(57)【要約】[要約][課題]  蓋体をケースに低温でろう付けしても、それらの間に耐熱性に優れた溶着層を速やかに形成することができる電子部品パッケージ等を提供する。[解決手段]  本発明の電子部品パッケージは、電子部品を収納する凹部を有するケース(1)と、前記凹部を密閉するように溶着層(20)を介してケース(1)にろう付けされた蓋体(8)を備える。前記ケース(1)は前記凹部の開口部の外周部にＦｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層(5)を有し、前記蓋体(8)は前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成された第２金属層(10)を有する。前記溶着層(20)はＳｎを主成分とするろう材によって形成されたろう材層(12A)と、このろう材層の両側に前記第１、第２金属層(5)，(10)のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎ原子とが拡散反応して形成された第１、第２金属間化合物層(5A)、(10A)を有する。[選択図]      図２【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケースと、溶着層と、前記ケースの凹部を密閉するように前記ケースの凹部開口部の外周部に前記溶着層を介してろう付けされた蓋体を備えた電子部品パッケージであって、
前記ケースは、前記凹部開口部の外周部に積層され、Ｆｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を有し、
前記蓋体は基材層と、この基材層のケース側表面に積層され、前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成された第２金属層を有し、
前記溶着層は、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層と、このろう材層の両側に形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層を有し、前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎとが拡散反応して形成された、電子部品パッケージ。
【請求項２】
前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項１に記載した電子部品パッケージ。
【請求項３】
前記溶着層は、平均厚さが１０〜５０μm である請求項１又は２に記載した電子部品パッケージ。
【請求項４】
前記溶着層の縦断面において、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層の合計面積が前記溶着層の全面積に対して２５％以上、９８％以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載した電子部品パッケージ。
【請求項５】
電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケース本体及び前記凹部開口部の外周部に設けられ、Ｆｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を備えたケースと、基材層及び前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成され、前記基材層の一方の表面に積層形成された第２金属層を備えた蓋体と、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金によって形成されたろう材を準備する準備工程と、
前記第１金属層と第２金属層との間に前記ろう材を挟むように前記ケースと蓋体とを重ね合わせたパッケージ組立体を組み立て、前記パッケージ組立体を加熱して前記ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするろう付け工程を有し、
前記溶着層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎ原子とが拡散反応して形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層と、前記ろう材の未拡散反応部からなるろう材層とからなり、前記ろう材層の両側に前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層が形成された、電子部品パッケージの製造方法。
【請求項６】
前記第１金属層又は第２金属層は、その表面にＡｕによって表面層が形成された請求項５に記載した製造方法。
【請求項７】
前記ろう付け工程において、前記ろう材の融点より１０〜３０℃高い温度に加熱してろう付けする請求項５又は６に記載した製造方法。
【請求項８】
前記ろう材は、前記蓋体の前記第２金属層の上に積層されたろう材層からなる、請求項５から７のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項９】
前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項５から８のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項１０】
前記溶着層は、その平均厚さが１０〜５０μm である請求項５から９のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項１１】
基材層と、金属層と、ろう材層を備え、前記基材層、金属層及びろう材層が同順序で接合された電子部品パッケージ用蓋材であって、
前記ろう材層が純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成され、前記金属層がＦｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された、電子部品パッケージ用蓋材。
【請求項１２】
前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項１１に記載した電子部品パッケージ用蓋材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を収納する電子部品パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、水晶振動子、圧電振動子などの種々の電子部品は、しばしば外部環境から電子部品を保護するために電子部品パッケージに収納される。電子部品パッケージは、例えば、電子部品を収納する凹部が上部に開口するように形成されたケースと、前記凹部を密閉するように前記ケースの開口部の外周部にろう付けされた蓋体とを備える。前記凹部は蓋体の溶着により、外界から遮断された電子部品の収納空間部を形成する。前記蓋体は、通常、コバール（商品名）のようなＦｅより熱膨張率の低い低熱膨張率の金属で形成された基材層を備え、その両面にＮｉによって形成されたＮｉ層が積層されている。前記ろう材としては、種々の軟ろう合金、例えばＳｎ−Ａｇ合金、Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｉｎ−Ｓｎ合金が使用される。【０００３】
電子部品が収納された電子部品パッケージは、他の電子部品と共に配線基板上の所定位置にろう付けにより固定される。前記ろう付けは、通常、量産性などのために、配線基板上に前記電子部品パッケージなどの電子部品を配置し、その基板全体を加熱炉内に通すことにより、各電子部品を同時に基板にろう付けする方法が採られる。【０００４】
このように、電子部品パッケージは、一旦、電子部品を収納したケースと蓋体とをろう付けする際に加熱され、再度、配線基板上へのろう付けの際に加熱される。このため、蓋体をケースにろう付けする際に用いられるろう材は高融点の材料が好ましいが、高温でろう付けするとパッケージに収納された電子部品が劣化したり、その耐久性が低下するおそれがある。【０００５】
このような問題に対し、国際公開ＷＯ０２／０７８０８５号（特許文献１）に開示されているように、ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするに際し、軟ろう材としてＳｎ基ろう合金を使用し、ろう付けの際にろう材のＳｎ原子と、ケース及び蓋体に設けたＮｉ層のＮｉ原子とを拡散反応させてＮｉＳｎ系の金属間化合物層を形成し、前記溶着層をろう材の未拡散反応部からなるろう材層と、このろう材層を前記ＮｉＳｎ系の金属間化合物層で挟んだ構造とすることが提案されている。この溶着層の形成により、低温でのろう付けを可能にしつつ、ケースと蓋体とを接合する溶着層の耐熱性を向上させることが可能になった。
【特許文献１】国際公開ＷＯ０２／０７８０８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術によって溶着層の耐熱性を向上させることができたが、ろう付けの際に前記ＮｉＳｎ系の金属間化合物層を成長させるのに時間がかかり、電子部品パッケージの生産性が劣るという問題がある。また、ろう付け温度が低くても、その温度での保持時間が長くなると、パッケージ中に収納された電子部品の性能が低下するおそれが生じる。【０００７】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、ろう材の融点近傍の比較的低温で蓋体をケースにろう付けしても、ケースと蓋体との間に耐熱性に優れた溶着層を速やかに形成することができ、これによって生産性に優れると共にパッケージに収納される電子部品に特性劣化が生じ難い、電子部品パッケージおよびその製造方法、並びに電子部品パッケージの蓋体として好適な蓋材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題について鋭意研究したところ、以下の事実を知見した。Ｎｉ層のＮｉ原子とろう材のＳｎ原子との拡散反応によってＮｉ層の界面に生成するＮｉ及びＳｎからなる金属間化合物（主としてＮｉ3Ｓｎ4）はＮｉ原子の拡散を抑制する作用が大きいため、金属間化合物を十分に形成するには長時間の加熱が必要である。しかし、ろう材のＳｎ原子とＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ原子及びＦｅ原子との拡散反応によって生成する金属間化合物（主として（ＮｉＦｅ）3Ｓｎ4）は拡散を妨げ難いため、ごく短時間で金属間化合物が成長する。本発明はかかる知見を基に完成されたものである。【０００９】
すなわち、本発明による電子部品パッケージは、電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケースと、溶着層と、前記ケースの凹部を密閉するように前記ケースの凹部開口部の外周部に前記溶着層を介してろう付けされた蓋体を備え、前記ケースは前記凹部開口部の外周部に積層され、Ｆｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を有し、前記蓋体は基材層と、この基材層のケース側表面に積層され、前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成された第２金属層を有し、前記溶着層は純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層と、このろう材層の両側に形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層を有し、前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎとが拡散反応して形成されたものである。【００１０】
この電子部品パッケージによると、第１金属層および第２金属層は、Ｆｅを５．０〜２０mass％含むＮｉ−Ｆｅ合金で形成されるので、第１，第２金属間化合物層はＮｉ原子の拡散を妨げ難い、Ｆｅを含むＮｉＳｎ系の金属間化合物で形成される。このため、蓋体のろう付けの際に、金属間化合物層が速やかに形成される。従って、本発明に係る電子部品パッケージは生産性に優れ、またパッケージに収納される電子部品の特性劣化を防止することができる。また、第１金属間化合物層および第２金属間化合物層は、第１金属層および第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子とろう材のＳｎ原子とが拡散反応により形成されたものであるから、溶着層のろう材層は、凹凸状の第１、第２金属間化合物層の間に入り組んだ形態に形成される。このため、溶着層は、良好な接合性及び耐熱性を備える。このため、ろう材の融点超の高温状態に曝されても、溶融したろう材層にピンホールやミクロクラックが生じ難く、本発明に係る電子部品パッケージは気密性に優れる。【００１１】
前記電子部品パッケージにおいて、前記ろう材としては、Ｐｂは環境汚染や人体への悪影響のおそれがあるため、Ｐｂを含まないろう材が好ましい。また、前記溶着層の平均厚さは、１０〜５０μm とすることが好ましい。また、前記溶着層の縦断面において、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層の合計面積は、前記溶着層の全面積に対して２５％以上、９８％以下とすることが好ましい。【００１２】
また、本発明の電子部品パッケージの製造方法は、電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケース本体及び前記凹部開口部の外周部に設けられ、Ｆｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を備えたケースと、基材層及び前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成され、前記基材層の一方の表面に積層形成された第２金属層を備えた蓋体と、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金によって形成されたろう材を準備する準備工程と、前記第１金属層と第２金属層との間に前記ろう材を挟むように前記ケースと蓋体とを重ね合わせたパッケージ組立体を組み立て、前記パッケージ組立体を加熱して前記ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするろう付け工程を有し、前記溶着層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎ原子とが拡散反応して形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層と、前記ろう材の未拡散反応部からなるろう材層とからなり、前記ろう材層の両側に前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層が形成されたものである。【００１３】
この製造方法によると、第１、第２金属層が５．０〜２０mass％のＦｅを含有したＮｉ−Ｆｅ合金で形成されるため、ろう材の融点より１０〜３０℃程度高い、比較的低温のろう付け温度に加熱後、せいぜい１００秒程度保持し、冷却するだけで、凹凸状の第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間にろう材層が挟持された溶着層を速やかに形成することができる。このため、電子部品パッケージの生産性に優れる。【００１４】
前記製造方法において、前記第１金属層又は第２金属層の上にＡｕによって表面層を形成することが好ましい。これによって、第１、第２金属間化合物層の生成がより促進され、生産性を向上させることができる。また、前記ろう材は、前記蓋体の前記第２金属層の上に積層されたろう材層として準備してもよい。また、前記ろう材は、環境、安全性への見地からＰｂを含有しないものがよい。また、前記溶着層は、その平均厚さを１０〜５０μm とするのがよい。【００１５】
また、本発明の電子部品パッケージ用蓋材は、基材層と、金属層と、ろう材層を備え、前記基材層、金属層及びろう材層が同順序で接合され、前記ろう材層が純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成され、前記金属層がＦｅを５．０〜２０mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成されたものである。この蓋材によれば、その製造が容易であり、またろう材を別途準備することなく、当該蓋材から製作した蓋体を電子部品パッケージのケースに直接ろう付けすることができる。このため、前記電子部品パッケージを容易に製造することができ、電子部品パッケージ用蓋体の素材として好適である。【００１６】
以上説明したように、本発明の電子部品パッケージによれば、第１、第２金属層は、Ｆｅを５．０〜２０mass％含むＮｉ−Ｆｅ合金で形成されているので、ろう付けの際に第１、第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子とろう材のＳｎ原子とが拡散反応して第１、第２金属層とろう材の界面にＦｅを含むＮｉＳｎ系の金属間化合物を形成することができる。この金属間化合物はＮｉ原子、Ｆｅ原子の拡散を妨げないため、ろう材層の両側に第１、第２金属間化合物層が速やかに形成される。このため、本発明の電子部品パッケージは、生産性に優れ、またろう材の融点超の温度に曝されても、再溶融したろう材層にピンホールやクラックが生じ難いため、優れた気密性を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態にかかる電子部品パッケージの断面模式図である。
【図２】電子部品パッケージの溶着層の断面拡大図である。
【図３】蓋体をろう付けする前のパッケージ組立体の断面模式図である。
【図４】電子部品パッケージに用いるケースの平面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  ケース
５  第１金属層
８  蓋体
１０  第２金属層
２０  溶着層
５Ａ  第１金属間化合物層
１０Ａ  第２金属間化合物層
１２Ａ  ろう材層
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明による電子部品パッケージの実施形態を図面を参照して説明する。図１は、実施形態にかかる電子部品パッケージを示しており、この電子部品パッケージは、開口部を備え、電子部品Ｐを収納する凹部３を有するケース１と、溶着層２０と、前記凹部３を密閉するように前記ケース１の凹部開口部の外周部に前記溶着層２０を介してろう付けされた蓋体８とを有する。【００２０】
前記ケース１は、前記凹部３が設けられ、セラミック材によって形成されたケース本体２と、前記ケース本体２の側壁の外周上部に一体的に積層されたメタライズ層４と、その上に一体的に積層された第１金属層５とを有する。前記メタライズ層４は、通常、Ｗ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）などの高融点金属によって形成される。前記第１金属層５は、Ｆｅを５．０〜２０mass％、好ましくは７．５〜１５mass％含有し、残部Ｎｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ−Ｆｅ合金によって形成されている。【００２１】
一方、前記蓋体８は、基材層９と、前記基材層９の下面（ケース側表面）に設けられた第２金属層１０と、前記基材層９の上面に設けられた表面保護金属層１１を有している。前記基材層９は、少なくともＦｅより熱膨張率が低い金属、好ましくはケース１の主要材であるセラミックスの熱膨張率に近似するようなコバール（商品名）等の低熱膨張率のＦｅ，Ｎｉを主成分とするＦｅＮｉ基合金、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏを主成分とするＦｅＮｉＣｏ基合金によって形成される。具体的には、Ｆｅ−（３６〜５０mass％）Ｎｉ合金、Ｆｅ−（２０〜３０mass％）Ｎｉ−（１〜２０mass％）Ｃｏ合金を例示することができる。前記第２金属層１０も前記第１金属層５と同様、Ｆｅを５．０〜２０mass％、好ましくは７．５〜１５mass％含有し、残部Ｎｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ−Ｆｅ合金によって形成されている。前記表面保護金属層１１は耐食性を向上させるために積層されたもので、純ＮｉやＮｉを主成分とする耐食性Ｎｉ合金で形成される。なお、この表面保護金属層１１は必要に応じて形成すればよく、必ずしも必要としない。【００２２】
前記ケース１と蓋体８との間に介在する溶着層２０は、図２に示すように、前記第１金属層５および第２金属層１０に一体的に形成された第１金属間化合物層５Ａおよび第２金属間化合物層１０Ａと、その間に挟み込まれたろう材層１２Ａとで構成される。【００２３】
前記ろう材層１２Ａは、純ＳｎあるいはＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材で形成されている。Ｓｎ基ろう合金は、好ましくはＳｎが８５mass％以上のものがよく、他成分としてＳｎと共晶、包晶を生成するＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂ等を適宜含有することができる。これらの合金の内、特に共晶組成のもの、例えばＳｎ−３．５mass％Ａｇ合金、Ｓｎ−１０mass％Ａｕ合金、Ｓｎ−０．７mass％Ｃｕ合金は低い融点でろう材全体が速やかに溶融するので、低温でろう付けするには好適である。Ｐｂは環境汚染や人体へ悪影響を及ぼすおそれがあるので、Ｓｎ基ろう合金はＰｂフリーのものが好ましい。【００２４】
前記第１，第２金属間化合物層５Ａ，１０Ａは、蓋体８をケース１にろう付け（溶着）する際に前記第１，第２金属層５，１０を形成するＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ原子、Ｆｅ原子が溶融したろう材側に拡散し、ろう材の主成分であるＳｎの原子と反応して形成されたものである。このため、第１，第２金属間化合物層５Ａ，１０Ａは、図２に示すように、不定形の凹凸状を成しており、その間にろう材層１２Ａが入り組んだ形態で一体的に形成されている。【００２５】
前記溶着層２０の縦断面における前記第１，第２金属間化合物層５Ａ，１０Ａの合計面積は、溶着層２０の全面積に対して面積割合で２５〜９８％、好ましくは４０〜９０％を占めるようにすることが望ましい。前記第１，第２金属間化合物層が２５％未満では凹凸状の金属間化合物が少ないため、電子部品パッケージを再加熱した際に、第１，第２金属間化合物層の間の広い領域でろう材層が再溶融するため、凝固後のろう材層にピンホール等の欠陥が生じやすくなる。一方、９８％を超えると、第１，第２金属間化合物層の間に挟持されるろう材の量が少なくなるので、溶着層全体として脆くなり、接合性が低下するようになる。前記溶着層２０の縦断面における各層の面積は、ＥＰＭＡによって断面の組成像写真を得て、画像の色のコントラストから各層の面積を求めることができる。面積の算出には、画像解析ソフトを利用することができる。【００２６】
ここで、前記電子部品パッケージの製造方法について説明する。まず、図３に示すように、ケース１と、ろう材層１２を備えた蓋体８を準備する。この工程を準備工程という。次に、ケース１と蓋体８とを重ね合わせてパッケージ組立体を組み立て、その組立体を加熱して前記ケース１と蓋体８とを前記溶着層２０（図１参照）を介してろう付けする。この工程をろう付け工程という。【００２７】
図３は、蓋体８をケース１にろう付けする前のパッケージ組立体を示しており、ケース１の開口上面に蓋体８が載置されている。なお、ろう付けの前後でケースの構成は後述するように若干異なる点があるが、説明の便宜上、同部材あるいは対応する部材には同符号が付されている。【００２８】
前記ケース１は蓋体８をろう付けした後の構成と次の点を除いてほぼ同様である。ろう付け前には第１金属層５の上にＡｕにより形成された表面層６が形成されている。この表面層６は溶着を促進すると共に前記第１金属層５からＮｉ原子、Ｆｅ原子がろう材側へ拡散するのを促進する作用を有する。ろう付け前の第１金属層５の厚さは１０〜２０μm 程度でよく、また前記表面層６の厚さは１〜３μm 程度のごく薄い層でよい。前記表面層６はこのように極薄いため、ろう付け時に、溶融したろう材中へ拡散し、消失する。このため、図１では図示されていない。前記ケース１の第１金属層５、表面層６は、通常、めっきによって形成される。なお、前記表面層６は必要により形成すればよく、必ずしも必要としない。【００２９】
一方、前記蓋体８は、基材層９の片面に表面保護金属層１１が、他面に第２金属層１０およびその上に純ＳｎあるいはＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層１２が積層されている。ろう付け時に第１金属層５及び第２金属層１０から拡散したＮｉ原子及びＦｅ原子と、前記ろう材層１２を形成するろう材のＳｎ原子とが反応して、前記第１金属間化合物層５Ａ及び第２金属間化合物層１０Ａを形成する。ケース１の凹部開口部には、第１金属層５がないので、当然のことながら第２金属間化合物層（図１では図示省略）しか形成されない。ろう付け前の前記第２金属層１０の厚さは３〜２０μm 程度とされ、またろう材層１２の厚さは３０〜５０μm 程度とされる。【００３０】
前記蓋体８は、これと同じ層構成の蓋材を用いて、例えば打ち抜き加工によって製作される。前記蓋材は、通常、以下のようにして製作される。まず、表面保護金属層用素材シート、基材層用素材シート、第２金属層用素材シートを同順序で重ね合わせてロール圧接する。ロール圧接により得られた３層圧接材を拡散焼鈍（軟化焼鈍）して３層クラッド材を得る。次に、そのクラッド材の第２金属層の上にろう材層用素材シートを重ね合わせ、冷間にてロール圧接する。これらの工程により前記蓋材が製作される。【００３１】
前記ろう付け工程において、前記蓋体８をケース１にろう付けする際、パッケージ組立体をろう材の融点より１０〜３０℃程度高い温度（ろう付け温度）に加熱し、ろう材を溶融させ、前記ろう付け温度でせいぜい１００秒程度保持し、冷却凝固させることにより、Ｆｅを含むＮｉＳｎ系の金属間化合物層が十分な厚さに形成された溶着層が得られる。【００３２】
前記第１、第２金属層５，１０は、Ｆｅを５．０〜２０mass％含有するＮｉ−Ｆｅ合金で形成されているが、特にＦｅ含有量が７．５〜１５mass％では、前記ろう付け温度に加熱後、必ずしもその温度に保持する必要はない。もっとも、好ましくは１０秒程度以下あるいは５秒程度以下保持することで、金属間化合物を十分に成長させることができる。また、Ｆｅ含有量が５．０mass％程度あるいは２０mass％程度になると、前記ろう付け温度での保持が若干必要になるが、それでも１００秒程度の短時間の保持により、必要量の金属間化合物を成長させることができる。前記Ｆｅ量が５．０％未満では、第１、第２金属層の界面に形成される金属間化合物中のＦｅ量が不足し、Ｎｉ原子の拡散が抑制されるようになる。このため、本発明ではＦｅ量の下限を５．０mass％とし、好ましくは７．５mass％とするのがよい。一方、Ｆｅ量が２０mass％を超えて過多になると、（ＮｉＦｅ）Ｓｎ2 が生成するようになり、（ＮｉＦｅ）3Ｓｎ4の金属間化合物の生成が抑制されるため、後者の金属間化合物量が不足するようになる。なお、Ｓｎ基ろう合金のような軟ろうでは、融点とは固液開始温度すなわち共晶温度を意味する。【００３３】
また、ろう付けに際して、蓋体８を下側に、ケース１が上側になるように載置して加熱するだけでもよいが、ケース１と蓋体８とが互いに押圧されるように積極的に加圧してもよい。これによってろう付けの際に、溶着層の金属間化合物層中のボイドの生成を抑制することができ、溶着の安定性を向上させることができる。加圧方法としては、パッケージ組立体の表面と反応しない材料、例えばセラミックスで形成された押さえ板を用意し、パッケージ組立体に前記押さえ板を介して重りを載せることにより、また押さえ板をスプリングによって付勢することによって行うことができる。加圧力は、通常、２×１０-4〜１×１０-2Ｎ／mm2 程度でよい。【００３４】
ろう付けの際の加熱雰囲気は、真空あるいは窒素ガス等の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。このような雰囲気中でろう付けを行うことにより、加熱による電子部品の酸化を防止するとともに、溶着後の電子部品の収納空間を真空あるいは不活性ガス雰囲気とすることができ、電子部品の経時変化を防止することができる。特に、水晶振動子等の振動子を収納する場合は、共振特性向上の観点から真空下でろう付けすることが望ましい。【００３５】
上記実施形態では、ろう材層１２が第２金属層１０に一体的に接合した蓋体８を用いたので、ろう付け作業性が良好である。しかし、ろう材は必ずしも蓋材８を構成する部分として一体的に設ける必要はない。ろう材を別途用意した場合、ろう付け作業は以下のようにして行われる。先ず、表面保護金属層１１、基材層９および第２金属層１０からなる３層構造の蓋体と、ろう材とをそれぞれ別途準備する。次に、ケース１にこのろう材を介して前記蓋体を載置してパッケージ組立体とし、この組立体を加熱冷却して蓋体とケースとをろう付けする。別途準備するろう材としては、薄板状ろう材に限らず、ろう合金粉末をフラックスに含有させたペースト状ろう材でもよい。【００３６】
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明は上記実施形態や以下の実施例により限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００３７】
以下の要領により、種々のケースと種々の蓋体とが準備され、これらを用いて種々の電子部品パッケージからなる試料が製作された。【００３８】
セラミック製のケース本体を備え、その凹部開口部の外周部にＷメタライズ層（層厚３０μm ）、及びＮｉあるいは表１に示す種々の組成のＮｉ−Ｆｅ合金で形成された第１金属層（層厚１５μm ）がこの順序で一体的に積層されたケースを準備した。一部のケースについては、前記第１金属層の上にさらにＡｕ層（層厚１μm ）を一体的に積層した。前記第１金属層、Ａｕ層はめっきにより形成した。各ケースの平面サイズは、図４に示すように、長さＡ＝４．１mm、全幅Ｂ＝２．６mmであり、凹部を囲う、長さ方向側壁１４の幅Ｃ＝０．３５mmである。【００３９】
一方、ＦｅＮｉＣｏ合金（商品名コバール）で形成された基材層を備え、その片面に表面保護用のＮｉ層が接合形成され、他面にＮｉあるいは表１に示す種々の組成のＮｉ−Ｆｅ合金で形成された第２金属層及びその上にＳｎ−Ａｇ合金からなるろう材層とがこの順序で接合形成された蓋体を準備した。蓋体の平面サイズはケースの平面サイズとほぼ同等である。【００４０】
前記蓋体は、以下の要領で製作した蓋材から所定の平面サイズに打ち抜き加工により製作された。蓋材は、ＦｅＮｉＣｏ合金板（基材層用素材シート）の片面にＮｉ薄板を、他面に第２金属層の素材薄板を重ね合わせ、冷間でロール圧接（圧下率６０％）した後、得られた圧接材を１０００℃で数分間保持する拡散焼鈍を行うことによって製作された。前記拡散焼鈍により、前記圧接材を構成したＮｉ層、基材層、第２金属層は互いに拡散接合されると共に各層は軟化された。このようにして製作された３層構造のクラッド材の第２金属層の上に１０mass％Ａｇ−残部Ｓｎ（共晶点：２２０℃）からなるろう材を重ね合わせて冷間でロール圧接（圧下率６０％）し、第２金属層の上にろう材層を積層した。このようにして製作された４層構造の蓋材は、８０μm の基材層と、その片面に積層された５μm 程度のＮｉ層と、前記基材層の他面に積層された３０μm 程度の第２金属層及び３０μm 程度のろう材層からなるものであった。【００４１】
前記蓋体のろう材層が前記ケースの第１金属層側あるいはＡｕめっき層側になるように、蓋体をケースに重ね合わせてパッケージ組立体を得た。このパッケージ組立体を蓋体が下になるように載置板に載せ、窒素ガス雰囲気中で蓋体をケースにろう付けした。ろう付けは、２４０℃に加熱後、同温度で保持することなく、あるいは同温度で表１に示す時間保持後、冷却することにより実施した。以上のようにして製作した各パッケージの試料について、第１金属層、第２金属層の材質、Ａｕ層の有無、ろう材層の厚さ、２４０℃での保持時間を表１に併せて示す。【００４２】
以上のようにして製作した各パッケージを用いて、長さ方向の中央部においてパッケージを幅方向に切断し、溶着層の縦断面（図４中、Ｘ−Ｘ位置での断面）をＥＰＭＡにより観察した。その結果得られた組成像写真を用いて第１，第２金属間化合物層、ろう材層の面積を画像解析ソフトにより測定し、これらの合計面積（溶着層の全面積）に対する第１及び第２金属間化合物層（両者を合わせて「金属間化合物層」という。）の合計面積の比率を求めた。なお、画像解析ソフトは、商品名Image-Pro（製造メーカ：MEDIA CYVERNETICS）を使用した。【００４３】
また、各試料のパッケージを、２６０℃にて３０sec 保持するリフロー（再加熱）を行い、冷却後、気密試験に供して、気密性を調べた。気密試験は下記の要領にて実施された。まず、リフロー後のパッケージを密閉容器へ入れ、０．１ｋＰａに減圧後、Ｈｅガス０．５ＭＰａにて２ｈｒ程度加圧した。その後、密閉容器からパッケージを取り出し、Ｈｅディテクタにてパッケージから排出されるＨｅの測定を行った。測定結果が１×１０-9Ｐａ・ｍ3／sec 以下ではパッケージ中にＨｅガスの侵入は無いと考えられるので、この値以下を合格とした。さらに、Ｈｅガス検出試験で合格とされたパッケージをフロロカーボンに浸漬し、連続気泡の発生の有無を調べた。連続気泡が生じないパッケージを最終的に合格（○）、連続気泡が生じたものを不合格（×）と評価した。これらの測定、観察結果を表１に併せて示す。【００４４】
表１より、第１金属層、第２金属層をＮｉで形成した試料No. １〜４のパッケージについては、加熱保持時間を１００秒としたNo. １，３では金属間化合物層の面積比が低く、ろう材層が占める割合が高いため、リフロー後の気密性が劣化した。一方、No. ２，４では必要量の金属間化合物層が生成し、良好な気密性が得られたが、加熱保持時間が６００秒であり、長時間の加熱保持を要した。【００４５】
これに対して、第１金属層、第２金属層をＮｉ−（５．０〜２０）mass％Ｆｅ合金で形成した試料No. ５〜１６については、加熱温度で１００秒保持したNo. ５，６，１５，１６、並びに加熱後直ちに冷却したNo. ７〜１４のパッケージでも、金属間化合物層は十分な面積比を有しており、このためリフロー後の気密性も良好であった。この場合、ケースにＡｕ層を形成したものでは、金属間化合物の生成がより促進されていることも確かめられた。【００４６】
【表１】
2006132168.tif 000002
【図１】
2006132168.tif 000003
【図２】
2006132168.tif 000004
【図３】
2006132168.tif 000005
【図４】
2006132168.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成18年10月9日(2006.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケースと、溶着層と、前記ケースの凹部を密閉するように前記ケースの凹部開口部の外周部に前記溶着層を介してろう付けされた蓋体を備えた電子部品パッケージであって、
前記ケースは、前記凹部開口部の外周部に積層され、Ｆｅを７．５〜１５ｍａｓｓ％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を有し、
前記蓋体は基材層と、この基材層のケース側表面に積層され、前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成された第２金属層を有し、
前記溶着層は、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層と、このろう材層の両側に形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層を有し、前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎとが拡散反応して形成された、電子部品パッケージ。
【請求項２】前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項１に記載した電子部品パッケージ。
【請求項３】前記溶着層は、平均厚さが１０〜５０μｍである請求項１又は２に記載した電子部品パッケージ。
【請求項４】前記溶着層の縦断面において、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層の合計面積が前記溶着層の全面積に対して２５％以上、９８％以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載した電子部品パッケージ。
【請求項５】電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケース本体及び前記凹部開口部の外周部に設けられ、Ｆｅを７．５〜１５ｍａｓｓ％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を備えたケースと、基材層及び前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成され、前記基材層の一方の表面に積層形成された第２金属層を備えた蓋体と、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金によって形成されたろう材を準備する準備工程と、
前記第１金属層と第２金属層との間に前記ろう材を挟むように前記ケースと蓋体とを重ね合わせたパッケージ組立体を組み立て、前記パッケージ組立体を加熱して前記ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするろう付け工程を有し、
前記溶着層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎ原子とが拡散反応して形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層と、前記ろう材の未拡散反応部からなるろう材層とからなり、前記ろう材層の両側に前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層が形成された、電子部品パッケージの製造方法。
【請求項６】前記第１金属層又は第２金属層は、その表面にＡｕによって表面層が形成された請求項５に記載した製造方法。
【請求項７】前記ろう付け工程において、前記ろう材の融点より１０〜３０℃高い温度に加熱してろう付けする請求項５又は６に記載した製造方法。
【請求項８】前記ろう材は、前記蓋体の前記第２金属層の上に積層されたろう材層からなる、請求項５から７のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項９】前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項５から８のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項１０】前記溶着層は、その平均厚さが１０〜５０μｍである請求項５から９のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項１１】基材層と、金属層と、ろう材層を備え、前記基材層、金属層及びろう材層が同順序で接合された電子部品パッケージ用蓋材であって、
前記ろう材層が純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成され、前記金属層がＦｅを７．５〜１５ｍａｓｓ％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された、電子部品パッケージ用蓋材。
【請求項１２】前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項１１に記載した電子部品パッケージ用蓋材。
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月8日(2007.11.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケースと、溶着層と、前記ケースの凹部を密閉するように前記ケースの凹部開口部の外周部に前記溶着層を介してろう付けされた蓋体を備えた電子部品パッケージであって、
前記ケースは、前記凹部開口部の外周部に積層され、Ｆｅを７．５〜１５mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を有し、
前記蓋体は基材層と、この基材層のケース側表面に積層され、前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成された第２金属層を有し、
前記溶着層は、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層と、このろう材層の両側に形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層を有し、前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎとが拡散反応して形成された、電子部品パッケージ。
【請求項２】
前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項１に記載した電子部品パッケージ。
【請求項３】
前記溶着層は、平均厚さが１０〜５０μm である請求項１又は２に記載した電子部品パッケージ。
【請求項４】
前記溶着層の縦断面において、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層の合計面積が前記溶着層の全面積に対して２５％以上、９８％以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載した電子部品パッケージ。
【請求項５】
電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケース本体及び前記凹部開口部の外周部に設けられ、Ｆｅを７．５〜１５mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を備えたケースと、基材層及び前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成され、前記基材層の一方の表面に積層形成された第２金属層を備えた蓋体と、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金によって形成されたろう材を準備する準備工程と、
前記第１金属層と第２金属層との間に前記ろう材を挟むように前記ケースと蓋体とを重ね合わせたパッケージ組立体を組み立て、前記パッケージ組立体を加熱して前記ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするろう付け工程を有し、
前記溶着層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎ原子とが拡散反応して形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層と、前記ろう材の未拡散反応部からなるろう材層とからなり、前記ろう材層の両側に前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層が形成された、電子部品パッケージの製造方法。
【請求項６】
前記第１金属層又は第２金属層は、その表面にＡｕによって表面層が形成された請求項５に記載した製造方法。
【請求項７】
前記ろう付け工程において、前記ろう材の融点より１０〜３０℃高い温度に加熱してろう付けする請求項５又は６に記載した製造方法。
【請求項８】
前記ろう材は、前記蓋体の前記第２金属層の上に積層されたろう材層からなる、請求項５から７のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項９】
前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項５から８のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項１０】
前記溶着層は、その平均厚さが１０〜５０μm である請求項５から９のいずれか１項に記載した製造方法。
【請求項１１】
基材層と、金属層と、ろう材層を備え、前記基材層、金属層及びろう材層が同順序で接合された電子部品パッケージ用蓋材であって、
前記ろう材層が純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成され、前記金属層がＦｅを７．５〜１５mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された、電子部品パッケージ用蓋材。
【請求項１２】
前記ろう材は、Ｐｂを含有しない請求項１１に記載した電子部品パッケージ用蓋材。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を収納する電子部品パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子、水晶振動子、圧電振動子などの種々の電子部品は、しばしば外部環境から電子部品を保護するために電子部品パッケージに収納される。電子部品パッケージは、例えば、電子部品を収納する凹部が上部に開口するように形成されたケースと、前記凹部を密閉するように前記ケースの開口部の外周部にろう付けされた蓋体とを備える。前記凹部は蓋体の溶着により、外界から遮断された電子部品の収納空間部を形成する。前記蓋体は、通常、コバール（商品名）のようなＦｅより熱膨張率の低い低熱膨張率の金属で形成された基材層を備え、その両面にＮｉによって形成されたＮｉ層が積層されている。前記ろう材としては、種々の軟ろう合金、例えばＳｎ−Ａｇ合金、Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｉｎ−Ｓｎ合金が使用される。
【０００３】
電子部品が収納された電子部品パッケージは、他の電子部品と共に配線基板上の所定位置にろう付けにより固定される。前記ろう付けは、通常、量産性などのために、配線基板上に前記電子部品パッケージなどの電子部品を配置し、その基板全体を加熱炉内に通すことにより、各電子部品を同時に基板にろう付けする方法が採られる。
【０００４】
このように、電子部品パッケージは、一旦、電子部品を収納したケースと蓋体とをろう付けする際に加熱され、再度、配線基板上へのろう付けの際に加熱される。このため、蓋体をケースにろう付けする際に用いられるろう材は高融点の材料が好ましいが、高温でろう付けするとパッケージに収納された電子部品が劣化したり、その耐久性が低下するおそれがある。
【０００５】
このような問題に対し、国際公開ＷＯ０２／０７８０８５号（特許文献１）に開示されているように、ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするに際し、軟ろう材としてＳｎ基ろう合金を使用し、ろう付けの際にろう材のＳｎ原子と、ケース及び蓋体に設けたＮｉ層のＮｉ原子とを拡散反応させてＮｉＳｎ系の金属間化合物層を形成し、前記溶着層をろう材の未拡散反応部からなるろう材層と、このろう材層を前記ＮｉＳｎ系の金属間化合物層で挟んだ構造とすることが提案されている。この溶着層の形成により、低温でのろう付けを可能にしつつ、ケースと蓋体とを接合する溶着層の耐熱性を向上させることが可能になった。
【特許文献１】国際公開ＷＯ０２／０７８０８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１の技術によって溶着層の耐熱性を向上させることができたが、ろう付けの際に前記ＮｉＳｎ系の金属間化合物層を成長させるのに時間がかかり、電子部品パッケージの生産性が劣るという問題がある。また、ろう付け温度が低くても、その温度での保持時間が長くなると、パッケージ中に収納された電子部品の性能が低下するおそれが生じる。
【０００７】
本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、ろう材の融点近傍の比較的低温で蓋体をケースにろう付けしても、ケースと蓋体との間に耐熱性に優れた溶着層を速やかに形成することができ、これによって生産性に優れると共にパッケージに収納される電子部品に特性劣化が生じ難い、電子部品パッケージおよびその製造方法、並びに電子部品パッケージの蓋体として好適な蓋材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題について鋭意研究したところ、以下の事実を知見した。Ｎｉ層のＮｉ原子とろう材のＳｎ原子との拡散反応によってＮｉ層の界面に生成するＮｉ及びＳｎからなる金属間化合物（主としてＮｉ3Ｓｎ4）はＮｉ原子の拡散を抑制する作用が大きいため、金属間化合物を十分に形成するには長時間の加熱が必要である。しかし、ろう材のＳｎ原子とＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ原子及びＦｅ原子との拡散反応によって生成する金属間化合物（主として（ＮｉＦｅ）3Ｓｎ4）は拡散を妨げ難いため、ごく短時間で金属間化合物が成長する。本発明はかかる知見を基に完成されたものである。
【０００９】
すなわち、本発明による電子部品パッケージは、電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケースと、溶着層と、前記ケースの凹部を密閉するように前記ケースの凹部開口部の外周部に前記溶着層を介してろう付けされた蓋体を備え、前記ケースは前記凹部開口部の外周部に積層され、Ｆｅを７．５〜１５mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を有し、前記蓋体は基材層と、この基材層のケース側表面に積層され、前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成された第２金属層を有し、前記溶着層は純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層と、このろう材層の両側に形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層を有し、前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎとが拡散反応して形成されたものである。
【００１０】
この電子部品パッケージによると、第１金属層および第２金属層は、Ｆｅを７．５〜１５mass％含むＮｉ−Ｆｅ合金で形成されるので、第１，第２金属間化合物層はＮｉ原子の拡散を妨げ難い、Ｆｅを含むＮｉＳｎ系の金属間化合物で形成される。このため、蓋体のろう付けの際に、金属間化合物層が速やかに形成される。従って、本発明に係る電子部品パッケージは生産性に優れ、またパッケージに収納される電子部品の特性劣化を防止することができる。また、第１金属間化合物層および第２金属間化合物層は、第１金属層および第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子とろう材のＳｎ原子とが拡散反応により形成されたものであるから、溶着層のろう材層は、凹凸状の第１、第２金属間化合物層の間に入り組んだ形態に形成される。このため、溶着層は、良好な接合性及び耐熱性を備える。このため、ろう材の融点超の高温状態に曝されても、溶融したろう材層にピンホールやミクロクラックが生じ難く、本発明に係る電子部品パッケージは気密性に優れる。
【００１１】
前記電子部品パッケージにおいて、前記ろう材としては、Ｐｂは環境汚染や人体への悪影響のおそれがあるため、Ｐｂを含まないろう材が好ましい。また、前記溶着層の平均厚さは、１０〜５０μm とすることが好ましい。また、前記溶着層の縦断面において、前記第１金属間化合物層及び第２金属間化合物層の合計面積は、前記溶着層の全面積に対して２５％以上、９８％以下とすることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の電子部品パッケージの製造方法は、電子部品を収納する凹部を有し、前記凹部が開口部を備えたケース本体及び前記凹部開口部の外周部に設けられ、Ｆｅを７．５〜１５mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成された第１金属層を備えたケースと、基材層及び前記Ｎｉ−Ｆｅ合金によって形成され、前記基材層の一方の表面に積層形成された第２金属層を備えた蓋体と、純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金によって形成されたろう材を準備する準備工程と、前記第１金属層と第２金属層との間に前記ろう材を挟むように前記ケースと蓋体とを重ね合わせたパッケージ組立体を組み立て、前記パッケージ組立体を加熱して前記ケースと蓋体とを溶着層を介してろう付けするろう付け工程を有し、前記溶着層はろう付けの際に前記第１金属層及び第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子と前記ろう材のＳｎ原子とが拡散反応して形成された第１金属間化合物層および第２金属間化合物層と、前記ろう材の未拡散反応部からなるろう材層とからなり、前記ろう材層の両側に前記第１金属間化合物層および第２金属間化合物層が形成されたものである。
【００１３】
この製造方法によると、第１、第２金属層が７．５〜１５mass％のＦｅを含有したＮｉ−Ｆｅ合金で形成されるため、ろう材の融点より１０〜３０℃程度高い、比較的低温のろう付け温度に加熱後、ほとんど保持することなく、冷却するだけで、凹凸状の第１金属間化合物層と第２金属間化合物層との間にろう材層が挟持された溶着層を速やかに形成することができる。このため、電子部品パッケージの生産性に優れる。
【００１４】
前記製造方法において、前記第１金属層又は第２金属層の上にＡｕによって表面層を形成することが好ましい。これによって、第１、第２金属間化合物層の生成がより促進され、生産性を向上させることができる。また、前記ろう材は、前記蓋体の前記第２金属層の上に積層されたろう材層として準備してもよい。また、前記ろう材は、環境、安全性への見地からＰｂを含有しないものがよい。また、前記溶着層は、その平均厚さを１０〜５０μm とするのがよい。
【００１５】
また、本発明の電子部品パッケージ用蓋材は、基材層と、金属層と、ろう材層を備え、前記基材層、金属層及びろう材層が同順序で接合され、前記ろう材層が純Ｓｎ又はＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成され、前記金属層がＦｅを７．５〜１５mass％を含有するＮｉ−Ｆｅ合金によって形成されたものである。この蓋材によれば、その製造が容易であり、またろう材を別途準備することなく、当該蓋材から製作した蓋体を電子部品パッケージのケースに直接ろう付けすることができる。このため、前記電子部品パッケージを容易に製造することができ、電子部品パッケージ用蓋体の素材として好適である。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の電子部品パッケージによれば、第１、第２金属層は、Ｆｅを７．５〜１５mass％含むＮｉ−Ｆｅ合金で形成されているので、ろう付けの際に第１、第２金属層のＮｉ原子及びＦｅ原子とろう材のＳｎ原子とが拡散反応して第１、第２金属層とろう材の界面にＦｅを含むＮｉＳｎ系の金属間化合物を形成することができる。この金属間化合物はＮｉ原子、Ｆｅ原子の拡散を妨げないため、ろう材層の両側に第１、第２金属間化合物層が速やかに形成される。このため、本発明の電子部品パッケージは、生産性に優れ、またろう材の融点超の温度に曝されても、再溶融したろう材層にピンホールやクラックが生じ難いため、優れた気密性を備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明による電子部品パッケージの実施形態を図面を参照して説明する。図１は、実施形態にかかる電子部品パッケージを示しており、この電子部品パッケージは、開口部を備え、電子部品Ｐを収納する凹部３を有するケース１と、溶着層２０と、前記凹部３を密閉するように前記ケース１の凹部開口部の外周部に前記溶着層２０を介してろう付けされた蓋体８とを有する。
【００１８】
前記ケース１は、前記凹部３が設けられ、セラミック材によって形成されたケース本体２と、前記ケース本体２の側壁の外周上部に一体的に積層されたメタライズ層４と、その上に一体的に積層された第１金属層５とを有する。前記メタライズ層４は、通常、Ｗ（タングステン）やＭｏ（モリブデン）などの高融点金属によって形成される。前記第１金属層５は、Ｆｅを７．５〜１５mass％含有し、残部Ｎｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ−Ｆｅ合金によって形成されている。
【００１９】
一方、前記蓋体８は、基材層９と、前記基材層９の下面（ケース側表面）に設けられた第２金属層１０と、前記基材層９の上面に設けられた表面保護金属層１１を有している。前記基材層９は、少なくともＦｅより熱膨張率が低い金属、好ましくはケース１の主要材であるセラミックスの熱膨張率に近似するようなコバール（商品名）等の低熱膨張率のＦｅ，Ｎｉを主成分とするＦｅＮｉ基合金、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏを主成分とするＦｅＮｉＣｏ基合金によって形成される。具体的には、Ｆｅ−（３６〜５０mass％）Ｎｉ合金、Ｆｅ−（２０〜３０mass％）Ｎｉ−（１〜２０mass％）Ｃｏ合金を例示することができる。前記第２金属層１０も前記第１金属層５と同様、Ｆｅを７．５〜１５mass％含有し、残部Ｎｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ−Ｆｅ合金によって形成されている。前記表面保護金属層１１は耐食性を向上させるために積層されたもので、純ＮｉやＮｉを主成分とする耐食性Ｎｉ合金で形成される。なお、この表面保護金属層１１は必要に応じて形成すればよく、必ずしも必要としない。
【００２０】
前記ケース１と蓋体８との間に介在する溶着層２０は、図２に示すように、前記第１金属層５および第２金属層１０に一体的に形成された第１金属間化合物層５Ａおよび第２金属間化合物層１０Ａと、その間に挟み込まれたろう材層１２Ａとで構成される。
【００２１】
前記ろう材層１２Ａは、純ＳｎあるいはＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材で形成されている。Ｓｎ基ろう合金は、好ましくはＳｎが８５mass％以上のものがよく、他成分としてＳｎと共晶、包晶を生成するＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｂｉ、Ｓｂ等を適宜含有することができる。これらの合金の内、特に共晶組成のもの、例えばＳｎ−３．５mass％Ａｇ合金、Ｓｎ−１０mass％Ａｕ合金、Ｓｎ−０．７mass％Ｃｕ合金は低い融点でろう材全体が速やかに溶融するので、低温でろう付けするには好適である。Ｐｂは環境汚染や人体へ悪影響を及ぼすおそれがあるので、Ｓｎ基ろう合金はＰｂフリーのものが好ましい。
【００２２】
前記第１，第２金属間化合物層５Ａ，１０Ａは、蓋体８をケース１にろう付け（溶着）する際に前記第１，第２金属層５，１０を形成するＮｉ−Ｆｅ合金のＮｉ原子、Ｆｅ原子が溶融したろう材側に拡散し、ろう材の主成分であるＳｎの原子と反応して形成されたものである。このため、第１，第２金属間化合物層５Ａ，１０Ａは、図２に示すように、不定形の凹凸状を成しており、その間にろう材層１２Ａが入り組んだ形態で一体的に形成されている。
【００２３】
前記溶着層２０の縦断面における前記第１，第２金属間化合物層５Ａ，１０Ａの合計面積は、溶着層２０の全面積に対して面積割合で２５〜９８％、好ましくは４０〜９０％を占めるようにすることが望ましい。前記第１，第２金属間化合物層が２５％未満では凹凸状の金属間化合物が少ないため、電子部品パッケージを再加熱した際に、第１，第２金属間化合物層の間の広い領域でろう材層が再溶融するため、凝固後のろう材層にピンホール等の欠陥が生じやすくなる。一方、９８％を超えると、第１，第２金属間化合物層の間に挟持されるろう材の量が少なくなるので、溶着層全体として脆くなり、接合性が低下するようになる。前記溶着層２０の縦断面における各層の面積は、ＥＰＭＡによって断面の組成像写真を得て、画像の色のコントラストから各層の面積を求めることができる。面積の算出には、画像解析ソフトを利用することができる。
【００２４】
ここで、前記電子部品パッケージの製造方法について説明する。まず、図３に示すように、ケース１と、ろう材層１２を備えた蓋体８を準備する。この工程を準備工程という。次に、ケース１と蓋体８とを重ね合わせてパッケージ組立体を組み立て、その組立体を加熱して前記ケース１と蓋体８とを前記溶着層２０（図１参照）を介してろう付けする。この工程をろう付け工程という。
【００２５】
図３は、蓋体８をケース１にろう付けする前のパッケージ組立体を示しており、ケース１の開口上面に蓋体８が載置されている。なお、ろう付けの前後でケースの構成は後述するように若干異なる点があるが、説明の便宜上、同部材あるいは対応する部材には同符号が付されている。
【００２６】
前記ケース１は蓋体８をろう付けした後の構成と次の点を除いてほぼ同様である。ろう付け前には第１金属層５の上にＡｕにより形成された表面層６が形成されている。この表面層６は溶着を促進すると共に前記第１金属層５からＮｉ原子、Ｆｅ原子がろう材側へ拡散するのを促進する作用を有する。ろう付け前の第１金属層５の厚さは１０〜２０μm 程度でよく、また前記表面層６の厚さは１〜３μm 程度のごく薄い層でよい。前記表面層６はこのように極薄いため、ろう付け時に、溶融したろう材中へ拡散し、消失する。このため、図１では図示されていない。前記ケース１の第１金属層５、表面層６は、通常、めっきによって形成される。なお、前記表面層６は必要により形成すればよく、必ずしも必要としない。
【００２７】
一方、前記蓋体８は、基材層９の片面に表面保護金属層１１が、他面に第２金属層１０およびその上に純ＳｎあるいはＳｎを主成分とするＳｎ基ろう合金からなるろう材によって形成されたろう材層１２が積層されている。ろう付け時に第１金属層５及び第２金属層１０から拡散したＮｉ原子及びＦｅ原子と、前記ろう材層１２を形成するろう材のＳｎ原子とが反応して、前記第１金属間化合物層５Ａ及び第２金属間化合物層１０Ａを形成する。ケース１の凹部開口部には、第１金属層５がないので、当然のことながら第２金属間化合物層（図１では図示省略）しか形成されない。ろう付け前の前記第２金属層１０の厚さは３〜２０μm 程度とされ、またろう材層１２の厚さは３０〜５０μm 程度とされる。
【００２８】
前記蓋体８は、これと同じ層構成の蓋材を用いて、例えば打ち抜き加工によって製作される。前記蓋材は、通常、以下のようにして製作される。まず、表面保護金属層用素材シート、基材層用素材シート、第２金属層用素材シートを同順序で重ね合わせてロール圧接する。ロール圧接により得られた３層圧接材を拡散焼鈍（軟化焼鈍）して３層クラッド材を得る。次に、そのクラッド材の第２金属層の上にろう材層用素材シートを重ね合わせ、冷間にてロール圧接する。これらの工程により前記蓋材が製作される。
【００２９】
前記ろう付け工程において、前記蓋体８をケース１にろう付けする際、パッケージ組立体をろう材の融点より１０〜３０℃程度高い温度（ろう付け温度）に加熱し、ろう材を溶融させ、冷却凝固させることにより、Ｆｅを含むＮｉＳｎ系の金属間化合物層が十分な厚さに形成された溶着層が得られる。
【００３０】
前記第１、第２金属層５，１０は、特にＦｅ含有量が７．５〜１５mass％とされているので、前記ろう付け温度に加熱後、必ずしもその温度に保持する必要はない。もっとも、好ましくは１０秒程度以下あるいは５秒程度以下保持することで、金属間化合物を十分に成長させることができる。この場合、前記Ｆｅ量が７．５％未満では、第１、第２金属層の界面に形成される金属間化合物中のＦｅ量が不足し、Ｎｉ原子の拡散が抑制されるようになる。一方、Ｆｅ量が１５mass％を超えて過多になると、（ＮｉＦｅ）Ｓｎ2 が生成するようになり、（ＮｉＦｅ）3Ｓｎ4の金属間化合物の生成が抑制されるため、後者の金属間化合物量が不足するようになる。なお、Ｓｎ基ろう合金のような軟ろうでは、融点とは固液開始温度すなわち共晶温度を意味する。
【００３１】
また、ろう付けに際して、蓋体８を下側に、ケース１が上側になるように載置して加熱するだけでもよいが、ケース１と蓋体８とが互いに押圧されるように積極的に加圧してもよい。これによってろう付けの際に、溶着層の金属間化合物層中のボイドの生成を抑制することができ、溶着の安定性を向上させることができる。加圧方法としては、パッケージ組立体の表面と反応しない材料、例えばセラミックスで形成された押さえ板を用意し、パッケージ組立体に前記押さえ板を介して重りを載せることにより、また押さえ板をスプリングによって付勢することによって行うことができる。加圧力は、通常、２×１０-4〜１×１０-2Ｎ／mm2 程度でよい。
【００３２】
ろう付けの際の加熱雰囲気は、真空あるいは窒素ガス等の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。このような雰囲気中でろう付けを行うことにより、加熱による電子部品の酸化を防止するとともに、溶着後の電子部品の収納空間を真空あるいは不活性ガス雰囲気とすることができ、電子部品の経時変化を防止することができる。特に、水晶振動子等の振動子を収納する場合は、共振特性向上の観点から真空下でろう付けすることが望ましい。
【００３３】
上記実施形態では、ろう材層１２が第２金属層１０に一体的に接合した蓋体８を用いたので、ろう付け作業性が良好である。しかし、ろう材は必ずしも蓋材８を構成する部分として一体的に設ける必要はない。ろう材を別途用意した場合、ろう付け作業は以下のようにして行われる。先ず、表面保護金属層１１、基材層９および第２金属層１０からなる３層構造の蓋体と、ろう材とをそれぞれ別途準備する。次に、ケース１にこのろう材を介して前記蓋体を載置してパッケージ組立体とし、この組立体を加熱冷却して蓋体とケースとをろう付けする。別途準備するろう材としては、薄板状ろう材に限らず、ろう合金粉末をフラックスに含有させたペースト状ろう材でもよい。
【００３４】
以下、本発明を実施例に基づいてより具体的に説明するが、本発明は上記実施形態や以下の実施例により限定的に解釈されるものではない。
【実施例】
【００３５】
以下の要領により、種々のケースと種々の蓋体とが準備され、これらを用いて種々の電子部品パッケージからなる試料が製作された。
【００３６】
セラミック製のケース本体を備え、その凹部開口部の外周部にＷメタライズ層（層厚３０μm ）、及びＮｉあるいは表１に示す種々の組成のＮｉ−Ｆｅ合金で形成された第１金属層（層厚１５μm ）がこの順序で一体的に積層されたケースを準備した。一部のケースについては、前記第１金属層の上にさらにＡｕ層（層厚１μm ）を一体的に積層した。前記第１金属層、Ａｕ層はめっきにより形成した。各ケースの平面サイズは、図４に示すように、長さＡ＝４．１mm、全幅Ｂ＝２．６mmであり、凹部を囲う、長さ方向側壁１４の幅Ｃ＝０．３５mmである。
【００３７】
一方、ＦｅＮｉＣｏ合金（商品名コバール）で形成された基材層を備え、その片面に表面保護用のＮｉ層が接合形成され、他面にＮｉあるいは表１に示す種々の組成のＮｉ−Ｆｅ合金で形成された第２金属層及びその上にＳｎ−Ａｇ合金からなるろう材層とがこの順序で接合形成された蓋体を準備した。蓋体の平面サイズはケースの平面サイズとほぼ同等である。
【００３８】
前記蓋体は、以下の要領で製作した蓋材から所定の平面サイズに打ち抜き加工により製作された。蓋材は、ＦｅＮｉＣｏ合金板（基材層用素材シート）の片面にＮｉ薄板を、他面に第２金属層の素材薄板を重ね合わせ、冷間でロール圧接（圧下率６０％）した後、得られた圧接材を１０００℃で数分間保持する拡散焼鈍を行うことによって製作された。前記拡散焼鈍により、前記圧接材を構成したＮｉ層、基材層、第２金属層は互いに拡散接合されると共に各層は軟化された。このようにして製作された３層構造のクラッド材の第２金属層の上に１０mass％Ａｇ−残部Ｓｎ（共晶点：２２０℃）からなるろう材を重ね合わせて冷間でロール圧接（圧下率６０％）し、第２金属層の上にろう材層を積層した。このようにして製作された４層構造の蓋材は、８０μm の基材層と、その片面に積層された５μm 程度のＮｉ層と、前記基材層の他面に積層された３０μm 程度の第２金属層及び３０μm 程度のろう材層からなるものであった。
【００３９】
前記蓋体のろう材層が前記ケースの第１金属層側あるいはＡｕめっき層側になるように、蓋体をケースに重ね合わせてパッケージ組立体を得た。このパッケージ組立体を蓋体が下になるように載置板に載せ、窒素ガス雰囲気中で蓋体をケースにろう付けした。ろう付けは、２４０℃に加熱後、同温度で保持することなく、あるいは同温度で表１に示す時間保持後、冷却することにより実施した。以上のようにして製作した各パッケージの試料について、第１金属層、第２金属層の材質、Ａｕ層の有無、ろう材層の厚さ、２４０℃での保持時間を表１に併せて示す。
【００４０】
以上のようにして製作した各パッケージを用いて、長さ方向の中央部においてパッケージを幅方向に切断し、溶着層の縦断面（図４中、Ｘ−Ｘ位置での断面）をＥＰＭＡにより観察した。その結果得られた組成像写真を用いて第１，第２金属間化合物層、ろう材層の面積を画像解析ソフトにより測定し、これらの合計面積（溶着層の全面積）に対する第１及び第２金属間化合物層（両者を合わせて「金属間化合物層」という。）の合計面積の比率を求めた。なお、画像解析ソフトは、商品名Image-Pro（製造メーカ：MEDIA CYVERNETICS）を使用した。
【００４１】
また、各試料のパッケージを、２６０℃にて３０sec 保持するリフロー（再加熱）を行い、冷却後、気密試験に供して、気密性を調べた。気密試験は下記の要領にて実施された。まず、リフロー後のパッケージを密閉容器へ入れ、０．１ｋＰａに減圧後、Ｈｅガス０．５ＭＰａにて２ｈｒ程度加圧した。その後、密閉容器からパッケージを取り出し、Ｈｅディテクタにてパッケージから排出されるＨｅの測定を行った。測定結果が１×１０-9Ｐａ・ｍ3／sec 以下ではパッケージ中にＨｅガスの侵入は無いと考えられるので、この値以下を合格とした。さらに、Ｈｅガス検出試験で合格とされたパッケージをフロロカーボンに浸漬し、連続気泡の発生の有無を調べた。連続気泡が生じないパッケージを最終的に合格（○）、連続気泡が生じたものを不合格（×）と評価した。これらの測定、観察結果を表１に併せて示す。
【００４２】
表１より、第１金属層、第２金属層をＮｉで形成した試料No. １〜４のパッケージについては、加熱保持時間を１００秒としたNo. １，３では金属間化合物層の面積比が低く、ろう材層が占める割合が高いため、リフロー後の気密性が劣化した。一方、No. ２，４では必要量の金属間化合物層が生成し、良好な気密性が得られたが、加熱保持時間が６００秒であり、長時間の加熱保持を要した。
【００４３】
これに対して、第１金属層、第２金属層をＮｉ−（７．５〜１５）mass％Ｆｅ合金で形成した試料No. ７〜１４では、加熱後直ちに冷却した場合でも、金属間化合物層は十分な面積比を有しており、このためリフロー後の気密性も良好であった。この場合、ケースにＡｕ層を形成したものでは、金属間化合物の生成がより促進されていることも確かめられた。
【００４４】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施形態にかかる電子部品パッケージの断面模式図である。
【図２】電子部品パッケージの溶着層の断面拡大図である。
【図３】蓋体をろう付けする前のパッケージ組立体の断面模式図である。
【図４】電子部品パッケージに用いるケースの平面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  ケース
５  第１金属層
８  蓋体
１０  第２金属層
２０  溶着層
５Ａ  第１金属間化合物層
１０Ａ  第２金属間化合物層
１２Ａ  ろう材層
【国際調査報告】
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