JP6010394B2

JP6010394B2 - 電子素子収納用パッケージおよび電子装置

Info

Publication number: JP6010394B2
Application number: JP2012190465A
Authority: JP
Inventors: 植田　義明; 義明植田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: JP2014049562A

Description

本発明は、電子素子を気密に収容する電子素子収納用パッケージならびに電子装置に関するものである。

電子素子を用いた電子装置の一例を、図５に断面図で示す。図５に示すものは、赤外線を検出する赤外線検出素子２３を収納した赤外線検出装置と呼ばれる電子装置である（例えば、特許文献１参照）。従来の赤外線検出装置は、基体２１と窓板２２とで構成されており、直方体形状に形成されている。

基体２１は、容器の内部と外部を電気的に接続する経路を設けるための積層セラミック、パターン、スルーホールで構成されている、例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体から成るセラミックパッケージである。

基体２１は、側壁２１ａを有しており、側壁２１ａにより形成される開口部内に赤外線を検出する赤外線検出素子２３が受光面２３ａを上側にして配設される。赤外線検出素子２３は、基体２１の凹部内側に接着もしくは半田で接合される。

また、側壁２１ａの内面には、段差が設けられており、その段差部分にある配線導体２４と赤外線検出素子２３とを接続するボンディングワイヤ２５が配設される。

平板形状の窓板２２は、赤外線を透過する、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）やシリコン（Ｓｉ）により形成され、例えば半田等の窓接合材２７を用いて基体２１の側壁２１ａに接合されることによって基体２１の凹部開口部を封止する。窓板２２は赤外線検出素子２３の受光面２３ａに対向する位置に配置される。

特開２００３−２５４８２０号公報

従来の赤外線検出装置では、基体２１の開口部を全て覆うように大きなゲルマニウムまたはシリコンから成る窓板２２を接合している。しかしながら、電子装置の製造工程において、窓接合材２７の濡れ方や流れ方が一定せず、窓接合材２７の厚さや窓接合材２７中のボイドの発生状況にバラツキが生じ、電子装置の気密性にバラツキが生じていた。

窓接合材２７が薄い部分では剥がれやすくなり気密性が低下する。窓接合材２７が厚い部分ではボイドが発生しやすくなる。窓接合材２７の熱膨張や熱収縮に起因して生じる応力が増加すると、ボイドを起点として窓接合材２７にクラックが生じ、接合材が剥がれたりするという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑み案出されたもので、その目的は、窓板の接合性を改善するとともに、電子装置の気密性を向上することができる電子素子収納用パッケージおよび電子装置を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る電子素子収納用パッケージは、上面に電子素子を収容するための凹部が形成された、形状が多角形の基体と、この基体の前記凹部の周囲に窓接合材を介して接合されて前記凹部を気密封止する、主面の形状が多角形の窓板とを具備しており、この窓板は前記主面の外周部を周回している金属層を有し、この金属層は、前記主面の外周に沿うとともに角部において前記主面の角から離れて形成され、前記角部に厚みが薄い薄肉部を有しており、前記窓板の角を前記基体の角に合わせて、前記金属層が前記窓接合材によって前記凹部の周囲に接合されることを特徴とする。

また、上記電子素子収納用パッケージにおいて、前記金属層の前記角部は、前記主面の角を挟む２辺のうちの１辺から他の１辺にかけて直線的に配置されているのが好ましい。

本発明の一実施形態に係る電子装置は、上記電子素子収納用パッケージと、前記凹部に収容された電子素子と、前記凹部の周囲に前記金属層が前記窓接合材によって接合されて前記凹部を気密封止した前記窓板とを具備する。

本発明の一実施形態に係る電子素子収納用パッケージは、上面に電子素子を収容するための凹部が形成された、形状が多角形の基体と、この基体の凹部の周囲に窓接合材を介して接合されて凹部を気密封止する窓板とを具備している。この窓板は、主面の形状が多角形であり、主面の外周部を周回している金属層を有している。そしてこの金属層は、窓板の主面の外周に沿うとともに角部において主面の角から離れて形成されているとともに、角部に厚みが薄い薄肉部を有しており、前記窓板の角を前記基体の角に合わせて、前記金属層が前記窓接合材によって前記凹部の周囲に接合されることから、基体の角と窓板の角との間に空隙が設けられるとともに、薄肉部に接合される窓接合材の厚さを他の部位の金属層の厚さより厚くすることができる。その結果、電子装置を外部回路基板に実装する際に、電子装置の接続部に加えられる熱が基体から窓板の角に伝わり難くなり、窓板の角に生じる熱応力が低減される。また、基体の変形によって加えられる窓板の角への応力が低減される。さらに、基体と窓板と金属層との熱膨張係数の違いによって生じ、主面の隣接する２辺に挟まれた薄肉部に生じる熱応力を薄肉部に設けられる窓接合材で吸収することができる。

この場合において、金属層の角部が、主面の角を挟む２辺のうちの１辺から他の１辺にかけて直線的に配置されていると、薄肉部に設けられる窓接合材の外周部および内周部は直線状となり、基体と窓板と金属層、窓接合材との熱膨張係数差に起因して生じる熱応力が、薄肉部に設けられる窓接合材の一部に集中することが抑制される。その結果、熱応力が薄肉部に設けられる窓接合材の一部に集中することによって生じる、基体へのクラックや金属層の剥がれを抑制することができる。

また、本発明の一実施形態に係る電子装置は、上記いずれかに記載の電子素子収納用パッケージと、凹部に収容された電子素子と、前記凹部の周囲に前記金属層が前記窓接合材によって接合されて凹部を気密封止した窓板とを具備することから、窓板の接合不良を低減し、電子装置の気密性を向上させることができる。

［図１］本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す分解斜視図である。
［図２］本発明の電子素子収納用パッケージの窓板の実施の形態の一例を示す下面斜視図である。
［図３］（ａ）は本発明の電子素子収納用パッケージの窓板の実施の形態の一例を示す下面図、（ｂ）は本発明の電子素子収納用パッケージの基体の実施の形態の一例を示す上面図である。
［図４］本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す外観斜視図である。
［図５］従来の電子装置の例を示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電子素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージともいう）ならびに電子装置について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る電子装置の分解斜視図である。図２は図１の窓板２を下面側から見た斜視図である。また、図３（ａ）は電子素子収納用パッケージの窓板２の実施の形態の一例を示す下面図、図３（ｂ）は電子素子収納用パッケージの基体１の実施の形態の一例を示す上面図であり、図４は電子装置の実施の形態の一例の外観を示す斜視図である。なお判りやすくするため、図１，図２，図３において金属層部分にハッチングを付した。したがって、これらは断面を示すものではない。

本発明の一実施形態に係る電子装置１０に用いられる窓板２は、主面が多角形の形状を有する。例えば、主面形状は四角形である。この他、三角形や五角形等の奇数角形および六角形、八角形等の偶数角形であってもよい。以下、図１，図２，図３（ａ）に示すように、主面形状が正方形の場合を例として説明する。

窓板２は、赤外線や可視光線等に対して透明な、例えば、単結晶のシリコン（Ｓｉ）板、単結晶のゲルマニウム（Ｇｅ）板、ガラスや無機結晶板、合成樹脂板等から成る。そして、窓板２の四辺に沿う主面（下面）外周部には金属層３が形成されて窓板２の外周部を周回している。窓板２の角２ａ部においては、金属層３の角部３ａが、窓板２の角２ａから離れるように形成されている。また、金属層３の角部３ａには、周回方向の一部または全部に厚みが薄い薄肉部３ｂが形成されている。金属層３の厚みは、例えば薄肉部３ｂにおいて２５μｍ〜５００μｍであり、その他の金属層３部分においては５０μｍ〜１０００μｍとされている。

金属層３は、窓板２の下面の周囲に形成され、例えば、チタン、チタン−タングステン、窒化タンタルの少なくとも１種から成る第１層と、白金、ニッケル、ニッケル−クロムの少なくとも１種から成る第２層と、金、白金、銅の少なくとも１種から成る第３層とを順次積層した３層構造を有する。そして、窓板２は、金属層３を介して基体１の凹部１ａの周囲にロウ材によって接合される。

金属層３の厚みが薄い薄肉部３ｂは上記の金属層を被着する回数を少なくすることによって形成できる。例えば、金属層３の積層工程ごとに薄肉部３ｂにマスキングを施して金属層３の形成部分に金属を被着させ、次に、マスキングを除去し、または位置を変えて更に被着させ、以下各層ごとに順次繰り返すことによって、薄肉部３ｂを有する金属層３を形成できる。このように形成すれば、薄肉部３ｂの厚みは、それ以外の金属層３の厚みの半分ほどとすることができる。

このようにして作製した窓板２の金属層３部分が、金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀−錫ロウ等のロウ材や樹脂接着剤を介して基体１の上面に接合される。基体１は、上面中央部に電子素子４を収容する凹部１ａが形成されている。凹部１ａの周囲に窓板２を接合することによって、凹部１ａ内が気密に封止され、電子素子４が凹部１ａ内に気密に収納される。

基体１は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）質セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質セラミックス，ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質セラミックス等、若しくは樹脂やガラス等から成る。金属を用いてもよい。

基体１がセラミックスから成る場合、基体１への配線導体５の形成の自由度が高い電子素子収納用パッケージとすることができる。すなわち、電子素子４の電極の位置、パッケージを外部電気回路基板と接続するための接続部の位置等に応じて、基体１に配線導体５を引き回すことができ、配線導体５の設計の自由度が高いパッケージとすることができる。また、セラミックパッケージはパッケージの寸法精度の観点からも好ましい。

基体１の上面の凹部１ａ周囲には、タングステン，モリブデン，マンガン等から成るメタライズ金属層１ｂが被着形成されている。また、好ましくは、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金や鉄−ニッケル合金等の金属から成る金属枠体（図示せず）をメタライズ金属層１ｂに接合しておくのがよい。

そして、メタライズ金属層１ｂまたは金属枠体と窓板２の金属層３とがロウ材または樹脂接着剤を介して接合され、基体１に窓板２が接合される。このとき、金属層３に薄肉部３ｂが設けられていることにより、薄肉部３ｂにおいてロウ材または接着剤の厚みが厚くなる。ロウ材の厚みは、薄肉部３ｂにおいて５０μｍ〜１０７５μｍであり、薄肉部３ｂでない金属層３部分において２５μｍ〜１００μｍである。

これによって、基体１の角と窓板２の角２ａとの間に空隙が設けられるとともに、薄肉部３ｂに設けられる窓接合材の厚さを他の金属層３に設けられる窓接合材の厚さより厚くすることができる。その結果、電子装置１０を外部回路基板に実装する際に、電子装置１
０の接続端子となる配線導体５に加えられる熱が基体１から窓板２の角２ａに伝達され難くなり、窓板２の角に生じる熱応力が低減される。また、基体１の変形によって加えられる窓板２の角２ａへの応力が低減される。さらに、基体１と窓板２と金属層３との熱膨張係数の違いによって生じ、主面の隣接する２辺に挟まれた薄肉部３ｂに生じる熱応力を薄肉部３ｂに設けられる窓接合材で吸収することができる。この場合も、窓板２の角２ａを基体１の角に合わせることによって、窓板２の位置合わせを容易にすることができる。

図２，図３（ａ）に示すように、金属層３の角部３ａは、窓板２の角２ａを挟む２辺のうちの１辺から他の一辺にかけて直線的に配置するのがよい。これによって、薄肉部３ｂに設けられる窓接合材の外周部および内周部は直線状となり、基体１と窓板２と金属層３、窓接合材との熱膨張係数差に起因して生じる熱応力が、薄肉部３ｂに設けられる窓接合材の一部に集中することが抑制される。その結果、熱応力が薄肉部３ｂに設けられる窓接合材の一部に集中することによって生じる、基体１へのクラックや金属層３の剥がれを抑制することができる。

なお、角部３ａの全部が薄肉部３ｂでない場合、薄肉部３ｂを角部３ａの中央部に設けるのがよい。この場合、薄肉部３ｂにおける窓接合材と金属層３との接合界面が、金属層３の一辺と角部３ａとの間に位置する角より薄肉部３ｂ側に設けられることから、金属層３の一辺と角部３ａとの間に位置する角に生じる応力と、薄肉部３ｂにおける窓接合材と金属層３との接合界面で生じる応力とが一部に重ならず、分散させることができる。その結果、金属層３の一辺と角部３ａとの間に位置する角や、薄肉部３ｂにおける窓接合材と金属層３との接合界面を起点とした基体１へのクラックや金属層３および窓接合材の剥がれを抑制することができる。

電子素子４として赤外線検出素子または赤外線発光素子等が用いられる場合、窓板２は、単結晶のシリコンまたは単結晶のゲルマニウムから成るものが好適に用いられる。窓板２は単結晶基板であるため結晶粒界がなく、結晶粒界に含まれる不純物による光拡散が生じない。したがって、窓板２を透過する赤外光がパッケージ外部から内部、またはパッケージ内部から外部へ窓板２を効率的に透過することができる。また、窓板２の光が入射する主面に予め無反射コートを被着させることにより、窓板２の表面で反射する光を低減させることができる。

また、電子素子４として可視光領域の素子が用いられる場合、窓板２には非晶質ガラス，サファイア，アクリル樹脂やエポキシ樹脂等から成るものが用いられる。この場合も、窓板２の光が入射する主面に予め無反射コートを被着させることにより、窓板２表面で反
射する光を低減させることができる。

次に、電子素子収納用パッケージの各部形成方法の一例について説明する。

基体１が、例えば、アルミナ質セラミックスから成る場合、以下のようにして作製される。他のセラミックスからなる場合も、同様に周知の方法によって形成することができる。

まず、アルミナ，酸化珪素（ＳｉＯ_２），酸化カルシウム（ＣａＯ），酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダや可塑剤，分散剤，溶剤等を添加混合して泥漿状となす。これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法でシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得る。

次に、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し凹部１ａ等となる打ち抜き部を形成する。そして、凹部１ａの内面に配線導体５となるタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）等の金属粉末に適当なバインダ，溶剤を混合してなる導体ペーストを、セラミックグリーンシートの所定位置にスクリーン印刷法等によって所定パターンに印刷塗布する。このようにして、凹部１ａの内面に配線導体５となる導体ペースト層を形成する。そして、これらの打ち抜き部と導体ペースト層が形成されたセラミックグリーンシートを積層し、還元雰囲気中で約１６００℃の温度で焼成することによってメタライズ金属層から成る配線導体５が形成されたセラミック製の基体１が製作される。

また、セラミックスから成る基体１において、窓板２の接合部および必要に応じて電子素子４の搭載部には、配線導体５と同様のタングステン，モリブデン，マンガン等から成るメタライズ金属層を被着形成しておくのがよい。これにより、窓板２および電子素子４をそれぞれ金−錫ロウ，金−ゲルマニウムロウ，銀−錫ロウ，樹脂接着剤等から成る接合材を用いて、強固に接合することができる。金属枠体を用いる場合も、金属枠体を強固に接合することができる。

基体１が樹脂から成る場合、金属枠体を設けることによって、窓板２をロウ材等を用いて強固に接合することができる。金属枠体は、下側の一部をモールド成型で樹脂に埋め込むことによって設けられる。金属枠体はプレス加工，切削加工，エッチング加工等の従来周知の金属加工法によって形成される。

なお、基体１の表面に形成された配線導体５，窓板２接合用のメタライズ金属層１ｂ，電子素子４接合用のメタライズ金属層等の金属層には、耐蝕性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのニッケル層と、厚さ０．５〜５μｍの金（Ａｕ）層とを順次メッキ法により被着させておくとよい。

次に、本発明の一実施形態に係る電子装置１０について説明する。

本発明の一実施形態に係る電子装置１０は、凹部１ａに電子素子４を収容し、窓板２によって凹部１ａが気密封止されている。図１において、凹部１ａの底面に電子素子４が載置固定され、かつ基体１の上面に窓板２が接合され、電子素子４が凹部１ａに気密封止される。電子装置１０は、電子素子収納用パッケージを用いた動作信頼性が高く、安価な電子装置１０とすることができる。

電子素子４は、例えばダイオード型またはボロメータ型等の赤外線検出用半導体素子であり、凹部１ａの底面に接合材を介して載置固定される。素子接合材は、金−錫ロウ，金
−ゲルマニウムロウ，銀（Ａｇ）−錫（Ｓｎ）ロウ，樹脂接着剤等から成る。この他、ＬＤ，発光素子，受光素子等の光半導体素子等を用いることもできる。

電子素子４は、基体１の凹部１ａの底面に接合材を介して載置固定した後、電子素子４の上面に設けられた電子素子４の電極を基体１の凹部１ａ内に設けられた配線導体５にボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して電気的に接続する。そして、窓板２を電子素子４に対向するように位置合わせして、真空または窒素，不活性ガスの雰囲気内で基体１の上面に接合し、パッケージ内部を真空または窒素等の不活性ガスの雰囲気に保持した状態で気密に封止する。

また、図２に示すパッケージの例においては、凹部１ａの底面に配線導体５が形成されている。この配線導体５には電子素子４がボンディングワイヤによって接続される。そして、配線導体５が基体１の内部から外部に導出され外部電気回路に接続されることで、電子素子４と外部電気回路との間で電気信号の入出力が可能となり、電子装置１０として機能するようになる。

なお、本発明は上記実施の形態および実施例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内であれば種々の変更を施すことは何等差し支えない。

１：基体
１ａ：凹部
１ｂ：メタライズ金属層
２：窓板
２ａ：角
３：金属層
３ａ：角部
３ｂ：薄肉部
４：電子素子
５：配線導体
１０：電子装置

Claims

上面に電子素子を収容するための凹部が形成された、形状が多角形の基体と、該基体の前記凹部の周囲に窓接合材を介して接合されて前記凹部を気密封止する、主面の形状が多角形の窓板とを具備しており、該窓板は前記主面の外周部を周回している金属層を有し、該金属層は、前記主面の外周に沿うとともに角部において前記主面の角から離れて形成され、前記角部に厚みが薄い薄肉部を有しており、前記窓板の角を前記基体の角に合わせて、前記金属層が前記窓接合材によって前記凹部の周囲に接合されることを特徴とする電子素子収納用パッケージ。
前記金属層の前記角部は、前記主面の角を挟む２辺のうちの１辺から他の１辺にかけて直線的に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電子素子収納用パッケージ。
請求項１または２記載の電子素子収納用パッケージと、前記凹部に収容された電子素子と、前記凹部の周囲に前記金属層が前記窓接合材によって接合されて前記凹部を気密封止した前記窓板とを具備する電子装置。