JP2004228533A - Ceramic package - Google Patents

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JP2004228533A
JP2004228533A JP2003018008A JP2003018008A JP2004228533A JP 2004228533 A JP2004228533 A JP 2004228533A JP 2003018008 A JP2003018008 A JP 2003018008A JP 2003018008 A JP2003018008 A JP 2003018008A JP 2004228533 A JP2004228533 A JP 2004228533A
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Tomohide Hasegawa
智英 長谷川
Minako Izumi
美奈子 泉
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Kyocera Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micro and ultrathin ceramic package which achieves a simultaneous firing with a metallized layer and is hardly broken down even though the lid body is directly seam-welded to a metal connecting layer of an insulating substrate. <P>SOLUTION: The insulating substrate 1 consisting of a substrate bottom portion 1a for surface-mounting an electric element and a substrate bank portion 1b integrally provided at the periphery of the substrate bottom portion 1a, a conductor layer 2 provided in the inner portion and/or on the surface of the insulating substrate 1, and a metal connecting layer 3 provided for connecting the lid body to at least a part of the substrate bank portion 1b are provided. The insulating substrate 1 consists of an alumina sintered body including 4 mass % or more sintering agent. The metal connecting layer 3 is constituted of the metallized layer 3a and a plated layer 3b with a lower electric resistance than the metallized layer 3a. Conductive resistance per unit area of the metal connecting layer 3 is 1.0 to 1.3 Ω/cm2. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に電子素子及び/又は半導体素子が搭載され、蓋体などの蓋によって気密に封止するセラミックパッケージ、特に、高さが0.6mm以下、堤部幅が0.4mm以下、底部厚みが0.3mm以下の超小型・超薄型セラミックパッケージに関する。
【0002】
【従来技術】
近年、半導体素子の高集積化、電子部品の小型化に伴い、各種電子機器の小型化、高機能化が図られている。これに伴い、電気素子を収納する、あるいは半導体素子と同時に受動部品を搭載するセラミックパッケージの小型化が要求され、例えば、外形サイズ縦3mm、横2mm、高さ0.8mm程度まで小型化したセラミックパッケージが商品化されている。
【0003】
このような低背化を行うため、封止部の金属製リングを除き、金属製リングに代わって堤部にメタライズ層と金属膜とが積層されてなる金属接合層が形成され、ロウ材層を介してシーム溶接を行うことにより、低背化を図ることが提案されている。(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
また、安価に製造するために、同時焼成によって蓋体を接合するためのメタライズの形成が可能な絶縁基板が求められている。例えば、焼結助剤を加え、純度96%以下となったアルミナを用いることによって、同時焼成によって低コストでメタライズを行うことが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
[特許文献1]
特開2001−196485号公報
[特許文献2]
特開2001−277662号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1に記載のセラミックパッケージでは、蓋体を絶縁基板の堤部に形成された金属接合層に直接シーム溶接をするが、機密性を高めるためには大電流を流して接合する必要があり、絶縁基板にクラックが発生するという問題があった。
【0007】
一方、特許文献2に記載のセラミックパッケージの用いられているアルミナ焼結体は、メタライズが可能で安価に製造できるものの、抗折強度が400MPa以下と低いため、超小型・超薄型セラミックパッケージにおいて気密封止のために蓋体とパッケージとを接合すると、絶縁基板が容易に破壊するという問題があった。
【0008】
従って、本発明は、メタライズ層との同時焼成が可能で、蓋体を絶縁基板の金属接合層に直接シーム溶接しても破壊しにくい超小型・超薄型のセラミックパッケージを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の金属接合層の電気抵抗が部位によって大きくばらつくため、大電流でロウ材を完全に溶融して接合せしめ、機密性を確保する必要があり、抵抗の低い部位において過剰の熱応力が生じてクラックが発生するという知見に基づき、金属接合層の単位面積当たりの導通抵抗を制御することによって、過剰加熱を防止し、クラック発生を低減したものであり、その結果、蓋体を直接パッケージにシーム溶接しても破壊しにくく、同時焼成が可能で安価な超薄型、超小型セラミックパッケージを実現することができる。特に、アルミナ原料粉末の平均粒径、昇温速度及び冷却速度を制御することによって、4質量%以上の焼結助剤を含んでも3点曲げ強度が500MPa以上、ヤング率が320GPa以下、熱伝導率が15W/mK以上のアルミナを実現し、さらに接合信頼性の高いセラミックパッケージを実現した。
【0010】
即ち、本発明のセラミックパッケージは、電気素子を表面実装するための基板底部及び該基板底部の外周に一体的に設けられた基板堤部からなる絶縁基板と、該絶縁基板の内部及び/又は表面に設けられた導体層と、前記基板堤部の少なくとも一部に、蓋体を接合するために設けられた金属接合層とを具備し、前記絶縁基板が、4質量%以上の焼結助剤を含むアルミナ焼結体からなり、前記金属接合層が、メタライズ層と、該メタライズ層よりも電気抵抗の低いメッキ層とから構成され、前記金属接合層の単位面積当たりの導通抵抗が1.0〜1.3Ω/cmであることを特徴とするものである。
【0011】
特に、前記基板堤部の幅が0.1〜0.4mm、前記基板底部の厚みが0.1〜0.3mm、パッケージ高さが0.3〜0.6mmであることが好ましい。このような寸法に設定することにより、絶縁基板の熱応力破壊をより効果的に防止するとともに、パッケージの容積をより小さくすることができる。
【0012】
また、前記メッキ層が、Ni及び/又はAuであることが好ましい。これにより、密着性が高く、金属接合層の抵抗を低減することができる。
【0013】
さらに、前記メッキ層の厚みが8〜25μmであることが好ましい。これにより、メッキ層を流れる主電流による発熱を安定させることが容易であり、発熱の均一性を高めることができる。
【0014】
さらにまた、前記基板堤部に対する前記メタライズ層の接着強度が49N以上であることが好ましい。これにより、蓋体とパッケージを接合する際にリング状メタライズ層と絶縁基板との間で発生する剥離を効果的に抑制し、より高い信頼性を得ることができる。
【0015】
また、前記アルミナ焼結体が、Mnを酸化物換算で2〜8質量%、Siを酸化物換算で1〜6質量%の割合で含み、Al主結晶相の粒界にMnAl結晶を含むことが好ましい。これにより強度を500MPa以上に高くすることが容易になる。
【0016】
前記アルミナ焼結体の強度が500MPa以上、ヤング率が320GPa以下、熱伝導率が15W/mK以上であることが好ましい。これにより、熱膨張差により応力が発生しても、速やかな放熱、変形により応力を緩和でき、且つ破壊を効果的に防止することが可能となる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明を、図を用いて説明する。
【0018】
本発明のセラミックパッケージは、例えば図1に示したように、基板底部1aと基板堤部1bとからなる絶縁基板1と、基板底部1aに設けられた導体層2と、基板堤部1bの上に形成された金属接合層3とを具備する。
【0019】
絶縁基板1は、基板底部1aの外周に基板堤部1bが一体的に設けられてなり、基板底部1aは電気素子を搭載し、基板堤部1bは蓋体がロウ材を用いて接合される。
【0020】
また、導体層2は、基板底部1aの表面に設けられた表面導体層2aと、外部との電気接続のために裏面に設けられた裏面導体層2bと、表面導体層2a及び裏面導体層2bを接続するために基板底部1aの内部に形成された内部導体層2cとからなっている。
【0021】
本発明における金属接合層3は、メタライズ層3aと、その上に設けられたメッキ層3bとで構成されたもので、金属接合層3の単位面積当たりの導通抵抗(以下、単に導通抵抗と言う)が1.0〜1.3Ω/cmであることが重要である。導通抵抗が1.0Ω/cmより小さくなるとシーム溶接時の電気抵抗熱が低下し、ロウ材の溶け不良が発生し、1.3Ω/cmより大きくなると熱応力が増加し、パッケージにクラックが発生する。
【0022】
なお、メタライズ層3aとメッキ層3bは、基板堤部1bの端部に、蓋体を接合する目的でリング形状に形成され、封止の一部となるため、気体が流通するような欠陥がなく、均一な厚みで設けられていることが好ましいのは言うまでもない。
【0023】
本発明における導通抵抗の測定は、メッキ層3b表面の対角位置にミリオームテスター端子を当てて測定し、面積で除して面積あたりの電気抵抗を算出したものである。
【0024】
絶縁基板1はアルミナを主成分とし、焼結助剤が4質量%以上のアルミナ質焼結体ことが重要である。このように焼結助剤を4質量%以上含有させることで、メタライズとの同時焼成を可能にして、コスト低減を図ることができる。特に、焼結助剤が6質量%以上、更には8質量%以上含まれることが好ましい。
【0025】
主成分のアルミナは、アルミナを90質量%以上、特に90〜96質量%、更には93〜96質量%の割合で含有することが好ましい。これにより、絶縁基板1の強度や熱伝導率をより向上することが容易となる。
【0026】
第2の成分として、MnをMn換算で2〜8質量%の割合で含むことが好ましい。これは、Mn成分は焼結助剤として作用するものであり、このMn量が2質量%よりも少ないと、1250〜1400℃での緻密化が達成されず、また8質量%よりも多いと、MnAlが多く析出される結果、緻密化が阻害され強度低下を招くためである。従って、焼結性を高めるため、Mn量は、特に3〜8質量%、更には3〜6質量%が好ましい。
【0027】
また、第3の成分として、SiをSiO換算で1〜6質量%の割合で含有することが好ましい。SiO量が1質量%より少ないと、焼結性に寄与する液相が生成されず緻密化されず、また、6質量%より多いと、MnAlが結晶化されにくくなるとともに非晶質相が多くなり、曲げ強度が低下するる。緻密化及び結晶化の点で、SiO量は、特に2〜5質量%、更には3〜5質量%が好ましい。
【0028】
また、所望により、第4の成分として、Mg、Ca、Sr、Baのうち少なくとも1種を導体層2やメタライズ層3aとの同時焼結性を高める上で酸化物換算で3質量%以下の割合で含んでもよい。さらに、所望により、第5の成分として、W、Moなどの金属を焼結体を黒色化するための成分として2質量%以下の割合で含んでもよい。
【0029】
上記アルミナ結晶粒子の粒界には少なくとも前記第2、第3成分が存在するが、これらの成分の内第2成分であるMnは、MnAlとして存在することが重要である。焼結助剤として添加したMnがMnAlとして析出することによって、焼結体の曲げ強度を高めることができる。
【0030】
本発明によれば、絶縁基板1を構成するアルミナ焼結体は、3点曲げ強度が500MPa以上、特に550MPa以上、更には600MPa以上であることが好ましい。強度をこのように制御することで、蓋体の封止時や2次実装の時に発生する熱応力やハンドリング時や使用時の衝撃等によりクラック発生を防止することが容易となる。
【0031】
絶縁基板1の熱伝導率は、封止時の熱を速やかに系外に放出するとともに、絶縁基板1内での温度差を小さくすることができるため、封止時の破壊をより効果的に防止する点で15W/mK以上、特に20W/mK以上、更には25W/mK以上であることが好ましい。
【0032】
絶縁基板1のヤング率は、熱応力を変形によって吸収し、破壊をより効果的に防止する傾向がある点で、320GPa以下、特に310GPa以下、更には300GPa以下であることが好ましい。
【0033】
本発明によれば、基板堤部1bの幅dを0.1〜0.3mmに、基板底部1aの厚みDを0.1〜0.3mmに、また、パッケージの高さTを0.3〜0.6mmにすることが好ましい。このような寸法に設定することにより、絶縁基板1であるアルミナ質焼結体の強度を考慮し、蓋体の封止時の熱応力に対する破壊をより効果的に防止でき、また、パッケージの容積をより小さくすることができる。
【0034】
特に、パッケージの高さTを0.6mm以下とすることにより、電気素子及び/又は半導体素子を実装した超小型・超薄型セラミックパッケージとしてICカードなどに応用することができる。
【0035】
導電層2は、蓋体の封止あるいは各種金属端子との接続を可能とし、絶縁基板1との強固な接着力を有するメタライズ層3aを形成するため、W及び/又はMoを主成分とし、アルミナを10質量%以下、特に8質量%以下含むことが好ましい。
【0036】
メタライズ層3aは、絶縁基板1との同時焼成を実現できる材料であり、導電性を有し、例えば、W及び/又はMoを主成分とすることが可能である。
【0037】
本発明によれば、メタライズ層3aが同時焼成によって設けられるのが良い。これにより、メタライズ層3aの形成工程を別途必要としないため、工程を短縮でき、製品コストを低減することができ、且つ密着力の高いメタライズ層3aを得ることができる。
【0038】
絶縁基板1に対するメタライズ層3aの接着強度は、49N以上であることが好ましい。これは、接着強度向上により、メタライズ層3aの剥離を防止し、接合の信頼性や封止の信頼性をより高めることができる。
【0039】
また、メッキ層3bは、メタライズ層3aの保護及び金属接合層3の電気抵抗の調整のために設けられたものであり、メタライズ層3aよりも低い電気抵抗を有することが重要である。このような関係を設けることで、所望のロウ材を用いてシーム溶接する際に発生する熱量を適正化し、絶縁基板1の破壊を効果的に防止することができる。
【0040】
メッキ層3bの電気抵抗はメタライズ層3aよりも小さいことが重要であり、特に、Ni及び/又はAuを用いることが好ましい。Ni及び/又はAuの電気抵抗はメタライズ層3aに比べて1桁も小さくなることが有り、電流は主としてメッキ層3bを流れる。そのため、低電流で安定した発熱を容易に行い、均熱性を向上するため、メッキ層3bの厚みを8〜25μm、特に9〜20μm、更には10〜12μmにすることが、クラック発生やロウ材の溶け残り等の不良発生を容易に防止する点で好ましい。
【0041】
本発明のセラミックパッケージは、電子部品や半導体素子を内部に載置し、蓋をして密封して用いるものであり、例えば図2に示すように、絶縁基板11の基板底部11aに設けられた導体層12と接続された電子部品14a及び半導体素子14bとを載置することができる。
【0042】
電子部品14aは、導電性接着剤15aを用いて導体層12と電気的接続を行っている。電子部品14aとしては、水晶発振子、誘電体、抵抗体、フィルタ及びコンデンサのうち少なくとも1種を用いることができる。
【0043】
また、半導体素子14bは、ワイヤボンディング15bにより導体層12と接続されている。
【0044】
蓋体18は、基板底部11aに接合された電気素子14を保護するため、セラミックパッケージに接合し、気密に封止される。蓋体18は、基板堤部11bの上面にリング形状に設けられたメタライズ層13aの表面にメッキ層13bを形成し、さらにその上に共晶Ag−Cuロウ材16を用いて、シーム溶接などの方法により接合される。
【0045】
蓋体18は、熱膨張がアルミナに近く、封止時に発生する熱応力が小さくなり、封止時に絶縁基板11がより破壊しにくくなるため、金属製であることが好ましく、特にFe−Ni−Co合金が良い。
【0046】
次に、本発明のセラミックパッケージを製造する方法について具体的に説明する。
【0047】
まず、原料粉末として、平均粒子径が0.5〜2.0μm、特に1.0〜1.5μmのアルミナ粉末を主成分として準備する。これは、平均粒子径は0.5μm以上とすることにより、シート成形性を確保でき、粉末のコスト上昇を防ぐことができる。また、2.0μm以下とすることで、1400℃以下の焼成での緻密化を促進し、焼結を容易にすることができる。
【0048】
また、第2の成分として、純度99%以上、平均粒子径0.5〜5μmのMn粉末、第3の成分として、純度99%以上、平均粒子径0.5〜3μmのSiO粉末を準備する。なお、Mn及びSiは、上記の酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩の少なくとも1種として添加してもよい。
【0049】
これらの成分は、アルミナ粉末に対して、Mn粉末を2〜8質量%、特に3〜8質量%、更には3〜6質量%、SiO粉末を1〜6質量%、特に2〜5質量%、更には3〜5質量%の割合で添加することが、焼結性を高め、緻密化を促進するために好ましい。
【0050】
なお、所望により、第4の成分として、Mg、Ca、Srのうち少なくとも1種を、上記成分の合計100質量%に対して、酸化物換算で3質量%以下の割合で添加しても良い。
【0051】
さらに、第5の成分として、W、Mo等の遷移金属の金属粉末や酸化物粉末を着色成分として金属換算で2質量%以下の割合で添加しても良い。また、強度、破壊靱性を向上させる周知の手法であるTi、Zr、Hfの第4a族元素を適宜添加しても良い。
【0052】
上記の混合粉末に対して適宜有機バインダを添加した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法等の周知の成形方法によって、絶縁基板を形成するためのグリーンシートを作製する。例えば、上記混合粉末に有機バインダや溶媒を添加してスラリーを調製した後、ドクターブレード法によってグリーンシートを形成する。或いはまた、混合粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのグリーンシートを作製できる。
【0053】
そして、所望により、グリーンシートに対して、マイクロドリル、レーザー等により直径50〜250μmのビアホールを形成することができる。
【0054】
このようにして作製したグリーンシートに対して、導体ペーストをスクリーン印刷、グラビア印刷などの方法により各グリーンシート上に配線パターン状、あるいはリング状に印刷塗布するとともに、所望により、上記の導体ペーストをビアホール内に充填する。
【0055】
導体ペーストは、導体成分としてW及び/又はMoを用い、これにアルミナ粉末を10質量%以下、特に8質量%以下の割合で添加したものが好ましい。これは、導体層の導通抵抗を低く維持したままアルミナ焼結体と導体層の密着性を高め、メッキ欠けなどの不良の発生を防止することができる。なお、密着性向上のため、アルミナ粉末の代わりに、絶縁基板を形成する酸化物セラミックス成分と同一の組成物粉末を加えても良く、さらにNi等の酸化物を0.05〜2質量%の割合で添加することも可能である。
【0056】
その後、導体ペーストを印刷塗布したグリーンシートを位置合わせして積層圧着した後、この積層体を、少なくとも1000℃から焼成最高温度まで150℃/h以上の昇温速度で加熱し、1250〜1400℃の非酸化性雰囲気中で焼成し、1000℃までの冷却速度を250℃/h以下とする条件で焼成することが重要である。
【0057】
昇温速度が、1000℃から焼成最高温度までの間において、150℃/hより小さい場合、昇温時の低温液相領域での液相生成が不均一になり、アルミナの粒成長に偏りが生じるため曲げ強度が低下する。特に、強度をより高めるため、昇温速度を180℃/h以上、更には200℃/hとすることが好ましい。
【0058】
また、1250〜1400℃で焼成することも重要で、1250℃よりも低くなると緻密化が不充分で曲げ強度が500MPaに達せず、また、1400℃よりも高くなると、W及び/又はMo自体の焼結が進み、アルミナとの接着強度が弱くなり、同時にアルミナの焼結も進み、粒成長が促進され破壊靱性が上昇してしまう。焼成温度は、機械的及び電気的信頼性を高めるため、特に1350〜1400℃であることが好ましい。
【0059】
焼成終了直後の保持温度から1000℃までの冷却速度は、250℃/h以下であることも重要である。250℃/hを越えると、MnAlが結晶化されにくく、非晶質として残存するため、曲げ強度が低下する。冷却速度は、強度を高める点で、特に200℃/h以下が好ましい。
【0060】
また、焼成雰囲気は、金属が酸化されないように、非酸化性雰囲気であることが重要である。具体的には、窒素、又は窒素と水素との混合ガスを用いることが望ましい。有機バインダの脱脂をする上では、水素及び窒素を含み、露点+30℃以下、特に25℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、雰囲気中には、所望により、アルゴン等の不活性ガスを混入してもよい。
【0061】
そして、リング状メタライズ層及び導体層には、Ni及び/又はAuから成るメッキ層を形成する。
【0062】
このような方法で製造したセラミックパッケージは、メタライズとの同時焼成が可能で、超薄型、小型セラミックパッケージとして好適に使用できる。
【0063】
なお、最終的には、絶縁基板内部に電子部品及び/又は半導体素子を実装し、導体層との電気的に接続し、且つリング状メタライズ層の表面にメッキ層を被覆し、蓋体をロウ材によってシーム溶接で接合することにより、電子部品及び/又は半導体素子が気密に封止された半導体装置を得ることができる。
【0064】
【実施例】
純度99%以上、平均粒子径1.5μmのアルミナ粉末に対して、純度99%以上、平均粒子径0.7μmのMn粉末、純度99%以上、平均粒子径1.0μmのSiO粉末、純度99.9%以上、平均粒子径1.2μmのW粉末、純度99.9%以上、平均粒子径1.2μmのMo粉末、純度99.9%以上、平均粒子径0.7μmのMgCO粉末、純度99%以上、平均粒子径1.3μmのCaCO粉末、純度99%以上、平均粒子径1.0μmのSrCO粉末を準備した。
【0065】
これらの原料粉末を表1に示す割合で混合した後、成形用有機樹脂(バインダ)としてアクリル系バインダと、トルエンを溶媒として混合してスラリーを調製し、しかる後に、ドクターブレード法にて厚さ150μmのグリーンシートを作製した。なお、第5成分及び第4a族元素は、アルミナ、酸化マンガン、酸化珪素、第3成分及び第4成分の合計を100質量%に対して、表1に示す割合で添加した。
【0066】
得られたグリーンシートを所定厚みに積層し、露点+25℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行なった後、引き続き、表2に示した昇温速度で1000℃から焼成最高温度まで昇温し、焼成最高温度にて露点+25℃の窒素水素混合雰囲気にて1時間焼成した後、1000℃までを表1に示した速度で冷却した。
【0067】
得られた焼結体の主結晶相は焼結体を粉砕し、X線回折により同定した。また、アルキメデス法によって嵩密度を測定し、気孔率を算出した。また、強度は厚み3mm、幅4mm、長さ40mmの梁状試料を作成し、JIS R1601に基づいて室温にて測定した。さらに、平均結晶粒子径は、インターセプト法により測定し、粒子径として表示した。
【0068】
ヤング率はJIS R1602に基づいて室温のヤング率を測定し、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により室温で測定した。
【0069】
一方、平均粒子径1.2μmのW粉末、平均粒子径1.2μmのMo粉末、平均粒子径1.5μmのアルミナ粉末に対して、Cu、Au及びAg(低抵抗金属)を添加して表1に示す組成に調製した後、アクリル系バインダとアセトンを溶媒として混合し、導体ペーストを調製した。
【0070】
そして、上記と同様にして作製したグリーンシートに対して、打抜き加工を施し、直径が100μmのビアホールを形成し、このビアホール内に、上記の導体ペーストをスクリーン印刷法によって、充填するとともに、配線パターン状及びリング状に印刷塗布した。なお、リング状メタライズを形成したグリーンシートは、電気素子を収納する部位を打抜き加工によって除去した。
【0071】
このようにして作製したグリーンシートを位置合わせして積層圧着して積層体を作製した。その後、この積層体に切り欠き溝を施し、成形体を露点+25℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、露点+25℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、表1に示した昇温速度で1000℃から焼成最高温度まで昇温し、焼成最高温度にて露点+25℃の窒素水素混合雰囲気にて1時間焼成した後、1000℃までを表1に示した速度で冷却した。
【0072】
次に、連結基板表面の導体層及びリング状メタライズ層の表面に電解Niメッキを施し、さらにその表面にAuメッキを施した。Auメッキ後、連結基板を切り欠き溝にそってブレークし、単一のセラミックパッケージを得た。
【0073】
パッケージの寸法を測定し、基板底部をD、基板堤部をd、パッケージ高さをTとして表2に示した。
【0074】
各パッケージのリング状メタライズ層に対して、共晶Ag−Cuロウ材を用いてFe−Co−Ni合金からなる厚み0.1mmの蓋体をシーム溶接によって接合し、気密に封止した。
【0075】
得られた試料は、接合テストを行い、40倍の顕微鏡にてメタライズ剥れ、絶縁基板のクラックを確認し、メタライズ剥れ及びクラックのないもの○、あるものを×として表示した。
【0076】
また、メタライズ剥れ、クラックのない試料について、−65℃にて5分、150℃にて5分保持を1サイクルとして100サイクルまでの耐久テストを行い、気密封止性をHeリーク法によって評価した。Heリーク法は、0.41MPaのHe加圧雰囲気中に2時間保持した後、取り出し、真空雰囲気中で検出されるHeガス量を測定し、1×10−9MPa・cm/sec以下を○を5×10−8MPa・cm/secを超えるものを×として評価し、その結果を表2に示した。
【0077】
また、絶縁基板に対するリング状メタライズ層の接着強度は、2mm×25mmの導体配線を形成し、無電解Niメッキを施した後、銀ロウを用いて金具を接合し、金具を引き剥がす際の引き剥がし荷重を測定した。
【0078】
最後に、接合テストに使用したパッケージを切断し、断面の走査型顕微鏡観察によりメッキ層の厚みを測定した。これらの結果を表1、2に示した。
【0079】
【表1】

Figure 2004228533
【0080】
【表2】
Figure 2004228533
【0081】
本発明の試料No.2、5、7、9及び11〜31は、金属接続層の導通抵抗が1.0〜1.3Ω/cmの範囲であり、接合テスト及び封止テストでも異常は見られなかった。
【0082】
一方、焼結助剤量(主成分、第2成分、第3成分及び第4成分の合計)が4質量%に満たない本発明の範囲外の試料No.1は、接合テストにおいてメタライズがセラミックスより剥離し、十分な封止をすることができなかった。
【0083】
また、金属接合層の単位面積当たりの導通抵抗が1.0Ω/cmより低い本発明の範囲外の試料No.3及び10は封止テストにおいてロウ流れ不足による封止不良が発生した。
【0084】
さらに、メッキ層を含むメタライズ層の面積当たりの導通抵抗が1.3Ω/cmより高い本発明の範囲外の試料No.4、6及び8は接合テストにおいて、絶縁基板の底部にクラックが観察された。
【0085】
【発明の効果】
本発明は、金属接合層の単位面積当たりの導通抵抗を制御することによって、同時焼成が可能で、蓋体を直接パッケージにシーム溶接しても破壊しにくいセラミックパッケージを安価に得ることができ、その結果、蓋体の接合に関与する基板堤部の幅が0.1〜0.4mm、電子素子が実装される基板低部の厚みが0.1〜0.3mm、パッケージの高さが0.3〜0.6mmであるセラミックパッケージに好適に適応できる。
【0086】
特に、アルミナ粉末の粉末平均粒径、昇温速度及び冷却速度を制御することによって、3点曲げ強度が500MPa以上、ヤング率が320GPa以下、熱伝導率が15W/mK以上、メタライズ強度を49N以上とすることができ、さらに接合信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセラミックパッケージの一例を示す概略断面図である。
【図2】内部に電気素子を実装し、蓋体を接合した状態の本発明のセラミックパッケージの概略断面図である。
【符号の説明】
1、11・・・絶縁基板
1a、11a・・・基板底部
1b、11b・・・基板堤部
2・・・導体層
2a、12a・・・表面導体層
2b、12b・・・裏面導体層
2c、12c・・・内部導体層
3・・・金属接合層
3a、13a・・・メタライズ層
3b、13b・・・メッキ層
14・・・電気素子
14a・・・電子部品
14b・・・半導体素子
15a・・・導電性接着剤
15b・・・ワイヤボンディング
16・・・ロウ材
18・・・蓋体
D・・・基板底部の厚み
d・・・基板堤部の幅
T・・・パッケージ高さ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a ceramic package in which an electronic element and / or a semiconductor element is mounted and hermetically sealed by a lid such as a lid, particularly, the height is 0.6 mm or less, and the bank width is 0.4 mm or less. The present invention relates to an ultra-small and ultra-thin ceramic package having a bottom thickness of 0.3 mm or less.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, along with the high integration of semiconductor elements and the miniaturization of electronic components, various electronic devices have been miniaturized and enhanced in function. Along with this, it is required to reduce the size of a ceramic package that accommodates an electric element or mounts a passive component at the same time as a semiconductor element. The package has been commercialized.
[0003]
In order to reduce the height, a metal bonding layer formed by laminating a metallized layer and a metal film is formed on the bank instead of the metal ring except for the metal ring of the sealing portion, and the brazing material layer is formed. It has been proposed to reduce the height by performing seam welding via a wire. (For example, see Patent Document 1).
[0004]
In addition, in order to manufacture at low cost, there is a demand for an insulating substrate capable of forming a metallization for joining a lid by simultaneous firing. For example, it has been proposed that metallization be performed at low cost by simultaneous firing by adding alumina with a purity of 96% or less by adding a sintering aid (for example, see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2001-196485 A
[Patent Document 2]
JP-A-2001-277662
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the ceramic package described in Patent Literature 1, the lid is directly seam-welded to the metal joining layer formed on the bank of the insulating substrate. There is a problem that cracks occur in the insulating substrate.
[0007]
On the other hand, although the alumina sintered body using the ceramic package described in Patent Document 2 can be manufactured at a low cost by metallization, the flexural strength is as low as 400 MPa or less. When the lid and the package are joined for hermetic sealing, there is a problem that the insulating substrate is easily broken.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide an ultra-small and ultra-thin ceramic package that can be simultaneously fired with a metallized layer and is not easily broken even when the lid is directly seam-welded to the metal bonding layer of the insulating substrate. And
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, since the electric resistance of the conventional metal bonding layer greatly varies depending on the portion, it is necessary to completely melt and join the brazing material with a large current to secure confidentiality. Based on the knowledge that stress occurs and cracks are generated, by controlling conduction resistance per unit area of the metal bonding layer, excessive heating is prevented and cracks are reduced. It is possible to realize an inexpensive ultra-thin and ultra-small ceramic package that is hardly broken even by direct seam welding to the package, can be co-fired, and is inexpensive. In particular, by controlling the average particle size, heating rate, and cooling rate of the alumina raw material powder, the three-point bending strength is not less than 500 MPa, the Young's modulus is not more than 320 GPa, and the thermal conductivity is included even when the sintering aid is not less than 4 mass%. Alumina with a rate of 15 W / mK or more was realized, and a ceramic package with high bonding reliability was realized.
[0010]
That is, the ceramic package of the present invention comprises an insulating substrate including a substrate bottom for mounting an electric element on a surface thereof and a substrate bank integrally provided on the outer periphery of the substrate bottom, and the inside and / or the surface of the insulating substrate. And a metal bonding layer provided for bonding a lid to at least a part of the substrate bank, wherein the insulating substrate has a sintering aid of 4% by mass or more. Wherein the metal bonding layer is composed of a metallized layer and a plating layer having a lower electric resistance than the metallized layer, and a conduction resistance per unit area of the metal bonding layer is 1.0. ~ 1.3Ω / cm 2 It is characterized by being.
[0011]
In particular, it is preferable that the width of the substrate bank is 0.1 to 0.4 mm, the thickness of the substrate bottom is 0.1 to 0.3 mm, and the package height is 0.3 to 0.6 mm. By setting such dimensions, thermal stress destruction of the insulating substrate can be more effectively prevented, and the volume of the package can be further reduced.
[0012]
Further, the plating layer is preferably made of Ni and / or Au. Thereby, the adhesion is high, and the resistance of the metal bonding layer can be reduced.
[0013]
Further, it is preferable that the thickness of the plating layer is 8 to 25 μm. Thereby, it is easy to stabilize the heat generated by the main current flowing through the plating layer, and the uniformity of the generated heat can be improved.
[0014]
Furthermore, it is preferable that the adhesive strength of the metallized layer to the substrate bank is 49 N or more. Thereby, peeling that occurs between the ring-shaped metallization layer and the insulating substrate when the lid and the package are joined can be effectively suppressed, and higher reliability can be obtained.
[0015]
The alumina sintered body contains Mn at a ratio of 2 to 8% by mass in terms of oxide and Si at a ratio of 1 to 6% by mass in terms of oxide. 2 O 3 MnAl at the grain boundaries of the main crystal phase 2 O 4 Preferably, it contains crystals. This makes it easy to increase the strength to 500 MPa or more.
[0016]
The alumina sintered body preferably has a strength of 500 MPa or more, a Young's modulus of 320 GPa or less, and a thermal conductivity of 15 W / mK or more. Thus, even if stress is generated due to a difference in thermal expansion, the stress can be relieved by rapid heat dissipation and deformation, and destruction can be effectively prevented.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
As shown in FIG. 1, for example, the ceramic package of the present invention includes an insulating substrate 1 having a substrate bottom 1a and a substrate bank 1b, a conductor layer 2 provided on the substrate bottom 1a, and a substrate bank 1b. And a metal bonding layer 3 formed on the substrate.
[0019]
The insulating substrate 1 is provided with a substrate bank 1b integrally provided on the outer periphery of a substrate bottom 1a. The substrate bottom 1a has an electric element mounted thereon, and the substrate bank 1b is joined with a lid using a brazing material. .
[0020]
The conductor layer 2 includes a front surface conductor layer 2a provided on the surface of the substrate bottom 1a, a back surface conductor layer 2b provided on the back surface for electrical connection with the outside, a front surface conductor layer 2a and a back surface conductor layer 2b. And an internal conductor layer 2c formed inside the substrate bottom 1a.
[0021]
The metal bonding layer 3 in the present invention is composed of a metallized layer 3a and a plating layer 3b provided thereon, and has a conduction resistance per unit area of the metal bonding layer 3 (hereinafter simply referred to as a conduction resistance). ) Is 1.0 to 1.3 Ω / cm 2 It is important that Conduction resistance is 1.0Ω / cm 2 If it is smaller, the electric resistance heat at the time of seam welding is reduced, and poor melting of the brazing material occurs, resulting in 1.3 Ω / cm. 2 If it becomes larger, thermal stress increases, and cracks occur in the package.
[0022]
Note that the metallized layer 3a and the plated layer 3b are formed in a ring shape at the end of the substrate bank 1b for the purpose of joining the lid, and serve as a part of the sealing, so that defects such as gas flow are generated. It is needless to say that it is preferable to be provided with a uniform thickness.
[0023]
The measurement of the conduction resistance in the present invention is performed by applying a milliohm tester terminal to a diagonal position on the surface of the plating layer 3b and measuring the result, dividing the area and calculating the electric resistance per area.
[0024]
It is important that the insulating substrate 1 contains alumina as a main component and an alumina-based sintered body containing 4% by mass or more of a sintering aid. By including the sintering aid in an amount of 4% by mass or more, simultaneous sintering with metallization becomes possible, and cost reduction can be achieved. In particular, it is preferable that the sintering aid be contained in an amount of 6% by mass or more, more preferably 8% by mass or more.
[0025]
The main component alumina preferably contains alumina in a proportion of 90% by mass or more, particularly 90 to 96% by mass, more preferably 93 to 96% by mass. Thereby, it becomes easy to further improve the strength and the thermal conductivity of the insulating substrate 1.
[0026]
As a second component, Mn is Mn. 2 O 3 It is preferable that the content is included in a ratio of 2 to 8% by mass in conversion. This is because the Mn component acts as a sintering aid, and this Mn component 2 O 3 When the amount is less than 2% by mass, densification at 1250 to 1400 ° C. is not achieved, and when the amount is more than 8% by mass, MnAl 2 O 4 As a result, the densification is hindered and the strength is reduced. Therefore, in order to enhance sinterability, Mn 2 O 3 The amount is particularly preferably 3 to 8% by mass, more preferably 3 to 6% by mass.
[0027]
Further, as a third component, Si is converted to SiO 2 2 It is preferable to contain it in a ratio of 1 to 6% by mass in conversion. SiO 2 When the amount is less than 1% by mass, a liquid phase contributing to the sinterability is not generated and densification is not performed, and when the amount is more than 6% by mass, MnAl 2 O 4 Becomes difficult to be crystallized, the amorphous phase increases, and the bending strength decreases. In terms of densification and crystallization, SiO 2 The amount is particularly preferably 2 to 5% by mass, more preferably 3 to 5% by mass.
[0028]
Also, if desired, at least one of Mg, Ca, Sr, and Ba as a fourth component may be used in an amount of 3% by mass or less in terms of oxide in order to enhance the simultaneous sinterability with the conductor layer 2 and the metallized layer 3a. It may be included in a ratio. Further, if desired, a metal such as W or Mo may be contained as a fifth component at a ratio of 2% by mass or less as a component for blackening the sintered body.
[0029]
At least the second and third components are present at the grain boundaries of the alumina crystal particles. Of these components, Mn as the second component is MnAl 2 O 4 It is important to exist as. Mn added as a sintering aid 2 O 3 Is MnAl 2 O 4 As a result, the bending strength of the sintered body can be increased.
[0030]
According to the present invention, the alumina sintered body forming the insulating substrate 1 preferably has a three-point bending strength of 500 MPa or more, particularly 550 MPa or more, and more preferably 600 MPa or more. By controlling the strength in this manner, it becomes easy to prevent cracks due to thermal stress generated during sealing of the lid or during secondary mounting, impact during handling or use, or the like.
[0031]
The thermal conductivity of the insulating substrate 1 allows the heat at the time of sealing to be quickly released to the outside of the system and reduces the temperature difference within the insulating substrate 1, so that the destruction at the time of sealing is more effectively prevented. From the viewpoint of prevention, it is preferably 15 W / mK or more, particularly preferably 20 W / mK or more, and more preferably 25 W / mK or more.
[0032]
The Young's modulus of the insulating substrate 1 is preferably 320 GPa or less, particularly 310 GPa or less, and more preferably 300 GPa or less, from the viewpoint that thermal stress tends to be absorbed by deformation and breakage is more effectively prevented.
[0033]
According to the present invention, the width d of the substrate bank 1b is set to 0.1 to 0.3 mm, the thickness D of the substrate bottom 1a is set to 0.1 to 0.3 mm, and the height T of the package is set to 0.3. It is preferable to set it to 0.6 mm. By setting such dimensions, the strength of the alumina-based sintered body as the insulating substrate 1 can be taken into consideration, and destruction due to thermal stress at the time of sealing the lid can be more effectively prevented. Can be made smaller.
[0034]
In particular, by setting the height T of the package to 0.6 mm or less, it can be applied to an IC card or the like as an ultra-small and ultra-thin ceramic package on which an electric element and / or a semiconductor element are mounted.
[0035]
The conductive layer 2 contains W and / or Mo as a main component in order to form a metallized layer 3a having a strong adhesion to the insulating substrate 1 by enabling sealing of the lid or connection to various metal terminals. It is preferable to contain 10% by mass or less, particularly 8% by mass or less of alumina.
[0036]
The metallized layer 3a is a material capable of realizing simultaneous firing with the insulating substrate 1, has conductivity, and can contain, for example, W and / or Mo as a main component.
[0037]
According to the present invention, the metallized layer 3a is preferably provided by simultaneous firing. This eliminates the need for a separate step of forming the metallized layer 3a, so that the steps can be shortened, the product cost can be reduced, and the metallized layer 3a having high adhesion can be obtained.
[0038]
The adhesive strength of the metallized layer 3a to the insulating substrate 1 is preferably at least 49N. This prevents the metallized layer 3a from peeling off by improving the adhesive strength, and can further enhance the reliability of bonding and the reliability of sealing.
[0039]
Further, the plating layer 3b is provided for protecting the metallized layer 3a and adjusting the electric resistance of the metal bonding layer 3, and it is important that the plated layer 3b has a lower electric resistance than the metallized layer 3a. By providing such a relationship, the amount of heat generated at the time of seam welding using a desired brazing material can be optimized, and breakage of the insulating substrate 1 can be effectively prevented.
[0040]
It is important that the electric resistance of the plating layer 3b is smaller than that of the metallization layer 3a, and it is particularly preferable to use Ni and / or Au. The electric resistance of Ni and / or Au may be one digit smaller than that of the metallized layer 3a, and the current mainly flows through the plating layer 3b. Therefore, in order to easily perform stable heat generation at a low current and improve heat uniformity, the thickness of the plating layer 3b is preferably set to 8 to 25 μm, particularly 9 to 20 μm, and more preferably 10 to 12 μm, so that cracks and brazing material are generated. This is preferable in that defects such as undissolved residue can be easily prevented.
[0041]
The ceramic package of the present invention is used for mounting an electronic component or a semiconductor element inside, closing and sealing the electronic component or semiconductor element, and is provided on a substrate bottom 11a of an insulating substrate 11, for example, as shown in FIG. The electronic component 14a and the semiconductor element 14b connected to the conductor layer 12 can be placed.
[0042]
The electronic component 14a is electrically connected to the conductor layer 12 using the conductive adhesive 15a. As the electronic component 14a, at least one of a crystal oscillator, a dielectric, a resistor, a filter, and a capacitor can be used.
[0043]
The semiconductor element 14b is connected to the conductor layer 12 by wire bonding 15b.
[0044]
The lid 18 is bonded to a ceramic package and hermetically sealed to protect the electric element 14 bonded to the substrate bottom 11a. The lid 18 is formed by forming a plating layer 13b on the surface of a metallized layer 13a provided in a ring shape on the upper surface of the substrate bank 11b, and further using a eutectic Ag-Cu brazing material 16 thereon, for example, by seam welding. It is joined by the method described above.
[0045]
The lid 18 is preferably made of metal because the thermal expansion is close to that of alumina, the thermal stress generated at the time of sealing is small, and the insulating substrate 11 is less likely to be broken at the time of sealing. Co alloy is good.
[0046]
Next, a method for manufacturing the ceramic package of the present invention will be specifically described.
[0047]
First, as a raw material powder, an alumina powder having an average particle diameter of 0.5 to 2.0 μm, particularly 1.0 to 1.5 μm is prepared as a main component. By setting the average particle diameter to 0.5 μm or more, sheet formability can be ensured and an increase in powder cost can be prevented. Further, when the thickness is 2.0 μm or less, densification by firing at 1400 ° C. or less can be promoted, and sintering can be facilitated.
[0048]
Further, as the second component, Mn having a purity of 99% or more and an average particle size of 0.5 to 5 μm. 2 O 3 Powder, SiO 3 having a purity of 99% or more and an average particle diameter of 0.5 to 3 μm as a third component 2 Prepare powder. Note that Mn and Si may be added as at least one of carbonates, nitrates, and acetates that can form an oxide by firing, in addition to the above oxide powder.
[0049]
These components are based on the alumina powder, 2 O 3 2 to 8% by weight, especially 3 to 8% by weight, more preferably 3 to 6% by weight, 2 It is preferable to add the powder in an amount of 1 to 6% by mass, particularly 2 to 5% by mass, and more preferably 3 to 5% by mass in order to enhance sinterability and promote densification.
[0050]
If desired, at least one of Mg, Ca and Sr may be added as a fourth component at a ratio of 3% by mass or less in terms of oxide based on a total of 100% by mass of the above components. .
[0051]
Further, as the fifth component, a metal powder or oxide powder of a transition metal such as W or Mo may be added as a coloring component at a ratio of 2% by mass or less in terms of metal. In addition, a group 4a element of Ti, Zr, and Hf, which is a well-known method for improving strength and fracture toughness, may be appropriately added.
[0052]
After appropriately adding an organic binder to the above-mentioned mixed powder, a green sheet for forming an insulating substrate is prepared by a known molding method such as a pressing method, a doctor blade method, a rolling method, and an injection method. For example, after a slurry is prepared by adding an organic binder and a solvent to the mixed powder, a green sheet is formed by a doctor blade method. Alternatively, an organic binder is added to the mixed powder, and a green sheet having a predetermined thickness can be produced by press molding, rolling molding, or the like.
[0053]
Then, if desired, a via hole having a diameter of 50 to 250 μm can be formed in the green sheet by a microdrill, a laser, or the like.
[0054]
On the green sheet prepared in this manner, a conductor paste is printed and applied in a wiring pattern or ring shape on each green sheet by a method such as screen printing or gravure printing. Fill the via hole.
[0055]
As the conductor paste, W and / or Mo is preferably used as a conductor component, to which alumina powder is added in an amount of 10% by mass or less, particularly 8% by mass or less. This can improve the adhesion between the alumina sintered body and the conductor layer while keeping the conduction resistance of the conductor layer low, and can prevent the occurrence of defects such as chipping of the plating. In order to improve the adhesiveness, a powder of the same composition as the oxide ceramic component forming the insulating substrate may be added instead of the alumina powder, and an oxide such as Ni may be added in an amount of 0.05 to 2% by mass. It is also possible to add in a ratio.
[0056]
After that, the green sheets on which the conductive paste is applied by printing are aligned and laminated and pressed, and then the laminated body is heated from at least 1000 ° C. to a maximum firing temperature at a rate of 150 ° C./h or more at a temperature of 1250 to 1400 ° C. It is important to bake in a non-oxidizing atmosphere at a cooling rate up to 1000 ° C. at a rate of 250 ° C./h or less.
[0057]
If the heating rate is less than 150 ° C./h between 1000 ° C. and the firing maximum temperature, the liquid phase generation in the low temperature liquid phase region at the time of heating becomes uneven, and the alumina grain growth is biased. As a result, the bending strength decreases. In particular, in order to further increase the strength, it is preferable that the heating rate be 180 ° C./h or more, and more preferably 200 ° C./h.
[0058]
It is also important to bake at 1250 to 1400 ° C. If the temperature is lower than 1250 ° C., the densification is insufficient and the bending strength does not reach 500 MPa, and if it is higher than 1400 ° C., W and / or Mo itself becomes Sintering progresses, and the bonding strength with alumina decreases, and at the same time, sintering of alumina progresses, which promotes grain growth and increases fracture toughness. The firing temperature is preferably 1350 to 1400 ° C. in order to enhance mechanical and electrical reliability.
[0059]
It is also important that the cooling rate from the holding temperature immediately after the completion of firing to 1000 ° C. is 250 ° C./h or less. When the temperature exceeds 250 ° C./h, MnAl 2 O 4 Is hardly crystallized and remains as amorphous, so that the bending strength is reduced. The cooling rate is particularly preferably 200 ° C./h or less from the viewpoint of increasing the strength.
[0060]
It is important that the firing atmosphere is a non-oxidizing atmosphere so that the metal is not oxidized. Specifically, it is desirable to use nitrogen or a mixed gas of nitrogen and hydrogen. For degreasing the organic binder, it is desirable that the atmosphere be a non-oxidizing atmosphere containing hydrogen and nitrogen and having a dew point of + 30 ° C. or lower, particularly 25 ° C. or lower. Note that an inert gas such as argon may be mixed into the atmosphere, if desired.
[0061]
Then, a plating layer made of Ni and / or Au is formed on the ring-shaped metallization layer and the conductor layer.
[0062]
The ceramic package manufactured by such a method can be co-fired with metallization, and can be suitably used as an ultra-thin and small ceramic package.
[0063]
Finally, electronic components and / or semiconductor elements are mounted inside the insulating substrate, electrically connected to the conductor layer, the surface of the ring-shaped metallized layer is covered with a plating layer, and the lid is brazed. By joining the members by seam welding, a semiconductor device in which electronic components and / or semiconductor elements are hermetically sealed can be obtained.
[0064]
【Example】
For alumina powder having a purity of 99% or more and an average particle size of 1.5 μm, Mn having a purity of 99% or more and an average particle size of 0.7 μm is used. 2 O 3 Powder, SiO with purity of 99% or more and average particle diameter of 1.0 μm 2 Powder, W powder having a purity of 99.9% or more and an average particle diameter of 1.2 μm, Mo powder having a purity of 99.9% or more and an average particle diameter of 1.2 μm, purity of 99.9% or more and an average particle diameter of 0.7 μm MgCO 3 Powder, purity of 99% or more, CaCO having an average particle diameter of 1.3 μm 3 Powder, SrCO with a purity of 99% or more and an average particle diameter of 1.0 μm 3 Powder was prepared.
[0065]
After mixing these raw material powders at the ratios shown in Table 1, an acrylic binder was used as a molding organic resin (binder) and toluene was used as a solvent to prepare a slurry, and then the slurry was prepared by a doctor blade method. A 150 μm green sheet was produced. The fifth component and the group 4a element were added at a ratio shown in Table 1 with respect to 100% by mass of the total of alumina, manganese oxide, silicon oxide, the third component and the fourth component.
[0066]
After laminating the obtained green sheets to a predetermined thickness and performing degreasing in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere at a dew point of + 25 ° C., the temperature was continuously raised from 1000 ° C. to the maximum firing temperature at a temperature rising rate shown in Table 2, After firing for 1 hour in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere with a dew point of + 25 ° C. at the highest firing temperature, cooling was performed at a rate shown in Table 1 up to 1000 ° C.
[0067]
The main crystal phase of the obtained sintered body was identified by crushing the sintered body and X-ray diffraction. Further, the bulk density was measured by the Archimedes method, and the porosity was calculated. The strength was measured at room temperature based on JIS R1601 by preparing a beam-shaped sample having a thickness of 3 mm, a width of 4 mm, and a length of 40 mm. Further, the average crystal particle diameter was measured by an intercept method and expressed as a particle diameter.
[0068]
The Young's modulus was measured at room temperature based on JIS R1602, and the thermal conductivity was measured at room temperature by a laser flash method.
[0069]
On the other hand, Cu, Au and Ag (low resistance metal) were added to W powder having an average particle diameter of 1.2 μm, Mo powder having an average particle diameter of 1.2 μm, and alumina powder having an average particle diameter of 1.5 μm. After preparing the composition as shown in No. 1, an acrylic binder and acetone were mixed as a solvent to prepare a conductor paste.
[0070]
Then, the green sheet produced in the same manner as described above is subjected to a punching process to form a via hole having a diameter of 100 μm, and the via paste is filled in the via hole by a screen printing method, and a wiring pattern is formed. It was printed and applied in the shape of a ring and a ring. In the green sheet on which the ring-shaped metallization was formed, a portion for housing the electric element was removed by punching.
[0071]
The green sheets produced in this manner were aligned and laminated and pressed to produce a laminate. Thereafter, a cutout groove is formed in the laminated body, the molded body is degreased in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere at a dew point of + 25 ° C., and then degreased in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere at a dew point of + 25 ° C. After the temperature was raised from 1000 ° C. to the maximum firing temperature at the temperature raising rate shown in 1 and firing was performed for 1 hour in a nitrogen-hydrogen mixed atmosphere having a dew point of + 25 ° C. at the maximum firing temperature, the rate shown in Table 1 up to 1000 ° C. And cooled.
[0072]
Next, electrolytic Ni plating was performed on the surfaces of the conductor layer and the ring-shaped metallized layer on the surface of the connection substrate, and further, Au plating was performed on the surfaces. After Au plating, the connecting substrate was broken along the cutout groove to obtain a single ceramic package.
[0073]
The dimensions of the package were measured, and the results are shown in Table 2 where D is the substrate bottom, d is the substrate bank, and T is the package height.
[0074]
A 0.1 mm thick lid made of an Fe-Co-Ni alloy was joined to the ring-shaped metallized layer of each package by seam welding using a eutectic Ag-Cu brazing material, and hermetically sealed.
[0075]
The obtained sample was subjected to a bonding test, metallized peeling and a crack of the insulating substrate were confirmed with a microscope of 40 times magnification, and a sample having no metallized peeling and no crack was indicated by "O", and a sample was indicated by "X".
[0076]
In addition, a sample without metallized peeling or cracking was subjected to a durability test up to 100 cycles with a cycle of holding at −65 ° C. for 5 minutes and 150 ° C. for 5 minutes as one cycle, and the hermetic sealing was evaluated by the He leak method. did. In the He leak method, after holding for 2 hours in a He pressurized atmosphere of 0.41 MPa, the He leak method is taken out, and the amount of He gas detected in a vacuum atmosphere is measured. -9 MPa ・ cm 3 5 × 10 for / sec or less -8 MPa ・ cm 3 Those exceeding / sec were evaluated as x, and the results are shown in Table 2.
[0077]
The bonding strength of the ring-shaped metallized layer to the insulating substrate is as follows. After forming a conductor wiring of 2 mm × 25 mm, applying electroless Ni plating, joining the metal fittings using silver brazing, and pulling the metal fittings apart. The peeling load was measured.
[0078]
Finally, the package used for the bonding test was cut, and the thickness of the plating layer was measured by observing a cross section with a scanning microscope. These results are shown in Tables 1 and 2.
[0079]
[Table 1]
Figure 2004228533
[0080]
[Table 2]
Figure 2004228533
[0081]
Sample No. of the present invention 2, 5, 7, 9, and 11 to 31 have a conduction resistance of the metal connection layer of 1.0 to 1.3 Ω / cm. 2 No abnormality was found in the bonding test and the sealing test.
[0082]
On the other hand, the sample No. in which the amount of the sintering aid (the total of the main component, the second component, the third component, and the fourth component) is less than 4% by mass and is out of the range of the present invention. In No. 1, the metallization was peeled off from the ceramics in the bonding test, and sufficient sealing could not be performed.
[0083]
Further, the conduction resistance per unit area of the metal bonding layer is 1.0 Ω / cm. 2 Sample No. which is lower than the scope of the present invention. In Nos. 3 and 10, sealing failure occurred due to insufficient solder flow in the sealing test.
[0084]
Further, the conduction resistance per area of the metallized layer including the plating layer is 1.3 Ω / cm. 2 Higher sample nos. In the bonding tests 4, 6, and 8, cracks were observed at the bottom of the insulating substrate.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, by controlling the conduction resistance per unit area of the metal bonding layer, simultaneous firing is possible, and a ceramic package that is not easily broken even when the lid is directly seam-welded to the package can be obtained at low cost. As a result, the width of the substrate bank portion involved in the joining of the lid is 0.1 to 0.4 mm, the thickness of the lower portion of the substrate on which the electronic element is mounted is 0.1 to 0.3 mm, and the height of the package is 0. It can be suitably applied to a ceramic package having a thickness of 0.3 to 0.6 mm.
[0086]
In particular, by controlling the average particle size of the alumina powder, the heating rate and the cooling rate, the three-point bending strength is 500 MPa or more, the Young's modulus is 320 GPa or less, the thermal conductivity is 15 W / mK or more, and the metallizing strength is 49 N or more. And the bonding reliability can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a ceramic package of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of the ceramic package of the present invention in which an electric element is mounted inside and a lid is joined.
[Explanation of symbols]
1, 11 ... insulating substrate
1a, 11a ... substrate bottom
1b, 11b ... substrate bank
2 ... conductor layer
2a, 12a ... surface conductor layer
2b, 12b ... back conductor layer
2c, 12c ... inner conductor layer
3 ... Metal bonding layer
3a, 13a ... metallized layer
3b, 13b ... plating layer
14 ... electric element
14a ... electronic parts
14b ... Semiconductor element
15a: conductive adhesive
15b ・ ・ ・ Wire bonding
16 ... brazing material
18 ... lid
D: Thickness of substrate bottom
d: width of substrate bank
T: Package height

Claims (7)

電気素子を表面実装するための基板底部及び該基板底部の外周に一体的に設けられた基板堤部からなる絶縁基板と、該絶縁基板の内部及び/又は表面に設けられた導体層と、前記基板堤部の少なくとも一部に、蓋体を接合するために設けられた金属接合層とを具備し、前記絶縁基板が、4質量%以上の焼結助剤を含むアルミナ焼結体からなり、前記金属接合層が、メタライズ層と、該メタライズ層よりも電気抵抗の低いメッキ層とから構成され、前記金属接合層の単位面積当たりの導通抵抗が1.0〜1.3Ω/cmであることを特徴とするセラミックパッケージ。An insulating substrate including a substrate bottom for surface-mounting the electric element and a substrate bank integrally provided on an outer periphery of the substrate bottom; a conductor layer provided inside and / or on a surface of the insulating substrate; A metal bonding layer provided for bonding the lid to at least a part of the substrate bank, wherein the insulating substrate is made of an alumina sintered body containing 4% by mass or more of a sintering aid; The metal bonding layer includes a metallized layer and a plating layer having a lower electric resistance than the metallized layer, and a conduction resistance per unit area of the metal bonding layer is 1.0 to 1.3 Ω / cm 2 . A ceramic package, characterized in that: 前記基板堤部の幅が0.1〜0.4mm、前記基板底部の厚みが0.1〜0.3mm、パッケージ高さが0.3〜0.6mmであることを特徴とする請求項1記載のセラミックパッケージ。The width of the substrate bank is 0.1 to 0.4 mm, the thickness of the substrate bottom is 0.1 to 0.3 mm, and the package height is 0.3 to 0.6 mm. The ceramic package as described. 前記メッキ層が、Ni及び/又はAuであることを特徴とする請求項1又は2記載のセラミックパッケージ。3. The ceramic package according to claim 1, wherein the plating layer is made of Ni and / or Au. 前記メッキ層の厚みが8〜25μmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のセラミックパッケージ。4. The ceramic package according to claim 1, wherein said plating layer has a thickness of 8 to 25 [mu] m. 前記基板堤部に対する前記メタライズ層の接着強度が49N以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のセラミックパッケージ。The ceramic package according to any one of claims 1 to 4, wherein an adhesion strength of the metallized layer to the substrate bank is 49N or more. 前記アルミナ焼結体が、Mnを酸化物換算で2〜8質量%、Siを酸化物換算で1〜6質量%の割合で含み、Al主結晶相の粒界にMnAl結晶を含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のセラミックパッケージ。The alumina sintered body contains Mn in an amount of 2 to 8% by mass in terms of oxide and Si in an amount of 1 to 6% by mass in terms of oxide, and MnAl 2 O 4 is present at a grain boundary of the Al 2 O 3 main crystal phase. The ceramic package according to claim 1, further comprising a crystal. 前記アルミナ焼結体の強度が500MPa以上、ヤング率が320GPa以下、熱伝導率が15W/mK以上であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のセラミックパッケージ。The ceramic package according to any one of claims 1 to 6, wherein the alumina sintered body has a strength of 500 MPa or more, a Young's modulus of 320 GPa or less, and a thermal conductivity of 15 W / mK or more.
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