(57)【要約】【課題】セラミックパッケージをプリント基板に容易に表面実装で接合でき、熱膨張係数差があっても接合信頼性が高く、安価な表面実装型セラミックパッケージを提供する。【解決手段】実装用プリント基板２０に半田接合するためのピン部１３と鍔部１４を備える鍔付きピン１５をセラミック基材１１にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージ１０であって、鍔付きピン１５が鍔部１４にピン部１３の一方の端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、ピン部１３側がセラミック基材１１に対して実質的に垂直に接合され、しかも、鍔部１４側がプリント基板２０に接合される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装用プリント基板に半田接合するためのピン部と鍔部を備える鍔付きピンをセラミック基材にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージであって、
前記鍔付きピンが前記鍔部に前記ピン部の一方の端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、前記ピン部側が前記セラミック基材に対して実質的に垂直に接合され、しかも、前記鍔部側が前記プリント基板に接合されることを特徴とする表面実装型セラミックパッケージ。
【請求項２】
実装用プリント基板に半田接合するためのピン部と鍔部を備える鍔付きピンをセラミック基材にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージであって、
前記鍔付きピンが２つの前記鍔部のそれぞれに前記ピン部の両方のそれぞれの端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、一方の前記鍔部側が前記セラミック基材に接合され、しかも、他方の前記鍔部側が前記プリント基板に接合されることを特徴とする表面実装型セラミックパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、パッケージ内部に半導体素子等の電子部品を収納し、実装用プリント基板に表面実装する表面実装型セラミックパッケージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を収納して気密に封止するためには、セラミックや、樹脂や、あるいは金属等からなる電子部品収納用のパッケージが多く用いられている。そして、電子部品が搭載されたこのようなパッケージは、樹脂板等からなるプリント基板に実装されて各種電子装置に組み込まれ、電子装置を機能させるために使用されている。電子部品収納用のパッケージの中でも特に信頼性の高いものが要求される場合には、図４に示すように、例えば、上面に電子部品５１を収納するためのキャビティ部５２を設け、裏面側にプリント基板５３に接続するための外部接続端子パッド５４を設けるセラミックからなる表面実装型セラミックパッケージ５０がある。なお、この表面実装型セラミックパッケージ５０は、キャビティ部５２に半導体素子等からなる電子部品５１が接合された後、ボンディングワイヤ５５で電子部品５１と外部接続端子パッド５４とを電気的に導通状態とした後、蓋体５６をキャビティ部５２の上面を覆うように接合して電子部品５１を気密に封止している。そして、表面実装型セラミックパッケージ５０は、外部接続端子パッド５４がプリント基板５３に形成された配線パターン５８に半田５７で直接接合されている。
【０００３】
このような表面実装型セラミックパッケージには、プリント基板との接合形態において、上記以外に、例えば、図５に示すように、外部接続端子パッド５４とプリント基板５３に形成された配線パターン５８との間に、Ｃｕや、高温半田等からなるボール５９を介して半田５７で接合して形成する表面実装型セラミックパッケージ５０ａがある。
【０００４】
また、セラミックパッケージを熱膨張係数の差が大きいプリント基板に実装するためには、熱応力の集中しやすいピンの周囲にダミーのピンを設けたり、熱応力が集中しやすいピンを熱応力の集中し難いピンよりも軟質にして実装信頼性を向上させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１３０９０９号公報（第１−５頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の表面実装型セラミックパッケージは、次のような問題がある。
セラミックパッケージのセラミックが、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の場合には、熱膨張係数が５．５ｐｐｍ／℃（−６５℃〜１５０℃において）で、プリント基板の樹脂が、例えば、ＦＲ−４の場合には、熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃であるので、セラミックパッケージとプリント基板間の熱膨張係数差が大きくなり、半田接合時の温度で半田接合部に塑性変形による歪みが生じ、温度サイクル試験等の信頼性試験においる半田接合部の疲労破壊によって、クラックや、割れを発生させる場合がある。通常、この歪みεは、パッケージの中心からの距離をｍ（図４参照）、パッケージとプリント基板との間隔をｈ、熱膨張係数差をΔα、温度変化量をΔＴとしたときに、ε≒ｍ×Δα×ΔＴ／ｈで表される。この歪みεを低減するための方法には、▲１▼パッケージの長さ２×ｍを小さくする。▲２▼パッケージとプリント基板との間隔ｈを拡大して接合部に柔軟性を持たせる。▲３▼熱膨張係数差Δαを低減する。▲４▼パッケージとプリント基板との間に絶縁樹脂を充填して応力を分散させる等が考えられる。また、接合部が断線状態となるまでの時間を延ばすには、▲５▼プリント基板と接続端子の接合面積を大きくする方法が考えられる。しかしながら、▲１▼のパッケージの大きさの制限には、設計上の限界があり、▲３▼の熱膨張係数差の低減は、選択される材料で決定され、▲４▼の絶縁樹脂の充填は、コストアップの問題があり、これらについては、歪みの低減方法として採用することが難しい。
【０００７】
そこで、従来のパッケージの形態について、上記歪みの考え方を加味して整理すると次のような問題がある。
（１）表面実装型セラミックパッケージの外部接続端子パッドと、プリント基板を直接半田を介して接合する場合には、熱膨張係数差から発生する半田接合部の歪みを吸収するための▲２▼のパッケージとプリント基板との間隔ｈの部分がなく、半田接合部にクラックや割れ等が発生しやすい。
（２）表面実装型セラミックパッケージの外部接続端子パッドと、プリント基板をＣｕや、高温半田等からなるボールで接合する場合には、ボールが柔軟性のある材料であっても、形状的に剛性が高い構造であるので、熱膨張係数差から発生する歪みをボールで吸収するすることが難しく、半田接合部にクラックや割れ等が発生しやすい。
（３）熱応力の集中しやすいピンの周囲にダミーのピンを設ける場合には、パッケージ面積の中でのピン立設密度が高くなっている最近のパッケージにおいて、ダミーのピンを設ける場所がなくなってきている。また、歪みが集中しやすい部位に設けるピンを、歪みが集中し難い部位に設けるピンよりも軟質のものとする場合には、２種類のピンを使い分ける必要があり、表面実装型セラミックパッケージのコストアップとなる。更に、ピンの先端をプリント基板に実装する場合は、プリント基板に設けた孔にピンの先端を差し込むのが一般的で、細いピンの先端を表面実装して半田で接合させることが難しい。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、セラミックパッケージをプリント基板に容易に表面実装で接合でき、熱膨張係数差があっても接合信頼性が高く、安価な表面実装型セラミックパッケージを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う第１の発明に係る表面実装型セラミックパッケージは、実装用プリント基板に半田接合するためのピン部と鍔部を備える鍔付きピンをセラミック基材にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージであって、鍔付きピンが鍔部にピン部の一方の端部を実質的に垂直構造に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、ピン部側がセラミック基材に対して実質的に垂直に接合され、しかも、鍔部側がプリント基板に接合される。これにより、セラミックとプリント基板との熱膨張係数差から発生する半田接合部の歪みを鍔付きピンのピン部で吸収できるので、半田接合部のクラックや割れ等の発生を防止できる。また、鍔付きピンの鍔部で容易に表面実装ができ、しかも、鍔付きピンのピン部の径を細くして立設密度を従来のままに維持できるので、安価で接合信頼性を向上することができる。
【００１０】
前記目的に沿う第２の発明に係る表面実装型セラミックパッケージは、実装用プリント基板に半田接合するためのピン部と鍔部を備える鍔付きピンをセラミック基材にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージであって、鍔付きピンが２つの鍔部のそれぞれにピン部の両方のそれぞれの端部を実質的に垂直構造に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、一方の鍔部側がセラミック基材に接合され、しかも、他方の鍔部側がプリント基板に接合される。これにより、セラミックとプリント基板との熱膨張係数差から発生する半田接合部の歪みを鍔付きピンのピン部で吸収できるので、半田接合部のクラックや割れ等の発生を防止できる。また、鍔付きピンの鍔部で容易に表面実装ができ、しかも、鍔付きピンのピン部の径を細くして立設密度を従来のままに維持できるので、安価で接合信頼性を向上することができる。更に、セラミックと鍔付きピンの接合部も鍔付きピンの鍔部で接合されるので、セラミックに容易に接合でき、接合強度を高くすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第１の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージのＡ−Ａ’線縦断面図、下面側平面図、図２は第２の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージの縦断面図である。
【００１２】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージ１０は、酸化アルミニウムや、窒化アルミニウム等のセラミックからなるセラミック基材１１を支持体としている。このセラミック基材１１の上面側には、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品が搭載できる、例えば、平板面（図示せず）であったり、キャビティ部１２を有しているものがある。また、このセラミック基材１１の下面側には、ＦＲ−４等の樹脂からなるプリント基板２０に形成された配線パターン２１に半田で接合して表面実装ができるようにするためのピン部１３と鍔部１４を備える鍔付きピン１５を、セラミック基材１１に形成された外部接続端子パッド１６に、例えば、Ａｇ−Ｃｕろう等からなるろう材１７でろう付け接合して有している。
【００１３】
この鍔付きピン１５は、ピン部１３が実質的に円柱体であり、鍔部１４がピン部１３の径より大きい面積からなる円柱板、又は多角柱板であり、鍔部１４にピン部１３の一方の端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ、又はＣｕ合金部材で形成されている。そして、セラミック基材１１に形成された外部接続端子パッド１６には、鍔付きピン１５のピン部１３側が外部接続端子パッド１６に対して実質的に垂直に接合され、しかも、プリント基板２０に形成された配線パターン２１には、表面実装形式で鍔付きピン１５の鍔部１４側が接合される。なお、Ｃｕ、又はＣｕ合金部材からなる鍔付きピン１５は、Ｃｕ、又はＣｕ合金部材が軟質で延性に富み、塑性を有する弾塑性部材であるので、歪みの吸収が容易であると共に、ピン部１３の径を細くすることができる。そして、この細くなった分によって、鍔部１４の大きさは、従来から用いられているピン径と同等程度にすることができるので、パッケージの面積に対してピンの立設密度を従来の程度に維持することができる。
【００１４】
図２に示すように、第２の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージ１０ａは、第１の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージ１０の場合と同様に、酸化アルミニウムや、窒化アルミニウム等のセラミックからなるセラミック基材１１を支持体としている。このセラミック基材１１の上面側には、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品が搭載できる載置部を備えている。また、このセラミック基材１１の下面側には、プリント基板２０に形成された配線パターン２１に表面実装ができるようにするためのピン部１３と２つの鍔部１４、１４ａを備える鍔付きピン１５ａを、外部接続端子パッド１６に、ろう材１７でろう付け接合して有している。この鍔付きピン１５ａは、ピン部１３が実質的に円柱体で、鍔部１４、１４ａがピン部１３の径より大きい面積からなる円柱板、又は多角柱板で、２つの鍔部１４、１４ａにピン部１３の両方のそれぞれの端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ、又はＣｕ合金部材で形成されている。そして、セラミック基材１１に形成された外部接続端子パッド１６には、鍔付きピン１５ａの一方の鍔部１４ａ側が外部接続端子パッド１６に、例えば、Ａｇ−Ｃｕろう等でろう付け接合されている。また、プリント基板２０に形成された配線パターン２１には、表面実装形式で鍔付きピン１５ａの他方の鍔部１４側が半田で接合される。
【００１５】
次いで、表面実装型セラミックパッケージ１０、１０ａの製造方法を説明する。これらの表面実装型セラミックパッケージ１０、１０ａに用いられるセラミック基材１１の製造方法は、セラミックが、例えば、酸化アルミニウムからなる場合であれば、先ず、酸化アルミニウム粉末にマグネシア、シリカ、カルシア等の焼結助剤を適当量加えた粉末に、ジオクチルフタレート等の可塑剤と、アクリル樹脂等のバインダー、及びトルエン、キシレン、アルコール類等の溶剤を加え、十分に混練して脱泡し、粘度２０００〜４００００ｃｐｓのスラリーを作製している。次に、ドクターブレード法等によって、例えば、厚み０．２５ｍｍのロール状のシートに形成し、適当なサイズの矩形状に切断したセラミックグリーンシートを作製している。次に、複数枚のセラミックグリーンシートには、上下層を電気的に導通させるためのスルーホールや、キャスタレーション用の孔、及び、キャビティ部１２を有する場合には、キャビティ部１２を形成するための切り欠き部を穿設している。次に、高融点金属からなるタングステンペーストを用いてスクリーン印刷でスルーホール印刷や、導体配線印刷を行い、導体配線パターンを形成する。更に、セラミック基材１１の下面となる表面には、外部接続端子パッド１６用の導体配線パターンを形成する。次に、タングステンが印刷された複数枚のセラミックグリーンシートは、重ね合わせて積層を行い、還元雰囲気中で導体配線パターンと同時焼成してセラミック基材１１を作製している。
【００１６】
次に、セラミック基材１１の下面側の外部接続端子パッド１６には、鍔付きピン１５、１５ａがＡｇ−Ｃｕろう等のろう材１７を介して載置され、ろう材１７を加熱することでろう付け接合する。なお、鍔付きピン１５、１５ａのピン部１３がセラミック基材１１に接合される場合には、予めセラミック基材１１に設けられた穴部に、ピン部１３の先端部を挿入させてろう付け接合することもできる。
【００１７】
次に、表面実装型セラミックパッケージ１０、１０ａのセラミック基材１１の上面側には、例えば、半導体素子からなる電子部品が搭載された後、電子部品とセラミック基材１１のワイヤボンディングパッドとをボンディングワイヤで接続し、電子部品とセラミック基材１１の下面に設けられている外部接続用端子パッド１６を電気的に導通状態としている。なお、電子部品が水晶振動子等のような場合には、ボンディングワイヤ等の使用はなく、導電性接着剤を用いて接続して電気的に導通状態としている。
【００１８】
次に、表面実装型セラミックパッケージ１０、１０ａに実装された電子部品は、気密に保持するために、蓋体や、樹脂等で覆ったりして封止されている。そして、電子部品が実装された表面実装型セラミックパッケージ１０、１０ａは、セラミック基材１１に接合されている鍔付きピン１５、１５ａを介してプリント基板２０に形成された配線パターン２１に半田で接合される。
【００１９】
【実施例】
本発明者は、酸化アルミニウムからなるセラミックグリーンシートにタングステンペーストで外部接続端子パッドをスクリーン印刷し、焼成して形成したセラミック基材の外部接続端子パッドと、プリント基板の配線パターンとの間隔が０．３ｍｍと、０．５ｍｍとなるようなＣｕからなる鍔付きピンを外部接続端子パッドにＡｇ−Ｃｕろうでろう付け接合した実施例１、実施例２のシミュレーションモデルを作製した。併せて、鍔付きピンを接合しない従来例１のシミュレーションモデルを作製した。プリント基板に半田で接合するこれらのシミュレーションモデルについて、有限要素法によるシミュレーションを行い、半田接合部に発生する歪みを比較した。
【００２０】
また、本発明者は、酸化アルミニウムからなるセラミック基材にタングステンからなるφ０．５ｍｍの外部接続端子パッドを設け、セラミック基材の外部接続端子パッドとプリント基板の配線パターンとの間に、一方に鍔部を有し、鍔部の径がφ０．３５ｍｍ、鍔部を含めたピン部の長さが０．５ｍｍのＣｕからなる鍔付きピンのピン部の先端を外部接続端子パッドにＡｇ−Ｃｕろうでろう付け接合した実施例３と、実施例３と同形状で鍔付きピンがＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）からなる比較例１のシミュレーションモデルを作製した。プリント基板に半田で接合するこれらのシミュレーションモデルについて、有限要素法によるシミュレーションを行い、半田接合部に発生する歪みを比較した。併せて、酸化アルミニウムからなるセラミック基材にタングステンからなるφ０．５ｍｍの外部接続端子パッドを設け、セラミック基材の外部接続端子パッドとプリント基板の配線パターンとの間に、φ０．３５ｍｍと、φ０．５５ｍｍのＣｕボールを外部接続端子パッドと配線パターンに半田接合した従来例２と、従来例３のシミュレーションモデルを作製した。これらのシミュレーションモデルについて、有限要素法によるシミュレーションを行い、半田接合部の熱応力を比較した。
【００２１】
図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、シミュレーション結果を説明する。ここで、図３（Ａ）は鍔付きピンを有さない従来例に対する実施例の半田接合部の歪みの相対値であり、図３（Ｂ）はＣｕボールを有する従来例に対する実施例と、ＫＶからなる鍔付きピンを有する比較例の半田接合部の歪みの相対値である。図３（Ａ）に示すように、セラミック基材の外部接続端子パッドとプリント基板との間隔が０．３ｍｍ有するように鍔付きピンを取り付けてプリント基板に表面実装した実施例１の表面実装型セラミックパッケージの半田接合部の歪みは、外部接続端子パッドとプリント基板が直接半田で接合した従来例１の表面実装型セラミックパッケージに比較して８．２％程度に歪みが低減できる。また、外部接続端子パッドとプリント基板との間隔が０．５ｍｍ有するように鍔付きピンを取り付けてプリント基板に表面実装した実施例２においては、従来例１に比較して８．１％程度に歪みが低減できる。
【００２２】
図３（Ｂ）に示すように、セラミック基材の外部接続端子パッドとプリント基板との間隔が０．５ｍｍ有するようにＣｕからなる鍔付きピンを取り付けてプリント基板に表面実装した実施例３の表面実装型セラミックパッケージの半田接合部の歪みは、外部接続端子パッドとプリント基板の間にφ０．３５ｍｍのＣｕボールを半田で接合した従来例２の表面実装型セラミックパッケージに比較して３．４％程度に歪みが低減できる。また、外部接続端子パッドとプリント基板の間にφ０．５５ｍｍのＣｕボールを半田で接合した従来例３の表面実装型セラミックパッケージの半田接合部の歪みは、従来例２の表面実装型セラミックパッケージに比較して３２．７％程度に半田接合部の歪みが低減できる。従って、実施例３の表面実装型セラミックパッケージの半田接合部の歪みは、従来例３の表面実装型セラミックパッケージに比較して１０．４％程度に歪みが低減できる。また、実施例３のＣｕからなる鍔付きピンに替えてＫＶからなる鍔付きピンを用いた比較例１の表面実装型セラミックパッケージの半田接合部の歪みは、従来例２の表面実装型セラミックパッケージに比較しても１１２．７％程度となり、ＫＶからなる鍔付きピンでは、逆に半田接合部の歪みが増加する。
【００２３】
【発明の効果】
請求項１記載の表面実装型セラミックパッケージは、実装用プリント基板に半田接合するためのピン部と鍔部を備える鍔付きピンをセラミック基材にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージであって、鍔付きピンが鍔部にピン部の一方の端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、ピン部側がセラミック基材に対して実質的に垂直に接合され、しかも、鍔部側がプリント基板に接合されるので、セラミックとプリント基板との熱膨張係数差から発生する半田接合部の歪みを弾塑性部材からなる鍔付きピンのピン部で吸収でき、半田接合部のクラックや割れ等の発生を防止できる。また、鍔付きピンの鍔部で容易に表面実装ができ、しかも、鍔付きピンのピン部の径を細くして立設密度を従来のままに維持できるので、安価で接合信頼性を向上することができる。
【００２４】
請求項２記載の表面実装型セラミックパッケージは、実装用プリント基板に半田接合するためのピン部と鍔部を備える鍔付きピンをセラミック基材にろう付け接合して有する表面実装型セラミックパッケージであって、鍔付きピンが２つの鍔部のそれぞれにピン部の両方のそれぞれの端部を実質的に垂直状態に立設させてなるＣｕ又はＣｕ合金部材からなり、一方の鍔部側がセラミック基材に接合され、しかも、他方の鍔部側がプリント基板に接合されるので、請求項１記載の表面実装型セラミックパッケージの効果に加えて、セラミックと鍔付きピンの接合部も鍔付きピンの鍔部で接合され、セラミックに容易に接合でき、接合強度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ第１の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージのＡ−Ａ’線縦断面図、下面側平面図である。
【図２】第２の発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージの縦断面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ鍔付きピンを有さない従来例に対する本発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージの半田接合部の歪みの相対値のグラフ、Ｃｕボールを有する従来例に対する本発明の一実施の形態に係る表面実装型セラミックパッケージとＫＶからなる鍔付きピンを有する比較例の半田接合部の歪みの相対値のグラフである。
【図４】従来の表面実装型セラミックパッケージの説明図である。
【図５】従来の他の表面実装型セラミックパッケージの説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ：表面実装型セラミックパッケージ、１１：セラミック基材、１２：キャビティ部、１３：ピン部、１４、１４ａ：鍔部、１５、１５ａ：鍔付きピン、１６：外部接続端子パッド、１７：ろう材、２０：プリント基板、２１：配線パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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