JP4285399B2 - 電子素子パッケージの製造方法および電子素子パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、密閉された内部空間に電子素子を収納する電子素子パッケージの製造方法および電子素子パッケージに関する。

従来より、半導体素子、表面弾性波素子、その他様々な電子素子を、大気中に存在する水分や酸素等の影響から守る一手法として、凹状の容器の内部に電子素子を収納し、容器の上面にはんだ、ガラス材、接着剤等を供給し、金属やセラミックスの板を接合して容器内部を密閉して電子素子を封止する技術が提案されている。例えば、特許文献１では、凹状のセラミック容器の上面にメタライズ層、ニッケルメッキ、金メッキを順に設け、銀ロウを介して金属膜が形成された金属蓋とシーム溶接することにより、シールリングを使用せずに気密性の改善および容器単価の低減を実現する技術が開示されている。
特開平１１−３１２７４８号公報

ところで、はんだ、ガラスパウダー、銀ロウ等で封止を行う場合、２００℃以上に加熱をする必要があるが、内部空間に配置されるデバイスが、微小なメカニカルスイッチ、メカニカルフィルタ等のように耐熱性が低い場合、デバイスに熱による損傷を与えてしまったり、十分に信頼性の高い封止を行うことができないという問題が生じてしまう。もちろん、樹脂系の接着剤にて低温で封止する手法も考えられるが、高周波メカニカルフィルタのように周囲に存在する気体により特性が劣化するデバイスを１Ｐａ以下の減圧状態で気密封止したり、微小なメカニカルスイッチのように湿度による影響を防止する必要がある場合は、樹脂系の接着剤による封止は好ましくない。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、電子素子パッケージの封止において信頼性の高い封止を行うことができ、さらに比較的低温での接合にも応用できる手法を提供することを主たる目的としている。

請求項１に記載の発明は、電子素子パッケージの製造方法であって、所定の領域を囲む複数の環状部を有する金属壁が形成された第１の容器部材と、前記金属壁に対応する接合部を有する第２容器部材とを準備する準備工程と、前記接合部と前記金属壁とを対向させる位置合わせ工程と、前記接合部と前記金属壁とを当接させ、さらに前記第１の容器部材と前記第２の容器部材とを互いに近づく方向に押圧することにより、前記金属壁と前記接合部とを金属接合して電子素子が配置される空間の少なくとも一部を形成する押圧工程とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電子素子パッケージの製造方法であって、前記金属壁が、前記複数の環状部うちのいずれか２つの環状部の間に、前記２つの環状部を連結する複数の連結部をさらに有する。

請求項３に記載の発明は、電子素子パッケージであって、請求項１又は２に記載の電子素子パッケージの製造方法により製造されたものである。

請求項４に記載の発明は、電子素子パッケージであって、電子素子と、前記電子素子が収納される内部空間を形成する第１の容器部材および第２の容器部材とを備え、前記第１の容器部材が、前記内部空間に接する領域を囲む複数の環状部を有する金属壁を備え、前記第２の容器部材の接合部が前記金属壁と金属接合されている。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電子素子パッケージであって、前記金属壁が、前記複数の環状部うちのいずれか２つの環状部の間に、前記２つの環状部を連結する複数の連結部をさらに有する。

本発明によれば、高い信頼性にて電子素子パッケージの封止を行うことができる。

請求項１に記載の発明では、金属壁に設けた複数の環状部により、第１の容器部材と第２の容器部材との間において多重の封止が行われるため、金属壁と接合部との間の封止の信頼性が向上される。また、請求項２および５に記載の発明では、複数の環状部の間が複数の連結部により連結され、複数の微小空間が形成されるため、万一、金属壁と接合部との間の金属接合が部分的に不完全であったり損傷したとしても、他の部位における接合により、内部空間の封止が保たれ、封止の信頼性をより向上することができる。

図１は、本発明の参考例としての電子素子パッケージ１を示す縦断面図である。電子素子パッケージ１は、電子素子２１が実装された第１基板２２、および、第１基板２２に接合されることにより電子素子２１を収納する空間を形成するキャビティ２３０を有する第２基板２３を備える。すなわち、電子素子パッケージ１では、第１基板２２および第２基板２３が電子素子２１を収納する容器部材としての役割を果たす。電子素子２１としては、例えば、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）フィルタが用いられ、第１基板２２はシリコン、第２基板２３はシリコンまたはガラスにて形成され、６ｍｍ四方の大きさとされる。

図２は、第１基板２２と第２基板２３とが接合される前の第１基板２２および電子素子２１を示す平面図である。第１基板２２の電子素子２１の周囲には、必要に応じて適宜薄いメッキが施され、さらに、最上面には電子素子２１が実装される領域を囲む環状の金の金属壁２２１がメッキにて形成される。なお、図２では金属壁２２１の幅を強調して太く描いている。一方、図１中に示すように、金属壁２２１に対応する第２基板２３の下面は金でメタライズされた接合部２３１となっており、金属壁２２１と接合部２３１とが金属接合されることにより、電子素子２１が収納される空間が気密に封止される。

図３は電子素子パッケージ１の製造工程を示す図である。電子素子パッケージ１が製造される際には、予め、基板上に金属壁２２１がメッキにより形成されて電子素子２１が実装されることにより第１基板２２が準備され、キャビティ２３０が形成された第２基板２３も準備される（ステップＳ１）。そして、図４に示すように、プラズマ処理用のチャンバ５１内にてステージ５２上に第１基板２２が載置され、チャック５３に第２基板２３が保持される。これにより、第２基板２３の接合部２３１と第１基板２２の金属壁２２１とが対向した状態とされる（図１参照）。その後、チャンバ５１には図示省略のカメラが一時的に挿入され、金属壁２２１に対して接合部２３１の位置合わせが行われる（ステップＳ２）。

ステージ５２およびチャック５３は互いに対向する電極となっており、チャンバ５１内が減圧された後（例えば、１Ｐａ以下まで減圧される。）、必要な量だけアルゴンガスが導入され、ステージ５２とチャック５３との間に交流の高周波電圧が印加されることによりプラズマが発生し、第１基板２２の金属壁２２１および第２基板２３の接合部２３１に表面処理（いわゆる、プラズマ洗浄処理）が施される（ステップＳ３）。

表面処理が完了すると、チャック５３に接続されているシャフト５４が下降し、図５に示すように、接合部２３１と金属壁２２１とが当接し（図１参照）、さらに第１基板２２と第２基板２３とが互いに近づく方向に押圧される（ステップＳ４）。図６．Ａおよび図６．Ｂは、押圧前後における金属壁２２１の様子を示す拡大図である。図６．Ａおよび図６．Ｂに示すように、押圧により金属壁２２１が高さ方向に関して塑性変形されながら金属壁２２１の上面全体と接合部２３１とが金属接合する（すなわち、金属原子レベルで接合される）。これにより、電子素子２１が配置される密閉空間が形成される。また、表面処理時および接合時には第１基板２２および第２基板２３は１５０℃以下とされ電子素子２１が熱により破損してしまうことが防止される。

以上のように、電子素子パッケージ１では、製造時に金属壁２２１を高さ方向に関して塑性変形させながら第１基板２２と第２基板２３との金属接合が行われる。これにより、第１基板２２の上面や第２基板２３の下面の凹凸や基板自体の反りを金属壁２２１にて吸収しつつ接合を行うことができ、電子素子２１が収納される空間の封止の信頼性を向上することができる。また、金属壁２２１を利用することにより、接合に必要な領域の幅を最小限に抑えることができ、電子素子パッケージの小型化にも対応することができる。

また、押圧による封止が減圧環境下にて行われ、このとき電子素子２１が配置される空間が完全に封止されるため（すなわち、内部空間となる領域全体が形成されるため）、メカニカルフィルタのような気体の存在を嫌う電子素子２１であっても適切に収納して封止することができ、さらに、金属接合により、微小メカニカルスイッチのように湿気を嫌う電子素子２１であっても信頼性の高い封止を行うことができる。

ここで、金属壁２２１の断面形状について説明する。金属壁２２１は、低コストにて形成するために、レジスト（さらに好ましくはドライフィルムレジスト）を用いるめっき法（エッチング法でもよい。）により形成されることが好ましい。通常、露光工程を伴う加工方法では、金属壁２２１の幅（図６．Ａに示すＷ１）は１μｍ以上とされることが好ましく、高さ（図６．Ａに示すＨ１）は通常、０．１μｍ以上とされる。ただし、第１基板２２および第２基板２３の平坦度、接合装置の精度等を考慮すると高さＨ１は１μｍ以上とされることが好ましい。また、電子素子パッケージ１の用途に鑑み、幅Ｗ１は１ｍｍ以下、めっき可能範囲から高さＨ１は３５μｍ以下とされることが好ましい。なお、容易に金属壁２２１が形成できるという点からは、高さＨ１は１０μｍ以下が好ましく、金属壁２２１の塑性変形量、すなわち、図６．Ａに示す高さＨ１と図６．Ｂに示す高さＨ２との差が１〜２μｍとされることが好ましい点、金属壁形成に要する各種材料や作業効率等を考慮すると、金属壁２２１の高さＨ１は２μｍ以上５μｍ以下とされることが最も好ましい。

図７および図８は、第１基板２２および第２基板２３に施される表面処理の他の例を示す図である。図７では、減圧されたチャンバ６１内でエネルギー波照射源６２からステージ６３に載置された第１基板２２およびチャック６４に保持された第２基板２３にエネルギー波が照射されて表面処理が行われる。エネルギー波としては、電子ビーム、高速原子ビーム（ＦＡＢ）、イオンビーム、紫外線、レーザ光等が利用される。表面処理後はシャフト６５が下降することによりチャンバ６１内で第１基板２２と第２基板２３とが互いに押圧され、金属壁２２１を高さ方向に塑性変形させながら接合部２３１と金属壁２２１とが金属接合される。

図８では、大気中にてエキシマ紫外線ランプ７１を利用してステージ７２上に載置された第１基板２２およびチャック７３に保持された第２基板２３に紫外線が照射されることにより、金属壁２２１および接合部２３１に表面処理が施される様子を示す図である。紫外線照射後は、チャック７３に接続されているシャフト７４が下降して第１基板２２の金属壁２２１を塑性変形させつつ第２基板２３の接合部２３１と大気中にて金属接合される。なお、図４や図７の場合において表面処理後にチャンバから第１基板２２および第２基板２３を取り出して大気中にて押圧による金属接合が行われてもよい。さらに、超音波振動が補助的に併用されてもよい。以上のように、ロウ材を用いることなく金属同士が原子レベルで直接接合されるのであれば、金属接合としては様々な接合手法が採用されてよい。

図９は、本発明の一実施の形態に係る電子素子パッケージ１ａを示す縦断面図であり、図１０は、電子素子パッケージ１ａの第１基板２２の平面図である。図１０に示すように、電子素子パッケージ１ａでは金属壁２２１が略格子状とされ、その他の点は参考例と同様であり、第１基板２２およびキャビティ２３０を有する第２基板２３が金属接合されることにより、電子素子２１が収納される内部空間が形成される。図９および図１０では適宜、図１および図２と同様の符号を付している。

電子素子パッケージ１ａの金属壁２２１は、図１０に示すように電子素子２１の周囲を囲む、すなわち、内部空間に接する領域を囲む複数の環状部３１を有し、複数の環状部３１の全ての間が複数の連結部３２により連結される。金属壁２２１により第１基板２２と第２基板２３との間において複数の微小空間が形成され、万一、金属壁２２１と接合部２３１との間の金属接合が部分的に不完全であったり損傷したとしても、他の部位における接合により、内部空間の封止が保たれる。その結果、封止の信頼性が向上される。

電子素子パッケージ１ａの製造方法は、取り扱い対象である第１基板２２の金属壁２２１の形状が異なるという点を除いて図３の場合と同様である。すなわち、電子素子２１が実装された領域を囲む複数の環状部３１および複数の連結部３２を有する金属壁２２１が形成された第１基板２２と、金属壁２２１に対応する接合部２３１を有する第２基板２３とが準備され（ステップＳ１）、接合部２３１と金属壁２２１とを対向させて位置合わせが行われ（ステップＳ２）、金属壁２２１および接合部２３１に表面処理が行われた後（ステップＳ３）、接合部２３１と金属壁２２１とを当接させ、さらに第１基板２２と第２基板２３とを互いに近づく方向に押圧することにより（ステップＳ４）、金属壁２２１と接合部２３１とを金属接合して電子素子２１が配置される空間が形成される。ただし、金属壁２２１が多重とされるため、参考例よりも金属壁２２１の塑性変形量が小さくても信頼性の高い封止を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、第１基板２２および第２基板２３により電子素子２１を収納する空間が形成されるが、上蓋、側壁および下蓋というように３以上の部材により電子素子２１を収納する空間が形成される場合の部材間の接合に参考例のような高さや幅を有する金属壁２２１、または、上記実施の形態のような形状の金属壁２２１を利用することができる。すなわち、金属壁２２１を利用した金属接合により電子素子２１が配置される空間の少なくとも一部が形成されるのみでもよい。第１基板２２や第２基板２３の材料は、金属やセラミックス等の他の材料であってもよい。

収納される電子素子２１もＳＡＷフィルタには限定されず、メカニカルスイッチや半導体回路、センサ等の他の様々な電子素子であってもよい。

上記実施の形態における金属接合は１５０℃以下で行われ、これにより、はんだを用いる場合よりも低温にて接合することができるが、金属接合は３００℃以下で行われてもよい。この場合においても耐熱性が３００℃以下の電子素子を収納する場合に３００℃を超える温度が要求される熱拡散等の熱のみによる接合方法を避けつつ封止を行うことができる。また、エネルギー波の照射に代えて、超音波振動のみが接合時に与えられてもよい。

上記実施の形態では、金属壁２２１が金により形成され、接合部２３１も金により形成されるが、これらの部位は銅、アルミニウム、はんだ等の容易に塑性変形する他の金属により形成されてもよい。ただし、塑性変形を伴う金属接合を適切に行うという観点からは、金、銅またはアルミニウムを採用することが好ましく、高い品質での接合を容易に行うという点からは金が最も好ましい。さらに、金属壁２２１の断面形状は、略長方形以外に、三角形や台形状等の他の形状であってもよく、金属壁２２１がめっき法やエッチング法以外の方法により形成されてもよい。

上記実施の形態における金属壁２２１は、連結部３２が省略され、環状部３１のみとされてもよい。また、少なくともいずれか２つの環状部３１の間に連結部３２が残されてもよい。このような場合であっても、少なくとも複数の環状部３１による多重の封止により、封止の信頼性が向上される。

さらに、第１基板２２および第２基板２３の形状は適宜変更されてよく、例えば、第１基板２２がキャビティを有していてもよい。電子素子２１が第２基板２３上に直接形成され、かつ、接合後の金属壁２２１よりもて十分に薄い場合は、第２基板２３は第１基板２２と同様に平らな基板とされてもよい。

本発明は、様々な電子素子が内部空間に収納される電子素子パッケージおよびその製造方法に利用することができる。

電子素子パッケージの縦断面図 第１基板および電子素子の平面図 電子素子パッケージの製造工程を示す図 チャンバを示す図 第１基板と第２基板との接合を示す図 押圧前の金属壁を示す図 押圧後の金属壁を示す図 表面処理の他の例を示す図 表面処理のさらに他の例を示す図 電子素子パッケージの縦断面図 第１基板および電子素子の平面図

１，１ａ 電子素子パッケージ
２１ 電子素子
２２ 第１基板
２３ 第２基板
３１ 環状部
３２ 連結部
２２１ 金属壁
２３１ 接合部
Ｓ１〜Ｓ４ ステップ

Claims (5)

1. 電子素子パッケージの製造方法であって、
   所定の領域を囲む複数の環状部を有する金属壁が形成された第１の容器部材と、前記金属壁に対応する接合部を有する第２の容器部材とを準備する準備工程と、
   前記接合部と前記金属壁とを対向させる位置合わせ工程と、
   前記接合部と前記金属壁とを当接させ、さらに前記第１の容器部材と前記第２の容器部材とを互いに近づく方向に押圧することにより、前記金属壁と前記接合部とを金属接合して電子素子が配置される空間の少なくとも一部を形成する押圧工程と、
   を備えることを特徴とする電子素子パッケージの製造方法。
2. 請求項１に記載の電子素子パッケージの製造方法であって、
   前記金属壁が、前記複数の環状部うちのいずれか２つの環状部の間に、前記２つの環状部を連結する複数の連結部をさらに有することを特徴とする電子素子パッケージの製造方法。
3. 請求項１又は２のいずれかに記載の電子素子パッケージの製造方法により製造されたことを特徴とする電子素子パッケージ。
4. 電子素子パッケージであって、
   電子素子と、
   前記電子素子が収納される内部空間を形成する第１の容器部材および第２の容器部材と、
   を備え、
   前記第１の容器部材が、前記内部空間に接する領域を囲む複数の環状部を有する金属壁を備え、前記第２の容器部材の接合部が前記金属壁と金属接合されていることを特徴とする電子素子パッケージ。
5. 請求項４に記載の電子素子パッケージであって、
   前記金属壁が、前記複数の環状部うちのいずれか２つの環状部の間に、前記２つの環状部を連結する複数の連結部をさらに有することを特徴とする電子素子パッケージ。

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