JP2011096827A - 素子収納用パッケージ、並びに実装構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れた素子収納用パッケージ、並びにその素子収納用パッケージを用いる実装構造体を提供すること。
【解決手段】素子収納用パッケージであって、上面に素子の実装領域を有する基板と、前記基板上であって前記実装領域の外周に沿って設けられ、一部に前記基板の上面が露出する貫通溝を有する枠体と、前記貫通溝に設けられ、露出する前記基板の上面と接するとともに、前記枠体の内外に延在される誘電体層と、前記誘電体層の上面に形成される信号線路と、前記誘電体層の下面に形成されるグランド層と、を有する入出力端子と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、素子収納用パッケージ、並びにその素子収納用パッケージを用いる実装構造体に関する。

従来から、誘電体層の一主面に信号線路を形成し、誘電体層の他主面にグランド層を形成した入出力端子を有する素子収納用パッケージが知られている（下記特許文献１参照）。

特開２００２−７６４９５号公報

ところで、マイクロ波、ミリ波等の高周波を信号線路に伝送させた場合、高周波に起因して信号線路が高温になることがある。そして、素子収納用パッケージ内部が高温になることによって、内部に実装される素子の電気特性が大きく変化する虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、放熱性に優れた素子収納用パッケージ、並びにその素子収納用パッケージを用いる実装構造体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様に係る素子収納用パッケージは、上面に素子の実装領域を有する基板と、前記基板上であって前記実装領域の外周に沿って設けられ、一部に前記基板の上面が露出する貫通溝を有する枠体と、前記貫通溝に設けられ、露出する前記基板の上面と接するとともに、前記枠体の内外に延在される誘電体層と、前記誘電体層の上面に形成される信号線路と、前記誘電体層の下面に形成されるグランド層と、を有する入出力端子と、を備えたことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様に係る実装構造体は、前記素子収納用パッケージと、前記素子収納用パッケージに実装する素子を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、放熱性に優れた素子収納用パッケージ、並びにその素子収納用パッケージを用いる実装構造体を提供することを目的とする。

本実施形態に係る実装構造体の概観斜視図である。 本実施形態に係る素子収納用パッケージに素子を実装した状態を示す概観斜視図である。 本実施形態に係る素子収納用パッケージの平面図である。 本実施形態に係る素子収納用パッケージの枠体の概観斜視図である。 本実施形態に係る素子収納用パッケージの入出力端子の概観斜視図であって、信号線路を一部透視したものである。 入出力端子と枠体との接合箇所を示す平面図である。 一変形例に係る入出力端子と枠体との接合箇所を示す平面図である。 一変形例に係る入出力端子と枠体との接合箇所を示す平面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる素子収納用パッケージ、並びにその素子収納用パッケージを用いる実装構造体の実施形態を詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されないものとする。

＜実装構造体の概略構成＞
図１は、本実施形態に係る実装構造体１を示す概観斜視図である。図２は、本実施形態に係る素子収納用パッケージ２の概観斜視図である。実装構造体１は、テレビ等の家電機器、携帯電話又はコンピュータ機器等の電子機器に用いるものである。特に、マイクロ波、ミリ波等の高周波で用いられる電子機器の高周波回路に用いられる。

素子収納用パッケージ２は、例えば、半導体素子、光半導体素子、トランジスタ、ダイオード又はサイリスタ等の能動素子、或いは抵抗器、コンデンサ、太陽電池、圧電素子、水晶振動子又はセラミック発振子等の受動素子からなる素子３を実装するのに用いるものである。なお、素子収納用パッケージ２に素子３を実装したものを実装構造体１とする。

素子収納用パッケージ２は、上面に素子３の実装領域Ｒを有する基板４と、基板４上であって実装領域Ｒの外周に沿って設けられ、一部に貫通溝Ｄを有する枠体５と、貫通溝Ｄに設けられ、枠体５内外を電気的に接続する入出力端子６とを備えている。

基板４は、平面視したとき四角形状に形成された部材である。基板４は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金、或いはこれらの複合材料から成る。基板４は、熱伝導率を良好にして、実装領域Ｒに実装した素子３から発生する熱を効率良く基板４を介して外部に放散させる機能を備えている。なお、基板４の熱伝導率は、例えば、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、基板４のヤング率は、例えば、１００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下に設定されている。

また、基板４は、溶融した金属材料を型枠に鋳込んで固化させたインゴットに対して、従来周知の圧延加工又は打ち抜き加工等の金属加工法を用いることで、例えば板状等の所定形状に製作される。なお、基板４の一辺の長さは、例えば、３ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、基板４の厚みは、例えば、０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

また、基板４の表面は、酸化腐食の防止、又は実装領域Ｒに素子３をろう付けしやすくするために、電気めっき法又は無電解めっき法を用いて、ニッケル又は金等の鍍金層が形成されている。基板４の実装領域Ｒは、基板４の上面に枠体５を接続したときに、枠体５と接続されない領域である。なお、本実施形態では、基板４の形状を四角形状としているが、素子を実装することが可能であれば、四角形状に限られず、多角形状又は楕円形状等であってもよい。

図４は、基板２上に設けた枠体５の概観斜視図である。枠体５は、図４に示すように、基板４の実装領域Ｒの外周に沿って接続され、実装領域Ｒに実装する素子を外部から保護するための部材である。また、枠体５は、側面の一部に入出力端子６を設ける貫通溝Ｄが形成されている。枠体５は、ろう材等の接着剤ｇ１を介して基板４にろう付けされる。なお、ろう材は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム又はマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウム又は燐等の添加物を含有させてもよい。

ここで、接着剤ｇ１のヤング率は、基板２のヤング率又は枠体５のヤング率よりも小さくなるように、接着剤ｇ１の材料が選択される。入出力端子６は、マイクロ波、ミリ波等の高周波を信号線路に伝送させた場合、高周波に起因して信号線路が高温になることがある。そして、入出力端子６の熱に起因して、基板２又は枠体５が熱膨張を起こそうとする。そこで、接着剤ｇ１のヤング率を、基板２又は枠体５のヤング率よりも小さくすることで、基板２又は枠体５の熱変形による応力を接着剤ｇ１が変形することにより、基板２又は枠体５から受ける応力を緩和することができる。その結果、基板２又は枠体５から入出力端子６に加わる応力を低減することができ、入出力端子６にクラックが発生するのを抑制することができる。なお、接着剤ｇ１のヤング率は、例えば、５０ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下に設定されている。

また、枠体５は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金、或いはこれらの複合材料から成る。枠体５は、実装領域Ｒに素子３が実装されている状態で、素子３から発生する熱を効率良く枠体５の外部に発散させる機能を備えている。なお、枠体５の熱伝導率は、例えば、１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に設定されている。また、枠体５のヤング率は、例えば、１００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下に設定されている。

平面視したときの枠体５の一辺の長さは、例えば、３ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、平面視したときの枠体５の内側から外側までの厚み幅は、例えば、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。さらに、枠体５の上下方向の厚みは、例えば、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。

貫通溝Ｄは、枠体５の対向する面には、それぞれ貫通溝Ｄが設けられている。貫通溝Ｄは、枠体５の一部を分断するように枠体５の下端から上端にかけて形成されている。そして、基板２上に枠体５を設けた状態で、枠体５の貫通溝Ｄが設けられている箇所は、基板２の上面の一部を露出する。

貫通溝Ｄは、上下方向の大きさは、例えば、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。貫通溝Ｄは、幅方向の大きさは、例えば、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。貫通溝Ｄは、枠体５の内側から外側までの厚みの大きさは、例えば、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。

図５は、入出力端子６の概観斜視図である。

貫通溝Ｄに設けられる入出力端子６は、枠体５の内外に延在される誘電体層７と、誘電体層７の上面に形成される信号線路８と、誘電体層７の下面に形成されるグランド層９と、誘電体層７上に信号線路８上を横切るように形成される絶縁体層１０と、が含まれる。ここでは、信号線路８とグランド層９がペアで、高周波伝送線路として機能する。

信号線路８は、所定の電気信号を伝達する機能を備えている。信号線路８は、例えば、マイクロストリップ線路又はコプレーナ線路として用いる。信号線路８は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル又はクロム等の金属材料からなる。信号線路８の線路幅は、信号線路８に伝わる信号の波長の４分の１以下であって、例えば、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に設定されている。

信号線路８には、例えばろう材を介して、外部と接続するためのリード端子が形成される。なお、リード端子は、外部の電子機器等と素子３とを電気的に接続するための部材である。

また、グランド層９は、誘電体層７の下面に形成されている。グランド層９は、共通の電位、例えばアース電位にする機能を備えている。また、グランド層９は、例えば、銅、銀、金、アルミニウム、ニッケル又はクロム等の金属材料からなる。グランド層９は、平面視して信号線路８と重なる領域に形成されている。基板４は、金属材料からなり、グランド層９と基板４とは電気的に接続されている。

誘電体層７及び絶縁体層１０は、絶縁性の基板であって、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は窒化珪素等の無機材料、或いはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はエチレン樹脂等の有機材料、或いはアルミナ又はムライト等のセラミック材料、或いはガラスセラミック材料等から成る。または、これらの材料のうち複数の材料を混合した複合系材料から成る。なお、誘電体層７及び絶縁体層１０の厚みは、信号線路８に伝わる信号の波長の２分の１以下であって、例えば、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下に設定されている。

また、誘電体層７又は絶縁体層１０には、多数のフィラーが含有されていても構わない。誘電体層７又は絶縁体層１０が有機材料からなる場合、誘電体層７又は絶縁体層１０にフィラーが含有されていることによって、誘電体層７又は絶縁体層１０の硬化前の粘度を調整することができ、誘電体層７又は絶縁体層１０の厚み寸法を所望の値に近づけることができる。フィラーは、球状であって、フィラーの径は、例えば、０．０５μｍ以上６μｍ以下に設定されており、熱膨張率は、例えば−５ｐｐｍ／℃以上５ｐｐｍ／℃以下である。なお、フィラーは、例えば、酸化珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム又は水酸化アルミニウム等から成る。

また、誘電体層７又は絶縁体層１０に含有されるフィラーの比誘電率は、誘電体層７又は絶縁体層１０を構成する材料の比誘電率よりも小さく設定することができる。このように、誘電体層７又は絶縁体層１０の比誘電率よりも小さい低誘電率のフィラーとすることで、誘電体層６全体を更に低誘電率化することができ、信号線路８に伝送される信号の伝送効率を向上させることができる。

また、フィラーは、絶縁性のフィラーとすることができる。フィラーを絶縁性とすることで、信号線路８に伝わる信号の特性インピーダンスへの影響を低減することができる。

絶縁体層１０は、誘電体層７上であって信号線路８上を横切って設けられる。入出力端子６を貫通溝Ｄに設けた状態において、平面視した絶縁体層１０の枠体内側から枠体外側に向かった長さは、平面視したときの枠体５の枠体内側から枠体外側までの厚み幅よりも大きく設定されている。

また、入出力端子６の上面の高さ位置は、枠体５の上面の高さ位置よりも高く設定されている。入出力端子６の上面の高さ位置が、枠体５の上面の高さ位置よりも高いことで、枠体５から入出力端子６に加わる応力を、入出力端子６の側面全体で受けることができる。その結果、入出力端子６は、枠体５から受ける応力を分散させることができ、入出力端子６にクラックが発生するのを抑制することができる。なお、入出力端子６は、グランド層９の下面から絶縁体層１０の上面までの長さが、例えば、１ｍｍ以上２０ｍｍ以下に設定されている。

枠体５上には、ろう材等の接着剤ｇ２を介してシールリング１１がろう付けされる。なお、ろう材は、例えば、銀、銅、金、アルミニウム又はマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウム又は燐等の添加物を含有させてもよい。

ここで、接着剤ｇ２のヤング率は、枠体５のヤング率よりも小さくなるように、接着剤ｇ２の材料が選択される。接着剤ｇ２のヤング率を、枠体５のヤング率よりも小さくすることで、枠体５の熱変形による応力を接着剤ｇ２が変形することにより、枠体５から受ける応力を緩和することができる。その結果、枠体５から入出力端子６に加わる応力を低減することができ、入出力端子６にクラックが発生するのを抑制することができる。なお、接着剤ｇ２のヤング率は、例えば、５０ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下に設定されている。

シールリング１１は、平面視したとき、基板２上に設けた枠体５及び入出力端子６と重なる枠状部材である。シールリング１１は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の熱伝導性の優れた緩衝材料からなる。

また、シールリング１１上には、蓋体１２が設けられる。蓋体１２は、実装領域Ｒに素子３が実装された状態で、シールリング１１上に設けられる。蓋体１２は、基板２と枠体５とで囲まれる空間を封止する機能を備えている。蓋体１２は、例えばろう材を介して枠体５上にろう付けされる。なお、蓋体１２は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケル又はコバルト等の金属材料、或いはこれらの金属材料を含有する合金から成る。

図６は、入出力端子６と枠体５との接合箇所を示す平面図である。

入出力端子６を挟んで対向する枠体５の一対の端部５ａは、枠体５の外側に向かって湾曲している。入出力端子６と接続される枠体５の端部５ａが、平面視して湾曲することで、枠体５が熱膨張を起こしても、入出力端子６と接する端部５ａが湾曲している方向に適度に変形し、端部５ａから入出力端子６に伝わる応力を緩和することができる。その結果、入出力端子６の両側面に応力集中が発生するのを抑制することができる。なお、枠体５の端部５ａは、図７に示すように、枠体５の内側に向かって湾曲していてもよい。また、枠体５の一対の端部５ａは、図８に示すように、一方が枠体５の内側に向かって湾曲するとともに、他方が枠体５の外側に向かって湾曲していてもよい。

また、枠体５の一対の端部５ａと入出力端子６との間には、ろう材フィレット１３が形成されている。両者の間にろう材フィレット１３が形成されることで、入出力端子６が枠体５に接合される面積を拡大できるという作用を奏し、枠体５と入出力端子６の接合力を向上させることができ、しいてはパッケージ内部の気密封止性を良好に維持することができる。

枠体５の外側面であって、平面視した枠体５の角部Ｃは、曲面に形成されている。枠体５の角部Ｃが曲面となることで、枠体５が熱に起因して熱膨張を起こしても、枠体５の角部Ｃにて入出力端子６の側面から反発される応力を吸収緩和することができる。その結果、枠体５の角部Ｃにクラックが発生するのを抑制することができる。さらに、入出力端子６にクラックが発生するのを抑制することができる。

素子収納用パッケージ２に、素子３を半田等のバンプを介してフリップチップ実装することで、実装構造体１を構成することができる。ＩＣ又はＬＳＩ等の半導体素子を実装する場合、半導体素子としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム又は炭化珪素等を用いることができる。

本実施形態によれば、枠体５内は、入出力端子６の信号線路８から発生する熱に起因して、枠体５外に比べて高温になりやすい。そのため、信号線路８の温度が上昇して、信号線路８の電気抵抗が大きくなり、入出力端子６の消費電力が大きくなろうとするが、入出力端子６の熱を、入出力端子６と直接接続される熱伝導性の優れた基板２に伝達することで、入出力端子６の消費電力を抑制することができる。さらに、入出力端子６の温度が高温になるのを抑制することで、枠体５内の素子３の温度が上昇して、素子３の電気特性が変化するのを抑制することができ、素子３の電気的特性を良好に維持することができる。

本実施形態によれば、入出力端子６の温度が高温になるのを抑制することができ、放熱性に優れた素子収納用パッケージ、並びにその素子収納用パッケージを用いる実装構造体を提供することができる。

本発明は上述の実施の形態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において種々の変更、改良等が可能である。

＜実装構造体の製造方法＞
ここで、図１に示す実装構造体１及び素子収納用パッケージ２の製造方法を説明する。

まず、基板４、枠体５のそれぞれを準備する。基板４、枠体５のそれぞれは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んだ固化させたインゴットに対して、金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。

ここで、枠体５の型枠は、貫通溝Ｄが設けられる形状に製作するとともに、型枠から取り出す枠体５の端部が、平面視して湾曲するように予め設定しておく。

次に、入出力端子６を準備する。ここでは、誘電体層７及び絶縁体層１０の材料が、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体又はムライト質焼結体等の場合の、入出力端子６の作製方法について説明する。

具体的には、誘電体層７及び絶縁体層１０の材料が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、先ず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム及び酸化カルシウム等の原料粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して泥漿状と成す。

次に、誘電体層７及び絶縁体層１０の型枠を準備する。そして、型枠内に、泥漿状の酸化アルミニウム質の材料を充填し、焼結前の誘電体層７及び絶縁体層１０を取り出す。

また、タングステン又はモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤又は溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。

そして、取り出した前駆体の誘電体層７及び絶縁体層１０のそれぞれに対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、所定箇所に信号線路８及びグランド層９となる金属ペーストを塗る。

次に、前駆体の誘電体層７上に前駆体の絶縁体層１０を載せて加圧させることで、両者密着させる。そして、約１６００℃の温度で焼成することにより、セラミックからなる入出力端子６を作製することができる。

そして、準備した枠体５の貫通溝Ｄに、入出力端子６をろう材を介して嵌めて接続する。このようにして、素子収納用パッケージ２を作製することができる。

次に、素子収納用パッケージ２に半田を介して素子３を実装し、枠体５上にシールリング１１を介して蓋体１２を設けることで、実装構造体１を作製することができる。

１ 実装構造体
２ 素子収納用パッケージ
３ 素子
４ 基板
５ 枠体
５ａ 端部
６ 入出力端子
７ 誘電体層
８ 信号線路
９ グランド層
１０ 絶縁体層
１１ シールリング
１２ 蓋体
１３ ろう材フィレット
Ｒ 実装領域
Ｄ 貫通溝
ｇ１，ｇ２ 接着剤
Ｃ 角部

Claims (5)

1. 上面に素子の実装領域を有する基板と、
   前記基板上であって前記実装領域の外周に沿って設けられ、一部に前記基板の上面が露出する貫通溝を有する枠体と、
   前記貫通溝に設けられ、露出する前記基板の上面と接するとともに、前記枠体の内外に延在される誘電体層と、前記誘電体層の上面に形成される信号線路と、前記誘電体層の下面に形成されるグランド層と、を有する入出力端子と、
   を備えたことを特徴とする素子収納用パッケージ。
2. 請求項１に記載の素子収納用パッケージであって、
   前記入出力端子を挟んで対向する前記枠体の一対の端部は、前記枠体の内側又は外側に向かって湾曲していることを特徴とする素子収納用パッケージ。
3. 請求項２に記載の素子収納用パッケージであって、
   前記枠体の一対の端部は、一方が前記枠体の内側に向かって湾曲するとともに、他方が前記枠体の外側に向かって湾曲することを特徴とする素子収納用パッケージ。
4. 請求項２又は請求項３に記載の素子収納用パッケージであって、
   前記枠体の一対の端部と前記入出力端子との間には、ろう材フィレットが形成されることを特徴とする素子収納用パッケージ。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の素子収納用パッケージと、
   前記素子収納用パッケージに実装する素子を備えたことを特徴とする実装構造体。
   
   
   

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