JP6208543B2

JP6208543B2 - パッケージおよび電子装置

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Publication number: JP6208543B2
Application number: JP2013226958A
Authority: JP
Inventors: 乙丸　秀和; 秀和乙丸
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-10-31
Also published as: JP2015088660A

Description

本発明は、凹部と、凹部内に形成された真空センサとを有するパッケージおよび電子装置に関するものである。

従来から、赤外線センサ、半導体素子、水晶振動子等の電子部品を収納するための電子部品収納用パッケージ（以下、単に「パッケージ」と称する）が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなパッケージの搭載部に電子部品を装着し、かつ搭載された電子部品を気密に封止するための蓋体をパッケージの上面に封止材を介して接合することによって、電子装置が構成される。なお、電子部品が収容される空間（収容空間）は、例えば、真空ポンプ等によって真空状態にされる。このような電子装置は、検出機器、携帯電話、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置の部品として使用される。

特開2007−95956号公報

ところで、装着部に装着された電子部品の特性や信頼性を向上するためには、上記の収容空間は、可能な限り真空状態にあることが好ましい。しかしながら、電子部品が気密に封止され、収容空間が真空状態になった後において、電子部品や絶縁基体、接続部材から生じるガス等によって、収容空間の真空度が徐々に低下する可能性がある。収容空間の真空度が低下すると、装着部に装着された電子部品の特性や信頼性が低下する。例えば、電子部品が赤外線センサである場合に、収容空間の真空度が低下すると、外部から熱が伝わり易くなるので、検出感度が低下する。また、例えば、電子部品が水晶振動子である場合に、収容空間の真空度が低下すると、発振特性が低下する。すなわち、真空度が低下すると、赤外線センサや水晶振動子の振動が妨げられるために、特性や信頼性が低下する。したがって、上記の収容空間が真空状態であるか検出する必要がある。

本発明の一つの態様によるパッケージは、平面視で矩形状の凹部を有する絶縁基体と、該凹部の底面に設けられた、電子部品が搭載される搭載部と、前記凹部の底面または内壁に設けられたヒーターと、該ヒーターと離間して前記凹部の底面または内壁に設けられた測温用金属層と、前記ヒーターおよび前記測温用金属層と離間して前記凹部の底面または内壁に設けられたゲッターと、前記絶縁基体の外表面に設けられ、前記ヒーターに接続されたヒーター用端子と、前記絶縁基体の外表面に設けられ、前記測温用金属層に接続された測温用端子と、前記絶縁基体の外表面に設けられ、前記ゲッターに接続されたゲッター用端子とを有しており、前記凹部は、第１の内壁および該第１の内壁に対向する第２の内壁および前記第１の内壁と前記第２の内壁との間の第３の内壁および第４の内壁を有し、平面視において、前記ヒーターおよび前記測温用金属層は前記第３の内壁側に設けられ、前記ゲッターは前記第３の内壁に対向する前記第４の内壁側に設けられている。

本発明の他の態様による電子装置は、上記構成のパッケージと、前記搭載部に搭載された前記電子部品と、前記凹部を封止した蓋体とを有する。

本発明の一つの態様によるパッケージは、平面視で矩形状の凹部を有する絶縁基体と、凹部の底面に設けられた、電子部品が搭載される搭載部と、凹部の底面または内壁に設けられたヒーターと、ヒーターと離間して凹部の底面または内壁に設けられた測温用金属層と、ヒーターおよび測温用金属層と離間して凹部の底面または内壁に設けられたゲッターと、絶縁基体の外表面に設けられ、ヒーターに接続されたヒーター用端子と、絶縁基体の外表面に設けられ、測温用金属層に接続された測温用端子と、絶縁基体の外表面に設けられ、ゲッターに接続されたゲッター用端子とを有しており、凹部は、第１の内壁および第１の内壁に対向する第２の内壁および第１の内壁と第２の内壁との間の第３の内壁および第４の内壁を有し、平面視において、ヒーターおよび測温用金属層は第３の内壁側に設けられ、ゲッターは第３の内壁に対向する第４の内壁側に設けられていることから、凹部を封止した後に、収容空間が真空状態であるか検出することが可能なものとなる。

本発明の他の態様による電子装置は、上記構成のパッケージを有していることから、電子部品の特性、信頼性が向上された電子装置を提供することができる。

（ａ）は本発明の実施形態の電子装置における蓋体を除いた平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す電子装置のＡ−Ａ線における断面図である。（ａ）は本発明の実施形態の電子装置の他の例における蓋体を除いた平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示す電子装置のＡ−Ａ線における断面図である。

本発明の実施形態のパッケージを添付の図面を参照して説明する。以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にパッケージ等が使用される際の上下を限定するものではない。

電子装置はパッケージ１と電子部品11と蓋体２とを有している。

パッケージ１は、絶縁基体６と、搭載部３と、真空センサ５を構成するヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂと、ヒーター用端子８ａと、測温用端子８ｂとを有している。

上記の電子部品11としては、例えば、赤外線センサ、半導体素子、水晶振動子等である。なお、電子部品２は、これに限らず、例えば、半導体レーザダイオード、フォトダイオード等であってもよい。

絶縁基体６は凹部４を有しており、凹部４の底面には電子部品11が搭載される搭載部３が設けられている。

絶縁基体６は、例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体等のセラミック焼結体によって形成されている。絶縁基体６は、このようなセラミック焼結体からなる複数の絶縁層が積層されて形成されていてもよい。

絶縁基体６は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体からなる複数の絶縁層が積層されて形成されている場合であれば、以下の方法で製作することができる。まず、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウムおよび酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダーおよび溶剤等を添加混合して泥漿状とし、これをドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状に成形してセラミックグリーンシートを得て、セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともにこれを必要に応じて複数枚積層し、高温（約1600℃）で焼成することによって製作される。

また、絶縁基体６は凹部４に形成された真空センサ５を有している。真空センサ５は、ヒーター５ａと測温用金属層５ｂから構成されており、凹部４の底面または内壁に互いに離間して設けられている。また、絶縁基体６の外表面には、ヒーター５ａを電源に電気的に接続するためのヒーター用端子８ａと、測温用金属層５ｂを測温装置に電気的に接続するための測温用端子８ｂとが設けられている。

この真空センサ５は、凹部４内の真空度を直接測定するものではなく、以下の２つの方法によって凹部４内の気体の圧力すなわち真空度が算出される。この２つの方法を組み合わせることにより、広い範囲の圧力の検出が可能となる。

第１の方法では、ヒーター５ａを発熱させ、測温用金属層５ｂを介して測温装置で凹部４内の温度を測定する。この測定された温度は、ヒーター５ａによる発熱量から凹部４内の気体分子によって奪われた熱量を差し引いた熱量によって得られるものであるので、気体分子に吸収された熱量が推定される。この気体が吸収した熱量から凹部４内の気体の圧力が算出され、真空度が得られる。この方法では、１×１０^−１〜１０^３Ｐａの圧力が検出可能である。測定された温度から真空度を算出するための処理装置を接続することで自動的に真空度を得ることができる。

第２の方法では、ヒーター用端子８ａにヒーター５ａを発熱させるために印加する電圧および電流を測定する装置を接続し、電流を一定に保って電圧の変化を測定する。電流を一定にした状態で電圧が上昇した場合は、凹部４内の気体による熱損失によりヒータに印加するエネルギーが増加したことになり、この増加したエネルギーから気体が吸収した熱量が推定される。そして、上記方法と同様にこの熱量から凹部４内の気体の圧力が算出され、真空度が得られる。この方法では、１×１０^−３〜１０^−１Ｐａの圧力が検出可能である。測定された電流および電圧から真空度を算出するための処理装置を接続することで自動的に真空度を得ることができる。

パッケージ１は、以上のような構成としたことから、凹部４を蓋体２により封止した後の凹部４内の空間の真空状態を検出することが可能なものとなる。

真空センサ５を構成するヒーター５ａと測温用金属層５ｂは、平面視でヒーター５ａと測温用金属層５ｂとで搭載部３を挟まない位置に設けられているのが好ましい。このような構成にすると、ヒーター５ａと測温用金属層５ｂの間には凹部４内の気体のみが存在するものとなり、５ａからの熱が電子部品11を介して測温用金属層５ｂに伝わることがないので、ヒーター５ａと測温用金属層との間における気体が吸収した熱量をより正確に検出してより正確な真空度を得ることができる。

また、凹部４が平面視で方形状であり、ヒーター５ａは第１の内壁４ａまたは底面の第１の内壁４ａに近い位置に設けられ、測温用金属層５ｂは第１の内壁４ａに対向する第２の内壁４ｂまたは底面の第２の内壁４ｂに近い位置に設けられているのが好ましい。このような構成にすると、ヒーター５ａと測温用金属層５ｂとの間の空間が大きく、ヒーター５ａと測温用金属層５ｂの間に存在する気体の量が多いので、ヒーター５ａと測温用金属層との間における気体が吸収した熱量をより正確に検出してより正確な真空度を得ることができる。

また、図２に示す例のように、ヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂと離間して凹部４の底面または内壁に設けられたゲッター９と、絶縁基体６の外表面に設けられ、ゲッター９に接続されたゲッター用端子９ａとを有しているのが好ましい。このような構成にすると、真空センサ５で凹部４内の真空度を検出した結果、真空状態となっていない（低真空である）場合には、ゲッター用端子を介して外部からゲッター９に電流を印加してゲッター９を加熱することによりゲッター９を活性化させ、凹部４内の気体分子をゲッター９に吸着させて真空度を高めることができる。

ゲッター９は、平面視でヒーター５ａと測温用金属層５ｂとで挟まれない位置に設けられているのが好ましく、ヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂからできるだけ離れた位置に配置するのがより好ましい。より具体的には、図２（ａ）に示す例のように、ヒーター５ａは第１の内壁４ａまたは底面の第１の内壁４ａに近い位置に設けられ、測温用金属層５ｂは第１の内壁４ａに対向する第２の内壁４ｂまたは底面の第２の内壁４ｂに近い位置に設けられており、かつヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂは、第１の内壁４ａと第２
の内壁４ｂの間の第３の内壁４ｃ側に設けられ、ゲッター９は第３の内壁に対向する第４の内壁４ｄまたは底面の第４の内壁４ｄに近い位置に設けられるのが好ましい。ヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂがゲッター９から離れていることから、より正確な真空度を得ることができる。

真空センサ５を構成するヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂは、例えば白金等からなり、次のようにして絶縁基体６の凹部４の底面または内壁に形成することができる。まず、白金の金属粉末に適当な有機バインダーおよび溶媒等を添加混合して得た真空センサ５用の導体ペーストを、絶縁基体６となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法等によって所定のパターンに印刷塗布して、絶縁基体６となるセラミックグリーンシートと同時に焼成することによって、絶縁基体６の凹部４の底面または内壁に被着形成される。

なお、ヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂとなる導体ペーストについて、一回の印刷で所定の厚みにまで印刷せずに、複数回に分けて印刷するようにしてもよい。また、各回の印刷後に、その印刷した導体ペーストを加圧するようにしてもよい。

絶縁基体６の外表面には、ヒーター５ａと貫通導体７を介して電気的に接続されるヒーター用端子８ａと、測温用金属層５ｂと貫通導体７を介して電気的に接続される測温用端子８ｂとが設けられている。ヒーター用端子８ａおよび測温用端子８ｂは、例えば、絶縁基体６の表面のうちヒーター用端子８ａおよび測温用端子８ｂが設けられている表面部分と反対側の表面（下面）に設けられている。なお、貫通導体７だけに限らず、絶縁基体６の内部または表面に設けられた配線導体層（図示せず）を介してヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂとヒーター用端子８ａおよび測温用端子８ｂを接続しても構わない。

ヒーター用端子８ａ、測温用端子８および貫通導体７等の配線導体は、例えばヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂと同様に白金等からなるものでもよく、他の金属材料からなるものでもよい。この金属材料は、例えば白金イリジウム合金やタングステン、モリブデン、ニオビウム、銀、パラジウム等であり、絶縁基体６となるセラミックグリーンシートとの同時焼成が可能な材料であることが望ましい。

貫通導体７は、例えば絶縁基体６となるセラミックグリーンシートに機械的な打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔あけ加工を施して貫通孔を設け、この貫通孔内に上記のような金属材料の導体ペーストを充填し、その後同時焼成することによって形成することができる。

また、絶縁基体６の下面または側面等の外表面にはパッケージ１を外部電気回路に電気的に接続するための外部電極が設けられており、パッケージ１内に形成された導電路が接続されている。外部電極は、ヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂと同様の材料および形成方法により作製される。

ヒーター５ａ、測温用金属層５ｂ、ヒーター用端子８ａ、測温用端子８ｂ外部電極および配線導体層の露出する表面には、さらに電解めっき法または無電解めっき法によって金属めっき層が被着されている。金属めっき層は、ニッケル，銅，金または銀等の耐食性や接続部材との接続性に優れる金属から成るものであり、例えば、厚さ0.5〜５μｍ程度の
ニッケルめっき層と0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが、あるいは厚さ１〜10μｍ程度の
ニッケルめっき層と0.1〜１μｍ程度の銀めっき層とが、順次被着される。これによって
、ヒーター５ａ、測温用金属層５ｂ、ヒーター用端子８ａ、測温用端子８ｂ外部電極および配線導体層が腐食することを効果的に抑制できるとともに、外部電極と外部電気回路との接合を強固にできる。

また、上記以外の金属からなる金属めっき層、例えば、パラジウムめっき層等を介在させていても構わない。

ゲッター９は、化学的に活性な部材を用いる。例えば、チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ），鉄（Ｆｅ）およびバナジウム（Ｖ）を主成分とする金属を用いることができる。また、ゲッター搭載用電極（図示せず）が凹部４の底面に設けられ、その上にゲッター９をろう材等を用いて接合する。ゲッター搭載用電極は、ゲッター用端子９ａと貫通導体７によって電気的に接続されている。また、ゲッター用端子９ａは、ヒーター５ａおよび測温用金属層５ｂと同様の材料で同様に形成される、同様に金属めっき層が被着されている。

上記のパッケージ１の真空センサ５に、例えば赤外線センサまたは固体撮像素子、発光素子等の半導体素子または水晶振動子、半導体レーザダイオード、フォトダイオード等の電子部品11が接合されるように搭載されることによって電子装置となる。

電子装置は以下のような工程によって作製することができる。まず、上述したパッケ
ージ１の搭載部３に電子部品11を搭載する。電子部品11を固定すると主に電子部品11の電極と搭載部３に設けられた接続電極（図示せず）とを接続する。この接続は、バンプによるフリップチッブ接続や金ワイヤーによるワイヤーボンディングなどの接続方法を用いればよい。

次に、電子部品11が搭載されたパッケージ１の凹部４を塞ぐように蓋体２を絶縁基体６に接合して、凹部４内の空間を気密封止する。蓋体２は、金属、セラミックス、ガラス、樹脂等からなる板状またはキャップ状のものである。蓋体２は、パッケージ１を構成する絶縁基体６の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有するものが好ましく、例えば絶縁基体６が酸化アルミニウム質焼結体から成り、金属から成る蓋体２を用いる場合であれば、Ｆｅ−Ｎｉ（鉄−ニッケル）合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ（鉄−ニッケル−コバルト）合金等から成るものを用いればよい。電子部品11が固体撮像素子や発光素子である場合には、蓋体２として、ガラス、樹脂等からなる透光性の板材から成るものだけでなく、ガラス、樹脂等からなる透光性のレンズ、あるいはレンズが取り付けられた蓋体２を用いてもよい。

パッケージ１と蓋体２との接合は、ろう材等の封止材を用いて行う。パッケージ１の凹部４の周囲の絶縁基体６の上面には、封止材が接合される封止用金属層が設けられる。封止材としては、例えば、プリフォームされたもの、蓋体２にクラッドされたものまたはペースト状のものを用いることができる。また、このような封止材は、パッケージ１と蓋体４との接合面に配置してもよいし、ペースト状とした封止材を用いて印刷法によってパッケージ１と蓋体２との接合面に配置してもよい。そして、パッケージ１と蓋体２との接合面に配置された封止材を、赤外線のランプヒータ，ヒータブロックまたはヒータープレート等を用いて加熱して溶融させることによって、パッケージ１と蓋体４とを封止材を介して接合することができる。

このとき、真空中で蓋体２を接合することにより、凹部４内の空間が真空の状態で封止された電子装置となる。そして、本実施形態のパッケージ１は凹部４内にヒーター５ａと測温用金属層５ｂを有していることから、凹部４を封止した後に凹部４内の空間が真空状態であるかどうかを検査することができる。

真空状態の検査は、上述したように、ヒーター用端子８ａに電源を接続してヒーター５ａを昇温させ、測温用端子８ｂに測温装置を接続して測温用金属層５ｂ上の気体の温度を測定すること、およびヒーター用端子８ａにヒーター５ａを発熱させるために印加する電
圧および電流を測定する装置を接続し、電流を一定に保って電圧の変化を測定することによって行われる。

この検査によって真空度の低い電子装置を取り除くことができる。パッケージ１が上述した、ゲッター９およびゲッター用端子９ａを備えている場合は、真空度の低い電子装置のゲッター用端子９ａに電源を接続してゲッター９を加熱することでゲッター９を活性化し、凹部４内のガスを吸着させることができる。これにより、凹部４内の真空度を高めることができる。その後、再度真空度の検査を行ない、真空度が高まった電子装置を良品とすることができる。

このようにして作製された電子装置は、各種のセンサ、コンピュータ、通信機等の各種の電子機器に部品として実装されて使用される。この実装は、絶縁基体の上面に電子部品11が搭載され、外部電極とろう材等の導電性接続材を介して電気的に接続されることによって行なわれる。

１・・・パッケージ
２・・・蓋体
３・・・搭載部
４・・・凹部
４ａ・・第１の内壁
４ｂ・・第２の内壁
４ｃ・・第３の内壁
４ｄ・・第４の内壁
５・・・真空センサ
５ａ・・ヒーター用金属層
５ｂ・・測温用金属層
６・・・絶縁基体
８ａ・・ヒーター用端子
８ｂ・・測温用端子
９・・・ゲッター
９ａ・・ゲッター用端子

Claims

平面視で矩形状の凹部を有する絶縁基体と、
該凹部の底面に設けられた、電子部品が搭載される搭載部と、
前記凹部の底面または内壁に設けられたヒーターと、
該ヒーターと離間して前記凹部の底面または内壁に設けられた測温用金属層と、
前記ヒーターおよび前記測温用金属層と離間して前記凹部の底面または内壁に設けられたゲッターと、
前記絶縁基体の外表面に設けられ、前記ヒーターに接続されたヒーター用端子と、
前記絶縁基体の外表面に設けられ、前記測温用金属層に接続された測温用端子と、
前記絶縁基体の外表面に設けられ、前記ゲッターに接続されたゲッター用端子とを有しており、
前記凹部は、第１の内壁および該第１の内壁に対向する第２の内壁および前記第１の内壁と前記第２の内壁との間の第３の内壁および第４の内壁を有し、
平面視において、前記ヒーターおよび前記測温用金属層は前記第３の内壁側に設けられ、前記ゲッターは前記第３の内壁に対向する前記第４の内壁側に設けられていることを特徴とするパッケージ。
前記ヒーターと前記測温用金属層は、平面視で前記ヒーターと前記測温用金属層とで前記搭載部を挟まない位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
前記ヒーターは前記第１の内壁または前記底面の前記第１の内壁に近い位置に設けられ、
前記測温用金属層は前記第２の内壁または前記底面の前記第２の内壁に近い位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のパッケージ。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパッケージと、
前記搭載部に搭載された前記電子部品と、
前記凹部を封止した蓋体とを有することを特徴とする電子装置。