JPWO2009110339A1 - デバイスパッケージ、電子モジュール、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

中空構造の内部が減圧されたデバイスパッケージにおいて、比較的低加重でも構造部材間の接合が可能で、生産性、及び気密封止信頼性を向上させること。ベース、キャップ、スペーサが接合することによって形成されたパッケージの中空構造の内部にデバイス素子が配されたデバイスパッケージであって、ベースとスペーサの間、キャップとスペーサの間の接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設された第１接合材料と、ベースとスペーサの間、キャップとスペーサの間の接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設された第２接合材料と、を有する接合材料パターンを備える。中空構造の内部は、減圧されている。第１接合材料と第２接合材料の間の領域に空所を有する（図１）。

Description

［関連出願の記載］
本発明は、日本国特許出願：特願２００８−０５２１６４号（２００８年３月３日出願）の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、中空構造を有するデバイスパッケージに関し、特に、中空構造の内部が減圧され、かつ、気密封止されたデバイスパッケージ、及びこれを用いた電子モジュール、並びに電子機器に関する。

近年では、気密封止が必要とされるデバイスの種類が大幅に増加し、機能も多岐に渡っている。例えば、従来からあるデバイスとしては、水晶振動子、水晶フィルタ、受発光素子などであり、これらは１〜５ｍｍ角程度の小型デバイスが主流である。一方、近年では、マイクロマシン技術を用いた微細な稼動部を有するデバイスが開発されるようになり、プロジェクタ用のミラーアレイデバイスや、赤外線カメラ用の赤外線検出素子アレイデバイスといった、素子がアレイ状に配されているものも開発されており、一つのパッケージサイズが１０ｍｍ角を超える大型のデバイスが現れはじめている。

このようなデバイスを中空構造の内部に気密封止したデバイスパッケージとして、特許文献１では、セラミック基体１１０と、セラミック基体１１０の主面周囲に周状に形成されたメタライズ層１１１と、メタライズ層１１１の上面に形成されるメッキ層１１２と、メッキ層１１２と電子ビームあるいはレーザビームにより接合される金属フタ１０２とからなる電子部品用パッケージ１０１であって、メタライズ層１１１は平坦度が５μｍ以下に平坦化されているものが開示されている（従来例１；図１５参照）。これによれば、メタライズ層１１１の平坦度が５μｍ以下であるので、その上部に形成されるメッキ層１１２表面の平坦度も良好なものとなり、金属フタ１０２との電子ビームあるいはレーザビームを用いた接合の気密歩留まりが向上するとともに、接合の信頼性も向上するとしている。

また、特許文献２では、半導体基板２０２及びこの半導体基板２０２の表面２０２ａから間隔２０３を介して配置されたキャップ基板２０４を備え、半導体基板２０２とキャップ基板２０４との間に、キャップ基板２０４の半導体基板２０２に対向する面２０４ａから突設されたスペーサ２０５と、スペーサ２０５及び半導体基板２０２を接着固定する接着剤層２０６とが設けられている半導体パッケージ２０１が開示されている（従来例２；図１６参照）。これによれば、半導体基板２０２とキャップ基板２０４との間隔２０３を均一に保ち、半導体基板２０２とキャップ基板２０４との間隔２０３を自由に制御した半導体パッケージ２０１の製造を可能にするとしている。

ところで、マイクロマシン技術を用いた微細な稼動部を有するデバイスは、稼動部が空気の影響、例えば、空気抵抗、空気への熱伝導等の影響が、そのデバイスの特性確保に無視できない存在となっている。そこで、稼動部の空気の影響を軽減するために、中空構造の内部を減圧し、高い真空度を有する高気密のパッケージが強く求められるようになっている。

特許第３３７４３９５号公報（図１） 特開２００６−１４７８６４号公報（図１）

なお、上記特許文献１、２の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
しかしながら、中空構造の内部を高真空度に保つと、パッケージの構造部材に大気圧が加わり、構造部材間の接合部に大きな応力が発生する。しかも、パッケージの大型化がこの応力の増加を助長する。そのため、この応力に耐えうる構造、材料を選択することが必須となってくる。ところが、従来例２（図１６参照）のようにスペーサと半導体基板の接合を接着剤を用いた構成では、中空構造の内部を高真空にした大型のパッケージとすると、接着剤の接着強度が不足し、大気圧によって発生する応力に耐えうる接合強度を確保することができないおそれがある。

また、従来例１（図１５参照）の構成において、電子素子部品にマイクロマシン技術で加工されるデバイスを用いる場合、レーザビームや電子ビームなどによる局所的な加熱手段で金属フタとメッキ層を接合させると、デバイス全域に熱が逃げてしまうので、このような局所的な加熱手段を用いることができないおそれがある。つまり、マイクロマシン技術で加工されるデバイスはシリコンウェハ上に形成されるものがほとんどであり、シリコンウェハの熱伝導率は、約１６０Ｗ／ｍ・Ｋである。これは、ＳＵＳのような金属やセラミック材料の約１０倍にもなり、レーザビームや電子ビームなどによる局所的な加熱手段では、シリコンウェハ全域に熱が逃げてしまうため、従来例１で挙げたようなレーザビームや電子ビームなどによる局所的な加熱手段が用いることができなくなるおそれがある。

さらに、中空構造の内部が減圧されたパッケージでは、構造部材間の接合部にクラックが発生した場合、それがたとえ微細なマイクロクラックであったとしても、パッケージ外周から中空構造の内部に至るリークパスができ、デバイスの特性を確保できなくなるおそれがある。特に、大型のパッケージになるほど、接合部への応力の増加が顕著となり、リークパスができやすくなる。このようなリークパスの発生を抑えるために、パッケージ外周方向に接合部を増やすと、パッケージサイズが大きくなるとともに、接合のための加重を更に高くせざるを得ず、これが更に生産性を低める要因となる。

本発明の主な課題は、中空構造の内部が減圧されたデバイスパッケージにおいて、比較的低加重でも構造部材間の接合が可能で、生産性、及び気密封止信頼性を向上させることである。

本発明の一視点においては、複数の部材が接合することによって形成されたパッケージの中空構造の内部にデバイス素子が配されたデバイスパッケージであって、前記複数の部材間の接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する第１接合材料と、前記複数の部材間の接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する第２接合材料と、を有する接合材料パターンを備え、前記中空構造の内部は、減圧されており、前記第１接合材料と前記第２接合材料の間の領域に空所を有することを特徴とする。

本発明によれば、パッケージの接合部の接合強度を保ったまま接合面積を低減させることができるので、製造する際の接合加重を低減させることができ、大型の減圧された気密パッケージにおいても生産性の高い気密構造を実現することができる。また、第１接合材料と第２接合材料の間の領域に空所を設けることで、この空所でクラックの進行を阻止でき、リークパスが発生しにくい気密封止信頼性の高い気密構造を実現することができる。

本発明の実施例１に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。 本発明の実施例１に係るデバイスパッケージの組立前の構成を模式的に示した断面図である。 比較例に係るデバイスパッケージの接合部に発生する応力を説明するための図である。 比較例に係るデバイスパッケージの接合材料に加わる応力分布を模式的に示したグラフである。 本発明の実施例２に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。 本発明の実施例３に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。 本発明の実施例４に係るデバイスパッケージの接合材料のパターンを模式的に示した断面図である。 本発明の実施例４に係るデバイスパッケージの接合材料を模式的に示した領域Ｃの拡大断面図である。 本発明の実施例５に係るデバイスパッケージの接合材料のパターンを模式的に示した断面図である。 本発明の実施例６に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）組立前の断面図、（Ｂ）組立後の断面図である。 本発明の実施例７に係るデバイスパッケージの組立前のベースの構成を模式的に示した断面図である。 本発明の実施例７に係るデバイスパッケージの組立前のベースの構成を模式的に示した領域Ｄの拡大断面図であり、（Ａ）は第１例（Ｂ）第２例である。 本発明の実施例８に係るデバイスパッケージの接合材料及び充填材料のパターンを模式的に示した断面図である。 本発明の実施例９に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した断面図である。 従来例１に係るデバイスパッケージ（電子部品用パッケージ）の構成を模式的に示した断面図である。 従来例２に係るデバイスパッケージ（半導体パッケージ）の構成を模式的に示した断面図である。

符号の説明

１ ベース
１ａ デバイス素子
２ キャップ
３ スペーサ
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ 接合材料（接合材料パターン）
５、５ａ バリア層
６ 充填材料
７ クラック
１２ キャップ
１２ａ 凹部
１０１ セラミックパッケージ
１０２ 金属フタ
１０３ 電子部品素子
１１０ セラミック基体
１１１ メタライズ層
１１２ メッキ層
１１４、１１５ 電極パッド
１１６、１１７ 引出電極
２０１ 半導体パッケージ
２０２ 半導体基板
２０２ａ 半導体基板の表面
２０２ｂ 半導体基板の裏面
２０３ 間隔
２０４ キャップ基板
２０４ａ キャップ基板の半導体基板に対向する側の面
２０５ スペーサ
２０６ 接着剤層
２０７ 機能素子

本発明の実施形態１では、複数の部材（図１のベース１、キャップ２、スペーサ３）が接合することによって形成されたパッケージの中空構造の内部にデバイス素子（図１の１ａ）が配されたデバイスパッケージであって、前記複数の部材間（図１のベース１とスペーサ３の間、キャップ２とスペーサ３の間）の接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設されるとともに、前記複数の部材間（図１のベース１とスペーサ３の間、キャップ２とスペーサ３の間）を接合する第１接合材料（図１の４ａ）と、前記複数の部材間（図１のベース１とスペーサ３の間、キャップ２とスペーサ３の間）の接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されるとともに、前記複数の部材間（図１のベース１とスペーサ３の間、キャップ２とスペーサ３の間）を接合する第２接合材料（図１の４ｂ）と、を有する接合材料パターンを備え、前記中空構造の内部は、減圧されており、前記第１接合材料（図１の４ａ）と前記第２接合材料（図１の４ｂ）の間の領域に空所を有する（形態１）。
さらに、以下の形態も可能である。
前記複数の部材間の接合領域のうち前記第１接合材料と前記第２接合材料の間の領域は、前記複数の部材間の接合領域のうち前記第１接合材料及び前記第２接合材料が配設された領域にかかる応力よりも小さいこと好ましい（形態１−１）。
前記第１接合材料及び前記第２接合材料は、金属材料であること好ましい（形態１−２）。
前記接合材料パターンは、前記第１接合材料と前記第２接合材料の間の領域の空所の一部に前記第１接合材料及び前記第２接合材料のそれぞれと所定の間隔をあけて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する１又は複数の第３接合材料を有し、前記第１接合材料と前記第３接合材料の間、及び前記第２接合材料と前記第３接合材料の間のそれぞれの領域に空所を有すること好ましい（形態１−３）。
前記接合材料パターンは、前記第１接合材料と前記第３接合材料の間の領域の空所の一部に前記第１接合材料及び前記第３接合材料のそれぞれと接続されて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する複数の第４接合材料を有し、前記第１接合材料、前記第３接合材料、及び前記第４接合材料によって囲まれた領域に空所を有すること好ましい（形態１−４）。
前記第１接合材料、前記第３接合材料、及び前記第４接合材料によって囲まれた領域の空所の角部の形状は、円弧状に形成されていること好ましい（形態１−５）。
前記接合材料パターンは、前記第２接合材料と前記第３接合材料の間の領域の空所の一部に前記第２接合材料及び前記第３接合材料のそれぞれと接続されて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する複数の第５接合材料を有し、前記第２接合材料、前記第３接合材料、及び前記第５接合材料によって囲まれた領域に空所を有すること好ましい（形態１−６）。
前記第２接合材料、前記第３接合材料、及び前記第５接合材料によって囲まれた領域の空所の角部の形状は、円弧状に形成されていること好ましい（形態１−７）。
前記第４接合材料及び前記第５接合材料は、パッケージの中央部からの放射線上に少なくとも前記第４接合材料及び前記第５接合材料のいずれか１つが存在しないように配設されていること好ましい（形態１−８）。
前記接合材料パターンは、複数の前記第３接合材料の間の領域の空所の一部に前記第３接合材料のそれぞれと接続されて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する複数の第６接合材料を有し、前記第３接合材料、及び前記第６接合材料によって囲まれた領域に空所を有すること好ましい（形態１−９）。
前記第３接合材料、及び前記第６接合材料によって囲まれた領域の空所の角部の形状は、円弧状に形成されていること好ましい（形態１−１０）。
前記第４接合材料、前記第５接合材料、及び前記第６接合材料は、パッケージの中央部からの放射線上に少なくとも前記第４接合材料及び前記第５接合材料のいずれか１つが存在しないように配設されていること好ましい（形態１−１１）。
前記複数の部材の一方の部材は、前記複数の部材間の接合領域の全領域に接合材料が配設されていること好ましい（形態１−１２）。
少なくとも前記複数の部材と前記接合材料パターンの間に介在したバリア層を備えること好ましい（形態１−１３）。
前記複数の部材間の接合領域の前記空所に充填されるとともに、前記接合材料よりも弾性率の低い材料よりなる充填材料を備えること好ましい（形態１−１４）。
前記充填材料は、金属材料、樹脂材料、及び液体のいずれか一つよりなること好ましい（形態１−１５）。
前記複数の部材は、デバイス素子が形成又は実装されたベースと、前記ベースの前記デバイス素子の外周に配設された枠状のスペーサと、前記スペーサの前記ベース側の反対側に配設されるとともに前記スペーサの内周側の空間を覆うキャップと、を備え、前記第１接合材料は、前記ベースと前記スペーサの間、及び前記スペーサと前記キャップの間のそれぞれの接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設され、前記第２接合材料は、前記ベースと前記スペーサの間、及び前記スペーサと前記キャップの間のそれぞれの接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されていること好ましい（形態１−１６）。
前記複数の部材は、デバイス素子が形成又は実装されたベースと、前記ベース側の面に前記デバイス素子を含む領域に凹部が形成されたキャップと、を備え、前記第１接合材料は、前記ベースと前記キャップの間の接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設され、前記第２接合材料は、前記ベースと前記キャップの間の接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されていること好ましい（形態１−１７）。
本発明の実施形態２では、電子モジュールにおいて、前記デバイスパッケージを備えることを特徴とする（形態２）。
本発明の実施形態３では、電子機器において、前記デバイスパッケージ、又は前記電子モジュールを備えることを特徴とする（形態３）。

本発明の実施例１に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。図２は、本発明の実施例１に係るデバイスパッケージの組立前の構成を模式的に示した断面図である。

デバイスパッケージは、中空構造を有するデバイスパッケージであり、中空構造の内部が減圧され、かつ、気密封止されている。デバイスパッケージは、中空構造の内部にデバイス素子１ａが配されている。デバイスパッケージは、電子モジュールや電子機器に実装される。デバイスパッケージは、ベース１と、デバイス素子１ａと、キャップ２と、スペーサ３と、接合材料４ａ、４ｂと、を有する。

ベース１は、中空構造の内側の領域にデバイス素子１ａが形成された基板である。ベース１は、周縁部（デバイス素子１ａが形成された領域の外周の領域）にて、接合材料４ａ、４ｂを介してスペーサ３と接合している。なお、図１では、ベース１は、シリコン上に直にデバイス素子１ａを形成した例を示しているが、これに限るものではなく、ベース１上にデバイスチップをダイボンディング材等の固定材料を介して実装した構成であってもよい。この場合には、例えば、ガラスやセラミック等をベース１の材料として利用することができる。そのため、ベース１の材料もシリコンに限るものではなく、広範な材料を使用することができる。

デバイス素子１ａは、ベース１の中空構造の内部側に形成された素子である。デバイス素子１ａは、例えば、マイクロマシン技術の一つであるシリコン微細加工技術によってシリコンウェハ上に形成されたセンシングデバイスとすることができ、微細な稼動部をマトリクス状に配置することもできる。デバイス素子１ａのセンシング機能の内容によって要求される中空構造の内部の環境は異なるが、一般的には、空気を含めた気体の空気抵抗、気体への熱伝導がデバイス特性へ影響を与えることが知られており、これらのデバイス素子１ａには減圧による高い真空度が求められている。なお、デバイス素子１ａは、デバイスチップとし、ベース１上にダイボンディング材等の固定材料を介して実装される構成であってもよい。

キャップ２は、中空構造の蓋体である。キャップ２は、周縁部にて、接合材料４ａ、４ｂを介してスペーサ３と接合している。

スペーサ３は、ベース１とキャップ２の間に配された枠状の部材である。スペーサ３は、ベース１側の面にて、接合材料４ａ、４ｂを介してベース１と接合している。スペーサ３は、キャップ２側の面にて、接合材料４ａ、４ｂを介してキャップ２と接合している。

なお、キャップ２、スペーサ３の材料は問わないが、接合部に加わる応力を最小とするには、それぞれの熱膨張係数が近いことが好ましく、より好ましくは、これら全てに同じ材料を用いることである。キャップ２、スペーサ３には、例えば、樹脂、ガラス、金属等を用いることができる。

接合材料４ａ、４ｂは、ベース１とスペーサ３の間、及び、キャップ２とスペーサ３の間を接合させる材料である。接合材料４ａは、スペーサ３の外側周縁部の領域を含むように配された接合材料であり、枠状に配されている。接合材料４ｂは、スペーサ３の内側周縁部の領域を含むように配された接合材料であり、接合材料４ａの内周側にて、接合材料４ａと所定の間隔をあけて枠状に配されている。接合材料４ａと接合材料４ｂの間は空所となっている。接合材料４ａ、４ｂには、例えば、Ａｕをめっき法又は蒸着法により形成したものを用いることができる。なお、比較的低温、低圧で熱圧着できる材料としてＡｕ−Ａｕの接合が一般的に知られており、実績の高い接合材料であることから、接合材料４ａ、４ｂに採用しているが、必ずしもＡｕに限るものではない。

実施例１に係るデバイスパッケージは、図２のように構成した各部品を組み合わせて、減圧チャンバー内で加熱・加圧を行うことによって製造することができる。これにより、中空構造の内部が減圧された気密封止パッケージを得ることができる。なお、接合材料４ａ、４ｂの間の空所についても、中空構造の内部と同様に減圧された雰囲気となっている。

次に、本発明の実施例１に係るデバイスパッケージの接合部に発生する応力について、比較例及び図面を用いて説明する。図３は、比較例に係るデバイスパッケージの接合部に発生する応力を説明するための図である。図４は、比較例に係るデバイスパッケージの接合材料に加わる応力分布を模式的に示したグラフである。

比較例（図３参照）に係るデバイスパッケージは、ベース１とスペーサ３の間、及び、キャップ２とスペーサ３の間の全体に接合材料４を設けたものであり、その他の構成は実施例１（図１参照）と同様である。なお、比較例に係るデバイスパッケージの中空構造の内部は、高真空度に保たれている。このとき、パッケージの外部は大気圧であり、パッケージの外面全域に大気圧が加わる。キャップ２及びベース１は、周縁部にて、スペーサ３によって支えられているため、キャップ２及びベース１には中空構造の内部の空間が狭くなる方向に撓む力が発生する。そして、図３（Ａ）に示すように、接合材料４の接合部内端側の部分では矢印方向の圧縮応力となるモーメント力が加わり、接合材料４の接合部外端側の部分では矢印方向の引張応力となるモーメント力が加わることとなる。そのため、比較例に係るデバイスパッケージのようにベース１とスペーサ３の間、及び、キャップ２とスペーサ３の間の全体に接合材料４を設けた構成では、接合材料４の強度がこれらの応力に耐えられなくなると、接合材料４が破断し、接合材料４の接合部外端から接合部内端にかけてリークパスができてしまい、中空構造の内部に空気がリークして、デバイスの特性確保ができなくなるという不具合が発生する。つまり、比較例（図３（Ａ）参照）のように接合部が１周で構成されていた場合、スペーサ３の外周の引張応力が最大となる箇所にクラックが発生しやすい。一度クラックが発生すると、破壊しない程度の微細なマイクロクラックであっても、クラックは接合材料４の接合部外端から接合部内端へと進行・成長し、リークパスに至る可能性が高い。ベース１とスペーサ３の間、及び、キャップ２とスペーサ３の間の全体に接合材料４が存在すると、クラックが進行することを阻止することができない。

ここで、比較例に係るデバイスパッケージの接合材料４に加わる応力分布は、図４のようになる。横軸は、接合材料４の外端をゼロとし、接合材料４の内端（中空構造の内部側に端部）の接合幅を１ｍｍとしたときの位置を示している。縦軸は、応力指標として、最大応力を引張応力の場合を１、圧縮応力の場合を−１としたときの応力を示している。なお、図４では、熱応力を考慮していない。図４のグラフより、接合部の端部付近（０〜０．２ｍｍ、０．８〜１ｍｍの範囲）に応力が集中しており、０．２〜０．８ｍｍの範囲では応力が急減し、ほとんど応力が加わっていないことがわかる。

そのため、図４のグラフを考察すると、接合材料４ａが０〜０．２ｍｍの範囲、接合材料４ｂが０．８〜１ｍｍの範囲にあれば、十分な接合強度を有するといえる。そのため、実施例１（図１参照）では、圧縮応力及び引張応力が大きく加わる領域にのみ接合材料４ａ、４ｂを配した構造としている。つまり、実施例１では、比較例（図３参照）の接合強度を保つのに、比較例のように接合幅を合計１ｍｍとする必要がなく、合計０．４ｍｍまで低減することが可能である。実施例１の接合面積低減率は、比較例の接合面積の約２／５となり、接合加重も同率で低減させることが可能である。

なお、スペーサ３より外周側及び内周側に接合材料４ａ、４ｂがはみ出した場合、はみ出した部分は接合時の加重に寄与しないことから、はみ出した部分の配置については問わない。例えば、スペーサ３の外周よりもベース１が大きい場合、ベース１上の接合材料４ａはスペーサ３の範囲より大きいサイズとしてもかまわない。これは、図３（Ａ）に示した接合材料４の両端部近傍に配したことに相当する。

実施例１によれば、パッケージの接合部の接合強度を保ったまま接合面積を低減させることができ、製造する際の接合加重を低減させることができる。

また、実施例１によれば、スペーサ３の外側周縁部の領域と内側周縁部の領域にそれぞれ接合材料４ａ、４ｂに分けて配設することで、接合材料４ａ、４ｂの一方にクラックが発生してリークパスができたとしても、接合材料４ａ、４ｂの他方にクラックが進行しないため、リークを阻止できる。そのため、より気密封止信頼性の高い気密パッケージを提供できる。

ここで、接合面積を低減させ、製造する際の接合加重を低減させる趣旨について説明する。

従来例１（図１５参照）では、金属フタとメッキ層を接合させる手段としてレーザビームや電子ビームなどによる局所的な加熱手段を用いているが、電子素子部品にマイクロマシン技術で加工されるデバイスを用いる場合、デバイス全域に熱が逃げてしまうということは、［発明が解決しようとする課題］で説明した。このような課題を解決するべく、接合材料に金属材料を用い、ウェハまたは個片化されたベース基板、若しくはキャップ部品の少なくともどちらか一方の全面を加熱しつつ、加圧することによって金属接合する「熱圧着工法」が有望視されており、パッケージサイズが５ｍｍ角程度以下のものについては実用化が検討されている。

しかしながら、パッケージサイズが１０ｍｍ角を超えるような大型パッケージにおいて、大気圧によって発生する応力の大きさに耐えうる接合強度を得るためには、接合幅をそれに対応した幅とする必要があり、この接合面積の増大化に伴い、多大な加圧力が必要となることが課題となっている。

具体例を挙げて説明すると、比較的低圧・低温で接合でき、接合信頼性も高い接合材料としてＡｕ−Ａｕの熱圧着接合が一般的に利用されているが、２００〜３００℃の加熱温度で接合に必要とされる加重は、３００ＭＰａ程度必要である。例えば、パッケージサイズが１７ｍｍ角、接合材料をＡｕ−Ａｕとした場合、大気圧に絶えうる接合幅は、安全率を２倍としたシミュレーションによる計算値では、パッケージ外周に約１ｍｍの接合幅が必要とされ、この場合の接合に必要な加圧力は、約１．９ｔとなる。なお、このシミュレーションで使用した材料物性は、ベース１、キャップ２及びスペーサ３の全てをシリコンの物性値とした。このようなパッケージが多面取りされたウェハ同士の接合を行う場合には、数十ｔもの加圧力が必要であり、真空雰囲気中で、しかも高精度に搭載する装置を実現することは非常に困難であり、もし可能であったとしても大型で高価な設備となることが容易に想定される。

そこで、低加重化を図るには接合面積を低減する必要があるが、接合幅を狭くした場合には、幅が狭まることによって、低減した面積以上に前述したモーメントが大きくなり、著しく接合強度が低下する。そのため、熱圧着工法を大型のパッケージに適用する際においては、如何に接合強度を保ったまま接合面積を低減させるかが大きな課題と言える。その点、実施例１では、大型のパッケージの接合部の接合強度を保ったまま接合面積を低減させることができ、製造する際の接合加重を低減させることに成功している。

本発明の実施例２に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図５は、本発明の実施例２に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。

実施例２では、気密封止に対する信頼性を更に高めるために、接合材料４ａと接合材料４ｂの間の空所に、接合材料４ａ、４ｂと分離した接合材料４ｃを配設したものである。その他の構成は、実施例１と同様である。

接合材料４ｃは、ベース１とスペーサ３の間、及び、キャップ２とスペーサ３の間を接合させる材料である。接合材料４ｃは、接合材料４ａと接合材料４ｂの間の領域の一部に配された接合材料であり、接合材料４ａ及び接合材料４ｂのそれぞれと所定の間隔をあけて枠状に配されている。接合材料４ｃと接合材料４ａの間、及び接合材料４ｃと接合材料４ｂの間は空所となっている。接合材料４ｃは、接合材料４ａ、４ｂと同様な材料を用いることができる。

実施例２によれば、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの分割数を高めて配置することで、リークパスの発生リスクを飛躍的に低減させることができる。また、接合材料４ｃを応力がほとんど発生しない領域（図３の０．４〜０．６ｍｍに相当）へ配置したことによってクラックの発生リスクも低減しており、気密封止信頼性を大幅に高めることができる。

本発明の実施例３に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施例３に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）断面図、（Ｂ）Ｘ−Ｘ´間の断面図である。

実施例３では、実施例２のキャップ（図５の２）とスペーサ（図５の３）を一体化したキャップ１２を用い、実施例２のキャップ（図５の２）とスペーサ（図５の３）の間の接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを省略したものである。その他の構成は、実施例２と同様である。

キャップ１２は、中空構造の蓋体である。キャップ１２は、ベース１側の面に、デバイス素子１ａを含む領域に凹部１２ａが形成されている。キャップ１２は、凹部１２ａの外周にある突出部の面にて、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを介してベース１と接合している。

実施例３によれば、部品の加工性、価格等が許容できる範囲でリークパスが発生する可能性がある接合箇所を減らすことで、リークリスクを低減させることができる。

なお、図６では実施例２のキャップ（図５の２）とスペーサ（図５の３）を一体化した例を示しているが、この他にもベース（図５の１）とスペーサ（図５の３）を一体化した構成とすることができる。この場合も、接合箇所が減少し、リークリスクを低減させることができる。

本発明の実施例４に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図７は、本発明の実施例４に係るデバイスパッケージの接合材料のパターンを模式的に示した断面図である。図８は、本発明の実施例４に係るデバイスパッケージの接合材料のを模式的に示した領域Ｃの拡大断面図である。なお、図７は、図５（Ｂ）、図６（Ｂ）に対応する断面図である。

実施例４では、実施例２（図５（Ｂ）参照）及び実施例３（図６（Ｂ）参照）の接合材料４ａと接合材料４ｃの間の領域の一部に接合材料４ａと接合材料４ｃを接続する複数の接合材料４ｄを設け、接合材料４ｂと接合材料４ｃの間の領域の一部に接合材料４ｂと接合材料４ｃを接続する複数の接合材料４ｅを設けたものである。その他の構成は実施例２、３と同様である。

接合材料４ｄは、接合材料４ａと接合材料４ｃの間の領域の一部に配された接合材料である。接合材料４ｄは、接合材料４ａ及び接合材料４ｃの間の空所を複数に仕切る。接合材料４ｄは、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃと同様な材料を用いることができる。

接合材料４ｅは、接合材料４ｂと接合材料４ｃの間の領域の一部に配された接合材料である。接合材料４ｅは、接合材料４ｂ及び接合材料４ｃの間の空所を複数に仕切る。接合材料４ｅは、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃと同様な材料を用いることができる。

接合材料４ｅと接合材料４ｄの位置について、パッケージの中央部（応力の発生中心）からの放射線Ｌ上、すなわち応力によりクラックが進行するルート上に接合材料４ｅと接合材料４ｄの両方が存在しないように設けられている。このようにすることで、例えば、図８のように接合部外端側からクラック７が進行しても、接合材料４ａ、４ｄ、４ｃにクラック７が発生するだけで、接合材料４ｅ、４ｂにクラックが発生しないようにすることができる。

実施例４によれば、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅが配された領域内の空所の分割数が高まり、劇的なリークリスク低減が期待できる。また、パッケージの中央部からの放射線Ｌ上に接合材料４ｅと接合材料４ｄの両方が存在しないように構成することで、接合部外端側から接合部内端側に通ずるクラックの発生を阻止することができる。

本発明の実施例５に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図９は、本発明の実施例５に係るデバイスパッケージの接合材料のパターンを模式的に示した断面図である。

実施例５では、実施例４（図７参照）の接合材料４ａ、４ｄ、４ｃに囲まれた空所、及び接合材料４ｂ、４ｅ、４ｃに囲まれた空所の角部の形状を円弧状としたものである。その他の構成は実施例４と同様である。

実施例５によれば、接合材料４ａ、４ｄ、４ｃに囲まれた空所、及び接合材料４ｂ、４ｅ、４ｃに囲まれた空所の角部の形状を円弧状とすることで、角部に応力が集中することを抑制することができる。

本発明の実施例６に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図１０は、本発明の実施例６に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した（Ａ）組立前の断面図、（Ｂ）組立後の断面図である。

実施例１〜５では、各部材の接合領域の全て、すなわちベース１とスペーサ３の接合領域ではベース１とスペーサ３の接合領域の双方、キャップ２とスペーサ３の接合領域ではキャップ２とスペーサ３の双方の接合領域に、同じ形状の接合材料４ａ、４ｂ（実施例２〜５については４ｃ、実施例４、５については４ｄを含む）を配置しているが、実施例６では、ベース１とスペーサ３の接合領域を異なる形状とし、キャップ２とスペーサ３の接合領域を異なる形状としたものである。その他の構成は、実施例１と同様である。

デバイスパッケージの組立前の段階で、例えば、図１０（Ａ）のように、ベース１の接合領域に実施例２と同様な接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを配設しておき、スペーサ３の両面の接合領域の全領域に接合材料４を配設しておき、キャップ２の接合領域に実施例２と同様な接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを配設しておき、その後、図１０（Ｂ）のように組み立てる。

なお、図１０では、ベース１及びキャップ２の接合領域に接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを配設した構成とし、かつ、スペーサ３の両面の接合領域の全領域に接合材料４を配設した構成としているが、ベース１及びキャップ２の両方又は一方の接合領域の全領域に接合材料４を配設した構成とし、スペーサ３の両面又は片面の接合領域に接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを配設した構成としてもよい。つまり、接合部における２つの部材の一方に接合材料４ａ、４ｂ、４ｃを配設した構成としておくだけでよい。ただし、この場合において、接合時の加熱・加圧により接合材料４ａ、４ｂ、４ｃが変形して潰れた場合においても、接合部の範囲にある空所が完全になくならないよう、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの厚みを厚くするなどによって空所を確保するようにする。

実施例６によれば、図１０（Ｂ）に示すように接合部の範囲にクラックの進行を阻止する空所を確保することができることから、実施例１〜５と同様な効果が期待できる。

本発明の実施例７に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図１１は、本発明の実施例７に係るデバイスパッケージの組立前のベースの構成を模式的に示した断面図である。図１２は、本発明の実施例７に係るデバイスパッケージの組立前のベースの構成を模式的に示した領域Ｄの拡大断面図であり、（Ａ）は第１例（Ｂ）第２例である。

実施例７では、ベース１と接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの間にバリア層５を配設したものである。このようなバリア層５を配設したベース１を用いて実施例２（図５参照）のようにデバイスパッケージが組み立てられる。その他の構成は、実施例２と同様である。

実施例７においては、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃとしてＡｕを用いているが、めっきや蒸着法による膜形成では、原理的及びコスト的に１μｍ以下の薄膜で用いることが一般的である。ベース１とスペーサ（図５の３）の接合部において、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ間にクラックの進行を阻止する空所を確保することがＡｕのみの厚みでは困難な場合には、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの下地としてバリア層５を配設することで厚みを確保することができる。

バリア層５については、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの下層に存在すれば特に配置上の制約はなく、図１２（Ａ）のように接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの下部だけに形成した構造にしたり、図１２（Ｂ）のように接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの下部を含めた領域に形成した構造としてもよい。バリア層５には、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ及びベース１の密着性を有する材料を用いることが好ましく、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ等を用いることができ、複数の材料によって多層構造としてもかまわない。

なお、図１２ではベース１と接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの間にバリア層５を配設した構成を示しているが、これに限るものではなく、スペーサ（図５の３）と接合材料（図５の４ａ、４ｂ、４ｃ）の間にバリア層を配設したり、キャップ（図５の２）と接合材料（図５の４ａ、４ｂ、４ｃ）の間にバリア層を配設することも可能である。

実施例７によれば、実施例２と同様な効果を奏するとともに、バリア層５を配設することで、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ間にクラックの進行を阻止する空所を確保することが接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの厚みのみでは困難な場合にベース１とスペーサ（図２の３）の間の厚みを確保することができる。

本発明の実施例８に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図１３は、本発明の実施例８に係るデバイスパッケージの接合材料及び充填材料のパターンを模式的に示した断面図である。

実施例１〜７では、接合領域の接合材料４ａ、４ｂ、４ｃによって囲まれた空所に故意に材料を含めない構造とし、中空構造の内部と同等の減圧環境としているが、実施例８では、接合領域の接合材料４ａ、４ｂ、４ｃによって囲まれた空所（デバイス素子が配される中空構造の内部を除く）に、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃとは別の充填材料６を充填したものである。その他の構成は、実施例２と同様である。

充填材料６を接合材料４ａ、４ｂ、４ｃによって囲まれた空所に充填する主な目的は、気密性の更なる向上である。特に、本発明は、接合加重の低減を目的としてなされたものであるため、充填材料６の弾性率は、接合時の温度域において接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの弾性率よりも低いことが必要とされる。ただし、充填材料６の材料を特定するものではなく、例えば、樹脂材料が好適に利用できる。樹脂材料は、接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ（例えば、Ａｕ）に対して十分やわらかいため、樹脂材料が介在することによってクラックの進行を阻止する機能を損ねることはなく、更に接着機能を持たせておくことで接合材料４ａ、４ｂ、４ｃの接合を補助する機能を持たせる効果も期待できるとともに、空所に充填された樹脂材料自体によってリークパスを塞ぐ効果をも期待できる。充填材料６には、樹脂材料の他にも、金属材料も利用できる。接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ（例えば、Ａｕ）よりも柔らかい金属材料、例えば、インジウムなどの金属を予め接合材料４ａ、４ｂ、４ｃ間にめっき法等によって形成しておくことによって、先の樹脂材料よりも高い接合強度の補助効果が期待できる。また、充填材料６は、リークパスを塞ぐ効果のみを期待する場合には、液体材料、例えば、粘性流体を用いることができる。液体材料の分子は、気体の分子よりも大きいことから、気体しか通らないような極微細なリークパスに対して特に有効にリークを防止できる。

本発明の実施例９に係るデバイスパッケージについて図面を用いて説明する。図１４は、本発明の実施例９に係るデバイスパッケージの構成を模式的に示した断面図である。

実施例１〜８では個片のデバイスパッケージを示しているが、実施例９では、これら個片のデバイスパッケージを複数繋げて多面取りしてウェハ状に構成したものである。その他の構成は実施例１〜８と同様である。

実施例９によれば、多数個のパッケージを一括して接合することが可能であり、生産性の面で有利となる。これら一括して接合したものを、ダイサーなどの分割装置によって図の破線部で切断することにより、これまでに示した個片のパッケージと同等の高気密なデバイスパッケージを得ることができる。

以上、本発明の種々実施例について述べてきたが、本名発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲でさらに多くの改変を施し得るのは言うまでも無いことである。

Claims (20)

1. 複数の部材が接合することによって形成されたパッケージの中空構造の内部にデバイス素子が配されたデバイスパッケージであって、
   前記複数の部材間の接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する第１接合材料と、
   前記複数の部材間の接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する第２接合材料と、
   を有する接合材料パターンを備え、
   前記中空構造の内部は、減圧されており、
   前記第１接合材料と前記第２接合材料の間の領域に空所を有することを特徴とするデバイスパッケージ。
2. 前記複数の部材間の接合領域のうち前記第１接合材料と前記第２接合材料の間の領域は、前記複数の部材間の接合領域のうち前記第１接合材料及び前記第２接合材料が配設された領域にかかる応力よりも小さいことを特徴とする請求項１記載のデバイスパッケージ。
3. 前記第１接合材料及び前記第２接合材料は、金属材料であることを特徴とする請求項１又は２記載のデバイスパッケージ。
4. 前記接合材料パターンは、前記第１接合材料と前記第２接合材料の間の領域の空所の一部に前記第１接合材料及び前記第２接合材料のそれぞれと所定の間隔をあけて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する１又は複数の第３接合材料を有し、
   前記第１接合材料と前記第３接合材料の間、及び前記第２接合材料と前記第３接合材料の間のそれぞれの領域に空所を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
5. 前記接合材料パターンは、前記第１接合材料と前記第３接合材料の間の領域の空所の一部に前記第１接合材料及び前記第３接合材料のそれぞれと接続されて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する複数の第４接合材料を有し、
   前記第１接合材料、前記第３接合材料、及び前記第４接合材料によって囲まれた領域に空所を有することを特徴とする請求項４記載のデバイスパッケージ。
6. 前記第１接合材料、前記第３接合材料、及び前記第４接合材料によって囲まれた領域の空所の角部の形状は、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項５記載のデバイスパッケージ。
7. 前記接合材料パターンは、前記第２接合材料と前記第３接合材料の間の領域の空所の一部に前記第２接合材料及び前記第３接合材料のそれぞれと接続されて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する複数の第５接合材料を有し、
   前記第２接合材料、前記第３接合材料、及び前記第５接合材料によって囲まれた領域に空所を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
8. 前記第２接合材料、前記第３接合材料、及び前記第５接合材料によって囲まれた領域の空所の角部の形状は、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項７記載のデバイスパッケージ。
9. 前記第４接合材料及び前記第５接合材料は、パッケージの中央部からの放射線上に少なくとも前記第４接合材料及び前記第５接合材料のいずれか１つが存在しないように配設されていることを特徴とする請求項７又は８記載のデバイスパッケージ。
10. 前記接合材料パターンは、複数の前記第３接合材料の間の領域の空所の一部に前記第３接合材料のそれぞれと接続されて配設されるとともに、前記複数の部材間を接合する複数の第６接合材料を有し、
    前記第３接合材料、及び前記第６接合材料によって囲まれた領域に空所を有することを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
11. 前記第３接合材料、及び前記第６接合材料によって囲まれた領域の空所の角部の形状は、円弧状に形成されていることを特徴とする請求項９記載のデバイスパッケージ。
12. 前記第４接合材料、前記第５接合材料、及び前記第６接合材料は、パッケージの中央部からの放射線上に少なくとも前記第４接合材料及び前記第５接合材料のいずれか１つが存在しないように配設されていることを特徴とする請求項１０又は１１記載のデバイスパッケージ。
13. 前記複数の部材の一方の部材は、前記複数の部材間の接合領域の全領域に接合材料が配設されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
14. 少なくとも前記複数の部材と前記接合材料パターンの間に介在したバリア層を備えることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
15. 前記複数の部材間の接合領域の前記空所に充填されるとともに、前記接合材料よりも弾性率の低い材料よりなる充填材料を備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
16. 前記充填材料は、金属材料、樹脂材料、及び液体のいずれか一つよりなることを特徴とする請求項１５記載のデバイスパッケージ。
17. 前記複数の部材は、
    デバイス素子が形成又は実装されたベースと、
    前記ベースの前記デバイス素子の外周に配設された枠状のスペーサと、
    前記スペーサの前記ベース側の反対側に配設されるとともに前記スペーサの内周側の空間を覆うキャップと、
    を備え、
    前記第１接合材料は、前記ベースと前記スペーサの間、及び前記スペーサと前記キャップの間のそれぞれの接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設され、
    前記第２接合材料は、前記ベースと前記スペーサの間、及び前記スペーサと前記キャップの間のそれぞれの接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
18. 前記複数の部材は、
    デバイス素子が形成又は実装されたベースと、
    前記ベース側の面に前記デバイス素子を含む領域に凹部が形成されたキャップと、
    を備え、
    前記第１接合材料は、前記ベースと前記キャップの間の接合領域の外側周縁部の領域を含むように配設され、
    前記第２接合材料は、前記ベースと前記キャップの間の接合領域の内側周縁部の領域を含むように配設されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一に記載のデバイスパッケージ。
19. 請求項１乃至１８のいずれか一に記載のデバイスパッケージを備えることを特徴とする電子モジュール。
20. 請求項１乃至１８のいずれか一に記載のデバイスパッケージ、又は請求項１９記載の電子モジュールを備えることを特徴とする電子機器。

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