JP2005079133A - Ceramic package - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミック製基体に金属枠体を接合して形成されてなるセラミックパッケージに関し、より詳細には、キャビティ部に半導体素子や水晶振動子等の電子部品が実装され、蓋体が接合されてキャビティ部が気密に封止されるためのセラミックパッケージに関する。 The present invention relates to a ceramic package formed by bonding a metal frame to a ceramic substrate, and more specifically, an electronic component such as a semiconductor element or a crystal resonator is mounted in a cavity and a lid is bonded. The present invention relates to a ceramic package for hermetically sealing a cavity portion.
近年、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を収納させるためのパッケージは、電子部品を搭載させた装置、例えば、携帯電話や、パソコン等の軽薄短小化、高信頼性化等の要求に伴い、ますます軽薄短小化、高信頼性化等への対応が迫られている。これに対応するために、パッケージには、気密信頼性の高いセラミック製のパッケージが用いられている。 In recent years, packages for housing electronic components such as semiconductor elements and crystal resonators have been demanded to reduce the size and height of devices equipped with electronic components, such as mobile phones and personal computers, and to improve reliability. Along with this, there is an urgent need to cope with lightness, thinness, and high reliability. In order to cope with this, a package made of a ceramic with high hermetic reliability is used.
図4(A)、(B)に示すように、代表的な従来のセラミックパッケージ50は、セラミック製基体51の上面の外周縁部に、KV(Fe−Ni−Co系合金、商品名「コバール」)や、42アロイ(Fe−Ni系合金)等からなるセラミックと熱膨張係数が近似するリング状の金属枠体52を接合して、例えば、中央部に半導体素子を搭載させるためのキャビティ部53を備えるように形成されている。このセラミック製基体51を作製するためには、先ず、1又は複数枚のセラミックグリーンシートに、W(タングステン)や、Mo(モリブデン)等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷して、金属枠体52を接合させるための接合用パターン54、電子部品と電気的に接続させるためのワイヤボンドパッド55、ボード等に接続させるための外部接続端子パッド56、ワイヤボンドパッド55と外部接続端子パッド56を接続させると同時に、ボード等に強固に接合させるためのキャスタレーション57、及び、それぞれのパターン間を接続するための配線パターン等の導体パターンを形成している。次に、複数枚のセラミックグリーンシートの場合には、積層して積層体を形成した後、1又は積層体のセラミックグリーンシートと高融点金属を同時焼成してセラミック製基体51を作製している。次いで、セラミック製基体51の外表面に露出する全ての導体パターン上にNiめっきを施した後、セラミック製基体51の接合用パターン54上にAg−Cuろう等のろう材58を介して金属枠体52を載置し、加熱して、ろう付け接合している。そして、セラミック製基体51と金属枠体52の接合体の外部に露出する全ての金属表面にNiめっき、及びAuめっきが施されてセラミックパッケージ50が作製されている。なお、セラミックパッケージ50は、通常、大型のセラミックシートに多数個のパッケージを形成し、最後に個片体に分割することで形成されている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, a typical conventional
図5に示すように、このセラミックパッケージ50には、キャビティ部53に、電子部品の一例である半導体素子59が実装され、ボンディングワイヤ60で外部と電気的に導通状態としている。そして、金属枠体52上には、KVや、42アロイ等の金属からなる蓋体61が載置され、この蓋体61の外周端部コーナー部に一対のシーム溶接機62のローラーを縦横方向に移動させることで金属枠体52に蓋体61を溶接接合している。これによって、半導体素子59等の電子部品は、セラミックパッケージ50と蓋体61で気密に封止することができる。
As shown in FIG. 5, in this
なお、従来から、セラミック製基体に金属枠体を接合し、金属製の蓋体でキャビティ部に搭載した半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を気密に封止する形態のセラミックパッケージは、多数のパッケージ形態のものが提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4参照)。
しかしながら、前述したような従来のセラミックパッケージは、次のような問題がある。
(1)セラミックパッケージの金属枠体に金属製の蓋体をシーム溶接機で接合させる時には、シーム溶接機からの加熱温度が1200℃程度となり、しかも、溶接時には、金属製の蓋体と金属枠体に局所的に温度が集中し、金属製の蓋体が大きく熱膨張した状態で金属枠体に接合される。図6に示すように、金属製の蓋体61の熱膨張は、例え、セラミック製基体51に金属製の蓋体61と熱膨張係数が近似したものを用いたとしても、集中的な高温の中では、セラミック製基体51の熱膨張と差がでるので、接合が完了した後の冷却による金属製の蓋体61の収縮によって歪みが発生し、セラミック製基体51の底面側に椀状の撓み62が発生する。これによって、セラミック製基体の底面側には、引っ張り応力が作用し、底面側からクラックが発生する場合があり、セラミックパッケージの信頼性を低下させている。
(2)セラミック製基体のクラック発生の防止には、金属枠体の高さを高くして収縮による撓みを金属枠体の弾性で吸収したり、セラミック製基体の厚さを厚くして収縮による撓みをセラミック製基体の剛性で防止したりする事が考えられるが、これらは、何れもセラミックパッケージの軽薄短小化に逆行する。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、パッケージの軽薄短小化に対応でき、しかも、セラミック製基体のクラック発生を防止する信頼性の高いセラミックパッケージを提供することを目的とする。
However, the conventional ceramic package as described above has the following problems.
(1) When a metal lid is joined to a metal frame of a ceramic package with a seam welder, the heating temperature from the seam welder is about 1200 ° C., and at the time of welding, the metal lid and the metal frame The temperature is locally concentrated on the body, and the metal lid is joined to the metal frame in a state where the lid is greatly expanded. As shown in FIG. 6, the thermal expansion of the metal lid 61 is intensive even if a ceramic base 51 having a thermal expansion coefficient approximate to that of the metal lid 61 is used. In particular, there is a difference from the thermal expansion of the ceramic base 51, so that distortion occurs due to the shrinkage of the metal lid 61 due to cooling after the joining is completed, and a bowl-like deflection is formed on the bottom side of the ceramic base 51. 62 occurs. As a result, tensile stress acts on the bottom surface side of the ceramic substrate, and cracks may occur from the bottom surface side, reducing the reliability of the ceramic package.
(2) To prevent the occurrence of cracks in the ceramic base, the height of the metal frame is increased to absorb the deformation caused by the contraction by the elasticity of the metal frame, or the thickness of the ceramic base is increased due to the contraction. Although it is conceivable to prevent the bending by the rigidity of the ceramic substrate, both of these are contrary to the lighter, thinner and smaller ceramic package.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a highly reliable ceramic package that can cope with light and thin packages and that prevents cracks in a ceramic substrate. .
前記目的に沿う本発明に係るセラミックパッケージは、セラミック製基体とリング状の金属枠体をセラミック製基体に形成されたメタライズ膜を介してろう付け接合して形成されるキャビティ部を備えるセラミックパッケージにおいて、セラミック製基体の上面に、金属枠体の枠幅より小さい幅からなり、セラミック製基体の表面より突出するリング状のメタライズ膜を有し、メタライズ膜と金属枠体が接合された時に、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離を基準として、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離が基準より短いと共に、キャビティ部の中心線から金属枠体の外周側側面位置までの距離が基準より長く、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック製基体の上面との間に、空間部を有する。 The ceramic package according to the present invention that meets the above-mentioned object is a ceramic package comprising a cavity formed by brazing a ceramic base and a ring-shaped metal frame through a metallized film formed on the ceramic base. A ring-shaped metallized film having a width smaller than the width of the metal frame on the upper surface of the ceramic substrate and protruding from the surface of the ceramic substrate; and when the metallized film and the metal frame are joined, Based on the distance from the center line of the metal part to the inner peripheral side surface position of the metallized film, the distance from the center line of the cavity part to the inner peripheral side surface position of the metal frame is shorter than the reference, and from the center line of the cavity part The distance to the outer peripheral side surface position of the metal frame is longer than the reference, and between the inner peripheral bottom surface of the metal frame and the upper surface of the ceramic substrate. , With a space portion.
ここで、セラミックパッケージは、セラミック製基体と金属枠体との間に、リング状のセラミック枠体を有し、セラミック枠体の表面に、表面より突出するメタライズ膜を有し、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間に、空間部を有するのがよい。 Here, the ceramic package has a ring-shaped ceramic frame between the ceramic base and the metal frame, and has a metallized film protruding from the surface on the surface of the ceramic frame, and the metal frame. It is good to have a space part between the inner peripheral side bottom face of a body, and the upper surface of a ceramic frame.
請求項1及びこれに従属する請求項2記載のセラミックパッケージは、セラミック製基体の上面に、その表面より突出し金属枠体の枠幅より小さい幅からなるリング状のメタライズ膜を有し、メタライズ膜と金属枠体が接合された時に、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離を基準として、金属枠体の内周側側面位置までの距離が基準より短いと共に、金属枠体の外周側側面位置までの距離が基準より長く、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック製基体の上面との間に、空間部を有するので、金属製の蓋体の収縮による歪みは、セラミック製基体の表面から突出するメタライズ膜とろう材で吸収でき、金属枠体の内周側底面とセラミック製基体の上面との間の空間部で金属枠体が動きやすくなってセラミック製基体に伝わり難くなり、撓みの発生が軽減できて、クラックの発生を防止することができる。また、クラックを防止するのに、金属枠体を高くしたり、セラミック製基体を厚くする必要がないので、軽薄短小のセラミックパッケージを提供できる。
特に、請求項2記載のセラミックパッケージは、セラミック製基体と金属枠体との間に、リング状のセラミック枠体を有し、セラミック枠体の表面に、表面より突出するメタライズ膜を有し、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間に、空間部を有するので、キャビティ部の高さを大きくすることができる。
The ceramic package according to
In particular, the ceramic package according to
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1(A)〜(C)はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージの説明図、図2は同セラミックパッケージの変形例の説明図、図3は同セラミックパッケージに金属製の蓋体を接合した説明図である。
Subsequently, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
1A to 1C are explanatory views of a ceramic package according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view of a modified example of the ceramic package, and FIG. It is explanatory drawing which joined the made lid bodies.
図1(A)〜(C)に示すように、本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージ10は、セラミック製基体11と、リング状の金属枠体12をセラミック製基体11の上面に形成されたメタライズ膜13を介してろう材14でろう付け接合して形成されており、実質的中央部に半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を搭載するためのキャビティ部15を備えている。
As shown in FIGS. 1A to 1C, a
ここで、セラミックパッケージ10を形成するために用いられるセラミック製基体11のセラミック基材としては、アルミナ、窒化アルミニウム、低温焼成セラミック等があり、特に材料が限定されるものではない。このセラミック製基体11は、先ず、前記のいずれかの材料から作製させたシート状のセラミックグリーンシートに、例えば、セラミックグリーンシートがアルミナや、窒化アルミニウムのような高温で焼成するものでは、Wや、Mo等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷を行って、金属枠体12をろう材14を介して接合させるためのメタライズ膜13のパターンや、その他の所望する導体パターン(図示せず)を形成している。次いで、セラミックグリーンシートと、乾燥後の導体ペーストは、焼成炉で同時焼成が行われて焼成体からなるセラミック製基体11を形成している。更に、例えば、アルミナや、窒化アルミニウムからなるセラミック製基体11の場合には、外表面に露出するメタライズ膜13を含む全ての導体パターン上にNiめっきを施している。なお、セラミック基材にアルミナからなるセラミックグリーンシートを用いる場合のセラミックグリーンシートは、先ず、酸化アルミニウム粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練して脱泡し、粘度2000〜40000cpsのスラリーを作製している。次に、ドクターブレード法等によって所望の厚み、例えば、0.12mmのシート状にした後乾燥させ、所望の大きさの矩形状に切断して形成している。
Here, examples of the ceramic substrate of the ceramic substrate 11 used for forming the
一方、金属枠体12は、KVや、42アロイ等の熱膨張係数がセラミックと近似する金属を用いて、打ち抜きプレスや、エッチング等によってリング状に形成されている。そして、この金属枠体12は、セラミック製基体11のメタライズ膜13上に、Ag−Cuろう等のろう材14を介して載置し、ろう付け炉で加熱焼成してろう付け接合を行っている。このセラミック製基体11の上面に形成されているメタライズ膜13は、リング状の金属枠体12を載置できるようにリング状からなり、リングの枠幅が金属枠体12のリングの枠幅より小さい幅で、セラミック製基体11の表面より突出するように形成されている。なお、セラミック製基体11の表面には、形成されたメタライズ膜13を含む導体パターンに、そのパターンの一部を開口部から露出するセラミック製基体11と同材料からなる絶縁膜が形成される場合があるが、この場合には、開口部から露出するメタライズ膜13の上面が絶縁膜の表面より突出していることが必要である。
On the other hand, the metal frame 12 is formed in a ring shape by punching press, etching, or the like using a metal having a thermal expansion coefficient similar to that of ceramic such as KV or 42 alloy. The metal frame 12 is placed on the metallized film 13 of the ceramic substrate 11 via a
このセラミックパッケージ10は、メタライズ膜13上にろう材14を介して金属枠体12が載置され、ろう付け接合がされた時には、キャビティ部15の平面視してX方向の中心線からメタライズ膜13の内周側側面位置までの距離aを基準とした時に、キャビティ部15の中心線から金属枠体12の内周側側面位置までの距離bが基準の距離aより短い(b<a)と共に、キャビティ部15の中心線から金属枠体12の外周側側面位置までの距離cが基準の距離aより長い(c>a)、即ち、c>a>bの関係にある。また、キャビティ部15の平面視してY方向についても同様に、中心線からメタライズ膜13の内周側側面位置までの基準の距離dと、キャビティ部15の中心線から金属枠体12の内周側側面位置までの距離eと、キャビティ部15の中心線から金属枠体12の外周側側面位置までの距離fとの間には、f>d>eの関係がある。しかも、このセラミックパッケージ10は、金属枠体12の内周側底面とセラミック製基体11の上面との間に、空間部16を有している。
In the
次いで、図2を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージの変形例のセラミックパッケージ10aを説明する。セラミックパッケージ10aは、前記のセラミックパッケージ10と基本的には同じであるが、セラミック製基体11と、金属枠体12との間に、セラミック製基体11を作成する時に1又は複数枚のリング状のセラミックグリーンシートが積層されて形成された、例えば、2枚のセラミック枠体17、17aを有している。そして、このセラミック枠体17、17aの上層側のセラミック枠体17の表面には、表面より突出するメタライズ膜13を有している。更に、金属枠体12の内周側底面と、上層側のセラミック枠体17の上面との間に、空間部16を有している。
Next, a ceramic package 10a as a modification of the ceramic package according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The ceramic package 10a is basically the same as the
次いで、図3に示すように、このセラミックパッケージ10、10aには、キャビティ部15のセラミック製基体11の上に、電子部品の一例である、例えば、半導体素子(図示せず)が実装され、ボンディングワイヤ(図示せず)で外部と電気的に導通状態としている。そして、金属枠体12上には、KVや、42アロイ等の金属からなる蓋体18がAu−Snろう等のろう材を介して載置され、この蓋体18の外周端部コーナー部に一対のシーム溶接機のローラーを縦横方向に移動させることで金属枠体12に蓋体18を溶接接合している。この溶接接合では、接合時に蓋体接合部周辺の温度が約1200℃程度になるので、蓋体は、熱膨張した状態で金属枠体12に接合する。接合後は、冷却と共に蓋体が収縮するが、ここで発生する収縮による歪は、メタライズ膜13のセラミック製基体11の表面から突出する厚みと、ろう材14とで形成される空間部16によって吸収できる。これによって、セラミック製基体11の底面側に撓みを発生されることがないので、セラミック製基体11にクラックを発生させることがなく、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品は、セラミックパッケージ10、10aと蓋体18とで気密信頼性を高くして封止することができる。
Next, as shown in FIG. 3, for example, a semiconductor element (not shown), which is an example of an electronic component, is mounted on the ceramic substrate 11 of the cavity portion 15 in the
本発明者は、セラミック基材にアルミナ、導体ペーストにWを用い、セラミック枠体を有する外形寸法が3×2mmのセラミック製基体を用い、KV製の金属枠体をAg−Cuろうでろう付け接合した後、金属枠体にKV製の蓋体をAu−Snろうでシーム溶接接合した時にセラミック製基体に生じる応力の解析を有限要素法によるシミュレーションで行った。実施例として、このセラミック製基体のリング状のメタライズ膜は、枠幅を150μm、セラミック枠体からの突出高さを50μmとした。また、金属枠体の枠幅は、200μmとし、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離の基準に対して、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離を引いた長さを25、50、80、100、120μmとし、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間にそれぞれ空間部を設けた5種類のモデルを作成した。併せて、比較例として、従来のメタライズ膜の枠幅が金属枠体の枠幅より大きく、メタライズ膜がセラミック枠体の表面から突出せず、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間に空間部がないモデルを作成した。そして、比較例のモデルに対して実施例の5種類のモデルのセラミック製基体に生じる応力の相対値を測定した。その結果を表1に示す。 The present inventor uses alumina as a ceramic base material, W as a conductor paste, a ceramic base body having a ceramic frame with an outer dimension of 3 × 2 mm, and brazes a KV metal frame with Ag—Cu brazing. After the joining, the stress generated in the ceramic substrate when the lid made of KV was seam welded to the metal frame with Au—Sn brazing was analyzed by a finite element method simulation. As an example, the ring-shaped metallized film of the ceramic substrate had a frame width of 150 μm and a protrusion height from the ceramic frame of 50 μm. Further, the frame width of the metal frame is 200 μm, and the inner peripheral side surface of the metal frame from the center line of the cavity portion with respect to the reference of the distance from the center line of the cavity portion to the inner peripheral side surface position of the metallized film. Five types of models with 25, 50, 80, 100, and 120 μm lengths minus the distance to the position, and a space provided between the inner peripheral bottom surface of the metal frame and the upper surface of the ceramic frame, respectively. Created. In addition, as a comparative example, the frame width of the conventional metallized film is larger than the frame width of the metal frame, the metallized film does not protrude from the surface of the ceramic frame, the inner peripheral side bottom surface of the metal frame and the ceramic frame A model with no space between the top surface was created. And the relative value of the stress which arises in the ceramic base body of five types of models of an Example with respect to the model of a comparative example was measured. The results are shown in Table 1.
実施例は、従来の比較例に比べて応力が減少することが確認できた。これは、蓋体の接合後の収縮よる歪が、セラミック製基体と金属枠体との間に形成される空間部によって、金属枠体が動き易くなることで、セラミック製基体に伝わり難くなることによるものと考えられる。また、実施例の中においては、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離の基準に対して、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離を引いた長さが大きい程応力が減少することが確認できた。更に、実施例の中のキャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離の基準に対して、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離を引いた長さの差が0であるものと、もともと0かマイナスである比較例の内の0のものとの比較では、実施例の方が応力が減少することが確認できた。これは、実施例においては、メタライズ膜がセラミック製基材の表面から突出していることで、金属枠体が動き易くなっていることことに起因していると考えられる。 In the example, it was confirmed that the stress was reduced as compared with the conventional comparative example. This is because the strain due to shrinkage after the lid is joined is less likely to be transmitted to the ceramic substrate because the metal frame is easily moved by the space formed between the ceramic substrate and the metal frame. It is thought to be due to. Further, in the examples, the distance from the center line of the cavity part to the inner peripheral side surface position of the metal frame relative to the reference of the distance from the center line of the cavity part to the inner peripheral side surface position of the metallized film It was confirmed that the stress was reduced as the length of subtracting was larger. Further, the distance from the center line of the cavity portion to the inner peripheral side surface position of the metal frame is subtracted from the reference of the distance from the center line of the cavity portion to the inner peripheral side surface position of the metallized film in the embodiment. In comparison between the case where the difference in length was 0 and the case of 0 in the comparative example which was originally 0 or minus, it was confirmed that the stress was reduced in the example. This is considered to be due to the fact that in the examples, the metallized film protrudes from the surface of the ceramic base material, which makes the metal frame easier to move.
本発明のセラミックパッケージは、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を実装させて、小型で、高信頼性が要求される、例えば、携帯電話や、ノートブック型のパソコン等の電子装置に組み込まれて用いることができる。 The ceramic package of the present invention is mounted on an electronic device such as a mobile phone or a notebook-type personal computer, which is small and highly reliable by mounting electronic components such as a semiconductor element and a crystal resonator. It can be incorporated and used.
10、10a:セラミックパッケージ、11:セラミック製基体、12:金属枠体、13:メタライズ膜、14:ろう材、15:キャビティ部、16:空間部、17、17a:セラミック枠体、18:蓋体 10, 10a: Ceramic package, 11: Ceramic substrate, 12: Metal frame, 13: Metallized film, 14: Brazing material, 15: Cavity, 16: Space, 17, 17a: Ceramic frame, 18: Lid body
Claims (2)
前記セラミック製基体の上面に、前記金属枠体の枠幅より小さい幅からなり、前記セラミック製基体の表面より突出するリング状の前記メタライズ膜を有し、該メタライズ膜と前記金属枠体が接合された時に、前記キャビティ部の中心線から前記メタライズ膜の内周側側面位置までの距離を基準として、前記キャビティ部の中心線から前記金属枠体の内周側側面位置までの距離が前記基準より短いと共に、前記キャビティ部の中心線から前記金属枠体の外周側側面位置までの距離が前記基準より長く、しかも、前記金属枠体の内周側底面と前記セラミック製基体の上面との間に、空間部を有することを特徴とするセラミックパッケージ。 In a ceramic package comprising a cavity formed by brazing a ceramic base and a ring-shaped metal frame through a metallized film formed on the ceramic base,
The upper surface of the ceramic substrate has a ring-shaped metallized film that has a width smaller than the width of the metal frame and protrudes from the surface of the ceramic substrate, and the metallized film and the metal frame are bonded to each other. The distance from the center line of the cavity portion to the inner peripheral side surface position of the metal frame is based on the distance from the center line of the cavity portion to the inner peripheral side surface position of the metallized film. The distance from the center line of the cavity portion to the outer peripheral side surface position of the metal frame is longer than the reference, and between the inner peripheral bottom surface of the metal frame and the upper surface of the ceramic substrate. And a ceramic package having a space.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 2003-08-28 JP JP2003304340A patent/JP2005079133A/en active Pending
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JP2015050320A (en) * | 2013-09-02 | 2015-03-16 | 株式会社リコー | Optical device and image formation device |
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