JP4284161B2 - セラミックパッケージ - Google Patents
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Description
本発明は、ＰＤ，ラインセンサ，イメージセンサ，ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ＲＯＭ）等の受光素子、またはこれら受光部を有する光半導体素子を搭載するパッケージに好適な遮光性を有するセラミックパッケージに関する。
従来、ＰＤ，ラインセンサ，イメージセンサ，ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ＲＯＭ）等の受光素子、またはこれらの受光部を有する光半導体素子を搭載するパッケージは、誤作動を防ぐために遮光する必要があり、黒色の着色材料を用いることによって、不要光がパッケージの壁面を透過するのを防止する試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、ＭｎＯ２、ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３の添加により、工程中の化学変化によって変色しない、黒色を安定に呈する磁器を実現したものである。
また、黒色系と白色系の窒化アルミニウムからなるパッケージの例が報告されている（例えば、特許文献２参照）。光半導体素子を搭載する場合、素子搭載部は高い放熱性が必要なため、高純度・高熱伝導率である白色系窒化アルミニウムを基板のベースとして使用し、その他ベース周辺・枠部および蓋体には遮光性の黒色系窒化アルミニウムを使用するものである。
特開平０１−０４２３５９号公報
特開平０１−０８９５４６号公報
しかしながら、近年、半導体素子の高集積化、電子部品の小型化に伴う、各種電子機器の小型化、高機能化に伴い、半導体素子を搭載するセラミックパッケージにも小型化・薄型化が要求されている。そのため、特許文献１又は２のような遮光基板として着色材料を用いただけの絶縁基板では、その底部および堤部厚みの減少とともに、パッケージ内部に光が透過するという問題が発生した。
従って、本発明の目的は、小型・薄型化した場合にも高い遮光性を有するパッケージを提供することである。
本発明のセラミックパッケージは、電気素子が表面に実装される基板底部および該基板底部の外周に一体的に設けられた基板堤部からなる絶縁基板と、前記基板底部の内部、表面及び裏面にそれぞれ設けられて電気的に接続されたメタライズ層とを含み、前記絶縁基板が、内表面側の全体に配置された黒色磁器と外表面側の全体に配置された反射率が７０％以上の白色磁器とからなることを特徴とするものである。
前記絶縁基板における可視光の透過率が０．１％以下であることが好ましい。
本発明は、黒色磁器からなる絶縁基板の外表面側全体に反射率が７０％以上の白色磁器を設けることによって、絶縁基板の壁面を透過する光量自体を減少させ、パッケージの遮光性をより高めることができるという知見に基づくもので、これにより、小型・薄型化した場合にも高い遮光性を有するセラミックパッケージを実現でき、遮光信頼性を向上することができる。
前記反射率が７０％以上の白色磁器として、アルミナや窒化アルミニウム等種々のセラミックスを選択することができ、パッケージに熱伝導率等種々の特性を付加できるという効果がある。
前記絶縁基板における可視光の透過率が０．１％以下であると、ＣＭＯＳやＣＣＤといった可視光の撮像素子を搭載するパッケージとして好適に利用することができる。
本発明のセラミックパッケージを、図を用いて説明する。
まず、セラミックパッケージを説明するための一実施例を図1及び２に示した。図１はセラミックパッケージの概略断面図であり、図２は内部に半導体素子を搭載し、蓋体によって蓋をした状態のセラミックパッケージの断面図である。
図１によれば、セラミックパッケージは、基板底部１ａと基板堤部１ｂとからなる絶縁基板１と、基板底部１ａに設けられたメタライズ層２とを具備する。
絶縁基板１は、基板堤部１ａの外周に基板堤部１ｂが一体的に設けられており、メタライズ層２は、基板底部１ａの表面に設けられた表面メタライズ層２ａと、外部との電気接続のために裏面に設けられた裏面メタライズ層２ｂと、表面メタライズ層２ａ及び裏面メタライズ層２ｂを接続するために基板底部１ａの内部に形成された内部メタライズ層２ｃとからなる。
図１のセラミックパッケージの内部に半導体素子や電子部品を搭載することができ、蓋体をセラミックパッケージに接合することで、外気と遮断し、密閉状態を創出することができる。
図２によれば、半導体素子３は、基板底部１ａの内部表面に、ボンディングワイヤ４を介してメタライズ層２と電気的に接続されている。
蓋体６は、半導体素子３を保護するため、接合層５によってセラミックパッケージに接合され、気密封止される。半導体素子がＣＭＯＳやＣＣＤなどの撮像素子の場合、蓋体６はガラス，石英，サファイヤ，透明樹脂等の透光性部材を用いることができる。
本発明のパッケージには、図３（ａ）に示すように、絶縁基板の内表面側７ａの全体に黒色磁器、その外表面側７ｂの全体に白色磁器１ｄを設けることが重要であり、この構成により効果的な遮光を行うことができる。
本発明のセラミックパッケージは、絶縁基板１の外表面側７ｂの全体に白色磁器１ｄを設けることが重要である。白色磁器１ｄは、光が絶縁基板１の内部に入射する光量自体を低減することができるため、同じ形状であれば、光量の少ない分だけ、光透過量を低減することができ、内部に光が漏れ入り、受光素子や光半導体素子等が誤動作を起こすのを効果的に防止することができる。
また、本発明によれば、絶縁基板１の内表面側７ａの全体に、黒色磁器を用いることも重要である。外部の光の一部は白色磁器１ｄで反射され、残りが絶縁基板１の内部に入射するが、白色磁器１ｄの内部に黒色磁器を具備していれば、黒色磁器での吸収により入射光を効果的に除去することができる。
黒色磁器は、光の吸収率が高く、遮光性を高めることができるもので、さらに熱伝導率の向上、残留応力の低減の観点から、黒色アルミナ磁器であることが望ましい。
また、白色磁器１ｄは、アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミニウム、コーディエライト、フォルステライト等種々のセラミックスを用いることができ、所望の機械特性、電気特性、熱特性によってさまざまな材料を選択することができる。充分な遮光効果を得るため、白色磁器１ｄは反射率が７０％以上の磁器であることが重要である。
また、黒色磁器の厚みは、白色磁器１ｄを透過した光を十分に吸収して、絶縁基板１を透過する光量を低減するため、絶縁基板１の厚みの５０％以上、特に７０％以上、更には９０％以上を占めることが望ましい。一方、白色磁器１ｄの厚みは、光を十分に反射することができるように、絶縁基板１の厚みの１％以上、特に３％以上、更には５％以上であることが望ましい。このように、黒色磁器と白色磁器１ｄの厚みバランスを調整することで、より効率の良い遮光を行うことができる。
例えば、絶縁基板１の基板底部１ａの厚みが０．４ｍｍ、基板堤部１ｂの厚みが０．４ｍｍのＣＭＯＳ用パッケージでは、絶縁基板１の外表面側７ｂの全体に０．０４ｍｍ以上の白色磁器１ｄを設けることにより、ＣＭＯＳセンサーが不要光を感知することを防ぐことができる。
そして、絶縁基板の可視光の透過率が０．１％以下であることが望ましい。換言すれば、セラミックパッケージの内部に可視光を０．１％以上透過しないことが望ましい。可視光の透過を０．１％以下とすることで、ＣＭＯＳやＣＣＤといった撮像素子が不要な光を感知するのを防ぐことができる。可視光の透過率は特に、０．０５％以下、さらには０．０２％以下であることが望ましい。
さらに、前記黒色磁器と前記白色磁器１ｄとの界面に、組成が傾斜的に変化する傾斜組織が形成されていることが望ましい。これにより、黒色磁器と白色磁器１ｄとの界面強度が保持され、パッケージの信頼性および気密性をより高めることができる。例えば、黒色磁器と白色磁器１ｄとの界面に、組成が略連続的に変化する傾斜組織を形成し、白色磁器側から黒色磁器側へ略連続して白色磁器の濃度を変化させることができる。
次に、本発明のセラミックパッケージの製造方法について、複数のセラミックパッケージが２次元に配列され、一体的に設けられた連結基板の製造方法を例として取り上げて説明する。
まず、白色磁器の原料粉末を準備する。アルミナ、ムライト、ジルコニア、窒化アルミニウム、スピネル、コーディエライト、フォルステライト等を例示できる。焼結助剤として、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ等を加えても良いが、磁器を着色しないものに限る。焼結助剤は酸化物粉末以外に、焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等として添加してもよい。
黒色の発色は、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗまたはその酸化物を添加することで実現することができる。
上記の粉末を混合し、適宜有機バインダを添加した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法等の周知の成形方法によって、グリーンシートを作製する。例えば、上記混合粉末に有機バインダや溶媒を添加してスラリーを調整した後、ドクターブレード法によってグリーンシートを形成する。或いはまた、混合粉末に有機バインダを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みのグリーンシート（以下、白色グリーンシートと言う）を作製できる。
また、黒色磁器の原料粉末を準備する。黒色磁器の原料は、上記の白色磁器用原料粉末に対して、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ等を加えて着色することができる。よって、これら金属粉末、又はその酸化物や無機塩を準備する。
黒色磁器原料粉末を、白色グリーンシートの製造方法と同様にして、黒色グリーンシートを作製する。
次に、黒色グリーンシート及び白色グリーンシートの表面に、所望により、マイクロドリル、レーザー等により直径５０〜２５０μｍのビアホールを形成することができる。
このようにして作製したグリーンシートに対して、導体ペーストをスクリーン印刷、グラビア印刷等の方法により各グリーンシート上に配線パターン状に印刷塗布するとともに、所望により、上記の導体ペーストをビアホール内に充填する。
その後、ビア加工され、配線パターンが形成された黒色グリーンシート及び白色グリーンシートを位置合わせして積層圧着し、積層体を作製する。この積層体を、酸化性または非酸化性雰囲気中で焼成する。焼成雰囲気は着色剤の性質によって選択することが望ましい。例えば、Ｍｎを加えた場合は酸化性雰囲気、Ｔｉを加えた場合は非酸化性雰囲気で焼成することで、磁器を黒色化することができる。
具体的には、酸化性雰囲気焼成は大気中、非酸化性雰囲気は窒素、又は窒素と水素との混合ガスを用いることが好ましい。非酸化性雰囲気焼成の場合、有機バインダの脱脂をする上では、水素及び窒素を含み、露点＋３０℃以下、特に２５℃以下の非酸化性雰囲気であることが望ましい。なお、雰囲気中には、所望により、アルゴン等の不活性ガスを混入してもよい。
なお、最終的には、絶縁基板１内部に光半導体素子３を実装し、メタライズ層２との間を電気的に接続し、且つ樹脂やガラス、ロウ材等の接続層５によって蓋体６を接合することにより、半導体素子３が気密に封止された光半導体装置を得ることができる。
原料粉末として純度９９％以上、平均粒径が２μｍのＡｌ２Ｏ３粉末、純度９９％以上、平均粒子径３μｍのＳｉＯ２粉末、純度９９％以上、平均粒子径３μｍのＣａＯ、平均粒子径２μｍのＴｉＯ２粉末、純度９９％以上、平均粒子径３μｍのW粉末を準備した。
反射層となる白色磁器の原料としてＡｌ２Ｏ３を９５質量％、ＳｉＯ２を３質量％、ＣａＯを２質量％混合した。黒色磁器用にはこれにＴｉＯ２を０．５質量％の割合でアルミナに添加した。粉末混合物に成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダと、トルエンを溶媒として混合し、スラリーを調整した。しかる後に、ドクターブレード法にてグリーンシートを作製した。
得られた２種のグリーンシートを、焼成後にそれぞれ厚さ０．１ｍｍ、５０ｍｍ角の正方形となるように積層し、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて１５００℃、２時間焼成した。
このようにして得られた表１の基板について４００〜８００ｎｍの光の透過率を測定した。なお、光は基板の1層目から照射している。
また、基板の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察することにより、界面の連続性、即ち傾斜組織の有無を確認した。
一方、平均粒子径３μｍのＷ粉末９５質量％、平均粒子径２μｍのアルミナ粉末５質量％を調整した後、アクリル系バインダとアセトンを溶媒として混合し、導体ペーストを調製した。結果を表１に示した。
本発明の試料Ｎｏ．４〜９は、可視光透過率が０．２％以下と小さく、反射層による光の反射が効率的に行われていた。
一方、白色磁器を用いた本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、光の透過率が１１％と高かった。
また、黒色磁器のみからなる本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２は、光の透過率が１％であった。さらに、内表面が白色、外表面が黒色で本発明の範囲外の試料Ｎｏ．３は、透過率が０．５％であった。
実施例１と同様にして、グリーンシートを作製し、得られたグリーンシートの一部に打ち抜き加工を施し、直径が１００μｍのビアホールを形成し、このビアホール内に、上記の導体ペーストをスクリーン印刷法によって充填するとともに、配線パターン状に印刷塗布した。なお、電子部品を収納する部位は打ち抜き加工によって除去した。
白色磁器用グリーンシート及び黒色磁器用グリーンシートを組み合わせ、積層圧着して積層体を作製した。この後、実施例１と同様の方法で焼成し、図３（ａ）に記載のパッケージを作製した。次いで、内部にＣＭＯＳセンサーを搭載し、蓋体を接合した。パッケージ外部にスポットライトを当てたが、内部に侵入する光量が少ないため、ＣＭＯＳセンサーは外部の不要光を感知しなかった。
１・・・絶縁基板
１ａ・・・基板底部
１ｂ・・・基板堤部
１ｄ・・・白色磁器
２・・・メタライズ層
２ａ・・・表面メタライズ層
２ｂ・・・裏面メタライズ層
２ｃ・・・内部メタライズ層
３・・・半導体素子
４・・・ボンディングワイヤ
５・・・接合剤
６・・・蓋体
７ａ・・・内表面側
７ｂ・・・外表面側
１ａ・・・基板底部
１ｂ・・・基板堤部
１ｄ・・・白色磁器
２・・・メタライズ層
２ａ・・・表面メタライズ層
２ｂ・・・裏面メタライズ層
２ｃ・・・内部メタライズ層
３・・・半導体素子
４・・・ボンディングワイヤ
５・・・接合剤
６・・・蓋体
７ａ・・・内表面側
７ｂ・・・外表面側
Claims (2)
- 電気素子が表面に実装される基板底部および該基板底部の外周に一体的に設けられた基板堤部からなる絶縁基板と、前記基板底部の内部、表面及び裏面にそれぞれ設けられて電気的に接続されたメタライズ層とを含み、前記絶縁基板が、内表面側の全体に配置された黒色磁器と外表面側の全体に配置された反射率が７０％以上の白色磁器とからなることを特徴とするセラミックパッケージ。
- 前記絶縁基板における可視光の透過率が０．１％以下であ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。
Priority Applications (1)
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| JP2003394562A JP4284161B2 (ja) | 2003-11-25 | 2003-11-25 | セラミックパッケージ |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003394562A JP4284161B2 (ja) | 2003-11-25 | 2003-11-25 | セラミックパッケージ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| JP2005158964A JP2005158964A (ja) | 2005-06-16 |
| JP4284161B2 true JP4284161B2 (ja) | 2009-06-24 |
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Family Applications (1)
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-
2003
- 2003-11-25 JP JP2003394562A patent/JP4284161B2/ja not_active Expired - Lifetime
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|---|---|
| JP2005158964A (ja) | 2005-06-16 |
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