JP6010393B2

JP6010393B2 - 電子素子収納用パッケージおよび電子装置

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Publication number: JP6010393B2
Application number: JP2012190464A
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: JP2014049561A

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。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（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２５４８２０号公報

しかしながら、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四角形状の窓板２２を接合している。窓接合材２７を溶融させて窓板２２を側壁２１ａに接合すると、窓板２２のコーナー部に窓接合材２７との熱膨張係数の違いに伴う熱応力が生じ、窓板２２が側壁２１ａの上面から剥離したりし易い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、窓板の接合信頼性を改善した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基体と、この基体の前記凹部の周囲に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するとともに一部に厚みが薄い薄肉部を有し、前記接合材を介して前記凹部の周囲と接合された金属層が形成されているとともに、前記薄肉部は、前記窓板の一辺両側のコーナー部から離れてい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、前記薄肉部は、前記外周部における一辺の中央部に設けられているのがよい。

更に、前記薄肉部は、前記外周部における一辺に複数設けられているのがよい。

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、前記凹部に収容された電子素子と、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基体と、この基体の凹部の周囲に接合されて凹部を気密封止する多角形の窓板とを具備しており、窓板は、主面外周部を周回するとともに一部に厚みが薄い薄肉部を有する金属層が形成されていることから、窓接合材で窓板を側壁に接合する際に、溶融された液相の窓接合材を薄肉部に溜めることができるとともに、薄肉部を除く金属層と基体上面との間に設けられる窓接合材の厚さを薄くすることができる。よって、窓接合材の厚みを薄くした部分で熱応力を低減するとともに、薄肉部で窓接合材の厚みを厚くして窓接合材の接合力を確保し、金属層と窓接合材とを接合することができる。

この場合において、薄肉部が、前記外周部における一辺の中央部に設けられていると、金属層と基体上面との間で生じる熱応力や残留応力が一辺の中央部に関して対称になる。また、薄肉部が窓板のコーナー部から最も離れた部分に配置され、窓板と基体とのコーナー接合部に生じるクラックや剥がれが抑制される。

また、薄肉部が、外周部における一辺に複数設けられていると、金属層と窓接合材との接合面積が増え、接合力が増加する。

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、凹部を気密封止した前記窓板とを具備することから、窓板の接合力が改善され、接合信頼性のよい電子装置とすることができる。

本発明の電子素子収納用パッケージに用いられる窓板の実施の形態の一例を示す斜視図である。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。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。本発明の電子素子収納用パッケージに用いられる窓板の実施の形態の他の例を示す下面図である。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窓板２部の下面を示す斜視図である。また、図２は電子装置の実施の形態の一例を示す分解斜視図であり、図３は電子装置の外観を示す斜視図である。図４は窓板２部の各種実施の形態の各例を示す下面図である。なお、図２，図３，図４においてメタライズ金属層を施した部分には判りやすくするためにハッチングを付して示した。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。例えば図１に示すように、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、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、非晶質ガラスや無機結晶板、合成樹脂板等から成る。窓板２の四辺に沿う外周部には金属層３が形成される。少なくとも窓板２の一辺外周部の金属層３には、長さ方向の一部に厚みが薄い薄肉部３ａが形成されている。金属層３の厚みは、例えば薄肉部３ａ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である。

金属層３は、窓板２の一主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、ニッケルー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層とを順次形成した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３ａ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３ａにマスキングを施して金属層３を被着し、次に、マスキングを除去し、または位置を変えて更に金属層３を積層し、以下各層の形成工程ごとに順次繰り返すことによって、薄肉部３ａ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３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。または、窓板２の下面の周囲に金属層を形成し、薄肉部３ａ以外の部分に金属板をロウ材を介して接合し、これら金属層および金属板を金属層３とすることによって設けてもよい。

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が気密に封止されて保護される。

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、パッケージの寸法精度の観点からもセラミックスから成ることが好ましい。

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部の金属層３とがロウ材または
樹脂接着剤等からなる窓接合材を介して接合され、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３ａが設けられていることにより、薄肉部３ａにおいて余剰のロウ材または接着剤が流れこんで窓接合材の厚みが厚くなる。

これによって、窓接合材となるロウ材を溶融させて窓板２をメタライズ層１ｂに接合する際に、余剰なロウ材が薄肉部３ａに流れるとともに、その分、薄肉部３ａ以外の部分のロウ材厚みを減らすことができる。よって薄肉部３ａ以外でロウ材と窓板２とに生じる熱応力を減らし、薄肉部３ａでロウ材量を確保してロウ材の接合力を確保することができる。余剰なロウ材は薄肉部３ａに流れ込ませることができるので、接合時において十分なロウ材を接合部に供給することもできる。また、ロウ材の厚みを減らすことによって、窓接合材に生じるボイドを低減させることができる。

金属層３の薄肉部３ａは、図１，図４（ａ）に示すように、一辺の中央部に設けられているのがよい。中央部に設けられていることによって、窓板２の一辺両側のコーナー部から薄肉部３ａの距離を最大限離れたものとすることができる。したがって、コーナー部において生じる熱応力と薄肉部３ａにおいて生じる熱応力との相互干渉を低減することができる。

また、薄肉部３ａは、図４（ｂ）に示すように、各々の辺に複数設けられていてもよい。複数設けられていることによって、窓接合材と金属層３との接合面が大きくなるので、薄肉部３ａによる接合力を大きくすることができる。

また、複数の薄肉部３ａは、図４（ｂ）に示すように、窓板２の中心に関して対称な位置に配置して設けられているのがよい。対称に設けることによって、コーナー部から薄肉部３ａの距離を最大限離れたものとすることができる。

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、窓板と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接合用の金属層１ｂ，電子素子４接合用の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２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に気密封止されている。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の電極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
３：金属層
３ａ：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基体と、該基体の前記凹部の周囲に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するとともに一部に厚みが薄い薄肉部を有し、前記接合材を介して前記凹部の周囲と接合された金属層が形成されているとともに、前記薄肉部は、前記窓板の一辺両側のコーナー部から離れていることを特徴とする電子素子収納用パッケージ。
前記薄肉部は、前記外周部における一辺の中央部に設けら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。
前記薄肉部は、前記外周部における一辺に複数設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の電子素子収納用パッケージ。
請求項１乃至３のいずれかに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、前記凹部を気密封止した前記窓板とを具備する電子装置。