JP2015080108A

JP2015080108A - パッケージの製造方法

Info

Publication number: JP2015080108A
Application number: JP2013216582A
Authority: JP
Inventors: 岸　松雄; Matsuo Kishi; 松雄岸; 中村　敬彦; Norihiko Nakamura; 敬彦中村
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23

Abstract

【課題】気密性に優れた電子部品封入済みパッケージを安定的に提供することを目的とする。
【解決手段】本発明のパッケージの製造方法は、絶縁性脆性材料を材料とする少なくとも２枚の基板を接合し、内部に構成されるキャビティ４に電子部品５を収納し、収納された電子部品５が基板を介して外部と電気的に接続するために基板の一方又は両方に貫通電極８が設けられたパッケージ１の製造方法であって、キャビティを有するリッド基板２を形成するリッド基板形成工程と、一方の面側にパッケージ内電極配線６がなされたベース基板３を形成するベース基板形成工程と、ベース基板に電子部品を実装し、リッド基板とベース基板とを気密封止接合する電子部品搭載工程を経たのち、ベース基板にパッケージ内電極配線と外部とを接続するための貫通孔２８を開け、貫通孔を導電性物質で充填する貫通電極形成工程と、ベース基板の他方の面側にもうけられる外部電極７を形成する外部電極形成工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品を搭載、封入するための貫通電極を有するパッケージの製造方法に関する。

振動子や加速度等の力学量を測定するためのセンサ等の電子部品を搭載、封入、収納するためのパッケージとして、二体化された基板からなるものが広く使用されている。

これらの基板は、電子部品を搭載するためのベース基板とこのベース基板に蓋として封止するためのリッド基板と呼ばれるもので、セラミックスやガラスといった絶縁性材料を加工し、電極等が形成されているが、特にベース基板には搭載される電子部品と外部の回路基板等と電気的な接続を行うための電極が設けられている。

これらの電極は、金属ペーストの焼成や薄膜技術等により作製されるが、ベース基板に貫通孔を開け、この貫通孔に金属を埋め込むことにより貫通電極と呼ばれる構造をとったものが提案されている。例えば、ベース基板として貫通孔を形成したガラス基材を用い、貫通孔を銀ペーストにより埋め、貫通電極として用いている例（特許文献１）やガラス基材に貫通孔を設け、金属ピンを低融点ガラスとともに貫通孔に打ち込み、低融点ガラスを溶融することにより金属ピンとガラス基材を一体化することにより貫通孔を塞ぎ貫通電極を形成する方法が採用されている（特許文献２）。さらに、テーパー状の貫通孔を基材であるガラスの軟化点以上の温度に加熱し、カーボン材からなる成形型により加圧成形することにより作製し、金属ピンをこの貫通孔に振込み、全体をガラス基材の軟化点以上のとすることによりガラス基材と金属ピンを一体化する方法も提案されている（特許文献３）。

しかしながら、近年における電子部品の小型化およびパッケージの小型化に伴い、貫通電極の小型化と近接化が望まれていることは周知のことである。また、雰囲気の影響を受ける振動子や力学量測定センサ等では、貫通電極の封止性という点においても、その厳密さが要求されている。

前記の銀ペースト等の金属ペーストを用いる貫通電極の製造方法では、銀を使うという観点から、コストがかかるという点に加え、基板としてガラス基材を用いる場合、ガラス基材の耐熱性から銀ペーストの焼成温度をガラス基材の軟化点以上とする必要があるため、基材の変形を起こすという課題があった。

また、金属ピンを貫通孔に埋め込む方法では、埋め込むピンの形状を自由にすることができないため、パッケージ内部側とパッケージ外側における平面形状が限定的となり、新たな電極をフォトリソグラフィー等の方法により作製し貫通電極であるピンと接続する必要があった。

さらに、この他、貫通孔を埋め込む方法として、めっき法が挙げられるが、貫通孔の埋め込みが不完全であったり、使われるめっき物が銅めっきであることから、セラミックスやガラス等の基板本体と熱膨張率に大きな差があり、２枚の基板を接合する際かけられる熱により変形や剥離といった問題を起こしていた。

特開２００２−１２４８４５号公報特開２００３−２０９１９８号公報特開２０１１−１６６３０７号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、貫通電極形成後、高温処理がなく、且つ、微細性、近接性に優れた貫通電極を有するセラミックスやガラス等を用いた基板により形成するパッケージを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係わるパッケージの製造方法は、セラミックス、ガラス等の絶縁性脆性材料からなる少なくとも２枚の基板を接合し、内部に構成されるキャビティに電子部品を収納し、収納された電子部品がパッケージを介して外部と電気的に接続するために上記基板の一方又は両方に金属からなる貫通電極が設けられた気密性を有するパッケージの製造方法であって、
パッケージ内電極配線がなされた第一の基板に電子部品を実装し、ついで、この第一の基板と第二の基板とを気密封接合した後、パッケージ内電極配線と外部を接続するための貫通孔を開ける工程と、貫通孔を金属で充填しパッケージ内電極配線とパッケージ外部とを電気的に接続する工程とを含むことを特徴とする。

このパッケージの製造方法によれば、陽極接合やろう材による高温接合による２枚の基板の接合後に貫通電極を形成するので、完成した貫通電極が高温処理の影響を受けることがないので熱応力や変形がないので歪や強度劣化といった欠陥を最小限にすることができ、さらに、２枚の基板を接合した後の十分な厚みを利用し、貫通電極形成後に研削や研磨により全体の厚みを薄くすることができるのでパッケージの薄型化や小型化を図ることができる。

また、本発明に係わるパッケージの製造方法は、パッケージ内電極配線と外部を接続するための貫通孔がパッケージ内電極配線の下部に開けられることを特徴とする。
このパッケージの製造方法によれば、貫通孔を作製する際に外部から貫通孔を開け始め、パッケージ内電極の下で止められるため、パッケージ内部と外部が直接通ずることがなく、パッケージ内部の気密性を保ちながら、電子部品が封入されたパッケージを製造することができる。

また、本発明に係わるパッケージの製造方法は、貫通孔を充填する導電性物質が電気めっきにより析出される金属材料であることを特徴とする。
このパッケージの製造方法によれば、貫通孔を充填する導電性物質が電気めっきにより形成される金属材料であうことから、充填率が高く、導電性に優れた貫通電極とすることができるため、電気的性能に優れた電子部品が封入されたパッケージを製造することができる。

また、本発明に係わるパッケージの製造方法は、貫通孔を充填する導電性物質がはんだ材料であることを特徴とする。
このパッケージの製造方法によれば、貫通孔を印刷等の汎用技術を用いてペースト状はんだで充填したのち、はんだを溶融加熱することにより、はんだ材料がパッケージ内部に電気的に通じる内部電極と密着良く接続されると同時にパッケージ外部に至るため、貫通電極として機能だけでなく外部電極としての機能、さらに、パッケージを取り付けるべき、外部電子回路部品との接続に使えるようにすることができるので、非常にコスト性に優れたパッケージを提供できる。

また、パッケージの製造方法は、貫通孔を充填する導電物質が銀ペースト等のペースト状導電物質を硬化したものであることを特徴とする。
このパッケージの製造方法によれば、貫通孔を印刷等の汎用技術を用いて銀ペースト等のペースト状導電物質で充填し、この銀ペーストを硬化するので、容易且つ安価に貫通電極を形成することができ、コストに優れたパッケージを提供できる。

この発明によれば、気密性に優れた電子部品封入済みパッケージを安定的に提供できるだけでなく、薄型化や小型化に優れたものを提供することができる。

本発明の実施形態に係わるパッケージの概要を示す図である。本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、リッド基板成形工程を示す図である。本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、ベース基板形成工程を示す図である。本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、電子部品搭載工程を示す図である。本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、貫通電極形成工程を示す図である。本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、外部電極形成工程を示す図である。

本発明に係る実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るパッケージに電子部品としての音叉型水晶振動子を搭載し真空封止したものの概要を示す図であり、図１（ａ）は、上面より透視した図であり、図１（ｂ）は主要分の断面方向における概要を示す図である。

このパッケージ１の主要分は、シリコン単結晶からなるリッド基板２と熱膨張率がほぼ同じ値を有するホウケイ酸ガラスからなるベース基板３と、これらの間に存在し、真空に保たれたキャビティ４の中に搭載された音叉型水晶振動子５から構成されている。

ベース基板３には、音叉型水晶振動子５を保持し、電気的に接続するパッケージ内電極配線としての内部電極６と気密を保ち、この内部電極６と外部電極７とを接続するための貫通電極８が備えられている。

音叉型水晶振動子５は、その表面に形成されている金膜により、同じく表面が金である内部電極６と金―金拡散接合により強固に接合されており、シリコン単結晶からなるリッド基板２とホウケイ酸ガラスからなるベース基板３は、真空中で、所謂、陽極接合法により接合されることにより、音叉型水晶振動子５は気密封止されている。

このような音叉型水晶振動子５を搭載したパッケージ１を作製するための工程は、図２に示したリッド基板成型工程と、図３に示したベース基板形成工程と、図４に示した電子部品搭載工程と、図５に示した貫通電極形成工程と、図６に示した外部電極形成工程から構成されている。

図２に示したリッド基板成型工程では、図２（ａ）に示すように、平行度および平坦度を十分有する単結晶シリコンウエハ９上に、厚膜フォトレジスト１０を貼付した後、図２（ｂ）に示すように、露光現像により所望とするレジストパターン層１１を形成し、サンドブラストによりレジストパターン層１１に覆われていない部分を削りとり、図２（ｃ）に示すように、キャビティ１２を形成し、図２（ｄ）に示すように、最後にレジストパターン層１１を除去することによりリッド基板１３を作製する。なお、図２では、一つのリッド基板断面について記載したが、複数個をまとめて同一のシリコンウエハ９に形成することができる。

図３に示したベース基板形成工程では、図３（ａ）に示すように、平行度および平坦度を十分有するホウケイ酸ガラス基板１４の一表面にスパッタリング法によりガラス基板１４側からクロム、銅膜をそれぞれ５０ｎｍ、５００ｎｍ形成することにより導電層１５を形成した後、図３（ｂ）に示すように、フォトレジスト層１６をコートし、図３（ｃ）に示すように、さらに露光現像により開口部１７を有するめっきレジスト層１８形成する。次いで、図３（ｄ）に示すように、湿式めっき法によりこの開口部１７内にガラス基板１４側から銅めっき層２０μｍ、ニッケルめっき層２μｍおよび金めっき層２μｍを形成することにより金属突起部１９を形成する。さらに、図３（ｅ）に示すように、めっきレジスト層１８を剥離したのち、図３（ｆ）に示すように、金属突起部１９の直下以外の導電層１５をエッチングすることにより除去し、突起状内部電極２０を形成することによりベース基板２１が作製される。なお、図３では、一つのパッケージとなる部分について断面図により説明したが、リッド基板成型工程と同様、複数個をまとめて１枚のガラス基板上に形成することができることは言うまでもない。

図４に示した電子部品搭載工程では、図４（ａ）に示すように、ベース基板２１上の突起状内部電極２０に電子部品である音叉型水晶振動子２２の金からなる電極部に位置をあわせ、熱と超音波を印加することにより、所謂、金−金拡散接合をおこなうことにより音叉型水晶振動子２２をベース基板２１に実装搭載する。次に、図４（ｂ）に示すように、真空中において、音叉型水晶振動子２２が搭載されたベース基板２１とキャビティ２３を有するリッド基板２４を位置合わせし、加熱および加圧しながら、両基板間に電圧を印加することにより、所謂、陽極接合をおこなうことによりベース基板２１とリッド基板２４を一体化することにより音叉型水晶振動子２２を真空気密封止する。

図５に示した貫通電極形成工程では、図５（ａ）に示すように、ベース基板２１の外面にフォトレジスト層２５を形成し、図５（ｂ）に示すように、露光現像を行うことにより開口部２６を有する耐サンドブラストレジスト層２７を形成する。ここで、開口部２６は、貫通電極が形成されるべき貫通孔２８の位置である突起状内部電極２０の直下に形成される。次に、図５（ｃ）に示すように、サンドブラスト法により耐サンドブラストレジスト層２７側からサンドブラストを行うことにより突起状内部電極２０につながる貫通孔２８を開ける。図５（ｄ）に示すように、耐サンドブラストレジスト層２７を剥離後、クロム５０ｎｍ、銅５００ｎｍからなる導電層２９をスパッタリング法により形成する。その後、図５（ｅ）に示すように、ドライフィルムフォトレジスト３０を導電層２９の表面に貼付し、図５（ｆ）に示すように、露光、現像を行い貫通孔２８とその周囲部に開口部３１を有するめっきレジスト層３２を形成し、さらに、図５（ｇ）に示すように、湿式銅めっきにより銅めっき層３３を形成することにより貫通孔２８を銅で埋め込み、図５（ｈ）に示すように、レジスト層３２を除去、研磨により銅めっき層３３の突出部の平坦化と導電層２９を除去行うことにより貫通電極３４を形成する。

図６に示した外部電極形成工程では、図６（ａ）に示すように、外部電極が形成される面に基板面からクロム５０ｎｍ、銅５００ｎｍからなる導電層３５をスパッタリング法により形成し、図６（ｂ）に示すように、フォトレジスト層３６のコート、図６（ｃ）に示すように、露光・現像による開口部３７とめっきレジスト層３８の形成を経て、図６（ｄ）に示すように、湿式めっき法により銅１０μｍ、ニッケル１μｍおよび金０．１μｍ形成することにより外部電極３９を形成し、図６（ｅ）に示すように、レジスト層３８を除去後、図６（ｆ）に示すように、導電層３５のうち不要部をエッチングにより除去することにより、外部電極４０を有した音叉型水晶振動子を搭載したパッケージ４１が作製される。
このようにウエハ状態で複数個まとめて作製されたパッケージ４１は、ダイシングにより機械的に分離することにより個変化し、チップ部品として供することとなる。

本実施の形態では、内部電極形成、電子部品である音叉型水晶振動子を実装後、真空封止を行い、その後に貫通孔の形成を行っている。すなわち、貫通電極に係わる真空・気密封止は直接的には内部電極で行っており、貫通電極形成における電気銅めっき、所謂、フィルドビアめっきによっているものではない。電気めっきによるフィルドビアは、めっき時に生じる空孔やつきまわりの悪さ等により不完全な場合が多々生じることがある。これに対して、本実施の形態では、封止に直接的に係わる内部電極を平坦部に形成するため、空孔をはじめとする欠陥を極力少なくすることができるので、非常に高い確率で封止を行うことができ、信頼性の高いものとすることができる。

さらに、貫通孔をサンドブラスト法により作製したが、炭化ケイ素やアルミナ粒子、ガラス粒子等を用いるサンドブラストはガラスやセラミックス等の脆性材料に対しては非常に効率よく穴明けを行うが、本実施の形態で内部電極に使用した銅や金のような延性、展性に富んだ軟らかい金属に対しては、浸食性が低いので内部電極直下までブラスト作用が及ぶと殆ど停止するので、貫通孔形成には非常に都合がよい方法となる。さらに、ガラスにサンドブラスト法を適用すると、耐サンドブラストレジスト層における開口部の開口径の約２倍程度の深さの地点でサンドブラストによる侵食が飽和に近くなり極端に穴明け速度が低下する。この作用を利用すれば、開口径の２倍程度のガラス厚みのものをベース基板として用いれば、安定的に内部電極にいたる貫通孔を形成することができる。

さらに、サンドブラスト法により貫通孔を作製したが、使用するベース基板の材質や厚み等により、この方法の限りではなく、薬液によるウエットエッチング、反応性ガスを用いたドライエッチング、レーザーによる加工等よび各方法の組み合わせ等による方法の何れもが、貫通孔の作製に適用できる。

さらに、ベース基板およびリッド基板の各々の加工時における薄型化には、強度等により制約があったが、両基板の接合後、または、貫通電極を形成するための銅めっき後、ベース基板およびリッド基板を研磨することにより総厚みを薄くすることが可能となりパッケージの薄型、小型化に大きな効果を奏することができる。

また、本実施の形態では、銅めっきを貫通電極材料として用いたが、必ずしもめっきである必要は無い。すなわち、真空・気密封止は内部電極で行われているため、貫通孔形成後、貫通孔をハンダペーストで充填したのち、溶融してハンダと内部電極を接続し、貫通孔から外にいたるハンダを外部電極を兼ねた貫通電極とすることや、銀ペーストといった流動性を有する接合材で充填することにより貫通電極として用いても可能である。

また、本実施の形態では、電子部品として音叉型水晶振動子を用いたが、ＬＳＩをはじめとする半導体装置や加速度センサーをはじめとする力学量センサー等、真空封止や雰囲気気密封止が必要とされる電子部品であれば如何なるものに対しても適用できることは言うまでもない。

以上、本願発明によれば、ウエハ状態で電子部品を気密封止した複数個のパッケージを同時に作製することができると同時に、小型化、薄型化に優れたものとすることができる。

１、４１パッケージ
２、１３、２４リッド基板
３、２１ベース基板
４、１２、２３キャビティ
５、２２音叉型水晶振動子（電子部品）
６内部電極（パッケージ内電極配線）
７、３９、４０外部電極
８、３４貫通電極
９シリコンウエハ
１０厚膜フォトレジスト
１１レジストパターン
１４ガラス基板
１５、２９、３５導電層
１６、２５、３６フォトレジスト層
１７、２６、３１、３７開口部
１８、３２、３８レジスト層
１９金属突起部
２０突起状内部電極（パッケージ内電極配線）
２７耐サンドブラストレジスト層
２８貫通孔
３０ドライフィルムフォトレジスト
３３銅めっき層

Claims

絶縁性脆性材料を材料とする少なくとも２枚の基板を接合し、内部に構成されるキャビティに電子部品を収納し、収納された電子部品が前記基板を介して外部と電気的に接続するために前記基板の一方又は両方に貫通電極が設けられたパッケージの製造方法であって、
前記キャビティを有するリッド基板を形成するリッド基板形成工程と、
一方の面側にパッケージ内電極配線がなされたベース基板を形成するベース基板形成工程と、
前記ベース基板に電子部品を実装し、前記リッド基板と前記ベース基板とを気密封止接合する電子部品搭載工程を経たのち、前記ベース基板に前記パッケージ内電極配線と外部とを接続するための貫通孔を開け、前記貫通孔を導電性物質で充填する貫通電極形成工程と、
前記ベース基板の他方の面側にもうけられる外部電極を形成する外部電極形成工程と、
を有することを特徴とするパッケージの製造方法。
請求項１に記載のパッケージの製造方法において、前記貫通孔が前記パッケージ内電極配線の直下部に開けられることを特徴とするパッケージの製造方法。
請求項１または請求項２に記載のパッケージの製造方法において、前記導電性物質が電気めっきにより析出される金属材料であることを特徴とするパッケージの製造方法。
請求項１または請求項２に記載のパッケージの製造方法において、前記導電性物質がはんだ材料であることを特徴とするパッケージの製造方法。
請求項１または請求項２に記載の前記パッケージの製造方法において、前記導電性物質が銀ペースト等のペースト状導電物質を硬化したものであることを特徴とするパッケージの製造方法。