JP2013157526A - セラミックパッケージおよびセラミックモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】リワークのリスクを抑えつつ、温度変化の耐性向上を図ることのできるＢＧＡ接続構造を備えるセラミックパッケージを得ること。
【解決手段】セラミックパッケージ１０は、セラミック基板１と、セラミック基板１の第１面１ａに設けられた複数のボール電極３と、セラミック基板１の第１面１ａであって、ボール電極３の周囲に設けられてボール電極３を固定する接着剤７と、を備え、接着剤７は、第１面１ａからの高さがボール電極３よりも低く形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック基板にボール電極が形成されたセラミックパッケージに関する。

通信機器、人工衛星、レーダー等に使われる高周波デバイスは、高周波性能やパッケージの気密性を確保する目的から、セラミック基板が広く用いられる。このデバイスを制御するための回路基板（樹脂材）との接続方法については、主にワイヤによる接続方式が使用されるが、近年では低コスト化や実装の小型化の必要性から、デバイスにＢＧＡ（Ball Grid Array）接続用のはんだボールを取り付けて、回路基板にはんだ実装するＢＧＡ接続構造が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

ＢＧＡ接続構造の場合、セラミック基板と樹脂基板との線膨張率が異なるため、温度変化での伸縮長の違いにより、はんだ接続部に応力集中が生じるために、はんだボールまたはセラミック基板の接合端部にクラックの起点が生じ、温度変化の繰り返しによってクラックが進行し、最終的に断線に至るものであり、寿命を低下させる要因となっている。そのため、セラミック基板のサイズはできるだけ小型にして、発生応力を少なくする設計が必要となるが、回路規模が大きい場合には実現できない問題がある。

線膨張率の異なる基板の接続構造において、温度変化の耐性を向上させる方法としては、基板間の隙間およびはんだボールの周囲にアンダーフィル剤を充填する方法が用いられ、アンダーフィルによって基板の伸縮による応力を分散させて、はんだ部のストレスを軽減する対策が行われる。

特開２００７−１２８９８２号公報

しかしながら、デバイスを樹脂基板に実装した状態で、隙間に充填する作業となるため、アンダーフィルの充填状態を確認することができないことや、狭い空間への供給のためアンダーフィルの内部に気泡が生じ易い問題がある。内部に気泡が生じると、アンダーフィル剤の有無の違いによって、応力の軽減効果にバラツキが生じることから、意図した耐性を確保できないこととなる。また充填状態に問題が確認された際の処置については、アンダーフィルで固定されたデバイスを取り外すことができないため、全部品が実装された付加価値の高い回路基板全体を廃却処分することとなるため、リスクの高い方法といえる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、リワークのリスクを抑えつつ、温度変化の耐性向上を図ることのできるＢＧＡ接続構造を備えるセラミックパッケージを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、セラミック基板と、セラミック基板の第１面に設けられた複数のボール電極と、セラミック基板の第１面であって、ボール電極の周囲に設けられてボール電極を固定する接着剤と、を備え、接着剤は、第１面からの高さがボール電極よりも低く形成されることを特徴とする。

本発明によれば、接着剤でボール電極を固定することで、温度変化の耐性向上を図ることができる。また、接着剤が、第１面からの高さがボール電極よりも低く形成されることで、リワークのリスクを抑えることができる。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるセラミックパッケージの概略構成を示す断面図である。 図２は、図１に示すセラミックパッケージが実装されたセラミックモジュールの断面図である。 図３は、比較例１として示すセラミックモジュールの断面図である。 図４−１は、図３に示すセラミックモジュールのボール電極部分を拡大した部分拡大断面図である。 図４−２は、図３に示すセラミックモジュールのボール電極部分を拡大した部分拡大断面図である。 図５は、比較例２として示すセラミックモジュールの断面図である。 図６は、本発明の実施の形態２にかかるセラミックモジュールの断面図である。 図７は、図６に示すＡ−Ａ線に沿った矢視図である。 図８−１は、セラミックモジュールの断面図であって、温度変化時における樹脂基板の変形状態を説明するための図である。 図８−２は、セラミックモジュールの断面図であって、温度変化時における樹脂基板の変形状態を説明するための図である。 図９は、本実施の形態２の変形例にかかるセラミックモジュールのボール電極部分を拡大した部分拡大断面図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかるセラミックパッケージおよびセラミックモジュールを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるセラミックパッケージの概略構成を示す断面図である。セラミックパッケージ１０は、セラミック基板１、ボール電極３、カバー４、接着剤７を備える。ボール電極３は、セラミック基板１の第１面１ａに複数設けられている。ボール電極３は、導電性の金属材料で形成されており、例えば、はんだで形成されたはんだボールである。

第１面１ａの裏面である第２面１ｂには、カバー４が設けられている。セラミック基板１の第２面１ｂには、図示しない半導体ベアチップ等が搭載されており、カバー４はこれらの搭載素子を保護すべく搭載素子を覆うように設けられる。

接着剤７は、セラミック基板１の第１面１ａであって、ボール電極３の周囲に設けられる。接着剤７は、ボール電極３に接触するように設けられて、セラミック基板１の第１面１ａに設けられたボール電極３を固定する。本実施の形態１では、第１面１ａに設けられたほとんどのボール電極３の周囲に接着剤７が設けられている。接着剤７は、第１面１ａからの高さがボール電極３よりも低く形成される。

デバイスの状態（ボール電極３が設けられた状態）で、セラミック基板１の第１面１ａ上に接着剤７を供給する方法としては、ディスペンサー供給やスピンコート等で形成することが可能である。比較的粘度が低い接着剤を用いることで、均一塗布が容易となる。

図２は、図１に示すセラミックパッケージ１０が実装されたセラミックモジュールの断面図である。図１に示すセラミックパッケージ１０が、プリント基板等の樹脂基板２に実装されることで、セラミックモジュール２０となる。セラミックパッケージ１０は、ボール電極３を介して樹脂基板２に実装される。接着剤７は、第１面１ａからの高さがボール電極３よりも低く形成されている。

図３は、比較例１として示すセラミックモジュールの断面図である。図４−１および図４−２は、図３に示すセラミックモジュールのボール電極部分を拡大した部分拡大断面図である。比較例として示すセラミックモジュール５０が備えるセラミックパッケージ４０では、ボール電極３の周囲に接着剤が設けられていない。

セラミック基板１と樹脂基板２とでは、線膨張率が異なるため、温度変化での伸縮長の違いにより、セラミック基板１とボール電極３との接続部に応力集中が生じ、セラミック基板１やボール電極３にクラック５ａ，５ｂが発生する場合がある。特に、図４−１に示すように、セラミック基板１とボール電極３との接合端部でクラック５ａ，５ｂの起点が生じやすい。そして、温度変化の繰り返しによってクラック５ａ，５ｂが進行してしまうと、図４−２に示すように断線してしまう。

図５は、比較例２として示すセラミックモジュールの断面図である。比較例２として示すセラミックモジュール７０では、セラミック基板１と樹脂基板２との間にアンダーフィル６が充填されている。セラミックモジュール７０では、セラミック基板１や樹脂基板２の伸縮による応力をアンダーフィル６によって分散させて、ボール電極３に加わるストレスの軽減を図っている。

しかしながら、セラミック基板１を樹脂基板２に実装した状態で、アンダーフィル６を隙間に充填する作業となるため、アンダーフィル６の充填状態を確認することが難しい。また、セラミック基板１と樹脂基板２とに挟まれた空間への供給のため、アンダーフィル６の内部に生じた気泡が抜けにくく、アンダーフィル６の内部に気泡が含まれたままになりやすい。アンダーフィル６の内部に気泡が含まれていると、応力の軽減効果にバラツキが生じて、意図した耐性を確保できない場合がある。

また、セラミック基板１と樹脂基板２とがアンダーフィル６によって接着されることとなるので、アンダーフィル６の充填状態に問題が確認された場合に、樹脂基板２からセラミック基板１を取り外すことが難しい。そのため、多くの部品が実装されたセラミックモジュール７０の全体を廃却処分することとなるため、製造コストの増大を招いてしまう。

一方、本実施の形態１にかかるセラミックモジュール２０では、接着剤７でボール電極３を固定することで、ボール電極３に加わる応力を分散させることができる。これにより、セラミック基板１やボール電極３でクラック５ａ，５ｂの発生を抑え、セラミックパッケージ１０およびセラミックモジュール２０の信頼性の向上を図ることができる。特に、クラック５ａ，５ｂの発生しやすいセラミック基板１とボール電極３との接合部分の周囲を接着剤７で固定するので、より確実にクラック５ａ，５ｂの発生を抑えることができる。

また、接着剤７は、第１面１ａからの高さがボール電極３よりも低く形成されている。ので、セラミックパッケージ１０の実装時に、ボール電極３と樹脂基板２とを確実に接触させることができる。また、接着剤７と樹脂基板２との間に空間が設けられて、接着剤７の塗布面全体が開放された状態となるため、接着剤７の内部に混入した気泡が空間へ抜けやすくなり、接着剤７の内部に含まれる気泡を抑えることができる。そのため、接着剤７に気泡が含まれることで応力の軽減効果にバラツキが生じて、意図した耐性を確保できなくなることを防ぎやすくなる。

また、樹脂基板２に実装した後で、セラミックパッケージ１０の取り外しが必要となった場合でも、セラミックパッケージ１０と樹脂基板２とが、ボール電極３のみで接続されていることから、セラミックパッケージ１０だけを容易に取り外すことが可能である。そのため、樹脂基板２や他実装部品をリワーク時に廃却せずに済み、製造コストの増大を抑えることができる。

また、セラミック基板１と樹脂基板２との隙間に充填されるアンダーフィル６（図５も参照）に比べて、接着剤７の使用量を抑えることができるため、製造コストの抑制を図ることができる。

また、アンダーフィル６の硬化については、通常は加熱硬化を要するために、セラミックパッケージ１０を樹脂基板２に実装した状態で高温処理が行われる。そのため、他の実装部品の耐熱温度が低い場合には実現できないこととなるが、デバイス状態で接着する構成の場合は、デバイスの搭載部品のみが対象であり、デバイスの搭載部品には耐熱性の低い電子部品は殆ど使用しないため、加熱硬化における温度の制約を解消できる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるセラミックモジュールの断面図である。図７は、図６に示すＡ−Ａ線に沿った矢視図である。なお、上記実施の形態と同様の構成については、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態２にかかるセラミックモジュール９０に実装されるセラミックパッケージ８０では、セラミック基板１の第１面１ａに設けられた複数のボール電極３のうち、一部のボール電極３の周囲に接着剤７を設ける。

具体的には、セラミック基板１の第１面１ａのうち外周付近に設けられたボール電極３の周囲に接着剤７が設けられる。図８−１および図８−２は、セラミックモジュール９０の断面図であって、温度変化時における樹脂基板２の変形状態を説明するための図である。なお、図８−１および図８−２では、接着剤７を省略して示している。

図８−１、８−２に示すように、温度変化による降温時や昇温時には、樹脂基板２に反りが発生することで、外周付近に設けられたボール電極３（Ｂ部分）に加わる応力が大きくなり、内側に寄るほど応力は小さくなりやすい。

本実施の形態２では、セラミック基板１の第１面１ａのうち内側の領域をよけた部分、すなわち、最も応力が大きくなりやすい外周付近を接着剤７で補強することにより、必要十分な応力耐性を得ることが可能となる。なお、必要な接着範囲は、セラミック基板１の大きさやボール電極３の配置によっても異なるため、一律的には決められないものであり、熱応力解析等で必要範囲を求めることが必要である。

また、ミリ波帯域等の高周波デバイスの場合には、ボール電極３の配列によって、電波を通すための導波管８を形成することができるが、この部位に接着剤７等の有機物が介在すると、誘電率が変化して特性が劣化する問題がある。そのため、充填領域の制御が難しいアンダーフィルでボール電極３を補強すると、導波管８部分にアンダーフィルが侵入してしまい、特性が劣化してしまう場合がある。

一方、本実施の形態２の構成によれば、セラミックパッケージ８０を樹脂基板２実装する前に接着剤７を塗布するので、導波管８部分をよけて容易に接着剤７を塗布することができる。したがって、応力が大きくなりやすい外周付近で接着剤７を用いてボール電極３を補強することで信頼性の向上を図りつつ、導波管８部分をよけるように接着剤７を設けることで特性劣化の抑制を図ることができる。

図９は、本実施の形態２の変形例にかかるセラミックモジュール９０のボール電極部分を拡大した部分拡大断面図である。本変形例では、図９に示すように、セラミック基板１の第１面１ａに対して突起９が設けられている。突起９は、第１面１ａのうち、接着剤７が設けられる範囲と接着剤７が設けられない範囲との境界を仕切るように設けられている。

このように突起９を設けることで、突起９に囲まれた領域内に接着剤７を供給すれば、接着剤７が設けられない範囲に接着剤７がはみ出してしまうのを抑えることができる。したがって、セラミック基板１の第１面１ａにおける接着剤７の塗り分けを容易に行うことができる。

以上のように、本発明にかかるセラミックパッケージは、セラミック基板にボール電極が形成されたセラミックパッケージに有用である。

１ セラミック基板
１ａ 第１面
１ｂ 第２面
２ 樹脂基板
３ ボール電極
４ カバー
５ａ，５ｂ クラック
６ アンダーフィル
７ 接着剤
８ 導波管
９ 突起
１０，４０，８０ セラミックパッケージ
２０，５０，７０，９０ セラミックモジュール

Claims (5)

1. セラミック基板と、
   前記セラミック基板の第１面に設けられた複数のボール電極と、
   前記セラミック基板の前記第１面であって、前記ボール電極の周囲に設けられて前記ボール電極を固定する接着剤と、を備え、
   前記接着剤は、前記第１面からの高さが前記ボール電極よりも低く形成されることを特徴とするセラミックパッケージ。
2. 前記接着剤は、前記セラミック基板の前記第１面のうち外周付近に設けられた前記ボール電極の周囲に設けられることを特徴とする請求項１に記載のセラミックパッケージ。
3. 前記セラミック基板の前記第１面に立設された突起をさらに備え、
   前記突起は、前記接着剤が設けられる範囲と前記接着剤が設けられない範囲との境界に立設されることを特徴とする請求項２に記載のセラミックパッケージ。
4. 前記セラミック基板の前記第１面のうち前記接着剤が設けられない範囲に形成された導波管をさらに備えることを特徴とする請求項２または３に記載のセラミックパッケージ。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のセラミックパッケージと、
   前記ボール電極を介して前記セラミック基板が実装される樹脂基板と、を備えることを特徴とするセラミックモジュール。

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