JP5905728B2

JP5905728B2 - 素子収納用パッケージ、および実装構造体

Info

Publication number: JP5905728B2
Application number: JP2012017588A
Authority: JP
Inventors: 杉本　努; 努杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013157492A

Description

本発明は、素子を実装することが可能な素子収納用パッケージ、およびそれに素子を実装した実装構造体に関する。

近年、機器の小型化とともに、ＩＣ、発光ダイオード、圧電素子または水晶振動子等の素子を実装することが可能な小型の素子収納用パッケージが開発されている。

また、レーザーダイオードまたはホトダイオード等の光半導体素子を実装することが可能な光半導体用パッケージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

なお、上記特許文献１で提案された光半導体用パッケージは、素子が載置される矩形状の金属材料からなる搭載ベースと、メタライズ配線が被着されたセラミックス端子部材と、金属材料からなるシールリングと、を含んで構成されている。

特開平１１−１７０４１号公報

上記特許文献１で提案された光半導体用パッケージでは、パッケージを小型化しようとしたときに、セラミックス端子部材と搭載ベースとの熱膨張率の違いによって、セラミックス端子部材が搭載ベースおよびシールリングからの熱応力を吸収しきれず、セラミックス端子部材が破壊される虞がある。そして、パッケージの封止性が維持されなくなり、ひいてはパッケージ内に載置した素子の電気特性が悪化し、パッケージ不良が発生してしまう。

本発明は、封止性に優れた素子収納用パッケージ、および実装構造体を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態に係る素子収納用パッケージは、矩形状の板部材であって、平面視したときの一辺において前記一辺に直交する軸に対して左右対称の位置であって、前記一辺の両端を除くそれぞれの位置に切欠きを有する金属板と、前記金属板上に前記一辺に沿って前記一対の切欠きを覆うように設けられたセラミック入出力端子と、前記金属板の外周に沿って前記金属板上から前記セラミック入出力端子上にかけて連続して設けられた枠体と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、封止性に優れた素子収納用パッケージ、および実装構造体を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る実装構造体の概観斜視図である。本発明の一実施形態に係る実装構造体の上面図である。本発明の一実施形態に係る実装構造体の下面図である。本発明の一実施形態に係る素子収納用パッケージの分解斜視図である。本発明の一実施形態に係る入出力端子の概観斜視図である。本発明の一実施形態に係る枠体の概観斜視図である。本発明の一実施形態に係る金属板の概観斜視図である。本発明の一実施形態に係る金属板の平面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る素子収納用パッケージについて、図面を参照しながら説明する。

＜実装構造体の構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る実装構造体を示す概観斜視図である。図２は、図１に示す実装構造体の上面図である。図３は、図１に示す実装構造体の下面図である。図４は、実装構造体から端子や素子を取り除いた素子収納用パッケージ２の分解斜視図である。図５は、入出力端子の概観斜視図である。図６は、枠体の概観斜視図である。図７は、金属板の概観斜視図である。図８は、金属板の平面図である。

素子収納用パッケージ１は、例えば、半導体素子、トランジスタ、ダイオードまたはサイリスタ等の能動素子、あるいは抵抗器、コンデンサ、太陽電池、圧電素子、水晶振動子またはセラミック発振子等の受動素子からなる素子２を実装するのに用いるものである。

素子収納用パッケージ１では、高耐圧化、大電流化または高速・高周波化に対応している素子を実装して機能させるのに適しており、素子の一例として半導体素子を実装するものである。そして、実装構造体は、素子収納用パッケージ１に素子２の一例としての半導体素子を実装したものである。

素子収納用パッケージ１は、矩形状の板部材であって、平面視したときの一辺において一辺に直交する軸Ｌに対して左右対称の位置のそれぞれに切欠きＵを有する金属板３と、金属板３上に一辺に沿って一対の切欠きＵを覆うように設けられたセラミック入出力端子４と、金属板３の外周に沿って金属板３上からセラミック入出力端子４上にかけて連続して設けられた枠体５と、を備えている。

金属板３は、平面視したとき四角形状に形成された部材であって、一辺に一対の切欠きＵが形成されている。金属板３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成る。金属板３は、熱伝導率を良好にして、なお、金属板３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。金属板３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、金属板３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、金属板３は、平面視したときの一辺の長さは、例えば５ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、金属板３の上下方向の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

また、金属板３の表面は、酸化腐食の防止するために、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る。なお、金属層の厚みは、例えば０．５μｍ以上９μｍ以下に設定されている。

枠体５は、金属板３の外周に沿って接続され、素子２を外部から保護するための部材である。枠体５は、平面視したときに四角形状に形成された枠状の一部を切欠いた形状であ
る。また、枠体５は、切りかかれた箇所Ｃにセラミック入出力端子４が設けられる。さらに、枠体５は、切りかかれた箇所Ｃと対向する箇所に貫通孔Ｈが設けられている。枠体５は、ろう材を介して金属板３にろう付けされる。

また、枠体５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成る。枠体５は、枠体５内で素子２から発生した熱を効率良く枠体５の外部に放熱する機能を備えている。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、枠体５は、平面視したときに金属板３内に収まる大きさであって、一辺の長さが、例えば５ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。また、枠体５の切りかかれた箇所Ｃを除いた、上下方向の厚みは、例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。また、枠体５の切りかかれた箇所Ｃを含めた、上下の厚みは、例えば５ｍｍ以上２０ｍｍ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０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定されている。

枠体５の切りかかれた箇所Ｃに、セラミック入出力端子４が設けられる。また、枠体５の貫通孔Ｈが形成されている箇所に、外部に設ける光ファイバから伝わる光を枠体５内部にまで通すために光透過性部材が設けられている。貫通孔Ｈには、例えば、レンズ、プラスチックまたはガラス等の光透過性部材を嵌めこむことが可能な保持部材が設けられる。保持部材は、枠体５外部から光透過性部材近傍にまで光ファイバの先端を近づけて、保持することができる。

セラミック入出力端子４は、枠体５の切りかかれた箇所Ｃに設ける部材である。セラミック入出力端子４は、矩形状の平板部４３と、平板部４３上に形成される第１金属層４１と、平板部４３上に設けられた立壁部４４と、立壁部４４上に設けられた第２金属層４２と、を含んで構成されている。なお、第１金属層４１は、端子６を接続するための下地であって、第２金属層４２は枠体５を接続するための下地となる。平板部４３は、平面視したとき四角形状に形成された部材である。また、立壁部４４は、平面視したときの枠状から一辺を取り除いた形状の部材である。

平板部４３および立壁部４４は、絶縁材料であって、例えば、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体またはガラスセラミックス等のセラミック材料から成る。また、第１金属層４１および第２金属層４２は、タングステン、モリブデンまたはマンガン等の高融点金属材料から成る。なお、セラミック入出力端子４は、セラミック材料から構成された平板部４３または立壁部４４の熱膨張係数は、例えば３×１０^−６／Ｋ以上８×１０^−６／Ｋ以下に設定されている。

ここで、セラミック入出力端子４の作製方法について説明する。焼成前の未硬化の平板部４３上に、例えば、蒸着法、スクリーン印刷法またはスパッタリング法等の薄膜形成技術を用いて、平板部４３の一辺に沿って複数の第１金属層４１を形成する。また、焼成前の立壁部４４の上面に、薄膜形成技術を用いて、第２金属層４２を形成する。そして、第１金属層４１が形成された平板部４３上に、焼成前の未硬化の立壁部４４を圧着して、両者を同時に焼成する。このようにして、セラミック入出力端子４を作製することができる。

焼成後のセラミック入出力端子４は、平板部４３と立壁部４４が一体となる。セラミッ
ク入出力端子４を平面視したときに、第１金属層４１は、立壁部４４によって、二つに分かれて見えるものの、立壁部４４の直下において、各第１金属層４１は連続している。そのため、セラミック入出力端子４を平面視したときに、枠体５で囲まれる内外にまで延在されて第１金属層４１が設けられる。その結果、枠体５内の素子２と枠体５外の外部の電気機器とを第１金属層４１を介して電気的に接続することができる。

平板部４３の平面視したときの一辺の長さは、例えば３ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。平板部４３の上下方向の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。また、立壁部４４の平面視したときの一辺の長さは、例えば１ｍｍ以上５０ｍｍ以下に設定されている。立壁部４４の上下方向の厚みは、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。立壁部４４を平面視したときの枠の厚みは、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。なお、セラミック入出力端子４の上下方向の長さは、枠体５の切りかかれた箇所Ｃの上下方向の長さと一致する。

端子６は、外部の電子機器等と電気的に接続するための部材である。端子６は、ろう材を介して、第１金属層４１上に接続される。そして、第１金属層４１と端子６とが電気的に接続される。また、隣接する第１金属層４１同士を間を空けて設けることで、隣接する第１金属層４１同士を電気的に絶縁するとともに、電磁気的な結合が抑制される。そして、各端子６を各第１金属層４１に設けることで、隣接する端子６同士は、電気的に絶縁しているとともに、電磁気的な結合が抑制される。

実装構造体は、図２に示すように、素子収納用パッケージ１内に素子２を実装することで作製することができる。なお、素子２は、枠体５で囲まれる領域にまで延在される第１金属層４１と電気的に接続される。さらに、素子収納用パッケージ１の貫通孔Ｈに設けられる保持部材などに光ファイバを固定して、光ファイバからの信号を光透過性部材を介して素子収納用パッケージ１内に入出力することができる。

ここで、金属板３の切欠きＵについて説明する。切欠きＵは、図８に示すように、矩形状の板部材の一辺において平面視して一辺に直交する軸Ｌを中心として左右対称の位置のそれぞれに形成されている。

切欠きＵは、外形が略矩形状に形成されている。そして、切欠きＵの大きさは、図８に示すように、切りかかれた一辺からの長さが、例えば１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であって、切りかかれた一辺に沿った方向の長さが、例えば１ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。また、切欠きＵの上下方向の長さは、例えば０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下に設定されている。

また、切欠きＵは、切りかかれた一辺からの長さが平面視した際に枠体５と重なる位置まで形成されてもよい。その結果、切欠きＵは、素子２から発生する熱は切欠きＵによって断熱されることなく金属板３を介して効率よく外部回路基板に放熱されるとともに、金属板３とセラミック入出力端子４と枠体５との熱膨張係数の違いによって生じる応力を切欠き部Ｕで緩和できる。切欠きＵは、平面視して枠体５の内側に配置される場合には、切り欠き部Ｕによって形成される空洞による断熱層により、素子２から金属板３を介した外部回路基板までの放熱性は低下する。また、切欠きＵは、平面視して枠体５の外側に配置される場合には、平面視して金属板５とセラミック入出力端子４と枠体５とが重なる部位に集中する、熱膨張係数の違いによって発生する応力が切り欠き部Ｕまで伝達されず、切り欠き部Ｕによって応力を緩和できなくなる。

金属板３に切欠きＵが左右対称に形成されていることで、金属板３に熱が加わり、金属板３が熱膨張を起こそうとしたり、金属板３に熱が加わった後に冷やされる過程で金属板
３が熱収縮を起こそうとしたりしても、金属板３の切欠きＵの箇所で金属板３による熱膨張や熱収縮が生じず、さらには切欠きＵで分割されることによって形成される金属板３の凸部で熱応力が緩和される。即ち、金属板３は、切り欠きＵによって体積が小さくなることから体積収縮に伴って生じる熱応力を抑制できるとともに、切欠きＵの間に形成された金属板３の凸部における変形によって応力が緩和される。そのため、金属板３の切欠きＵ上に設けられるセラミック入出力端子４に対しては、素子収納用パッケージ１の製造工程において、金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材を溶融させてから冷却する際の金属板３から加わる熱応力を緩和することができ、金属板３とセラミック入出力端子４の熱膨張係数の違いによって、セラミック入出力端子４や金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材にクラックが発生するのを抑制することができる。その結果、素子収納用パッケージ１および実装構造体の封止性を向上させることができる。

また、金属板３の一辺に一対の切欠きＵを設け、その両方の切欠きＵを跨るようにセラミック入出力端子４を配置したことで、金属板３からセラミック入出力端子４に加わる応力を効果的に抑制することができる。仮に、セラミック入出力端子４が、金属板３の一辺に形成された一対の切欠きＵの両方に跨るように形成されていないとすると、セラミック入出力端子４が接合される部位と、接合されない部位によって金属板３の変形が異なることとなり、金属板３の下面には偏った変形や歪が生じることとなる。その結果、素子収納用パッケージ１からなる実装構造体は、外部回路基板との実装性が低下することとなり、素子収納用パッケージ１から外部回路基板への放熱性が著しく低下することとなる。また、切欠きＵは、金属板３の一辺に直交する軸Ｌに対して左右対称に設けることで、金属板３が熱によって歪むのを緩和することができる。仮に、切欠きＵが、金属板３に左右対称に形成されていないとすると、金属板３が偏って変形することで、金属板３上に設けられるセラミック入出力端子４や枠体５が金属板３から剥離したり、局所的に集中する熱応力によってセラミック入出力端子４や金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材にクラックが生じたり、実装構造体の外部回路基板への実装性が低下したりする虞が高まる。そこで、切欠きＵを軸Ｌに対して左右対称に形成することで、金属板３が歪むのを抑制することができ、素子収納用パッケージ１および実装構造体の封止性を良好に維持することができるとともに、実装構造体の外部回路基板への実装性を高めることができる。

また、切欠きＵは、金属板３、枠体５およびセラミック入出力端子４とを接合する際の余剰なろう材を溜めることができるとともに、セラミック入出力端子４と切欠きＵとの間にメニスカスを形成することができることから、金属板３、枠体５およびセラミック入出力端子４とを接合するろう材の厚みのバラツキの発生を抑制できるとともに、金属板３とセラミック入出力端子４との接合性を向上させることができる。

軸Ｌは、金属板３の切欠きＵが設けられた一辺の中点を通る場合は、切欠きＵは軸Ｌと重ならないように配置されてもよい。そうすることで、金属板３の一辺に軸Ｌを線対称とした一対の切欠きＵを設けることができる。

また、切欠きＵの切りかかれた四隅について説明する。切欠きＵの切りかかれた四隅のうち、金属板３の中心側に位置する二つの隅は湾曲して形成されており、その曲率は、例えば０．１以上１以下に設定されている。また、切欠きＵの切りかかれた四隅のうち、金属板３の一辺側に位置する二つの隅も湾曲して形成されており、その曲率は、例えば０．２以上２以下に設定されている。

切欠きＵの四隅が湾曲して形成されていることで、切欠きＵの四隅に集中する金属板３の熱膨張に起因した応力が四隅の角部の一点に集中するのを緩和することができる、即ち
、切欠きＵの四隅に形成された湾曲面で応力を分散することができ、切欠きＵの四隅にクラックが発生するのを抑制することができる。その結果、切欠きＵ上に設けられるセラミック入出力端子４と金属板３との間に隙間が発生しにくくすることができるとともに、切欠きＵの四隅に生じる応力を起点としたセラミック入出力端子４や金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材へのクラックの発生を抑制することができ、素子収納用パッケージおよび実装構造体の封止性を向上させることができる。

切欠きＵが設けられている金属板３の一辺の端部は、図３に示すように、平面視してセラミック入出力端子４よりも内側に位置するように位置決めされている。つまり、セラミック入出力端子４は、平面視して切欠きＵが設けられている金属板３の一辺側に位置する端部が、金属板３よりも外側に出るように配置されている。そして、セラミック入出力端子４の下面と金属板３の上面との接触面積を小さくすることで、セラミック入出力端子４に対して金属板３から加わる、金属板３とセラミック入出力端子４との熱膨張係数の違いによって生じる熱応力を低減することができ、金属板３に反りや歪みが生じたり、セラミック入出力端子４が破壊されたり、金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材にクラックが発生したりする虞を少なくすることができる。

本実施形態によれば、金属板３の一辺に一対の切欠きＵを設け、その上に一対の切欠きを覆うようにセラミック入出力端子４を設けることで、金属板３からセラミック入出力端子４や金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材に加わる応力を緩和することができ、金属板３からセラミック入出力端子４が剥離したり、セラミック入出力端子４やセラミック入出力端子４、金属板３とセラミック入出力端子４、枠体５とを接合するろう材にクラックが発生したりするのを抑制することができるとともに、金属板３の反りや歪を抑制することができる。その結果、封止性と実装性に優れた素子収納用パッケージ１および実装構造体を提供することができる。

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。

＜実装構造体の製造方法＞
ここで、図１または図２に示す実装構造体の製造方法を説明する。まず、金属板３、セラミック入出力端子４および枠体５のそれぞれを準備する。

金属板３および枠体５のそれぞれは、溶融した金属材料を型枠に鋳込んだ固化させたインゴットに対して、金属加工法を用いることで、所定形状に製作される。

セラミック入出力端子４は、平板部４３となるセラミックグリーンシートと、立壁部４４に対応した部位が残るように型抜きされたセラミックグリーンシートをそれぞれ準備する。次に、平板部４３となるセラミックグリーンシートに、例えばスクリーン印刷法を用いて、モリブデンやマンガンを含有した有機溶剤を塗布した金属ペーストからなる第１金属層４１が形成される。そして、セラミック入出力端子４は、平板部４３となるセラミックグリーンシート上に立壁部４４が形成されたセラミックグリーンシートを積層して焼結するとともに、所望の形状に個片に切断することで形成される。さらに、スクリーン印刷法を用いて第２金属層４２や枠体５との接合面となるセラミック入出力端子４の表面に金属層を形成する。このようにして、セラミック入出力端子４を作製することができる。また、準備した枠体５は、枠体５の貫通孔Ｈに、光透過性部材を実装した保持部材をろう材を介して嵌めて接続する。

次に、準備した金属板３、セラミック入出力端子４および枠体５のそれぞれをろう材を介して接続する。具体的に、金属板３の切欠きＵ上にセラミック入出力端子４をろう材を
介して接続する。このとき、枠体５は、金属板３およびセラミック入出力端子４と接続される個所に個片にされたろう材を予め配置した状態で、枠体５、金属板３およびセラミック入出力端子４を加熱してろう材をそれぞれの接合面に濡れ広がらせ、冷却することによって接合される。このようにして、素子収納用パッケージ１を作製することができる。さらに、作製した素子収納用パッケージ１に半田を介して素子２を実装し、素子収納用パッケージを蓋体で覆うことで、実装構造体を作製することができる。

１素子収納用パッケージ
２素子
３金属板
４セラミック入出力端子
４１第１金属層
４２第２金属層
４３平板部
４４立壁部
５枠体
６端子
Ｕ切欠き
Ｈ貫通孔
Ｌ軸

Claims

矩形状の板部材であって、平面視したときの一辺において前記一辺に直交する軸に対して左右対称の位置であって、前記一辺の両端を除くそれぞれの位置に切欠きを有する金属板と、
前記金属板上に前記一辺に沿って前記一対の切欠きを覆うように設けられたセラミック入出力端子と、
前記金属板の外周に沿って前記金属板上から前記セラミック入出力端子上にかけて連続して設けられた枠体と、を備えたことを特徴とする素子収納用パッケージ。
請求項１に記載の素子収納用パッケージであって、
前記セラミック入出力端子は、平面視して前記切欠きが設けられている前記金属板の一辺側に位置する端部が前記金属板よりも外側に位置していることを特徴とする素子収納用パッケージ。
請求項１または請求項２に記載の素子収納用パッケージであって、
前記軸は、前記一辺の中点を通っていることを特徴とする素子収納用パッケージ。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の素子収納用パッケージと、前記素子収納用パッケージに実装されて前記セラミック入出力端子に電気的に接続された素子と、を備えたことを特徴とする実装構造体。