JP2020031115A - 素子収納用パッケージおよびそれを有する実装構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた気密性を有する素子収納用パッケージおよび実装構造体を提供する。【解決手段】 実装基板４と、実装基板４上に位置している枠体５と、実装基板４および枠体５のいずれか一方を貫通する貫通孔Ｈと、貫通孔Ｈを貫通して位置しているリード端子６と、貫通孔Ｈの内側に位置しリード端子６が貫通するリード貫通孔Ｈ１を有し、リード端子６をリード貫通孔Ｈ１を貫通した状態で固定する、固定部材７と、リード貫通孔Ｈｌ内の少なくとも一部に充填され、固定部材７とリード端子６との間に位置する封止部材９と、を備え、貫通孔Ｈの貫通方向に切断した断面視において、固定部材７のうち貫通方向の少なくとも一方の端部は第１面取り部Ｃ１を有する、素子収納用パッケージ１とする。【選択図】 図５

Description

本発明は、素子収納用パッケージおよびそれを有する実装構造体に関する。

素子収納用パッケージは、さまざまな用途に応じて開発が行なわれている。素子収納用パッケージは、素子と外部機器とを電気的に接続するためのリード端子が設けられている。

素子収納用パッケージとしては、例えば、強誘電体素子であるＬＮ（ニオブ酸リチウム）による変調素子を実装することが可能なパッケージも開発されている。かかる素子収納用パッケージでは、リード端子がガラスからなる絶縁部材を介して固定されているものがある（例えば特許文献１参照）。

特開２００１−６８６９１号公報

しかしながら、リード端子がガラスからなる絶縁部材で固定されている場合は、リード端子と絶縁部材との熱膨張係数の違いにより、絶縁部材にクラックが発生し、パッケージの気密性が損なわれる虞がある。特に、絶縁部材を冷却してリード端子を絶縁部材に固定する際には、リード端子と絶縁部材の境目に生じる応力によってクラックが発生しやすい。

そこで、気密性に優れた素子収納用パッケージおよび実装構造体が求められている。

本発明の実施形態に係る素子収納用パッケージは、実装基板と、前記実装基板上に位置している枠体と、前記実装基板および前記枠体のいずれか一方を貫通する貫通孔と、前記貫通孔を貫通して位置しているリード端子と、前記貫通孔の内側に位置し前記リード端子が貫通するリード貫通孔を有し、前記リード端子を前記リード貫通孔を貫通した状態で固定する、固定部材と、前記リード貫通孔内の少なくとも一部に充填され、前記固定部材と前記リード端子との間に位置する封止部材と、を備え、前記貫通孔の貫通方向に切断した断面視において、前記固定部材のうち前記貫通方向の少なくとも一方の端部は第１面取り部を有する。

また、本発明の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、実装基板の上面に実装されている素子とを備える。

本発明の実施形態に係る素子収納用パッケージおよび実装構造体によれば、優れた気密性を有する。

本発明の実施形態の電子部品収納用パッケージを上方から見た斜視図である。 図１の素子収納用パッケージを上方から見た平面図である。 図１の素子収納用パッケージの側面図である。 図１の素子収納用パッケージの一部である入出力端子を示す平面図である。 （ａ）は図３の破線で切断した断面を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。 図５の構造の変形例１を示す図である。 図５の構造の変形例２を示す図である。 （ａ）は本発明の実施形態の電子装置を示す斜視図（蓋体無し）であり、（ｂ）は斜視図（蓋体有り）である。

以下、本発明の実施形態に係る素子収納用パッケージおよびそれを用いた実装構造体について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態の電子部品収納用パッケージを上方から見た斜視図である。図２は、図１の素子収納用パッケージを上方から見た平面図である。図３は、図１の素子収納用パッケージの側面図である。図８（ａ）は、本発明の実施形態の電子装置を示す斜視図（蓋体無し）であり、（ｂ）は斜視図（蓋体有り）である。

＜素子収納用パッケージおよび実装構造体の構成＞
本実施形態に係る実装構造体１は、例えばLD（Laser Diode）の半導体素子や強誘電体
素子であるＬＮ（ニオブ酸リチウム）による素子としての変調素子を実装した構造体である。実装構造体１は、ある特定の光入力に対して、変調信号を加えることで、位相、振幅または偏波面などを変化させて、外部に光出力する光通信用の構造体であってもよい。

実装構造体１は、図８に示すように、素子収納用パッケージ２と、素子収納用パッケージ２内の実装基板４の上面（実装領域Ｒ）に実装されている素子３とを備えている。また、素子収納用パッケージ２は、図１〜図３などに示すように、上面に素子３を実装する実装領域Ｒを有する実装基板４と、実装基板４上に位置している枠体５と、実装基板４および枠体５のいずれか一方を貫通する貫通孔Ｈと、貫通孔Ｈを貫通して位置しているリード端子６と、貫通孔Ｈの内側に位置しリード端子６が貫通するリード貫通孔Ｈ１を有し、リード端子６をリード貫通孔Ｈ１を貫通した状態で固定する、固定部材７と、リード貫通孔Ｈｌ内の少なくとも一部に充填され、固定部材７とリード端子６との間に位置する封止部材９とを備える。そして、本実施形態の素子収納用パッケージ２は、図５〜図７に示すように、貫通孔Ｈの貫通方向に切断した断面視において、固定部材７のうち貫通方向の少なくとも一方の端部に第１面取り部Ｃ１を有する。

素子３は、図８に示しているが、例えば、ニオブ酸リチウムからなる変調素子である。素子３は、例えば台座（図示せず）上に実装すればよい。台座は、素子収納用パッケージ２の内部の実装領域Ｒに設けられる。台座は、素子３を実装するものであって、素子３の高さ位置を調整することができる。台座は、絶縁材料からなり、台座の上面に素子３と電気的に接続される電気配線が形成されている。

実装基板４は、図１に示すように、長方形状の金属板等であって、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なる。なお、実装基板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。実装基板４の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ以上２８×１０^−６／Ｋ以下に設定されている。

また、実装基板４は、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、実装基板４は、平面視したときの大きさは、例えば５×１０ｍｍ以上２０×１００ｍｍ以下に設定されている。また、実装基板４の上下方向の厚みは、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

また、実装基板４の表面は、酸化腐食を防止するために、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金属層が形成されていてもよい。なお、金属層の厚みは、例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下に設定されている。

枠体５は、図１に示すように、実装基板４上に設けられている。枠体５は、実装基板４の実装領域Ｒを取り囲む枠状部５１と、枠状部５１に実装基板４の上面に沿った平面方向に形成された貫通孔Ｈとを有している。そして、貫通孔Ｈとは別に高周波や光信号との入出力信号を通す外部接続口１０が設けられていてもよい。また、図１〜図３などに示すように、貫通孔Ｈにリード端子を設けた入出力端子８が位置していてもよい。なお、図１では貫通孔Ｈは枠体５に位置しているが、これに限らず、実装基板４に位置していてもよい。

枠体５の材料は、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が挙げられるが、それに限られず、セラミックス材料などを用いることができる。枠体５は、素子３から発生する熱を効率良く外部に放熱する機能や熱応力を吸収したり、分散させたりする機能、実装構造体１を気密に封止できる機能を備えるようにすればよい。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。枠体５の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ以上２８×１０^−６／Ｋ以下に設定されている。また、平面視における枠体５の大きさは、例えば５×１０以上２０×１００ｍｍ以下に設定されている。また、枠体５を平面視したときの枠の厚みは、例えば１ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。なお、実装基板４と枠体５は一体型として構成されていてもよい。

外部接続口１０は、高周波や光信号等の入出力信号を伝達する機能を有している。例えば外部接続口１０から光ファイバ等を介して光信号を出力することができる。

入出力端子８は、図４〜図７などに示すように、貫通孔Ｈに設けられた、リード端子６およびリード端子６を固定する固定部材７を備えている。入出力端子８は、バイアス電圧を素子３に加えたり、電気信号を素子収納用パッケージ２内に入力するものである。図４は、図１の素子収納用パッケージの一部である入出力端子を示す平面図である。

リード端子６は、例えば長手方向に垂直な断面が円形状および矩形状等である。具体的には、図３に示すように、リード端子６は、断面が矩形状、例えば長方形状でもよい。リード端子６は、外部の電子機器と電気的に接続され、外部の電子機器からのバイアス電圧や電気信号が入力される。リード端子６は、長手方向の長さが例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。また、断面において、例えば長辺の長さが０．１５ｍｍ以上１ｍｍ以下であって、短辺の長さが０．１ｍｍ以上０．９５ｍｍ以下である。なお、リード端子６は、導電材料からなり、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なる。リード端子６の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ以上２８×１０^−６／Ｋ以下に設定されている。

固定部材７は、平面視において、たとえば円形状であり、内部にリード貫通孔Ｈｌを有し、リード貫通孔Ｈｌ内に封止部材９が設けられている。リード貫通孔Ｈｌは、固定部材７に複数設けられていてもよい。この場合、複数のリード貫通孔Ｈｌは、固定部材７内に一方向に等間隔で設けられていてもよい。図３に示すように、リード貫通孔Ｈｌは、側面視で円形状に形成されている。なお、リード貫通孔Ｈｌは、直径が例えば０．３ｍｍ以上
３ｍｍ以下に設定されている。また、固定部材７はろう材等の接合部材７ａを介して貫通孔Ｈ（枠体５）に接合される。

リード端子６は、封止部材９を貫通している。リード端子６は、固定部材７の貫通孔Ｈｌの内周面とは接触しないように設けられている。そのため、リード端子６と固定部材７とは電気的に絶縁した関係となる。

ここで、リード端子６の固定部材７に対する固定方法の一例について説明する。まず、円筒状の固形ガラスを準備する。固形ガラスは、周知の紛体プレス法や押し出し成形法等を用いて作製することができる。固形ガラスは、外径がリード貫通孔Ｈｌの内径に対応し、内径がリード端子６の大きさに対応している。そして、固形ガラスをリード貫通孔Ｈｌに嵌めて、さらにリード端子６を固形ガラスの筒孔に挿し込む。そして、固形ガラスを所定の温度で加熱して、固形ガラスを溶融して軟化させ、リード端子６とリード貫通孔Ｈｌに接着させた後に、冷却して固化させることにより、固形ガラスを封止部材として、リード端子６とリード貫通孔Ｈｌとを接着することができる。このとき、組み立て冶具を用いて、リード端子６と固形ガラスをリード貫通孔Ｈｌに固定する。そして、固形ガラスを加熱するとともに、リード端子６とリード貫通孔Ｈｌの間に保持できる程度に固形ガラスを軟化させ、リード端子６とリード貫通孔Ｈｌに接着させた後に冷却することで、リード端子６を、封止部材９を介して固定部材７に固定することができる。

本実施形態では、図５などに示すように、貫通孔Ｈの貫通方向に切断した断面視において、固定部材７のうち貫通方向の少なくとも一方の端部は第１面取り部Ｃ１を有する。例えば、固定部材７は、図５に示すように、封止部材９側に設けられている内側面取り部Ｃ１ａを有するようにすればよい。この場合、内側面取り部Ｃ１ａの面取り寸法は、例えばＲ０．０２ｍｍ〜０．１５ｍｍまたはＣ０．０２ｍｍ〜０．１５ｍｍ程度であればよい。これによれば、固定部材７の表面形状が緩やかになるため固定部材７の端部における応力を緩和することが可能となる。それにより、固定部材７と封止部材９との接合界面に隙間あるいはクラックが発生する虞を低減することができる。その結果、気密性に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。

また、図７に示すように、固定部材７の内側面取り部Ｃ１ａは封止部材９と接触するように構成してもよい。これにより、固定部材７と封止部材９との接触面積を大きくできるため、接合界面における接合強度を大きくすることができる。そのため、接合界面におけるクラック発生の虞を低減することができる。

その際、さらに、図７に示すように、封止部材９は、固定部材７の内側面取り部Ｃ１ａからリード貫通孔Ｈｌの内側面に連続して接触するようにすればよい。これにより、リード端子６が封止部材９を介して固定部材７内に強固に固定されることとなり、より気密性の高い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、図７（ｂ）に示すように、固定部材７の内側面取り部Ｃ１ａと封止部材９との接触領域は、固定部材７の内側面取り部Ｃ１ａと封止部材９との非接触領域よりも大きくすればよい。この場合、両者の接触面積を大きく確保することができ大きな接合強度を備えることが可能となる。これにより、気密性に優れると同時に、固定部材７と封止部材９の接合界面におけるクラック発生の虞をさらに低減することができる。

また、図５〜図７に示すように、断面視において、固定部材７は、封止部材９とは反対側に設けられている外側面取り部Ｃ１ｂを有していてもよい。この場合、外側面取り部Ｃ１ｂの面取り寸法は、例えばＲ０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍまたはＣ０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍ程度であればよい。これにより、固定部材７と枠体５とをろう材等の接合部材７ａで接合する場合、接合界面で発生するメニスカスを緩やかに構成しやすいため、接合界面に
おける応力を緩和することができる。そのため、固定部材７と枠体５の接合界面におけるクラック発生の虞を低減することができる。

ここで、図５〜図７に示すように、断面視において、内側面取り部Ｃ１ａは外側面取り部Ｃ１ｂよりも表面積を小さくすることができる。これにより、封止部材９が過度に内側面取り部Ｃ１ａに流れてしまうことを低減でき、内側面取り部Ｃ１ａと封止部材９との接合界面において、接合強度が低下する虞を低減できる。

さらに、図６に示すように、貫通孔Ｈの貫通方向に切断した断面視において、固定部材７のうち貫通方向の他方の端部は第２面取り部Ｃ２を有する。固定部材７のうち貫通方向の他方の端部にも第２面取り部を設けることで、さらに固定部材７と封止部材９との接合界面における接合強度をより大きくすることが可能となり、その結果として固定部材７とガラス部材９との接合界面に隙間あるいはクラックが発生するのをより効果的に低減することができる。

封止部材９は、図５などに示すように、固定部材７のリード貫通孔Ｈｌ内に充填される。そして、リード端子６の両端部が封止部材９から突出している。封止部材９は、リード端子６が固定部材７に接触しないようにリード端子６を固定部材７に固定するものである。リード端子６の一端が外部の電子機器と電気的に接続されて、リード端子６のもう一端が素子３と電気的に接続される。封止部材９の材料は、例えばホウケイ酸ガラス、リン酸ガラスまたはケイ酸ガラス等のガラス材料が挙げられるが、それに限定されず、樹脂材料などを用いることもできる。封止部材９の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ以上２０×１０^−６／Ｋ以下に設定されている。

蓋体１２は、図８に示すように、枠体５上に設けられる。枠体５上には、実装領域Ｒに素子３を実装した状態で、蓋体１２が設けられる。蓋体１２は、実装基板４と枠体５とで囲まれる空間を封止することができる。蓋体１２は、例えばろう材を介して枠体５上にろう付けされたり、シーム溶接によって枠体５上に接合されたりする。なお、蓋体１２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なる。

以上のような構成を有する本実施形態に係る実装構造体１は、例えば、入出力端子８からのバイアス電圧や制御信号等により実装構造体１内に実装されているLD（Laser Diode
）を作動させ外部接続口１０から光信号を出力する、光通信用の構造体として使用することができる。図１および図４などに示すように、入出力端子８は、リード端子６が封止部材９によってリード貫通孔Ｈｌに固定されており、半田等の接合部材７ａを介して固定部材７を枠体５に設けられた貫通部に挿入固定する際に、枠体５、リード端子６、固定部材７、封止部材９および接合部材７ａの熱膨張係数の違いに起因して生じる熱応力によって封止部材９にクラックが入らないようにすることが重要である。

さらに、本実施形態に係る素子収納用パッケージ２は、素子収納用パッケージ２の製造工程や実装構造体１の作動時に、固定部材７の長手方向の熱膨張、熱収縮に伴って、固定部材７の長手方向に直交した方向に設けられるリード端子６の側面と封止部材９との接合部に生じる応力を、上記の構成によって分散させることができる。

本発明は上述の実施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、ペースト状のガラス接合材を、封止部材９から固定部材７の長手方向に直交した方向に設けられるリード端子６の側面に沿って直接塗布するとともに硬化させ、固定部材７の長手方向に直交した方向に設けられるリード端子６の側面に封止部材９を設けてもよい。

１ 実装構造体
２ 素子収納用パッケージ
３ 素子
４ 実装基板
Ｒ 実装領域
５ 枠体
５１ 枠状部
Ｈ 貫通孔
６ リード端子
７ 固定部材
Ｃ１ 第１面取り部
Ｃ１ａ 内側面取り部
Ｃ１ｂ 外側面取り部
Ｃ２ 第２面取り部
７ａ 接合部材
８ 入出力端子
９ 封止部材
１０ 外部接続口
１２ 蓋体
Ｈｌ リード貫通孔

Claims (9)

1. 実装基板と、
   前記実装基板上に位置している枠体と、
   前記実装基板および前記枠体のいずれか一方を貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔を貫通して位置しているリード端子と、
   前記貫通孔の内側に位置し前記リード端子が貫通するリード貫通孔を有し、前記リード端子を前記リード貫通孔を貫通した状態で固定する、固定部材と、
   前記リード貫通孔内の少なくとも一部に充填され、前記固定部材と前記リード端子との間に位置する封止部材と、を備え、
   前記貫通孔の貫通方向に切断した断面視において、前記固定部材のうち前記貫通方向の少なくとも一方の端部は第１面取り部を有する、素子収納用パッケージ。
2. 前記断面視において、前記固定部材は、前記封止部材側に設けられている内側面取り部を有する、請求項１に記載の素子収納用パッケージ。
3. 前記断面視において、前記固定部材の前記内側面取り部は前記封止部材と接触している、請求項２に記載の素子収納用パッケージ。
4. 前記断面視において、前記封止部材は、前記固定部材の前記内側面取り部から前記リード貫通孔の内側面に連続して接触している、請求項２または３に記載の素子収納用パッケージ。
5. 前記断面視において、前記固定部材の前記内側面取り部と前記封止部材との接触領域は、前記固定部材の前記内側面取り部と前記封止部材との非接触領域よりも大きい、請求項３または４に記載の素子収納用パッケージ。
6. 前記断面視において、前記固定部材は、前記ガラス部材とは反対側に設けられている外側面取り部を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の素子収納用パッケージ。
7. 前記断面視において、前記内側面取り部は前記外側面取り部よりも表面積が小さい請求項６に記載の素子収納用パッケージ。
8. 前記貫通孔の貫通方向に切断した断面視において、前記固定部材のうち前記貫通方向の他方の端部は第２面取り部を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の素子収納用パッケージ。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の素子収納用パッケージと、
   前記実装基板の上面に実装されている素子と、を備えた実装構造体。