JP6030371B2 - 素子収納用パッケージおよび実装構造体 - Google Patents

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、半導体素子、発光ダイオード、圧電素子、水晶振動子、レーザーダイオードまたはホトダイオード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（例えば、特許文献１参照）。なお、上記特許文献１で提案された素子収納用パッケージは、基板と、基板上に設けられた枠体と、枠体の一部に設けられた入出力端子と備え、入出力端子の上面に枠体内と枠体外とを電気的に接続するリード端子が取り付けられた構造が提案されている。

実開平５−１１４４３号公報

素子収納用パッケージの小型化、大容量化に起因して、素子収納用パッケージ内に熱がこもり易く、特に、１００ＧＨｚの周波数を用いる高周波用の素子収納用パッケージでは、入出力端子に加わる熱応力が大きく、入出力端子が破壊される虞が大きい。

本発明は、入出力端子にクラックが発生するのを抑制することが可能な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、上面に素子を実装するための実装領域を有する基板と、前記基板の外周に沿って前記実装領域を取り囲むように前記基板上に設けられた枠状部および前記枠状部に前記基板の上面に沿った平面方向に形成された貫通部とを有する枠体と、前記貫通部に設けられた、前記枠体内と前記枠体外とを電気的に
接続する入出力端子とを備え、前記入出力端子は、直方体形状であって、前記枠体内に位置する上面から側面にかけて形成された切欠きと、前記切欠きから内部を通って下面にまで形成された配線導体と、下面の前記配線導体と接続されたリード端子と、上面に設けられた金属層とを有し有しており、前記基板は、前記入出力端子の下面の一部と当接する個所に、段差が形成されたことを特徴とする。

また、本発明の一実施形態に係る実装構造体は、前記素子収納用パッケージと、前記素子収納用パッケージの前記実装領域に実装された素子とを備えたことを特徴とする。

本発明は、パッケージにクラックが発生するのを抑制することが可能な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一方向から見た概観斜視図である。 本発明の一実施形態に係る実装構造体の他方向から見た概観斜視図である。 本発明の一実施形態に係る実装構造体の内部を示した平面図である。 本発明の一実施形態に係る実装構造体の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実装構造体の入出力端子の平面図である。 図３のＸ−Ｘに沿った断面図である。 図６のＡ部分を拡大した拡大断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る素子収納用パッケージおよび実装構造体について、図面を参照しながら説明する。

＜実装構造体の構成＞
実装構造体１は、素子収納用パッケージ２と、素子収納用パッケージ２の実装領域Ｒに設けられた素子３とを備えている。素子収納用パッケージ２は、例えば、半導体素子、トランジスタ、レーザーダイオード、フォト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３を実装するのに用いるものである。

素子３は、台座３ａ上に実装される。台座３ａは、素子収納用パッケージ２の内部の実装領域Ｒに設けられる。台座３ａは、素子３を実装するものであって、素子３の高さ位置を調整することができる。台座３ａは、絶縁材料からなり、台座３ａの上面に素子３と電気的に接続される電気配線が形成されている。

素子収納用パッケージ２は、高耐圧化、大電流化や大電力化または高速・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３の一例として半導体素子を実装するものである。また、素子収納用パッケージ２は、上面に素子３を実装するための実装領域Ｒを有する基板４と、基板４の外周に沿って実装領域Ｒを取り囲むように基板４上に設けられた枠状部５ａおよび枠状部５ａに基板４の上面に沿った平面方向に形成された貫通部５ｂとを有する枠体５と、貫通部５ｂに設けられた、枠体５内と枠体５外とを電気的に接続する入出力端子６とを備えている。

基板４は、矩形状の金属板であって、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。なお、基板４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。基板４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。

基板４は、入出力端子６の下面の一部と当接する個所に、段差が形成されており、素子３が実装される箇所よりも高さ位置が低くなっている。そして、基板４の上面の高さ位置が低い箇所に、入出力端子６の下面の一部が接続される。基板４の三辺に入出力端子６を設けられるように、基板４の三辺に段差が形成されている。

また、基板４の四隅には、外部に向かって延在した延在部４ａと、延在部４ａに外部基板と螺子止めするためのねじ孔４ｂが形成されている。なお、ねじ孔４ｂに螺子やボルトを通して外部基板に固定する。

基板４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、基板４は、延在部４ａを除いて、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、基板４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。なお、基板４の段差が形成されている箇所の上下方向の厚みは、０．２５ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている。

また、基板４の表面は、酸化腐食を防止するために、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、基板４上であって基板４の外周に沿って設けられている。枠体５は、基板４の実装領域Ｒを取り囲む枠状部５ａと、枠状部５ａに基板４の上面に沿った平面方向に形成された貫通部５ｂとを有している。枠状部５ａの４辺のうち、３辺が切りかかれている。そして、切りかかれた箇所に入出力端子６が設けられる。枠体５は、基板４上に銀銅ロウ等のろう材によって接合される。

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、素子３から発生する熱を効率良く外部に放熱する機能や熱応力を吸収したり、分散させたり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、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。

また、枠体５の側面の１辺には、外部に設ける光ファイバからの光を枠体５で囲まれる領域にまで通す光透過性部材５ｃが設けられる。光透過性部材５ｃは、例えば、レンズ、プラスチック、ガラスまたはサファイア基板等の透光性材料からなる。

入出力端子６は、基板４の縁に設けられ、枠体５内と枠体５外とを電気的に接続することができる。入出力端子６は、直方体形状であって、枠体５内に位置する上面から側面にかけて形成された切欠きＣと、切欠きＣが形成された箇所から入出力端子６内を通って入出力端子６の下面にまで形成された配線導体６ａと、入出力端子６の下面に配線導体７と接続されたリード端子６ｂと、入出力端子６の上面に配線導体６ａと間を空けて設けられた金属層６ｃと、を有している。

入出力端子６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。なお、入出力端子６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。

切欠きＣは、図５に示すように、入出力端子６の上面のうち枠体５に沿った両端を除いて形成されている。切欠きＣは、入出力端子６の１辺のみに形成されていることで、入出力端子６が切欠きＣによって切り欠かれる部分を最小限にとどめて、入出力端子６の抗折強度を向上できるという作用効果を奏する。

入出力端子６は、複数の層を積層して形成することができる。ここで、入出力端子６の作製方法について説明する。入出力端子６は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に、有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して混合物を得るとともにシート状に形成したグリーンシートを得る。

また、配線導体６ａの原料となる、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末を準備し、この粉末に有機バインダー、可塑剤または溶剤等を添加混合して金属ペーストを得る。そして、未焼成のグリーンシートを所定形状に型を抜き、所定箇所に金属ペーストを印刷する。

そして、金属ペーストを印刷したグリーンシートを複数層積層して、所定の温度で同時に焼成することで一体的に形成された入出力端子６を得る。さらに、入出力端子６の下面の配線導体６ａにろう材を介してリード端子６ｂを接続する。

リード端子６ｂは、外部の電子機器等と素子３とを電気的に接続するための部材である。リード端子６ｂは、ろう材を介して入出力端子６の下面に形成された配線導体６ａと接続される。そして、配線導体６ａとリード端子６ｂとが電気的に接続される。また、入出力端子６の下面には、複数の配線導体６ａが形成されており、複数の配線導体６ａ同士は間を空けて設けられている。そして、隣接する配線導体６ａ同士が電気的に絶縁されている。そして、各リード端子６ｂを各配線導体６ａに設けることで、隣接するリード端子６ｂ同士は、電気的に絶縁されている。なお、リード端子６ｂは、導電材料からなり、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。

リード端子６ｂは、図４に示すように、平面方向に沿って延在されているが、リード端子６ｂの一端とリード端子６ｂの他端との間に折れ曲がっている。リード端子６ｂの下面の高さ位置が、図７に示すように、基板４の下面の高さ位置と同じになるように、リード端子６ｂが折れ曲がって調整されている。そして、基板４とリード端子６ｂの両方を、外部の基板に対して、平坦に実装することができる。そして、素子収納用パッケージ２は、外部の基板に対して固定する面積を増やしつつ、外部の基板に対して傾斜しないように接続することができる。その結果、素子収納用パッケージ２は、外部の基板に対して安定して強固に接続することができる。

配線導体６ａは、切欠きＣの上面に露出している。そして、切欠きＣの上面に露出した配線導体６ａは、例えば、ボンディングワイヤによって素子３の電極に電気的に接続される。また、配線導体６ａは、切欠きＣの上面から入出力端子６内に延在している。さらに、配線導体６ａは、入出力端子６内のビア孔を通って入出力端子６の下面にまで延在している。そして、素子３は、配線導体６ａを介して入出力端子６に電気的に接続されている。

入出力端子６の上面には、金属層６ｃが形成されている。金属層６ｃは、入出力端子６の本体部分がセラミック材料から構成されているため、セラミック材料の本体部分と金属材料の枠状部５ａとをろう材を介して接続するのに、金属層６ｃがろう材の下地となることができる。さらに、金属層６ｃは、基準電位となる電位、例えば接地導体と接続されている。そして、金属層６ｃが、配線導体６ａに対して遮蔽電極として機能し、外部からの電磁波の影響を低減することができ、配線導体６ａに流れる高周波電流が所望する状態を維持しやすくすることができる。

また、入出力端子６の下面であって、基板４の切りかかれた箇所と接続される箇所には、図７に示すように、金属層６ｃと異なる、第２金属層７が形成されている。第２金属層７は、入出力端子６のセラミック材料からなる本体部分と金属材料からなる基板４の切り欠かれた箇所とをろう材を介して接続することができる。第２金属層は、所定の電位に設定されており、グランドとして機能する。

第２金属層７は、入出力端子６の下面に配線導体６ａと間を空けて設けられている。そして、第２金属層７は、配線導体６ａと電気的に絶縁されている。第２金属層７は、配線導体６ａに対して遮蔽電極として機能し、配線導体６ａは外部の電磁波から保護することができる。そして、配線導体６ａに電磁ノイズが発生するのを抑制することができる。

また、入出力端子６は、図７に示すように、金属材料からなる基板４の切り欠かれた箇所に設けられている。そして、リード端子６ｂが切り欠かれた箇所が、ビア孔を通った配線導体６ａの側面部分の一部を側面方向で覆うようにすることができ、配線導体６ａの側面部分の一部を電磁波から遮蔽することができる。

また、図７に示すように、入出力端子６の上面に金属層６ｃが設けられ、入出力端子６の下面に第２金属層７が設けられる。そして、入出力端子６の切欠きＣで露出した配線導体６ａは、第２金属層７と重なるように配置されている。さらに、入出力端子６内の配線導体６ａは、金属層６ｃと重なるように配置されている。また、配線導体６ａが信号線路として機能し、金属層６ｃおよび第２金属層７が接地導体として機能することで、高周波が配線導体６ａに流れる際は、配線導体６ａと金属層６ｃの間、あるいは配線導体６ａと第２金属層７との間で、高周波の信号を輻射しやすくすることができる。その結果、配線導体６ａに流れる信号に加わるノイズを低減することができ、所望する波長の信号を流すようにすることができる。

枠体５の枠状部５ａ上に沿って連続してシールリング８がろう材を介して設けられている。シールリング８は、枠体５内を覆うように蓋体９を設けるときに、蓋体９と接続するものである。なお、シールリング８は、蓋体９とのシーム溶接性に優れた、例えば銅、タングステン、鉄、ニッケルまたはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を複数種含む合金からなる。なお、シールリング８の熱膨張係数は、例えば４×１０^−６／Ｋ以上１６×１０^−６／Ｋ以下に設定されている。

また、蓋体９は、枠体５内の素子３を覆うように、シールリング８上に設けられる。蓋体９は、枠体５で囲まれる領域を気密封止するものである。蓋体９は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケルまたはコバルト等の金属、あるいはこれらの金属を複数種含む合金、あるいは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スから成る。また、蓋体９は、シールリング８上に、例えばシーム溶接により接合、半田またはろう材等の接合部材を介して接合される。

枠体５で囲まれた領域は、真空状態または窒素ガス等が充填されており、蓋体９をシールリング８上に設けることで、枠体５で囲まれる領域を気密封止された状態にすることができる。蓋体９は、所定雰囲気で、シールリング８上に載置され、シーム溶接を行なうことによってシールリング８上に取り付けられる。また、蓋体９は、例えばろう材、ガラス接合材または樹脂接合材等の接合材を介して取り付けることができる。

本実施形態に係る実装構造体１および素子収納用パッケージ２は、入出力端子６が直方体形状であって、枠体５の外側の側面が平坦であって、枠体５の内側の側面に切欠きＣが設けられている。このように、入出力端子６の枠体５外に位置する箇所に切欠きを設けないことによって、入出力端子６の剛性を高めることができる。さらに、入出力端子６の枠体５外の上面および入出力端子６の枠体５と接触する箇所に金属層６ｃを設け、入出力端子６の切欠きＣが設けられている箇所に配線導体６ａを設け、配線導体６ａが入出力端子６内を通って入出力端子６の下面にまで形成されている。このように、配線導体６ａを金属層６ｃと間を空けて配置するとともに、金属層６ｃによって配線導体６ａをシールドすることができる。そして、特に、１００ＧＨｚ以上の周波数を用いる高周波用の素子収納用パッケージにおいては、パッケージが小型化する一方で、入出力端子６に発する熱量が大きいが、入出力端子６の剛性を向上させつつ、外部からの電磁波の影響を低減することで、入出力端子６にクラックが発生するのを抑制することが可能な素子収納用パッケージ２および実装構造体１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１の製造方法を説明する。まず、素子収納用パッケージ２と素子３とを準備する。素子収納用パッケージ２の基板４および枠体５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。また、上述した製造方法によって入出力端子６を作製する。

そして、基板４と入出力端子６とをろう材を介して接続する。さらに、枠体５の貫通部５ｂに、光透過性部材５ｃをろう材を介して嵌めて接続する。このようにして、素子収納用パッケージ２を作製することができる。さらに、素子収納用パッケージ２の実装領域Ｒに台座３ａをろう材を介して設ける。さらに、台座３ａ上に素子３を実装して、素子３の電極と枠体５内の入出力端子６の配線導体６ａとをボンディングワイヤを介して電気的に接続する。さらに、必要に応じて素子収納用パッケージ２にシールリング８および蓋体９を取り付けて、実装構造体１を作製することができる。

１ 実装構造体
２ 素子収納用パッケージ
３ 素子
３ａ 台座
４ 基板
４ａ 延在部
４ｂ ねじ孔
５ 枠体
５ａ 枠状部
５ｂ 貫通部
５ｃ 光透過性部材
６ 入出力端子
６ａ 配線導体
６ｂ リード端子
６ｃ 金属層
７ 第２金属層
８ シールリング
９ 蓋体
Ｒ 実装領域
Ｃ 切欠き

Claims (4)

1. 上面に素子を実装するための実装領域を有する基板と、
   前記基板の外周に沿って前記実装領域を取り囲むように前記基板上に設けられた枠状部および前記枠状部に前記基板の上面に沿った平面方向に形成された貫通部とを有する枠体と、
   前記貫通部に設けられた、前記枠体内と前記枠体外とを電気的に接続する入出力端子とを備え、
   前記入出力端子は、直方体形状であって、前記枠体内に位置する上面から側面にかけて形成された切欠きと、前記切欠きから内部を通って下面にまで形成された配線導体と、下面の前記配線導体と接続されたリード端子と、上面に設けられた金属層とを有しており、前記基板は、前記入出力端子の下面の一部と当接する個所に、段差が形成されたことを特徴とする素子収納用パッケージ。
2. 請求項１に記載の素子収納用パッケージであって、
   前記切欠きは、前記入出力端子の上面のうち前記枠体に沿った両端を除いて形成されていることを特徴とする素子収納用パッケージ。
3. 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、
   前記金属層は、接地導体であることを特徴とする素子収納用パッケージ。
4. 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の前記実装領域に実装された素子とを備えたことを特徴とする実装構造体。

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