JP6075597B2

JP6075597B2 - 素子収納用パッケージおよび実装構造体

Info

Publication number: JP6075597B2
Application number: JP2012145970A
Authority: JP
Inventors: 作本　大輔; 大輔作本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2017-02-08
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: JP2014011271A

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で提案されたパッケージは、パッケージの３つの側面がセラミックスからなり、該側面にリード端子が設けられている。

特開平１１−１７０４１号公報

上記特許文献１で提案されたパッケージでは、セラミック端子部材を搭載ベースに接合する際やシールリングをセラミック端子部材に接合する際に外部から加えられる熱、またカバーをパッケージに接合する際に外部から加えられる熱、および半導体モジュールを作動させる際に生じる光半導体素子からの熱が、パッケージの隣接する側面同士の合わさった箇所に集中することで、パッケージの角にクラックが発生する虞がある。特に、高周波用の素子収納用パッケージは、一般的に誘電率が樹脂よりも小さい、セラミックパッケージを用いるため、パッケージの角にクラックが発生しやすい。

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矩形状の板体と、前記板体上に前記板体の外縁に沿って設けられた、前記実
装領域を取り囲む４つの側壁と、前記４つの側壁のうち３つの側壁が切り欠かれており、切り欠かれた切欠きに外側に向けて設けられたリード端子とを有したパッケージと、を備え、前記リード端子が設けられた前記側壁のそれぞれは、前記リード端子が設けられた第１セラミック板部と、前記第１セラミック板部上であって前記第１セラミック板部の外縁の内側に設けられた第２セラミック板部とを有し、前記第１セラミック板部および前記第２セラミック板部は、前記パッケージの３つの前記側壁が位置する３辺に沿ってそれぞれ角において連続しており、隣接する前記第２セラミック板部同士の連続した箇所に、前記第１セラミック板部の連続した箇所の外縁に向かって張り出した張出部が設けられていることを特徴とする。

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素子収納用パッケージの分解斜視図である。図２のＡ部分を拡大した部分拡大図である。

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、ホ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を実装する実装領域Ｒを有する矩形状の板体４と、板体４上に板体４の外縁に沿って設けられ実装領域Ｒを取り囲む４つの側壁５（５ａ、５ｂ）と、４つの側壁５（５ａ、５ｂ）のうち３つの側壁５ｂに外側に向けて設けられたリード端子６と、を有するパッケージ７を備えている。

リード端子６が設けられた側壁５ｂのそれぞれは、リード端子６を設ける第１セラミック板部５ｂｘと、第１セラミック板部５ｂｘ上に第１セラミック板部５ｂｘの外縁の内側に設けられた第２セラミック板部５ｂｙを有している。第１セラミック板部５ｂｘは、パッケージ７の３辺に沿って連続している。第２セラミック板部５ｂｙは、パッケージ７の３辺に沿って連続している。隣接する第２セラミック板部５ｂｙ同士の連続した箇所は、第１セラミック板部５ｂｘの外縁に向かって張り出した張出部８が設けられている。

板体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、板体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。板体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。

また、板体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、板体４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、板体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。

また、板体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。

板体４上に設けられた側壁５は、板体４の実装領域Ｒを取り囲む枠状部材である。枠状部材の４辺のうち、３辺が切り欠かれており、切り欠かれた切欠きＣにリード端子６が取付けられる入出力端子が設けられる。リード端子６が取り付けられない側壁５ａは、板体４と一体となった金属部材であって、平面方向に貫通孔Ｈが形成されている。リード端子６が取り付けられる側壁５ｂは、板体４と一体となった金属部材の部分と、入出力端子の部分とからなる。なお、側壁５ａや金属部材からなる側壁５ｂの一部は、板体４と別体として設けられてもよく、それぞれが銀銅ロウ等のろう材によって接合される。

枠状部材のうち、板体４と一体となった３辺が切りかかれてない部分４Ａ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。かかる部分４Ａ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、部分４Ａ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。部分４Ａ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、枠状部材の切欠きＣを除いた、上下の厚みは、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下に設定されている。また、枠状部材の切欠き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、枠状部材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、側壁５ａの貫通孔Ｈに、外部に設ける光ファイバから伝わる光を側壁５で囲まれる領域にまで通す光透過性部材が設けられる。貫通孔Ｈには、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、側壁５外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。なお、貫通孔Ｈは、パッケージ７の内外で高周波信号が伝送される同軸コネクタが設けられ、同軸コネクタは素子３と電気的に接続されてもよい。パッケージ７は、外部と素子３との間で同軸コネクタを介して高周波信号を入出力することができる。

入出力端子は、枠状部材の切欠きＣに設ける部材である。入出力端子は、複数の絶縁層を積層した構造であって、第１セラミック板部５ｂｘと、第１セラミック板部５ｂｘ上に積層された第２セラミック板部５ｂｙを含んでいる。

第１セラミック板部５ｂｘは、リード端子６が設けられる。第１セラミック板部５ｂｘ上には、リード端子６と電気的に接続されるメタライズ層９が設けられている。メタライズ層９は、第１セラミック板部５ｂｘ上に第２セラミック板部５ｂｙを設けた状態で、平面視して第２セラミック板部５ｂｙを横切ってパッケージ７で囲まれる領域にまで設けられている。なお、メタライズ層９は、例えば、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。

第１セラミック板部５ｂｘ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、第１セラミック板部５ｂｘ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。

第２セラミック板部５ｂｙは、第１セラミック板部５ｂｘ上に、メタライズ層９を横切
って設けられている。第２セラミック板部５ｂｙは、第１セラミック板部５ｂｘよりも幅が小さく、第１セラミック板部５ｂｘ上に設けたときに、パッケージ７外にはリード端子６を設けるメタライズ層９の一端が露出し、パッケージ７内にはメタライズ層９の他端が露出する。そして、パッケージ７内に露出したメタライズ層９が素子３とボンディングワイヤを介して電気的に接続される。その結果、リード端子６と素子３とを電気的に接続することができる。なお、第２セラミック板部５ｂｙは、第１セラミック板部５ｂｘと同様の絶縁材料からなる。また、第２セラミック板部５ｂｙは、隣接する第２セラミック板部５ｂｙの上面にわたって、シールリング１０がろう材を介して接合されるメタライズ層が形成される。

張出部８は、第２セラミック板部５ｂｙ同士の連続した箇所に設けられている。張出部８は、第２セラミック板部５ｂｙの外側面からパッケージ７外に向かって張り出している。張出部８は、第１セラミック板部５ｂｘの外縁と重なる位置まで張り出している。また、張出部８の上部の高さ位置と第２セラミック板部５ｂｙの上部の高さ位置が同じである。張出部８は、第２セラミック板部５ｂｙと一体に設けられており、第２セラミック板部５ｂｙと同一材料からなる。また、張出部８は、隣接する第２セラミック板部５ｂｙの上面にわたって設けられたメタライズ層に連続するメタライズ層が上面に設けられる。

張出部８が設けられている箇所には、第１セラミック板部５ｂｘが延在しており、隣接する第１セラミック板部５ｂｘ同士が連続して接続されている。さらに、隣接する第１セラミック板部５ｂｘ同士が接続された個所上に、張出部８が位置するように設けられている。

ここで、３辺の側壁５ｂに設けられる、第１セラミック板部５ｂｘ、第２セラミック板部５ｂｙ、リード端子６、張出部８およびメタライズ層９を含む入出力端子の作製方法について説明する。

第１セラミック板部５ｂｘ、第２セラミック板部５ｂｙおよび張出部８が、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する。そして、３辺が連続した第１セラミック板部５ｂｘとなるように型抜きされ、未焼成の３辺が連続した第１セラミック板部５ｂｘを準備することができる。さらに、３辺が連続した第２セラミック板部５ｂｙおよび張出部８が一体となるように型抜きされ、未焼成の３辺が連続した第２セラミック板部５ｂｙおよび張出部８を準備することができる。

また、メタライズ層９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３辺が連続した第１セラミック板部５ｂｘの所定箇所に、メタライズパターンを印刷する。

そして、未焼成の３辺が連続した第１セラミック板部５ｂｘ上に、未焼成の３辺が連続した第２セラミック板部５ｂｙおよび張出部８を所定位置に積層する。そして、有機バインダー、可塑剤または溶剤等をタングステンまたはモリブデン等の高融点金属粉末に添加混合した金属ペーストが、未焼成の３辺が連続した第２セラミック板部５ｂｙおよび張出部８の上面にメタライズパターンとして印刷される。

さらに、これらの未焼成の一体ものは、所定の温度で同時に焼成されることによって一体的に形成することができる。さらに、リード端子６を第１セラミック板部５ｂｘ上に露出したメタライズ層９にろう材を介して接続する。このようにして、入出力端子を作製す
ることができる。

リード端子６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６は、ろう材を介してメタライズ層９上に接続される。そして、メタライズ層９とリード端子６とが電気的に接続される。また、隣接するメタライズ層９同士の間を空けて設けることで、隣接するメタライズ層９同士を電気的に絶縁する。そして、各リード端子６を各メタライズ層９に設けることで、隣接するリード端子６同士は、電気的に絶縁されている。また、メタライズ層９は、素子３に設けられた電極と、例えば、ボンディングワイヤによって電気的に接続される。なお、リード端子６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。

また、第２セラミック板部５ｂｙの上面に設けられたメタライズ層を含む、パッケージ７の四つの側壁５上に沿って連続してシールリング１０がろう材を介して設けられている。シールリング１０は、パッケージ７内を覆うように蓋体１１を設けるときに、蓋体１１と接続するものである。なお、シールリング１０は、蓋体１１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１０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１１は、パッケージ７内の素子３を覆うように、シールリング１０上に設けられる。蓋体１１は、パッケージ７で囲まれる領域を気密封止するものである。蓋体１１は、例えば、銅、タングステン、鉄、ニッケル又はコバルト等の金属、或いはこれらの金属を複数種含む合金、或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１１は、シールリング１０上に、例えば半田またはろう材等の接合部材を介して接合される。

パッケージ７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１１をシールリング１０上に設けることで、パッケージ７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１１は、所定雰囲気で、シールリング１０上に載置され、シーム溶接を行なうことによりシールリング１０上に取り付けられる。また、蓋体１１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。

本実施形態に係る素子収納用パッケージ２は、パッケージ７の隣接する第２セラミック板部５ｂｙ同士の連続した箇所に、パッケージ７外に向かって張り出した張出部８が設けられている。素子収納用パッケージ２は、ろう材を介して入出力端子を切欠きＣに接合する際やシールリング１０を側壁５上に接合する際に外部から加えられる熱、また蓋体１１をシールリング１０に接合する際に外部から加えられる熱、および実装される素子３が駆動時に発生する熱によって、それぞれの部材の熱膨張差に起因した熱応力が生じるとともに、この熱応力によって隣接する側壁５ｂ同士のセラミックスから成る箇所に応力が集中する。特に、高周波用の素子収納用パッケージ２は、素子収納用パッケージ２内で発生する高周波にノイズが発生しにくいようにするために、樹脂よりも誘電率の低いセラミック材料をパッケージ７の一部に用いる。そのため、隣接する側壁５ｂ同士のセラミックスからなる箇所に応力が集中してしまう。応力が集中するパッケージ７の角に張出部８を設けることで、パッケージ７の耐久性を向上させることができ、パッケージ７が破壊される虞を低減することができる。その結果、パッケージ７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。

また、本実施形態に係る素子収納用パッケージ２は、張出部８が、第１セラミック板部５ｂｘの外縁と重なる位置まで張り出している。張出部８は、張出部８の外縁が第１セラミック板部５ｂｘの外縁と一致するように設けることで、パッケージ７の角の耐久性を向上させるとともに、素子収納用パッケージ２が必要以上に大型化することがないようにすることができる。

また、本実施形態に係る素子収納用パッケージ２は、張出部８の上部の高さ位置と第２セラミック板部５ｂｙの上部の高さ位置が合っている。張出部８の上部の高さと、第２セラミック板部５ｂｙの上部の高さを一致させるようにすることで、張出部８を大きくし、パッケージ７の角の耐久性を向上させるとともに、シールリング１０または蓋体１１を設けるのに邪魔にならないようにすることができる。また、張出部８は、隣接する第２セラミック板部５ｂｙの上面にわたって設けられたメタライズ層に連続したメタライズ層が上面に設けられることにより、シールリング１０を側壁５ｂに接合する際の余剰のろう材は、張出部８の上面に形成されたメタライズ層に濡れ広がることができる。よって、張出部８は、余剰のろう材によって生じるシールリング１０の傾きや、ろう材の厚さ変動を抑制することができることから、側壁５ｂやろう材、シールリング１０に生じる応力は抑制される。

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を準備する。素子収納用パッケージ２の板体４および側壁５ａと一体となった金属部材の部分は、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、入出力端子の第１セラミック板部５ｂｘのメタライズ層９に、ろう材を介して接続されたリード端子６が取り付けられた側壁５ｂを含む入出力端子は、上述した製造方法を用いて作製することができる。

そして、板体４および側壁５ａを含む金属部材の部分と入出力端子とをろう材を介して接続する。さらに、側壁５ａ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。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に素子３を実装して、素子３の電極とパッケージ７内のメタライズ層９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、素子収納用パッケージ２にシールリング１０および蓋体１１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
４板体
５（５ａ、５ｂ）側壁
５ｂｘ第１セラミック板部
５ｂｙ第２セラミック板部
６リード端子
７パッケージ
８張出部
９メタライズ層
１０シールリング
１１蓋体
Ｒ実装領域
Ｃ切欠き
Ｈ貫通孔

Claims

上面に素子を実装するための実装領域を有する矩形状の板体と、前記板体上に前記板体の外縁に沿って設けられた、前記実装領域を取り囲む４つの側壁と、前記４つの側壁のうち３つの側壁が切り欠かれており、切り欠かれた切欠きに外側に向けて設けられたリード端子とを有したパッケージと、を備え、
前記リード端子が設けられた前記側壁のそれぞれは、前記リード端子が設けられた第１セラミック板部と、前記第１セラミック板部上であって前記第１セラミック板部の外縁の内側に設けられた第２セラミック板部とを有し、前記第１セラミック板部および前記第２セラミック板部は、前記パッケージの３つの前記側壁が位置する３辺に沿ってそれぞれ角において連続しており、
隣接する前記第２セラミック板部同士の連続した箇所に、前記第１セラミック板部の連続した箇所の外縁に向かって張り出した張出部が設けられ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に記載の素子収納用パッケージであって、
前記張出部は、外縁が前記第１セラミック板部の外縁と重なる位置まで張り出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のいずれかに記載の素子収納用パッケージであって、
前記張出部の上部の高さ位置と前記第２セラミック板部の上部の高さ位置とが同じであ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。