JP2012156432A

JP2012156432A - 素子収納用パッケージおよび実装構造体

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Publication number: JP2012156432A
Application number: JP2011016168A
Authority: JP
Inventors: Ryota Li; 亮太利
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: JP5725886B2

Abstract

【課題】気密性に優れた素子収納用パッケージおよびその素子収納用パッケージを用いた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２であって、上面に素子３の実装領域Ｒを有する基板４と、基板４上に実装領域Ｒを取り囲むように設けられた、一部に貫通孔Ｈを有する枠体５と、基板４上に貫通孔Ｈを通って枠体５の内外にわたって設けられた入出力端子６とを備え、基板４の上面の外周縁には、基板４の上面の外周縁の曲率が、基板４の下面の外周縁の曲率よりも小さい湾曲部４Ａが設けられており、湾曲部４Ａの直上に、枠体５で囲まれない領域に位置する入出力端子６の端部が位置している。基板４の熱膨張によって入出力端子６に加わる応力を小さくすることができるので、気密性に優れた素子収納用パッケージ２を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、素子収納用パッケージおよび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、基板と、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と、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）。そして、マイクロ波、ミリ波等の高周波で用いられる入出力端子においては、高周波の信号を効率良く伝送するために、比誘電率が低く誘電損失が小さい誘電体層を使用する必要がある。

特開平８−２２７９４９号公報

ところで、誘電体層の比誘電率を下げることで、入出力端子の熱膨張率と基板の熱膨張率の違いが大きくなることがあった。そして、基板と入出力端子の両者の接合部において剥離が発生し、パッケージの気密性が損なわれる虞があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、気密性に優れた素子収納用パッケージおよび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。

本発明の一実施形態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、前記基板上に前記実装領域を取り囲むように設けられた、一部に貫通孔を有する枠体と、前記基板上に前記貫通孔を通って前記枠体の内外にわたって設けられた入出力端子とを備え、前記基板の上面の外周縁には、前記基板の上面の外周縁の曲率が、前記基板の下面の外周縁の曲率よりも小さい湾曲部が設けられており、前記湾曲部の直上に、前記枠体で囲まれない領域に位置する前記入出力端子の端部が位置していることを特徴とする。

また、本発明の一実施形態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の前記実装領域に実装された素子とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、気密性に優れた素子収納用パッケージおよび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。

本実施形態に係る実装構造体の概観を示す斜視図である。本実施形態に係る実装構造体の入出力端子の概観を示す斜視図である。図１に示すＸ−Ｘ’に沿った実装構造体の断面図である。

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および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である。

＜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、図１の実装構造体１に用いられる入出力端子の概観を示す斜視図である。実装構造体１は、テレビ等の家電機器、携帯電話また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。

実装構造体１は、素子収納用パッケージ２と、素子収納用パッケージ２に実装された素子３とを備えている。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、ダイオードまたはサイリスタ等の能動素子、あるいは抵抗器、コンデンサ、太陽電池、圧電素子、水晶振動子また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。

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上に実装領域Ｒを取り囲むように設けられた、一部に貫通孔Ｈを有する枠体５と、貫通孔Ｈを通って枠体５の内外にわたって設けられた入出力端子６とを備えている。なお、素子収納用パッケージ２は、基板４の実装領域Ｒに素子３を実装し、素子３と入出力端子６とを電気的に接続することで、実装構造体１として用いることができる。

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、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を含有する合金から成る。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の熱膨張率は、例えば４以上１８以下に設定されている。

また、基板４は、例えば、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または打ち抜き加工等の金属加工法を用いることで、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、あるいは実装領域Ｒに素子３をろう付けしやすくするために、電気めっき法または無電解めっき法を用いて、ニッケルまた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の形状は、平面視したときに四角形状としているが、素子３を実装することが可能であれば、平面視したときに四角形状に限られず、多角形状または楕円形状等であってもよい。

基板４の上面の外周縁には、基板４の厚み方向の断面で断面視したとき、基板４の上面の外周縁の曲率（上面から側面にかけての曲率）が、基板４の下面の外周縁の曲率（下面から側面にかけての曲率）よりも小さい湾曲部４Ａが形成されている。そして、この湾曲部４Ａによって、基板４の上面の外周縁と、その直上に設けられる入出力端子６の下面との間に、基板４の上面の外周縁に沿って空隙を設けることができる。基板４は、基板４の上面の外周縁が滑らかに形成されることで、基板４上の外周の一部に設けられる入出力端子６との接触面積を減らすことができる。基板４に熱が加わり温度が上昇すると、基板４に反りが発生することがあるが、基板４が熱変形することによって、基板４の上面の外周縁が入出力端子６に対して応力が加わる。そこで、もっとも反りが大きくなる基板４の上面の外周縁に湾曲部４Ａを形成することにより、熱膨張を起こした基板４の上面の外周縁が入出力端子６に当接してから入出力端子６に応力が加わるようになるため、湾曲部４Ａ
がなく最初から基板４の外周縁が入出力端子６に当接している場合に比べて、入出力端子６に加わる応力を小さくすることができる。

また、湾曲部４Ａは、基板４の上面の外周全周にわたって連続して設けられていることが好ましい。基板４の上面の外周全周にわたって連続して湾曲部４Ａが設けられることで、素子収納用パッケージの製造工程において、基板４または枠体５、入出力端子６の熱膨張率差に起因して生じる応力を、基板４の上面の外周縁において局所的に集中しにくくすることができる。さらに、素子収納用パッケージ２の製造工程において、基板４または枠体５、入出力端子６の熱膨張率差に起因して生じる基板４の反りが実装構造体１を外部電気回路基板に実装する際に矯正されることによって生じる応力を、基板４の外周縁において局所的に集中しにくくすることができる。仮に、基板４の外周縁において、湾曲部４Ａが形成される部位と、湾曲部４Ａが形成されない部位とが設けられる場合は、基板４の外周縁への応力は、湾曲部４Ａが形成される部位と、湾曲部４Ａが形成されない部位との境界部で集中することとなる。同様に、実装構造体１を作動させる際に素子３から発生する熱による、基板４または枠体５、入出力端子６の熱膨張率差に起因して生じる応力を、基板４の上面の外周縁において局所的に集中しにくくすることができる。

基板４の上面の外周縁の湾曲部４Ａの曲率は、例えば１以上１０以下に設定されている。また、基板４の下面の外周縁の曲率は、例えば５以上２０以下に設定されている。そして、基板４の上面の外周縁の曲率が、基板４の下面の外周縁の曲率よりも小さく形成されている。なお、曲率とは、基板４の外周縁における湾曲部の円周の半径をｒ（ｍｍ）とする場合に、１／ｒにて表される数値である。

また、基板４の下面の外周縁の曲率を基板４の上面の外周縁の曲率よりも大きくすることで、基板４の下面の平らな面積を基板４の上面の平らな面積よりも大きくすることができる。そして、基板４を実装する外部基板との接触面積を大きくすることができ、基板４と外部基板との接着力を向上させることができる。

枠体５は、基板４の実装領域Ｒを取り囲むように設けられ、素子３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を設ける貫通孔Ｈが形成されている。枠体５は、ろう材を介して基板４にろう付けされる。なお、ろう材は、例えば、銀、銅、金、アルミ二ウムまたはマグネシウム等からなり、ニッケル、カドミウムまたは燐等の添加物を含有してもよい。

また、枠体５は、例えば、銅、鉄、タングステン、モリブデン、ニッケルまたはコバルト等の金属材料、あるいはこれらの金属材料を含有する合金から成る。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の熱膨張率は、例えば４ｐｐｍ／℃以上１８ｐｐｍ／℃以下に設定されている。

入出力端子６は、枠体５の貫通孔Ｈに設けられる。入出力端子６は、マイクロ波、ミリ波等の高周波の信号を伝送するためのものである。入出力端子６は、第１誘電体層６ａと、第１誘電体層６ａ上の一部に設けられる第２誘電体層６ｂを有している。さらに、入出力端子６は、第１誘電体層６ａと第２誘電体層６ｂの間に形成され、枠体５の内外を電気的に接続する信号線路７と、第１誘電体層６ａの下面に形成される第１接地導体８と、第１誘電体６ａの側面、第２誘電体層６ｂの側面および第２誘電体層６ｂの上面に連続して設けられる第２接地導体９を有している。

信号線路７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７は、例えば、
マイクロストリップ線路またはコプレーナ線路として用いる。信号線路７は、例えば、タングステン、モリブデンまたはマンガン等で形成されたメタライズ金属層上に、ニッケルメッキ層または金メッキ層が形成されてなる。また、信号線路７の線路幅は、信号線路７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７には、リード端子１０が形成される。リード端子１０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。リード端子１０は、ろう材を介して、信号線路７上に接続される。そして、信号線路７とリード端子１０とが電気的に接続される。

第１接地導体８および第２接地導体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、第１接地導体８および第２接地導体９は、例えば、タングステン、モリブデンまたはマンガン等で形成されたメタライズ金属層上に、ニッケルメッキ層が形成されてなる。第１接地導体８は、平面視して信号線路７と重なる領域に形成されている。枠体５は、金属材料からなり、第１接地導体８、第２接地導体９および枠体５は電気的に接続されている。

また、入出力端子６は、第１誘電体層６ａおよび第２誘電体層６ｂを取り囲む第２接地導体９を有しており、信号線路７と枠体５とが重なる領域において信号線路７に伝達される信号が反射するのを抑制することができる。

第１誘電体層６ａおよび第２誘電体層６ｂは、絶縁性の基板であって、例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムまたは窒化珪素等の無機材料、あるいはエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂またはエチレン樹脂等の有機材料、あるいはアルミナまたはムライト等のセラミック材料、ある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、第１誘電体層６ａおよび第２誘電体層６ｂの厚みは、信号線路７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１ｍｍ以下に設定されている。

また、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂには、多数のフィラーが含有されていても構わない。第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂが有機材料からなる場合は、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂにフィラーが含有されていることによって、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂの硬化前の粘度を調整することができ、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂ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、例えば球状であって、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、窒化アルミニウムまたは水酸化アルミニウム等から成る。

また、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂに含有されるフィラーの比誘電率は、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂ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、第１誘電体層６ａまたは第２誘電体層６ｂ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、入出力端子６をさらに低誘電率化することができ、信号線路７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７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。

信号線路７に伝達される信号は、信号線路７の直上または直下に位置する材料に起因し
て、伝送特性が変化するが、伝送特性の変化が大きいと信号線路７に伝達される信号の反射量が大きくなる。そして、信号線路７は、枠体５の内外を電気的に接続するために、枠体５の内外に延在して形成されている。そのため、平面視して信号線路７と枠体５とが重なる領域が、信号線路７に伝達される信号の伝送特性の変化が大きい。本実施形態においては、信号線路７と枠体５とが重なる領域において、信号線路７の直上および直下に誘電体層の一部を貼り合わせて、信号線路７が大気と接する領域を低減する。その結果、信号線路７に伝達される信号の伝送特性の変化を抑制し、信号線路７に伝送される高周波の反射を低減することができる。

入出力端子６の下面の外周縁は、平らに形成されている。そして、湾曲部４Ａは、入出力端子６の下面の外周縁よりも湾曲して形成されている。入出力端子６の下面を平らに形成することで、信号線路７と第１接地導体８との間における電磁波の反射の変化を小さくし、入出力端子６の伝送特性を良好に維持することができる。

入出力端子６の枠体５で囲まれない領域に位置する端面は、平面視して基板４の湾曲部４Ａと重なるように設定されている。入出力端子６の端面と基板４の端面を合わせることで、入出力端子６の伝送特性の劣化、入出力端子６の割れまたはカケといった損傷の発生を抑制できる。仮に、入出力端子６の端面が、平面視して基板４の外周より内側に設けられた場合は、リード端子１０と基板４の外周縁との間に容量成分が生じるため、信号線路７における特性インピーダンスが変動する。その結果、入出力端子６における反射損失が増加し、信号線路７の伝送特性が劣化する。また、仮に、入出力端子６の端面が、基板４の外周より外側に突出して設けられる場合は、入出力端子６が平面視して基板４より外側に位置しているため、素子収納用パッケージ２の組立、実装構造体１の外部電気回路基板へ実装する際に、入出力端子６がピンセット等の工具または搬送治具に直接接触する可能性が生じる。その結果、入出力端子６に割れまたは欠けといった損傷が発生し、素子収納用パッケージ２および実装構造体１の信頼性とともに歩留まりが低下する傾向がある。

素子収納用パッケージ２に、素子３を半田等を介して基体４の実装領域Ｒに実装することで、実装構造体１を構成することができる。ＩＣまたは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、窒化ガリウムまたは炭化珪素等を用いることができる。また、素子３の上面と、枠体５内に位置する入出力端子６の信号線路７とをボンディングワイヤを介して電気的に接続されている。

枠体５上には、蓋体１１が設けられる。蓋体１１は、枠体５内の気密性を保つための機能を備えている。蓋体１１は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケルまたはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を複数種含む合金、あるいは酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミック等のセラミックスから成る。また、蓋体１１は、枠体６の上面に、例えば半田またはろう材等の接合部材を介して接合される。

本実施形態によれば、基板４の熱膨張率と入出力端子６の熱膨張率の違いにより、両者が熱膨張したときであっても、基板４の外周縁に湾曲部４Ａを設けることで、基板４から入出力端子６に熱応力が加わりにくいようにすることができ、入出力端子６が破壊されるのを抑制することができ、パッケージの気密性を良好に保つことができる。また、入出力端子６が変形しにくいようにすることによって、信号線路７の伝送特性が低下するのを抑制することができ、電気的特性が優れた素子収納用パッケージ２および実装構造体１を提供することができる。

なお、本発明は上述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。例えば、基体４と素子３との間に配線基板を介在させる構造であってもよい。

＜実装構造体の製造方法＞
ここで、図１に示す実装構造体１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、金属研磨等の金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。なお、基板４は、型枠から取り出したインゴットに対して、基板４の上面の外周縁に相当する個所を研磨して、湾曲部４Ａを形成することができる。また、枠体５は、貫通孔Ｈに相当する個所を研磨して、入出力端子６を接続可能な大きさの貫通孔Ｈを形成することができる。

次に、入出力端子６を準備する。ここでは、誘電体層６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またはムライト質焼結体等を用いることができる。

誘電体層６の材料が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムまたは酸化カルシウム等の原料粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して泥漿状と成す。

そして、第１誘電体層６ａおよび第２誘電体層６ｂの型枠を準備し、枠体内に、泥漿状の酸化アルミ二ウム質の材料を充填し、焼結前の第１誘電体層６ａおよび第２誘電体層６ｂを取り出す。

また、タングステンまた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、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。

そして、取り出した焼結前の第１誘電体層６ａの上面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って信号線路７を形成する。また、第１誘電体層６ａの下面に対して、例えばスクリーン印刷法を用いて、金属ペーストを塗って第１接地導体８を形成する。さらに、第１誘電体層６ａおよび第２誘電体層６ｂを組み合わせたときに、両者を取り囲む箇所に、例えばスクリーン印刷法を用いて第２接地導体９を形成する。

次に、焼結前の第１誘電体層６ａ上に焼結前の第２誘電体層６ｂを載せて加圧することで、両者を密着させる。そして、金属ペーストを印刷塗布した積層体を約１６００℃の温度で焼成することにより、信号線路７、第１接地導体８および第２接地導体９が形成されたセラミックス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の貫通孔Ｈ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の実装領域Ｒに半田を介して素子３を実装し、素子３の電極を入出力端子６の信号線路７にボンディングワイヤを介して電気的に接続する。さらに、枠体５上に、例えば半田またはろう材等の接合部材を介して蓋体１１を接合することで、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
４Ａ湾曲部
５枠体
６入出力端子
６ａ第１誘電体層
６ｂ第２誘電体層
７信号線路
８第１接地導体
９第２接地導体
１０リード端子
１１蓋体
Ｒ実装領域
Ｈ貫通孔

Claims

上面に素子の実装領域を有する基板と、
前記基板上に前記実装領域を取り囲むように設けられた、一部に貫通孔を有する枠体と、前記基板上に前記貫通孔を通って前記枠体の内外にわたって設けられた入出力端子とを備え、
前記基板の上面の外周縁には、前記基板の上面の外周縁の曲率が、前記基板の下面の外周縁の曲率よりも小さい湾曲部が設けられており、
前記湾曲部の直上に、前記枠体で囲まれない領域に位置する前記入出力端子の端部が位置していることを特徴とする素子収納用パッケージ。
請求項１に記載の素子収納用パッケージであって、
前記基板の上面の外周縁の曲率は、前記入出力端子の下面の外周縁の曲率よりも小さいことを特徴とする素子収納用パッケージ。
請求項１または請求項２に記載の素子収納用パッケージであって、
前記湾曲部は、前記基板の外周縁の全周にわたって連続して設けられていることを特徴とする素子収納用パッケージ。
請求項１乃至請求項３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の前記実装領域に実装された素子とを備えたことを特徴とする実装構造体。