては、品質面はともかくコスト面から必ずしも好ましくないときがある。というのも、本発明においては、ろう材融着のためにこれと同一の組成のワイヤを原材料として供給しているが、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材等のワイヤは、材料費、加工コストの面から高価なものがある。例えば、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材は、金という貴金属を８０ｗｔ％含むため地金のコストが高いことに加えて、Ａｕ−Ｓｎ系合金は脆性が悪くワイヤとするための加工において加工速度を低くして慎重に加工する必要があるため加工コストが高く、これらの理由によりＡｕ−Ｓｎ系合金ワイヤのコストは比較的高いのである。これに対して、本発明において、ろう材として使用するワイヤの量は、実際はさほど多いものではない。本発明は半導体パッケージ等の微小部品接合用のろう材の融着に好適であるが、かかる微小部品に融着させるろう材の量は微々たるものということができるからである。
【００２０】
以上の点を考慮すると、本発明において市販の長尺のワイヤを用意し、これをそのまま利用することはコスト面でのデメリットが生じるおそれがある。そこで、本発明者等は、Ａｕ−Ｓｎろう材等をより低コストで融着するために、ノズルの上流側に押出し加工機又は連続鋳造装置を配し、融着工程に先立ちインゴットを押出し加工又は連続鋳造してワイヤを製造し、これをノズルへ供給することとした。このようにすれば、融着させるろう材の量に応じてワイヤを供給することができ、長尺の（高価な）ワイヤを用いる必要がなく、ろう材融着のコストを低減できる。尚、ワイヤの加工とろう材の融着とを連続的に行なう方法においては、ワイヤの加工と融着工程とを同時に行っても良いが、材質によっては加工速度が遅いものもあり融着工程の進度と同調させることができない場合がある。かかる場合には、まずワイヤの加工を行ない、ろう材の融着が複数回可能な程度のワイヤを余分に加工し、融着が進行してワイヤの消耗が生じたらワイヤの加工を行なう、といった作業を繰り返すこととなる。
【００２１】
この融着工程前にワイヤの製造を行う方法において、より好ましいのは押出し加工を適用する場合である。連続鋳造では装置構成が多少複雑となり、また融着加工の進度に対応したワイヤを鋳造するための制御がやや困難となるからである。そこで、本発明者等は本発明に係るろう材の融着方法を実施する装置として、ノズル上流に押出し加工機を配したろう材の融着装置を開発した。
【００２２】
この装置は、被接合部材を載置し加熱するステージと、融着するろう材と略等しい形状の凹部を下面に備えるノズルと、前記ノズルに供給するワイヤを送り又は戻し運動させるピンチローラーと、インゴットを押出し加工し、ワイヤとする押出機と、からなる。
【００２３】
そして、この装置には、ピンチローラーと押出し機との間のワイヤの長さを検知する検知手段を備えるのが好ましい。これによりノズルでの融着工程の進行によるワイヤの消耗を感知することができる。そして、この検知手段と押出し機とを連動させることにより、ワイヤの消耗に応じてワイヤを加工することができ無駄のない作業が可能となる。この検知手段としては、必ずしもワイヤ長さを直接的・数値的に検知するものである必要はなく、ピンチローラーと押出し機との間のワイヤの位置を電気的又はレーザーセンサーで検出することにより間接的にワイヤの長さを検出するものでも良い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態を比較例と共に説明する。本実施形態では、８０Ａｕ−２０Ｓｎ（ｗｔ％）合金インゴットを用いて、これを押出し成形してワイヤとして基板上に融着して四角形のろう材を成形した。原料となる８０Ａｕ−２０Ｓｎインゴットは、溶解鋳造法により製造した。
【００２５】
図３は、本実施形態で使用したろう材融着装置の構成を示すものである。図３において、融着装置１は、合金インゴット３０をワイヤＷに押出し加工する押出し加工機３１と、ノズル１０と、加工されたワイヤＷをノズル１０に送り、被接合部材である基板２０に押圧するピンチローラー１１とからなる。また、ノズル１０と押出し機２１との間には、ワイヤＷの消耗を感知し、押出し機２１の作動を促すための検知手段として１対のタッチセンサー１２ａ、１２ｂが設置されている。このタッチセンサー１２ａ、１２ｂの動作については後述する。尚、ピンチローラー１１には予め設定されたワイヤの送り長さでワイヤを送り、戻しさせる制御手段（図示せず）により制御される。
【００２６】
本実施形態で使用したノズル１０は、図２（ａ）で示したものと同一形状である。このノズル１０はチタン製であり、ワイヤの供給部は、内径０．５５ｍｍの円筒であり、鋳型となる凹部は１ｍｍ×１ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの直方体である。
【００２７】
このろう材融着装置１を用いたろう材の融着工程は、次のようになる。製造した合金インゴット３０を押出し機３１内に装填する。本実施形態では、合金インゴットとして直径１５ｍｍ長さ３０ｍｍの円柱状の８０Ａｕ−２０Ｓｎ合金を装填した。そして、押出し機３１によりインゴットを直径０．５ｍｍのワイヤＷに加工した（加工速度は５ｍｍ／ｓｅｃとした）。押出し加工されたワイヤＷは、ピンチローラー１１にセットされる。このとき、融着工程が進行しても押出し加工を行なうことなくワイヤの供給ができるように、ピンチローラー１１と押出し機３１との間のワイヤには弛みを生じさせておく（弛みが生じるまで押出し加工を行なっておく）。但し、この弛みがあまりに大きいとワイヤの変形等の不都合が生じるので、加工されるワイヤＷがタッチセンサー１２ａに接触したら、押出し加工機３１は停止するようになっている。
【００２８】
ワイヤＷの準備が完了したら、ろう材の融着工程に移行する。まず、被接合部材である基板２０を加熱ステージ４０の所定位置に固定する。ここでの基板２０は、厚さ０．５ｍｍのコバールにニッケル及び金をそれぞれ１μｍめっきしたものを用いた。また、この基板の加熱温度は３００℃とし、更に基板周囲を窒素ガスフローし、雰囲気を不活性ガス雰囲気としている。そして、基板２０の固定後、基板上のろう材融着位置にノズル１０の下面を当接する。その後、ピンチローラー１１によりワイヤＷをノズル内に送り出し、更にワイヤＷを基板２０に押圧する。これによりワイヤは溶融するが、ピンチローラー１１は予め設定された長さのワイヤを送り出すと、ワイヤを引き上げるように設定されている。本実施形態でのワイヤ送り長さは１回の融着につき１．０２ｍｍと設定されている。溶融したワイヤは、速やかにノズルの凹部内に充填され、その形状に等しい形状ろう材が基板上に形成される。
【００２９】
以上の工程の後、ノズル１０を上昇させることで１つの基板上に１つのろう材１００が成形、融着されることとなる。そして、複数の基板に融着を行う場合、又は、複数のろう材を融着する場合には以上の操作を繰り返すこととなる。ここで、融着工程を繰り返すことによりワイヤが消耗するが、このワイヤの消耗はタッチセンサー１２ｂが検知する。つまり、融着の進行、即ちワイヤＷの消耗に伴い、ノズル上流側の弛みは減少する（図３点線）。このときタッチセンサー１２ｂはワイヤＷと接触した時点で押出し機３１を作動させるようになっており、押出し機３１はワイヤを補充すべく押出し加工を行なう。そして、このように、ワイヤの加工→融着工程→ワイヤの加工を繰り返すことにより、複数の基板上に順次ろう材を融着することができる。
【００３０】
次に本実施形態で融着したろう材について、ボイドの有無を調査した。この検討は、従来の打ち抜き加工で製造したろう材を、基板上に融着した場合との比較により行った。
【００３１】
比較対象となる従来法によるろう材は、Ａｕ−Ｓｎインゴットを圧延して得られるテープ材（厚さ０．２ｍｍ）を打ち抜き機により１ｍｍ角状に打ち抜いて四角形のろう材を成形し、このろう材を基板上に載置し、これらを３００℃に保持した電気炉（窒素ガスフロー）内に導入し融着することにより行った。
【００３２】
ボイドの有無については、融着界面を軟Ｘ線により観察し、ボイド面積を数値化し、この数値をろう材の融着面積（１ｍｍ２）で除した値をボイド面積比として求め、このボイド面積比を比較することにより両者の優劣を判断した。この評価は５枚の基板について行った。表１はその結果を示す。
【００３３】
【表１】
2004237336.tif 000003
【００３４】
この表１の結果からわかるように、本実施形態で融着したろう材は、比較例（従来技術）に比べてボイド面積比が低く、また、そのばらつきも少ないことが確認された。即ち、本実施形態ではボイドが少ないろう材を安定的に融着することができることがわかった。その理由としては、既に述べたように、本実施形態ではろう材の成形、融着を同時に行うものであり、その際にガスを巻き込み難い状態で成形させていることが挙げられる。また、従来法は電気炉中での加熱であるためろう材は複数方向から熱を受け、複数箇所で溶融が進行し周囲のガスを巻き込みやすいと考えられる。対して本実施形態では、基板からの一方向からの熱により溶融するものであり溶融のプロセスが安定的であることによるものと考えられる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、各種の被接合部材へろう材を接合する際に、微小な部材に対しても軽薄短小なろう材の融着を行なうことができる。本発明により融着されるろう材は、ボイド等の欠陥の発生が抑制されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るろう材の融着法法の工程を説明する図。
【図２】ノズルの形状の具体例を示す図。
【図３】本実施形態で使用したろう材の融着装置の構成を示す図。
【図４】ろう材を用いる半導体素子パッケージの封止工程を説明する図。
【符号の説明】
１０  ノズル
１１  ピンチローラー
１２ａ、１２ｂ  タッチセンサー
２０  被接合部材（基板）
３０  合金インゴット
３１  押出し機
４０  加熱ステージ
１００  ろう材
１０１、１０２  キャップ
１０３  半導体素子
１０４  ベース
【図１】
2004237336.tif 000004
【図２】
2004237336.tif 000005
【図３】
2004237336.tif 000006
【図４】
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