JP2016051773A - Package of electric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、部品を搭載するパッケージに関する、より詳細には、電気素子を収容して気密封止された電気素子のパッケージに関する。 The present invention relates to a package on which a component is mounted, and more particularly to a package of an electrical element that contains an electrical element and is hermetically sealed.
レーザーダイオード、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサ素子、液晶素子などの電気素子は、湿度などの環境条件に依存性して特性の変化や経年劣化などが生じる。これらの問題を防止し、電気素子の特性の安定化および高信頼化を実現するため、上述の電気素子は所定の容器に気密封止されたパッケージとして構成される。例えば、非特許文献1に示されている波長選択スイッチ用MEMSミラーアレイモジュールの動作は、電気素子を環境に露出した状態のままでは、湿度によってミラーアレイに関連した容量変化の影響を受けることが報告されている。また、MEMS製造技術を用いて作製された微細構造体では、外界から侵入した異物によって、機械的可動部の干渉や固着が引き起こされる可能性もある。これらの例からもわかるように、微細構造を備えた電気素子を搭載したモジュールは、容器内に気密封止された状態で用いられるのが通常である。 Electrical elements such as laser diodes, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor elements, and liquid crystal elements are subject to changes in characteristics, aging, and the like depending on environmental conditions such as humidity. In order to prevent these problems and realize stabilization and high reliability of the characteristics of the electric element, the electric element described above is configured as a package hermetically sealed in a predetermined container. For example, the operation of the MEMS mirror array module for wavelength selective switch shown in Non-Patent Document 1 may be affected by the capacitance change related to the mirror array due to humidity, with the electrical elements exposed to the environment. It has been reported. In addition, in a fine structure manufactured using a MEMS manufacturing technique, there is a possibility that interference or sticking of the mechanically movable part may be caused by foreign matter that has entered from the outside. As can be seen from these examples, a module on which an electrical element having a fine structure is mounted is usually used in a state of being hermetically sealed in a container.
図3は、従来技術において用いられている電気素子の一般的なパッケージの構成例を示す図である。図3では、内部に電気素子304を含むパッケージ300全体の断面を模式的に示している。このパッケージは、蓋部301および容器下部302から構成された容器300の形態で構成される。蓋部301および容器下部302は、シーム溶接やはんだ接合などによって相互に接合され、外界からの物質の出入りが遮られた遮蔽空間303を形成している。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a general package of electric elements used in the prior art. FIG. 3 schematically shows a cross section of the
蓋部301は、コバール(Kovar)製の窓枠部312にガラス製の光学窓313が接合され構成されている。また、容器下部302は、底部にあるセラミック基板305と、セラミック製の枠部310と、コバール製の枠部311とから構成されている。窓枠312の周辺部と枠部311の上面とを接合することによって、パッケージの封止された状態が得られる。
The
上述のように構成された容器300の遮蔽空間303内に、レーザーダイオード、MEMSセンサ素子、液晶素子などの電気素子304が配置される。セラミック基板305の上に、はんだなどの接着層309によって電気素子304が固定される。上述のような素子を含む電気素子304は、温度調整を必要とすることがある。また、これらの電気素子304は外界との間で光学的に入出力を行うため、容器300は、光学窓313を備える。パッケージ内部の遮蔽空間303は、MEMSを構成する可動部の動作領域を得るためにも利用される。パッケージ全体は、電気素子304の湿度変化や酸化などを避けて、長期の信頼性を向上させるために気密封止される。
An
セラミック基板305の裏面側には、直径0.5mm程度の複数の金属ピン306が設けられている。このような複数の金属ピン306を持つ構造は、ピングリッドアレイ(Pin Grid Array:PGA)と呼ばれている。電気素子304は、ボンディングワイヤ307を経由して容器下部302内の電気配線(不図示)に接続され、この電気配線を経由して金属ピン306に接続されている。パッケージ300は、金属ピン306をソケット基板308に差し込むことによって固定される。
A plurality of
図3に示したような従来技術のPGA形式のパッケージでは、次のような理由で、一般には全体サイズが比較的厚いものにならざるを得なかった。温度調整のためのヒータ322は、容器下部302の枠部310の外側などに配置された温度調節部321内に設けられたため、電気素子304からは離れた位置にある。加えて、ヒータ322と電気素子304との間の熱の通路には、金属ピン306が設けられている。このため、ヒータ322より生じた熱は、金属ピン306を介してソケット基板308に逃げてしまう構造となっていた。ヒータ322より生じた熱の相当の部分は、金属ピン306およびソケット基板308の加熱に消費されてしまい、ヒータ322からの電力は対象となる電気素子304の温度調整には有効に利用されていなかった。結果として、温度調整用のヒータの駆動に大きな消費電力が必要になるという問題があった。また、このように大きな発熱量を必要とするパッケージ構造では、ヒータ322自体の体積を大きくしなければならなくなり、パッケージ全体をさらに厚く大型化してしまう問題があった。
In the conventional PGA format package as shown in FIG. 3, the overall size generally has to be relatively thick for the following reason. The
上述のヒータの発熱量の問題に加え、熱による光学軸の位置ずれも問題となっていた。光学素子を少なくとも一部に含んでいる電気素子304は、光学窓313を介して光学的に入出力を行う。パッケージの内外で、光学軸を必要な精度で一致させる必要がある。温度調節のためにヒータ322を用いた加熱に伴うパッケージでは、パッケージの各部およびパッケージ外の機構の熱膨張のため、光学的な入出力に必要な位置合わせの精度を超えて位置ずれを生じる問題もあった。結果として、環境温度変動とともに位置ずれが生じて光学的な入出力を適切に行えないために、十分な電気素子の機能を果たすことができない場合があった。
In addition to the above-described problem of the amount of heat generated by the heater, the positional deviation of the optical axis due to heat has also been a problem. The
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、温度調整が必要な電気素子のパッケージをより小型化および薄型化し、より消費電力を減らすことにある。さらに、パッケージの温度調整に伴う位置ずれを減らして、パッケージの内外間における光学的な入出力を安定して信頼性高く行えるようにすることにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to further reduce the size and thickness of an electric element package that requires temperature adjustment and to further reduce power consumption. . Further, it is to reduce the positional shift accompanying the temperature adjustment of the package so that optical input / output between the inside and outside of the package can be stably performed with high reliability.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention according to claim 1 is directed to a package having an electrical element housed in an internal space and having an optical window, the electrical element, and the optical element of the electrical element. A carrier substrate fixed via an adhesive layer on the element surface opposite to the target window side, and a temperature adjusting means for adjusting the temperature of the electric element, which is configured inside or on the carrier substrate surface. A container for accommodating the electric element and the carrier substrate inside and forming an airtight seal while forming a space on the electric element, and the carrier substrate is formed from an opposing surface of the container on the inner space side. The package is characterized in that it is held by the electric element at a distance, and only the electric element is fixed on the inner surface of the container via a fixing portion.
請求項2に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a package in which an electric element is housed in an internal space and has an optical window, and the electric element and an element surface opposite to the optical window side of the electric element are interposed via an adhesive layer. A carrier substrate fixed on the carrier substrate, temperature adjusting means for adjusting the temperature of the electric device, which is configured in the carrier substrate or on the surface of the carrier substrate, and forming the space on the electric device, while the electric device And a container for hermetically sealing the carrier substrate therein, the carrier substrate being held by the electric element spaced from the opposing surface of the container on the inner space side, and It is the package characterized by being fixed on the inner surface of the said container only through the part.
請求項3に記載の発明は、請求項2のパッケージであって、前記電気素子は、前記光学的窓側に位置する第1の基板と、前記第1の基板の少なくとも一部と接着固定された第2の基板から構成され、前記第1の基板の一部を介して、前記容器の前記内面上に固定されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the package according to claim 2, wherein the electric element is bonded and fixed to the first substrate located on the optical window side and at least a part of the first substrate. It is comprised from the 2nd board | substrate, It is fixing on the said inner surface of the said container through a part of said 1st board | substrate.
請求項4に記載の発明は、請求項3のパッケージであって、前記第1の基板はガラス基板であり、前記第2の基板は半導体基板であって、前記電気素子は、前記第1の基板と前記第2の基板の間で、前記第1の基板の中央部に液晶が保持された液晶素子であることを特徴とする。 The invention according to claim 4 is the package according to claim 3, wherein the first substrate is a glass substrate, the second substrate is a semiconductor substrate, and the electric element is the first substrate. The liquid crystal element is characterized in that a liquid crystal is held in a central portion of the first substrate between the substrate and the second substrate.
請求項1乃至4いずれかのパッケージでは、前記光学的窓を介して、前記パッケージの外部の光デバイスと前記電気素子との間で、光を入出力することができる。 In the package according to any one of claims 1 to 4, light can be input / output between the optical device outside the package and the electric element through the optical window.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4いずれかのパッケージであって、前記温度調整手段は、前記キャリア基板に形成された抵抗発熱体であることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the package according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature adjusting means is a resistance heating element formed on the carrier substrate.
請求項6に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、外部の光デバイスと前記電気素子との間で光を入出力する、前記内部空間から外部へ開いた光学的窓を有するパッケージにおいて、一部に前記外部の光デバイスと光学的に結合可能な機能部分を含む電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して前記電気素子と一体に固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して、または、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a package having an optical window opened from the internal space to the outside, wherein the electrical element is accommodated in the internal space, and light is input / output between the external optical device and the electrical element. And an electric element partially including a functional part that can be optically coupled to the external optical device, and the electric element on an element surface opposite to the optical window side of the electric element via an adhesive layer A carrier substrate fixed integrally with the substrate, temperature adjusting means for adjusting the temperature of the electric element, which is formed inside or on the surface of the carrier substrate, and forming a space on the electric element, An electrical element and a container for hermetically sealing the carrier substrate, the carrier substrate being held by the electrical element apart from the opposing surface of the container on the inner space side. The only electrical elements through the fixing unit, or a package which is characterized in that it is fixed through only a portion of the electrical device on the inner surface of said container.
以上説明をしたように、本発明によれば、電気素子のパッケージにおけるヒータ機構を小型化して、パッケージ全体サイズをより小型化・薄型化し、さらに消費電力を減らすことができる。熱変形の大きい温度調整手段を電気素子のみに固定し、さらに電気素子のみが固定部でパッケージの容器内面に固定されることによって、電気素子およびヒータの両方を容器に固定していた従来技術と比較して、温度調節時にパッケージの各部において生じる複雑な歪や応力が緩和され、電気素子の位置ずれを減らすことができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the heater mechanism in the package of the electric elements, further reduce the size and thickness of the entire package, and further reduce the power consumption. The conventional technology in which both the electric element and the heater are fixed to the container by fixing the temperature adjusting means having a large thermal deformation only to the electric element, and further, only the electric element is fixed to the inner surface of the container of the package by the fixing portion. In comparison, complicated distortion and stress generated in each part of the package at the time of temperature adjustment are alleviated, and displacement of the electric element can be reduced.
本発明の電気素子のパッケージは、電気素子を保持固定するためのチップキャリアを従来技術とは異なる方法によってパッケージ容器と固定する。チップキャリアは温度調節素子である例えばヒータを内蔵しており、電気素子と一体に構成される。電気素子およびチップキャリアは、電気素子のみが固定部を介して容器の内面に固定される。この構成によって、ヒータから生成される熱は大部分が電気素子の温度調整のために効率的に与えられ、パッケージの容器や容器の外部への漏れを大幅に抑えることができる。ヒータを小型化し、パッケージ自体のサイズの小型化を実現できる。ヒータの低消費電力化も可能となる。電気素子として、第1の基板および第2の基板からなる2層基板の構成のものを利用して、第1の基板のみを用いて容器の内面に固定することもできる。以下、本発明の実施形態について各図を参照しながら説明する。はじめに、本発明の電気素子のパッケージの第1の実施形態について図1を用いて説明する。 In the package of the electric element of the present invention, a chip carrier for holding and fixing the electric element is fixed to the package container by a method different from the prior art. The chip carrier incorporates, for example, a heater which is a temperature adjusting element, and is configured integrally with the electric element. Only the electric element and the chip carrier are fixed to the inner surface of the container via the fixing portion. With this configuration, most of the heat generated from the heater is efficiently applied to adjust the temperature of the electric element, and leakage of the package to the outside of the container or the container can be significantly suppressed. The heater can be downsized and the package itself can be downsized. The power consumption of the heater can also be reduced. As the electric element, a two-layer substrate composed of a first substrate and a second substrate can be used and fixed to the inner surface of the container using only the first substrate. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a first embodiment of the electrical element package of the present invention will be described with reference to FIG.
[実施形態1]
図1は、本発明の電気素子のパッケージの第1の実施形態の構成を示す断面図である。本発明の電気素子のパッケージ100は、大まかに、蓋部101および容器下部102からなり、その内部に電気素子103を収容した容器100の形態として構成される。容器100の内部には電気素子103を気密封止する空間を備えている。本発明のパッケージでは、容器100内部に配置された電気素子103および電気素子103を搭載するチップキャリア(基板)107の構成に従来技術とは異なる特徴を持っている。尚、本発明の電気素子のパッケージにおいて、用語「パッケージ」は、電気素子を内部に収納して少なくとも動作時には一体に成型されている収納容器を意味する。電気素子と、パッケージの外部装置・回路との間で少なくとも電気信号を入出力して一定の機能を実現するものである。好ましくは、パッケージの外部と電気素子との間で、光学的に入出力を行うものにおいてより効果的である。したがって、パッケージは、外部の光デバイスと前記電気素子との間で光を入出力する、前記内部空間から外部へ開いた光学的窓を持っている。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a first embodiment of an electrical element package according to the present invention. The
本実施形態のパッケージでは、チップキャリア107は絶縁体であるセラミックから構成されている。電気素子103は、はんだや樹脂などから構成された接着層108によって、チップキャリア107の上に一体のものとして固定されている。接着層108は、はんだなどの金属材料から構成した方が、熱伝導性をより良くすることができる。
In the package of this embodiment, the
本発明の電気素子のパッケージは、温度調節手段として、チップキャリア107に内蔵されたヒータ109を備えている。チップキャリア107は、電気素子103とともに一体のものとして容器100内の空間に収容されている。ヒータ109は、チップキャリア107において、電気素子103が配置される領域の近傍に設けられていれば良い。
The electrical element package of the present invention includes a
蓋部101は、コバールから構成された窓枠部111と、サファイヤから構成された光学窓104と含んでいる。また、容器下部102は、セラミックから構成された容器支持基板116と、セラミックから構成された枠部110と、コバール製の枠部112とを含んでいる。容器支持基板116と枠部110とは、一体に成型されたものとすることができる。後述する外部との間の電気配線が形成できれば、別個の容器支持基板116と枠部110とを組み合わせて形成しても良い。さらに、電気素子103とパッケージの外部装置・外部回路等との電気的な接続を行うため、容器100の外部において容器支持基板116の例えば端部においてフレキシブルプリント配線117に接続される。
The
本発明の電気素子のパッケージにおいては、容器下部102の枠部110の内側において、容器支持基板116の上方に配置され、基板面から離間して、チップキャリア107および電気素子103が一体のものとして、ブリッジ状の固定部120を介して固定されている。このように、電気素子103と一体となったチップキャリア107内にヒータ109を備えた構成によって、ヒータ109からの発熱が直接電気素子103に供給され、容器支持基板116の側に逃げることを抑えることができる。本発明のパッケージにおける固定部120による電気素子の固定方法およびヒータの構成によって、ヒータからの発熱は損失なく電気素子103に効率的に伝えられ、より少ない発熱量で電気素子103の温度調整をすることができる。
In the electrical element package of the present invention, the
従って、本発明の電気素子のパッケージは、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓104を有するパッケージにおいて、電気素子103と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板107と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段109と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器100とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部120を介して前記容器の内面上に固定されているものとして実現できる。
Accordingly, the electrical element package according to the present invention is a package that houses the electrical element in the internal space and has the
固定部120と電気素子103との間の固定、および、固定部120と容器下部102との間の固定は、はんだや樹脂などで行えば良い。例えば、パッケージの容器100の薄型化および温度調整手段の低消費電力化をより重視する場合には、固定部120と電気素子103との間、および、固定部120と容器下部102との間を、それぞれ樹脂などの熱伝導率の低い材料で固定すれば良い。また、熱膨張や熱収縮による位置変動をより減らす場合には、固定部120と電気素子103との間、固定部120と容器下部102との間の固定を、それぞれはんだを用いて固定し、電気素子103とチップキャリア107との間は、弾性率が低くチップキャリア107の変形を一部吸収可能な樹脂を用いて固定すれば良い。
The fixing between the fixing
上述の接着に用いる樹脂材料には、気密封止された容器内で用いるために脱ガスが少ないこと、および、電気素子が所定の光学軸に対して位置ずれを起こさせないことが求められる。位置ずれ防止の要求を満たすため、チップキャリアや容器を構成するセラミックとの間で熱膨張率差が小さいこと、接着剤としての硬化収縮が小さいこと、さらには高温保管および動作時の位置ずれを小さくするためにガラス転移温度が高いことを満たす樹脂材料が適している。具体的には、未硬化成分が少なく脱ガスが少ないエポキシ樹脂系であって、熱膨張率差、硬化収縮およびガラス転移温度を考慮した接着剤の例として、EPOTEK製の353NDやNTTアドバンステクノロジ製のAT4291Aが挙げられる。 The resin material used for the above-described adhesion is required to have less degassing for use in a hermetically sealed container and to prevent the electric element from being displaced with respect to a predetermined optical axis. In order to satisfy the requirement for preventing misalignment, the difference in thermal expansion coefficient between the chip carrier and the ceramic that composes the container is small, the curing shrinkage as an adhesive is small, and misalignment during high temperature storage and operation In order to reduce the size, a resin material that satisfies a high glass transition temperature is suitable. Specifically, as an example of an adhesive which is an epoxy resin system with less uncured components and less degassing, and taking into account differences in thermal expansion coefficient, curing shrinkage, and glass transition temperature, 353ND manufactured by EPOTEK or NTT Advanced Technology AT4291A.
図1では本発明のパッケージの1つの断面を示しており1つの固定部120しか示されていないが、必要な固定強度に応じて、複数の固定部を用いて複数の異なる箇所で固定しても良い。好ましくは、図1の断面図に示したように、固定部120は単一であってその断面積が小さいことが望ましい。上述の固定方法によって、固定部120の材料と電気素子103を形成する材料の熱膨張率差による応力が生じにくくなり、熱膨張や熱収縮による素子の位置変動や経時変化を減らすことができる。振動や衝撃に対する機械的強度を保持するためにより大きな接着面積が必要な場合は、単一ではなく、複数の固定部120を設けても良い。
FIG. 1 shows one cross section of the package of the present invention, and only one fixing
容器支持基板116は、未焼成のグリーンシートおよび配線構造を積層し、これらを焼成することによって形成されている。グリーンシートの上に、金属材料を含むペースト材料を用いたスクリーン印刷によって配線パターンを形成し、この上に、新たなグリーンシートを積層して容器支持基板116の形状に成形する。これらを、焼成することによって、アルミナセラミックから構成され内部に内部配線構造106を備えた容器支持基板116を作製することができる。
The
グリーンシートは、一例であるが、次に示すようにして作製される。例えば、まず、アルミナなどの金属酸化物の粉体に、ポリビニル系のバインダーおよび界面活性剤を加えて、2−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に上記粉体が分散されているスラリーを作製する。次に、作製したスラリーを例えばよく知られたドクターブレード法によって成形してスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、グリーンシートとする。 Although a green sheet is an example, it is produced as follows. For example, first, a slurry in which the powder is dispersed in a dispersion medium made of an organic solvent such as 2-propanol is prepared by adding a polyvinyl binder and a surfactant to a metal oxide powder such as alumina. To do. Next, the produced slurry is formed by, for example, a well-known doctor blade method to form a slurry layer, and the dispersion medium is removed from the slurry layer to be dried to obtain a green sheet.
本発明のパッケージにおいて使用されるチップキャリア107内のヒータ109は、一例であるが、次のように構成することができる。チップキャリア107に内部配線構造を内蔵することが可能であって、電気素子103が固定される領域において抵抗値の高い配線を内部に形成できる。すなわち、内部の配線構造を構成する配線の幅を細くし、また、配線を長くするなどの配線形状の設計によって、抵抗値を上げることができる。また、電気素子103が固定される領域を構成する配線部は、電気抵抗の高い金属材料から構成することもできる。このようにしてチップキャリア内に形成された配線部分は、電流を流すことで発熱する抵抗発熱体となり、ヒータ109として動作させることができる。このヒータ109により、容器100によって形成される遮蔽空間内部であって、容器支持基板116の上方に、基板116面から離間して、チップキャリア107と一体に固定された電気素子103の温度調整を行う。
The
上述のように、チップキャリア107にヒータ109を内蔵することで、従来技術のように容器下部の側部外側のパッケージ高さ方向に沿って配置されたヒータを構成する場合と比べて、パッケージをより薄型化することが可能となる。また、ヒータ109の形成領域と電気素子103の領域とが重なる面積を大きくしたり、ヒータ109と電気素子103との離間距離を短くしたりすることによって、熱伝導を向上させることができる。本発明のパッケージでは、ヒータを内蔵したチップキャリア107と電気素子103とを一体に構成したことにより、従来技術とくらべてより少ない発熱量(消費電力)で対象とする電気素子103の温度調整を行うことができる。調整に必要な発熱量を減らすことができるのでヒータ109自体の体積を小さくすることも可能であって、温度調整機構そのものを小型化することができる。以上説明したように、従来技術のように電気素子とヒータとの距離が離れていたためにヒータの発熱量が無駄にされていた構成と比べて、本発明はヒータからの発熱を効率的に電気素子に伝えることができるので、パッケージの薄型化と温度調整機構の低消費電力化が可能となる。
As described above, by incorporating the
本発明のパッケージにおける電気素子103は、ヒータ109からの熱がパッケージ外部に流れる通路がほとんど無い状態で、固定部120によって容器下部102の枠部110に固定されている。一方で、ヒータ109を含むチップキャリア107は、電気素子103と一体のものとして隣接して配置されている。したがって、ヒータ109の温度変化に対して、固定部120および容器下部102の温度変化は小さい。このため、電気素子103は温度変化による熱膨張や熱収縮の位置ずれの影響を受けにくく、電気素子103の位置変動を減らすことができる。本発明のパッケージにおける固定部120による電気素子の固定方法およびヒータの構成によって、光学窓104を介して外界との光の入出力を行う際に、位置変動による結合効率低下など光学特性劣化を抑えることができる。
The
既に述べたように、容器支持基板116に形成された内部配線構造106は、容器100の遮蔽空間の内部および外部の間を電気的に接続する。内部配線構造106は、基板116の端部などで、パッケージ外のフレキシブルプリント配線117と電気的に接続される。フレキシブルプリント配線117により、さらにパッケージの容器100内の電気素子と外部装置・外部回路との間の電気的な接続が行われる。ボンディングワイヤ113等によって電気素子103上の端子と内部配線構造106の遮蔽空間内部側に配置された端子を接続すれば、ワイヤ113を経由して、パッケージ内の電気素子103と外部回路とを電気的に接続することができる。同様に、ボンディングワイヤ114等によって、ヒータ109と内部配線構造106の遮蔽空間内部側の配置された端子との間を接続すれば、ワイヤ114を経由して、ヒータ109と外部回路との間を電気的に接続することができる。
As described above, the
本発明のパッケージにおける電気素子103は、例えばMEMSセンサ素子であり、光が透過する光学窓104を介して外部光をパッケージ内に入力し、または、パッケージから外部へ光を出力する。このようにパッケージの内外で光を結合する場合、外部の光デバイスなどに対して電気素子103の光学軸を一致調整させる必要がある。ヒータ109によってパッケージの温度調整を行うと、容器100が機械的に固定されている外部構造体(図3ではソケット基板308など)の熱膨張率によっては、容器下部102や電気素子103に対して応力が働き、一旦調整した光学軸に対して位置ずれを生じさせる。例えば、従来技術のPGAでは、金属ピンを外部構造体であるソケット基板に差し込むことによってパッケージが基板に機械的に固定されており、ヒータからの発熱がソケット基板側にも流れ込んで、上述の熱膨張率の差による位置ずれの問題が発生することになる。
The
これに対し本発明のパッケージでは、ヒータ109が容器100に直接接触していない構成のため、ヒータからパッケージ外部への熱の流れ込みが非常に少なく外部構造体の温度が上がりにくい。さらには、外部構造体が温度調整時の熱によって変形したとしても、フレキシブルプリント配線117を用いて外部と電気的に接続することで外部構造体との機械的な固定を避けることによって、外部構造体からの応力がパッケージへ働かないようにすることができる。このように本発明のパッケージでは、ヒータ109を内蔵したチップキャリア107と電気素子103とを一体に構成し、かつ、パッケージと外部回路とをフレキシブルプリント配線などによって比較的緩く結合することによって、上述したような位置ずれに起因する問題を抑制できるようになる。
On the other hand, in the package of the present invention, since the
従来技術のPGAタイプのパッケージでは、直径0.5mm程度の複数の金属ピンをパッケージ底面に備えており、また、クワッドフラットパッケージ(Quad Flat Package:QFP)では、0.5mm幅程度の複数の金属リードを、パッケージ底部の各辺に備えている。これらの金属ピンやリードの構成自体によって、パッケージの全体サイズが厚くなり薄型化が困難だった。さらに、従来技術のパッケージでは、ヒータの近傍に複数の金属体があったために、熱伝導が大きくなって電気素子を加熱するヒータの熱が金属体を通じてパッケージ外部へ漏れていた。 In the conventional PGA type package, a plurality of metal pins having a diameter of about 0.5 mm are provided on the bottom surface of the package, and in a quad flat package (QFP), a plurality of metals having a width of about 0.5 mm are provided. Leads are provided on each side of the bottom of the package. Due to the metal pin and lead configuration itself, the overall size of the package is increased, making it difficult to reduce the thickness. Furthermore, in the package of the prior art, since there are a plurality of metal bodies in the vicinity of the heater, the heat conduction is increased and the heat of the heater that heats the electric element leaks to the outside of the package through the metal bodies.
これに対し本発明のパッケージによれば、パッケージと外部回路との接続手段として、ピンやリードの代わりに水平方向に延在するフレキシブルプリント配線117を用いているので、全体に薄層化が可能である。また、フレキシブルプリント配線117は、ヒータから水平方向に離れて設けられるので、ヒータからの熱伝導が少なく、パッケージ内部から熱が逃げにくい。さらに、フレキシブルプリント配線自身も、例えば断面の幅が200μm、厚さが20μm程度、長さが数cmの配線から構成されているため、熱伝導性が低い。ヒータからの発熱がパッケージの外部に漏れる量は、従来技術の構成に比べて、本発明の構成では少なく、ヒータの発熱量も減らすことができる。発熱量を減らすことができるのでヒータ自体の体積も小さく小型化することが可能である。本発明のパッケージによれば、電気素子のパッケージの薄型化と、温度調整機構の低消費電力化が可能となる。
On the other hand, according to the package of the present invention, since the flexible printed
[実施形態2]
図2は、本発明の電気素子のパッケージの第2の実施形態の構成を示す断面図である。図2の構成は、図1に示した実施形態1の構成と比べて、電気素子103を容器下部102に接続する構成のみで相違している。したがって、以下、この相違点だけに絞って説明する。図2の構成では、電気素子103は、少なくとも上層基板118と下層基板119とを備えた2層構造を持っており、上層基板118の一部が下層基板119より一方向側にせり出している電気素子103を備えている。本実施形態のパッケージでは、上層基板118のこのせり出した部分を利用して、容器下部102への固定・接続を行う。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a second embodiment of the electrical element package of the present invention. The configuration in FIG. 2 is different from the configuration in the first embodiment shown in FIG. 1 only in the configuration in which the
したがって、本発明の電気素子のパッケージは、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓104を有するパッケージにおいて、電気素子103と、前記電気素子の前記光学窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板107と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段109と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器100とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部118のみを介して前記容器の内面上に固定されているものとしても実現できる。
Therefore, the electrical element package of the present invention is an electrical element housed in an internal space and has an optical window 104.In the package of the
このような、2つの層構造を持つ電気素子103の例としては、MEMSミラーアレイモジュールがある。MEMSミラーアレイモジュールは、上層基板118として、MEMSプロセスで作成されたミラーのアレイを有し下部からミラーを静電駆動可能なように基板が貫通された半導体基板と、下層基板119として、上記ミラーの下部に近接して静電駆動する電極を備えた半導体基板とを備えている。MEMSミラーアレイモジュールの2つの基板は、シリコン−シリコン接合されている。
An example of such an
2つの層構造を持つ電気素子の他の例には、上層基板118として光学窓であるガラス板と、下層基板119として光学的反射面であって同時にアレイ状のピクセル電極と駆動回路とを備えた半導体基板とを備え、上述のガラス板と半導体基板との間で面内中央部に液晶が保持され面内外周部で接着固定された構成の液晶素子がある。したがって、好ましくは、電気素子103は、前記光学的窓側に位置する第1の基板118と、前記第1の基板の少なくとも一部と接着固定された第2の基板119から構成され、前記第1の基板118の一部を介して、前記容器100の前記内面上に固定されている構成とすることができる。
Another example of the electric element having a two-layer structure includes a glass plate which is an optical window as the
本実施形態のパッケージでは、図1に示した実施形態1におけるブリッジ状の固定部を介することなく、上層基板118の下面で容器下部102に直接固定されている。実施形態1では、固定部120と電気素子103との間の固定、および、固定部120と容器下部102との間の固定が必要であった。一方、本実施形態では、上層基板118と容器下部102との間のみで固定が必要であり、接続部位の数が少ない。このため、本実施形態の構成によれば、熱膨張や熱収縮による位置変動を実施形態1と比べてより減らすことができる。
In the package of the present embodiment, the lower surface of the
以上に説明したように、電気素子を搭載する基板(チップキャリア)にヒータ等の温度調節手段を備えて、チップキャリアと電気素子が一体となるように構成したので、温度調整が必要な電気素子のパッケージを、より小型化および薄型化し、また、ヒータにおける消費電力を減らすことができる。さらに、温度調整手段を電気素子のみに固定し、温度調整手段から熱がパッケージの容器さらにはパッケージ外に流れ出にくい構成とした。温度調節手段からパッケージ外部へ流れる熱伝導の通路がほとんど存在しない構成としたので、電気素子が光学窓を介して光学的な入出力を行う場合でも、ヒータの熱によるパッケージ各部の熱膨張の差による位置ずれ量は限定され、パッケージ内外における光学軸の必要な位置合わせの精度を保つことができる。 As described above, since the substrate (chip carrier) on which the electric element is mounted is provided with temperature adjusting means such as a heater so that the chip carrier and the electric element are integrated, the electric element that requires temperature adjustment. The package can be made smaller and thinner, and the power consumption in the heater can be reduced. Further, the temperature adjusting means is fixed only to the electric element, and heat is not likely to flow out of the package container or the package from the temperature adjusting means. Since there is almost no heat conduction path that flows from the temperature control means to the outside of the package, even if the electrical element performs optical input / output through the optical window, the difference in thermal expansion of each part of the package due to the heat of the heater The amount of misalignment due to is limited, and the required alignment accuracy of the optical axis inside and outside the package can be maintained.
本発明のパッケージは、以上説明した実施形態の構成だけに限定されず、他の構成も適用可能であって、多くの変形および組み合わせが可能である。例えば、電気素子と容器下部との間の固定は、枠部110の上面だけに限られず、枠部の内部側面または支持基板116の底面でも良い。固定部120の形状は、板状ではなくて、L字型その他の形状でも良い。容器の各部を構成する具体的な材料や、各部の作製方法は、上述の実施形態のものだけに限られない。さらに、温度調節手段としてヒータのみの構成を説明してきたが、常温よりも低い温度に素子温度を調整する場合には、ペルチェ素子などの冷却手段をチップキャリア内に構成しても良い。また、ヒータと冷却素子を組み合わせても良い。また、電気素子を封止する構造は、気密封止だけでなく樹脂封止であっても良い。
The package of the present invention is not limited to the configuration of the embodiment described above, and other configurations can be applied, and many variations and combinations are possible. For example, the fixing between the electric element and the lower portion of the container is not limited to the upper surface of the
以上詳細に説明をしてきたように、本発明によれば、電気素子のパッケージにおけるヒータ機構を小型化して、パッケージ全体のサイズをより小型化・薄型化し、さらに消費電力を減らすことができる。熱変形の大きい温度調整手段を電気素子のみに固定し、さらに電気素子のみが固定部でパッケージの容器内面に固定されることによって、電気素子およびヒータの両方を容器に固定していた従来技術と比較して、温度調節時にパッケージの各部において生じる複雑な歪や応力が緩和され、電気素子の位置ずれを減らすことができる。 As described above in detail, according to the present invention, the heater mechanism in the package of the electric element can be downsized, the size of the entire package can be further downsized and thinned, and the power consumption can be reduced. The conventional technology in which both the electric element and the heater are fixed to the container by fixing the temperature adjusting means having a large thermal deformation only to the electric element, and further, only the electric element is fixed to the inner surface of the container of the package by the fixing portion. In comparison, complicated distortion and stress generated in each part of the package at the time of temperature adjustment are alleviated, and displacement of the electric element can be reduced.
本発明は、電気素子などの部品を搭載するパッケージに利用することができる。特に、外部の光学デバイスと光結合可能な液晶素子、MEMSセンサ素子などのパッケージに利用できる。 The present invention can be used for a package on which a component such as an electric element is mounted. In particular, it can be used for packages such as liquid crystal elements and MEMS sensor elements that can be optically coupled to an external optical device.
100、300 パッケージ容器
101、301 容器蓋
102、302 容器下部
103、304 電気素子
104、313 光学窓
106 内部配線
107 チップキャリア
108、309 接着剤
109、322 ヒータ
113、114、307 ボンディングワイヤ
116 支持基板
117 フレキシブルプリント配線
120 固定部
306 金属ピン
308 ソケット基板
100, 300
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、前記電気素子の材料に比べて弾性率が低い樹脂材料からなる接着層を介して一体に固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板の内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention according to claim 1 is directed to a package having an electrical element housed in an internal space and having an optical window, the electrical element, and the optical element of the electrical element. A carrier substrate integrally fixed via an adhesive layer made of a resin material having a lower elastic modulus than the material of the electric element on the element surface opposite to the target window side, and the inside of the carrier substrate or the carrier substrate A temperature adjusting means configured to adjust the temperature of the electric element configured on a surface, and a container for accommodating the electric element and the carrier substrate inside and forming an airtight seal while forming a space on the electric element; And the carrier substrate is held by the electric element apart from the facing surface on the inner space side of the container, and only the electric element is fixed on the inner surface of the container via a fixing portion. A package which is characterized in that is.
請求項2に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、前記電気素子の材料に比べて弾性率が低い樹脂材料からなる接着層を介して一体に固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板の内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。 Invention according to claim 2, housing the electric element in the internal space, in the packaging with an optical window, and the electrical device, in the device surface opposite the optical window-side of the electric element, said electric element adjusting a carrier substrate fixed integrally configured inside or on the carrier substrate surface of the carrier substrate, the temperature of the electric element through the adhesive layer to which the elastic modulus becomes a low resin material compared to the material Temperature adjusting means, and a container for accommodating the electric element and the carrier substrate inside and forming an airtight seal while forming a space on the electric element, and the carrier substrate includes the inner space of the container. The package is characterized in that it is held by the electric element apart from the opposite facing surface and is fixed on the inner surface of the container through only a part of the electric element.
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4いずれかのパッケージであって、前記温度調節手段は、前記キャリア基板に形成された抵抗発熱体であることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the package according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature adjusting means is a resistance heating element formed on the carrier substrate.
請求項6に記載の発明は、請求項2のパッケージであって、前記電気素子の前記一部は、前記キャリア基板が接着固定された側の面の一部であり、前記容器の内面は前記光学的窓側の面であることを特徴とする。
請求項7に記載の発明は、請求項1のパッケージであって、前記電気素子は、前記電気素子の前記光学的窓側の面上の一部で前記固定部と固定され、前記容器の内面は前記光学的窓側の面であることを特徴とする。
請求項8に記載の発明は、請求項1乃至7いずれかのパッケージであって、前記容器は、前記内部空間との電気的な接続を行う内部配線を有する容器支持基板を備え、前記内部配線は前記容器支持基板の端部においてフレキシブルプリント配線と電気的に接続されることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is the package according to claim 2, wherein the part of the electric element is a part of the surface to which the carrier substrate is bonded and fixed, and the inner surface of the container is the surface of the container It is an optical window side surface.
The invention according to claim 7 is the package according to claim 1, wherein the electric element is fixed to the fixing portion at a part of the surface of the electric element on the optical window side, and the inner surface of the container is It is a surface on the optical window side.
The invention according to an eighth aspect is the package according to any one of the first to seventh aspects, wherein the container includes a container support substrate having an internal wiring for electrical connection with the internal space, and the internal wiring Is electrically connected to the flexible printed wiring at the end of the container support substrate.
Claims (6)
電気素子と、
前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。 In a package that houses an electrical element in an internal space and has an optical window,
An electrical element;
A carrier substrate fixed via an adhesive layer on an element surface opposite to the optical window side of the electric element;
A temperature adjusting means configured to adjust the temperature of the electric element, which is configured inside the carrier substrate or on the surface of the carrier substrate;
A container for accommodating the electric element and the carrier substrate inside and forming an airtight seal while forming a space on the electric element;
The carrier substrate is held by the electric element apart from the facing surface on the inner space side of the container, and only the electric element is fixed on the inner surface of the container via a fixing portion. Package.
電気素子と、
前記電気素子の前記光学窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。 In a package that houses an electrical element in an internal space and has an optical window,
An electrical element;
On the element surface opposite to the optical window side of the electric element, a carrier substrate fixed via an adhesive layer;
A temperature adjusting means configured to adjust the temperature of the electric element, which is configured inside the carrier substrate or on the surface of the carrier substrate;
A container for accommodating the electric element and the carrier substrate inside and forming an airtight seal while forming a space on the electric element;
The carrier substrate is held by the electric element apart from the facing surface on the inner space side of the container, and is fixed on the inner surface of the container through only a part of the electric element. Package.
前記光学的窓側に位置する第1の基板と、
前記第1の基板の少なくとも一部と接着固定された第2の基板から構成され、
前記第1の基板の一部を介して、前記容器の前記内面上に固定されていることを特徴とする請求項2に記載のパッケージ。 The electrical element is
A first substrate located on the optical window side;
A second substrate bonded and fixed to at least a part of the first substrate;
The package according to claim 2, wherein the package is fixed on the inner surface of the container through a part of the first substrate.
前記電気素子は、前記第1の基板と前記第2の基板の間で、前記第1の基板の中央部に液晶が保持された液晶素子であることを特徴とする請求項3に記載のパッケージ。 The first substrate is a glass substrate and the second substrate is a semiconductor substrate;
4. The package according to claim 3, wherein the electrical element is a liquid crystal element in which liquid crystal is held in a central portion of the first substrate between the first substrate and the second substrate. .
一部に前記外部の光デバイスと光学的に結合可能な機能部分を含む電気素子と、
前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して前記電気素子と一体に固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して、または、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。 In a package having an optical window opened from the internal space to the outside, wherein the electrical element is housed in the internal space, and light is input and output between the external optical device and the electrical element.
An electrical element including in part a functional part that can be optically coupled to the external optical device;
On the element surface opposite to the optical window side of the electric element, a carrier substrate fixed integrally with the electric element via an adhesive layer;
A temperature adjusting means configured to adjust the temperature of the electric element, which is configured inside the carrier substrate or on the surface of the carrier substrate;
A container for accommodating the electric element and the carrier substrate inside and forming an airtight seal while forming a space on the electric element;
The carrier substrate is held by the electric element so as to be separated from the facing surface on the inner space side of the container, and only the electric element is interposed via a fixing portion or only part of the electric element. A package characterized by being fixed on the inner surface of a container.
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