JP5919052B2 - パッケージ及びパッケージの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を搭載、封入するための貫通電極を有するパッケージ及び当該パッケージの製造方法に関する。

振動子や加速度等の力学量を測定するためのセンサ等の電子部品を搭載、封入、収納するためのパッケージとして、一体化された基板からなるものが広く使用されている。

これらの基板は、電子部品を搭載するためのベース基板と、このベース基板に蓋として封止するためのリッド基板と、からなる。リッド基板は、セラミックスやガラスといった絶縁性材料を加工し、電極等が形成されている。ベース基板には、搭載される電子部品と外部の回路基板等と電気的な接続を行うための電極が設けられている。

これらの電極は、金属ペーストの焼成や薄膜技術等により作製されるが、ベース基板に貫通孔を設け、この貫通孔に金属を埋め込むことにより貫通電極と呼ばれる構造をとったものが提案されている。

貫通電極としては、例えば、ベース基板として、貫通孔を形成したガラス基材を用い、貫通孔を銀ペーストにより埋め、貫通電極として用いている例がある（特許文献１等参照）。また、他の例として、ガラス基材に貫通孔を設け、金属ピンを低融点ガラスとともに貫通孔に打ち込み、低融点ガラスを溶融することにより金属ピンとガラス基材を一体化することにより貫通孔を塞ぎ貫通電極を形成する方法もある（特許文献２等参照）。さらに、テーパー状の貫通孔を基材であるガラスの軟化点以上の温度に加熱し、カーボン材からなる成形型により加圧成形することにより作製し、金属ピンをこの貫通孔に振込み、全体の温度をガラス基材の軟化点以上とすることによりガラス基材と金属ピンを一体化する方法も提案されている（特許文献３等参照）。

ここで、近年における電子部品の小型化およびパッケージの小型化の要求に伴い、貫通電極も小型化と近接化が望まれている。また、雰囲気の影響を受ける振動子や力学量測定センサ等では、小型化や近接化のみならず、貫通電極の封止性という点も要求されている。

しかしながら、銀ペースト等の金属ペーストを用いる貫通電極の製造方法では、基板としてガラス基材を用いる場合、ガラス基材の耐熱性から銀ペーストの焼成温度をガラス基材の軟化点以上とする必要があるため、基材の変形を起こすという課題があった。

また、金属ピンを低融点ガラスにより貫通孔に埋め込む方法では、貫通孔を、金属ピンの太さを考慮し且つ低融点ガラスを埋め込めるだけの大きさとする必要があった。つまり、当該方法では、複数の貫通電極を形成する場合、貫通電極間の微細化が困難になるという課題があった。

このため、上記方法によれば、貫通電極を搭載、封入すべき電子部品の電極近傍に設置することが出来ない。つまり、貫通電極は、離れた部分に形成する必要があったので、電子部品の搭載にあたり、内部で複雑な配線を施す必要が生じ、信頼性やコスト面で問題があった。

また、金属ピンを貫通孔に振込み、ガラス基材を軟化することにより一体化する方法は、軟化中における金属ピンの動きによる精度や、テーパー貫通孔の口径が大きな方の径によって、その微細性、近接性が決まってしまうという問題や、基材としてガラス以外の材料を用いることが出来ないという問題があった。

特開２００２−１２４８４５号公報 特開２００３−２０９１９８号公報 特開２０１１−１６６３０７号公報

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、微細性、近接性に優れた貫通電極を有する脆性材料を用いた基板からなるパッケージ及び当該パッケージの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係わるパッケージは、内部に電子部品を収納するパッケージであって、絶縁性材料からなり、対向面が相互に接合され、一方に前記電子部品を収容するための凹部が形成された一対の基板と、前記一対の基板のうち、一方の基板又は両方の基板に設けられ、前記対向面と当該対抗面の反対側の面とを貫通する金属材からなる貫通電極と、を有し、前記貫通電極の前記対向面における面積が前記反対側の面における面積よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係わるパッケージの製造方法は、内部に電子部品を収納するパッケージの製造方法であって、絶縁性材料からなるベース基板の一方の面から当該一方の面と対向する面にかけて、前記一方の面における面積が前記対向する面における面積よりも大きくなるように金属材からなる貫通電極を形成する貫通電極形成工程と、前記ベース基板の一方の面における貫通電極の上面に、前記電子部品と前記貫通電極とを接続する突起状の電極を形成する突起電極形成工程と、前記突起状の電極の上部に電子部品を搭載する搭載工程と、絶縁性材料からなり、下面に前記電子部品を収納するための凹部を有するリッド基板を前記ベース基板に接合する接合工程と、を備えることを特徴とする。

このパッケージは、２枚以上のガラスやセラミックス等の絶縁性基板が接合してなるパッケージにおいて、パッケージ内部に実装された電子部品を外部と電気的に接続する貫通電極が形成された基板が用いられており、この貫通電極が電子部品を実装する側であるパッケージ内部で面積が、このパッケージを外部の回路基板等と接続する側であるパッケージ外部での面積に対して広くなっていることから、内部における貫通電極の電極間距離を外部における貫通電極間距離より小さくすることが出来るので、より小型の電子部品をパッケージ内部に実装することが出来ると同時に、パッケージ外部の電極間距離を離すことが出来るので、外部基板への実装において、流動性が高く、近接した電極間で電気的にショートを起こしやすいはんだや金属ペーストによる接合を容易に行うことができる。

また、前記絶縁性材料は、ガラス又はセラミックスであることを特徴とする。
また、本発明に係わるパッケージは、前記貫通電極は、貫通方向に垂直な断面における断面積が、前記対向面から前記反対側の面に向かうにつれて連続的に減少することを特徴とする。

このパッケージは、貫通電極がパッケージ内部側から外部側に向かって連続的にその断面積を小さくなっていることから、パッケージ内部で微細化された電子部品の狭ピッチ搭載を可能とし、一方でパッケージ外部で電極間距離を大きく取れるのでパッケージの回路基板への実装に対して、はんだ等の流れによるショートを防ぐことが出来ることに加え、このパッケージが受ける熱的な衝撃や力学的な衝撃に対して、その衝撃を分散することが出来るので、ガラスやセラミックス等の脆性材料からなるパッケージの耐久性を各段に高めることが出来る。

また、本発明に係わるパッケージは、前記対向面における貫通電極の上面に、前記電子部品と前記貫通電極とを接続する突起状の電極を備えることを特徴とする。
このパッケージは、パッケージ内部側においてバルク材として機能する程度の厚みを有する貫通電極の直上に電子部品を取り付けるための突起状電極を設置しているので、電子部品の搭載における信頼性を高めると同時に、搭載された電子部品がガラスやセラミックス等の脆性材料からなる部材に接合剤等を介して接することが無いので熱や外部からの衝撃をこの脆性材料部材から直接受けることが無いので、この電子部品に損傷を与えることが無くなる。

また、本発明に係わるパッケージは、前記貫通電極は、一の基板において複数備わり、平面視で、各々の前記突起状の電極における中心位置間の距離は、前記対向面における各々の貫通電極の中心位置間の距離よりも短く、かつ、当該対向面における各々の貫通電極間に形成される間隙よりも長いことを特徴とする。

また、本発明に係わるパッケージの製造方法は、前記貫通電極形成工程において、前記貫通電極は、一のベース基板において複数形成され、前記突起電極形成工程において、前記突起状の電極は、平面視で、各々の中心位置間の距離が、前記一方の面における各々の貫通電極の中心位置間の距離よりも短く、かつ、当該一方の面における各々の貫通電極間に形成される間隙よりも長く形成されることを特徴とする。

このパッケージは、パッケージ内部側において、複数の貫通電極上に設けられた電子部品を接続・搭載するために設けられた突起状電極を代表する中心間距離、例えば、電極の平面方向における断面形状の重心間距離が各々の突起状電極が形成されている貫通電極を代表する中心間距離、例えば電極の平面方向における断面形状の重心間距離より短く、かつ、該当する貫通電極間の最短距離より長いことから、パッケージ内で電子部品を接続・搭載するに当たり、電子部品の当該電極する電極間距離を貫通電極の中心間距離より狭めることができるので、小型、高密度電極を有する電子部品にこのパッケージを適用することができる。

また、本発明に係わるパッケージは、前記貫通電極は、平面視で円形状からなることを特徴とする。
このパッケージは、貫通電極の基板概略円形であることから、パッケージを構成する基板と貫通電極を構成する金属間に熱的衝撃や力学的衝撃が生じた場合において、基板と貫通電極間に加わる力を分散することができるので耐久性に優れたものとなる。

この発明によれば、電子部品の電極間距離を狭く、微細化が進んだ電子部品を搭載・封入することが出来、外部との接続において電極間距離に余裕を持たせ、ショート等の障害無く行うことができるとともに、熱および力学的な衝撃等に対して優れた耐久性を有するパッケージを提供することができる。

本発明の実施形態に係わるパッケージの概要を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、ガラス基板成形工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、ベース基板の貫通孔穴埋めめっき工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、貫通電極形成工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、突起電極形成工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、電子部品搭載工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージを作製するための工程のうち、リッド基板とベース基板の接合工程を示す図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージの貫通電極のうちパッケージ外側となる部分にハンダ層を形成した図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージと外部基板との接合例を示した図である。 本発明の実施形態に係わるパッケージにおいて、貫通電極のうちパッケージ内側に電子部品搭載電極を設けた例を示す図である。

本発明に係る実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るパッケージに音叉型水晶振動子を搭載し、真空封止したものの概要を示す図であり、図１（ａ）は、上面図であり、図１（ｂ）は主要分の断面図であり、図１（ｃ）は裏面図である。

このパッケージ１は、ソーダライムガラス（絶縁性材料）からなるベース基板２と、当該ベース基板２と同じ材質からなるリッド基板３と、これら基板の内部に搭載された音叉型水晶振動子４（電子部品）と、から構成されている。

また、ベース基板２において、音叉型水晶振動子４が、図示しない外部基板と接続するための貫通電極５上に設けられた突起電極６（突起状の電極）を介して搭載、接続されている。さらに、ベース基板２には、外部基板との接続性を高めるためにダミー貫通電極７が備えられている。ここで、詳細は後述するが、貫通電極５は、ベース基板２のリッド基板３に対する対向面（上面）における面積が、反対の面（下面）における面積よりも大きくなるように、テーパ形状からなる。

リッド基板３は、音叉型水晶振動子４を封入し、内部の真空性を保つためのキャビティ８を有し、キャビティ８を備える側の面（対向面）がベース基板２の上面と図示しない接合層を介して接合されている。

（パッケージの製造手順）
この音叉型水晶振動子４を搭載したパッケージ１を作製するための工程は、図２に示したガラス基板成形工程と、図３に示したベース基板の貫通孔穴埋めめっき工程と、図４に示した貫通電極形成工程と、図５に示した突起電極形成工程と、図６に示した電子部品搭載工程と、図７に示したリッド基板とベース基板を接合する接合工程と、から構成されている。

まず、図２に示したガラス基板成形工程では、ベース基板２およびリッド基板３となるべきソーダライムガラス製の基板基材９（絶縁性材料）を軟化点以上の温度に加熱する（図２（ａ））。そして、当該基板基材９は、下面にカーボン基材からなるテーパ−状の凸部を備えた成形型１０により加圧成形される（図２（ｂ））。すると、基板基材９は、上面（ベース基板の一方の面）にテーパー形状のテーパー凹部１１を有するガラス成形体１２となる（図２（ｃ））。

次に、貫通孔穴埋めメッキ工程では、図３（ａ）に示した如く、ガラス成形体１２に、スパッタリング法によりクロムと金の薄膜からなる導電層１３を形成する。そして、図３（ｂ）に示した如く、導電層１３の上層のうち、テーパー凹部１１の外周近傍もしくはテーパー凹部１１の開口部付近をマスキングするための、絶縁性樹脂からなるマスキング層１４を形成する。次いで、図３（ｃ）に示した如く、湿式電気めっき法によりテーパー凹部１１内にニッケル鉄合金めっき層１５を形成する。最後に、ガラス成形体１２よりマスキング層１４を剥離する（図３（ｄ））。

次に、貫通電極形成工程では、まずガラス成形体１２の上下面のうち、テーパー凹部１１の備わる側の面（上面）において、めっき層１５の一部とガラス基材９の一部を研磨により平坦化する（図４（ａ））。次いで、ガラス成形体１２の底部１６側を研磨することによりガラス部を除去し、全体を平坦化する（図４（ｂ））。その後、研磨されたガラス成形体１２において、無電解金めっきをめっき層１５に施し、金めっき層１７を形成することにより貫通電極１８を形成する（図４（ｃ））。以上により、ベース基板２の上面における面積が、上面と対向する面（下面）における面積よりも大きい、金属材からなる貫通電極１８が形成される。また、貫通電極１８は、テーパ形状からなるため、上面から下面に向かうにつれて連続的に横断面積が減少する。

次に、突起電極形成工程では、図５（ａ）のベース基板２０の底面図と、図５（ｂ）のベース基板２０の断面図に示すように、貫通電極１８が形成されたガラス成形体１２における上面、すなわちテーパー凹部１１の開口側であった面における貫通電極１８の表面に、搭載される電子部品（音叉型水晶振動子２２）の搭載／接続位置に金ワイヤーによる金バンプを形成することで突起電極１９を設ける。以上によって、ベース基板２０が作製される。このとき、ベース基板２０において、電子部品が接続されない貫通電極１８は、ダミー貫通電極２１として残される。
なお、各々の突起電極１９の中心間距離は、貫通電極１８の中心間距離より小さく設定されている。

次に、電子部品搭載工程では、図６（ａ）のベース基板２０の底面図と、図６（ｂ）のベース基板断面図に示すように、突起電極１９に、音叉型水晶振動子２２の表面に形成されている金膜（図示省略）を音叉型水晶振動子２２に押し付けながら超音波をかけることにより（所謂、金−金接合をおこなうことにより）、音叉型水晶振動子２２をベース基板２０に搭載する。

最後に、接合工程では、図７に示す如く、図２に示したガラス基板成形工程により成形され、さらに十分平坦化されたキャビティ側に、スパッタリングにより接合層２３となるアルミニウム薄膜が形成されたリッド基板２４を用意する。そして、当該リッド基板２４と、音叉型水晶振動子２２が搭載されたベース基板２０と、を真空中で位置あわせする（図７（ａ））。そして、両基板を加圧しながら電圧を印加することにより（所謂、陽極接合を行うことにより）、接合／一体化がなされ、パッケージ２５が作製される（図７（ｂ））。

このパッケージ２５は、貫通電極１８がテーパー構造を有しており、このテーパー構造を利用してパッケージ内側の電極間距離がパッケージ外側の電極間距離に比べて小さくなっている。

本実施の形態では、一例として、音叉型水晶振動子２２の二つの電極の中心距離が２００μｍであるものを用い、２つの突起電極１９の中心位置間の距離も２００μｍに設定する。また、貫通電極１８は、平面形状を円形とし、パッケージ内側（つまり、ベース基板２０の上面側）の直径を５００μｍ、パッケージ外側（つまり、ベース基板２０の下面側）の直径を２００μｍ、中心位置間の距離を６００μｍとした。すなわち、パッケージ内側では、貫通電極１８の最短距離（ベース基板２０の上面における各々の貫通電極間に形成される間隙）は１００μｍであり、外部基板と接続をおこなうパッケージ外側では、貫通電極１８の最短距離は４００μｍに設定した。

また、突起電極１９は、強度の低いガラス表面ではなく、厚みがある金属からなる貫通電極２０の表面に形成される。そのため、パッケージ２５は、非常に強度に優れた音叉型水晶振動子２２と突起電極１９との接続が得られるので、信頼性が高くなる。

この設定により、パッケージ内側では、電極間距離が非常に狭い音叉型水晶振動子２２を固相接合することにより対応できる。一方、パッケージ外側では、流動性を有するはんだ接合を可能とすることができる。

このようにして作製されたパッケージ２５を外部基板に接続する場合には、例えば、図８に示すように、貫通電極１８の外側電極２６にクリームはんだ等によりはんだ層２７が形成される。そして、図９（ａ）（ｂ）に示すように、このパッケージ２５をハンダ接続するための電極２８が設けられた外部基板２９に載せて加熱することにより、相互の電極がショートすることなくハンダ層３０によって双方を接続することができる。この際、ダミー貫通電極２１は、外部基板２９上に設けられたダミー電極３１に接続されることで、より強固な接続がおこなわれる。また、接続に流動性を有するハンダを用いるので、比較的容易な位置合わせ精度で外部基板２９上にパッケージ２５を配置することが出来るため、他のハンダ接合を行うチップ型電子部品と同時に加熱、接続ができる。

また、本実施の形態では、突起電極１９を金属からなる貫通電極１８上に形成したが、搭載すべき電子部品がより微細なものであったり、構造上の観点から、上記の構造をとることが出来ない場合もある。この場合、図１０に示すように、貫通電極１８に接続する搭載用電極３２をベース基板３３のガラス表面に作製し、その表面に突起電極３４を形成して電子部品３５を搭載しても、パッケージ外側の電極間距離を内部と比べ大きくとることが出来る。そのため、パッケージ３６の外形寸法を大きくすること無く、パッケージの小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態では、パッケージ材料としてソーダライムガラスを用いたが、特に指定されるものではなく、その他のガラス材料やセラミックス材料でも本発明を適用できる。
また、上記実施形態に係るパッケージ１は、貫通電極５をベース基板２にのみ設ける構成を例示したが、リッド基板３側にも設ける構成としても良い。

また、円形の形状を有する貫通電極を型成形したが、形状は円形である必要はなく、任意形状で可能であり、成形方法も型成形である必要はなく、例えば、サンドブラストを用いた穴開け等も提供できることは言うまでもない。
さらに、湿式めっきにより貫通電極を形成したが、金属ペーストの焼成や金属ピンによる埋め込みも本発明に適用することが可能であることはいうまでもない。

１、２５、３６ パッケージ
２、２０、３３ ベース基板
３、２４ リッド基板
４、２２ 音叉型水晶振動子
５、１８ 貫通電極
６、１９、３４ 突起電極
７、２１ ダミー電極
８ キャビティ
９ 基板基材
１０ 成形型
１１ テーパー凹部
１２ ガラス成形体
１３ 導電層
１４ マスキング層
１５ めっき層
１６ 底部
１７ 金めっき層
２３ 接合層
２６ 外側電極
２７ はんだ層
２８ 電極
２９ 外部基板
３０ はんだ層
３１ ダミー電極
３２ 搭載用電極
３５ 電子部品

Claims (5)

1. 内部に電子部品を収納するパッケージであって、
   絶縁性材料からなり、対向面が相互に接合され、一方に前記電子部品を収容するための凹部が形成された一対の基板と、
   前記一対の基板のうち、一方の基板又は両方の基板に設けられ、前記対向面と当該対抗面の反対側の面とを貫通する金属材からなる貫通電極と、を有し、
   前記貫通電極の前記対向面における面積が前記反対側の面における面積よりも大きく、
   前記対向面における貫通電極の上面に、前記電子部品と前記貫通電極とを接続する突起状の電極を備え、
   前記貫通電極は、一の基板において複数備わり、
   平面視で、各々の前記突起状の電極における中心位置間の距離は、前記対向面における各々の貫通電極の中心位置間の距離よりも短く、かつ、当該対向面における各々の貫通電極間に形成される間隙よりも長いことを特徴とするパッケージ。
2. 前記絶縁性材料は、ガラス又はセラミックスであることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
3. 前記貫通電極は、貫通方向に垂直な断面における断面積が、前記対向面から前記反対側の面に向かうにつれて連続的に減少することを特徴とする請求項１又は２に記載のパッケージ。
4. 前記貫通電極は、平面視で円形状からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のパッケージ。
5. 内部に電子部品を収納するパッケージの製造方法であって、
   絶縁性材料からなるベース基板の一方の面から当該一方の面と対向する面にかけて、前記一方の面における面積が前記対向する面における面積よりも大きくなるように金属材からなる貫通電極を形成する貫通電極形成工程と、
   前記ベース基板の一方の面における貫通電極の上面に、前記電子部品と前記貫通電極とを接続する突起状の電極を形成する突起電極形成工程と、
   前記突起状の電極の上部に電子部品を搭載する搭載工程と、
   絶縁性材料からなり、下面に前記電子部品を収納するための凹部を有するリッド基板を前記ベース基板に接合する接合工程と、を備え、
   前記貫通電極形成工程において、前記貫通電極は、一のベース基板において複数形成され、
   前記突起電極形成工程において、前記突起状の電極は、平面視で、各々の中心位置間の距離が、前記一方の面における各々の貫通電極の中心位置間の距離よりも短く、かつ、当該一方の面における各々の貫通電極間に形成される間隙よりも長く形成されることを特徴とするパッケージの製造方法。

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