JP2009038286A - 封止構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、構成簡易にして、設計自由度の向上を図り得、且つ、簡便にして容易に信頼性の高い高品質な封止接合を実現することにある。
【解決手段】基板１０の第１封止代１１の内周側に沿ってリング状の凹部２３を形成して、この第１封止代１１に対してキャップ１２の第２封止代１３をはんだ材１４を用いて封止接合することに構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばＭＥＭＳ（マイクロ エレクトロ メカニカル システム）デバイスや電子デバイス等の封止構造体に関する。

一般に、封止構造体を形成する技術としては、パッケージ箱の周縁上面に対して蓋部を、Ａｕ/Ｓｎソルダで溶着することで、気密封止する構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この封止構造体は、蓋部のＷメタライズ層上の中央部に溶解したＡｕ/Ｓｎソルダが内部に流れるのを防止するためのアルミナ絶縁体層が設けられる。そして、封止部を構成するＷメタライズ層上には、封着メッキ層が施されている。
実開平１−１６５６４９号公報（第１図）

しかしながら、上記封止構造体では、その構成上、Ａｕ/Ｓｎソルダの量の設定や、アルミナ絶縁体層の形状・寸法の設計を厳密に行わないと、Ａｕ/Ｓｎソルダを用いた溶着をソルダがパッケージ内に垂れるようなことなく実施することが困難となる虞があるため、その設計自由度が劣るという不都合を有する。また、これによると、蓋の内部にアルミナ絶縁体層が存在するため、スペース的に制約を受けるという不都合を有する。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、構成簡易にして、設計自由度の向上を図り得、且つ、簡便にして容易に信頼性の高い高品質な封止接合を実現し得るようにした封止構造体を提供することを目的とする。

この発明は、リング状の第１封止代を有し、この第１封止代の内周側に沿ってリング状の凹部が設けられた基板と、リング状の第２封止代が前記基板の第１封止代に対応して設けられ、この第２封止代が前記第１封止代と接合材を介して接合されて封止空間を形成する蓋部とを備えて封止構造体を構成した。

上記構成によれば、蓋部の第２封止代を基板上の第１封止代上に接合材を介在して被せて、接合材が溶解されると、相互間が溶解された接合材を介して封止接合されると共に、溶解した余分な接合材が、第１封止代と第２封止代との間なら流れ出して基板の凹部に流れ込み該凹部内に収容される。

従って、溶解された接合材が基板の凹部により塞き止められ、基板の他の部位に流れ込むのが阻止され、基板に配したデバイスに付着したり、基板電極パッド、電極接続用ワイヤに付着してショートしたりするのを効果的に防止することが可能となる。

また、これによれば、基板と蓋部との封止空間に対してスペース的な制約を及ぼすことがないため、その設計自由度の向上も実現することが可能となる。

以上述べたように、この発明によれば、構成簡易にして、設計自由度の向上を図り得、且つ、簡便にして容易に信頼性の高い高品質な封止接合を実現し得るようにした封止構造体を提供することができる。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態に係る封止構造体を示すもので、四辺形状の基板１０上には、四辺形をしたリング状の第１封止代１１が設けられる（図２参照）。そして、この基板１０上の第１封止代１１には、蓋部である、例えば有低筒状のキャップ１２に設けた第２封止代１３が、接合材、例えばはんだ材１４を用いて封止接合されている。はんだ材１４は、アウトガスの発生が比較的少なく、接合材として好ましい一例である。

このうちキャップ１２は、例えばコバールで形成され、その基板１０との接合する先端面に第２封止代１３が上記基板１０の第１封止代１１に対応して設けられている。これにより、キャップ１２は、その第２封止代１３が、はんだ材１４を用いて基板１０の第１封止代１１に接合されると、該基板１０と協働して高さ寸法Ｌを有した封止空間１５を形成する。この第２封止代１３は、例えばＮｉ膜、あるいはＮｉ膜上にＡｕ膜を形成した金属膜で形成されている。

他方、上記基板１０には、中央部にダイボンディング部１６が設けられ（図２参照）、このダイボンディング部１６には、ダイボンディング用金属膜１７が設けられている。そして、このダイボンディング用金属膜１７上には、加速度センサ等のデバイス１８が、接合材、例えばはんだ材１９を用いて接合されて実装される。このデバイス１８は、そのデバイス電極パッド１８１が上記基板１０に形成された基板電極パッド２０に電極接続用ワイヤ２１で電気的に接続されている。

なお、基板電極パッド２０は、基板１０に設けられた図示しない貫通配線に電気的に接続され、デバイス１８は、外界２２と電気的に接続されて電気的に入出力を行えるように構成されている。

また、上記基板１０には、上記第１封止代１１と基板電極パッド２０と間にある第１封止代１１の内側にリング状の凹部２３が形成されている。この第１の封止代１１は、例えばＮｉ膜、あるいはＮｉ膜上にＡｕ膜を形成したはんだ材に対してぬれ性の優れた金属膜で形成されている。これにより、はんだ材による良好な接合が得られる。

なお、上記基板１０は、例えば第１基板部材１０１と第２基板部材１０２と第３基板部材１０３とが接合されて、上記凹部２３が形成される。これら第１基板部材１０１と第２基板部材１０２と第３基板部材１０３とは、例えばセラミックを用いて公知のセラミックパッケージ製造技術で製造される。

上記凹部２３は、その深さ寸法および幅寸法を、第２基板部材１０２と第３基板部材１０３の板厚寸法および板形状寸法を可変設定することで、適宜に設定することが可能である。

上記構成において、上記基板１０は、キャップ１２の下に位置する状態で、相互間の接合が行われる。そして、基板１０の第１封止代１１とキャップ１２の第２封止代１３とのはんだ材１４を用いた接合時、溶解されたはんだ材１４が、例えば封止空間１５に流れ出た場合には、基板１０内の凹部２３に流れ込んで該凹部２３に収容される（該はんだ材１４の様子は図示せず：以下同様）。

これにより、溶解されたはんだ材１４が、基板１０に配したデバイス１８、基板電極パッド２０、電極接続用ワイヤ２１に付着することが効果的に防止され、高品質な封止接合を行うことが可能となる。この結果、基板１０上に配したデバイス１８、基板電極パッド２０、電極接続用ワイヤ２１のショートやデバイス１８の劣化を引き起こすことの防止が図れる。

このように、上記封止構造体は、基板１０の第１封止代１１の内周側に沿ってリング状の凹部２３を形成して、この第１封止代１１に対してキャップ１２の第２封止代１３をはんだ材１４を用いて封止接合するように構成した。

これによれば、キャップ１２の第２封止代１３を基板１０上の第１封止代１１にはんだ材１４を介在して被せて、はんだ材１４が溶解されると、相互間が溶解されたはんだ材１４を介して封止接合されると共に、溶解して流れ出したはんだ材１４が、第１封止代１１と第２封止代１３との間から流れ出して基板１０の凹部２３に流れ込み該凹部２３内に収容される。凹部２３はリング状に形成されているため、はんだ材１４の流出方向にかかわらず、確実に該凹部２３内にはんだ材１４を収容することが可能である。

これにより、溶解されたはんだ材１４が、必要としない部位に流れ出して、基板１０に配したデバイス１８、基板電極パッド２０、電極接続用ワイヤ２１に付着することのない高品質な封止接合を行うことが可能となる。この結果、基板１０上に配したデバイス１８、基板電極パッド２０、電極接続用ワイヤ２１のショートやデバイス１８の劣化防止を促進することができる。

ここで、上記はんだ材１４量の設定や、凹部の形状・寸法の設計は、溶解してはみ出したはんだ材１４が、入るだけの体積を有し、さらに表面張力で超えていかない幅を有していれば良く、当該設計を厳密に行う必要が比較的少ない。また、凹部２３は、封止空間１５にスペース上の制約を生じさせない。これにより、設計自由度を保ちつつ、高品質な封止接合を実現することができる。

また、上記はんだ材１４のはみ出しの原因としては、例えばデバイス１８のサイズが大きくなる、もしくは端子数が多くなる、または封止空間１５に複数のデバイス１８を入れるなどの理由で、封止空間のｘ−ｙ方向が大きくなる。その結果、基板１０のｚ方向へのそりも大きくなる場合がある。このような基板１０の「そり」に対する対策の１つとして、はんだ材１４を従来よりも十分に補充する対応策が考えられる。その際、はんだ材１４のはみ出しが発生する場合があることで、基板１０の第１封止代１１の内側に凹部２３を形成するだけで、大きな封止空間１５を有する封止構造体の製造を容易に行うことが可能となる。

なお、上記第１実施形態では、有低筒状のキャップ１２を用いて構成した場合で説明したが、これに限ることなく、その他、例えば図３に示すように基板１０として、第２基板部材１０２上に第４基板部材１０４を積重して配置して、この第４基板部材１０４上に上記第１封止代１１を形成し、基板１０の厚さ寸法を、上記基板より寸法Ｌ´だけ厚く形成する。そして、この基板の第４基板部材の第１封止代には、板状のキャップ１２ａを封止接合する。

キャップ１２ａには、上記リング状の第２封止代１３が第４基板部材１０４の第１封止代１１に対応して設けられ、この第２封止代１３には、上記基板１０の第４基板部材１０４上の第１封止代１１が接合材、例えばはんだ材１４を用いて封止接合して封止空間１５ａが形成される。このように封止空間１５ａは、デバイス１８の種類等に応じて適宜に設定することが可能である。

（第２実施形態）
図４は、この発明の第２実施形態に係る封止構造体を示すもので、上記第１実施形態よりさらに良好な効果が期待される。但し、図４においては、上記図１と同一部分については、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

即ち、第２実施形態では、上記基板１０のぬれ性の優れた金属膜で形成した第１封止代１１を基板面上から上記凹部２３の内壁に至る部位まで延伸させた延伸部１１ａを形成して構成した。これにより、基板１０の第１封止代１１とキャップ１２の第２封止代１３との間で溶解されたはんだ材１４は、延伸部１１ａに案内されて基板１０の凹部２３に導かれて確実に収容される。また、はみ出したはんだ材１４は、延伸部１１ａに接合され、いわゆるはんだボールの形成が防止される。この結果、さらにはんだボールによるショートなどの防止の促進を図ることが可能となる。

また、上記延伸部１１ａとしては、上記配置構成に限ることなく、その他、例えば図５乃至図７に示すように構成してもよく、同様に有効な効果が期待される。

図５においては、上記第１封止代１１から基板面上を経由して上記凹部２３の一方の内壁から底面までの間に延伸部１１ｂを形成し、図６においては、上記第１の封止代１１から基板面上を経由して上記凹部２３の一方の内壁間での間に延伸部１１ｃを形成し、図７においては、上記第１封止代１１から上記凹部２３間での間の基板１０上のみに延伸部１１ｄを形成して構成したものである。

（第３実施形態）
図８および図９は、この発明の第３実施形態を示すもので、図８は、基板を上面側から見た状態を示し、図９は、図８のＡ−Ａ断面で、図８の基板上にキャップを接合した状態を示す。但し、図８および図９においては、上記図１と同一部分については、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

即ち、この第３実施形態では、上記第１基板部材１０１上に積層されて相互間にリング状の凹部２３を形成する上記第２基板部材１０２と第３基板部材１０３とを、所定の間隔を有して配置された２つの接続部２４で連設して一体的に形成し、この接続部２４で上記リング状の凹部２３の経路を、２つに分断して配置するように構成した。

これにより、凹部２３の作用により基板１０上に配したデバイス１８、基板電極パッド２０、電極接続用ワイヤ２１のショートやデバイスの劣化を引き起こすことを確実に防止したうえで、基板１０を製造する際、第２基板部材１０２と第３基板部材１０３との位置関係が所望の位置関係になるように、第２基板部材１０２と第３基板部材１０３の位置合わせをしながら第１基板部材１０１と接合して凹部２３を形成する必要がなくなり、基板製造工程が軽減されて基板生産性の向上を図ることが可能となる。

詳しくは、第２基板部材１０２と第３基板部材１０３の接合の際の位置合わせ精度が保たれるので、位置合わせ公差を考慮しない設計が可能となることにより、設計自由度が向上する。また、第１基板部材１０１と第２基板部材１０２と第３基板部材１０３の接合工程において、位置合わせが軽減された分、工程が簡素化されることで、生産性が向上される。

また、例えば図１０および図１１に示すように接続部２４ａを上記凹部２３の中間部に設けるように構成しても良い。即ち、この接続部２４ａは、上記凹部２３の深さ寸法Ｈとすると、深さ寸法Ｈに比して浅い深さ寸法ｈを有した凹状に形成されて、上記凹部２３に対して段状に連設されて該凹部２３に連通されるように設けられる。

これにより、上述したように基板製造時における位置合わせ精度が保たれて、位置合わせ公差を考慮しない設計が可能となることにより、設計自由度の向上が図れると共に、凹部２３と接続部２４ａの双方に溶解したはんだ材１４の収容が可能となることで、はんだ収容量の向上が図れて、さらに良好な効果が期待される。また同時に、凹部２３と接続部２４ａの深さ寸法ｈを有した凹状に形成された部分とからなる部分は、リング状に形成されているため、はんだ材１４の流出方向にかかわらず、確実に該凹部２３内にはんだ材１４を収容することが可能となる。

なお、上記接続部２４，２４ａとしては、凹部２３に所定の間隔を有して２箇所、配するように構成した場合で説明したが、この配置数に限ることなく、構成可能である。そして、接続部２４，２４ａの形状としては、テーパー状に形成したり、その他、各種の形状に構成したり、接合部の幅Ｗを変更したりすることが可能である。

また、上記凹部２３の中間部に接続部２４と接続部２４ａの双方を混在させて構成することも可能で、同様に有効な効果が期待される。

（第４実施形態）
図１２は、この発明の第４実施形態を示すもので、上記図１と同一部分については、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。

即ち、この第４実施形態の封止構造体は、基板１０のダイボンディング部１６に可変形状鏡などのデバイス１８ａを搭載し、上記キャップ１２に光学窓として例えばガラス２５を配して、デバイス１８ａによる外界２２との光の授受を可能なデバイス構造に適用した。ガラス２５としては、例えばホウケイ酸ガラス、石英ガラス、サファイヤガラスなどを用いる。このガラス２５は、例えばキャップ１２の所望の位置に透孔１２１を形成して、この透孔１２１に図示しないろう材などを用いて取付けて配置される。このようにガラス２５を、キャップ１２の透孔１２１に対してろう材（図示せず）を用いて取付けるだけで、簡便にして容易に光学機能を有するデバイス１８ａにも対応することが可能となる。

また、この発明は、上記第１乃至第４実施形態に限定されるものでなく、その他、以下のような変形も構成可能である。

（１）デバイス１８，１８ａとしては、上記説明において、１個を用いて構成した場合について説明したが、その他、２個以上を封止空間１５に配するように構成するようにしても良い。

（２）封止空間１５，１５ａとしては、例えば基板１０上に複数のキャップ１２，１２ａを封止接合して複数個形成するようにしても良い。

（３）キャップ１２，１２ａとしては、コバールに限定されない。例えばアルミナやシリコンなどを用いて構成しても良い。

（４）基板１０としては、セラミックの他、例えばアルミナ、石英ガラスやホウケイ酸ガラスなどのガラスや、シリコンなどを用いて構成しても良い。

（５）凹部２３の形成の仕方は、その他、例えば、ある部材をエッチングや切削加工などで形成する、あるいはモールド加工などの手法で形成するように構成しても良い。

このような接合の方法以外の手法にあっても、例えば、切削加工の場合、接続部２４，２４ａに該当する部位の存在により切削加工する量が減り、その分廉価に製造することができるという作用効果がある。

また、ブラスト工法などで例えばメタルマスクを用いる場合は、メタルマスクの製造が接続部の存在でより容易になる作用効果がある。なぜならば、メタルマスクは、金属板に開口部を設けてなる。よって、仮に接続部２４，２４ａに0対応する金属板を残す部分がないと、凹部２３に対応する部分を開口したことにより、凹部２３の内側と外側に対応する金属板が、分離してしまう。しかし、接続部２４，２４ａがあると、凹部２３の内側と外側に対応する金属板同士を接続できることにより、メタルマスクの製造が接続部の存在でより容易になる。

（６）デバイス１８，１８ａとしては、加速度センサ、可変形状鏡に限定されない。光偏向器などのほかのＭＥＭＳデバイスや、固体撮像素子やフラッシュメモリなどの電子デバイスなどでも良い。光の授受、或いは受光、或いは光の放出を行うＭＥＭＳデバイスや電子デバイス、例えば、光偏向器や半導体レーザ、発光ダイオード、固体撮像素子、光センサなどの場合は、光学窓を有するキャップを用いることにより光学窓を通じて光を外界へ放出したり、逆に光を封止空間１５、１５ａ内のデバイス１８，１８ａに取り込むことができる。

（７）第１封止代１１は、上記説明では、四辺形で説明したが、その他、四角形以外の六角形などの多角形や、円、楕円などで構成するようにしても良い。

（８）凹部２３は、一つの第１封止代１１に対して１周に限定されるものでなく、２周以上配するように構成しても良い。この場合は、全周に渡っている凹部２３のみの構成、あるいは接続部２４，２４ａを含む凹部２３のみの構成、あるいはそれらが混在した構成、いずれでも良い。

（９）デバイス１８，１８ａとしては、基板１０にフリップチップ実装する構成のものでも良い。

（１０）例えばフリップチップ実装などの理由で電極接続用ワイヤがない封止構造においても適用可能である。

（１１）接合材は、はんだ材１４に限定されるものでなく、封止に関して求められる仕様に応じて適宜選択することが可能であり、例えば低融点ガラスや接着剤などでもよい。

よって、この発明は、上記各実施形態に限ることなく、その他、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々の変形を実施し得ることが可能である。さらに、上記各実施形態により種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

また、上記各実施形態を適宜組み合わせるようにしても良い。これにより、単独の場合に比べて更なる効果を期待できる。

この発明の第１実施形態に係る封止構造体の要部を示した断面図（図２におけるＡ−Ａ断面）である。 図１のキャップを外して基板を上面から見た状態を示した平面図である。 この発明の第１実施形態の変形例の要部を示した断面図である。 この発明の第２実施形態に係る封止構造体の要部を示した断面図である。 この発明の第２実施形態の変形例の要部を示した断面図である。 この発明の第２実施形態の他の変形例の要部を示した断面図である。 この発明の第２実施形態の他の変形例の要部を示した断面図である。 この発明の第３実施形態に係る封止構造体の基板を取出して上面側から見た状態を示した平面図である。 図８の基板上にキャップを封止接合してＡ−Ａを示した断面図である。 この発明の第３実施形態の変形例の要部を示した断面図である。 図１０のキャップを取外して基板を上面側から見た状態を示した平面図である。 この発明の第４実施形態に係る封止構造体の要部を示した断面図である。

符号の説明

１０…基板、１０１…第１基板部材、１０２…第２基板部材、１０３…第３基板部材、１０４…第４基板部材、１１…第１封止代、１１ａ，１ｂ，１１ｃ，１１ｄ…延伸部、１２，１２ａ…キャップ、１２１…透孔、１３…第２封止代、１４…はんだ材、１５,１５ａ…封止空間、１６…ダイボンディング部、１７…ダイボンディング用金属膜、１８，１８ａ…デバイス、１８１…デバイス電極パッド、１９…はんだ材、２０…基板電極パッド、２１…電極接続用ワイヤ、２２…外界、２３…凹部、２４，２４ａ…接続部、２５…ガラス。

Claims (7)

1. リング状の第１封止代を有し、この第１封止代の内周側に沿ってリング状の凹部が設けられた基板と、
   リング状の第２封止代が前記基板の第１封止代に対応して設けられ、この第２封止代が前記第１封止代と接合材を介して接合されて封止空間を形成する蓋部と、
   を具備することを特徴とする封止構造体。
2. 前記基板の凹部は、経路を断する接続部が設けられることを特徴とする請求項１記載の封止構造体。
3. 前記接続部は、前記凹部の深さ寸法より浅い凹状に形成されることを特徴とする請求項２記載の封止構造体。
4. 前記基板の第１封止代は、前記凹部方向に延伸された延伸部が設けられることを特徴とする請求１乃至３のいずれか記載の封止構造体。
5. 前記第１および第２封止代は、前記接合材に対してぬれ性を有した金属膜で形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の封止構造体。
6. 前記接合材は、はんだ材であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の封止構造体。
7. 前記蓋部には、光学窓が前記基板に対向して設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の封止構造体。

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