JP2004241671A

JP2004241671A - 電子部品パッケージ及びその封止方法

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Publication number: JP2004241671A
Application number: JP2003030322A
Authority: JP
Inventors: Hidehito Uchida; 秀仁内田; Satoshi Kaneko; 聡史金子
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】上側ケースと下側ケースとの溶着スペースを小さく抑えることで、全体の小型化を図った電子部品パッケージを提供することである。
【解決手段】ケース２４と蓋体２５とを備え、両者の外周を接合することによって、電子部品２８を収納する密閉空間を形成してなる電子部品パッケージ２１において、前記蓋体２５の最外周端部２０に電子ビーム２９を照射することによって溶融変形された溶着部３０を設け、この溶着部３０でケース２４の接合面２７に接合させて封止した。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動素子のような小型の電子部品を気密封止する電子部品パッケージ及びその封止方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の電子部品パッケージ１は、例えば図７に示されるように、圧電振動子や半導体素子等の電子部品８を収納する電子部品収納部２を備えたセラミックス製の下側ケース（ケース４）と、該ケース４のフレーム部３の上面（接合面７）に形成されたメタライズ層を介して接合される金属製の上側ケース（蓋体５）とで構成されたものが知られている（特許文献１参照）。前記メタライズ層はタングステン又はモリブデン等の金属の上にニッケルメッキと金メッキを施して層状に形成したものである。蓋体５は、コバールによる合金材層５ａをベースに形成されており、この合金材層５ａの下に低融点の金属ろう材層５ｂが形成されている。
【０００３】
前記ケース４に蓋体５を封止する場合には、図８に示すように、フレーム部３に蓋体５を位置決めして重ね合わせ、蓋体５の上から出力電流値が１．３ｍＡ以上の電子ビーム９をフレーム部３の接合面７に沿って照射することによって行われる。図９は前記電子ビーム９を照射したときのケース４及び蓋体５の断面構造を示したものである。図９に示されるように、蓋体５の上から電子ビーム９を照射すると、照射した箇所から熱が合金材層５ａを下方に向かって拡散する。そして、この拡散した熱が金属ろう材層５ｂに伝わり、この熱の温度が金属ろう材層５ｂの融点を超えると溶融して液状になり、接合面７に接合される。このときの溶着部の広がり幅ｔ１１は、０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２４６４１５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記蓋体５に照射する電子ビーム９の位置が図１０（ａ）に示すように、フレーム部３の内側に偏ると、溶融した金属ろう材層５ｂの粒子５ｃが電子部品収納部２の中に飛散する場合がある。このように、金属ろう材層５ｂの粒子５ｃが飛散することによって、電子部品収納部２に収納されている圧電振動子やその他の電子素子等に付着して電気的特性を劣化するおそれがある。これとは逆に、図１０（ｂ）に示されるように、電子ビーム９の照射位置がフレーム部３の外側に偏ると、その部分に熱が集中しすぎて蓋体５の外周端端部６にひび割れが発生したり、欠けてしまう場合がある。したがって、上記図９に示したように、溶着部の接合幅ｔ１１が０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの場合であれば、電子ビーム９の照射位置を中心にして外マージンｔ１２及び内マージンｔ１３をそれぞれ０．１ｍｍ以上とらなければならない。このことから、接合に要するフレーム部３の幅をある一定以上狭くすることが困難であり、パッケージサイズの小型化が図られなかった。
【０００６】
そこで、本発明の第１の目的は、上側ケースと下側ケースとの溶着スペースを小さく抑えることで、パッケージ全体の小型化を図った電子部品パッケージを提供することである。
【０００７】
また、本発明の第２の目的は、電子部品が実装されている空間内に溶着部材が混入することなく、上側ケースと下側ケースとを溶着すると共に、溶着するスペースを最小限に抑えた電子部品パッケージの封止方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の電子部品パッケージは、上側ケースと下側ケースとを備え、両者の外周を接合することによって、電子部品を収納する密閉空間を形成してなる電子部品パッケージにおいて、前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部に溶融変形された溶着部を設け、この溶着部で他方のケースに接合してなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方がその最外周端部を溶融変形した溶着部によって他方のケースと接合されているため、溶融する際に溶けた方のケースの飛沫や熱が他方のケース内へ侵入することなく、気密封止が可能となる。また、前記溶着部をケースの最外周端部に沿って設けるため、溶着部のスペースが小さく抑えられ、電子部品パッケージの小型化が容易となる。
【００１０】
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部をビーム照射することで、溶着部の広がりを抑え、短時間で溶着接合することができる。このように、ビーム照射によって溶融変形させた一方のケースの一部を他方のケースに溶着できるため、封止する方のケースに金属ろう材を用いることなくコバール（商品名）や４２アロイ等の金属材のみで形成された一枚パネルを使用することができる。
【００１１】
また、本発明の電子部品パッケージの封止方法は、上側ケースと下側ケースとの外周を接合することによって、その密封された空間内に電子部品を収納する封止方法において、前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部に沿ってビームを照射し、該ビームを照射したケースの最外周端部を溶融変形し、該溶融変形したケースの一部を他方のケースの外周部に接合することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、上側ケースと下側ケースを溶着する際に、最外周端部を中心に溶融させるため、溶融した材料が電子部品を実装している空間内に進入するのを防ぎ、より高い気密状態を維持しながら溶着封止することができる。また、前記封止を電子ビーム又はレーザビームによって行うため、溶融温度の設定や溶着位置の設定を適正に制御することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る電子部品パッケージ及びその封止方法の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
本発明の第１実施形態の電子部品パッケージ２１は、図１及び図２に示すように、圧電振動子や半導体素子等の電子部品２８が組み込まれる電子部品収納部２２、この電子部品収納部２２を囲うフレーム部２３とを備えた四角形状のセラミックス製の下側ケース（ケース２４）と、このケース２４の上部を封止する上側ケース（蓋体２５）とで構成されている。前記電子部品収納部２２は、前記電子部品２８が固定されると共に、気密封止するための空間になっている。また、フレーム部２３は、前記電子部品収納部２２を囲う所定厚みの４面の側壁２６と、この側壁２６の上面に平坦形成されている接合面２７とを備えている。前記接合面２７は、蓋体２５との接合を容易にするため、タングステン又はモリブデン等の金属の上にニッケルメッキと金メッキを層状に施した金属接合層（メタライズ層）で形成されている。
【００１５】
一方、蓋体２５は、前記ケース２４と略同じ平面サイズに形成されており、４２アロイやコバール等の鉄族元素の合金を材料として、厚みが０．０５ｍｍ程度に薄く平面加工した一枚パネルである。また、前記材料で形成された蓋体２５は、約１５００℃の融点を有しているため、後述する電子ビームを照射することによって溶融し、メタライズ層を形成している接合面２７に直接溶接される。
【００１６】
図２に示したように、前記蓋体２５は、その最外周端部２０を電子ビーム２９等で照射したときに、その角部２５ａが溶融されて下方に垂れ下がるように変形し、この垂れ下がりによる溶融部分が前記フレーム部２３の接合面２７若しくはその外周縁にも多少回り込むことで、蓋体２５とフレーム部２３の接合面２７とを接合する溶着部３０を形成する。この溶着部３０は、前記蓋体２５の角部２５ａを含む蓋体２５上面の内側近傍あるいは外側のごく僅かな範囲に限定して電子ビーム２９を照射することによって形成される。即ち、本発明の最外周端部２０は、前記蓋体２５の角部２５ａの近傍付近を意味する概念であるが、角部２５ａの内側部分のみでなく、外側部分も含むものである。因みに、本実施形態では、前記蓋体２５の角部２５ａから内側に約０．１ｍｍの範囲内で、出力電流値０．９ｍＡ以上の電子ビーム２９を０．０４秒程度照射することによって、前記の溶融変形およびそれに伴う溶着部３０が形成される。なお、電子ビーム２９を角部２５ａの外側から照射する場合は、フレーム部２３に直接当たらないように、照射位置及び出力電流値を調整して行う。
【００１７】
次に、前記蓋体２５の封止工程を図３に基づいて説明する。この封止工程は、蓋体２５をフレーム部２３の上に配置する第１工程と、溶接する際に蓋体２５がずれないように仮止めする第２工程と、仮止めした蓋体２５の最外周端部に沿ってビームを照射して溶接する第３工程とからなっている。第１工程では、作業台にケース２４を固定し、その上方から蓋体２５を静かに下降させて接合面２７に位置決め載置する。続く第２工程では、冶具等を使用して前記位置決めされた蓋体２５が溶接中にずれないように固定する。そして、第３工程では、蓋体２５の最外周端部２０の一点ａに電子ビーム２９の照準を合わせ、最外周端部２０をａ−ｂ−ｃ−ｄの順に走査させる。その際に、上述したように、最外周端部２０の角部２５ａが溶融されて下方に垂れ下がるように変形し、この溶融変形した溶着部３０が蓋体２５の全周に形成されることで、前記フレーム部２３の接合面２７と蓋体２５の外周下面とが全周に亘って溶接され、電子部品収納部２２が封止されることになる。
【００１８】
上記のように、本願発明では蓋体２５の最外周端部２０を溶融変形されて直接フレーム部２３に溶着する手段を取っているので、電子ビームの出力電流値を０．９ｍＡ程度に抑えた場合でも十分な接合強度が得られる。因みに、上述した従来例のように、電子ビームの照射によって間接的に金属ろう材を溶融させて接合する方法では１．３ｍＡ以上の出力電流値が必要であった。また、本願発明では蓋体２５の最外周端部２０に絞った集中照射と、電子ビーム２９自体の出力電流値を低く設定したことで、溶着部３０の広がりを小さく抑えることができ、さらに、前記溶着部３０が接合面２７の外周端部に向けて形成されることから、蓋体２５を溶融する際に発生する蓋体２５を構成する材料の飛沫が電子部品収納部２２内に進入するのを防止することができる。
【００１９】
図４は、従来の方法で封止形成された電子部品パッケージ１と本実施形態の電子部品パッケージ２１のサイズを比較したものである。従来の電子部品パッケージ１では、上記図８で示したように、電子ビーム９を照射した際における蓋体５の外周端部の欠損及び溶融した金属ろう材の電子部品収納部内への飛散防止を目的として、電子ビーム９の照射位置を中心に外マージンｔ１２及び内マージンｔ１３をそれぞれ０．１ｍｍ以上確保する必要がある。さらに、電子ビーム９を照射した位置を中心に金属ろう材の溶融幅ｔ１１が０．１５〜０．２５ｍｍ程度になる。したがって、前記外マージンｔ１２、内マージンｔ１３及び溶融幅ｔ１１を考慮すると、フレーム部の厚みｔ１４を最小でも０．４５ｍｍ以上に設定しなければならなかった。その点、本実施形態の方法で封止した場合は、蓋体２５が金属ろう材を使用しない鉄族元素又はその合金による一枚パネルで形成されていること、また、電子ビーム２９の出力電流値を抑え、且つ照射する位置を蓋体２５の最外周端部２０に集中させたことによって、溶着部３０の接合幅ｔ２１を０．１ｍｍ程度に抑えることができる。このため、フレーム部２３の厚みｔ２２を０．２５ｍｍ程度に薄く形成することが可能となった。
【００２０】
図５は、鉄族元素の合金材層４５ａと金属ろう材層４５ｂとを積層したクラッド構造の上側ケース（蓋体４５）を使用して、上記第１実施形態と同様な封止方法で封止した第２実施形態の電子部品パッケージ４１を示したものである。前記合金材層４５ａは、第１実施形態の蓋体２５と同様に４２アロイやコバール等の鉄族元素の合金で構成され、一方、金属ろう材層４５ｂは、銀合金やアルミニウム合金等の金属材で構成される。この金属ろう材層４５ｂの融点は溶融時のケース２４に及ぼす熱の影響を考慮して９００℃以下が望ましい。前記合金材層４５ａと金属ろう材層４５ｂとのクラッド化は、２枚の金属板を同時に圧延することで容易に製造できる。このようにして、クラッド化された蓋体４５は、金属的に強固な結合構造となるため熱伝導が極めて良好となり、電子ビーム２９の照射によって加熱溶融し、接合面２７に直接溶接される。
【００２１】
図５に示したように、前記蓋体４５は、その最外周端部５０に電子ビーム２９を照射することで、合金材層４５ａの角部４５ｃが溶融されて下方に垂れ下がるように変形すると共に、クラッド化された金属ろう材層４５ｂの外周端部も一緒に溶融するので、これら両者の溶融部分が接合面２７やその外周縁にも多少回り込んで溶着部４０を形成し、蓋体４５とフレーム部２３の接合面２７とを接合する。本実施形態では、前記第１実施形態の電子部品パッケージ２１と同様に、前記合金材層４５ａの角部４５ｃから内側に約０．１ｍｍの範囲で、出力電流値０．９ｍＡ以上の電子ビーム２９を０．０４秒程度照射することによって、前記の溶融変形およびそれに伴う溶着部４０を形成した。
【００２２】
前記電子部品パッケージ４１における蓋体４５の封止は、第１実施形態の電子部品パッケージ２１と同様な方法で行われるが、蓋体４５に低融点の金属ろう材層４５ｂを有しているため、この金属ろう材層４５ｂを利用して蓋体４５の仮止め溶接を行うことができる。例えば、金属ろう材層４５ｂの融点温度で溶融する量の電子ビームを蓋体４５の対角線上の二隅又は四隅に照射してフレーム部２３と蓋体４５とを仮止め溶接する。そして、この仮止め溶接が完了した後、前記第１実施形態と同様に合金材層４５ａの融点温度に設定された電子ビームを蓋体４５の最外周端部５０に沿って照射していく。このように、ケース２４と蓋体４５とを冶具を使用せずに仮止めができると共に、金属ろう材層４５ｂと合金材層４５ａとの溶融結合による溶着部４０によって、接合強度を高めた封止が可能となる。また、前記金属ろう材層４５ｂの代わりにニッケルめっき等の低融点めっきを施しても上記と同様の仮止め工程を含む封止手段を実行することができる。このようなめっきを施した場合には、前記金属ろう材層４５ｂのクラッド化に比べて安価に製造できる利点がある。
【００２３】
図６は本発明に係る電子部品パッケージの第３実施形態を示したものである。この実施形態に係る電子部品パッケージ５１は、前記第１実施形態及び第２実施形態に係る電子部品パッケージ２１，４１とは異なって、立体形状に形成された上側ケース（蓋体５５）内に電子部品収納空間５２が設けられ、下側ケースは平板形状のセラミックス基板５４で形成されている。そして、セラミックス基板５４上には電子部品５８が実装され、外周部には蓋体５５との接合を容易にするためのメタライズ層からなる接合面５７が全周に設けられている。前記蓋体５５は、前記第１実施形態の蓋体２５と同様に、４２アロイやコバール等の鉄族元素の合金を材料とした一枚パネル又は金属ろう材をクラッド化したものである。蓋体５５の外周部には外向きのフランジ５９が全周に形成され、このフランジ５９が前記セラミックス基板５４の接合面５７に載置される。蓋体５５の上面を治具で押えながら電子ビーム２９を前記フランジ５９の最外周端部６０に沿って照射し、フランジ５９の角部５５ａを溶融変形して前記実施形態と同様の溶着部６１を形成し、前記セラミックス基板５４の接合面５７に接合する。電子ビーム２９を蓋体５５の全周に亘って照射することでセラミックス基板５４と蓋体５５とが完全に封止されることになる。
【００２４】
上記実施形態では金属材で形成された上側ケースに電子ビームを照射し、これを溶融変形させた場合について説明したが、下側ケースを金属材で形成した場合には下側ケースに電子ビームを照射して、下側ケースの一部を溶融変形することになる。また、上記の実施形態では金属材として４２アロイやコバール等の鉄族元素の合金を材料とした場合について説明したが、本発明では電子ビームやレーザビームによって溶融変形する材料であれば、上記以外の金属材料を利用できること勿論である。
【００２５】
なお、圧電振動子のような温度や湿度等によって特性が変化する素子を上記第１実施形態乃至第３実施形態に示した方法で封止する場合は、一定の圧力（例えば、１５Ｐａ）以下の真空に達した作業環境下で行われる。そして、このような環境下で、先ず蓋体の任意の溶接開始点に電子ビームの照準を合わせ、その位置から蓋体の最外周端部に沿って電子ビームを照射しながら移動させる。さらに、この電子ビームの移動に合わせてケース２４内の真空引きも併せて行われる。
【００２６】
【発明の効果】
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、上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部を溶融変形させた溶着部によって他方のケースの接合面に接合させたため、接合幅を狭く抑えることができる。これによって、接合幅のマージンを余分に取る必要がないため、パッケージサイズを小さくすることができる。また、このような溶融変形が可能であることから、封止する側のケースを鉄族元素又はその合金である金属材の一枚パネルで構成することができる。
【００２７】
また、電子部品パッケージの封止方法によれば、上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部に沿って電子ビームを精度よく集中照射することによって、他方のケースの接合面との溶着幅を最小にすることができる。また、ケースの最外周端部に電子ビームを集中照射することで、溶融した金属材の飛沫が電子部品収納空間内に飛び散るのを防ぐことができ、圧電振動子やその他の電子素子の特性を劣化させることなく封止作業を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子部品パッケージの第１実施形態の斜視図である。
【図２】上記電子部品パッケージのＡ−Ａ断面図である。
【図３】上記電子部品パッケージの封止方法を示す説明図である。
【図４】上記電子部品パッケージのケースと蓋体との接合部を示す要部断面図である。
【図５】本発明に係る電子部品パッケージの第２実施形態の要部断面図である。
【図６】本発明に係る電子部品パッケージの第３実施形態の要部断面図である。
【図７】従来の電子部品パッケージの断面図である。
【図８】上記従来の電子部品パッケージの封止方法を示す説明図である。
【図９】上記従来の電子部品パッケージの接合部を示す要部断面図である。
【図１０】上記従来の電子部品パッケージにおけるビーム照射位置がずれた場合の接合状態を示す説明図である。
【符号の説明】
２０，５０，６０最外周端部
２１，４１，５１電子部品パッケージ
２２電子部品収納部
２３フレーム部
２４，５４ケース（下側ケース）
２５，４５，５５蓋体（上側ケース）
２７，５７接合面
２８，５８電子部品
２９電子ビーム
３０，４０，６１溶着部

Claims

上側ケースと下側ケースとを備え、両者の外周を接合することによって、電子部品を収納する密閉空間を形成してなる電子部品パッケージにおいて、
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部に溶融変形された溶着部を設け、この溶着部で他方のケースに接合してなることを特徴とする電子部品パッケージ。
前記溶着部は、上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部がビームの照射によって溶融変形したものである請求項１記載の電子部品パッケージ。
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の接合面に金属接合層を設けた請求項１記載の電子部品パッケージ。
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方が金属材、他方がセラミックスで形成されてなる請求項１記載の電子部品パッケージ。
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方が金属材のみで形成されるか、又は金属材に金属ろう材をクラッド化させたもので形成される請求項１記載の電子部品パッケージ。
前記金属材が鉄族元素の合金である請求項４又は５記載の電子部品パッケージ。
上側ケースと下側ケースとの外周を接合することによって、その密封された空間内に電子部品を収納する封止方法において、
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部に沿ってビームを照射し、該ビームを照射したケースの最外周端部を溶融変形し、該溶融変形したケースの一部を他方のケースの外周部に接合することを特徴とする電子部品パッケージの封止方法。
前記ビームが電子ビーム又はレーザビームである請求項７記載の電子部品パッケージの封止方法。
前記上側ケース及び下側ケースの少なくとも一方の最外周端部に沿ってビームを照射する前に、下側ケースに上側ケースを仮止めしてなる請求項７記載の電子部品パッケージの封止方法。