JP2004063387A

JP2004063387A - 気密端子およびそれを用いる回路部品組立方法

Info

Publication number: JP2004063387A
Application number: JP2002222912A
Authority: JP
Inventors: Susumu Nishiwaki; 西脇　進
Original assignee: NEC Schott Components Corp
Current assignee: NEC Schott Components Corp
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】気密端子の金属外環とリード部材へのめっき層を回路部品組立の接合に利用する際、リフローの高温はんだ処理に耐えるものを提供する。
【解決手段】円筒形水晶振動子用気密端子Ａは円筒形の金属外環１と、その内部のガラス２と、このガラス２を貫通して伸びる一対のリード部材１３、３を気密封着して構成され、金属外環１とリード部材３、３の外表面に純度が９９．５重量％以上のビスマス（Ｂｉ）めっき層４を形成し、このめっき被膜が後工程での回路素子のはんだ付け装着、キャップ部材の冷間接合による気密的封止およびリフロー処理による回路部品組立方法を有効かつ確実に実現する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属表面にめっき層を形成した気密端子およびこの気密端子を用いる回路部品組立方法、特に鉛（Ｐｂ）フリーの比較的高い液相線温度特性を有するめっき被膜を有する気密端子とこの気密端子を用いる回路部品組立方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、軟ろう材の典型として、錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）の共晶はんだがよく知られている。このＳｎ−Ｐｂ共晶はんだは、Ｓｎ６２重量％とＰｂ３８重量％の組成からなり、共晶点の溶融温度が１８３℃でリフロー用として電子回路部品の実装に使用されるはんだ付け材である。回路部品のリフローはんだ付け処理において、リフロー温度では回路部品内部のはんだ付け素子のろう材が溶融して素子が脱落することがあってはならない。そのために、回路部品内部の素子のはんだ付けに用いるろう材としては、例えば、Ｓｎ１〜１０重量％−Ｐｂ９０〜９９重量％の高温はんだが用いられている。この高温はんだは、液相線温度が３２０℃、固相線温度が３１０℃である。
【０００３】
一方、環境問題となる有害鉛（Ｐｂ）の使用を規制する動きにより、Ｐｂフリーと称するはんだ材の開発研究が進められ、共晶点の溶融温度１８３℃に近い溶融点のものが求められ、ＳｎＡｇ系やＳｎＢｉ系が主流として知られている。こうした状況でリフロー温度に耐え、かつＰｂフリーの高温はんだとして例えば、特開２００１−９５８７号公報には、ＳｎＣｕ、ＳｎＺｎ、ＳｎＡｕ、Ｚｎ、Ｂｉを主材料とし、液相線温度が２００℃以上であるろう材が紹介されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、回路素子をめっき被膜ではんだ付をした回路部品を、リフローはんだによりプリント基板等へはんだ付をする場合、リフロー温度で回路部品内部の回路素子が脱落しないためには、回路素子のはんだ付けに使用するめっき被膜が高温はんだであることが必要となる。例えば、回路素子の水晶振動子を気密端子のリードにはんだ付をしてキャップシールした回路部品を、リフローはんだでプリント基板に実装する場合に、水晶振動子を気密端子にはんだ付をするめっき被膜はリフロー温度ではんだ付をするろう材とは溶融温度を異にする必要があり、リフロー処理で回路素子が脱落しないようにしなければならない。しかしながら、気密端子のリードにはんだ付をするめっき被膜は、基本的特性として、溶融によりはんだ可能なろう付け性、リフロー温度で溶融しない高融点性、後工程の加工処理が可能な後加工性、基板との接合信頼性、および表面光沢など美観的観点での仕上げめっきの可能性などが要求され、これら全てを満足することは難しい。
【０００５】
したがって、この発明は上記欠点に鑑みて提案されたもので、気密端子の金属外環やリード部材に設けるめっき被膜を形成するろう材として、後処理工程であるリフローはんだ温度に耐える新規かつ改良されためっき層を有する気密端子の提供を目的とする。
【０００６】
さらに、本発明の他の目的は、気密端子の金属外環やリード部材に設けためっき層の被膜に対する後処理として、リード部材への回路素子のはんだ付け、この回路素子を囲繞するキャップ部材の金属外環への気密的装着、およびこのような回路部品の実装基板上でのリフローはんだに対応できる気密端子を用いる回路部品組立方法を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の気密端子は、金属外環の内部にガラスを貫通してリード部材を気密的に封着した気密端子において、金属外環およびリード部材にビスマス（Ｂｉ）９９．５重量％以上のめっき層を形成したものであり、このめっき層の耐熱要求温度を２６０℃程度とする。すなわち、不純物０．５重量％以下とするＢｉめっき層の被膜を形成するものであり、純粋なＢｉに対して少量の混入物を光沢剤、耐熱剤および腐食防止剤等の混入を可能とする。気密端子を構成する金属外環およびリード部材には鉄（Ｆｅ）、鉄ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）または鉄ニッケルコバルト（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）が使用され、これにビスマス（Ｂｉ）めっき層の被膜を形成する。この場合、必要に応じて下地に銅（Ｃｕ）めっきを施してもよい。また、リ−ド部材はインナリードとアウタリードを有する一対のリード部材であり、インナリードに回路素子を装着し、金属外環にキャップ部材を装着し、アウタリードを基板に実装する気密端子を開示する。
【０００８】
本発明の別の観点によれば、円筒形の金属外環の内部にガラスを貫通して一対のリード部材を気密的に封着する端子形成工程と、金属外環およびリード部材にＢｉ９９．５重量％以上のめっき層の被膜を形成するめっき工程と、リード部材のインナリードに回路素子を装着するマウント工程と、キャップ部材を金属外環に冷間圧入して回路素子を気密的に囲繞する封止工程と，リード部材のアウタリードを基板の所定位置ではんだ付をする実装工程とを含み、金属外環およびリード部材に形成したＢｉのめっき被膜によりインナリードと回路素子のはんだ、ろう付け金属外環とキャップの気密的冷間接合およびアウタリードと基板とのリフローによるはんだろう付けをする気密端子を用いる回路部品組立方法が提示される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
円筒形の金属外環の内部にガラスを貫通して一対のリード部材を気密的に封着した気密端子において、金属外環およびリード部材にビスマス（Ｂｉ）９９．５重量％以上のめっき層を形成したもので、金属外環および一対のリード部材はＦｅ、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの金属材料からなり、めっき層は必要に応じて下地に銅（Ｃｕ）めっきを施して形成してもよい。ここで、リ−ド部材はインナリードとアウタリードを有し、インナリードには例えば水晶振動子などの回路素子をはんだ付で装着し、金属外環にキャップ部材を冷間接合で装着し、アウタリードには基板にろう材を用いて接合して実装する。
【００１０】
別の実施形態を説明すると、円筒形の金属外環の内部にガラスを貫通して一対のリード部材を気密的に封着する端子形成工程と、金属外環およびリード部材にビスマス（Ｂｉ）９９．５重量％以上のめっき層を形成するめっき工程と、リード部材のインナリードに回路素子を装着するマウント工程と、キャップ部材を金属外環に冷間圧入して回路素子を気密的に囲繞する封止工程と，リード部材のアウタリードを基板の所定位置で実装する回路部品のはんだ付工程とを含み、金属外環およびリード部材に形成したビスマスのめっき被膜によりインナリードと回路素子のはんだでろう付け結合や金属外環とキャップ部材の気密的冷間接合およびアウタリードと基板とをリフローはんだでろう付け結合する気密端子を用いる回路部品組立方法である。なお、リード部材のインナリードに回路素子を装着するマウント工程はインナリードのＢｉめっき層のめっき被膜を局部的に溶かして回路素子をリード部材に接合し、封じ工程は金属外環に形成されたＢｉめっき層の被膜の柔らかく弾性的に変形する金属により冷間接合して回路素子を気密的に囲繞し、リード部材のアウタリードを基板の所定位置でろう材を用いて実装処理するはんだ付工程はリフローにより処理する。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例である気密端子とそれを用いる回路部品組立方法について図を参照しつつ詳述する。図１に示すように、円筒形水晶振動子用気密端子Ａは円筒形の金属外環１と、その内部のガラス２と、このガラス２を貫通して伸びる一対のリード部材３、３を気密封着して構成され、金属外環１とリード部材３、３の外表面には本発明の特徴であるビスマス（Ｂｉ）めっき層４が形成されている。金属外環１およびリード部材３、３は、例えば低炭素鋼（Ｆｅ）や鉄ニッケル合金（Ｆｅ−Ｎｉ）または鉄ニッケルコバルト合金（Ｆｅ−Ｎｉ―Ｃｏ）等からなり、外形寸法は金属外環が１〜３ｍｍ、リード部材が０．１５〜０．３ｍｍである。ガラス２はソーダライムやソーダバリウムあるいはほう珪酸等のガラスからなり、本発明の特徴である金属外環１およびリード部材に３、３形成したビスマス（Ｂｉ）９９．５重量％以上のめっき層４は厚さ５〜３０μｍ程度の被膜として形成される。すなわち、めっき層４は不純物が総量の０．５重量％以内で含まれるビスマス（Ｂｉ）で形成される。なお、このめっき層の４形成に先立ち必要に応じて下地に銅（Ｃｕ）めっきを施しておくこともでき、それにより電気的特性やめっき被膜の改善が図られる。ここで注目すべきは、純粋なＢｉめっき層の場合、後加工性や接合信頼性で必ずしも満足されるものでなく、好ましくは、０．５重量％以内の不純物が光沢剤、耐熱剤あるいは腐食防止剤として混入され外観、耐熱性、耐蝕性等の改善に役立てる。
【００１２】
図２に示すように、リ−ド部材３、３はインナリード３ａとアウタリード３ｂを有しており、インナリードに３ａ回路素子の水晶振動子５をＢｉめっき層４の溶融により電気機械的結合して装着される。水晶振動子５は水晶片５１の両面に電極５２、５３を形成したものであり、両電極は一対のインナリードに３ａ当接させ、例えばレーザや熱風を局部的に照射して、Ｂｉめっき層４のビスマス被膜を溶融してはんだ接続される。この場合のはんだ付けは０．５重量％以内の不純物に耐熱材料等が含まれたＢｉめっき層がより効果的に利用される。一方、図３に示すように、金属外環１の表面には水晶振動子５を保護するため有底円筒状の金属キャップ部材６が圧入され、金属外環１に形成されたＢｉめっき層４の利用で冷間接合により気密的に封じされる。金属キャップ部材６は、例えば洋白と称するＣｕ（４５〜６５重量％）−Ｎｉ（６〜３５重量％）−Ｚｎ（１５〜３５重量％）合金よりなり、その内径寸法は気密端子の金属外環１の外形寸法１．６ｍｍより若干小径の１．５５ｍｍに形成される。ここで金属外環１の上端肩部は、キャップ部材６の圧入による挿入を容易にするため、丸みを帯びたなだらかな曲面状に形成される。このような形状は、例えば、金属外環の製造工程で板状部材の絞りプレス成形およびプレス打抜きにより得られる。
【００１３】
上述のようにして回路素子の水晶振動子５を気密端子Ａに取付けてキャップ部材６で封止した回路部品７は、図４に示すように、取付け基板となるプリント基板７にリフローはんだにより実装される。すなわち、回路部品７の導出リードである気密端子リード部材のアウタリード３ｂをプリント基板７のスルーホール８ａに挿入し基板裏面側で比較的低融点のはんだろう材９ではんだ付け結合される。例えば、ろう材９にはＳｎＡｇ系やＳｎＢｉ系の液相線温度が２００℃未満のろう材が用いられる。このリフロー用ろう材９は溶融温度が気密端子リード部材のめっき層の溶融温度より少なくとも３０℃以上は低く選定されなければならず、好ましくは、Ｂｉめっき被膜の液相線温度に対して５０℃以上の温度差があるろう材を使用し、それにより回路部品７をプリント基板７にリフローする固着作業時の加熱温度では回路素子の水晶振動子がインナリードからはんだ溶融して脱落することを阻止する。ここで、リフロー時のピーク温度は約２２０〜２６０℃になると、気密端子のリード部材に形成しためっき層の固相線温度を越えることもあるけれど、そのピーク温度の実現時間が短時間、例えば１０秒以内であれば、液相が出現することがなくリフロー時の耐熱性は確保できる。なお、この実施例では回路素子として水晶振動子を用いる回路部品について説明したが、他の用途の電子部品や半導体装置等についても同様に実施できる。
【００１４】
本発明においては、純度が９９．５重量％以上のＢｉめっき層の形成を特徴とするものであり、これによって約２６０℃の耐熱要求温度を満足させ、いわゆるリフローでの高温はんだとしての使用を可能にする。一方、不純物、すなわち第２の物質として含まれる０．５重量％以下の混入物として次のことが確認されている。先ず、第２の物質が全く固溶しない場合として、図５に一点鎖線で示す拡大部Ｂのように、混合物がインジウム（Ｉｎ）であるＢｉ−Ｉｎ合金があり、液相―固相平衡状態図上で少しでもＩｎがあれば固相線１０以上で液相１１が出てくるが、Ｉｎ濃度が０．５重量％以下であれば、その量は耐熱性が要求される２６０℃においても僅か５％程度であり、さらに実際の作業では平衡に達するまでのタイムラグがあるので、ほとんど溶けない。次に、第２の物質が僅かに固溶する場合として、図６に一点鎖線で示す拡大部Ｃのように、混入物がすず（Ｓｎ）であるＳｎ−Ｂｉ合金があり、この場合にＳｎは僅かに固溶すると言われるが、Ｓｎの濃度が０．５重量％以下であれば、その固相線１２は耐熱要求温度の２６０℃を下回らないと考えられ，したがって，この温度では溶けずに耐熱性を確保できる。それゆえに、リフローはんだが約２６０℃程度の高いピーク温度で実施されても、本発明に係るＢｉめっき層はこの温度での耐熱性を有することとなる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明は気密端子の金属外環とリード部材に純度９９．５重量％以上のＢｉめっき層の被膜を形成して２６０℃程度までの耐熱性を付与するものであり、Ｐｂフリーの比較的高温はんだとしてのＢｉめっき層が形成され、後工程での耐熱性を確保しリフローはんだを可能にする。特に、気密端子のリード部材に回路素子として水晶振動子をめっき被膜の溶融によるはんだ付けとしたり、金属外環にキャップ部材を圧入して気密的封じを冷間接合で確実かつ容易に実現する。加えて、回路部品の基板への実装に関してはリフロー処理を可能にするなど実用的効果を奏するなど工業的価値が大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である気密端子の斜視図。
【図２】本発明の実施例である気密端子に回路素子の水晶振動子を装着した斜視図。
【図３】本発明の実施例である気密端子にキャップ部材を圧入した回路部品の斜視図。
【図４】本発明の実施例である気密端子に回路部品を基板へ実装した状態を示す部分断面図。
【図５】本発明の実施例に係り、Ｂｉめっき層におけるＢｉ−Ｉｎ特性を示す相図。
【図６】本発明の実施例に係り、Ｂｉめっき層におけるＢｉ−Ｓｎ特性を示す相図。
【符号の説明】
Ａ　　　　　　　　気密端子
Ｂ　　　　　　　　拡大部
Ｃ　　　　　　　　拡大部
１　　　　　　　　金属外環
２　　　　　　　　ガラス
３　　　　　　　　リード部材、
３ａ　　　　　　　インナリード
３ｂ　　　　　　アウタリード
４　　　　　　　　Ｂｉめっき層、
５　　　　　　　　水晶振動子（回路素子）
５１　　　　　　　水晶片
５２，５３　　　　　電極、
６　　　　　　　　キャップ部材
７　　　　　　　　回路部品
８　　　　　　　　基板
８ａ　　　　　　　スルーホール、
９　　　　　　　　ろう材
１０　　　　　　　固相線
１１　　　　　　　液相
１２　　　　　　　固相線

Claims

金属外環と、この金属外環内部に配置したガラスと、このガラスを貫通させて気密封着したリード部材とを具備する気密端子において、前記金属外環およびリード部材に純度９９．５重量％以上のＢｉめっき層を形成した気密端子。
前記金属外環および前記リード部材がＦｅ、Ｆｅ−ＮｉまたはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏであり、下地にＣｕめっきの下地層を施して不純物を０．５重量％以下で含む前記Ｂｉめっき層を形成したことを特徴とする請求項１に記載の気密端子。
前記Ｂｉめっき層の混入物がＳｎあるいはＩｎを含んだ光沢剤、防錆剤または耐熱剤であることを特徴とする請求項１または２に記載の気密端子。
前記リ−ド部材はインナリードとアウタリードを有する一対のリード部材であり、前記インナリードは前記Ｂｉめっき層により回路素子を装着し、前記アウタリードはリフローにより実装基板にはんだ付けしたことを特徴とする請求項１ないし３に記載の気密端子。
前記回路素子が水晶振動子であり、前記金属外環にキャップ部材を冷間接合して前記回路素子を気密的に封止したことを特徴とする請求項４に記載の気密端子。
円筒形金属外環の内部にガラスを貫通して一対のリード部材を気密的に封着する端子形成工程と、前記金属外環およびリード部材に純度９９．５重量％以上のＢｉめっき層を設けるめっき工程と、前記リード部材のインナリードに回路素子を装着するマウント工程と、前記回路素子を気密的に囲繞するキャップ部材を前記金属外環に圧入する封止工程と、前記リード部材のアウタリードを基板の所定位置で実装するはんだ工程とを含み、前記Ｂｉめっき層により前記インナリードと回路素子のはんだ接合および前記金属外環とキャップ部材の冷間接合をした気密端子を用いる回路部品組立方法。
前記マウント工程は前記インナリードに設けたＢｉめっき層を局部加熱で溶かして前記回路素子を接合することを特徴とする請求項６に記載の気密端子を用いる回路部品組立方法。
前記封止工程は前記金属外環に形成されたＢｉめっき層の柔らかく弾性的に変形する金属により冷間接合することを特徴とする請求項６に記載の気密端子を用いる回路部品組立方法。
前記はんだ工程が前記アウタリードを前記基板の所定位置でリフローはんだすることを特徴とする請求項６に記載の気密端子を用いる回路部品組立方法。
前記Ｂｉめっき層は約２６０℃程度の温度耐熱性を備え、前記リフローはんだは前記Ｂｉめっき層の液相線温度以下の融点温度をもつろう材を使用したことを特徴とする請求項９に記載の気密端子を用いる回路部品組立方法。