JP5289242B2

JP5289242B2 - セラミック構造体、および半導体装置

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Publication number: JP5289242B2
Application number: JP2009198437A
Authority: JP
Inventors: 康博奥田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2009-08-28
Filing date: 2009-08-28
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: JP2011049471A

Description

本発明は、セラミック構造体および半導体装置に関する。

近年、生体の内部の情報を画像化する核磁気共鳴画像法（ＭＲＩ：ｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅｉｍａｇｉｎｇ）など、核磁気共鳴法(ＮＭＲ：ｎｕｃｌｅａｒｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｓｏｎａｎｃｅ)現象を利用した装置が広く利用されている。これら核磁気共鳴を利用する装置では、比較的強い磁界が発生し、磁気共鳴検出用のコイルや冷却用部材等が、この磁界に応じて磁化する場合もある。このように構成部材が磁化した場合、検出した核磁気共鳴信号等に、磁化に応じたノイズが加わり、検出精度が低下する場合もある。

例えば下記特許文献１には、コイル自身の磁化を防ぐため、筒状のアルミニウムの内周面に、アルミニウムの磁化率と符号が反対の磁化率をもつ反磁性材料からなる被覆層を設けた磁気共鳴コイルが提案されている。

特開２００７−２６３６２１号公報

上記ＭＲＩなど、核磁気共鳴現象を利用した装置には、磁界の発生領域に様々な電子部品が配置された電子回路装置が配置される。これら電子部品の多くは、セラミックスからなる絶縁体に導体層が設けられたパッケージ体に、半導体素子が搭載されて構成されている。特許文献１記載の磁気共鳴コイルを用いた場合でも、このような電子回路装置の導体層の磁化は抑制することができない。検出信号を直接処理する部位を構成する電子回路装置が磁化した場合など、核磁気共鳴信号等に磁化に起因したノイズが加わり、検出精度が低下する場合がある。

本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、導体層の磁化の程度が比較的小さいセラミック構造体、および半導体装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、セラミックスの表面に導体層が設けられたセラミック構造体であって、前記導体層は、前記セラミックスの表面に被着されたメタライズ層と、前記メタライズ層上に設けられたＮｉメッキ層と、前記Ｎｉメッキ層上に設けられた反磁性金属層と、を有して構成されており、前記セラミックスは柱状で、一方端面から他方端面に延びた貫通孔を有し、前記導体層が、前記一方端面および前記他方端面にそれぞれ設けられていることを特徴とするセラミック構造体を提供する。

また、セラミックスの表面に導体層が設けられたセラミック構造体であって、前記導体層は、前記セラミックスの表面に被着されたメタライズ層と、前記メタライズ層上に設けられた強磁性金属層と、前記強磁性金属層上に設けられた反磁性金属層と、を有して構成されており、前記セラミックスは柱状で、一方端面から他方端面に延びた貫通孔を有し、前記導体層が、前記一方端面および前記他方端面にそれぞれ設けられていることを特徴とするセラミック構造体を提供する。

また、上記セラミック構造体を備えて構成された半導体装置であって、前記貫通孔の内部に配置された半導体素子と、前記一方端面の側および前記他方端面の側それぞれに設けられた、前記貫通孔の開口を閉塞する電極体と、を備え、前記電極体は、前記半導体素子と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置も、併せて提供する。

本発明のセラミック構造体は、強い磁界に配置された場合であっても、導体層の磁化の程度が比較的小さい。本発明の半導体装置は、導体属層の磁化の程度が比較的小さく、動作精度が比較的高い。

本発明のセラミック構造体の一実施形態の概略断面図である。本発明のセラミック構造体の一実施形態に説明する図であり、半導体素子パッケージ（パッケージ）２０の概略斜視図である。本発明の半導体装置の一実施形態である半導体装置について説明する図であり、(ａ）は半導体装置の概略斜視図、（ｂ）は半導体装置の概略断面図である。

以下、本発明のセラミック構造体、および半導体装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、本発明は下記実施形態の範囲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、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

図１は、本発明のセラミック構造体の一実施形態の概略断面図である。図１に示す構
造体１０は、セラミック基板１２の表面に、例えばＭｏ−Ｍｎを主成分とするメタライズ層１４が設けられ、またメタライズ層１４の表面には、Ｎｉを主成分とするＮｉメッキ層１６が設けられている。Ｎｉメッキ層１６の上側には、Ｃｕを主成分とする第１の反磁性層１８が設けられ、第１の反磁性層１８の上層にＡｇを主成分とする第２の反磁性層１９が設けられている。

セラミック基板１２は、例えば、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックスを主成分として構成されている。セラミック基板１２は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質セラミックス，炭化珪素（ＳｉＣ）質セラミックス等のセラミックスであってもよく、特に限定されない。本実施形態のセラミック基板１２は、例えば、アルミナセラミックスから成る場合、アルミナ，シリカ（ＳｉＯ₂），マグネシア（ＭｇＯ），カルシア（ＣａＯ）等の原料粉末に適宜有機バインダ、水等を添加混合した後、この混合物を噴霧乾燥し、例えば従来周知のプレス成形法により所定形状に成形し、得られた成形体を約１６００℃の高温で焼成することにより作製される。

メタライズ層１４は、例えばＭｏ−Ｍｎを主成分とする公知のメタライズ層である。Ｍｏ−Ｍｎは比較的融点が低く、低い焼結温度でもセラミック基板１２との密着強度が強いメタライズ層を構成でき、さらに低温で焼結させることによってセラミック基板２の変形も小さなものとできる。なお、Ｍｏ−Ｍｎに限定されず、この他にも、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉメタライズ等を用いてもよい。Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉメタライズも、酸化物、非酸化物を問わず、多くの種類のセラミックスに対した高い密着性を有する。

Ｍｏ−Ｍｎから成るメタライズ層１４は、Ｍｏ粉末とＭｎ粉末と若干のＳｉＯ_２とを含有する金属ペーストを、セラミック基板１２の表面に塗布し、これを湿潤水素雰囲気、約１４００℃で焼成することにより、セラミック基板１２の表面に焼き付けられ被着される。この場合、Ｍｏ−Ｍｎペースト中のＭｎおよびＳｉＯ_２成分がＳｉＯ_２−ＭｎＯ系ガラスを形成し、アルミナ質焼結体中のＳｉＯ_２系ガラスと溶融一体化することにより強固に接合される。メタライズ層１４の厚さは、例えば１２〜２５μｍの範囲とされる。

また、メタライズ層２の表面には、Ｎｉメッキ層１６が、例えば従来周知の電解めっき法や無電解めっき法により被着されて形成される。このＮｉメッキ層１６は、Ｍｏ−Ｍｎメタライズ層１２と強固に結合する。Ｎｉは、３００Ｋにおける磁化率が＋５００（χｍ／μ0）程度と正方向に比較的大きい、いわゆる強磁性体であり、Ｎｉメッキ層１６単体では正の磁化率を呈する。

また、Ｎｉメッキ層１６の表面には、例えばＣｕを主成分とする第１の反磁性層１８が、従来周知の電解めっき法や無電解めっき法により被着され形成されている。第１の反磁性層１８は、３００Ｋにおける磁化率が―９．４（χｍ／μ0）程度と負方向の値を有する、いわゆる反磁性体である。第１の半導体層１８単体は、負の磁化率を呈する。本実施形態の第１の反磁性層１８は、例えば厚さ３．０μｍ〜７．０μｍとされている。第１の反磁性層１８をこの範囲の厚みとすることで、Ｎｉメッキ層１６との接合強度は比較的高く、かつ、負方向の磁化の程度を、比較的大きくしている。

Ｎｉメッキ層１６は、例えば、１次メッキ層として１〜２μｍの厚みのＣｕメッキ層を形成した後、アニーリング（シンタリング）を実施し、アニーリングした１次メッキ層の表面に、２次メッキ層として３〜５μｍのＣｕメッキ層を形成し、合計厚さ３．０μｍ〜７．０μｍの第１の反磁性層１８を形成してもよい。このように、アニーリング（シンタリング）処理を挟んだ２段階のメッキ層形成工程を実施することで、第１の反磁性層１８とＮｉメッキ層１６との接合強度を比較的強くすることができる。また、構造体１０が加熱された場合における、第１の反磁性層１８とＮｉメッキ層１６との接合強度の劣化を抑制することができる。

また、第１の反磁性層１８の表面には、例えばＡｇを主成分とする第２の反磁性層１９が、従来周知の電解めっき法や無電解めっき法により被着され形成されている。第２の反磁性層１９は、３００Ｋにおける磁化率が―２４（χｍ／μ0）程度と負方向の値を有する、いわゆる反磁性体である。第２の半導体層１９単体は、負の磁化率を呈する。本実施形態の第２の反磁性層１９は、例えば厚さ３．０μｍ〜７．０μｍとされている。第２の反磁性層１９をこの範囲の厚みとすることで、第１の反磁性層１８との接合強度は比較的高く、かつ、負方向の磁化の程度を、比較的大きくしている。

貴金属である第２の半導体層１９は、Ｃｕを主成分とする第１の反磁性層１８に比べ、酸素等に対する反応性が比較的低い。第２の反磁性層１９を備えることで、構造体１０の金属層の表面状態を、比較的安定した状態に保つことができる。また、Ｃｕを主成分とする第１の反磁性層に比べ、Ａｇを主成分とする第２の反磁性層の方が、負方向の磁化率が比較的大きい。Ａｇを主成分とする第２の反磁性層を有することで、第１の反磁性層および第２の反磁性層の合計膜厚を比較的小さくしつつ、第１の反磁性層と第２の反磁性層とからなる反磁性層全体における、負の磁化率の大きさを比較的大きくすることができる。

構造体１０では、いわゆる強磁性体であるＮｉメッキ層１６の上層に、Ｃｕを主成分とする第１の反磁性層１８と、Ａｇを主成分とする第２の反磁性層１９とが積層されており、導体層全体の磁化率は、強磁性と反磁性とが打ち消し合うことで、比較的小さくされている。かかる構造体１０に比較的強い磁界がかかった場合も、導体層全体での磁化の程度は比較的小さい。例えば、導体層全体で、ＪＩＳ規格２５６１Ｃに準拠して測定される、周波数１ＧＨｚにおける実効透磁率（比透磁率）が、−１．０〜１．０と比較的小さくされている。また、Ｎｉ層は、基体２２と反磁性層１８との間に介在し、両方の層と比較的強固に接合する。構造体１０では、例えば数百℃にわたる比較的広い範囲で温度衝撃が加わった場合でも、各層の剥がれ等の欠陥の発生は比較的少ない。

構造体１０にかかるかかる磁界の強さや方向（磁力線の密度や方向）に応じて、Ｎｉメッキ層１６や第１の反磁性層１８、第２の反磁性層１９の厚さを調整することで、実効透磁率の大きさを調整することができる。また、強磁性層や反磁性層の材質や組成を調整することでも、実効透字率の大きさを調整することもできる。

さらに、各層を形成する際の、成膜条件（焼成温度など）や、成膜後のアニーリング工程の温度を調整し、各層の微視的な粒界構造や、各層の界面に生じる合金層の状態を制御することでも、実効透磁率の大きさを調整することができる。このように、各層を構成する材質や形成条件等について、上記実施形態に限定されない。

図２は、本発明のセラミック構造体の一実施形態に説明する図であり、半導体素子パッケージ（パッケージ）２０の概略斜視図である。なお、図２では、図１に示す構造体１０と同様の構成については、図１と同じ符号を用いて示している。

図２に示すパッケージ２０は、一方端面から他方端面に延びた貫通孔２４が設けられた、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックスを主成分とする基体２２と、基体２２の一方端面および他方端面のそれぞれに設けられた電極層２６と、を備えて構成されている。電極層２６は、貫通孔２４の少なくとも一部まで入りこむように設けられている。パッケージ２０の電極層２６は、上記図１に示す構造体１０の導体層と同様の構成を有してい
る。すなわち、基体２２の表面に、例えばＭｏ−Ｍｎを主成分とするメタライズ層１４が設けられ、メタライズ層１４の表面に、Ｎｉを主成分とする強磁性体のＮｉメッキ層１６が設けられている。さらに、Ｎｉメッキ層１６の上側には、Ｃｕを主成分とする第１の反磁性層１８と、Ａｇを主成分とする第２の反磁性層１９とが設けられている。パッケージ２０の導体層は、化学的安定性が比較的高いＡｇが最表面層とされており、長期間にわたって安定した表面性状を保つことができる。

電極層２６において、Ｎｉメッキ層１６、第１の反磁性層１８、第２の反磁性層１９のそれぞれの厚さは、部分的に変動していてもよい。例えば、パッケージ２０を設置する部分における磁界の方向や強さに応じて、各層の厚さを部分的に設定していてもよい。例えば、基体２２の端面の側と、基体２２の側面の側とで、各層の厚さの組み合わせを異ならせてもよい。また、基体２２の４つの側面それぞれで、各層の厚さの組み合わせを異ならせてもよい。

図３は、本発明の半導体装置の一実施形態である半導体装置３０について説明する図であり、(ａ）は半導体装置３０の概略斜視図、（ｂ）は半導体装置３０の概略断面図である。図３の示す半導体装置３０は、図２に示すパッケージ２０の貫通孔２４の内部に、例えばＰＩＮダイオード等の半導体素子３２が配置され、貫通孔２４の一方端面の側の開口と、貫通孔２４の他方端面の側の開口とが、それぞれ例えばＭｏを主成分とする電極体３４によって閉塞された構成とされている。一方端面と他方端面は、例えばＡｕ−Ｓｎ層３６によって被覆されている。Ａｕ−Ｓｎ層３６は、貫通孔２４内にも侵入し、基体２２に設けられた導体層と、Ｍｏを主成分とする電極体３４とを接合している。半導体素子３２は、基体２２、電極体３４、およびＡｕ−Ｓｎ層３６によって密閉された空間に配置されており、湿度等の変動に対し高い動作信頼性が確保されている。半導体素子３２は、電極体３４と電気的に接続しており、電極体３２および導体層（Ｎｉメッキ層１６、第１の反磁性層１８、第２の反磁性層１９）を介して、外部と電気信号を送受信できる。半導体装置３０は、基体２２の側面に設けられた、Ａｇを主成分とする第２の反磁性層１９を最表面層とする導体層が、例えばＡｕ−Ｓｎ半田層を介して回路基板の電極と接合されることで、回路基板上に実装される。

半導体装置３０では、基体２２の両端面の導体層の磁化率が低いため、例えば半導体装置３０をＭＮＲ装置などの内部回路基板に実装して使用した場合も、この半導体装置３０から送受信される電気信号に生じるノイズが抑制されている。また、例えば、この半導体装置３０が設置される、ＭＮＲ装置上の位置における磁界の方向や強さに応じて、導体層を構成する各層の厚さの組み合わせを部分的に設定することで、ノイズの発生をより確実に抑制することもできる。

本実施形態のセラミック構造体は、セラミックスの表面に設けられた導体層の磁化率が比較的低く、かつ熱衝撃に対しても比較的強い耐久性を有する。また、このセラミック構造体を備えた半導体装置は、例えばＮＭＲを利用した装置内の回路基板に実装された場合であっても、発生する磁界に起因したノイズの発生が少ない。本実施形態の半導体装置を
、例えばＮＭＲ装置に利用することで、比較的高い検出精度を確保することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態の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が可能である。

１０構造体
１２セラミック基板
１４メタライズ層
１６Ｎｉメッキ層
１８第１の反磁性層
１９第２の反磁性層
２０半導体素子パッケージ
２２基体
２４貫通孔
２６電極層
３０半導体装置
３２半導体素子
３４電極体
３６Ａｕ−Ｓｎ層

Claims

セラミックスの表面に導体層が設けられたセラミック構造体であって、
前記導体層は、
前記セラミックスの表面に被着されたメタライズ層と、
前記メタライズ層上に設けられたＮｉメッキ層と、
前記Ｎｉメッキ層上に設けられた反磁性金属層と、を有して構成されており、
前記セラミックスは柱状で、一方端面から他方端面に延びた貫通孔を有し、
前記導体層が、前記一方端面および前記他方端面にそれぞれ設けられていることを特徴とするセラミック構造体。
前記反磁性金属層は、それぞれ異なる金属を主成分とする複数の金属層が積層されてなり、前記金属層の少なくとも１つが、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕのいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１記載のセラミック構造体。
前記反磁性金属層は、前記Ｎｉメッキ層の表面に設けられた、Ｃｕを主成分とする第１金属層と、
前記第１金属層の表面に設けられた、Ａｇを主成分とする第２金属層と、
を備えることを特徴とする請求項１または２記載のセラミック構造体。
セラミックスの表面に導体層が設けられたセラミック構造体であって、
前記導体層は、
前記セラミックスの表面に被着されたメタライズ層と、
前記メタライズ層上に設けられた強磁性金属層と、
前記強磁性金属層上に設けられた反磁性金属層と、を有して構成されており、
前記セラミックスは柱状で、一方端面から他方端面に延びた貫通孔を有し、
前記導体層が、前記一方端面および前記他方端面にそれぞれ設けられていることを特徴とするセラミック構造体。
前記セラミックス上に配置された機能素子を備え、
前記導体層が、前記機能素子と電気信号を送受信するための電極として用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のセラミック構造体。
請求項５記載のセラミック構造体を備えて構成された半導体装置であって、
前記貫通孔の内部に配置された半導体素子と、
前記一方端面の側および前記他方端面の側それぞれに設けられた、前記貫通孔の開口を閉塞する電極体と、を備え、
前記電極体は、前記半導体素子と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。