JP4471828B2 - 電子部品収納用容器および電子装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体素子や圧電振動子等の電子部品を気密に封止して収容するための電子部品収納用容器に関し、特に封止材にガラスを用いて封止を行なう電子部品収納用容器およびそれを用いた電子装置に関する。

従来、半導体集積回路素子をはじめとする半導体素子あるいは水晶振動子や弾性表面波素子といった圧電振動子等の電子部品を収容するための電子部品収納用容器は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、その上面の中央部に電子部品を搭載するための搭載部およびその周辺から下面にかけて導出されたタングステンやモリブデン等の高融点金属から成る複数個のメタライズ配線層を有する絶縁基体と、それに対向する面の中央部に電子部品を収容するための凹部を有する蓋体とから構成されている。

そして、電子部品が例えば圧電振動子の場合には、絶縁基体の搭載部に圧電振動子の一端を導電性エポキシ樹脂等から成る導電性樹脂を介して接着固定するとともに圧電振動子の各電極をメタライズ配線層に電気的に接続し、しかる後、絶縁基体の上面に蓋体を低融点ガラスから成る封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る電子部品収納用容器内部に圧電振動子を気密に収容することによって最終製品としての電子装置となる。

なお、絶縁基体に蓋体を接合する封止材としては一般に酸化鉛５５〜６０質量％と、酸化硼素３〜１３質量％と、酸化珪素１〜5質量％と、酸化ビスマス３〜８質量％とを含むガラス成分に、このガラス成分を１００重量部としたときに、フィラーとしてコージライト系化合物を１０〜２０質量％、チタン酸錫系化合物を１０〜２０質量部添加したガラスが使用されている。
特開平５−１２１５８２号公報

しかしながら、この従来の電子部品収納用容器においては、絶縁基体に蓋体を接合させる封止材の溶融温度が４００℃程度と高いため、絶縁基体と蓋体とを封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る電子部品収納用容器内部に電子部品を気密に収容する際、封止材を溶融する熱が内部に収容する電子部品に作用して電子部品に特性劣化を招来させるという問題点を有していた。

また、絶縁基体に蓋体を接合させる封止材の溶融温度が４００℃程度と高く、絶縁基体と蓋体とを封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る電子部品収納用容器内部に電子部品を気密に収容する際に封止材を溶融させる熱によって電子部品を接着固定する導電性樹脂を劣化させてしまうため、電子部品を接着固定する導電性樹脂に使用上の制限があり、衝撃性に強いエポキシ系やシリコーン系の導電性樹脂を使用することができず、落下試験等の耐衝撃信頼性上の問題点を有していた。

また、封止材として導電性有機樹脂を用いた場合、有機樹脂は硬化温度が低いものの耐湿性に劣るため、大気中に含まれる水分が封止材を通して絶縁基体と蓋体とから成る電子部品収納用容器内部に入り込み、その結果、電子部品収納用容器内部に収容する電子部品表面に水分が付着し、電子部品表面の電極を酸化腐食して電子部品の特性にバラツキを発生させるという問題点を有していた。

さらに、近年地球環境保護運動の高まりの中で、酸化鉛は環境負荷物質に指定されており、例えば酸化鉛を含む電子装置が屋外に廃棄・放置され風雨に曝された場合、環境中に鉛が溶けだし環境を汚染する可能性があり、人体に対して有害である酸化鉛を用いない封止材の開発が要求されるようになってきた。

本発明は、上記問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は電子部品をその特性の劣化を招来することなく気密に封止し、電子部品を長期間にわたり正常に作動させることができる電子部品収納用容器および電子装置を提供することにある。

本発明の電子部品収納用容器は、上面に電子部品を搭載するための絶縁基体と、該絶縁基体の上面に封止材を介して接合され、前記絶縁基体との間の空間に前記電子部品を気密に収容する蓋体とから成る電子部品収納用容器であって、前記封止材は、酸化ビスマスを５０〜７０質量％、酸化ホウ素を２５〜３５質量％、酸化亜鉛を３〜１５質量％、酸化アルミニウムを０．１〜２質量％および酸化珪素を０．１〜２質量％から成るガラス成分に、該ガラス成分を１００質量部としたときに、フィラーとしてコージェライトを２０〜４０質量部添加したものから成ることを特徴とするものである。

本発明の電子部品収納用容器において、好ましくは、前記フィラーの最大粒径が２０〜５０μｍで平均粒径が２〜４μｍであることを特徴とするものである。

本発明の電子装置は、上記本発明の電子部品収納用容器に電子部品を搭載するとともに該電子部品を蓋体で覆ったことを特徴とする。

本発明の電子部品収納用容器によれば、封止材が、酸化ビスマスを５０〜７０質量％、酸化ホウ素を２５〜３５質量％、酸化亜鉛を３〜１５質量％、酸化アルミニウムを０．１〜２質量％および酸化珪素を０．１〜２質量％から成るガラス成分に、このガラス成分を１００質量部としたときに、フィラーとしてコージェライトを２０〜４０質量部添加したものから成ることから、封止材の溶融温度が４００℃未満と低いため、絶縁基体と蓋体とを封止材を介して接合させ、絶縁基体と蓋体とから成る電子部品収納用容器内部に電子部品を気密に収容する際、封止材を溶融する熱が内部に収容する電子部品に作用しても電子部品に特性劣化を招来させることはなく、その結果、電子部品を長期にわたり正常に作動させることが可能となる。

また、絶縁基体と蓋体とを接合させて絶縁基体と蓋体とからなる電子部品収納用容器内部に電子部品を気密に収容する際、封止材を溶融させる熱によって電子部品を接着固定する接着剤を劣化させることを有効に防止でき、従来の接着剤より耐熱性の低い、例えばエポキシ樹脂系の接着剤の使用が可能となるため、電子部品の接着固定に対する耐衝撃性の改善を図ることができ、電子部品の接着固定の信頼性を高いものとして長期間にわたり正常かつ安定に作動させることが可能となる。

さらに、封止材を構成するガラスを緻密なものとすることができるので、封止材が耐湿性に優れたものとなり、大気中に含まれる水分が封止材を通して電子部品が収容される電子部品収納用容器内部に入り込もうとするのを有効に阻止することができる。その結果、電子部品収納用容器内部に収容する電子部品に水分が付着し電子部品表面の電極が酸化腐食するのを有効に防止して電子部品を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。

本発明の電子部品収納用容器によれば、封止材を構成するフィラーの最大粒径が２０〜５０μｍで平均粒径が２〜４μｍであることから、絶縁基体と蓋体とをガラス封止材を介して接合させ容器を気密に封止する際、ガラス封止材の量が少ない場合にその流動性を妨げる粒径が５０μｍを超える粗大なフィラー粒子を含んでおらず、その結果、気密信頼性が極めて高い小型・薄型の電子部品収納用容器とすることができる。

さらに、本発明の電子部品収納用容器の封止材は、従来の低温封止ガラスと異なり酸化鉛その他の環境に悪影響を及ぼす成分を含んでいないため、地球環境保全の面からも好ましい。

本発明の電子装置によれば、上記本発明の電子部品収納用容器に電子部品を搭載するとともに電子部品を蓋体で覆ったことから、上記本発明の電子部品収納用容器の特徴を有する、電子部品を長期間にわたり正常に作動させることができるものとなる。

次に、本発明を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の電子部品収納用容器の実施の形態の各種例を示す断面図であり、図１には、電子部品が半導体素子であり、電子部品収納用容器が半導体素子収納用パッケージである場合の例を示している。

図１において、１は絶縁基体、２は蓋体であり、主に絶縁基体１と蓋体２とで半導体素子３を収容するための電子部品収納用容器４が構成される。

図１において、絶縁基体１は、その上面の中央部に半導体素子３を収容する空所を形成するための凹部１ａが設けられており、凹部１ａ底面には半導体素子３がガラスや樹脂，ろう材等の接着剤を介して接着固定される。

絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体，窒化アルミニウム質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，溶剤等を添加混合して泥漿物を作るとともにこの泥漿物をドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、しかる後、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを複数枚積層し約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。

また、絶縁基体１は、凹部１ａの底面の半導体素子３の搭載部の周辺から絶縁基体１の上面や下面等にかけて複数個のメタライズ配線層５が被着形成されており、このメタライズ配線層５の凹部１ａの底面に導出された部位には半導体素子３の各電極がボンディングワイヤ６を介して電気的に接続され、絶縁基体１の上面に導出された部位には外部電気回路（図示せず）と接続される外部リード端子７が銀ろう等のろう材を介して取着されている。

メタライズ配線層５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路に電気的に接続する際の導電路として作用し、タングステン，モリブデン，マンガン等の高融点金属粉末により形成されている。

このようなメタライズ配線層５は、タングステン，モリブデン，マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機溶剤，溶媒，可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを、従来周知のスクリーン印刷法等の厚膜手法を採用して絶縁基体１と成るセラミックグリーンシートにあらかじめ印刷塗布しておき、セラミックグリーンシートと同時に焼成することによって絶縁基体１の凹部１ａ周辺から上面や下面等にかけて所定パターンに被着形成される。

なお、メタライズ配線層５はその露出する外表面にニッケル，金等の耐蝕性に優れ、かつ良導電性である金属をめっき法により１〜２０μｍの厚さに被着させておくと、メタライズ配線層５の酸化腐食を有効に防止するとともにメタライズ配線層５を外部電気回路基板の配線導体に半田等のろう材を介してろう付けする際、そのろう付け強度を強固となすことができる。そのためメタライズ配線層５はその露出する外表面にニッケル，金等の金属を１〜２０μｍの厚さに被着させておくことが好ましい。

また、蓋体２を絶縁基体1に接合させる封止材８は、酸化ビスマスを５０〜７０質量％、酸化ホウ素を２５〜３５質量％、酸化亜鉛を３〜１５質量％、酸化アルミニウムを０．１〜２質量％および酸化珪素を０．１〜２質量％から成るガラス成分に、該ガラス成分を１００質量部としたときに、フィラーとしてコージェライトを２０〜４０質量部添加したものから成り、絶縁基体１と蓋体２との間に封止材８を挟み込むとともに封止材８を加熱溶融後、硬化することによって絶縁基体１と蓋体２とを接合させる。

なお、封止材８は、耐湿性に優れていることから大気中に含まれる水分が封止材８を通して電子部品収納用容器４内部に入り込もうとしても封止材８で有効に阻止され、その結果、電子部品収納用容器４内部に収容する半導体素子３に水分が付着し、半導体素子３表面の電極が酸化腐食するのを有効に防止して正常に作動させることが可能となる。

さらに、封止材８は、その加熱溶融温度が４００℃未満と低いことから、絶縁基体１に蓋体２を接合させる際の熱によって半導体素子３が絶縁基体１より外れることはなく、半導体素子３の固定にエポキシ等の接着剤の使用が可能となり、半導体素子３の耐衝撃性の改善がなされ半導体素子３の固定の信頼性を高いものとし、半導体素子３を常に正常に、かつ安定に作動させることが可能となる。

なお、封止材８のガラス成分は、酸化ビスマスの量が５０質量％未満であるとガラスの溶融温度が高くなって、封止材８を溶融させる熱によって半導体素子３に特性の劣化を招来しやすくなる傾向があり、他方、７０質量％を超えるとガラスの結晶化が進み低温での電子部品収納用容器４の気密封止が困難となる傾向にある。従って、酸化ビスマスは５０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。

また、酸化ホウ素の量が２５質量％未満であるとガラスの溶融温度が高くなり、封止材８を溶融させる熱によって半導体素子３に特性の劣化を招来しやすくなる傾向があり、他方、３５質量％を超えると封止材８の耐薬品性が低下し、電子部品収納用容器４の気密封止の信頼性が低下しやすくなる傾向がある。従って、酸化ホウ素は２５〜３５質量％の範囲であることが好ましい。

また、酸化亜鉛の量が３質量％未満であるとガラスの耐薬品性が低下し、電子部品収納用容器４の気密封止の信頼性が低下しやすくなる傾向があり、他方、１５質量％を超えるとガラスの結晶化が進み低温での電子部品収納用容器４の気密封止が困難となる傾向にある。従って、酸化亜鉛の量は３〜１５質量％の範囲であることが好ましい。

本発明の封止材８は、ガラス成分中の酸化ホウ素の濃度を比較的高くし、酸化ビスマスの濃度を比較的低い濃度とすることにより、耐薬品性の向上を行なうことができるとともにガラスの結晶化のマージンを大きくすることができる。そして、上記濃度の酸化亜鉛を加えることにより、ガラス成分の溶融温度を下げることができ、さらに、このガラス成分にフィラーとしてコージェライトを加えることにより、ガラス成分の結晶化を抑制して、封着材８の溶融温度をより有効に下げることができる。これによって、封止材８は、耐薬品性に優れた電子部品収納用容器の封止用に適したものとなる。

また、酸化アルミニウムの量が０．１質量％未満であるとガラスの耐湿性が低下し、封止材８を介して電子部品収納用容器４の気密封止の信頼性が低下しやすくなる傾向にあり、他方、２質量％を超えるとガラスの溶融温度が高くなり、封止材８を溶融させる熱によって半導体素子３に特性の劣化を招来しやすくなる傾向がある。従って、酸化アルミニウムは０．１〜２質量％の範囲であることが好ましい。

また、酸化珪素の量が０．１質量％未満であると封止材８の熱膨張係数が大きくなって絶縁基体１および蓋体２の熱膨張係数と合い難くなり、電子部品収納用容器４の気密封止の信頼性が大きく低下する傾向にある。他方、２質量％を超えるとガラスの溶融温度が高くなり、封止材８を溶融させる熱によって半導体素子３に特性の劣化を招来しやすくなる傾向がある。従って、酸化珪素は０．１〜２質量％の範囲であることが好ましい。

また、フィラーとしてのコージェライトの量が２０質量％未満であると封止材８の熱膨張係数が大きくなり電子部品収納用容器４の気密封止の信頼性が低下しやすくなる傾向があり、他方、４０質量％を超えると封止材８の低温での流動性が低下し、電子部品収納用容器４の気密封止の信頼性が低下しやすくなる傾向がある。従って、珪酸ジルコニウムは２０〜４０質量％の範囲であることが好ましい。

かくして本発明の電子部品収納用容器４によれば、絶縁基体１の凹部１ａの底面に半導体素子３等の電子部品をガラス，樹脂，ろう材等から成る接着剤を介して接着固定するとともに半導体素子３の各電極をメタライズ配線層５にボンディングワイヤ６を介して電気的に接続し、しかる後、絶縁基体１の上面に凹部１ａを覆うように蓋体２を封止材８を介して接合させ、絶縁基体１と蓋体２とから成る電子部品収納用容器４の内部に半導体素子３などの電子部品を気密に封止することによって最終製品としての電子装置が完成する。

また、図２は本発明の電子部品収納用パッケージの実施の形態の他の例を示す断面図であり、同図においては電子部品が水晶振動子等の圧電振動子１３であり電子部品収納用容器１４が圧電振動子収納用容器である場合の例を示している。

また、図２において、１１は絶縁基体、１２は蓋体であり、主に絶縁基体１１と蓋体１２とで圧電振動子１３を収容するための電子部品収納用容器１４が構成される。なお、基体１１、蓋体１２、封止材１７、凹部１１ａ、メタライズ配線層１６はそれぞれ、上記半導体素子３を収容する電子部品収納用容器４の例における基体１、蓋体２、封止材８、凹部１ａ、メタライズ配線層５に相当し、同様の材料および製造方法を用いることができる。

この圧電振動子１３は導電性樹脂１５によってメタライズ配線層１６に電気的に接続されている。

効果の確認を行なうために、次の実験を行なった。なお、ここでは、封止材８の主成分の酸化ビスマス、五酸ホウ素および外添加のフィラー添加量について決定した実験例を示す。

まず、各構成要素の質量％を変化させて封止材８を作製した。そして、各封止材８を用いた電子部品収納用容器４の気密信頼性を評価するために、１００℃の温度で１０分静置後、０℃の温度で１０分静置を１サイクルとする熱衝撃試験を１０００サイクル行なった後に、電子部品収納用容器４をヘリウムガスリークテスト（ＭＩＬ．ＳＴＤ．８８３ＭＥＴＨＯＤ １０１４．７の装置，手順，判定基準に従い、封止後の電子部品収納用容器４をヘリウムガスで２時間ボンベ加圧した後にヘリウム検出器で残留ヘリウム量を測定しヘリウム等価標準リーク率が５×１０^−８ａｔｍ・ｍｌ／ｓ以上の場合不合格とする）を実施した。また、蓋体２の封着強度を比較するために、電子部品収納用容器４と蓋体２とのせん断強度を測定した。なお、評価用の電子部品収納用容器としては、絶縁基体の縦方向の寸法が５．０ｍｍ、横方向の寸法が３．２ｍｍ、高さが０．７ｍｍであり、蓋体との接合面の幅が０．５ｍｍの電子部品収納用容器を用いた。

そして、封止材８の酸化ビスマスを４５〜７５質量％の間で変化させ、その他の構成要素を加えて合計が１００質量％となるように調合（小数点２桁以下を四捨五入）した。この時の実験結果を表１に示す。

実験結果より、酸化ビスマスについては、５０〜７０質量％の範囲で良好な気密性信頼性を示すとともに５０Ｎ（ニュートン）以上の高いせん断強度が得られることがわかった。

次に、酸化ホウ素について、実施例１と同様の方法により、次の実験を行なった。酸化ホウ素の含有量を２０〜４０質量％の範囲で変化させ、その他の構成要素を加えて合計が１００質量％となるように調合（小数点２桁以下を四捨五入）した。結果を表２に示す。

実験結果より、酸化ホウ素については、２５〜３５質量％の範囲で良好な気密性信頼性を示すとともに５０Ｎ（ニュートン）以上の高いせん断強度が得られることがわかった。

また、微量元素においても同種の実験を行ない、封止材８が、酸化ビスマス５０〜７０質量％、酸化ホウ素２５〜３５質量％、酸化亜鉛３〜１３質量％、酸化アルミニウム０．１〜２質量％および酸化珪素０．１〜２質量％を含む封止材８の場合において、良好な気密性信頼性を示すとともに５０Ｎ（ニュートン）以上の高いせん断強度が得られることがわかり、本発明の効果を確認することができた。

さらに、ガラス組成を一定にし、フィラー添加量を変化させての同様の実験を行なった。評価結果を表３に示す。

フィラーとしては、コージェライトを外添加で２０〜４０質量％添加した場合において良好な気密性信頼性が得られるとともに５０Ｎ（ニュートン）以上の高いせん断強度が得られることがわかった。

なお、本発明は上述の実施の形態の例および実施例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であれば種々の変更は可能である。

本発明の電子部品収納容器の実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明の電子部品収納容器の実施の形態の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１、１１・・・・・・・・絶縁基体
２、１２・・・・・・・・蓋体
３・・・・・・・・・・・電子部品（半導体素子）
１３・・・・・・・・・・電子部品（圧電振動子）
４、１４・・・・・・・・電子部品収納用容器
８、１７・・・・・・・・封止材

Claims (3)

1. 上面に電子部品を搭載するための絶縁基体と、該絶縁基体の上面に封止材を介して接合され、前記絶縁基体との間の空間に前記電子部品を気密に収容する蓋体とから成る電子部品収納用容器であって、前記封止材は、酸化ビスマスを５０〜７０質量％、酸化ホウ素を２５〜３５質量％、酸化亜鉛を３〜１５質量％、酸化アルミニウムを０．１〜２質量％および酸化珪素を０．１〜２質量％から成るガラス成分に、該ガラス成分を１００質量部としたときに、フィラーとしてコージェライトを２０〜４０質量部添加したものから成ることを特徴とする電子部品収納用容器。
2. 前記フィラーの最大粒径が２０〜５０μｍで平均粒径が２〜４μｍであることを特徴とする請求項１記載の電子部品収納用容器。
3. 請求項１または請求項２記載の電子部品収納用容器に電子部品を搭載するとともに該電子部品を蓋体で覆ったことを特徴とする電子装置。

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