JP2008042512A - 電子部品用パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】 ベースまたはリッド部材とリッドまたはベース部材を気密封止した電子部品用パッケージにおいて、一方の部材に透明ガラス基板を用いたＧＴＭＳ構造とするものを提供する。
【解決手段】 電子部品用パッケージはベース部材１０とリッド部材２０からなり、ベース部材１０上に水晶片３０を搭載配置して構成される。ここで、ベース部材１０は、封着合金に４２アロイの金属フレーム１２と内部電極１４が接続した貫通導体を有するほう珪酸ガラス材のガラス基板１６からなり、水晶片３０を搭載位置にはガラス基板１６の略中央には窪み１８のスペース空間を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はガラス対金属封着構造（以下ＧＴＭＳと呼ぶ）を利用した電子部品用パッケージ、特に、半導体発光素子や水晶振動子などの素子部品をパッケージ内に実装してパッケージ外部からの監視やレーザトリミング等を可能にする小型・薄型化の素子保護用電子部品、あるいは電子デバイス実装用パッケージを構成する基板状ベースまたはリッド部材に関する。

一般に電子部品を気密封着したパッケージ内に実装する電子部品用パッケージは金属体と絶縁体のいずれかをベースおよびキャップ部材として構成される。たとえば、セラミックベースとこれに接合した金属キャップとを具備するパッケージとして、特許文献１乃至６が知られており、これらはメタライズ層、めっき層あるいはろう材を接合材に使用している。一方、特許文献７は、蓋とケースにガラスを用いたもので、一体形成の水晶振動子片の厚みより厚い外枠と、外枠上面の金属層を介して配置した蓋と、外枠下面の金属層を介して配置したスルーホールを有するケースを用いることを開示する。また、特許文献８は、絶縁基体との間の空間に圧電振動子片を気密に収容する蓋体とから成る圧電振動子用容器として凹状搭載部を形成し、透光性材料を用いた蓋体を透して容器内部に収容する圧電振動子片にレーザビームを照射して振動周波数を調整可能とすることを開示する。特許文献９は水晶振動子の周波数調整がベースに水晶振動子を組み込んだ後、水晶振動子の周波数を測定しながら、その励振電極を部分的に除去して周波数の粗調整を行い、ベースにキャップを接合した後、同様に周波数を測定しながら貫通孔を介して励振電極をイオンビームエッチングで微調整してパッケージを気密封着する方法を開示する。さらに特許文献１０は、このような周波数微調整に対して、パッケージのベース材を透過率の高いガラスで製造し、水晶振動子を銀ペーストで装着し、陽極接合によりキャップで密閉した水晶振動子用パッケージが提案され、パッケージ外部からのレーザビーム照射でパッケージ内部の水晶振動子の周波数調整を容易にすることを開示する。一方、水晶振動子用パッケージとしては、上述するセラミックベースと金属キャップやガラスベースとセラミックキャップのほかに、一般に気密端子として知られるＧＴＭＳ（ガラス対金属封着構造）のベース部材と円筒型金属キャップ部材との組み合わせ構造が知られている（特許文献１１参照）。
特開平１０−０４１４３１号公報 特開平１１−１２６８３７号公報 特開平１１−３０２０３４号公報 特開２０００−２２３６０６号公報 特開２０００−３４９１８１号公報 特開２００３−０４６０１２号公報 特開２０００−０６８７８０号公報 特開２０００−１０６５１５号公報 特開２００２−０７６８１５号公報 特開２００２−１２４８４５号公報 特開２００３−１５２１２９号公報

ところで、上述する特許文献１乃至１０に示されるセラミックやガラス材を用いたパッケージはガラス材料自体の強度が弱いため、機械的な衝撃がデバイスとしての特性を劣化させる恐れがある。また、ガラス材料を使用するために接合材料は、鉛含有の低融点ガラスや、高価で量産性が低い工法を採らざるを得なかった。すなわち、ガラス割れを回避することができないことや、ガラスと金属材料とを封止するのに鉛含有低融点ガラスを使用しなければならない等の問題が残されていた。また、特許文献１１に示されるＧＴＭＳ構造のベース部材を使用したパッケージでは小型化・低背化が困難であり、水晶振動子の周波数調整に外部からのレーザトリミングができなかった。

したがって、本発明の目的は、上記欠点を解消するために提案されたものであり、ガラスにレーザ光が透過可能な透明ガラス部分を設けてＧＴＭＳ処理したベースまたはリッド部材を一方の部材に用い、他方の部材に金属製のリッドまたはベース部材を使用してパッケージとする新規かつ改良された電子部品用パッケージの提供にある。本発明の目的を達成するために、例えば、水晶片を電子素子として搭載するガラス基板に金属フレームを溶着してなるＧＴＭＳのベース部材に、金属製のリッド部材を用いて接合封止するもので、接合にＡｕＳｎのＰｂフリー接合物質を用い、かつガラス基板は透明部位を設けたガラス材料に金属フレームを骨部として補強し、機械的強度の向上を図った電子部品用パッケージを開示する。

このようなパッケージの具体的サイズとして、３．２×１．５ｍｍあるいは１．５×０．８ｍｍで封止幅を０．１５程度とした小型・薄型化したパッケージを製造する。すなわち、単一の硬質ガラス材からなるガラス基板に、封着金属のフレームとリードをセットにして多数個同時的に埋設または植設溶着するＧＴＭＳ加工処理をし、所望する部位のガラス透明度を得るのに一括の研磨加工処理をして、量産性に優れた方法でパッケージを作製するものであり、新規かつ改良されたＧＴＭＳのベース部材を使用する電子部品用パッケージを提供する。すなわち、パッケージサイズが１．５×０．８ｍｍ程度の低背化・小型化電子部品に対する量産化を容易かつ安価に提供することを目的とする。

本発明によれば、所定部位を透明処理した硬質ガラス材のガラス基板とこのガラス基板の周辺部分に埋設融着した封着金属からなるフレームとを備えたベース部材またはリッド部材に、金属製のリッド部材またはベース部材を前記フレームと金属融解または接合材により接合封止した電子部品用パッケージを開示する。ガラス基板の硬質ガラスはほう珪酸ガラスが使用され、フレームの封着金属には４２アロイが使用されるのが好ましい。封着金属のフレームは軟化溶融状態に加熱した硬質ガラス材に自重または重しで圧入されてガラスに埋め込まれる状態で埋設したベースまたはリッド部材が一方の半片部品として使用され、他方の半片部品に金属製のリッドまたはベース部材が使用され、金属溶解または接合材の介在で封止されてパッケージを構成する。パッケージ内には所望する素子部品を実装して気密空間に収容しパッケージタイプ電子部品を完成する。具体的には、前記ベース部材として、硬質ガラスのガラス基板にＧＴＭＳ処理により４２アロイのフレームが周辺部分に埋設され、コバールのリードが貫通植設される。リードの内面側に素子部品を装着し、金属製のリッド部材がＰｂフリーのＡｕＳｎ合金を接合材としてベース部材に封止された電子部品用パッケージが開示される。また、ベース部材のガラス基板は所定部位にガラス材の溶融状態でプレス成形して形成された窪みを設けることや、所定部位は光の透過波長を抑制するコーティングが塗布されることが開示される。さらに、ベース部材のガラス基板、金属フレームまたはリードの表面に電極パッドまたは電気配線用パターニングが施されること、および前記パターンニングがめっき処理、またははんだ塗布により形成されることを開示する。

換言すると、本発明の電子部品用パッケージは、ガラス基板とフレームのＧＴＭＳの強固な端子構造を活かしたベースまたはリッド部材を用い、Ｐｂレス化の加工処理が容易な金属製のリッドまたはベース部材で封止すると共に、ガラス基板には透明部位を設けて実装する素子部品の監視やレーザトリミングをパッケージ外部から可能にする。一方、透明部位を有するガラス基板の作製においては、予め多数の個別部品を製作可能にした単一のほう珪酸ガラス板を用意し、これに４２アロイのフレームを埋設溶着し、ガラス板を貫通してコバールのリードを植設し、必要に応じて、パターニングで電極パッドや配線体が形成される。たとえば、電極パッドはＡｇエポキシ接着剤を介して素子部品である水晶片を固着する。ここで、ガラス基板はほう珪酸ガラスの硬質ガラスが使用され、標準的組成としては、ＳｉＯ_２＝６４％、Ａｌ_２Ｏ_３＝３％、Ｎａ_２Ｏ＝７％、Ｋ_２Ｏ＝６％、ＢａＯ＝３％、ＺｎＯ＝７％、Ｂ_２Ｏ_３＝８％が使用される。一方、フレームには標準的組成がＮｉ＝４２％、残りＦｅからなり、Ｃ＜０．０５％、Ｓｉ＜０．３０％、Ｍｎ＜０．８０％、Ｃｏ＜０．５０％、Ｐ＜０．０２５％、Ｓ＜０．０２５％の微量元素を含む４２アロイが使用される。なお、封着金属としてのコバールはＮｉ＝約２９％、Ｃｏ＝約１７％、残りＦｅからなる組成材が使用される。ベースまたはリッド部材の製作は単一のガラス板に同時に複数個のセグメントを一括して処理することで量産化対応を実現する。たとえば、複数個のフレームは互いに連結した状態で加熱溶融状態の単一ガラス板に自重か圧入またはプレスで埋め込み、金属対ガラス封着構造のＧＴＭＳ処理も同時に一括して実施する。同様に、貫通導体のリードも多数のリードを所定の位置に治具で配置し、これを加熱溶融状態にした単一ガラス板に押し込み、貫通させ植設する。このようにして、単一ガラス板に多数のベース部材を作製した後、切断により分離分割してガラス基板にＧＴＭＳ処理した金属フレームと金属リードを埋設した機械的強度の大きいベース部材が調達される。したがって、従来のガラスベースやガラスリッドを使用するパッケージに比べて機械的強度は格段に向上され、量産化も容易にして小型・薄型化や低背化を実現する電子部品用パッケージが提供される。

本発明の別の観点によれば、単一のほう珪酸ガラス板が用意され、これを加熱溶融して複数個が連通する金属フレームをある一定深さに埋め込んで骨格構造としてガラス材料強度を向上する。同様にして、加熱溶融したガラス板の所定位置に金属リードとなる導体が貫通して植設される。複数個の金属フレームと金属リードが埋設されたガラス板は所定部位を透明にしたり、窪みを形成したりする成形加工処理が施される。このような複数個のベース部材が作製された単一のガラス板は所定部位の透明化等のポリッシング後切断分割され個別のベース部材を得る。なお、ベース部材はその後の工程処理を経た後の完成品で分割することもできる。たとえば、ベース部材上に素子部品を実装し、リッド部材を金属フレームと金属融解または接合材の介在により接合封止してパッケージの空間内で収容した後の電子部品用パッケージで分割による個別化を実施することもできる。

本発明の電子部品用パッケージは、ガラス基板の一定深さに金属フレームを埋め込むことでガラス単体構造に骨部となる部分を補強構成するので材料強度の向上が図られる。また、ガラス基板に植設した封着金属のリードにより素子部品の実装を可能にして配線構造を簡素化して作業を容易にする。特に、封着金属のフレームが骨材として存在することにより低温度のはんだ封止が可能となり、鉛フリー化とガラス自体の強度を向上できる。すなわち、封着金属のフレームがガラス基板に埋め込まれ、これが相手方のリッドまたはベースの封止部となるために低温用ろう材のＡｕＳｎなどの材料が使用可能となり低温封止を可能にする。さらに、貫通リードは上下面での導通を容易にすると共に、パッケージのガラス基板を基板構造に利用するので、パッケージ内部を外部から観察監視可能とし、レーザ光を透過させて素子部品のトリミングが可能となり、素子部品に水晶片を使用した場合には水晶振動子の周波数微調整に利用できる。ここで、金属フレームを周辺部に有するガラス基板はＧＴＭＳ構造で補強されて機械的強度が高められ、ガラス材のクラックや損傷破損事故が減少し、実用上の不具合を発生させず、信頼性の向上に役立てられる。また、小型・薄型化とともに低背化が実現でき、量産化によるコスト低減にも役立つ。

本発明による実施の形態は、軟化・溶融状態にしたガラス板材に封着金属のフレームやリードを埋設または植設させ、ガラス材に骨格構造を付与して強度強化を図るベース部材であり、ガラスと金属の複合体である。すなわち、ベースまたはリッド部材はガラス基板の周辺部分に封着金属のフレームが埋め込まれたＧＴＭＳ構造からなり、ガラス基板、封着金属のフレームおよびリードにはそれぞれ次の組成を有する材料が選ばれて使用された。ガラス板材の標準的組成として、ＳｉＯ_２＝６４．２％、Ａｌ_２Ｏ_３＝３．０％、Ｎａ_２Ｏ＝７．２％、Ｋ_２Ｏ＝６．４％、ＢａＯ＝３．１％、ＺｎＯ＝７．１％、Ｂ_２Ｏ_３＝８．９％、封着金属のフレームに好適な４２アロイの標準的組成は、Ｎｉ＝４２％および残りＦｅであり、さらに別の封着金属としてはコバールがあり、その組成は、Ｎｉ＝約２９％、Ｃｏ＝約１７％および残りＦｅである。また、この基本構造のベースまたはリッド部材には、リードがガラス基板に植設され、ガラス基板の表裏両面にリード端面を露呈して電極部あるいは導出部に利用される。さらに、ガラス基板の所定部位は透明に研磨等のポリッシング処理が施されるほか、ガラス基板の一部分に窪みが形成され、ベース部材上に実装される素子部品との間に所定空隙を付与する。

一例として、封着金属のフレームおよびリードがＧＴＭＳ処理によりガラス材と一体封着され、ガラス基板の所定部位を透明化処理して作製されるもので、封着金属のフレームとリードおよび必要に応じてガラス基板の窪みを形成したベース部材となる。このベース部材には、金属板を所定形状に成型したリッド部材をＰｂレス化手法で接合封止してパッケージ化するものであって、このパッケージ空間内に素子部品を実装して電子部品用パッケージとなる。Ｐｂレス化手法の接合封止はＰｂフリーの接合材を介して封止する場合と、電子ビーム装置やシーム溶接装置を利用する金属融解により接合封止する場合とがある。また、パッケージの内部空間に実装する素子部品はベース部材のガラス基板を貫通するリードに接続の電極パッドなど金属メタライズを設けて電極部を形成し、これにＡｇエポキシ等の導電性接着剤を使用して配置する。ここで、所定部位の透明化は、レーザ光を透過するようにガラス基板をアニール加熱、エッチングおよび研磨処理等のいずれかまたはその組み合わせ工法で実施される。なお、ベース部材とリッド部材の封止構造は、ベース部材の金属フレーム面に金属製リッドの内面を重ね合わせて圧入封止する場合と、ベース部材の金属フレーム面に金属製リッドの下端部を重ね合わせて圧接封止する場合がある。具体的にＰｂフリー接合材の介在で接合封止する場合、ＡｕＳｎなどのＰｂフリー接合材が使用される。また、電子ビーム装置やシーム溶接装置を利用する金属融解接合によるＰｂレス化の接合封止も利用される。

一方、ベースまたはリッド部材の量産化を図るために、必要に応じ、多数のフレームを連結して単一のガラス板に一括ＧＴＭＳ処理をしたり、貫通導体となるリードを複数用意して同時に単一ガラス板に挿し込んで植設するなどの工法が適用される。さらに、ガラス基板の強度向上のために、必要に応じ、封着金属のフレームは金属板を長方形外周フレームとこの外周フレームの長辺側を橋絡するブリッジフレームとを設けてＧＴＭＳ処理のベースまたはリッド部材として補強され、分離分割して配置した強度的に満足されるパッケージを提供する。

ガラス板材と金属フレームおよび金属リードは加熱用組立治具を用いて所定の位置関係で組立配置され、加熱炉を通炉する。この通炉工程で加熱されたガラス板材は軟化・溶融して金属フレームや金属リードが自重、加圧または押し込みにより埋設または植設されＧＴＭＳ処理される。封着後、金属部材の不要部分およびガラス板材の余分な部分はエッチングまたは研磨して除去され、所定部位を透明化して所望形状・寸法に加工される。また、ガラス板材は個別化するガラス基板の所定部位を透明にするために加熱処理等を行う。次いで、封着金属のフレームやリードは露呈する金属表面がめっき処理されてパターニングされてベースまたはリッド部材が完成される。必要に応じて、ガラス基板の所定面にも金属メタライズ処理の電極部が形成されて素子部品の実装を可能にする。素子部品がベース部材上に実装後、ベースまたはリッド部材は金属板の板金加工で作製したリッドまたはベース部材と電子ビームまたはシーム溶接による金属溶解あるいは接合材の介在により接合封止され電子部品用パッケージが完成される。

以下、本発明に係る実施例について図面を参照しつつ詳述する。本発明の電子部品用パッケージは、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、ベース部材１０とリッド部材２０からなるパッケージであり、ベース部材１０上に水晶片３０の素子を搭載配置し水晶振動子電子部品を構成する。水晶片に代えて発光素子を使用すれば発光用電子部品となる。ベース部材１０は、ほぼ長方形の封着合金からなる金属、すなわち、４２アロイ金属のフレーム１２と内部電極１４が接続されたコバールのリード部材を有する耐熱性ほう珪酸ガラスのガラス基板１６からなり、ガラス基板１６の略中央には窪み１８によるスペース空間を形成して構成される。ベース部材の製造工程では、予め焼成治具に封着合金の４２アロイをウエハ状にした金属部材、線材を所定長に切断加工したリード部材および多数のベース部材を同時処理で一括処理を可能にする板状ガラス材を組み込んでガラスの軟化点を超える温度の加熱炉を通炉し、適度な重さの治具をガラス材の上に載せる。この状態で、金属部材は重しの重圧によりガラス材の所定深さに埋め込まれ、同様にコバール金属のリード部材が所定位置でガラス材に挿入され貫通して一体的に封着処理される。同時に、加熱され軟化溶融状態のガラス材に対して重し用型治具を用いてガラス材に凹部が形成される。このような加熱成形でガラス材に金属部材を一体封着した後、付着したカーボン材料は薬品を用いて除去し、再度ガラスを炉内に投入する。このようにしてガラス材の表面はエッチング、研磨あるいはアニール処理がなされ、不要な部材が除去され、所定部位を透明に処理してガラス基板１６とする。一方、ガラス材に貫通植設したリード部材は、その内面側に内部電極１４および、図１（ｂ）に示すように、外面側に外部電極１５とを設けるために、めっき処理と所定のパターニング処理が施される。このベース部材１０には、図１（ａ）に示すように、水晶片３０が内部電極１４に接合され窪み１８上に装着配置される。さらに、金属リッド２０は、周辺部分に埋め込まれた金属フレーム１２と溶接接合されて水晶振動子としての電子部品用パッケージが完成される。この製造工程において、水晶片３０を搭載したベース部材１０のフレーム１２には、金属リッド２０をＰｂフリー接合材であるＡｕＳｎ接合材を介在して重ね合わせ、加熱によりにより気密的に圧接封止される。封止は電子ビーム装置やシーム溶接装置を利用して金属融解によることも可能である。完成したパッケージはガラス基板１６の透明部位を利用して内部のスペース空間に実装した水晶片３０を外部から監視したり、レーザトリミングにより周波数調整したりすることを可能にする。また、ＶＣＳＥＬやＬＤなどの発光素子の場合は、各波長をもつ光が透過することを可能にする。

上述する実施例において、本発明の特徴とする部分を説明するために、ベース部材の平面および断面を異にする変形例を図２乃至図５に示す。図において、同一部分は同じ符号を用いて表し説明を省略する。図２はベース部材１０がガラス基板１６の周辺部分に金属フレーム１２をプレス成型加工により所定の深さに埋め込まれたものである。ここでは、金属フレーム１２の金属材とガラス基板１６のガラス材に関する材質および厚さの選択が重要であることが判明した。すなわち、ＧＴＭＳ構造に適する材質の選択であり、加工に対する反りの発生を生じさせないガラス対金属熱膨張率や両者の利用可能な実用的厚みの選定が重要であることが判明した。具体的には、金属材の封着合金は４２アロイが、ガラス材の耐熱ガラスはほう珪酸ガラスを使用することで反りのないＧＴＭＳ構造のベース部材を得ることができた。なお、別の変形例として、図３に示すベース部材はガラス基板１６に窪み１８を形成したものであり、これによりベース部材１０に実装する電子素子の装着と性能を安定にする。

図４に示す実施例は、パッケージ内からの信号導出リード手段として貫通リード部材１３を使用するベース部材を開示する。図示するように、一対の金属リード部材１３がガラス基板１６に貫通して植設される。この場合のリード部材１３はＧＴＭＳ構造でガラス基板１６と一体封着がなされる。この貫通リード部材１３は、図５に示すように、ベース部材の表裏面にパターニングにより金属パッドや配線を設ける。すなわち、信号導出リード電極部として透明なガラス基板１６の内外面に貫通導体１３と接続する金属メタライズ電極１９がリード部材１３の導出電極として設けられ、パッケージ内部の素子部品の実装にはこの金属メタライズ電極部１９を経由して行う。なお、外部電極にはんだボールと金属メタライズ電極部１９を併用することもできる。このような電子部品用パッケージの製造に使用するベース部材は、製作において単一のウエハ状ガラス材に複数個のベース部材を連結状態として諸工程の成形加工が同時処理され、最終工程でウエハ状ガラス材から連結部を切断して個別部品に分離分割する。例えば、単一ウエハ状ガラス材上に５００〜１０００個のパッケージ部品を一括して処理でき、実装素子のスペース間隔をほぼ５０μｍとし、金属フレームと貫通リード部材の間隔を０．１〜０．２ｍｍ程度としてパッケージ外形寸法を１．５ｍｍ×０．８ｍｍ程度にする。また、個別部品化の切断分離は最終工程より前の工程で行なっても良いのは勿論である。このようにして、封着金属からなるフレームとリード部材をガラス基板に一体封着するＧＴＭＳ組立工数を簡素化して作業の安定化を図り、大幅なコスト削減と製品精度の向上に寄与することができる。なお、本発明において、ベース部材とリッド部材はお互いに半片部品として利用するものであり、一方を本発明の特徴とする構造で作製した場合、他方は金属製として作製する。

本発明の実施例１を示す電子部品用パッケージの要部概要図であり、図１（ａ）はその分解斜視図、図１（ｂ）はベース部材の裏面の外部電極を示す斜視図である。 本発明の実施例２を示すパッケージ用ベース部材の概要の平面および断面図である。 図２の変形例を示すパッケージ用ベース部材の概要の平面および断面図である。 本発明の実施例３を示すパッケージ用ベース部材の概要の平面および断面図である。 図４の変形例を示すパッケージ用ベース部材の概要の平面および断面図である。

符号の説明

１０…ベース（またはリッド）部材、 １２…フレーム、 １３…リード部材、
１４…内部電極、 １５…外部電極、 １６…透明ガラス基板（ほう珪酸ガラス）、
１８…窪み、 １９…金属メタライズ電極、 ２０…リッド（またはベース）部材、
３０…水晶片。

Claims (6)

1. 所定部位を透明処理した硬質ガラス材のガラス基板とこのガラス基板の周辺部分にＧＴＭＳ処理した封着金属材のフレームとを備えたベースまたはリッド部材に、金属製リッドまたはベース部材を前記フレームに金属融解または接合材により接合封止した電子部品用パッケージ。
2. 前記ガラス基板に封着金属材のリードを貫通植設し、このリードのパッケージ内面側に素子部品を装着したことを特徴とする請求項１に記載の電子部品用パッケージ。
3. 前記ガラス基板は所定部位にブラスト、エッチング、または軟化ガラス状態でのプレスにより成形した窪みを設けたことを特徴とする請求項２に記載の電子部品用パッケージ。
4. 前記所定部位は光の透過波長を抑制するコーティングが塗布されたことを特徴とする請求項３に記載の電子部品用パッケージ。
5. 前記ガラス基板、フレームおよびリードのいずれかの表面に電極パッドまたは電気配線用パターニングを設けたことを特徴とする請求項２に記載の電子部品用パッケージ。
6. 前記パターンニングがめっき処理、または、ろう材もしくははんだ材塗布により設けたことを特徴とする請求項５に記載の電子部品用パッケージ。
   

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