JP5116614B2 - 気密端子および電子部品収納用パッケージならびに電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置，電子機器，半導体製造装置等の電気装置に使用される気密端子および電子部品収納用パッケージならびに電子装置に関する。

従来、半導体製造装置等の内部雰囲気と外部雰囲気とを遮断して密閉雰囲気下で使用する電気装置には、装置の内外で電気信号を送受信するために気密端子が用いられている。

このような気密端子の一例を図３に断面図で示す。図３において、11は電気信号が導通されるピン、12はピン11の外周面に接合された環状部材、13はセラミック部材であり、主にこれらにより気密端子が構成されている。

この気密端子は、円柱状の金属製のピン11と、ピン11を挿通させるための貫通孔13ａが設けられ、かつ貫通孔13ａの一方の開口部周囲に第一のメタライズ層13ｂが設けられるとともに外周部に第二のメタライズ層13ｃが形成されたセラミック部材13と、第一のメタライズ層13ｂ上面に載置されるとともに内側にピン11が挿通されロウ付けされる金属製の環状部材12とから構成されている。

ピン11は鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属から成る円柱状であり、セラミック部材13の貫通孔13ａ内に挿通されて、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から成る環状部材12および第一のメタライズ層13ｂを介してセラミック部材13にロウ付けされている。そして、電気装置内外を電気的に接続するための端子として用いられる。ピン11は必要に応じて複数本設けられ、セラミック部材13内に適当な配置や間隔でもって配設される。

環状部材12および第一のメタライズ層13ｂを介してピン11とセラミック部材13とをロウ付け接合することにより、ピン11とセラミック部材13とを接合するためのロウ材のメニスカスを良好に形成することができ、ピン11をセラミック部材13に気密かつ強固にロウ付け接合することができる。

図３に示した上記従来の気密端子においては、ピン11および環状部材12としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等のセラミック部材13と比較的熱膨張係数の近い金属材料を用いることによって、ロウ付け接合時に、ピン11および環状部材12とセラミック部材13との熱膨張差による応力がセラミック部材13に大きく作用するのを抑制することができる。その結果、セラミック部材13にクラックが発生することを防止し、気密端子としての気密性を保持するようにしている。
特開平10−189091号公報

しかしながら、セラミック部材13と熱膨張係数の近いＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る金属は、電気抵抗値が大きく、ピン11の電気抵抗を小さくできないという問題点があった。

そこで、ピン11として電気抵抗値の小さい銅（Ｃｕ）等を用いることが考えられるが、この場合、ピン11の熱膨張係数がセラミック部材13に比べて大きくなり、ロウ付け接合時にピン11とセラミック部材13との熱膨張差による応力がセラミック部材13に大きく作用してしまう。その結果、セラミック部材13にクラックが発生し、気密端子としての気密性を保持することができないという問題点があった。

従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は、電気抵抗が小さく電気信号を良好に伝送できるとともに、気密信頼性の高い気密端子および電子部品収納用パッケージならびに電子装置を提供することにある。

本発明の気密端子は、金属製のピンと、このピンが挿通されるとともにこのピンの外周面にロウ付けされた第１の環状部材と、前記ピンが挿通されるとともに前記第１の環状部材の外周部にロウ付けされた第２の環状部材と、前記ピンが挿通されるとともに前記第２の環状部材の外周部にメタライズ層を介してロウ付けされたセラミック部材とを具備しており、前記第１の環状部材は、前記ピンおよび前記第２の環状部材よりも熱膨張係数が小さくかつ剛性が高いことを特徴とする。

本発明の気密端子において、好ましくは、前記ピンは銅または銀の少なくとも一方を含む金属から成ることを特徴とする。

本発明の気密端子において、好ましくは、前記第１の環状部材はモリブデンから成ることを特徴とする。

本発明の気密端子において、好ましくは、前記第２の環状部材は鉄−ニッケル−コバルト合金から成ることを特徴とする。

本発明の気密端子において、好ましくは、前記セラミック部材はアルミナ質セラミックスから成ることを特徴とする。

本発明の電子部品収納用パッケージは、上面に電子部品を収容するための凹部を有する基体と、前記ピンが前記凹部の内外に挿通するように設けられた上記構成の気密端子とを具備することを特徴とする。

本発明の電子装置は、上記構成の電子部品収納用パッケージと、前記凹部の底面に電子部品が載置固定され、前記ピンに接続された電子部品と、前記凹部を塞ぐように接合された蓋体とを具備していることを特徴とする。

本発明の気密端子によれば、第１の環状部材は、ピンおよび第２の環状部材よりも熱膨張係数が小さくかつ剛性が高いことから、第１の環状部材によってピンの熱膨張が第２の環状部材に伝わるのを遮ることができ、セラミック部材にピンとの熱膨張差による応力が加わり難くすることができる。その結果、セラミック部材がクラック等によって破損し難くなる。

本発明の気密端子において、好ましくは、ピンは銅または銀の少なくとも一方を含む金属から成ることから、ピンの電気抵抗値を低いものとできる。

本発明の気密端子において、好ましくは、第１の環状部材はモリブデンから成ることから、第１の環状部材を熱膨張係数が小さくかつ剛性が高いものとすることができる。

本発明の気密端子において、好ましくは、第２の環状部材は鉄−ニッケル−コバルト合金から成ることから、第２の環状部材の熱膨張係数がセラミック部材の熱膨張係数に近いものとなり、セラミック部材に作用する第２の環状部材との熱膨張差による応力を低減できる。また、第２の環状部材の熱伝導率を低いものとすることができ、ピンにジュール熱が発生してもセラミック部材に熱が伝わり難いものとすることができる。

本発明の気密端子において、好ましくは、セラミック部材はアルミナ質セラミックスからなることから、ピンを電気的に絶縁することができる。

本発明の電子部品収納用パッケージは、上面に電子部品を収容するための凹部を有する基体と、ピンが凹部の内外に挿通するように設けられた上記構成の気密端子とを具備することから、電気信号の抵抗損失が少なく、気密信頼性の高い電子部品収納用パッケージとすることができる。

本発明の電子装置は、上記構成の電子部品収納用パッケージと、凹部の底面に電子部品が載置固定され、ピンに接続された電子部品と、凹部を塞ぐように接合された蓋体とを具備していることから、作動性に優れた電子装置とすることができる。

本発明の気密端子および電子部品収納用パッケージならびに電子装置について以下に詳細に説明する。図１は本発明の気密端子の実施の形態の一例を示す断面図であり、図２は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。これらの図において、１は金属製のピン、21は中央部の貫通孔にピン１が挿通されるとともにピンの外周面にロウ付けされた第１の環状部材、22は中央部の貫通孔にピン１が挿通されるとともに第１の環状部材の外周部にロウ付けされた第２の環状部材、３は貫通孔３ａにピン１が挿通されるとともに第２の環状部材22がメタライズ層３ｂを介してロウ付けされたセラミック部材であり、これらにより気密端子が構成される。また、５は基体、５ａは基体５の上面に設けられた凹部、５ｂは凹部５ａの底面、６は凹部５ａに収容された電子部品、７はピン１と電子部品６の電極とを接続する電気的接続手段、８は凹部５ａを塞ぐように接合される蓋体であり、これらにより電子装置が形成される。

まず、本発明の気密端子について詳細に説明する。

本発明の気密端子は、貫通孔３ａが形成されるとともに貫通孔３ａの一方の開口の周囲に全周にわたって環状のメタライズ層３ｂが形成されているセラミック部材３と、メタライズ層３ｂの上面に、貫通孔３ａに中心軸を一致させるように下面がロウ付けされた金属製の第２の環状部材22と、第２の環状部材22の内周側の周辺部に、貫通孔３ａに中心軸を一致させるようにして下面がロウ付けされた金属製の第１の環状部材21と、貫通孔３ａおよび第１の環状部材21と第２の環状部材22に挿通されるとともに第１の環状部材21にロウ付けされた柱状の金属製のピン１とを具備している。

ピン１には、第１の環状部材21および第２の環状部材22に比べ電気抵抗値が小さい金属が用いられる。また、第１の環状部材21はピン１および第２の環状部材22に比べ熱膨張係数が小さくかつ剛性が高く変形し難い。第２の環状部材22はピン１および第１の環状部材21に比べ最もセラミック部材３と熱膨張係数が近いものが用いられる。

この構成により、ピン１は電気抵抗が小さく、大電流の電気信号を導通することができるとともに、セラミック部材３にピン１との熱膨張差による応力が加わり難くでき、セラミック部材３がクラック等によって破損し難いものとできる。したがって、気密信頼性の高い気密端子とすることができる。すなわち、セラミック部材３により区分される外部雰囲気側と内部雰囲気側とを遮断する気密端子として良好に機能し得るものとなる。

図１に示す気密端子は、半導体装置，半導体製造装置，電子機器等の電気装置の気密容器部分を構成する壁部等に取り付けられるセラミック部材３を備えている。これによって、気密容器部分を構成する壁部に貫通穴を設け、ピン１を壁部の貫通穴に挿通するとともに、この貫通穴の内周面または開口を塞ぐようにセラミック部材３を取り付けることにより、密閉された電気装置の内外に電気信号を導通させることができる。なお、気密容器の壁部がセラミックスであれば、その壁部をセラミック部材３として共用してもよい。

本発明の気密端子において、ピン１は第１の環状部材21および第２の環状部材22に比べ電気抵抗値が小さい導電性材料から成る柱状のものである。ピン１は、電気装置内外を電気的に接続するための端子として機能する。ピン１は必要に応じて複数本設けられ、セラミック部材３に設けられた各貫通孔３ａ内に適当な配置や間隔でもって配設される。複数本のピン１が同電位である場合は、共用の貫通孔３ａ、第１の環状部材21および第２の環状部材22に設けられたそれぞれの貫通孔に複数本設けてもよい。

ピン１となる導電性材料としては、Ｃｕ，Ａｇ，アルミニウム（Ａｌ）等の金属が挙げられる。これらは第１の環状部材21および第２の環状部材22に比べ電気抵抗値が小さい。

ピン１の電気抵抗値が小さいことから、ピン１に電気信号が流れる際にジュール熱の発生が少なくなり、ピン１が熱膨張するのを抑制することができる。その結果、電気信号が導通するたびにピン１が熱膨張を繰り返し、ピン１と第１の環状部材21との間に熱膨張差による応力が繰り返し作用するのを防止できる。

好ましくは、ピン１はＣｕまたはＡｇの少なくとも一方を含む金属からなるのがよい。より好ましくは、ピン１が純Ｃｕまたは純Ａｇからなるのがよい。これら金属は最も電気抵抗の小さい金属として知られているもので、ピン１の電気抵抗値を小さく抑えることが可能となる。なお、純Ｃｕの電気抵抗値は1.55×10^-8／Ω・ｍ、純Ａｇの電気抵抗値は1.47×10^-8／Ω・ｍである。

このピン１は、ピン１となる棒材に旋盤を用いた切削加工や金型を用いたプレス加工，押出し加工等の従来周知の金属加工を施すことによって形成される。

また、ピン１は、その表面にＮｉから成るめっき金属層を１〜10μｍの厚みに被着させておくとピン１が酸化腐食することを有効に防止することができる。

セラミック部材３の貫通孔３ａ内にピン１を固定するには、例えば図１に示すように、セラミック部材３にピン１の断面よりも大きな断面を有する貫通孔３ａを形成し、貫通孔３ａの一方の開口部周囲にＭｏ−Ｍｎ，タングステン（Ｗ）等から成るメタライズ層３ｂを被着させておくとともにこれにＮｉめっきを施し、このＮｉめっきが施されたメタライズ金属層３ｂの表面に、ピン１が挿通されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の金属からなる第２の環状部材22と、第２の環状部材22の上面に載置されるＭｏ等からなる第１の環状部材21とを載置し、これらをＡｇロウ等のロウ材によって接合する。

ここで、第１の環状部材21はピン１および第２の環状部材22に比べ熱膨張係数が小さくかつ剛性が高く変形し難い材料からなる。この構成により、ピン１を第１の環状部材21にロウ付け接合する際に、ピン１の熱膨張が第１の環状部材21より外側に伝わるのを第１の環状部材21が遮るので、セラミック部材３にピン１との熱膨張差による応力がそのまま作用するのを防ぐことができる。

好ましくは、第１の環状部材21はＭｏからなるのがよい。Ｍｏは、熱膨張係数が小さく、かつ剛性（縦弾性係数）が高いので、ピン１の熱膨張が第１の環状部材21より外側に伝わるのを抑えることができる。なお、Ｍｏの熱膨張係数は6.1×10^-６／Ｋ，縦弾性係数（ヤング率）が323.4ＧＰａである。

また第２の環状部材22はピン１および第１の環状部材21に比べ最もセラミック部材３と熱膨張係数が近い材料からなるのが好ましい。この構成により、第２の環状部材22よりセラミック部材３が受ける熱膨張差による応力を小さなものにすることができる。その結果、セラミック部材３がクラック等によって破損するのを抑制することができる。例えば、第２の環状部材22はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からなるのがよい。また、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金は、熱伝導率が低いので、ピン１にジュール熱が発生してもセラミック部材３に熱を伝え難くすることができる。なお、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の熱膨張係数は9.1×10^-６／Ｋ，熱伝導率は17Ｗ／ｍ・Ｋである。

環状部材２（以下、第１の環状部材21および第２の環状部材22を総称して環状部材２という）およびメタライズ層３ｂを介してピン１とセラミック部材３とをロウ付け接合し、ピン１とセラミック部材３とを接合するためのロウ材のメニスカスを良好に形成すれば、ピン１をセラミック部材３に気密かつ強固にロウ付け接合することができる。

セラミック部材３は、例えば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）質セラミックス等から成る絶縁性のものであり、電気装置との電気的絶縁を保ってピン１を保持する機能を有し、例えばＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスから成る場合、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化カルシウム（ＣａＯ）等のＡｌ_２Ｏ_３質セラミック原料粉末にポリビニルアルコール等のバインダを添加混合するとともに、これを所定形状のプレス型内に充填し、所定の圧力でプレスすることによりプレス成形体を得、しかる後、このプレス成形体を約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

または、Ａｌ_２Ｏ_３，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，ＣａＯ等の原料粉末に適当な有機バインダ，溶剤等を添加混合してスラリーと成す。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、所要の大きさに切断する。次に、複数のセラミックグリーンシートにおいて貫通孔３ａ等を形成するために適当な打抜き加工を施す。そして、これらのセラミックグリーンシートにタングステン（Ｗ）等の金属粉末を主成分とする金属ペーストを印刷塗布してメタライズ層３ｂ等の導体層となる印刷パターンを形成し、次いでこれらの印刷パターンを形成したセラミックグリーンシートを積層し、約1600℃の温度で焼成することによって製作される。

好ましくは、セラミック部材３はＡｌ_２Ｏ_３質セラミックスからなるのがよい。この構成により、セラミック部材３の強度を高いものとして破損し難くし、気密端子としての気密信頼性を向上させることができる。

なお、セラミック部材３を電気装置の金属壁にロウ付けするには、例えばセラミック部材３の外周面にＭｏ−Ｍｎから成るメタライズ金属層を被着させておくとともにこれにＮｉめっきを施し、このＮｉめっきが施されたメタライズ金属層と電気装置とをＡｇロウ等のロウ材を介してロウ付けする方法が採用される。

次に、本発明の電子部品収納用パッケージについて詳細に説明する。

本発明の電子部品収納用パッケージは、図２に示すように、上面に電子部品６を収容するための凹部５ａが形成された基体５と、ピン１が凹部５ａの内外に挿通するように設けられた上記構成の気密端子とを具備する構成である。

この構成により、本発明の気密端子を用いた電気信号を効率良く伝送でき、気密信頼性の高い電子部品収納用パッケージとすることができる。

図２においては、基体５が側壁３と底板４とが接合されて成る形態を示しているが、基体５は全体が一体のものとして形成されていてもよいし、側壁３と底板４とが別々に形成され両者が互いに接合されることで形成されていてもよい。また図２においては、気密端子のセラミック部材３が側壁３と一体となっている形態を示している。また、気密端子が側壁３に取り付けられた形態を示しているが、底板４に取り付けられていてもよく、パッケージ内外の導通を取るに最適な位置に取り付けられる。

基体５は全体が一体のものとして形成されている場合、底板４を側壁３と同様の材質からなるセラミック材料で形成し、基体５の全体をセラミックグリーンシート積層法によって効率良く製造することが可能となる。

また、側壁３と底板４とが別々に形成され両者が互いに接合される場合、底板４を金属によって形成することができ、底板４に搭載される高出力の電子部品６から発生する熱を外部に効率良く放散させることができる。底板４を形成する金属材料として、好ましくは、Ｃｕ−Ｗ，Ｃｕ−ＭｏやＣｕ−Ｃｒ等のＣｕを含む複合材料からなるのがよい。これらの材料は、Ｃｕを含有して熱伝導率が高く、熱膨張係数が側壁３の熱膨張係数に近い値を有する点で好ましい。金属からなる底板４は、金属のインゴットを圧延加工やプレス加工，切削加工等の金属加工を施すことにより所定形状に成形される。

なお、図２においては側壁３と一体に気密端子が設けられた例を示したが、気密端子のセラミック部材３と電子部品収納用パッケージの側壁とが別体で、気密端子のセラミック部材３が電子部品収納用パッケージの側壁に接合される形態であってもよい。この場合、側壁を金属で形成することができ、底板４と側壁の両方を金属で形成することも可能となる。底板４と側壁の両方を金属で形成することによって、電子部品６から発生する熱を底板４からだけでなく、底板４を介し側壁からも熱を放散させることができる。この結果、電子部品６から発生する熱をさらに効率よく熱放散させることができる。

またこの構成により、電子部品収納用パッケージの接地電位（ケースグランド）を強化することができる。従って、電子部品収納用パッケージ内に高周波信号で作動する電子部品６を載置する場合においても、高周波信号の伝送特性に優れる電子部品収納用パッケージとすることができる。

次に、本発明の電子装置について詳細に説明する。

本発明の電子装置は、図２に示すように、上記構成の電子部品収納用パッケージと、凹部５ａの例えば底面５ｂに載置固定された電子部品６と、基体５の上面に凹部５ａを塞ぐための蓋体８とを具備する。電子部品６の電極とピン１とは電気的接続手段７によって接続され、蓋体８が接合されることによって、電子部品６が凹部５ａに封止されている。

この構成により、本発明の電子部品収納用パッケージを用いた、作動性に優れた電子装置とすることができる。

電子部品６としては、例えば、ダイオード，ＦＥＴ，ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴ，サイリスター等の大電流の電気信号で作動する大電力用の電子部品６が例示される。電子部品６は、基体５の凹部５ａの底面５ｂにＡｕ−錫（Ｓｎ）半田，Ａｕ−ゲルマニウム（Ｇｅ）半田等の半田やＡｇ−Ｃｕロウ等のロウ材を介して載置固定され、電子部品６の電極がピン１にボンディングワイヤ等の電気的接続手段７を介して電気的に接続される。なお、電子部品６は底面５ｂに載置固定される場合を示したが、凹部５ａ内のどこに収容されていてもよい。例えば、回路基板の上に搭載されていてもよい。

電気的接続手段７としては、ピン１と電子部品６とを低抵抗で接続するために、直径が300μｍ〜500μｍと比較的大きな直径を有するボンディングワイヤを用いるのがよい。このような電気的接続手段７としてのボンディングワイヤは、例えば、Ａｌ，Ａｕ等から成るのがよい。ボンディングワイヤは、図２に示すように、１本のピン１に対して複数設けるのがよく、この構成により、より低抵抗での接続ができる。また、電気的接続手段７には、ボンディングワイヤに限らず、銅線をハンダ付けした電気的接続手段７や断面積の大きいリボンワイヤ等が用いられてもよい。なお、ピン１の電気的接続手段７との接続部は偏平に成形しておくとよい。

最後に、基体５の上面に凹部５ａの内側を塞ぐようにして金属やセラミックス等からなる蓋体８が接合されることによって本発明の電子装置となる。

なお、本発明は上記実施の形態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種々の変更を施すことは何等差し支えない。

例えば、図１において、第１の環状部材21，第２の環状部材22を平板状の環状部材２として示したが、例えば、筒状に成形されたものであってもよい。筒状に成形することにより、熱膨張による歪がセラミック部材３に伝わり難いものとできる。

また、第１の環状部材21が第２の環状部材22の上面に接合される例を示したが、第２の環状部材22の下面に接合されてもよい。第１の環状部材21を第２の環状部材22の下面に接合し、貫通孔３ａ内に収納すれば、小形な気密端子とすることができる。

また、第２の環状部材22がセラミック部材３の上面に接合される例を示したが、第２の環状部材22は貫通孔３ａの内周面に接合されてもよい。第２の環状部材22を貫通孔３ａ内に接合し、貫通孔３３ａ内に収納するようにすれば、小形な気密端子とすることができる。

本発明の気密端子の実施の形態の一例を示す断面図である。 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。 従来の気密端子の例を示す断面図である。

符号の説明

１：ピン
２：環状部材
２１：第１の環状部材
２２：第２の環状部材
３：セラミック部材（側壁）
３ａ：貫通孔
３ｂ：メタライズ層
５：基体
５ａ：凹部
５ｂ：底面
６：電子部品
７：電気的接続手段
８：蓋体

Claims (7)

1. 金属製のピンと、
   該ピンが挿通されるとともに該ピンの外周面にロウ付けされた第１の環状部材と、
   前記ピンが挿通されるとともに前記第１の環状部材の外周部にロウ付けされた第２の環状部材と、
   前記ピンが挿通されるとともに前記第２の環状部材の外周部にメタライズ層を介してロウ付けされたセラミック部材とを具備しており、
   前記第１の環状部材は、前記ピンおよび前記第２の環状部材よりも熱膨張係数が小さくかつ剛性が高いことを特徴とする気密端子。
2. 前記ピンは銅または銀の少なくとも一方を含む金属から成ることを特徴とする請求項１記載の気密端子。
3. 前記第１の環状部材はモリブデンから成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気密端子。
4. 前記第２の環状部材は鉄−ニッケル−コバルト合金から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の気密端子。
5. 前記セラミック部材はアルミナ質セラミックスから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の気密端子。
6. 上面に電子部品を収容するための凹部を有する基体と、前記ピンが前記凹部の内外に挿通するように設けられた請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の気密端子とを具備する電子部品収納用パッケージ。
7. 請求項６に記載の電子部品収納用パッケージと、前記凹部に載置固定され、前記ピンに接続された電子部品と、前記凹部を塞ぐように接合された蓋体とを具備した電子装置。

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