JP2002208650A - 電子素子収容装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子素子のパッケージ封止において、樹脂接
着材を使用した場合の欠点を改善した優れた電子素子収
容装置を提供すること。 【解決手段】 開口を有する筐体１内に電子素子３を収
容するとともに、筐体１の開口上面１ａを接着材４を介
して蓋体２で気密に封止した電子素子収容装置Ｓであっ
て、蓋体２は上面が凹状を成すとともに下面が下方に凸
状を成し、且つ蓋体２の下方に凸状を成す下面２ｂを筐
体１の開口上面１ａより下方に位置させたことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子素子を気密に封
止する電子素子収容装置において、緩やかな条件下でも
封止時の気密性を容易に確保する構造を備えた電子素子
収容装置に関する。

【０００２】

【従来技術とその課題】電子素子（以下、単に「素子」
ともいう）には多数の種類があるが、殆んどが素子その
ままでは耐環境性は低い。例えば、素子がムキ出しのま
ま大気中に置かれると、大気中の湿分、酸素その他腐食
性物質によって素子が劣化し、その機能低下が起きる。

【０００３】このような素子の例としては、ＩＣ，ＬＳ
Ｉ，トランジスタ，ダイオードなどの半導体素子類、圧
電素子、振動子、コンデンサ、抵抗体などが挙げられ
る。これら素子の使用にあたっては、何らかの環境に対
する保護がなされなければ、長期間、安定的に使用する
ことはできない。保護の方法は、原理的には素子が直接
大気に曝されないようにすることであり、具体的には、
簡便に塗装を施す方法から、完全な気密シールであるパ
ッケージ化まで、素子の種類、保護の内容や程度に応じ
て各種方法が知られている。

【０００４】これらの中でも、パッケージと呼ばれる保
護方法は重要である。単にパッケージと呼ぶとかなり広
い概念を有するので、本発明でいうパッケージとは、中
空の容器状で、素子を収容する本体部（以下、筐体とも
いう）と、この筐体を覆う蓋体部（以下、単に蓋体とも
いう）とより成り、本体部と蓋体部とを気密に封止する
ことから構成されるものをいうこととする。

【０００５】このようなパッケージは、本体部と蓋体部
が接着（密着）部分を有するので、この部分の気密性が
パッケージ全体の気密性に大きな影響を与える。

【０００６】このパッケージの本体部と蓋部とを気密に
封止する方法として、広く使われているものは広義の接
着である。ここで「広義」とは、単に接着材（材）を用
いる方法のみならず、熔着や融着といった方法も意味す
る。

【０００７】接着面の材質が金属であれば、熔着あるい
は銀ロウ付などの方法がとられることがある。また材質
がセラミックスあるいはガラスであれば、ガラス質接着
材で融着させることもある。また樹脂接着材は材質にこ
だわらず広く使用し得るものである。

【０００８】しかしながら、前記2つの方法は、接着の
段階で素子が損傷する危険性がある温度まで上げる必要
がある場合があり、高温に弱い素子には不向きである
し、封止のコストも高い。

【０００９】樹脂系の接着材は封止時の温度が低く、封
止のコストも低いので好ましい方法であるが、気密保持
性特に湿分の滲透防止性が低いという欠点があり、長期
信頼性を必要とするパッケージには未だ広く使われてい
ない。

【００１０】パッケージの耐透湿性を改善する他の一つ
の方法は、湿分の浸透経路をできるだけ小さくすること
である。透湿量は外部条件が一定であれば、湿分の浸透
部の浸透方向長さと浸透方向断面積によって律速され
る。浸透方向長さとは具体的には接着部分の巾であり、
パッケージの形状、寸法が決まればほぼ決定される。

【００１１】しかしながら、浸透部の断面積すなわち接
着材層の厚さは接着面の平面度により大きな影響を受け
る。従来のパッケージは、その封止方法が透湿をほぼ完
全に防止できるものであるので、接着面の平面度は封止
が完全になされる程度であれば充分であり、平面度につ
いて特に厳しい要求はされない。

【００１２】従ってこれらパッケージの接着面は必らず
しも密着しておらず間隙が生じていることが多い。この
ような間隙は、樹脂接着材を使用した封止の場合には大
きな透湿を許すこととなる。例えばアルミナ製のパッケ
ージは、その製造工程中で焼結という段階があり、この
時に全体的な収縮が起きる。収縮はミクロなレベルでは
決して均一なものではなく、パッケージ全体は変形して
いなくとも、細部では凹凸、ソリ、ウネリを生じてお
り、接着面の密着度は悪い。

【００１３】接着面の平面度、言い換えれば密着度を改
善すれば、樹脂接着材によって封止しても耐透湿性を向
上させることが期待できるが、例えば前記アルミナ製の
パッケージの接着面の平面度を改善するには平面研磨を
行なわねばならず、超硬物質の代表ともいえるアルミナ
を研磨することは非常に大きなコストを要し、低コスト
を目的とする樹脂封止パッケージには採用し得ない。ま
たパッケージの形状によっては研磨することすら困難な
場合がある。

【００１４】そこで、接着面の密着度を上げ、耐透湿性
を向上させるため、パッケージの蓋体部に柔軟性（変形
性）を有する金属箔を使用する方法が考案されている
（特開平７−２１２１６９号公報等を参照）。

【００１５】金属箔の蓋体部は、樹脂接着材を用いて本
体部と接着する際に適度の圧力を加えることにより、本
体部接着面の凹凸、ソリ、ウネリなどに追随して変形
し、接着面の間隙が小さくなり、耐透湿性が向上する。

【００１６】しかしながら、蓋体部に金属箔を使用した
場合、密着性は向上するが、樹脂の加熱硬化時にパッケ
ージ内部の圧力（気圧）の上昇に対して、耐久性がなく
内部から気密が破れることがある。特に、量産工程にお
いては樹脂接着材の量、接着面積等のばらつきがあるた
め、封止工程での気密破壊による不良の発生が危惧され
る。接着巾を大きくすれば強度は増すが、パッケージサ
イズが大きくなり、素子の小型化が困難になる。

【００１７】また、封止工程で良品となった素子でも、
プリント基板などに半田を使用して、より高温で実装す
る際に、パッケージ内部の気圧が上昇し、やはり気密破
壊が起こるという問題があった。

【００１８】さらに、封止工程においては、蓋体部が平
坦箔の場合、蓋体の載置精度により、実効的な接着部の
幅がばらつくことになる。

【００１９】従って、接着部の幅が設計値よりも狭いと
ころでは、耐透湿性の低下や加熱硬化時に気密破壊が起
こりやすくなるという問題があった。

【００２０】本発明は、前述の諸問題を解決するために
提案されたものであり、電子素子のパッケージ封止にお
いて、樹脂接着材を使用した場合の欠点を改善した優れ
た電子素子収容装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の電子素子収容装置は、開口を有する筐体内
に電子素子を収容するとともに、前記筐体の開口上面を
接着材を介して蓋体で気密に封止した電子素子収容装置
であって、前記蓋体は上面が凹状を成すとともに下面が
下方に凸状を成し、且つ前記蓋体の最下面を前記筐体の
開口上面より下方に位置させたことを特徴とする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる電子素子収
容装置の実施形態について模式的に図示した図面に基づ
き詳細に説明する。

【００２３】図１に示すように、本発明の電子素子収容
装置Ｓは、開口を有する本体部（筐体）１内に弾性表面
波素子等の電子素子（以下、素子という）３をはんだ等
のバンプ５を介してフェースダウンで実装・収容した
後、本体部１の開口上面１ａを例えば樹脂系の接着材４
を介してほぼ均一の厚みを有する蓋体部２で気密に封止
したものであって、蓋体部２は上面２ａが凹状を成すと
ともに下面２ｂが下方に凸状を成し、且つ蓋体部２の下
方に凸状を成す下面２ｂ（最下面）を本体部１の開口上
面１ａより下方に位置させている。このように、本体部
１と蓋体部２よりパッケージを構成している。

【００２４】なお、電子素子３には、前記以外に、例え
ばＩＣ，ＬＳＩ，トランジスタ，ダイオードなどの半導
体素子類、圧電素子、振動子、コンデンサ、抵抗体等に
適用可能である。また、本発明の電子素子収容装置は、
図１に示すように、例えば圧電基板に励振電極を形成し
たような弾性表面波素子や弾性表面波以外の弾性波を積
極的に利用するような弾性波素子をバンプを介してフェ
ースダウン実装するような場合において、圧電基板等の
振動空間を十分に確保できるとともに蓋体部の下方を凸
状とすることで小型化・低背化を実現するものとして特
に好適に適用可能である。

【００２５】素子３は本体部１と電気的に非接続に保持
されねばならず、従って本体部１は電気絶縁体であるこ
とが好ましい。本体部１が金属など電気導体である場合
は、素子３は本体部１と電気的に非接続に保持されねば
ならない。

【００２６】パッケージは実用に際しては、例えばプリ
ント基板などに搭載され、熔融半田で固定されることが
多く、樹脂は少なくとも短時間熔融半田温度（２５０゜
〜２８０℃程度）に耐え得る耐熱性が必要である。

【００２７】これらのことより、本体部１の材質はセラ
ミック、ガラスあるいはプラスチックが好ましく、なか
でもアルミナ、ステアタイト、フォルステライト、ムラ
イト、コージェライトなどのセラミックスがコスト、加
工性、電気絶縁性、耐熱性などに優れ、好適に使用でき
る。

【００２８】蓋体部２の材質としては、若干の柔軟性を
有する金属箔が使用でき、かつ本体部１との接合部を段
差形状に加工できる金属材料であればよく、単一の金属
のみならず合金も使用できる。これらの例として、単一
の金属ならば銅、鉄、アルミニウム、亜鉛、錫、金、銀
などが挙げられ、合金としては銅合金、アルミニウム合
金、ステンレス、コバールなどが挙げられる。

【００２９】これらの金属箔の中には、大気中で長期間
の間に水分あるいは酸素などにより腐食が起きるものも
あり、このような場合にはメッキ、塗装、酸化処理など
の表面保護処理を行なうことによってこの欠点を補うこ
とができる。また、接着性を改善するため、金属箔の接
着面を粗面化（算術平均粗さ（Ｒａ）で数μｍ以下、な
お、Ｒａが数十μｍにもなると気密封止が不可能になる
ことがある。）することも有効である。

【００３０】蓋体部２は、樹脂接着材を用いて本体部１
と接着する際に適度の圧力を加えることにより、本体部
１の接着面の凹凸、ソリ、ウネリなどに応じて変形し、
接着面の間隙が小さくなり耐透湿性が向上する。

【００３１】蓋体部２に金属箔を使用した場合、密着性
は向上するが、樹脂の加熱硬化時にパッケージ内部の圧
力（気圧）の上昇に対して、耐久性がなく内部から気密
が破れることがある。特に、量産工程においては樹脂接
着材の量、接着面積等のばらつきがあるため、封止工程
での気密破壊による不良の発生が危惧されるが、本体部
１の側壁上の蓋体部２と本体部１の接合部の境界で段差
がある蓋体部２を用いているため、パッケージサイズを
大きくしなくとも、接着面積が大きいので、強度は十分
あり、素子３の小型化の妨げにはならない。

【００３２】蓋体部２が金属コートされた、セラミック
スやプラスチックの場合でも同様に、柔軟性、加工性、
耐腐食性を備えているので、電子素子収容装置として良
好に使用できる。

【００３３】図２に基づいて、プリント基板などに半田
を使用し、より高温で実装する際の熱ひずみによる応力
について説明する。図２（ａ）に示すように、本体部１
における接合面である開口上面１ａが蓋体部２の下方に
凸状を成す下面２ｂより高い場合、蓋体部２の本体部１
に対する線膨張係数の異なることによる応力（蓋体部２
が金属体の場合、通常、本体部１を構成するセラミック
スに対して1桁超の線膨張係数を持つため、例えば、１
ｍｍ長さの辺があれば、温度差１００℃で１０μｍ程度
のひずみが生じる）により、特に開口上面１ａの下方に
存在する接着材４を本体部１の側壁上部と蓋体部２の下
方に凸に形成された凸状部の側面２ｃとでかしめること
になるので、気密性が増すだけでなく本体部１の接着面
における剥離や装置の破壊などの問題を解決できる。

【００３４】一方、図２（ｂ）の本体部１の開口上面１
ａが蓋体部２の凸状部の下面２ｂより低い場合、前記し
たように線膨張係数の異なることによる応力により、接
着材４に不要な応力（矢印）がかかることで、本体部１
の接着面において横滑りが発生し、装置の気密破壊等が
生じたり本体部１と蓋体部２との剥離が生じるなどの問
題が発生する。

【００３５】また、本体部１の接合面（開口上面１ａ）
と蓋体部２の下面２ｂの適正な位置関係は、本体部１の
開口上面１ａと蓋体部２の下面２ｂ（最下面）との高さ
の差が、蓋体部２の１／２の材料厚み以上あれば、接着
材４を本体部１と蓋体部２でかしめることが可能であ
り、前記した好適な封止強度を保つことができる。

【００３６】さらに、蓋体部２を本体部１に載置させて
加圧封止する工程においては、蓋体部２が平坦箔の場
合、蓋体部２の載置精度により実効的な接着部の幅がば
らつくことになるため、本発明のように蓋体部２に段差
を設けることにより、蓋体部２の本体部１への搭載時に
セルフアライメント効果を期待することができ載置の位
置ばらつきを皆無とすることができる。これにより、安
定した封止状態を再現できるため、気密破壊による不良
を失くすことができ信頼性を向上させることができる。

【００３７】蓋体部２の柔軟性の要求については、本体
部１の接着面における平面度、蓋体部２の大きさなどに
より異なるが、本体部１の接着面に押し付けた場合、接
着面の非平面性に傲ってある程度変形してもよい。

【００３８】図３（ａ）、（ｂ）に本体部１と蓋体部２
の接合部における望ましい様子を示す。接合時に、本体
部１の接合部で割れやカケが無いように、図示のごとく
に本体部１の接着面を任意の角度及び曲率で曲げ加工ま
たはテーパー加工を施すことが望ましい。

【００３９】樹脂接着材としては、当然のことながら耐
湿性の高いものを選ぶべきである。これらの要件を満た
す接着材４として、耐熱性熱可塑性樹脂接着材ではポリ
サルフォン、ポリエーテルサルフォン、フェノキシ樹脂
などが挙げられる。また、これら樹脂を接着材４として
使用するには、有機溶剤の溶液とする。接着は溶液を接
着面に塗布し、接着性を失わない程度まで溶剤を揮発さ
せた後、本体部１と蓋体部２を合せて接着し、溶剤を完
全に揮発させる、あるいは溶液を塗布後、一旦溶剤を完
全に揮発させ、本体部１と蓋体部２の接着面を合せて樹
脂の軟化温度まで上昇させて接着する。ここで、もし溶
剤蒸気が素子あるいはパッケージの要部に損傷を与える
恐れがある場合は、前記後者の方法を採用するとよい。

【００４０】本発明で好適に使用し得る熱硬化性樹脂接
着材としては、エポキシ系接着材が挙げられる。エポキ
シ樹脂は金属を含む種々の材質への接着力が大きく、耐
湿性も良好であり、熱硬化性であるので耐熱性も高い。
さらには種々のエポキシ系接着材が販売されており、選
択の巾も広い。従ってエポキシ系接着材は本発明の接着
材として最適なものの一つといえる。

【００４１】なお、これら接着材４には必要に応じて助
剤、充填剤といったものを添加してもよい。特に湿分不
活性な鉱物質、例えばガラス、酸化チタン、アルミナ、
シリカなどの微粉の添加は、接着部の耐透湿性を高める
に有効である。また、導電材（例えば、Ａｕ，Ag，Ｓｎ
等の合金）を添加し、導電性接着材として用いて、蓋体
に接地電位に通じるようにすることで高周波用部品に最
適となる。高周波の電気信号を機能させる部品は、該部
品、または、その他の部品との電磁気学的結合をさせな
いように、蓋体部２や本体部１に電磁シールド効果を生
じるようにするべく接地電位にしている金属パターンを
形成することが必要である。よって、蓋体部２は金属箔
が良好なシールド効果を持つので最適であるが、プラス
チックに金属コートしたものでも良好なシールド効果を
持つ。また、前記シールド効果を得るように導電性接着
材を用いるようにしてもよい。

【００４２】また、複合化部品、つまり、パッケージの
本体部１がインダクタンスやキャパシタンスを生じる電
極を内蔵する積層構造（集中定数素子や分布定数素子を
内蔵する構造）から成り、本体部１のキャビティ内に電
子素子（例えば、弾性表面波素子、半導体素子等）３を
収容し、それらを電気接続する部品においては、前記の
良好な気密封止構造といえ、しかも電磁シールド効果の
高いパッケージ構造として特に有用であるといえる。

【００４３】封止方法は、まず樹脂製の接着材４を、本
体部１と蓋体部２の両方あるいはどちらか一方の接着部
に塗布する。塗布方法としてはスクリーン印刷法が必要
部分に比較的均一な厚さで塗布できるので好ましいが、
その他にロールを用いて塗布する方法、刷毛塗り方法な
ども行なえる。

【００４４】また、蓋体部２や本体部１の接着部が金属
である場合、半田（Ａｕ−Ｓｎ合金半田）で気密封止す
ることもできる。

【００４５】さらに、図３に示すように、本体部１の接
着部の内側に曲面加工、面取り加工、テーパー加工を施
すことにより、接着材４が曲面部またはテーパー部に染
み出し、実効的な接着面積が増加する。従って、耐透湿
性や気密性を向上させることができる。

【００４６】その後、接着材層４が接着可能な状態下で
本体部１と蓋体部２との接着面を合わせ、蓋体部２を本
体部１に押し付ける。この押し付けによって接着材４の
多くの部分は接着面から押し出されて薄くなるととも
に、蓋体部２は本体部１の接着面の凹凸、ソリ、ウネリ
などに応じて変形し、同様に接着材４を接着面から押し
出し、薄い接着材層を形成する。

【００４７】このように金属箔の蓋体部２を本体部１と
できるだけ接着層を薄くした状態で接着材を硬化させる
ことにより、パッケージの耐透湿性は格段に向上する。

【００４８】なお、前記接着工程を、乾燥空気中あるい
は乾燥窒素中など不活性雰囲気下で行なうことは、必須
ではないが、さらに改善された素子の保護方法として有
効である。

【００４９】また、蓋体の適正な材料厚みは、０．０２
ｍｍ〜０．３ｍｍである。この範囲の下限値は蓋体の酸
化による耐腐食性、厚み強度による封止性を考慮したも
のであり、上限値は封止時の蓋体の柔軟性や加工性、ま
た、電子部品の適正なサイズを考慮したものである。

【００５０】このように、本発明によれば、湿分によっ
て腐食が生じる合金電極を有する電子素子を、低温封止
で素子の損傷を避けながら低いコストでパッケージ化す
ることができるので非常に有用である。

【００５１】なお、本発明は前記の実施形態に限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種
々の変更は何等差し支えない。

【００５２】

【実施例】以下に、図１に示す構成の９６重量％アルミ
ナ製セラミックパッケージに圧電素子である弾性表面波
フィルタを収容した電子素子収容装置の実施例について
説明する。

【００５３】図１において、１はセラミック製パッケー
ジの本体部、２はコバール製の蓋体部である。３は弾性
表面波フィルタでありボールバンプを介して本体部１に
フリップチップ実装されている。４は接着部であり樹脂
接着材としてエポキシ樹脂を使用した。なお、弾性表面
波フィルタ３は銀ペーストや導電性シリコン樹脂等を使
用して本体部１にマウントし、金ワイヤー等を使用して
本体部１の入出力パッドとボンディングしてもよい。

【００５４】本体部１のサイズは縦３ｍｍ、横３ｍｍ、
高さ１．２ｍｍとした。蓋体部２のサイズは縦２．５５
ｍｍ、横２．５５ｍｍ、厚み０．１０ｍｍとした。ま
た、接合部と平坦部の段差は０．２０ｍｍで、本体部１
の接合面（開口上面１ａ）と蓋体部２の下面２ｂの重な
り深さ（高さ差）は０．１０ｍｍとした。弾性表面波フ
ィルタ３のサイズは縦１．３５ｍｍ、横０．８ｍｍ、高
さ０．３５ｍｍとし、ボールバンプの高さは０．０８ｍ
ｍとした。接合部の幅は０．３０ｍｍとしたが、内側の
角は面取り加工を施しており、実効接着幅は０．３５ｍ
ｍとした。

【００５５】接合部にはスクリーン印刷によりエポキシ
樹脂接着材を塗布した。続いて、蓋体部２を載置し押し
付けを行った。その後、１９０℃の乾燥窒素雰囲気中で
加熱硬化を行った。

【００５６】次に、前記したような方法で封止した３０
００個の部品の気密試験を行った。まず、半田温度での
気密破壊を誘発するために２６０℃の温度でリフローを
行なった。次に、６．３×１０⁵Ｐａのヘリウム中で１
時間の加圧をおこない、気密破壊している部品のパッケ
ージ内部にヘリウムを封入した。その後、５．０×１０
^-8ａｔｍｃｃ／ｓｅｃのリークレートでリークチェック
をおこなった結果、２個の部品からヘリウムが検知さ
れ、気密破壊が確認された。通常、金属熔接による封止
不良の発生は０．１％程度であるので、本発明はこれと
同等以上の封止強度があることが実証され、また、小型
化・低背化を実現することができた。

【００５７】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明の電子素
子収容装置によれば、開口を有する筐体内に電子素子を
収容するとともに、筐体の開口上面を接着材を介して蓋
体で気密に封止する構造において、蓋体は上面が凹状を
成すとともに下面が下方に凸状を成し、且つ蓋体の最下
面を筐体の開口上面より下方に位置させたので、接着材
に対する蓋体の熱膨張等による応力を緩和させることが
できるので、筐体と蓋体との接着部における両者間の剥
離を極力防止することができ、さらに、位置合わせも容
易に行うことができるので、信頼性の優れた電子素子収
容装置を提供できる。

【００５８】また、蓋体は上面が凹状を成すとともに下
面が下方に凸状を成すので、小型化・低背化に優れた電
子素子収容装置を提供できる。

【００５９】また、蓋体を金属箔で構成させることによ
り、接着時の圧力により接着面が平坦になるため、良好
な封止構造となるだけでなく、高周波部品としての電磁
気学的シールド効果の優れた電子素子収容装置を提供で
きる。

【００６０】さらに、蓋体が金属膜でコートされた、セ
ラミックスやプラスチックにより構成することによって
も、高周波部品としての電磁気学的シールド効果の良好
な電子素子収容装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子素子収容装置を模式的に図示
した端面図である。

【図２】（ａ）は本発明に係る電子素子収容装置の接着
部における模式的な端面構造図であり、（ｂ）は比較例
の電子素子収容装置の接着部における模式的な端面構造
図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明に係る電子素
子収容装置の接着部における加工例を模式的に示す端面
図である。

【符号の説明】

１：本体部（筐体） ２：蓋体部（蓋体） ３：電子素子 ４：接着材 Ｓ：電子素子収容装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開口を有する筐体内に電子素子を収容す
   るとともに、前記筐体の開口上面を接着材を介して蓋体
   で気密に封止した電子素子収容装置であって、前記蓋体
   は上面が凹状を成すとともに下面が下方に凸状を成し、
   且つ前記蓋体の最下面を前記筐体の開口上面より下方に
   位置させたことを特徴とする電子素子収容装置。