JP2007242908A

JP2007242908A - 電子部品収納用セラミックパッケージ

Info

Publication number: JP2007242908A
Application number: JP2006063664A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Hidaka; 明弘日高
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2006-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】基体の外部接続端子パッドでマザーボード基板に容易に直接半田接合でき、接合信頼性が高く電子部品の発熱の放熱性に優れるセラミックパッケージを提供する。
【解決手段】基体１１の上面側に電子部品２０と電気的に接続状態とするための電子部品接続用端子パッド１４を有し、基体１１の下面側にマザーボード基板１３に半田２５で直接接合するための外部接続用端子パッドを有する電子部品収納用セラミックパッケージ１０であって、これと電気的に導通状態でありパターン形状がそれぞれ異なる複数の第１の外部接続用端子パッド１５、１５ａと、いずれとも断線状態でありパターン形状が略同一の４個の第２の外部接続用端子パッド１６からなり、これを基体１１の下面角部に有すると共に、これ以外の下面十字部面積の７０％〜９５％に第１の外部接続用端子パッド１５、１５ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック多層基板からなる基体の上面側外周部に枠体を設けて形成される凹部に半導体素子や、発光素子等の電子部品を収納し、基体の下面側に形成される外部接続用端子パッドでプリント配線基板等からなるマザーボード基板に半田で直接接合する電子部品収納用セラミックパッケージに関する。

従来から、半導体素子や、発光素子や、水晶振動子等の電子部品を収納して気密に封止するためには、信頼性の高いセラミックからなる電子部品収納用セラミックパッケージが多く用いられている。そして、電子部品が搭載されたこのようなパッケージは、ＦＲ−４製等のプリント配線基板等からなるマザーボード基板に実装されて電子機能や、照明用等として各種装置や、照明機器等に組み込まれ使用されている。

図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら従来の電子部品収納用セラミックパッケージを説明する。ここに、図４（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の電子部品収納用セラミックパッケージの上面側の平面図、下面側の平面図、図４（Ｃ）は従来のセラミックパッケージに電子部品を実装した後、マザーボード基板に接合した時の模式的断面図である。図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来の電子部品収納用セラミックパッケージ５０は、セラミック多層基板からなる基体５１の上面に、例えば、セラミックや、金属等からなる枠体５２が設けられて形成されるキャビティ部５３に半導体素子や、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の発光素子や、水晶振動子等からなる電子部品５４が搭載されるようになっている。そして、電子部品５４は、キャビティ部５３の底面に設けられるメタライズ膜上にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜が施されて形成される電子部品接続用端子パッド５５と、ボンディングワイヤ５６等を介して電気的に接続状態とした後、枠体５２の上面に金属板や、セラミック板や、レンズ等からなる蓋体５７を接合することで気密に封止されるようになっている。

また、従来の電子部品収納用セラミックパッケージ５０には、基体５１の下面に電子部品接続用端子パッド５５と、導体ビア５８や、導体配線パターン５９等を介して接続されているメタライズ膜上にＮｉめっき被膜及びＡｕめっき被膜が施されて形成される外部接続用端子パッド６０が設けられている。この外部接続用端子パッド６０は、通常、基体５１の下面角部、又は下面外周囲に集中して設けられ、基体５１の端面に設けるキャスタレーション６１と接続させている。そして、この外部接続用端子パッド６０は、マザーボード基板６２上に形成されている配線パターン６３との間に半田６４を介して接合されると共に、キャスタレーション６１との間にメニスカス６５を形成させて電子部品収納用セラミックパッケージ５０とマザーボード基板６２を強固に接合させるようになっている。

従来の窒化アルミニウムセラミック多層基板には、外部接続用端子のうち少なくとも熱応力の集中し易い外部接続用端子の周囲に、ダミーの外部接続用端子を設けるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１３０９０９号公報

しかしながら、前述したような従来の電子部品収納用セラミックパッケージは、次のような問題がある。
（１）パッケージの基体に設ける外部接続用端子パッドは、通常、基体の端部にキャスタレーションを設けてこれと接続するために、セラミック多層基板の下面外周部に設けている。しかしながら、パッケージの基体であるセラミック多層基板のセラミックが、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の場合には、熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃（−６５℃〜１５０℃において）で、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の場合には、熱膨張係数が４．９ｐｐｍ／℃（４０℃〜５００℃において）であり、マザーボード基板であるプリント基板の樹脂が、例えば、ＦＲ−４の場合には、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃であるので、基体とマザーボード基板は、両者の熱膨張係数差が非常に大きくなり、両者を半田で接合する時の温度でセラミック多層基板の外周部の半田接合部である外部接続用端子パッドに塑性変形による歪みが生じている。この歪みは、温度サイクル試験等の信頼性試験においる半田接合部の疲労破壊によって、外部接続用端子パッドにクラックや、割れを発生させる原因となっている。これによって、外部接続用端子パッドと、電子部品接続用端子パッド間は、電気的に断線状態となる場合がある。
（２）特開平７−１３０９０９号公報に開示されるような外部接続用端子のうち少なくとも熱応力の集中し易い外部接続用端子用の外部接続用端子パッドの周囲に、ダミーの外部接続用端子用の外部接続用端子パッドを設けるパッケージの基体は、同一の外部接続用端子パッドを並べて配置したとしても、電子部品からの発熱を基体の下面から放熱させる程度のメタライズ膜を形成しないので、パッケージからの放熱性が低い。また、外部接続用端子パッドには、ピンや、バンプからなる外部接続用端子が接合され、この外部接続用端子を介してマザーボード基板に接合されるので、マザーボード基板と基体の間に大きな隙間が形成され、電子部品からの発熱を基体の外部接続用端子パッドを介して更に、マザーボード基板側へ放熱させる効果が低い。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、基体の外部接続端子パッドでマザーボード基板に容易に半田で直接接合でき、熱膨張係数差があっても接合信頼性が高く、電子部品の発熱の放熱性に優れる電子部品収納用セラミックパッケージを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る電子部品収納用セラミックパッケージは、略四角形状のセラミック多層基板からなる基体の上面側に電子部品と電気的に接続状態とするためのパターン形状からなる電子部品接続用端子パッドを有し、基体の下面側にマザーボード基板に半田で直接接合するための外部接続用端子パッドを有する電子部品収納用セラミックパッケージであって、外部接続用端子パッドが電子部品接続用端子パッドと電気的に導通状態でありパターン形状がそれぞれ異なる複数の第１の外部接続用端子パッドと、電気的にいずれとも断線状態でありパターン形状が略同一の４個の第２の外部接続用端子パッドからなり、第２の外部接続用端子パッドを基体の下面角部に有すると共に、基体の下面角部以外の下面十字部面積の７０％〜９５％に第１の外部接続用端子パッドを有する。

ここで、上記の電子部品収納用セラミックパッケージは、外部接続用端子パッドとマザーボード基板の間に、それぞれが半田で接合される熱膨張係数が基体とマザーボード基板の間にある中継基板を有するのがよい。
また、この電子部品収納用セラミックパッケージは、中継基板がフレキシブルなフィルム配線シートからなるのがよい。

上記のこれらの電子部品収納用セラミックパッケージは、外部接続用端子パッドとマザーボード基板が半田で接合される基体の下面と、マザーボード基板の上面との間、又は中継基板を介してそれぞれが半田で接合されるそれぞれの間に充填されるアンダーフィル材を有するのがよい。

請求項１又はこれに従属する請求項２〜４のいずれか一項記載の電子部品収納用セラミックパッケージは、略四角形状のセラミック多層基板からなる基体の上面側に電子部品と電気的に接続状態とするためのパターン形状からなる電子部品接続用端子パッドを有し、基体の下面側にマザーボード基板に半田で直接接合するための外部接続用端子パッドを有する電子部品収納用セラミックパッケージであって、外部接続用端子パッドが電子部品接続用端子パッドと電気的に導通状態でありパターン形状がそれぞれ異なる複数の第１の外部接続用端子パッドと、電気的にいずれとも断線状態でありパターン形状が略同一の４個の第２の外部接続用端子パッドからなり、第２の外部接続用端子パッドを基体の下面角部に有すると共に、基体の下面角部以外の下面十字部面積の７０％〜９５％に第１の外部接続用端子パッドを有するので、基体とマザーボード基板との熱膨張係数差から発生する半田接合部の歪みの影響が少なくて電気的断線の危険がない角部以外の部位に電気的に導通状態を必要とする第１の外部接続用端子パッドを設け、歪みの影響が大きく電気的に断線状態となる危険性がある角部に電気的導通を必要としない第２の外部接続用端子パッドを設けることができ、電気的導通を必要とする外部接続用端子パッドと、電子部品接続用端子パッド間の断線を防止することができる。また、基体の下面側の殆どの面積には、マザーボード基板に半田を介して直接接合するための第１、第２の外部接続用端子パッドを設けているので、電子部品からの発熱をマザーボード基板側へ効率よく放熱させることができる。

特に、請求項２記載の電子部品収納用セラミックパッケージは、外部接続用端子パッドとマザーボード基板の間に、それぞれが半田で接合される熱膨張係数が基体とマザーボード基板の間にある中継基板を有するので、基体とマザーボード基板との熱膨張係数差から発生する半田接合部の歪みの影響が少なくでき、電気的導通を必要とする外部接続用端子パッドと、電子部品接続用端子パッド間の断線を防止することができる。

また、特に、請求項３記載の電子部品収納用セラミックパッケージは、中継基板がフレキシブルなフィルム配線シートからなるので、熱膨張係数を基体とマザーボード基板との間に設定でき、電気的導通を必要とする外部接続用端子パッドと、電子部品接続用端子パッド間の断線を防止することができる。

更に、請求項４記載の電子部品収納用セラミックパッケージは、外部接続用端子パッドとマザーボード基板が半田で接合される基体の下面と、マザーボード基板の上面との間、又は中継基板を介してそれぞれが半田で接合されるそれぞれの間に充填されるアンダーフィル材を有するので、それぞれの半田接合部の歪みを全体の面積に分散させることができ、半田接合部の歪みの影響が少なくして電気的導通を必要とする外部接続用端子パッドと、電子部品接続用端子パッド間の断線を防止することができる。

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電子部品収納用セラミックパッケージの上面側平面図、下面側平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同電子部品収納用セラミックパッケージの実装形態の説明図、図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同電子部品収納用セラミックパッケージの他の実装形態の説明図である。

図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基材が用いられた略四角形状のセラミック多層基板からなる基体１１を有している。また、この電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の上面側に半導体素子や、水晶振動子等の電子部品２０（図２、図３参照）を搭載し、電子部品２０を内周壁面で囲繞するためにセラミックや、金属等からなる枠体１２が設けられて形成されるキャビティ部１３を有している。このキャビティ部１３の底面である基体１１の上面側には、電子部品２０と電気的に接続状態とするために、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の導体金属を用いてスクリーン印刷し、他のセラミックグリーンシートと重ね合わせて積層し、セラミックと導体金属を同時焼成して形成されるパターン形状からなる電子部品接続用端子パッド１４を有している。一方、この基体１１の下面側には、ＦＲ−４等の樹脂板からなるマザーボード基板２３（図２、図３参照）に半田２５（図２、図３参照）で直接接合するために、電子部品接続用端子パッド１４を形成する場合と同様にして形成される第１と第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６を有している。

上記の電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、第１の外部接続用端子パッド１５、１５ａのそれぞれが異なったパターン形状からなり、それぞれが導体ビア１７や、導体配線パターン１８を介して電子部品接続用端子パッド１４と電気的に導通状態となっている。一方、電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、第２の外部接続用端子パッド１６のそれぞれが略同一のパターン形状の４個からなり、それぞれがいずれとも電気的に断線状態となっている。また、電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、４個の第２の外部接続用端子パッド１６のそれぞれが基体１１の下面角部に有すると共に、基体１１の下面角部以外の下面十字部面積の７０％〜９５％に第１の外部接続用端子パッド１５、１５ａを有している。すなわち、電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面の７０％〜９５％に第１及び第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６を有している。電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面の７０％を下まわって第１及び第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６を有する場合には、電子部品２０からの発熱をマザーボード基板２３を介して効率的に放熱させることができなくなる。また、電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面の９５％を超えて第１及び第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６を有する場合には、それぞれのパッド間で短絡の危険性が高くなる。

ここで、上記の電子部品収納用セラミックパッケージ１０の製造方法を簡単に説明する。電子部品収納用セラミックパッケージ１０に用いられるセラミック基材の製造方法は、セラミックが、例えば、酸化アルミニウムからなる場合であれば、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、ジオクチル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、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートに形成し、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製している。次に、複数枚のセラミックグリーンシートには、上下層を導体ビア１７で電気的に導通させるためのスルーホールや、キャスタレーション１９用等の貫通孔を穿孔して設けている。次に、高融点金属である、例えば、タングステンからなる導体金属ペーストを用いてスクリーン印刷で電子部品接続用端子パッド１４用の導体パターン印刷や、導体ビア１７用のスルーホール印刷や、導体配線パターン１８用の導体配線印刷を行い、パターン形成を行っている。更に、基体１１の下面となる表面には、第１、第２の外部接続端子パッド１５、１５ａ、１６用の導体パターン印刷を行っている。次に、導体金属が印刷された複数枚のセラミックグリーンシートは、重ね合わせて積層を行い、還元雰囲気中の約１６００℃程度の高温で導体配線パターンと同時焼成して基体１１を作製している。

この基体１１の上面側には、予め枠体１２の載置部となる部分に導体金属からなる導体パターンが形成されており、この導体パターンにＮｉめっき被膜が形成されている。そして、この導体パターン上には、例えば、内周壁面が上面側の開口を広くするリング状のセラミック製や、金属製からなる枠体１２が、間にＡｇ−Ｃｕろう等のろう材を介して載置され、加熱して基体１１と、枠体１２をろう付け接合している。あるいは、基体１１と、セラミック製の枠体１２は、同時に一括して積層し、焼成して形成することもできる。更には、基体１１と、枠体１２は、ガラスを溶融させて接合したり、樹脂接着剤を用いて接合したりすることができる。この場合の基体１１には、予め枠体１２の載置部となる部分に導体金属からなる導体パターンを形成する必要はない。次に、基体１１と枠体１２が接合された接合体には、外部に露出する金属部分に、電解Ｎｉめっき法によるＮｉめっき被膜、更にＮｉめっき被膜上に電解Ａｕめっき法によるＡｕめっき被膜を形成することで電子部品収納用セラミックパッケージ１０を作製している。

次いで、図２（Ａ）、（Ｂ）、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る電子部品収納用セラミックパッケージ１０の実装形態を説明する。
図２（Ａ）に示すように、電子部品収納用セラミックパッケージ１０のキャビティ部１３には、電子部品２０が搭載された後、電子部品２０と、基体１１の上面側に設けられている電子部品接続用端子パッド１４間を、例えば、ボンディングワイヤ２１で接続し、電子部品２０と基体１１の下面側に設けられている第１の外部接続用端子パッド１５を電気的に導通状態としている。なお、電子部品２０が水晶振動子等のような場合には、ボンディングワイヤ２１等の使用はなく、導電性接着剤を用いて接続して電気的に導通状態としている。あるいは電子部品２０がバンプを設けたフリップチップ等のような場合には、電子部品接続用端子パッド１４にバンプで直接接合して電気的に導通状態としている。

電子部品収納用セラミックパッケージ１０のキャビティ部１３に収納された電子部品２０は、気密に保持するために、枠体１２の上面にセラミック板や、金属板等からなる蓋体２２を接合して、キャビティ部１３内を気密封止している。そして、電子部品２０が実装された電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面側に形成されている第１と第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６を介してマザーボード基板２３に形成された配線パターン２４に半田２５で接合されるようになっている。

図２（Ｂ）に示すように、キャビティ部１３に電子部品２０が実装された電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面側に形成されている第１と第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６と、マザーボード基板２３との間に、それぞれの端子が半田２５で接合される中継基板２６を有するのがよい。この中継基板２６は、例えば、アラミド基材エポキシ（熱膨張係数：６〜８ｐｐｍ／℃）や、アラミド基材ポリイミド（熱膨張係数：５〜８ｐｐｍ／℃）や、石英基材エポキシ（熱膨張係数：６〜１２ｐｐｍ／℃）や、石英基材ポリイミド（熱膨張係数：６〜１２ｐｐｍ／℃）等からなり、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＡｌＮ等からなる基体１１の熱膨張係数（Ａｌ_２Ｏ_３：５．５ｐｐｍ／℃（−６５〜１５０℃、ＡｌＮ：４．９ｐｐｍ／℃（４０〜５００℃））と、例えば、ＦＲ−４からなるマザーボード基板２３の熱膨張係数（１４ｐｐｍ／℃）の間の熱膨張係数値を有している。また、この中継基板２６は、電子部品収納用セラミックパッケージ１０の半田接合時の歪に対応しやすいフレキシブルなフィルム配線シートからなるのがよい。なお、図示しないが、中継基板２６には、下面側中央部に放熱用のヒートシンク板を取り付け、マザーボード基板２３にこれを差込むことができる程度の切り欠き部を設け、更に、マザーボード基板２３の下面には、放熱用金属板を設けて、切り欠き部に差込まれたヒートシンク板と放熱用金属板を接触させるようにして電子部品２０からの発熱を効率的に放熱させるようにすることもできる。あるいは、中継基板２６には、下面側中央部に放熱フィンを取り付け、マザーボード基板２３にこれを差込むことができる程度の切り欠き部を設け、この切り欠き部から放熱フィンを突出させるようにして電子部品２０からの発熱を効率的に放熱させるようにすることもできる。

図３（Ａ）に示すように、キャビティ部１３に電子部品２０が実装された電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面側に形成されている第１と第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６を介してマザーボード基板２３に形成された配線パターン２４に半田２５で接合された後、接合部以外の基体１１の下面と、マザーボード基板２３の上面との間である隙間に充填されたアンダーフィル材２７を有するのがよい。また、図３（Ｂ）に示すように、キャビティ部１３に電子部品２０が実装された電子部品収納用セラミックパッケージ１０は、基体１１の下面側に形成されている第１と第２の外部接続用端子パッド１５、１５ａ、１６と、マザーボード基板２３との間に中継基板２６を介して半田２５で接合された後、接合部以外の隙間に充填されたアンダーフィル材２７を有するのがよい。

本発明の電子部品収納用セラミックパッケージは、各種半導体素子からなる電子部品を実装させて各種電子装置に用いることができる。また、本発明の電子部品収納用セラミックパッケージは、水晶振動子等からなる電子部品を実装させて携帯電話等に用いることができる。更に、本発明の電子部品収納用セラミックパッケージは、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の発光素子を実装させてパソコン等のバックライトや、一般照明用等に用いることができる。

（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る電子部品収納用セラミックパッケージの上面側平面図、下面側平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同電子部品収納用セラミックパッケージの実装形態の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同電子部品収納用セラミックパッケージの他の実装形態の説明図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来の電子部品収納用セラミックパッケージの上面側平面図、下面側平面図、模式的断面図である。

符号の説明

１０：電子部品収納用セラミックパッケージ、１１：基体、１２：枠体、１３：キャビティ部、１４：電子部品接続用端子パッド、１５、１５ａ：第１の外部接続用端子パッド、１６：第２の外部接続用端子パッド、１７：導体ビア、１８：導体配線パターン、１９：キャスタレーション、２０：電子部品、２１：ボンディングワイヤ、２２：蓋体、２３：マザーボード、２４：配線パターン、２５：半田、２６：中継基板、２７：アンダーフィル材

Claims

略四角形状のセラミック多層基板からなる基体の上面側に電子部品と電気的に接続状態とするためのパターン形状からなる電子部品接続用端子パッドを有し、前記基体の下面側にマザーボード基板に半田で直接接合するための外部接続用端子パッドを有する電子部品収納用セラミックパッケージであって、
前記外部接続用端子パッドが前記電子部品接続用端子パッドと電気的に導通状態でありパターン形状がそれぞれ異なる複数の第１の外部接続用端子パッドと、電気的にいずれとも断線状態でありパターン形状が略同一の４個の第２の外部接続用端子パッドからなり、該第２の外部接続用端子パッドを前記基体の下面角部に有すると共に、前記基体の前記下面角部以外の下面十字部面積の７０％〜９５％に前記第１の外部接続用端子パッドを有することを特徴とする電子部品収納用セラミックパッケージ。
請求項１記載の電子部品収納用セラミックパッケージにおいて、前記外部接続用端子パッドと前記マザーボード基板の間に、それぞれが前記半田で接合される熱膨張係数が前記基体と前記マザーボード基板の間にある中継基板を有することを特徴とする電子部品収納用セラミックパッケージ。
請求項２記載の電子部品収納用セラミックパッケージにおいて、前記中継基板がフレキシブルなフィルム配線シートからなることを特徴とする電子部品収納用セラミックパッケージ。
請求項１〜３のいずれか一項記載の電子部品収納用セラミックパッケージにおいて、前記外部接続用端子パッドと前記マザーボード基板が前記半田で接合される前記基体の下面と、前記マザーボード基板の上面との間、又は前記中継基板を介してそれぞれが前記半田で接合されるそれぞれの間に充填されるアンダーフィル材を有することを特徴とする電子部品収納用セラミックパッケージ。