JP2005183726A - 電子部品収納用パッケージおよび電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 封止用メタライズ層上に蓋体をろう材を介して接合する際に、熱応力によって絶縁基体の上面から封止用メタライズ層が剥離することのない、気密封止性の高い、実装信頼性に優れた電子部品収納用パッケージおよび電子装置を提供すること。
【解決手段】 電子部品収納用パッケージは、上面中央に電子部品６を収容し搭載するための凹部２を有する絶縁基体１と、凹部２の内側から絶縁基体１の外表面にかけて形成された配線導体３と、絶縁基体１の上面の凹部２の周囲に形成された封止用メタライズ層４とを具備しており、封止用メタライズ層４は、その厚みが10〜30μｍであるとともに、絶縁基体１の上面の凹部２の周囲に全周にわたって厚みの20〜70％の部位が埋設されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品を搭載し収容するための電子部品収納用パッケージおよびそれを用いた電子装置に関するものである。

圧電振動子や半導体素子等の電子部品は、これらの電子部品を気密に収容するための電子部品収納用パッケージ内に収容されて使用される。

このような電子部品を気密に収容する電子部品収納用パッケージにおいて、最も信頼性の高いとされるものは、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成り、絶縁基体の上面に凹部を取り囲むように被着された枠状の封止用メタライズ層と、この封止用メタライズ層にろう付けされた鉄−ニッケル−コバルト合金や鉄−ニッケル合金等から成る封止用の金属枠体と、この封止用の金属枠体にシーム溶接により直接、接合される鉄−ニッケル合金や鉄−ニッケル−コバルト合金から成る蓋体とから構成されるタイプのものである。

このタイプの電子部品収納用パッケージの場合には、絶縁基体の凹部に電子部品を搭載し収容するとともに電子部品の電極と絶縁基体の凹部の底面に形成された配線導体とを電気的に接続した後、金属枠体に蓋体を載置し、この蓋体の外周縁にシーム溶接機の一対のローラー電極を接触させながら転動させるとともに、このローラー電極間に溶接のための大電流を流し金属枠体と蓋体とを直接、シーム溶接することによって内部に電子部品が気密に収容されて製品としての電子装置となる。

しかしながら、このタイプの電子部品収納用パッケージでは、絶縁基体に蓋体をシーム溶接するための下地金属として封止用の金属枠体を封止用メタライズ層にろう付けしておく必要があり、そのため金属枠体の分だけ電子装置の高さが高いものとなるため、近時の電子装置に要求される薄型化が困難であった。また、金属枠体の分だけ高価なものとなるという問題点も有していた。

そこで、上述のような問題点を解消するために、上面に電子部品を収容する凹部を有するセラミックス製の絶縁基体の上面に凹部を取り囲む枠状の封止用メタライズ層を形成し、この封止用メタライズ層に、下面に銀−銅共晶合金等のろう材が被着された蓋体をその下面に被着させたろう材を介してシーム溶接により接合させることによって、内部に電子部品を気密に封止するようになした電子部品収納用パッケージが提案されている（以下の特許文献１参照）。

この電子部品収納用パッケージは、封止用メタライズ層と蓋体とをろう材を介してシーム溶接により接合させることから溶接のための下地金属としての金属枠体を必要とせず、その分、高さを低くすることができ、かつ安価である。

なお、上述のような電子部品収納用パッケージは通常、セラミックグリーンシート積層法により形成されており、具体的には、適当な打ち抜き加工が施された絶縁基体用の複数枚のセラミックグリーンシートを準備するとともに、これらのセラミックグリーンシートに配線導体や封止用メタライズ層用の金属ペーストをスクリーン印刷法により所定厚みに印刷し、しかる後、これらのセラミックグリーンシートを積層するとともに高温で焼成することによって製作されており、封止用メタライズ層は、平坦な絶縁基体の上面から10〜30μｍ程度の厚みで盛り上がった状態で被着されていた。
特開２００２−３３６３６号公報

しかしながら、このような従来の電子部品収納用パッケージにおいては、シーム溶接のための熱が封止用メタライズ層に直接作用し、封止用メタライズ層と絶縁基体との間に発生する熱応力等の応力が、封止用金属枠体を用いていた従来のものに比べて大きなものとなり、この接合面に平行にシーム溶接時に生じる熱応力が作用して絶縁基体の上面から封止用メタライズ層が剥離するという問題点があった。

特に、近年、電子部品の小型化にともない、電子部品収納用パッケージも小型化が著しく、これに応じて、絶縁基体と封止用メタライズ層との接合面積がより小さなものとなってきているため、上記のような問題点が顕著なものとなってきている。

さらに、このような小型化にともない、蓋体と封止用メタライズ層との接合面積も小さくなり、ろう材と封止用メタライズ層との接合強度が小さくなってろう材が封止用メタライズ層から剥離するという問題点も有していた。

本発明は、かかる従来の問題に鑑み完成されたものであり、その目的は、封止用メタライズ層上に蓋体をろう材を介して接合する際に、熱応力によって絶縁基体の上面から封止用メタライズ層が剥離することのない、気密封止性の高い、実装信頼性に優れた電子部品収納用パッケージおよび電子装置を提供することにある。

本発明の電子部品収納用パッケージは、上面中央に電子部品を収容し搭載するための凹部を有する絶縁基体と、前記凹部の内側から前記絶縁基体の外表面にかけて形成された配線導体と、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に形成された封止用メタライズ層とを具備しており、前記封止用メタライズ層は、その厚みが10〜30μｍであるとともに、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に全周にわたって前記厚みの20〜70％の部位が埋設されていることを特徴とするものである。

また、本発明の電子部品収納用パッケージは、好ましくは、前記封止用メタライズ層は、その内周端が前記凹部の上面の内周端に全周にわたって接しているとともに外周端が前記絶縁基体の上面の外周端に達していないことを特徴とするものである。

また、本発明の電子装置は、上記構成の電子部品収納用パッケージと、前記凹部内に収容され搭載された電子部品と、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に前記凹部を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることを特徴とするものである。

本発明の電子部品収納用パッケージによれば、封止用メタライズ層は、その厚みが10〜30μｍであるとともに、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に全周にわたって前記厚みの20〜70％の部位が埋設されていることから、封止用メタライズ層をその下面から側面にかけて絶縁基体と接合させることができるため、封止用メタライズ層と絶縁基体との接合面積を大きくしてこれらの接合強度を大きくすることができる。

また、封止用メタライズ層の埋設が全周にわたっているので、封止用メタライズ層と絶縁基体との接合は、接合面の全周にわたって強固なものとなり、接合の弱い端部から封止用メタライズ層の剥離が生じるというようなことも効果的に防止することができる。

また、封止用メタライズ層のうち絶縁基体に埋設された部位の側面は、絶縁基体と封止用メタライズ層との間に作用する応力に対して直交するような面で絶縁基体に接合しているので、上記応力が生じても封止用メタライズ層の側面が絶縁基体で強固に拘束されることにより、封止用メタライズ層が絶縁基体から剥離することをきわめて効果的に防止することができる。

その結果、封止用メタライズ層上に蓋体をろう材を介して接合する際に、熱応力によって絶縁基体の上面から封止用メタライズ層が剥離することを効果的に防止することができ、気密封止性の高い、実装信頼性に優れた電子部品収納用パッケージを提供することができる。

また、本発明の電子部品収納用パッケージは、好ましくは、封止用メタライズ層が、その内周端が凹部の上面の内周端に全周にわたって接しているとともに外周端が絶縁基体の上面の外周端に達していないことから、封止用メタライズ層上に蓋体をろう材を介して接合した後の冷却過程で、絶縁基体の側壁に直交する方向に蓋体が大きく収縮した封止用メタライズ層を内側に引っ張るような応力が作用しても、封止用メタライズ層の外側面が絶縁基体に強固に接合されているので封止用メタライズ層が剥離するのを有効に防止できるとともに、蓋体の下面から封止用メタライズ層の内側面にかけてろう材の良好なメニスカスを形成することができ、このメニスカスによって蓋体と絶縁基体との接合強度をきわめて高くすることができる。その結果、気密封止の信頼性をより一層優れたものとすることができる。

また、本発明の電子装置は、上記構成の電子部品収納用パッケージと、凹部内に収容され搭載された電子部品と、絶縁？基体の上面の前記凹部の周囲に前記凹部を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることから、上記電子部品収納用パッケージを用いた、気密封止性の高い、実装信頼性に優れた電子装置を提供することができる。

次に、本発明の電子部品収納用パッケージおよび電子装置を添付の図面を基に説明する。

図１（ａ）は、本発明の電子部品収納用パッケージを用いて形成した電子装置の実施の形態の一例を示した上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面図である。これらの図において１は絶縁基体、２は電子部品を収容するための凹部、３は絶縁基体１の凹部２内から外表面にかけて導出する配線導体、４は封止用メタライズ層、５は蓋体である。そして、主として絶縁基体１、配線導体３および封止用メタライズ層４で電子部品収納用パッケージが構成されており、絶縁基体１の凹部２の底面に例えば圧電振動子や半導体素子等の電子部品６を搭載し、封止用メタライズ層４に蓋体５を取着して電子部品６を気密に封止することによって電子装置となる。

絶縁基体１は、電子部品６を収容し搭載するための支持体であり、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから成る。このような絶縁基体１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法によりシート状とすることによって絶縁基体１用のセラミックグリーンシートを得、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに複数枚積層し、高温で焼成することによって製作される。

凹部２は、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートのうち、上層側に積層されるものの中央部を平面視で凹部２と同じ形状となるように打ち抜いておくことにより形成される。

また、絶縁基体１の凹部２内から外表面にかけて導出するように被着された配線導体３は、電子部品６の各電極を外部に電気的に導出するための導電路として機能し、タングステンやモリブデン等の金属粉末焼結体から成り、半田やボンディングワイヤ等の電気的接続手段との接合性を良好にするためにその露出する表面に１〜20μｍ程度の厚みのニッケルめっきと0.1〜３μｍ程度の厚みの金めっきとが施されているのがよい。そして、配線導体３の凹部２内の部位には、電子部品６の電極がボンディングワイヤ等を介して電気的に接続され、一方、配線導体３の絶縁基体１の外表面の部位は、外部電気回路基板（図示せず）の配線導体に例えば半田を介して電気的に接続される。

このような配線導体３は、例えばタングステン粉末焼結体から成る場合であれば、タングステン粉末に適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して得たタングステンペーストを絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用のセラミックグリーンシートとともに焼成することによって、所定のパターンに被着形成される。

さらに、絶縁基体１の上面に凹部２を取り囲むように被着された封止用メタライズ層４は、タングステンやモリブデン等の金属粉末焼結体から成り、例えば、幅が0.4ｍｍ程度の枠状である。

この封止用メタライズ層４は、例えばタングステン粉末焼結体から成る場合であれば、タングステン粉末に適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して得たタングステンペーストを上記のように絶縁基体１となるセラミックグリーンシートの例えば最上層に積層されるものの上面に従来周知のスクリーン印刷法を採用して所定厚み、所定パターンに印刷塗布することで形成することができる。

封止用メタライズ層４は、絶縁基体１に蓋体５を接合させるための下地金属層として機能し、ろう材７との濡れ性をよくするためにその露出する表面に１〜20μｍ程度の厚みのニッケルめっきと0.1〜３μｍ程度の厚みの金めっきとが施されているのがよい。

そして、凹部２に電子部品６を収容し搭載するとともに、電子部品６の電極を配線導体３のうち凹部２内に露出した部位に電気的に接続し、封止用メタライズ層４の上に蓋体５を接合して凹部２を気密封止することにより電子装置が形成される。

蓋体５を封止用メタライズ層４に接合する方法としては、銀ろう等でろう付けする方法や、下面にろう材７が被着された蓋体５をシーム溶接により接合する方法等が用いられる。特に、工程が容易であるという観点、および蓋体５や絶縁基体１に加わる熱を少なくして電子部品収納用パッケージに熱応力が生じるのを有効に抑制するという観点からは、下面にろう材７が被着された蓋体５をシーム溶接により封止用メタライズ層４に接合するのがよい。

なお、封止用メタライズ層４上に蓋体５をろう材７を介してシーム溶接により接合するには、下面にろう材７が被着された蓋体５を絶縁基体１の封止用メタライズ層４上に載置し、この蓋体５の外周縁にシーム溶接機の一対のローラー電極を接触させながら転動させるとともに、このローラー電極間に溶接のための大電流を流し、ローラー電極と蓋体５との接触部をジュール発熱させ、この熱を蓋体５の下面側に伝達させてろう材７の一部を溶融させることにより行なわれる。

本発明の電子部品収納用パッケージおよび電子装置においては、図１（ｂ）に示すように、封止用メタライズ層４は、その厚みが10〜30μｍであるとともに、絶縁基体１の上面の凹部２の周囲に全周にわたって封止用メタライズ層４の厚みの20〜70％の部位が埋設して形成されている。

これにより、封止用メタライズ層４をその下面から側面にかけて絶縁基体１と接合させることができるため、封止用メタライズ層４と絶縁基体１との接合面積を大きくしてこれらの接合強度を大きくすることができる。

また、封止用メタライズ層４の埋設が全周にわたっているので、封止用メタライズ層４と絶縁基体１との接合は、接合面の全周にわたって強固なものとなり、接合の弱い端部から封止用メタライズ層４の剥離が生じるというようなことも効果的に防止することができる。

また、封止用メタライズ層４のうち絶縁基体１に埋設された部位の側面は、絶縁基体１と封止用メタライズ層４との間に作用する応力に対して直交するような面で絶縁基体１に接合しているので、上記応力が生じても封止用メタライズ層４の側面が絶縁基体１で強固に拘束されることにより、封止用メタライズ層４が絶縁基体１から剥離することをきわめて効果的に防止することができる。

その結果、封止用メタライズ層４上に蓋体５をろう材７を介して接合する際に、熱応力によって絶縁基体１の上面から封止用メタライズ層４が剥離することを効果的に防止することができ、気密封止性の高い、実装信頼性に優れた電子部品収納用パッケージを提供することができる。

封止用メタライズ層４は、その厚さが10μｍ未満では蓋体５を接合するときの接合強度を確保するのが困難となり、30μｍを超えると、内在する応力により絶縁基体１から剥離しやすくなる。従って、封止用メタライズ層４は、その厚さを10μｍ〜30μｍの範囲とする必要がある。

封止用メタライズ層４を絶縁基体１に埋設するには、例えば、封止用メタライズ層４となるタングステンペースト等の金属ペーストを絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに印刷した後、その上面を金属板で加圧すること等の方法を用いることができる。

なお、封止用メタライズ層４の厚みが10μｍと薄い場合は、その大半（厚みの70％以上）が絶縁基体１の深さ方向へ埋設され易くなり、ろう材７と封止用メタライズ層４との接触面積が小さくなって蓋体５と絶縁基体１との接合強度が低下し易くなる。また、封止用メタライズ層４の厚みが30μｍと厚い場合は、封止用メタライズ層４を均一な深さで埋設させるのが困難となる。

また、封止用メタライズ層４を絶縁基体１に埋設させる深さは、封止用メタライズ層４の厚みに対して20〜70％の深さとする必要がある。

この埋設の深さが、封止用メタライズ層４の厚さに対して20％未満では、封止用メタライズ層４の絶縁基体１に対する接合面積を、封止用メタライズ層４の厚さに対して効果的に大きくすることが困難となるため、封止用メタライズ層４の絶縁基体１に対する接合強度を確保し難くなる。また、70％を超えると、このような絶縁基体１となるセラミックグリーンシートに、封止用メタライズ層４となる金属ペースト深く埋設されることにともなう応力が、セラミックグリーンシートの弾性による変形の限界を超えて作用し易く、セラミックグリーンシートにクラックが生じやすくなる。

また、封止用メタライズ層４は、その内周端が凹部２の上面の内周端に全周にわたって接しているとともに外周端が絶縁基体１の上面の外周端に達していないことが望ましい。

これにより、封止用メタライズ層４上に蓋体５をろう材７を介して接合した後の冷却過程で、絶縁基体１の側壁に直交する方向に蓋体５が大きく収縮した封止用メタライズ層４を内側に引っ張るような応力が作用しても、封止用メタライズ層４の外側面が絶縁基体１に強固に接合されているので封止用メタライズ層４が剥離するのを有効に防止できるとともに、蓋体５の下面から封止用メタライズ層４の内側面にかけてろう材７の良好なメニスカスを形成することができ、このメニスカスによって蓋体５と絶縁基体１との接合強度をきわめて高くすることができる。その結果、気密封止の信頼性をより一層優れたものとすることができる。

この封止用メタライズ層４の、絶縁基体１の上面の外周端から離間した距離は、0.1〜0.3ｍｍ程度が望ましい。

封止用メタライズ層４上に蓋体５をろう材７を介して接合する際、この溶接のための熱により生じる熱応力によって絶縁基体１の上面から封止用メタライズ層４が剥離し易い場所は、封止用メタライズ層４の外周部付近であり、このように、封止用メタライズ層４の外周部と絶縁基体１の外周部との離間した距離を0.1〜0.3ｍｍ程度とすることにより、溶接のための熱により生じる熱応力がかかり難い絶縁基板１の内周部いっぱいまで封止幅を取れるとともに、絶縁基体１の外周部の変形を抑えて封止用メタライズ層４をより効果的に絶縁基体１の深さ方向へ埋設させることができる。

封止用メタライズ層４は、その内周端が凹部２の上面の内周端に全周にわたって接しているとともに外周端が絶縁基体１の上面の外周端に達しないように形成するためには、例えば、封止用メタライズ層４となるタングステンペースト等を印刷するための印刷用製版を、そのようなパターンで作製しておけばよい。

また、蓋体５は、例えば、鉄−ニッケル合金板や鉄−ニッケル−コバルト合金板等から成る厚みが0.1ｍｍ程度の平板であり、その下面の全面には、銀−銅共晶ろう等のろう材７が10〜30μｍ程度の厚みに被着されている。そして、絶縁基体１の封止用メタライズ層４にろう材７を介してシーム溶接により接合されることにより絶縁基体１との間で電子部品６を気密に封止する。

なお、蓋体５の下面に被着されたろう材７は、その厚みが10μｍ未満であると、蓋体５を絶縁基体１の封止用メタライズ層４にろう材７を介してシーム溶接により接合する際に、ろう材７が不足して封止用メタライズ層４の表面に良好に濡れ広がるのが困難となり電子装置の気密信頼性が低くなり易い。また、30μｍを超えると、ろう材７が過多となって溶融したろう材７が凹部２内に流れ出したり、飛び散ったりして、搭載する電子部品６の機能を阻害し易くなる。したがって、蓋体５の下面に被着させたろう材７の厚みは10〜30μｍの範囲としておくことが好ましい。

このような蓋体５は、鉄−ニッケル合金板や鉄−ニッケル−コバルト合金板等の下面に銀−銅ろう等のろう材箔を重ねて圧延することによって鉄−ニッケル合金板や鉄−ニッケル−コバルト合金板等の下面に厚みが10〜30μｍのろう材が圧着された複合金属板を得るとともに、この複合金属板を打ち抜き金型により打ち抜くことによって下面に厚みが10〜30μｍのろう材７が被着された所定の形状に製作される。

かくして、本発明の電子部品収納用パッケージによれば、絶縁基体１の凹部２に電子部品６を搭載するとともに封止用メタライズ層４に、下面にろう材７が被着された蓋体５をろう材７を介してシーム溶接により接合することによって本発明の電子装置となる。

まず、酸化アルミニウム質焼結体からなり上面に凹部２を有する絶縁基体１の上面に、表１のような条件で封止用メタライズ層４を形成した試料を作製した。

絶縁基体１は、１辺が５ｍｍの正方形状であり、その外周に0.4ｍｍの幅の枠状の封止用メタライズ層４を形成しておいた。なお、封止用メタライズ層４は、タングステン粉末の焼結体からなり、絶縁基体１との同時焼成により形成されたものである。

次に、各試料の封止用メタライズ層４に鉄−ニッケル−コバルト合金からなる蓋体５をシーム溶接により接合し、その後、気密封止の信頼性を確認した。

気密封止の信頼性は、従来周知のヘリウムガスを用いた気密性の試験方法により行った。なお、試料数は、各項目について５個であり、評価した結果を表１に示す。

表１の結果からわかるように、封止用メタライズ層４を絶縁基体１に厚さの20〜70％の範囲で埋設したもの（サンプル３〜４，８〜10，13〜15）については気密封止が良好に確保されたが、20％未満（サンプル２，７，12）および70％を超えるもの（サンプル６，11，16）については、気密封止の信頼性を確保することができなかった。

また、封止用メタライズ層４の厚さが10μｍ未満（サンプル１）、30μｍを超える（サンプル17）場合も、気密封止の信頼性を確保することができなかった。

なお、本発明は、上述の実施の形態の例および実施例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であれば、種々の変更が可能であることはいうまでもない。

（ａ）は、本発明の電子部品収納用パッケージおよび電子装置の実施の形態の一例を示す上面図、（ｂ）は（ａ）の断面図である。

符号の説明

１・・・・・絶縁基体
２・・・・・凹部
３・・・・・配線導体
４・・・・・封止用メタライズ層
５・・・・・蓋体
６・・・・・電子部品
７・・・・・ろう材

Claims (3)

1. 上面中央に電子部品を収容し搭載するための凹部を有する絶縁基体と、前記凹部の内側から前記絶縁基体の外表面にかけて形成された配線導体と、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に形成された封止用メタライズ層とを具備しており、前記封止用メタライズ層は、その厚みが１０〜３０μｍであるとともに、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に全周にわたって前記厚みの２０〜７０％の部位が埋設されていることを特徴とする電子部品収納用パッケージ。
2. 前記封止用メタライズ層は、その内周端が前記凹部の上面の内周端に全周にわたって接しているとともに外周端が前記絶縁基体の上面の外周端に達していないことを特徴とする請求項１記載の電子部品収納用パッケージ。
3. 請求項１または請求項２記載の電子部品収納用パッケージと、前記凹部内に収容され搭載された電子部品と、前記絶縁基体の上面の前記凹部の周囲に前記凹部を塞ぐように取着された蓋体とを具備していることを特徴とする電子装置。

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