JP2008182103A

JP2008182103A - 気密封止パッケージ

Info

Publication number: JP2008182103A
Application number: JP2007015152A
Authority: JP
Inventors: Tomoyuki Hatakeyama; 智之畠山
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2008-08-07
Also published as: US7936056B2; US20080211073A1

Abstract

【課題】不活性ガスを使用しなくても真空度調整が可能な気密封止パッケージを提供すること。
【解決手段】蓋９とパッケージ基板５の少なくとも何れか一方に、気密封止パッケージ内にＭＥＭＳデバイス１を気密封止された状態で外部からのエネルギーを受けて内部封止空間１２内の真空度を調整する圧力調整部材１３を設ける。この圧力調整部材１３に光学窓１０を介して外部からエネルギーを加えることにより、内部封止空間１２内の真空度が調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ等のデバイスを減圧環境下で気密封止するための気密封止パッケージに関する。

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）等のデバイスを気密封止するパッケージ及びその封止方法としては、例えば特許文献１において提案されているものがある。この特許文献１の手法を、図１１を参照して簡単に説明する。

図１１において、多数のＭＥＭＳが形成された半導体基板１３０と、キャビティーにゲッターを付着させたガラス板からなる蓋体１１０とを真空室内で互いに向かい合うように整列する。次いで、不活性ガスを、真空室１２０と連通するガス注入部１４０から供給する。このとき真空室１２０が設定した真空度となるようにガス注入部１４０とガス排気部１５０を制御する。設定された真空度に安定化させた後、蓋体１１０に熱を加え、設定された温度に蓋体が加熱された状態で蓋体１１０に高電圧を印加して半導体基板１３０と蓋体１１０とを接合する。

この気密封止方法では、所望する真空度を有するように真空度の調節が可能であり、所定の時間が経過しても初期の真空度が維持可能な点では優れている。
特開２００４−１６０６４８号公報

ここで、特許文献１の手法では、真空度の調整にＡｒガス等の高価な不活性ガスが必要なため、製造コストが上がりやすい。

本発明は、この点に着目してなされたものであり、不活性ガスを使用しなくても真空度調整が可能な気密封止パッケージを提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、蓋と基板とによって形成される中空部にデバイスを設置して該デバイスを減圧雰囲気下で気密封止する気密封止パッケージにおいて、前記蓋と前記基板の少なくとも何れか一方の表面上に設けられ、当該気密封止パッケージに前記デバイスが気密封止された状態で外部からエネルギーを受けて前記中空部内の圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段に前記エネルギーを伝達するためのエネルギー伝達手段とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、不活性ガスを使用しなくても真空度調整が可能な気密封止パッケージを提供することができる。

［第１の実施形態］
まず、図１〜図３を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。ここで、図１は、本発明の第１の実施形態における、圧力調整前の気密封止パッケージの断面図である。また、図２は、本発明の第１の実施形態の気密封止パッケージの上面透視図である。さらに、図３は、本発明の第１の実施形態における、圧力調整時の気密封止パッケージの断面図である。

（構成）
まず、図１及び図２を参照して、本実施形態の気密封止パッケージの構成について説明する。
図１に示すように、気密封止パッケージに封止されるＭＥＭＳデバイス１は、一部に機械的な駆動部を有するＭＥＭＳチップ２と駆動電極（図示しない）が形成された電極基板３とが、金属バンプからなるスペーサ４を介して一定間隔を保ちつつ電気的且つ機械的に接合されて構成されている。このＭＥＭＳデバイス１は、箱型に形成されたパッケージ基板５の底面部に例えばハンダからなる接合部材６によって固定されている。電極基板３の駆動電極は、パッケージ基板５の内の電極（図示しない）とボンディングワイヤ７で電気的に接続されている。このボンディングワイヤ７はピン８を経由して気密封止装置外部の回路（図示しない）と電気的に接続されている。

また、図１及び図３に示すように、蓋９には外部との光の入出力をするための光学窓１０が設けられている。そして、パッケージ基板５と蓋９とは、ハンダや低融点ガラス等からなるシール部材１１を介して接合され、これによりパッケージ基板５と蓋９とで形成される内部封止空間（中空部）１２が所望の真空度に維持した状態で気密封止される。

さらに、光学窓１０の内部封止空間１２側の面上には圧力調整部材１３が設けられている。圧力調整部材１３は、例えばハンダ合金１４等の気体発生成分を含まない金属を四角柱状に形成し、その表面を例えばＡｕ膜等の不活性金属膜１５で被覆することにより構成されている。ここで、ハンダ合金１４の材質は、ＳｎをベースにしてＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂといった元素が含まれた酸化物を形成しやすい組成であることが望ましい。

また、圧力調整部材１３の形状や数は調整した真空度（圧力量）によって任意に設定可能であり、本実施形態で示した１つの四角柱状の圧力調整部材に限定されるものではない。例えば、圧力調整部材を複数設けるようにしても良いし、四角柱以外の形状としても良い。また、本実施形態では圧力調整部材１３を光学窓１０上に設けているが、外部からレーザ光１６を照射可能な場所であれば必ずしも光学窓１０上に設けなくとも良い。例えば、圧力調整部材１３を、パッケージ基板５上やＭＥＭＳデバイス１上に設けても構わない。

（作用）
次に、図３を参照して第１の実施形態の圧力調整の作用を説明する。
まず、本実施形態の気密封止パッケージを所望の真空度に圧力調整可能な気密封止装置（図示しない）内で気密封止することにより、気密封止パッケージの内部封止空間１２は所望の真空度を保ちつつ封止される。このようにして気密封止パッケージが製造される。

光学窓１０やシール部材１１の周縁部の気密性の低下により、外部から内部封止空間１２に微量の気体（主に空気）が流入すると、内部封止空間１２の真空度が上昇してＭＥＭＳデバイス１の駆動性能が変化する。

ここで、外部から光学窓１０を透過させてレーザ光１６を圧力調整部材１３に照射して圧力調整部材１３に熱エネルギーを加えると、不活性金属膜１５がハンダ合金１４の中へ拡散し、ハンダ合金１４が表面に露出してくる。この結果、図３に示すように、表面に露出したハンダ合金１４と内部封止空間１２に流入した酸素や水分等からなる気体分子１７とが反応して酸化膜を形成したり、気体分子１７がハンダ合金１４の表面に吸着したりして、ハンダ合金１４が気体分子１７を吸収する。したがって、内部封止空間１２中の気体分子１７の数が減って真空度が低下する。ここで、真空度の低下量は、レーザ光１６の照射量や照射時間と圧力調整部材１３の表面積とによって調整可能である。例えば、レーザ光１６の照射量や照射時間を増やすことにより圧力調整部材１３に供給されるエネルギー量が増加する。これにより反応が進みやすくなり、真空度が低下する。また、同一のエネルギー供給量であれば圧力調整部材１３の表面積を増加させたほうが、反応量が多くなるために真空度が低下する。したがって、レーザ光１６の照射量や照射時間と圧力調整部材１３の表面積とを調整することによって内部封止空間１２内の真空度を所望の値に戻すことが可能である。

（効果）
以上説明したように、第１の実施形態によれば、気密封止パッケージ内の内部封止空間１２にＡｒガス等の不活性ガスを充填しなくとも、内部封止空間内の真空度（圧力）を所望の値にすることが可能である。また、圧力調整の際には圧力調整部材１３のみに局所的にエネルギーを供給できるために、熱に弱いＭＥＭＳデバイスでも圧力調整可能である。

また、第１の実施形態では、光学窓１０からレーザ光１６を透過させて圧力調整部材１３に圧力調整用のエネルギーを供給するために、エネルギー伝達手段として新たな部材を設ける必要がなく製造コストを低く抑えることができるという効果がある。

また、圧力調整部材１３に安価なハンダ合金１４を使用しているために、圧力調整部材１３の製造コストも低くできるという効果がある。即ち、後述する他の実施形態と比較して構造がシンプルになり製造コストを低くできる。さらに、圧力調整部材１３のハンダ合金１４を、Ａｕ膜等の不活性金属膜１５で被覆しておくことにより、通常時にはハンダ合金１４が気体分子１７と反応することがなく、不要な真空度の低下も起こらない。

［第２の実施形態］
次に、図４〜図６を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。ここで、図４は、本発明の第２の実施形態における、圧力調整前の気密封止パッケージの断面図である。また、図５は、本発明の第２の実施形態の気密封止パッケージの上面透視図である。さらに、図６は、本発明の第２の実施形態における、圧力調整時の気密封止パッケージの断面図である。

（構成）
まず、図４及び図５を参照して、本実施形態の気密封止パッケージの構成について説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については第１の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。

第２の実施形態においては蓋２０が、光学窓を有しないコバール等の金属で構成されている。光学窓を有していないため、蓋２０は光を透過させない構造となっている。また、パッケージ基板５には、光学窓の代わりのエネルギー伝達手段として、パッケージ基板５の外部と内部とをつなぐように配置された金属配線体２１が設けられている。

また、圧力調整部材２２は、表面に凹凸を形成したＳｉ又はガラス等からなる構造部材２３に、ＣｒやＴｉやＣｕやＡｌ等の、気体発生成分を含まず且つ比較的酸化しやすい金属膜２４を形成し、さらにこの金属膜２４をＡｕ膜等の不活性金属膜２５で被覆した構造体として構成されている。この圧力調整部材２２は、図５に示すように、金属配線体２１と接触するように気密封止パッケージの内部封止空間内に複数配置される。

ここで、本実施形態では圧力調整部材２２の表面積を増加させるために、圧力調整部材２２の表面に凹凸を設けているが、必ずしもそうする必要はなく、圧力の調整量によっては凹凸を設けない平面上の表面にしても構わない。また、圧力調整部材２２は第１の実施形態と同様に１つのみ設けるようにしても良い。さらに、圧力調整部材２２は、全てが同一のものであっても良いし、圧力の調整量を可変できるように表面積等を異ならせるようにしても良い。

（作用）
次に、図６を参照して第２の実施形態の圧力調整の作用を説明する。
第２の実施形態の気密封止パッケージは、第１の実施形態と同様に、所望の真空度に圧力調整可能な気密封止装置（図示しない）内で気密封止することにより製造される。

製造後、シール部材１１の周縁部の気密性低下により外部から微量の気体が流入すると、内部封止空間１２の真空度が上昇してＭＥＭＳデバイス１の駆動性能が変化する。

ここで、パッケージ基板５の外表面に露出している金属配線体２１に熱２６を加えると、金属配線体２１を経由して圧力調整部材２２に熱２６が伝達される。圧力調整部材２２に熱エネルギーが加わると、第１の実施形態と同様に、不活性金属膜２５が金属膜２４へ拡散して金属膜２４が表面に露出する。そして、表面に露出した金属膜２４に内部封止空間１２中にある酸素や水分等の気体分子１７が反応して酸化膜を形成したり、表面に吸着したりすることにより内部封止空間１２中の気体分子数が減り真空度を低下する。真空度の低下量は加熱温度や時間と圧力調整部材２２の表面積により調整できるので、これらを調整することにより、内部封止空間１２内部の真空度を所望の値に戻すことが可能である。

（効果）
以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に気密封止パッケージ内の内部封止空間１２にＡｒガス等の不活性ガスを充填しなくとも、内部封止空間１２内の真空度（圧力）を所望の値にすることが可能であるとともに、パッケージ基板５に形成した金属配線体２１により圧力調整用のエネルギーを供給するために光学窓１０が不要である。そのために、外部からの光を遮断する必要があるデバイスや光学窓を必要としないデバイスにも適用できるという効果がある。また、第１の実施形態と同様に、圧力調整の際には圧力調整部材２２のみに局所的にエネルギーを供給できるために、熱に弱いＭＥＭＳデバイスでも圧力調整可能である。

また、圧力調整部材２２の表面が凹凸を有しているので、単位面積あたりの表面積を最も大きくとることができ、真空度の低下効果を高めることが可能である。

さらに、圧力調整部材２２を複数設けることにより、圧力調整を段階的に行ったり、複数回行ったりすることが可能である。即ち、圧力調整をした後でさらに内部封止空間１２内の真空度が変化した場合でも圧力調整を行うことが可能である。

［第３の実施形態］
次に、図７〜図１０を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。ここで、図７は、本発明の第３の実施形態における、圧力調整前の気密封止パッケージの断面図である。また、図８は、本発明の第３の実施形態の気密封止パッケージの上面透視図である。また、図９は、本発明の第３の実施形態の圧力調整部材の断面図である。さらに、図１０は、本発明の第３の実施形態における、圧力調整時の気密封止パッケージの断面図である。

（構成）
まず、図７〜図９を参照して、本実施形態の気密封止パッケージの構成を説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成については第１の実施形態と同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。

上述した第１及び第２の実施形態は、内部封止空間１２内の真空度を低下させる方向に圧力調整を行うものであったが、第３の実施形態は内部封止空間１２内の真空度を上昇させる方向に圧力調整を行うものである。

第３の実施形態においては、図９に示すように、圧力調整部材３０が、構造部材３１と、気体分子発生体３２と、蓋部材３３と、被覆体３５とを有し、パッケージ基板５上のレーザ光１６を照射可能な位置に接合部材３８によって固定されている。

構造部材３１は、Ｓｉ又はガラス等で構成され、気体分子発生体３２を格納するための凹部が形成されている。気体分子発生体３２は、ある一定温度以上にならないと揮発しないフロリナート、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、フラックス等の気体発生成分を内包した例えばハンダ等の金属であり、構造部材３１に形成された凹部に格納される。蓋部材３３は、Ｓｉやガラス等から構成される。この蓋部材３３は構造部材３１の上面に接合され、図７及び図８に示すような微小な貫通孔３４が形成されている。被覆体３５は、ある一定温度になると溶融するハンダ等の金属膜３６の表面を、金膜等の不活性金属膜３７で被覆することで構成されている。

ここで、本実施形態では、圧力調整部材３０を図９に示すような構造体にしたが、圧力調整量によっては、気体発生成分を含んだフラックス（図示しない）を内包したハンダ合金（図示しない）の表面を不活性金属膜で被覆した比較的単純な構造体としても構わない。

また、圧力調整部材３０は内部封止空間１２内に複数設けるようにしても良いし、第１の実施形態のようなレーザ光照射ではなく、第２の実施形態のように金属配線体を介して熱エネルギーを供給できるようにしても良い。

（作用）
次に、図１０を参照して第３の実施形態の圧力調整の作用を説明する。
本実施形態の作用は、第１の実施形態及び第２の実施形態と以下の作用が異なる。

第３の実施形態の気密封止パッケージは、第１及び第２の実施形態と同様に、所望の真空度に圧力調整可能な気密封止装置（図示しない）内で気密封止することにより製造される。

製造後、内部封止空間１２内に配置されているＭＥＭＳデバイス１や気密封止パッケージの蓋９の内面等の加熱冷却により内蔵物の表面に気体分子が吸着すると、内部封止空間１２内の真空度が低下してＭＥＭＳデバイス１の駆動性能が変化する。

ここで、外部から光学窓１０を透過させてレーザ光１６を圧力調整部材３０に照射して圧力調整部材３０に、金属膜３６を溶融させ且つ気体分子発生体３２から気体を発生させる程度の熱エネルギーを加えると、不活性金属膜３７が金属膜３６中へ拡散しつつ溶融することにより貫通孔３４が露出する。そして、気体分子発生体３２から発生した気体分子３９が貫通孔３４を通って内部封止空間１２に放出される。真空度の上昇量は、レーザの照射量や時間と気体分子発生体３２に内蔵される気体分子量とにより調整できるので、これらを調整することにより、内部封止空間１２内部の真空度を所望の値に戻すことが可能である。

（効果）
以上説明したように、第３の実施形態によれば、圧力調整部材３０内に気体分子発生体３２を内包させたので、内部封止空間１２内の真空度を上昇させるように圧力調整を行うことが可能である。また、第１の実施形態と同様に、圧力調整の際には圧力調整部材３０のみに局所的にエネルギーを供給できるために、熱に弱いＭＥＭＳデバイスでも圧力調整可能である。

以上実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形や応用が可能なことは勿論である。例えば、上述した第１及び第２の実施形態においては真空度を低下させる圧力調整を、第３の実施形態においては真空度を上昇させる圧力調整を説明したが、これらを組み合わせて使用するようにしても良い。

さらに、上記した実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件の適当な組合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、上述したような課題を解決でき、上述したような効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成も発明として抽出され得る。

本発明の第１の実施形態における、圧力調整前の気密封止パッケージの断面図である。本発明の第１の実施形態の気密封止パッケージの上面透視図である。本発明の第１の実施形態における、圧力調整時の気密封止パッケージの断面図である。本発明の第２の実施形態における、圧力調整前の気密封止パッケージの断面図である。本発明の第２の実施形態の気密封止パッケージの上面透視図である。本発明の第２の実施形態における、圧力調整時の気密封止パッケージの断面図である。本発明の第３の実施形態における、圧力調整前の気密封止パッケージの断面図である。本発明の第３の実施形態の気密封止パッケージの上面透視図である。本発明の第３の実施形態の圧力調整部材の断面図である。本発明の第３の実施形態における、圧力調整時の気密封止パッケージの断面図である。従来技術の真空実装方法及び装置を示す図である。

符号の説明

１…ＭＥＭＳデバイス、２…ＭＥＭＳチップ、３…電極基板、４…スペーサ、５…パッケージ基板、６…接合部材、７…ボンディングワイヤ、８…ピン、９，２０…蓋、１０…光学窓、１１…シール部材、１２…内部封止空間、１３，２２，３０…圧力調整部材

Claims

蓋と基板とによって形成される中空部にデバイスを設置して該デバイスを減圧雰囲気下で気密封止する気密封止パッケージにおいて、
前記蓋と前記基板の少なくとも何れか一方の表面上に設けられ、当該気密封止パッケージに前記デバイスが気密封止された状態で外部からエネルギーを受けて前記中空部内の圧力を調整する少なくとも１つの圧力調整手段と、
前記圧力調整手段に前記エネルギーを伝達するためのエネルギー伝達手段と、
を具備することを特徴とする気密封止パッケージ。
前記圧力調整手段は、前記エネルギーを受けることにより前記中空部内の気体を吸収する気体吸収手段を含む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。
前記圧力調整手段は、前記エネルギーを受けることにより前記中空部内に気体を発生する気体発生手段を含む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。
前記気体吸収手段は、気体発生成分を含まない金属の表面を不活性金属膜で被覆して構成されることを特徴とする請求項２に記載の気密封止パッケージ。
前記気体吸収手段は、気体発生成分を含まない金属で表面を被覆した構造体の表面を不活性金属膜で被覆して構成されることを特徴とする請求項２に記載の気密封止パッケージ。
前記気体発生手段は、内部に気体発生成分を内蔵した構造体であることを特徴とする請求項３に記載の気密封止パッケージ。
前記エネルギー伝達手段は、前記蓋と前記基板の少なくとも一方に設けられ、前記圧力調整手段と前記気密封止パッケージの外表面との両方を結合し、且つ周囲より熱伝導率の良い部材からな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。
前記エネルギー伝達手段は、前記蓋と前記基板の少なくとも一方に設けられ、前記エネルギーを透過させて、前記圧力調整手段に前記エネルギーを供給する部材からな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。
前記気体発生成分を含まない金属は、はんだ合金であることを特徴とする請求項４に記載の気密封止パッケージ
前記気体発生成分を含まない金属で被覆した構造体は、表面に凹凸形状を有する半導体であることを特徴とする請求項５に記載の気密封止パッケージ。
前記内部に気体発生成分を内蔵した構造体は、
溝部が設けられた構造部材と、
前記溝部に格納され、ある一定温度以上になった時点で気体を発生する気体分子発生体と、
前記構造部材と接合され、前記気体分子発生体から発生する気体が前記溝部から流出するのを防止するための微小な貫通孔が設けられた蓋部材と、
少なくとも前記蓋部材の前記貫通孔を被覆した金属膜と、
前記金属膜の表面を被覆する不活性金属膜と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の気密封止パッケージ。
前記不活性金属膜は、金膜であることを特徴とする請求項４、５、１１の何れか１つに記載の気密封止パッケージ。