JP2016027610A - パッケージ基板、パッケージ、および電子デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】凹部を形成する段部の部分に蓋体がレーザ光の照射により接合されるものであって、接合部分における割れや剥離の発生が抑制されるパッケージ基板を提供する。【解決手段】凹部と、その周囲に配置される段部とを有し、ガラスと電磁波吸収材とを含む接合層を介して前記凹部を覆うように前記段部に蓋体が接合されるパッケージ基板に関する。パッケージ基板の段部の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)は1.0以上である。【選択図】図1
Description
本発明は、パッケージ基板、パッケージ、および電子デバイスに関する。
半導体発光素子や圧電振動子などの電子素子を収容する電子デバイスにおいて、凹部を有するパッケージ基板と、この凹部を覆うように配置される板状の蓋体とが、凹部を形成する段部の部分において接合されたパッケージが使用されている。
パッケージ基板と蓋体との接合方法として、金属接着剤を使用する方法が知られている。金属接着剤として、例えば、AuSn合金、高融点半田、Agロウが使用されている。金属接着剤を使用する場合、金属接着剤を介してパッケージ基板と蓋体とを積層した後、これらの全体を熱処理して接合が行われる(例えば、特許文献1参照)。
また、別の接合方法として、低融点ガラスを使用する方法が知られている。低融点ガラスを使用する場合についても、低融点ガラスを介してパッケージ基板と蓋体とを積層した後、これらの全体を熱処理して接合が行われる(例えば、特許文献2参照)。
さらに、別の接合方法として、接合部分を含めたパッケージ基板および蓋体の全体を熱処理する代わりに、接合部分のみにレーザ光を照射する方法が知られている。このような接合方法によれば、接合部分を除いて温度上昇が抑制されることから、パッケージに収容される電子素子の特性低下を抑制しやすい(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、レーザ光を照射する方法の場合、凹部を有するパッケージ基板と蓋体との接合部分に割れや剥離が発生しやすく、電子素子等の収容物の保護に優れるパッケージを製造することが難しい。特に、蓋体のうち、パッケージ基板の凹部を形成する段部が接合される部分に割れが発生しやすいとともに、このような段部と蓋体との間に剥離が発生しやすい。接合部分に割れや剥離が発生すると、外部からの接触や衝撃によって蓋体が外れやすくなり、凹部に収容される電子素子等の保護が不十分となる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、凹部を形成する段部の部分にレーザ光の照射により蓋体が接合されるものであって、接合部分における割れや剥離の発生が抑制されるパッケージ基板を提供することを目的とする。また、本発明は、このようなパッケージ基板に蓋体が接合されたパッケージを提供することを目的とする。
本発明のパッケージ基板は、凹部と、その周囲に配置される段部とを有し、ガラスと電磁波吸収材とを含む接合層を介して上記凹部を覆うように上記段部に蓋体が接合されるパッケージ基板に関する。本発明のパッケージ基板は、段部の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)が1.0以上であることを特徴とする。
本発明のパッケージは、パッケージ基板、蓋体、および接合層を有する。パッケージ基板は、凹部と、その周囲に配置される段部とを有し、段部の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)が1.0以上である。蓋体は、パッケージ基板の凹部を覆うようにしてパッケージ基板に対向して配置される。接合層は、ガラスと電磁波吸収材とを含み、パッケージ基板の段部においてパッケージ基板と蓋体とを接合する。
本発明によれば、パッケージ基板における段部の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)を1.0以上とすることにより、レーザ光の照射により蓋体を接合したとき、接合部分における割れや剥離の発生を抑制して、収容物の保護が良好なパッケージを得ることができる。
図1は、電子デバイス10の一実施形態を示す断面図である。
電子デバイス10は、パッケージ20と、このパッケージ20の内部に収容される電子素子30とを有する。また、パッケージ20は、パッケージ基板21、蓋体22、および接合層23を有する。
電子デバイス10は、パッケージ20と、このパッケージ20の内部に収容される電子素子30とを有する。また、パッケージ20は、パッケージ基板21、蓋体22、および接合層23を有する。
パッケージ基板21は、例えば、四角形状の平面形状を有するものであり、外縁部に沿って環状に段部211が設けられ、この段部211の内側に電子素子30が収容される凹部212が形成されている。段部211は、パッケージ基板21に一体に設けられており、他の部分と同一の材料から構成されている。蓋体22は、例えば、パッケージ基板21の平面形状と同様の四角形状の平面形状を有するとともに、凹部や段部を有しない平板状のものであって、パッケージ基板21の段部211および凹部212を覆うようにパッケージ基板21に対向して配置されている。
接合層23は、パッケージ基板21の段部211と、蓋体22のうち段部211に対向する部分との間に配置されて、これらパッケージ基板21と蓋体22とを接合している。接合層23は、ガラスと電磁波吸収材とを少なくとも含んでいる。
パッケージ20は、ガラスと電磁波吸収材とを少なくとも含む接合層23によりパッケージ基板21と蓋体22とが接合されるものであり、パッケージ基板21と蓋体22との接合がレーザ光の照射により行われるものである。
パッケージ20においては、以下に説明するようにパッケージ基板21の段部211の形状が所定の形状を有することにより、さらに好ましくは接合層23の形状が所定の形状を有することにより、接合部分における割れや剥離の発生が抑制される。これにより、接合部分の強度が向上して、その内部に収容される電子素子30の破損や特性の低下が抑制される。また、段部211の形状を完全な環状とすることにより、気密性を向上できる。
ここで、接合部分における割れとしては、接合層23、パッケージ基板21、蓋体22における割れが挙げられる。パッケージ基板21における割れとしては、例えば、接合層23が接合される段部211における割れが挙げられる。蓋体22における割れとしては、例えば、接合層23が接合される表面側の部分における割れが挙げられる。また、接合部分における剥離としては、パッケージ基板21または蓋体22と接合層23との間の剥離が挙げられる。
段部211の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)は1.0以上である。ここで、段部211の高さ(h1)は、凹部212の底面の位置から段部211の先端面の位置までの高さ方向の長さである。また、段部211の幅(w1)は、高さ方向に対して垂直な方向の段部211の長さである。
比(w1/h1)が1.0未満の場合、段部211の高さ(h1)に対して幅(w1)が相対的に狭いことから、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げにくく、蓋体22へと逃げやすくなる。この結果、蓋体22の温度、特に接合層23が接合される付近の温度が上昇して、割れや剥離が発生しやすくなる。
比(w1/h1)が1.0以上の場合、段部211の高さ(h1)に対して幅(w1)が相対的に広くなることから、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくなり、蓋体22における温度の上昇が抑制される。これにより、割れや剥離の発生が抑制される。
比(w1/h1)は、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくする観点から、1.5以上が好ましく、2.0以上がより好ましく、3.0以上がさらに好ましい。一方、比(w1/h1)が過度に高くなると、段部211の幅(w1)の増加に伴って凹部212の面積が減少し、これにより電子素子30を収容することが難しくなることから、15.0以下が好ましく、7.0以下がより好ましく、4.0以下がさらに好ましい。
なお、段部211の幅(w1)は、必ずしも段部211の周方向において一定である必要はない。例えば、周方向においてコーナ部分が他の部分よりも幅を広くする場合が考えられる。このような場合には、周方向において最も幅(w1)が狭くなる部分について上記比(w1/h1)を満足することが好ましい。通常、周方向において最も幅(w1)が狭くなる部分について上記比(w1/h1)を満足していれば、高さ(h1)は周方向において一定であることから、周方向における他の部分についても上記比(w1/h1)を満足する。
また、パッケージ基板21としては、段部211が完全な環状に設けられている必要はなく、不連続に段部211が設けられていてもよい。このようなパッケージ基板21としては、例えば、四角形状の平面形状を有するパッケージ基板21の対向する一対の外縁部のみに段部211を有するものが挙げられる。このようなパッケージ基板21については、段部211が設けられている部分であって、かつ最も幅(w1)が狭くなる部分について上記比(w1/h1)を満足することが好ましい。
また、段部211の幅(w1)は、必ずしも段部211の高さ方向において一定である必要はなく、例えば、段部211の付け根の部分から先端の部分に向かって徐々に幅(w1)が減少するものでもよい。このような場合には、最も幅(w1)が狭くなる部分、すなわち段部211の先端の部分について上記比(w1/h1)を満足していることが好ましい。
段部211の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)と、接合層23の幅(w2)と高さ(h2)との積(w2・h2)との比((w1/h1)/(w2・h2))は100[mm−2]以上であることが好ましい。ここで、接合層23の高さ(h2)は、接合層23の厚さ方向の長さである。接合層23の幅(w2)は、接合層23の厚さ方向に対して垂直な方向の長さである。
比((w1/h1)/(w2・h2))が100[mm−2]未満の場合、接合層23の断面積が相対的に大きいことから、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げにくく、蓋体22へと逃げやすくなる。比((w1/h1)/(w2・h2))が100[mm−2]以上の場合、接合層23の断面積が相対的に小さいことから、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくなるために好ましい。
比((w1/h1)/(w2・h2))は、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくする観点から、200[mm−2]以上が好ましく、300[mm−2]以上がより好ましく、500[mm−2]以上がさらに好ましい。
一方、比((w1/h1)/(w2・h2))が過度に高くなる場合、段部211の幅(w1)の増加に伴って凹部212の面積が減少し、これにより電子素子30を収容することが難しくなるとともに、接合層の断面積(w2・h2)の減少に伴い、接合強度が十分でなくなるおそれがあることから、5000[mm−2]以下が好ましく、2500[mm−2]以下がより好ましく、1000[mm−2]以下がさらに好ましい。
段部211の幅(w1)は、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくする観点から、0.5mm以上が好ましく、1.0mm以上がより好ましく、1.5mm以上がさらに好ましい。また、段部211の幅(w1)は、電子素子30を収容する面積を確保する観点から、5.0mm以下が好ましく、4.0mm以下がより好ましく、3.0mm以下がさらに好ましい。
また、段部211の幅(w1)はパッケージ基板サイズの20%以下が好ましく、15%以下がより好ましく、10%以下がさらに好ましい。具体的には7mm角サイズパッケージの場合、段部211の幅(w1)は1.4mm以下が好ましく、20mm角サイズパッケージの場合、段部211の幅(w1)は4mm以下が好ましい。
段部211の高さ(h1)は、電子素子30を収容する高さを確保する観点から、0.2mm以上が好ましく、0.4mm以上がより好ましく、0.6mm以上がさらに好ましい。また、段部211の高さ(h1)は、接合時に接合層23に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくする観点から、1.5mm以下が好ましく、1.0mm以下がより好ましく、0.8mm以下がさらに好ましい。
接合層23の幅(w2)は、この接合層23を形成する接合材料層の印刷性の観点や接合強度を確保する観点から、0.1mm以上が好ましく、0.15mm以上がより好ましく、0.2mm以上がさらに好ましい。また、接合層23の幅(w2)は、接合時に接合層23から他の部分へと移動する熱量を少なくする観点から、1.0mm以下が好ましく、0.8mm以下がより好ましく、0.5mm以下がさらに好ましい。
接合層23の高さ(h2)は、接合強度を確保する観点から、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。また、接合層23の高さ(h2)は、接合時に接合層23から他の部分へと移動する熱量を少なくする観点から、50μm以下が好ましく、25μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましい。
このようなパッケージ20は、比較的小型の電子素子30の収容に適しており、半導体発光素子、圧電振動子などの収容に適している。また、本発明のパッケージ20は、接合層23が無機材料からなるために紫外線の照射による劣化が少ないことから、特に、紫外線を発生する半導体発光素子などの収容に適している。
パッケージ20は、一辺の長さが50mm以下の四角形状の平面形状を有することが好ましく、一辺の長さが30mm以下の四角形状の平面形状を有することがより好ましい。このような小型のパッケージ20の場合、接合層23に大きな接合強度が必要とされないことから、接合層23の幅(w2)を狭くしたり、接合層23の高さ(h2)を低くしたりすることができ、これにより接合時に接合層23から他の部分へと移動する熱量を少なくして割れや剥離の発生を抑制しやすくなる。
図2に示すように、パッケージ20には、必要に応じて、段部211と接合層23との間に、平坦性を向上させるために、または断熱のために、ガラス層24を設けることが好ましい。
例えば、段部211の表面の平坦性が低い場合、レーザ光を照射したときに局所的に発熱するなどの温度分布が発生しやすい。このような場合には、ガラス層24を設けて平坦性を向上させることにより、温度分布の発生を抑制することが好ましい。
また、例えば、段部211を構成する材料の熱伝導率が高い場合、レーザ光の照射により発生した熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくなるために、接合層23の温度が上昇しにくくなる。このような場合には、ガラス層24を設けて段部211への熱の移動を抑制することにより、接合層23の温度を上昇しやすくすることが好ましい。
さらに、例えば、段部211を構成する材料がセラミックスの場合、ガラスの場合よりもガラス層との反応性が低く接合強度が弱い。このような場合には、ガラス層24を設けてガラス-ガラス反応とすることにより、接合強度を高めることが好ましい。特に、段部の幅(w1)と高さ(h1)の比(w1/h1)が小さい場合は、割れや剥離が起こりやすいが、ガラス層24を設けることで、低レーザ出力で高強度に接合できることから、接合部分の割れや剥離が抑制でき好ましい。
ガラス層形成用のガラス材料としては、例えば、SiO2−B2O3−REO(RE:アルカリ土類金属、REO:アルカリ土類金属酸化物)系、SiO2−B2O3−PbO系、 B2O3−ZnO−PbO系、SiO2−ZnO−REO系、SiO2−REO系、 SiO2−PbO系、 SiO2−B2O3−R2O(R:アルカリ金属)系、 SiO2−B2O3−Bi2O3系、SiO2−B2O3−ZnO系、B2O3−ZnO−Bi2O3系、SiO2−ZnO−R2O系、B2O3−Bi2O3系等が挙げられる。
また、ガラス−ガラス反応とするため、ガラス層24は1%以下のセラミックスフィラーを含んでもよいが、セラミックスフィラーを含まないことが好ましい。すなわち、ガラス層形成用のガラスペーストはガラス材料と有機成分のみで構成されてもよい。
ガラス層24の厚さは、1μm以上が好ましい。ガラス層24の厚さが1μm以上の場合、平坦性、断熱性、接合性が顕著に向上する。平坦性、断熱性、接合性を向上させる観点から、3μm以上がより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。一方、ガラス層24の厚さは、20μm以下が好ましい。ガラス層24の厚さが20μm以下の場合、ガラス層24に生じる応力やクラックが低減可能となる。ガラス層24の厚さは、15μm以下がより好ましく、10μm以下がさらに好ましい。
ガラス層24の蓋体22側の主面における表面粗さは、算術平均粗さRaで0.2μm以下が好ましい。算術平均粗さRaが0.2μm以下の場合、平坦性が良好となるためにレーザ光を照射したときの局所的な発熱が抑制されて接合強度が向上する。
また、ガラス層24とパッケージ基板21との50℃から350℃における平均熱膨張係数の差[(ガラス層の平均熱膨張係数)−(パッケージ基板の平均熱膨張係数)]は、−20×10−7/℃〜20×10−7/℃が好ましい。平均熱膨張係数の差が−20×10−7/℃〜20×10−7/℃の場合、反りやクラックの発生が抑制可能となる。
ガラス層24の形成は、例えば以下のようにして行われる。まず、焼成したパッケージ基板21を必要に応じて研磨して平坦化した後、段部211の全面あるいは封止領域にガラスペーストを塗布した後、これを乾燥させて有機溶媒を除去する。塗布は、スクリーン印刷、グラビア印刷などの印刷法により、またはディスペンサなどにより行われる。次いで、このガラスペーストの塗布層をガラスフリットのガラス転移点以上の温度に加熱して塗布層内のバインダー成分を除去した後、ガラスフリットの軟化点以上の温度に加熱してガラスフリット溶融させてパッケージ基板へ焼き付ける。このようにして、パッケージ基板21にガラス層24を形成することができる。
パッケージ基板21、蓋体22は、いずれも無機材料からなる。無機材料としては、ガラス、セラミックスが挙げられる。通常、パッケージ基板21の材料は、放熱性の観点からセラミックスが好ましく、蓋体22の材料は、透明性などの観点からガラスが好ましい。
パッケージ基板21および蓋体22を構成するガラスとしては、ソーダライムガラス、ホウ酸塩ガラス、無アルカリガラス、化学強化ガラス、物理強化ガラスなどが挙げられる。パッケージ基板21および蓋体22を構成するセラミックスとしては、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、ガラスセラミックスなどが挙げられる。パッケージ基板21および蓋体22のいずれか一方にセラミックスを使用した場合には、他方の部材にはレーザ光を透過させるためにガラスを使用することが好ましい。
ガラスセラミックスは、ガラスとセラミックスとを含むものであり、通常、ガラス粉末とセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体である。ガラスセラミックスは、その他のセラミックスに比べて焼成温度が低いことから焼成が容易であり、銀との同時焼成も可能となるために好ましい。また、ガラスセラミックスは、その他のセラミックスに比べて加工性が良好であるために好ましい。
ガラスセラミックスを構成するガラスとしては、ガラスセラミックスの製造に使用される公知のガラスを特に制限なく使用できる。ガラスとしては、例えば、酸化物換算のモル割合で、SiO2を57〜65%、B2O3を13〜18%、CaOを9〜23%、Al2O3を3〜8%、K2OおよびNa2Oから選ばれる少なくとも一方を合計で0.5〜6%含有するものが挙げられる。
ガラスセラミックスを構成するセラミックスについても、ガラスセラミックスに使用される公知のセラミックスを特に制限なく使用できる。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、またはアルミナとジルコニアとの混合物などが好適に使用される。セラミックスは、ガラスとセラミックスとの合計量中、50〜70質量%含有されることが好ましい。
接合層23は、ガラスと電磁波吸収材とを必須成分として含むものであり、通常、ガラス粉末と電磁波吸収材とを必須成分として含む接合材料の焼成物である。接合層23は、必要に応じて低熱膨張材を含むことが好ましい。
電磁波吸収材は、レーザ光などの電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換するものであり、接合時にガラス粉末を溶融させるために加えられる。低熱膨張材は、パッケージ基板21および蓋体22と接合層23との熱膨張の違いによる割れや剥離を抑制するために必要に応じて加えられる。通常、電磁波吸収材、低熱膨張材は、接合層23に粒子状態で含まれている。
接合層23を構成するガラスとしては、種々のガラスを使用できるが、低融点ガラスが好ましい。低融点ガラスとしては、ビスマス系ガラス、スズ−リン酸系ガラス、バナジウム系ガラス、ホウ酸亜鉛系ガラスなどが挙げられる。これらのガラスは、融点が低く、十分な流動性を確保できることから、高い接着強度を得ることができる。これらの中でも、接合性、信頼性、環境および人体に対する影響を考慮して、ビスマス系ガラス、スズ−リン酸系ガラスが好ましく、ビスマス系ガラスがより好ましい。
ビスマス系ガラスは、酸化物換算の質量割合で、Bi2O3を70〜90%、ZnOを1〜20%、B2O3を2〜12%含有することが好ましい。このようなガラス組成を有することにより接合性が良好になる。
ビスマス系ガラスは、ガラスを安定化させる成分として、Al2O3、SiO2、CaO、SrO、およびBaOから選ばれる1種以上の成分を含有することが好ましい。これらの合計した含有量は、ビスマス系ガラスの全体中、5%以下が好ましい。
ビスマス系ガラスは、さらに、軟化温度、粘性などを調整する成分として、Cs2O、CeO2、Ag2O、WO3、MoO3、Nb2O3、Ta2O5、Ga2O3、Sb2O3、P2O5、およびSnOxから選ばれる1種以上の成分を含有できる。これらの合計した含有量は、ビスマス系ガラスの全体中、10%以下が好ましい。
接合層23を構成する電磁波吸収材としては、電磁波エネルギーを熱エネルギーに変換できればよいが、導電性金属酸化物が好ましい。導電性金属酸化物は、単独で成膜したときに、膜の比抵抗が1×10−4〜9×10−3Ω・cmとなることが好ましい。このような比抵抗を有する導電性酸化物材料であれば、電磁波エネルギーを熱エネルギーに効率よく変換できる。
なお、電磁波吸収材としては、これまで使用されている黒色系の顔料または遷移金属酸化物などもできる。しかし、導電性金属酸化物は、これらのものよりも吸収できる電磁波の波長の範囲が広く、また吸収できる電磁波の量も多いことから、電磁波吸収材として好ましい。
導電性金属酸化物としては、単体の金属酸化物、複合金属酸化物、ドーパントを含む金属酸化物などが挙げられる。単体の金属酸化物、複合金属酸化物、ドーパントを含む金属酸化物は、1種を使用してもよいし、2種以上を組合せて使用してもよい。例えば、導電性金属酸化物として、ITO(スズドープ酸化インジウム)を単独で使用してもよく、ITOとFTO(フッ素ドープ酸化スズ)とを組合せて使用してもよい。
導電性金属酸化物としては、特に、透明導電性金属酸化物が好ましい。透明導電性金属酸化物としては、インジウム系酸化物、錫系酸化物、亜鉛系酸化物などが挙げられる。
インジウム系酸化物としては、ITO(スズドープ酸化インジウム)などが挙げられる。
錫系酸化物としては、ドーパントを含む錫系酸化物などが挙げられる。錫系酸化物のドーパントとしては、Sb、Nb、Ta、Fなどが挙げられる。ドーパントを含む錫系酸化物としては、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)などが挙げられる。
亜鉛系酸化物としては、ドーパントを含む亜鉛系酸化物などが挙げられる。亜鉛系酸化物のドーパントとしては、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Ti、Zr、Hfなどが挙げられる。
接合層23を構成する低熱膨張材としては、接合層23に含まれるガラスよりも線膨張係数の低いものが挙げられる。通常、低熱膨張材としては、セラミックスが使用される。セラミックスとしては、マグネシア、カルシア、シリカ、アルミナ、ジルコニア、ジルコン、コージェライト、リン酸タングステン酸ジルコニウム、タングステン酸ジルコニウム、リン酸ジルコニウム、ケイ酸ジルコニウム、チタン酸アルミニウム、ムライト、ユークリプタイト、スポジュメンなどが挙げられる。
接合層23は、低熱膨張材の有無にかかわらず、ガラス、低熱膨張材、および電磁波吸収材の合計中、導電性金属酸化物を1〜60体積%含むことが好ましい。導電性金属酸化物の含有量が1体積%以上の場合、電磁波の吸収量が多くなり、これにより発生する熱量も多くなる。導電性金属酸化物の含有量は、3体積%以上がより好ましく、5体積%以上がさらに好ましい。一方、導電性金属酸化物の含有量が60体積%以下の場合、接合時の流動性が高くなるために接合強度が高くなる。導電性金属酸化物の含有量は、45体積%以下がより好ましく、25体積%以下がさらに好ましい。
また、接合層23が低熱膨張材を含む場合、低熱膨張材の含有量は、ガラス、低熱膨張材、および電磁波吸収材の合計中、1〜70体積%が好ましい。低熱膨張材の含有量が1体積%以上の場合、接合層23の熱膨張が効果的に改善される。低熱膨張材の含有量は、10体積%以上がより好ましい。一方、低熱膨張材の含有量が70体積%以下の場合、接合時の流動性が高くなるために接着強度が高くなる。低熱膨張材の含有量は、50体積%以下がより好ましい。
次に、パッケージ20の製造方法について説明する。以下では、パッケージ基板21にセラミックスであるガラスセラミックスを使用し、蓋体22にガラスである無鉛ガラスを使用したときを例に挙げて説明する。
パッケージ基板21は、例えば、成形工程、積層工程、焼成工程をこの順に行って製造することができる。以下、各工程について具体的に説明する。
成形工程では、まず、ガラス粉末とセラミックス粉末とを混合して、ガラスセラミックス組成物を製造する。ガラス粉末とセラミックス粉末とは、ガラス粉末とセラミックス粉末との合計量中、セラミックス粉末が50〜70質量%となるように配合することが好ましい。
その後、ガラスセラミックス組成物に、バインダー、必要に応じて、可塑剤、分散剤、溶剤などを添加してスラリーを製造する。さらに、このスラリーをドクターブレード法などによりシート状に成形し、乾燥させて、グリーンシートを成形する。
バインダーとしては、ポリビニルブチラール、アクリル樹脂などが挙げられる。可塑剤としては、フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ブチルベンジルなどが挙げられる。また、溶剤としては、トルエン、キシレン、2−プロパノール、2−ブタノールなどの有機溶剤が挙げられる。
グリーンシートは、例えば、パッケージ基板21の底部を形成するための底部用グリーンシートと、パッケージ基板21の段部211および凹部212を形成するための段部用グリーンシートとが製造される。これらのグリーンシートのうち段部用グリーンシートについては、凹部212となる部分が打ち抜かれて段部211となる部分が残される。
パッケージ基板21の段部211における幅(w1)、高さ(h1)、比(w1/h1)の調整は、段部用グリーンシートの製造時または加工時に行うことができる。例えば、段部用グリーンシートから凹部212となる部分を打ち抜くとき、段部211として残される部分の幅を調整することにより、段部211の幅(w1)を調整できる。また、段部用グリーンシートの使用枚数、個々の厚さを調整することにより、段部211の高さ(h1)を調整できる。なお、段部211の幅(w1)、高さ(h1)、比(w1/h1)の調整は、これら以外の方法により行ってもよい。
底部用グリーンシート、段部用グリーンシートには、必要に応じて、配線などを形成するためにスクリーン印刷法などにより導体ペーストが塗布されてもよい。導体ペーストとしては、例えば、銅、銀、金などを主成分とする金属粉末に、エチルセルロースなどのビヒクル、必要に応じて溶剤などが添加されたペースト状のものが挙げられる。
積層工程では、底部用グリーンシート上に、凹部212となる部分が打ち抜かれて段部211となる部分が残された段部用グリーンシートが積層され、焼成によりパッケージ基板21となる未焼成の積層体が製造される。
焼成工程では、未焼成の積層体を焼成してパッケージ基板21を製造する。焼成条件は、ガラスセラミックスの緻密化、生産性などを考慮して、焼成温度は800〜930℃が好ましく、焼成時間は10〜60分が好ましい。なお、焼成前には、バインダーなどを除去するための脱脂を行うことが好ましい。脱脂条件は、バインダーなどの除去効果、生産性などを考慮して、脱脂温度は500〜600℃が好ましく、脱脂時間は1〜10時間が好ましい。
別途、ガラス粉末、電磁波吸収材、必要に応じて低熱膨張材を混合して、接合層23の形成に使用される接合材料を製造する。さらに、接合材料には、樹脂バインダーおよび有機溶媒を含有するビヒクルを混合して、接合層23の形成に使用される接合ペーストを製造する。接合ペーストには、界面活性剤、増粘剤などが添加されてもよい。
樹脂バインダーとしては、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、オキシエチルセルロース、ベンジルセルロース、プロピルセルロース、メタクリル酸エステル、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、ブチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシエチルメタアクリレートなどのアクリル樹脂、エチルセルロース、ポリエチレングリコール誘導体、ニトロセルロース、ポリメチルスチレン、およびポリエチレンカーボネートなどが使用できる。
有機溶媒としては、N、N’−ジメチルホルムアミド(DMF)、α−ターピネオール、高級アルコール、γ−ブチルラクトン(γ−BL)、テトラリン、エチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトールアセテート、メチルエチルケトン、酢酸エチル、酢酸イソアミル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ベンジルアルコール、トルエン、3−メトキシ−3−メチルブタノール、トリエチレングリコールモノメチルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノブチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル、トリプロピレングリコールモノブチルエーテル、プロピレンカーボネート、ジメチルスルホキシド(DMSO)およびN−メチル−2−ピロリドンなどが使用できる。特に、α−ターピネオールは、高粘性であり、樹脂バインダーなどの溶解性も良好であるために好ましい。
次に、蓋体22の表面のうち接合層23により接合される部分に接合ペーストを塗布した後、これを乾燥させて有機溶媒を除去する。塗布は、スクリーン印刷、グラビア印刷などの印刷法により、またはディスペンサなどにより行われる。また、乾燥は、有機溶媒の種類によっても異なるが、好ましくは、120℃以上の乾燥温度、5分以上の乾燥時間により行われる。乾燥により有機溶媒を十分に除去することで、焼成時に樹脂バインダーが除去されやすくなる。
その後、蓋体22に設けられた接合ペーストを溶融(仮焼成)および固化させて、蓋体22に接合層23となる接合材料層を形成する。溶融条件は、450℃以上の温度が好ましく、10分以上の時間が好ましい。また、溶融条件は、接合材料層に結晶相が析出しない条件が好ましい。
その後、図3、図4に示すように、凹部212に電子素子30が収容されたパッケージ基板21と、接合材料層25が形成された蓋体22とを、凹部212および段部211を有する表面側と、接合材料層25を有する表面側とが対向するように積層する。これにより、パッケージ基板21の段部211と、蓋体22の接合材料層25とを接触させる。ここで、図3は、積層前の状態を示し、図4は、積層後の状態を示している。
なお、段部211の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)と、接合材料層25の幅(w3)と高さ(h3)との積(w3・h3)との比((w1/h1)/(w3・h3))は100[mm−2]以上であることが好ましい。ここで、接合材料層25の高さ(h3)は、接合材料層25の厚さ方向の長さである。接合材料層25の幅(w3)は、接合材料層25の厚さ方向に対して垂直な方向の長さである。
比((w1/h1)/(w3・h3))が100[mm−2]未満の場合、接合層23の断面積が相対的に大きいことから、接合時に接合材料層25に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げにくく、蓋体22へと逃げやすくなる。比((w1/h1)/(w3・h3))が100[mm−2]以上の場合、接合層23の断面積が相対的に小さいことから、接合時に接合材料層25に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくなるために好ましい。
比((w1/h1)/(w3・h3))は、接合時に接合材料層25に発生する熱が段部211を通してその他の部分へと逃げやすくする観点から、200[mm−2]以上が好ましく、300[mm−2]以上がより好ましく、500[mm−2]以上がさらに好ましい。一方、比((w1/h1)/(w3・h3))が過度に高くなる場合、接合強度が十分でなくなるおそれがあることから、5000[mm−2]以下が好ましく、2500[mm−2]以下がより好ましく、1000[mm−2]以下がさらに好ましい。
接合材料層25の幅(w3)は、この接合材料層25の印刷性や接合層23の接合強度を確保する観点から、0.1mm以上が好ましく、0.15mm以上がより好ましく、0.2mm以上がさらに好ましい。また、接合材料層25の幅(w3)は、接合時に接合材料層25から他の部分へと移動する熱量を少なくする観点から、1.0mm以下が好ましく、0.8mm以下がより好ましく、0.5mm以下がさらに好ましい。
接合材料層25の高さ(h3)は、接合強度を確保する観点から、1μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、5μm以上がさらに好ましい。また、接合材料層25の高さ(h3)は、接合時に接合材料層25から他の部分へと移動する熱量を少なくする観点から、50μm以下が好ましく、25μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましい。
次いで、図5に示すように、蓋体22を通してレーザ光40が照射されることにより、接合材料層25が溶融および固化されて焼成される。例えば、蓋体22の外縁部に沿って接合材料層25が環状に設けられている場合、接合材料層25に沿って一周するようにレーザ光40が走査されて焼成される。これにより、接合材料層25の焼成により形成された接合層23により、パッケージ基板21と蓋体22とが接合される。
この際、段部211の形状が所定の形状を有することで、好ましくは接合層23の形状が所定の形状を有することで、接合部分における割れや剥離の発生が抑制される。これにより、気密性の良好なパッケージ20が製造される。
レーザ光40としては、半導体レーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、YAGレーザ、HeNeレーザなどが使用される。接合材料層25の加熱温度は、ガラス粉末の軟化温度T(℃)に対して、温度T1(=T+80℃)以上、温度T2(=T+550℃)以下が好ましい。ここで、ガラス粉末の軟化温度Tは、軟化流動するが結晶化しない温度である。また、接合材料層25の加熱温度は、放射温度計により測定される。
接合材料層25が温度T1に達しない場合、接合材料層25の表面部分のみが溶融されて、パッケージ基板21と接合層23とが十分に接合されないおそれがある。一方、接合材料層25が温度T2を超える場合、パッケージ基板21、蓋体22、接合層23に割れが発生しやすくなる。
レーザ光40の走査速度は1〜20mm/秒が好ましい。レーザ光40の走査速度が1mm/秒以上の場合、パッケージ20の生産性が良好となる。一方、レーザ光40の走査速度が20mm/秒を超える場合、レーザ出力が高くなるために残留応力が発生しやすくなり、パッケージ基板21、蓋体22、接合層23に割れが発生しやすくなる。
レーザ光40の出力は10〜100Wの範囲が好ましい。レーザ光40の出力が10W未満の場合、接合材料層25が均一に加熱されないおそれがある。一方、レーザ光40の出力が100Wを超える場合、パッケージ基板21、蓋体22、接合層23が過度に加熱されて割れが発生しやすくなる。
レーザ光40のビーム形状(すなわち、照射スポットの形状)は、一般的には円形であるが、接合材料層25の長手方向が長径方向となる楕円形などでもよい。楕円形のビーム形状によれば、レーザ光40の照射面積を確保しやすく、レーザ光40の走査速度を高くして焼成時間を短縮できる。
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
なお、本発明は以下の実施例に限定されない。
(実施例1)
接合材料の各成分として、以下のものを用意した。ガラス粉末として、質量割合で、Bi2O3 83%、ZnO 11%、B2O3 5%、Al2O3 1%の組成を有するビスマス系ガラス粉末(軟化温度:410℃)を用意した。電磁波吸収材として、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)粉末を用意した。低熱膨張材として、コージェライト粉末を用意した。ガラス粉末のD50(メジアン径)は1.2μm、電磁波吸収材のD50は1.0μm、低熱膨張材のD50は4.3μmである。
接合材料の各成分として、以下のものを用意した。ガラス粉末として、質量割合で、Bi2O3 83%、ZnO 11%、B2O3 5%、Al2O3 1%の組成を有するビスマス系ガラス粉末(軟化温度:410℃)を用意した。電磁波吸収材として、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)粉末を用意した。低熱膨張材として、コージェライト粉末を用意した。ガラス粉末のD50(メジアン径)は1.2μm、電磁波吸収材のD50は1.0μm、低熱膨張材のD50は4.3μmである。
ガラス粉末、電磁波吸収材、および低熱膨張材のD50は、いずれも粒度分析計(日機装社製、マイクロトラックHRA)を用いて測定した。測定条件は、測定モード:HRA−FRAモード、Particle Transparency:Yes、Spherical Particles:No、Particle Refractive index:1.75、Fluid Refractive index:1.33とした。それぞれの粉末を水およびヘキサメタリン酸に分散させたスラリーを超音波で分散させた後、D50を測定した。
次に、各成分を混合して、接合材料を製造した。各成分の割合は、ガラス粉末 60.7体積%、電磁波吸収材 13.2体積%、低熱膨張材 26.1体積%とした。接合材料の線膨張係数(50〜450℃)は、66×10−7/℃である。
接合材料の線膨張係数(50〜450℃)は、以下のようにして測定した。まず、接合材料をガラス粉末の軟化温度プラス30℃から結晶化温度マイナス30℃までの温度範囲で10分間加熱焼成して、焼結体を製造した。この焼結体を研磨して、長さ20mm、直径5mmの丸棒形状の試料を製造した。その後、この試料の線膨張係数をリガク社製TMA8310により測定した。線膨張係数(50〜450℃)は、このようにして測定された50〜450℃の温度範囲における平均線膨張係数である。
さらに、接合材料 85質量%とビヒクル 15質量%とを混合した後、3本ロールミルに通して、接合ペーストを製造した。ビヒクルには、有機バインダーとしてのエチルセルロース 5質量%と、溶媒としてのジエチレングリコールモノ−2−エチルヘキシルエーテル 95質量%との混合物を使用した。
別途、蓋体として、ホウケイ酸ガラス(線膨張係数(25〜400℃):64×10−7/℃)からなるガラス基板(寸法:7mm×7mm×0.2mmt)を用意した。この蓋体の表面には、スクリーン印刷により環状となるように外縁部に接合ペーストを塗布した。スクリーン印刷には、メッシュサイズが180(目開き91μm)、乳剤厚が10μmのスクリーン版を使用した。
スクリーン印刷後、接合ペーストを120℃かつ10分の条件で乾燥させ、さらに480℃かつ10分の条件で仮焼成して、蓋体の表面に接合材料層を形成した。
その後、接合材料層の幅(w3)を、接合材料層が形成されていない蓋体の裏面側から光学顕微鏡を用いて測定した。接合材料層の幅(w3)として、任意の4点について印刷にじみやムラを除いた最短距離を測定して平均値を求めた。接合材料層の厚さ(h3)は、SURFCOM((株)東京精密製、1400D)を用いて測定した。接合材料層の厚さ(h3)として、任意の4点で接合材料層の厚さを測定して平均値を求めた。
なお、接合材料層の幅(w3)は、その後に行われる焼成の前後(パッケージ基板と蓋体との接合の前後)においてほとんど変化しない。このため、接合材料層の幅(w3)は、接合層の幅(w2)と同視することができる。同様に、接合材料層の高さ(h3)についても、その後に行われる焼成の前後(パッケージ基板と蓋体との接合の前後)においてほとんど変化しない。このため、接合材料層の高さ(h3)は、接合層の高さ(h2)と同視することができる。
また、別途、パッケージ基板として、ホウケイ酸ガラス(線膨張係数(25〜400℃):64×10−7/℃)からなるガラス基板(寸法:7mm×7mm×1.3mmt)の内側に5mm×5mm×1mmの凹部を形成して、幅(w1)が1mmかつ高さ(h1)が1mmの枠状の段部を有するものを用意した。
その後、凹部を有するパッケージ基板と、接合材料層が形成された蓋体とを積層した。さらに、蓋体を通して接合材料層に対して、波長808nm、スポット径1.6mm、出力23Wのレーザ光(半導体レーザ)を4mm/秒の走査速度で照射して接合層とした。なお、レーザ光の強度分布は一定に整形せず、突形状の強度分布を有するレーザ光を使用した。スポット径は、レーザ強度が1/e2となる等高線の半径を用いた。これにより、パッケージ基板と蓋体とが接合層により接合されたパッケージを製造した。
(実施例2〜10)
表1に示すように、パッケージ基板の段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例1と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して実施例2〜4のパッケージを製造した。
表1に示すように、パッケージ基板の段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例1と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して実施例2〜4のパッケージを製造した。
また、パッケージ基板の材料をセラミックスに変更するとともに、段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例1と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して実施例5〜10のパッケージを製造した。
なお、パッケージ基板を構成するセラミックスは、ガラス粉末とセラミックス粉末とを含むガラスセラミックス組成物の焼結体であるガラスセラミックスとした。
(実施例11〜12)
パッケージ基板の段部と接合層との間にガラス層を設けるとともに、段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例5と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して実施例5〜10のパッケージを製造した。
パッケージ基板の段部と接合層との間にガラス層を設けるとともに、段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例5と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して実施例5〜10のパッケージを製造した。
なお、ガラス層は、SiO2-B2O3-ZnO系ガラスフリットからなり、厚さが13μm、算術平均粗さRaが0.2μmである。また、ガラス層とパッケージ基板との50℃から350℃における平均熱膨張係数の差[(ガラス層の平均熱膨張係数)−(パッケージ基板の平均熱膨張係数)]が7×10−7/℃である。ここで、厚さおよび算術平均粗さRaは、SURFCOM((株)東京精密製、1400D)により測定し、平均熱膨張係数は、リガク社製TMA8310により測定した。
(比較例1)
表1に示すように、パッケージ基板の材料をセラミックスに変更するとともに、段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例1と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して比較例1のパッケージを製造した。
表1に示すように、パッケージ基板の材料をセラミックスに変更するとともに、段部の幅(w1)および高さ(h1)ならびに接合材料層の幅(w3)および高さ(h3)を変更した以外は、実施例1と同様にしてパッケージ基板と蓋体とを接合層により接合して比較例1のパッケージを製造した。
次に、実施例および比較例のパッケージについて、光学顕微鏡を用いて、パッケージ基板と接合層との間および蓋体と接合層との間の剥離、パッケージ基板、蓋体、および接合層における割れの有無を観察した。表1中、いずれの部分にも剥離および割れがないパッケージを製造できたものを「無し」とし、剥離または割れのあるパッケージしか製造できなかったものにはその欠陥の内容を記載した。
また、表1には、実施例および比較例のパッケージについて、それぞれ同一条件で20個のパッケージを製造したときに、剥離および割れが認められなかったものの割合をシール歩留まりとして示す。ここで、パッケージ基板の材料がガラスのときには、いずれもシール歩留まりが80%以上となる。一方、パッケージ基板の材料がセラミックスの場合、ガラス層が設けられていないときには、剥離および割れが多発しシール歩留まりが低下しやすくなる。しかし、ガラス層を設けることで、剥離および割れが抑制され、シール歩留まりが80%以上となる。
また、実施例7および8のパッケージについて、温度サイクル試験(1サイクル:−40〜150℃、200サイクル)を行った。温度サイクル試験の前後で、パッケージ基板と接合層との間および蓋体と接合層との間の剥離、パッケージ基板、蓋体、および接合層における割れの有無を観察した。この結果、いずれの部分にも剥離および割れが認められなかった。
10…電子デバイス、20…パッケージ、21…パッケージ基板、22…蓋体、23…接合層、24…接合材料層、30…電子素子、211…段部、212…凹部。
Claims (12)
- 凹部と、その周囲に配置される段部とを有し、ガラスと電磁波吸収材とを含む接合層を介して前記凹部を覆うように前記段部に蓋体が接合されるものであって、
前記段部の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)が1.0以上であることを特徴とするパッケージ基板。 - 凹部と、その周囲に配置される段部とを有し、前記段部の幅(w1)と高さ(h1)との比(w1/h1)が1.0以上であるパッケージ基板と、
前記凹部を覆うようにして前記パッケージ基板に対向して配置される蓋体と、
ガラスと電磁波吸収材とを含み、前記段部において前記パッケージ基板と前記蓋体とを接合する接合層と、
を有することを特徴とするパッケージ。 - 前記比(w1/h1)と、前記接合層の幅(w2)と高さ(h2)との積(w2・h2)との比((w1/h1)/(w2・h2))が100[mm−2]以上であることを特徴とする請求項2記載のパッケージ。
- 前記段部は、前記パッケージ基板の外縁部に沿って環状に設けられていることを特徴とする請求項2または3記載のパッケージ。
- 前記パッケージ基板と前記蓋体とが異なる材料からなることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項記載のパッケージ。
- 前記パッケージ基板がセラミックスからなり、前記蓋体がガラスからなることを特徴とする請求項5記載のパッケージ。
- 前記セラミックスがガラスセラミックスであることを特徴とする請求項6項記載のパッケージ。
- 前記段部が、表面にガラス層を備える請求項2乃至7のいずれか1項記載のパッケージ。
- 前記ガラス層の厚さが、1μm〜20μmである請求項8に記載のパッケージ。
- 前記ガラス層の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.2μm以下である請求項8または9記載のパッケージ。
- 前記ガラス層と前記パッケージ基板との50℃から350℃における平均熱膨張係数の差[(ガラス層の平均熱膨張係数)−(パッケージ基板の平均熱膨張係数)]が−20〜20×10−7/℃である請求項8乃至10のいずれか1項記載のパッケージ。
- 請求項2乃至11のいずれか1項記載のパッケージと、
前記パッケージに収容される電子素子と、
を有することを特徴とする電子デバイス。
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