JP6102148B2 - 気密封止パッケージとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、気密封止が必要な電子部品の気密封止パッケージとその製造方法に関する。

センサ等の電子部品の中には、内部に中空構造を持ち、その中空構造が気密封止された状態で使用されるものがある。電子部品の一例としては、電子部品内部の気密封止された中空構造内に赤外線センサ素子を有する赤外線センサ等が挙げられる。中空構造を有する電子部品は、基板と、基板上に実装されたセンサ素子と、金属製の蓋材と、基板と蓋材を接続する半田や導電性接着剤等の接続材料とから構成される。しかし、このような構成であると、蓋材と基板を接続するためリフロー炉等で加熱することで中空構造内部の空気が膨張し、基板と蓋材との接続部の半田が噴出したり、導電性接着剤内部にピンホールが発生し、気密性を確保できないことがあった。

中空構造（収装空間）と連通する流通孔を持つ気密封止パッケージ（セラミックスパッケージ）が、特許文献１に開示されている。この気密封止パッケージは、内部に中空構造が形成されるように、基板に流通孔が設けられた蓋材（キャップ部材）と流通孔が設けられていないキャップ部材とを熱硬化性接着剤で接着することで構成されている。蓋材とキャップ部材とを熱硬化性接着剤で接着するために気密封止パッケージ全体を加熱したときに中空構造内の空気が膨張しても、蓋材に設けられた流通孔を通って膨張した空気が排出される。熱硬化性接着剤が完全に硬化するまで加熱された後に、流通孔は追加の接着剤にて封止されている。

接着部に呼吸現象によるピンホールが形成されるのを防止するために、硬化時の呼吸時間より、ゲル化が開始するまでの時間が長い熱硬化性接着剤を用いて、基板と蓋材（キャップ）とを接着する電子部品の接着方法が、特許文献２に開示されている。呼吸現象とは、気密された空間内の空気が膨張して、硬化途中の接着剤を破って外部に抜け出そうとする現象を指す。この熱硬化性接着剤は、呼吸現象によって熱硬化性接着剤にピンホールが形成されたときには液体であるため流動性があり、形成されたピンホールを埋めることができる。そのため、熱硬化性接着剤が完全に硬化したときにはピンホールがない状態であるため、中空構造の気密性が保たれる。

特開２００２−２６１６２号公報 特許第３２６１３１１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された発明では、蓋材とキャップ部材とを接着する接着剤を完全に硬化させた後に、さらに流通孔に接着剤を塗布し、再度硬化させる工程が必要になるため、気密封止パッケージの形成の効率が悪い。また、流通孔に塗布した接着剤を硬化させるために気密封止パッケージ全体を加熱すると、中空構造の空気が再び膨張して流通孔に塗布した接着剤にピンホールが形成されてしまうおそれがある。流通孔に塗布した接着剤にピンホールが形成されると、中空構造の気密性が保てないという課題があった。加えて、センサ素子を蓋材とキャップ部材とでパッキングした気密封止パッケージを基板に固定しているため、基板に直接センサ素子を実装した場合に比べて使用する部品点数が多く、製造コストが増大してしまう。

一方で、特許文献２に開示された発明では、ゲル化が開始するまでの時間が長い熱硬化性接着剤を用いているが、このような特性を有する接着剤の種類は少なく、使用できる接着剤が限定されてしまう。また、これらの接着剤は非常に高価であるため、気密封止パッケージの製造コストが増大してしまうという課題があった。

そこで本発明の目的は、前記した問題を解決して、特殊な熱硬化性接着剤を使用しなくとも、熱硬化性接着剤を硬化させるために加熱しても熱硬化性接着剤にピンホールが形成されない気密封止パッケージとその製造方法を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明の気密封止パッケージの製造方法は、第一の外装部材の、第二の外装部材と当接させる当接部に、空気が通過する隙間となる部分を除いて熱硬化性接着剤を塗布する工程と、第二の外装部材を第一の外装部材の当接部上に搭載する工程と、第二の外装部材を第一の外装部材の当接部上に搭載した状態で、少なくとも当接部の温度が熱硬化性接着剤の硬化温度になるまで加熱する工程と、当接部の温度が熱硬化性接着剤の硬化温度以上であるときに、少なくとも前記隙間に追加の熱硬化性接着剤を注入し、接着部上の、第二の外装部材を第一の外装部材の当接部上に搭載する工程の前に塗布された熱硬化性接着剤と、追加の熱硬化性接着剤とを、全て硬化させる工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、熱硬化性接着剤を空気が通過する隙間が残るように塗布して第一の外装部材と第二の外装部材とを接着し、中空構造の空気が膨張してもあらかじめ形成された隙間から外気へと抜け出る構造にすることで、ピンホールの発生が抑制される。また、中空構造の空気の膨張が収まり、さらに熱硬化性接着剤が硬化する温度まで上昇した状態で空気が通過する隙間が追加の熱硬化性接着剤で埋められるため、隙間を埋めた熱硬化性接着剤を硬化するために再び加熱する工程が省かれる。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態の気密封止パッケージを含む電子部品を形成する工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は図１（ｃ）に示す電子部品の平面図、（ｄ）は図２（ｄ）に示す電子部品の平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態の気密封止パッケージを含む電子部品を形成する工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、第３の実施形態の気密封止パッケージを含む電子部品を形成する工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態における気密封止パッケージを含む電子部品を製造する各工程を示す断面図である。

電子部品は、センサ素子１と、第一の外装部材である基板３と、第二の外装部材である蓋材４とを有している。センサ素子１は、赤外線センサ素子等の素子が用いられる。基板３と蓋材４とは、熱硬化性接着剤である導電性接着剤５によって接着されて、気密封止パッケージを形成している。基板３は凹部を有しており、蓋材４はこの凹部を塞ぐ位置に接着されている。この蓋材４が基板３の当接部８に接着されて凹部を覆うことで中空構造２が形成される。センサ素子１は、基板３の中空構造２（凹部）に実装されている。蓋材４は、板形状であり、４２Ｎｉ、りん青銅、真鍮、洋はく、鉄等の金属材料や、ゲルマニウム、シリコン、サファイア等の赤外線透過性を有する材料を用いて作られている。または、蓋材４は、ガラス、セラミックス材料、あるいは基板３上に実装するセンサ素子１の種類によっては樹脂材料を用いて作られてもよい。導電性接着剤５は、導電性材料としてＡｇやＣｕ等の金属粒子とエポキシ樹脂を混合したもので構成されている。基板３上には、センサ素子１の他にも必要に応じてセンサ素子１と基板３との間に挿入するためのスペーサ部材や、センサを構成するために必要な他の素子が実装されてもよい。導電性接着剤５が接着されている部分は、蓋材４が基板３に搭載される前に塗布された部分と、蓋材４が基板３に搭載されてから注入された部分とから構成されている。

以上に説明した構成の気密封止パッケージを含む電子部品を製造する方法を説明する。

図１（ａ）に示すように、基板３の凹部にセンサ素子１が実装される。実装される方法としては、半田や導電性接着剤による接着や、ワイヤによる機械的接続等の電気的な導通が得られる接続方法が用いられる。このとき、センサ素子１の種類に応じて、スペーサ部材や追加の素子等が適宜選択されて、センサ素子１と共に基板３に実装される。

次に、図１（ｂ）に示すように、基板３の当接部８に導電性接着剤５が塗布される。導電性接着剤５は、基板３が蓋材４と接着されたときに形成される中空構造２内の空気が外気と連通するように、空気が通過する隙間８ａを形成するように塗布される（図２（ａ）〜（ｃ）参照）。当接部８に複数存在する隙間８ａは、導電性接着剤５が塗布される範囲より広くても狭くてもよいが、隙間８ａの当接部内での長さの合計は０．５ｍｍ以上になるのが好ましい。即ち、隙間８ａのそれぞれの長さＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４の合計が０．５ｍｍ以上になるのがよい（図２（ａ）、（ｂ）参照。図２（ｃ）の構成ではＬ１＋Ｌ２を指す）。導電性接着剤５が塗布された部分に蓋材４を搭載するときに、蓋材４が導電性接着剤５の表面張力により傾かないように、当接部８の対向する二辺に塗布される導電性接着剤５の塗布形状は同じであることが好ましい。尚、本実施形態では、１２５℃で五分間加熱することで硬化する導電性接着剤５が使用される。

図１（ｃ）に示すように、当接部８の導電性接着剤５が塗布されている部分に蓋材４が搭載される。このとき、基板３と蓋材４との間に５μｍ以上の間隔が形成されるように、蓋材４が基板３の当接部８に塗布された導電性接着剤５に搭載される必要がある。５μｍ以上の間隔を有して基板３に蓋材４を搭載するには、蓋材４自体の荷重を制御することで間隔が形成される方法と、基板３と蓋材４との間にある導電性接着剤５に含まれる金属粒子の大きさを制御することで間隔が形成される方法とがある。

基板３と蓋材４とが５μｍ以上の間隔を有して接着された後、少なくとも導電性接着剤５が塗布された部分が導電性接着剤５の硬化温度である１２５℃になるように加熱する。導電性接着剤５が塗布された部分以外にも、基板３や蓋材４を含んで全体を加熱してもよい。また、導電性接着剤５の硬化温度以上の温度であれば、１２５℃でなくてもよい。１２５℃で五分間加熱されると導電性接着剤５が硬化して、基板３に空気が通過する隙間８ａが形成された状態で蓋材４が接着される。五分間加熱し続けると中空構造２の空気が膨張して、空気が通過する隙間８ａを通過して外気へと流れる。従って、導電性接着剤５が中空構造２の空気による負荷を受けないため、呼吸現象によるピンホールを形成することがなくなる。

最後に、図１（ｄ）と図２（ｄ）に示すように、１２５℃に加熱された状態のままで、基板３と蓋材４との間の空気が通過する隙間８ａに、追加で導電性接着剤５を注入して埋める。このとき、基板３と蓋材４とは、硬化した最初に塗布した導電性接着剤５にて接着されているため、蓋材４が基板３から容易に動かなくなっている。そのため、空気が通過する隙間８ａに追加の導電性接着剤５を注入するときに、多少の力を加えても蓋材４の位置がずれずに導電性接着剤５を注入しやすい。尚、追加の導電性接着剤５は、空気が通過する隙間８ａだけではなく当接部８全域にわたって塗布されてもよい。追加で注入された導電性接着剤５は、１２５℃の環境下で注入されているため注入から五分間ですぐに硬化し、その結果として空気が通過する隙間８ａが埋められて当接部上の導電性接着剤５が完全に硬化し、中空構造２が封止された空間になる。最初に塗布した導電性接着剤５を硬化させる温度（本実施形態では１２５℃）を保った状態で追加の導電性接着剤５を注入し硬化させることで、追加の導電性接着剤５を硬化させるための追加の工程が不要になる。

以上のように、センサ等の気密封止状態で使用される素子を実装するため、基板３と蓋材４とを空気が通過する隙間８ａを設けて接着することで、基板３と蓋材４との間に形成される中空構造２の内部の空気が外気と連通する。中空構造２の内部の空気が外気と連通していることで膨張が起きても基板３と蓋材４との間の導電性接着剤５に負荷がかからず、呼吸現象によるピンホールが形成されない。また、中空構造２の内部の空気が膨張しきった状態で空気が通過する隙間８ａを追加の導電性接着剤５で埋めるため、追加の導電性接着剤５にもピンホールは形成されないため、中空構造２の気密性が保たれる。さらには、追加の導電性接着剤５が導電性接着剤５の硬化する温度の状態で注入されるため、常温で注入した場合に比べて、導電性接着剤５を硬化させるために再度加熱する工程が不要になるので、製造コストが抑えられる。

（第２の実施形態）
図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施形態における気密封止パッケージを含む電子部品を製造する各工程を示す断面図である。

電子部品は、センサ素子１と、第一の外装部材である基板３と枠材６と、第二の外装部材である蓋材４とを有している。基板３と蓋材４とは、板形状である。枠材６は、中空直方体の形状であり、４２Ｎｉ、りん青銅、真鍮、洋はく、鉄等の金属材料や、ゲルマニウム、シリコン、サファイア等の赤外線透過性を有する材料を用いて作られている。または、枠材６は、ガラス、セラミックス材料、あるいは基板３上に実装するセンサ素子１の種類によっては樹脂材料を用いて作られてもよい。この枠材６は、基板３の表面と中空開口部の一方の端部が向き合うように半田や導電性接着剤５等によって接着されており、センサ素子１は、基板３上において枠材６の内周面に囲まれた位置に接着されている。蓋材４は、基板３と接着された枠材６の中空開口部のもう一方の端部を塞ぐように、枠材６の端部の当接部８に接着されている。この蓋材４が枠材６の当接部８に接着されることで、気密封止パッケージを形成し、中空構造２が構成される。その他の構成については、第１の実施形態と同様であるため省略する。

以上に説明した構成の気密封止パッケージを含む電子部品を製造する方法を説明する。

図３（ａ）に示すように、基板３の表面に、センサ素子１と枠材６とが実装される。センサ素子１は、枠材６の内周面に囲まれる位置に接着され、枠材６においては枠材６の一方の中空開口部の端部が基板３の表面を向いた状態で半田または導電性接着剤５にて基板３に接着される。その後に、図１（ｂ）に示すように、基板３に接着された枠材６のもう一方の中空開口部の端部の当接部８に導電性接着剤５が塗布される。その他の製造方法については、第１の実施形態と同様であるため省略する。

以上のように、電子部品に枠材６を組み込んで構成することで、第１の実施形態で得られる効果に加えて、基板３にセンサ素子１を実装する凹部を形成しなくてよいため、基板３を製造するコストが抑えられる。

（第３の実施形態）
図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施形態における気密封止パッケージを含む電子部品を製造する各工程を示す断面図である。

電子部品は、センサ素子１と、第一の外装部材である基板３と、第二の外装部材であるキャップ７とを有している。基板３とキャップ７とは、熱硬化性接着剤である導電性接着剤５によって接着され、気密封止パッケージを形成している。キャップ７は凹部を有しており、この凹部と基板３とが向き合うようにして基板３に接着されている。このキャップ７が基板３の当接部８に接着されることで中空構造２が形成される。センサ素子１は、基板３とキャップ７とが形成する中空構造２に実装されている。キャップ７は、４２Ｎｉ、りん青銅、真鍮、洋はく、鉄等の金属材料や、ゲルマニウム、シリコン、サファイア等の赤外線透過性を有する材料を用いて作られている。または、キャップ７は、ガラス、セラミックス材料、あるいは基板３上に実装するセンサ素子１の種類によっては樹脂材料を用いて作られてもよい。

以上に説明した構成の気密封止パッケージを含む電子部品を製造する方法を説明する。

図４（ａ）に示すように、基板３の表面にセンサ素子１が実装される。実装される方法としては、半田や導電性接着剤による接着や、ワイヤによる機械的接続等の電気的な導通が得られる接続方法が用いられる。次に、図４（ｂ）に示すように、基板３の当接部８に導電性接着剤５が塗布される。当接部８は、接着されたセンサ素子１を取り囲むように基板３の表面に形成されている。その他の製造方法については、第１の実施形態と同様であるため省略する。

以上のように、第二の外装部材であるキャップ７に凹部を形成することで、第１の実施形態で得られる効果に加えて、基板３にセンサ素子１を実装する凹部を形成しなくてよいため、基板３を製造するコストが抑えられる。

１ センサ素子
２ 中空構造
３ 基板
４ 蓋材
５ 導電性接着剤
６ 枠材
７ キャップ
８ 当接部

Claims (4)

1. 第一の外装部材の、第二の外装部材と当接させる当接部に、空気が通過する隙間となる部分を除いて熱硬化性接着剤を塗布する工程と、
   前記第二の外装部材を前記第一の外装部材の前記当接部上に搭載する工程と、
   前記第二の外装部材が前記第一の外装部材の前記当接部上に搭載された状態で、少なくとも前記当接部の温度が前記熱硬化性接着剤の硬化温度になるまで加熱する工程と、
   前記当接部の温度が前記熱硬化性接着剤の硬化温度以上であるときに、少なくとも前記隙間に追加の熱硬化性接着剤を注入し、前記当接部上の、前記第二の外装部材を前記第一の外装部材の前記当接部上に搭載する工程の前に塗布された前記熱硬化性接着剤と、前記追加の熱硬化性接着剤とを、全て硬化させる工程と、
   を含むことを特徴とする気密封止パッケージの製造方法。
2. 前記熱硬化性接着剤は、導電性接着剤であることを特徴とする請求項１に記載の気密封止パッケージの製造方法。
3. 前記当接部に前記隙間を除いて前記熱硬化性接着剤を塗布する工程において、前記当接部内に複数存在する前記隙間の長さの合計は、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の気密封止パッケージの製造方法。
4. 前記第一の外装部材に素子を実装する工程と、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の気密封止パッケージの製造方法の各工程と、を含む電子部品の製造方法。

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