JP2011249660A

JP2011249660A - 電子部品

Info

Publication number: JP2011249660A
Application number: JP2010122944A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Nagai; 直行長井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-08

Abstract

【課題】封止空間内の真空度の低下しにくい電子部品を提供する。
【解決手段】上面に凹部１ａを有する絶縁基体１の凹部１ａの底面に金属層３ａが形成されるとともに凹部１ａ内から外面にかけて配線導体５が形成された配線基板と、配線導体５に電気的に接続されているとともに、金属層３ａに低融点ろう合金３ｃで接合されて、凹部１ａ内に搭載された電子部品素子と、外周が配線基板の上面に接合されて電子部品素子を気密封止している平板状の蓋体８とを備えた電子部品であって、金属層３ａは、平面視で電子部品素子の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部３ｂを有し、非形成部３ｂの一部が封止空間に露出した電子部品である。低融点ろう合金のボイドが少なく、ボイドから放出される気体の量が少ないので、真空度の低下を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品素子を配線基板内に真空封止した電子部品に関するものである。

従来、加速度センサ素子、赤外線センサ素子、ジャイロセンサ素子および水晶振動子のような電子部品素子が内部に封止された電子部品においては、上記の電子部品素子の特性を高めるため、電子部品の封止空間内に存在する気体分子の量を少なくすることが求められている。

例えば、赤外線センサ素子が配線基板の内部に封止された赤外線センサにおいては、赤外線センサ素子は、測定対象物から発せられる赤外線の熱エネルギーを受光部でとらえ、温度変化を電気信号に変換して出力する電子部品素子であり、高い分解能を得るためには、受光部へ入射した赤外線エネルギーの拡散による損失を低下させるため、素子構造を断熱構造としたり、電子部品素子を収納する配線基板中の雰囲気を真空としたりすることで熱伝導率を抑制している。一般的に熱伝導率の抑制は、封止空間の内部の圧力を低くし、真空度を１０^-1Ｐａ程度以下にすることが知られている。

また、封止空間内の気体分子の量を少なくして、真空度を保つ方法として、封止空間内にゲッター材を配置して、封止空間内に存在する気体分子をゲッター材で吸着する方法が知られている（特許文献１を参照。）。

特開2007−251239号公報

しかしながら、電子部品素子が封止空間内に封止された後、使用部材の再溶融や経時変化によって内部の構成部材からガスが発生する場合がある。発生したガスが多い場合は、ゲッターで吸着可能な量を超えて、内部の真空度が低下する。

例えば、従来の電子部品の封止空間内の電子部品素子は、ＡｕＳｎ等の低融点ろう合金で取り付けられており、この低融点ろう合金内に多数のボイドが含まれている。これらの電子部品素子の取り付け用の低融点ろう合金が、配線基板を蓋体で封止する際の加熱によって再び溶融したり、経時変化によって低融点ろう合金が破損して、ろう合金のボイド内に含まれていた気体分子が封止空間中に放出されることで、真空度を著しく低下させてしまうことがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、封止空間内の真空度の低下しにくい電子部品を提供することを目的とする。

本発明の電子部品は、上面に金属層および配線導体を有する配線基板と、前記配線導体に電気的に接続されているとともに、前記金属層に低融点ろう合金で接合されている電子部品素子と、外周が配線基板に接合されて前記電子部品素子を気密封止している蓋体とを備えた電子部品であって、前記金属層は、平面視で前記電子部品素子の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部を有し、該非形成部の一部が封止空間に露出してい
ることを特徴とするものである。

本発明の電子部品によれば、金属層は、平面視で電子部品素子の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部を有し、非形成部の一部が封止空間に露出していることから、金属層の非形成部には低融点ろう合金が被着されないので、非形成部に沿って低融点ろう合金の無いトンネル状の部分が形成されている。トンネル状の部分から気体を逃がすことができるので、電子部品素子を配線基板に接合するときに、低融点ろう合金に気体が取り込まれにくい。また、低融点ろう合金の露出している面積が、従来よりも大きいので、電子部品素子を配線基板に接合するときに取り込んだ気体を、低融点ろう合金が硬化する前に排出しやすい。従って、低融点ろう合金に含まれるボイドが従来に比べて少なく、封止するときに再溶融してもボイドから放出される気体の量が少ないので、真空度が低下することを低減することができる。

（ａ）は、本発明の電子部品の平面透視図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す断面図である。（ａ）は、図１に示す電子部品の蓋体を除いた状態での平面図であり、（ｂ）は（ａ）の電子部品素子を除いた状態での平面図である。（ａ）は、本発明の電子部品の蓋体を除いた状態での実施の形態の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の電子部品素子を除いた状態での平面図である。

本発明の電子部品について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図１〜図３において、１は絶縁基体、１ａは凹部、１ｂは段差部、２は赤外線センサ素子、２ａは受光部、３ａは金属層、３ｂは非形成部、３ｃは低融点ろう合金、４は接続部材、５は配線導体、６は外部端子、７はゲッター材、７ａは貫通孔、８は蓋体、９は接合材である。なお、図２および図３は平面図であるが、配線導体５および金属層３aには、認識しやすいよう
にハッチングを設けている。

本発明の電子部品は、図１〜図３にそれぞれ断面図または平面図で示す例のように、上面に凹部１ａを有する絶縁基体１の凹部１ａの底面に金属層３ａが形成されるとともに凹部１ａ内から外面にかけて配線導体５が形成された配線基板と、配線導体５に電気的に接続されているとともに、金属層３ａに低融点ろう合金３ｃで接合されて、凹部１ａ内に搭載された電子部品素子と、外周が配線基板の上面に接合されて電子部品素子を気密封止している平板状の蓋体８とを備えた電子部品であって、金属層３ａは、平面視で電子部品素子の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部３ｂを有し、非形成部３ｂの一部が封止空間に露出している。また、配線基板の側面および下面の少なくとも一方に外部端子６が形成されており、外部端子６は、配線基板の表面に導出された配線導体５と接続されている。なお、図１に示す例の電子部品は、凹部１ａの底面に電子部品素子として、上面に受光部２ａを有する赤外線センサ素子２が実装された赤外線センサである。

このような本発明の電子部品によれば、金属層３ａは、平面視で電子部品素子である赤外線センサ素子２の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部３ｂを有し、非形成部３ｂの一部が封止空間に露出していることから、金属層３ａの非形成部３ｂには低融点ろう合金３ｃが被着されないので、非形成部３ｂに沿って低融点ろう合金３ｃの無いトンネル状の部分が形成されている。トンネル状の部分から気体を逃がすことができるので、電子部品素子２を配線基板に接合するときに、低融点ろう合金３ｃに気体が取り込まれにくい。また、低融点ろう合金３ｃの露出している面積が従来よりも大きいので、電子部品素子２を配線基板に接合するときに取り込んだ気体を、低融点ろう合金３ｃが硬化
する前に排出しやすい。従って、低融点ろう合金３ｃに含まれるボイドが従来に比べて少なく、封止するときに再溶融したときにボイドから放出される気体の量が少ないので、真空度が低下することを低減することができる。

配線基板は、例えば、セラミックスからなる絶縁基体１の表面や内部に外部端子６や配線導体５が形成されたものである。また、絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体（アルミナセラミックス），窒化アルミニウム質焼結体，ムライト質焼結体もしくはガラスセラミックス質焼結体等のセラミックスから成るものである。

絶縁基体１が、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる場合には、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），シリカ（ＳｉＯ_２），カルシア（ＣａＯ），マグネシア（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤および溶媒等を添加混合して泥漿状となすとともに、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してシート状に成形してセラミックグリーンシートを得た後、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必要に応じて複数枚積層して積層体とし、これを高温（約1500〜1800℃）で焼成することによって製作される。

段差部１ｂは、図１（ａ）に平面図で示す例のように、平面視で、絶縁基体１の凹部１ａの側壁と赤外線センサ素子２との間に、赤外線センサ素子２を挟む位置に、凹部１ａの開口に沿って全周に、凹部１ａの底面よりも高い段差面を有するように形成されている。また、段差部１ｂは、絶縁基体１の凹部１ａの側壁と赤外線センサ素子２との間に、赤外線センサ素子２を挟む位置に対向するように形成されていてもよい。

外部端子６および配線導体５は、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），銀（Ａｇ）または銅（Ｃｕ）等の金属粉末メタライズから成り、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに外部端子６および配線導体５用の導体ペーストをスクリーン印刷法等によって所定形状に印刷して、絶縁基体１用のセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって、絶縁基体１の所定位置に形成される。配線導体５のうち、セラミックグリーンシートを厚み方向に貫通する貫通導体は、導体ペーストを印刷することによってセラミックグリーンシートに形成した貫通孔を充填しておけばよい。なお、図１〜図３に示す例では、絶縁基体１の凹部１ａ内に段差部１ｂを形成して、段差部１ｂの上側の面に露出するように配線導体５を形成している。

このような導体ペーストは、上記金属粉末に適当な有機溶剤および有機バインダーを加え、必要に応じて分散剤等を加えてボールミル，三本ロールミル，プラネタリーミキサー等の混練手段によって混合および混練することで適度な粘度に調整して作製する。また、セラミックグリーンシートの焼結挙動に合わせたり、焼成後の絶縁基体１との接合強度を高めたりするためにガラスやセラミックスの粉末を添加してもよい。貫通導体用の導体ペーストは、有機バインダーや有機溶剤の種類や添加量によって、配線導体層用の導体ペーストよりも充填に適した高い粘度に調整される。

外部端子６および配線導体５の露出する表面には、電解めっき法や無電解めっき法等のめっき法によって、めっき層が被着される。めっき層は、ニッケルおよび金等の耐蝕性や接続部材４等との接続性に優れる金属からなるものであり、例えば、厚さ１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚さ0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着される。これによ
って、外部端子６および配線導体５が腐食することを効果的に抑制することができるとともに、接続部材４との接合および外部端子６と外部電気回路基板の配線との接続を強固にすることができる。

また、金属層３ａは、図１〜図３に示す例のように、配線基板の凹部１ａの底面に、平
面視で赤外線センサ素子２の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部３ｂを有し、非形成部３ｂの一部が封止空間に露出して、外形が四角形状に形成されている。また、金属層３ａは、外部端子６および配線導体５と同様の材料を用いて、同様の方法で形成する。なお、金属層３ａは、例えば、図２および図３に示すような金属層３ａとなるように、スクリーン印刷用のパターンを用いてスクリーン印刷することによって印刷しておけばよい。

金属層３ａは、図１および図２に示す例のように、非形成部３ｂが、平面視で縞状となるように形成されており、縞状の非形成部３ｂのそれぞれの少なくとも一方端部が赤外線センサ素子２の外縁よりも外側に位置して封止空間内に露出されていればよい。また、図２（ａ）に示す例のように、縞状の非形成部３ｂのそれぞれの両端部（上端部および下端部）が、赤外線センサ素子２の外縁よりも外側に位置して封止空間内に露出されていれば、気体をより排出しやすいので好ましい。このように金属層３ａに縞状の非形成部３ｂを形成した場合には、低融点ろう合金３ｃが金属層３ａ上に接合され、縞状となる部分を有するので、低融点ろう合金３ｃの縞状の部分で、低融点ろう合金３ｃが溶融した際に、低融点ろう合金３ｃに取り込まれた気体を、硬化する前により排出して、低融点ろう合金３ｃのボイドをより少なくすることができる。

また、金属層３ａは、図３に示す例のように、平面視で赤外線センサ素子２の外縁から金属層３ａの各辺の方向に伸びた縞状の部分を有するように形成され、非形成部３ｂが中央側から外周側に向かって形成されていても構わない。図３に示す例では、４つの非形成部が形成され、４つの非形成部は互いに連通している。このような場合には、４つに分かれて形成された非形成部３ｂのそれぞれが、赤外線センサ素子２の外縁の外側で、封止空間に露出している部分を有していればよい。また、図３（ａ）に示す例のように、非形成部３ｂの封止空間に露出されている部分は、赤外線センサ素子２の外縁の外側の全周に配置されていれば、赤外線センサ素子２の接合時に気体をより逃がしやすくできるので好ましい。

また、金属層３ａの非形成部３ｂは、平面視で金属層３ａの中央から外周側に向かって放射状に形成されていてもよく、このような場合には、全ての非形成部３ｂが金属層３ａの中央でつながっているので、赤外線センサ素子２の接合時に気体をより逃がしやすく、低融点ろう合金３ｃのボイドをより少なくすることができる。

また、図１〜図３に示す例のように、金属層３ａの非形成部を縞状とすることによって、赤外線センサ素子２の接合時に気体を排出しやすくするとともに、金属層３ａをバランスよく配置して、赤外線センサ素子２を、接合箇所の偏りを低減して接合することができるので、赤外線センサ素子２の接合強度を高める上で有効である。

また、図２および図３に示す例のように非形成部３ｂを縞状に形成したときには、非形成部３ｂから気体を逃がしやすくするためには、平面視で赤外線センサ素子２の寸法が縦1.0〜30.0ｍｍ，横1.0〜30.0ｍｍで、金属層３ａの寸法が縦1.2〜35.0ｍｍ，横1.2〜35.0ｍｍ，厚さ0.5〜10.0μｍの場合であれば、非形成部３ｂのそれぞれの幅が0.1〜1.0ｍｍ
となるように形成し、赤外線センサ素子２の下面の面積の30〜70％程度とすることが好ましい。なお、非形成部３ｂの露出部は、縦横の長さがそれぞれ0.1〜2.5ｍｍとすることが好ましい。

赤外線センサ素子２は、上面に赤外線を受光するための受光部２ａを有しており、配線基板の凹部１ａの底面に、はんだ等の低融点ろう合金３ｃの接合材９を介して接合されて配置されている。また、赤外線センサ素子２はボンディングワイヤからなる接続部材４によって配線導体５に電気的に接続されている。

低融点ろう合金３ｃは、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），亜鉛（Ｚｎ），錫（Ｓｎ），銅（Ｃｕ）およびこれらの合金を主成分とする金属から成り、金属層３ａ上に赤外線センサ素子２を配置して接合するためのものである。このような低融点ろう合金３ｃは、シート状またはペースト状で金属層３ａ上に配置して、赤外線センサ素子２を配置した後、低融点ろう合金３ｃを加熱して赤外線センサ素子２を金属層３ａ上に接合する。

蓋体８は、凹部１ａを封止するように配線基板上に配置されている。蓋体８としては、ゲルマニウム（Ｇｅ），シリコン（Ｓｉ），硫化亜鉛（ＺｎＳ）またはこれらを含む合金からなり、その寸法が例えば、縦が５〜50ｍｍ，横が５〜50ｍｍ，厚さが0.3〜2.0ｍｍに形成して作製される。

また、このような蓋体８はその外周側で、ろう材またははんだ等の接合材９を介して絶縁基体１と接合されている。接合材９を介して絶縁基体１と蓋体８とを接合することによって、絶縁基体１と蓋体８との間を封止することができる。接合材９としては、金（Ａｕ），銀（Ａｇ），亜鉛（Ｚｎ），すず（Ｓｎ），銅（Ｃｕ）およびこれらの合金を主成分とする金属を用いることができる。

ゲッター材７は、平面視で、開口が受光部２ａよりも大きく、開口の内側に受光部２ａが位置するような貫通孔７ａを有して、蓋体８の下面に配置されている。ゲッター材７を配置することによって、凹部１ａを真空状態にして蓋体８で封止した後に、凹部１ａ内に存在する気体分子をゲッター材７によって吸着することができる。

ゲッター材７の材料としては、化学的に活性な部材を用いる。具体的には、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），鉄（Ｆｅ）およびバナジウム（Ｖ）を主成分とする金属を用いることができ、一般的な蒸着方法またはスパッタリング方法によって配置することができる。また、ゲッター材７の配置の方法としては、上記の金属の粉末をニトロセルロース樹脂およびエチルセルロース樹脂等の有機溶剤と混合して導体ペーストを作製し、この導体ペーストをスクリーン印刷法等の印刷法によって、不活性ガス雰囲気中（例えばアルゴン（Ａｒ）雰囲気中）や真空雰囲気中で250〜500℃で加熱して、有機溶剤を蒸発させて除去することによって、ゲッター材料を蓋体８の下面に配置してゲッター材７を配置したり、ゲッター材料をタブレット状にして接着剤などを用いて封止空間内に接着させる方法によって形成しても良い。また、ゲッター材７は厚さが0.5〜１μｍであることが好まし
い。ゲッター材７の厚みが0.5μｍ以上である場合には、安定してガス吸着の効果を得る
ことができる。また、ゲッター材７の厚みが１μｍ以下である場合には、ゲッター材７の熱容量が過度に大きくなることを抑制することができるので、ゲッター材７の加熱時におけるゲッター材７の活性の均一性を高めることができる。

これは、ゲッター材７の表面に吸着したガスとの化合物による酸化膜のような皮膜が形成されている場合にはゲッター材７による気体分子を吸着する効果が小さくなるが、ゲッター材７を加熱することによって、ゲッター材７の表面に存在するガスとの化合物をゲッター材７の内部に拡散させることができることによる。これによって、ゲッター材７の表面に新しい活性面を形成することができるので、ゲッター材７による気体分子を吸着する効果を再び向上させることができる。なお、ゲッター材７の表面に新しい活性面を効率良く形成するためには、ゲッター材７は250〜500℃で加熱することが好ましい。

次に、本発明の電子部品である赤外線センサの製造方法について詳細に説明する。

まず、主面上に凹部１ａおよび段差部１ｂを有する絶縁基体１に配線導体５を形成した配線基板を準備する。具体的には、アルミナセラミックスまたはムライトセラミックス等
のセラミックス材料を主成分とするセラミックグリーンシートを準備し、セラミックグリーンシートにＷ，Ｍｏ，Ｍｎ，ＡｇまたはＣｕ等の金属粉末メタライズから成る外部端子６および配線導体５ならびに金属層３ａ用の導体ペーストをスクリーン印刷法等によって所定形状に印刷する。その後、導体ペーストを印刷したセラミックグリーンシートを積層して、凹部１ａおよび段差部１ｂならびに切り欠き１ｃを有するように積層体を作製する。そして、この積層体を焼成することによって、配線基板を作製することができる。

次に、凹部１ａの底面に配置された金属層３ａ上に、Ａｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕおよびこれらの合金を主成分とする金属からなる、はんだ等の低融点ろう合金３ｃを介して、赤外線センサ素子２を接合して配置する。また、赤外線センサ素子２は、段差部１ｂ上に形成された配線導体５にワイヤボンディングによって電気的に接続される。

次に、凹部１ａを封止するように絶縁基体１の上面に蓋体８を配置する。蓋体８は、絶縁基体１の主面上に配置され、その材料としては、赤外線を透過して凹部１ａを封止することができるものであればよい。例えば、Ｇｅ，Ｓｉ，ＺｎＳまたはこれらの金属を含む合金を主成分とする板状の部材を用いることができる。

このとき、接合材９を用いて絶縁基体１と蓋体８とを接合すればよい。接合材９としては、例えば、蓋体８にクラッドされたもの、プリフォームされたものまたはペースト状のものを用いることができる。また、このような接合材９は、メタライズによって絶縁基体１と蓋体８との接合面に配置してもよいし、ペースト状の接合材９を用いて印刷法によって絶縁基体１と蓋体８との接合面に配置してもよい。そして、絶縁基体１と蓋体８との接合面に配置された接合材９を、赤外線のランプヒータ，ヒータブロックまたはヒータープレート等を用いて加熱して溶融させることによって、絶縁基体１と蓋体８とを接合材９を介して接合することができる。

また、蓋体８を用いて凹部１ａを封止する工程は、常圧（大気圧）よりも低い圧力の下で行なう。これは、赤外線センサの封止空間の内圧を常圧よりも低くすることができるからである。具体的には、真空チャンバーのような減圧装置を用いることによって、常圧よりも低い圧力の中で凹部１ａを封止する。このときの真空度は、減圧装置を用いることによって、要求される赤外線センサの封止空間の内圧に応じて適宜設定すればよい。

なお、このようにして赤外線センサを製造する過程において、ゲッター材７を加熱する工程を備えていることが好ましい。ゲッター材７を加熱することによって、ゲッター材７の表面に新しい活性面を形成できるので、ゲッター材７による気体分子を吸着する効果を向上させることができる。

特に、蓋体８と絶縁基体１とを接合する工程において上記ゲッター材７を加熱することによって、ゲッター材７を活性化することが好ましい。蓋体８と絶縁基体１とを接合する工程においては、絶縁基体１および蓋体８を加熱することによって絶縁基体１と蓋体８とを接合するので、絶縁基体１および蓋体８ならびに接合材９からガスが発生しやすい。そのため、蓋体８と絶縁基体１とを接合する工程においてゲッター材７を活性化させることによって、ゲッター材７による気体分子を吸着する効果を高めることができるので、赤外線センサの封止空間の内圧をより小さくすることができるからである。

以上のような製造方法によって、本発明の赤外線センサを製造することができる。

また、以上の実施の形態の例は、電子部品素子として赤外線センサ素子２を用いた赤外線センサについて説明したが、本発明は、赤外線センサに限らず、加速度センサ素子、ジャイロセンサ素子および水晶振動子等の素子が内部に封止された電子部品にも適用可能で
ある。

なお、本発明は上述の実施の形態の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は可能である。例えば、配線基板の側面に切欠きを形成するとともに、この切欠きの内面に外部端子６を形成して、外部端子６をいわゆるキャスタレーション導体としてもよい。

１・・・絶縁基体
１ａ・・・凹部
１ｂ・・・段差部
２・・・赤外線センサ素子
２ａ・・・受光部
３ａ・・・金属層
３ｂ・・・非形成部
３ｃ・・・低融点ろう合金
４・・・接続部材
５・・・配線導体
６・・・外部端子
７・・・ゲッター材
７ａ・・・貫通孔
８・・・蓋体
９・・・接合材

Claims

上面に金属層および配線導体を有する配線基板と、前記配線導体に電気的に接続されているとともに、前記金属層に低融点ろう合金で接合されている電子部品素子と、外周が配線基板に接合されて前記電子部品素子を気密封止している蓋体とを備えた電子部品であって、前記金属層は、平面視で前記電子部品素子の外形より大きく、中央側から外周側に向かって非形成部を有し、該非形成部の一部が封止空間に露出していることを特徴とする電子部品。