(57)【要約】【課題】光モジュールや高周波無線モジュールを基板上に集積した構造のモジュール・パッケージは、サーマルビアなどの手法が持ちいられている。これらのサーマルビアは、配置に制限があり、サーマルビアだけでは、熱放熱性が不十分な場合がある。【解決手段】本発明は、脱バインダー焼成されたセラミクス基板とメタルインジェクション成形された高熱伝導材をセラミクス基板用電極材を介してセラミクス、高熱伝導材料を同時焼成接合することを特徴とする複合基板または、その製造方法、さらに、このセラミクス基板に金属のキャップを被せ気密封止したことを特徴とする気密封止パッケージである。本発明によれば、放熱特性の良いセラミクス基板が得られる。またセラミクス基板は、メタルインジェクション成形された高熱伝導材料と同時焼成されるので、安価で高熱伝導材料とセラミクス基板界面の気密性、信頼性の高いセラミクス基板を提供することが出来る。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする材料を、セラミクス基板と一体に接触させておき、上記熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とするメタルインジェクションモールド化された材料とセラミクス基板とが、一体焼成し接合して得られたことを特徴とするセラミクス複合基板。
【請求項２】
請求項１において、メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属にＣｕＷ又はＣｕＷを主な組成とする材料を設定して、一体焼成して得られたことを特徴とするＣｕＷセラミクス複合基板。
【請求項３】
請求項１において、メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属にＣｕＭｏ又はＣｕＭｏを主な組成とする材料を設定して、一体焼成して得られたことを特徴とするＣｕＭｏセラミクス複合基板。
【請求項４】
請求項１から３において、セラミクス基板として焼成温度が１０００℃〜１５００℃のセラミクス基板を用いてメタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする材料とを、一体に接触させておき、１０００℃〜１５００℃で一体焼成することを特徴とするセラミクス複合基板の製作方法。
【請求項５】
請求項１から４において、メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする材料とを、セラミクスを一体焼成したセラミクス複合基板に金属のキャップを被せ、気密封止したことを特徴とする気密封止パッケージ。
【請求項６】
請求項５において、メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする材料とあらかじめキャビティー構造に積層したセラミクス基板を一体焼成した複合基板のキャビティー部分に金属のキャップを被せ、気密封止したことを特徴とする気密封止パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱伝導性の良いセラミクス複合基板、およびその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報化社会の進展に伴って伝達される情報量が急激に増大し、情報量の増大化に対応するため、光ファイバーケーブルを使った情報伝達システム又はデータ転送速度の速い高周波ハイパワーシステムが急速に普及しつつある。光ファイバーによる情報システムの場合には、光ファイバーを通して情報を伝達するためには、光情報光源として、例えば半導体レーザー等を、発光デバイスとして用いることにより電気信号を光信号（光パルス）に変換し、光ファイバーへ伝送するとともに、伝送された光信号をフォトダイオード等の受光素子を用いて電気信号に変換し情報として処置する必要がある。
また、光ファイバー内を伝達する光信号は、伝送距離とともに強度劣化するため、
光ファイバー伝送線路の途中で、半導体レーザー等の増幅素子により、光信号強度を増幅する必要がある。
これら電気信号を光信号に変換する、光信号を電気信号に変換する、さらには光信号を増幅するための光電変換機構には半導体レーザー、フォトダイオード等の半導体素子が使用され、それらの半導体素子は、動作速度が極めて高速性が要求されるために、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体が選定されて、実用化されている。
これら化合物半導体は、高速動作だけでなく信頼性も要求されるので、信頼性確保の点から、気密性の高いパッケージ内に搭載され、真空中もしくは、不活性ガス中で動作させる必要がある。
以上のような点から、光モジュールと呼ばれる、半導体素子と光ファイバーを結合するデバイスは、金属パッケージ内に搭載され気密封止されて使用されてきた。同じく無線情報システムあるいは近年のＣＰＵなどで代表される高データ転送速度信号システムでは、データ転送速度の増加、到達距離の長距離化に伴い、信号系の高周波化、ハイパワー化がますます促進されてきている。これらの信号を増幅するために光モジュールと同じように動作速度が極めて高速なＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の化合物半導体が使用されている。またこれらモジュール基板には、信号系の高周波化に伴い、高周波信号ロスの少ない低誘電率、または低誘電損失セラミクス基板の使用が望まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、光通信用モジュールまたは高周波アンプモジュールは、レーザーダイオードまたは高周波アンプの出力増加に伴い、発熱量が増えるため、光デバイスパッケージの底板に熱伝導性に優れ、ＣｏＮｉＦｅ（コバール）材とほぼ同程度の熱膨張係数であるＣｕＷ、ＣｕＭｏ材が使われている。ところが、ＣｕＷは非常に脆く、圧延加工等の加工が不可能で、切削加工しか出来ない。そのため複雑な加工が必要とされる場合は、非常に高価になるという問題がある。その上に、ＣｕＷ材はＮｉめっきを表面に施した後、ＡｇＣｕを始めとするろう材でコバール材と接合して組み立てするため、工数がかかり、パッケージ本体が高価になるという問題があった。
近年、光モジュールまたは高周波無線モジュールを一枚のセラミクス基板上に集積させた構造のモジュールまたはパッケージが発表されている。しかしこれらのセラミクス材の熱伝導性は悪いため、セラミクス基板上にレーザーダイオードまたは、高周波半導体アンプを設ける場合には、レーザーダイオードまたは高周波アンプ下にはセラミクス電極材料をセラミクス基板中に貫通させた、いわゆるサーマルビアなどの手法が用いられている。しかしこれらのサーマルビアも構造設計上から配置に限界があり、サーマルビアだけでは、放熱特性が不十分な場合が多々ある。そこで、放熱性が不十分な場合には、ＣｕＷ材等に代表される高熱伝導性材料をセラミクス基板に埋め込んだ複合材料を用いるなどの手法を採用することになる。セラミクス材に高熱伝導金属材料例えばＣｕＷ材等を埋め込む手法としては、セラミクス材に埋め込むべきＣｕＷ材等と同じ形状のビアホールを空けておき、セラミクス材を焼成した後、セラミクス材とＣｕＷ材等をロウ付け接合するなどの手法が考えられている。
【０００４】
しかし、これらの方法では、ＣｕＷ板加工、セラミクスメタライジング、ＣｕＷろう付けと非常に工程が増え、高価になるという問題がある。本発明は、これらの工程を簡素にし、安価で信頼性の高いセラミクス基板を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明は、まず、請求項１〜３に記載するもので、脱バインダー焼成されたセラミクス基板とメタルインジェクションモールド（以後ＭＩＭと称する）成形されたＣｕＷ材に代表される高熱伝導材料を、一体に接触させておき、セラミクス基板用電極材を介してセラミクス基板および高熱伝導材料を同時に一体焼成して接合することを特徴とするセラミクス複合基板および気密封止パッケージ、並びにそれらの製作方法に関するものである。
なお、ＭＩＭについては、後述の実施例説明にて、定義的に説明する。
このような複合セラミクス基板および気密封止パッケージによれば、放熱の必要な場合でも熱は、メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする材料に逃げるので、放熱特性の良いセラミクス基板が得られる。またセラミクス基板はＭＩＭ成形されたＣｕＷ、ＣｕＭｏ材等の高熱伝導材料と同時に一体焼成されるので、製作工程を減らすことができ、安価でＣｕＷ、ＣｕＭｏ材とセラミクス基板界面の気密性、信頼性の高いセラミクス基板を提供することが出来る。
【０００６】
本発明の請求項４に記載の発明は、前記載のセラミクス複合基板においてセラミクス材料として焼成温度がＣｕＷまたはＣｕＭｏ高熱伝導ＭＩＭ金属とほぼ同じである１０００℃〜１５００℃前後の焼成温度であるセラミクス材料を採用したことを特徴とするセラミクス複合基板である。
本発明の請求項５、６に記載の発明は、前記載のセラミクス複合基板において基板上にセラミクス材料と熱膨張係数の近いコバールのキャップを被せ、気密封止したことを特徴とする気密封止パッケージである。
このような焼成温度がＣｕＷまたはＣｕＭｏ高熱伝導ＭＩＭ金属とほぼ同じである１０００℃〜１５００℃前後の焼成温度であるセラミクス材料を採用したセラミクス複合基板によれば、放熱は高熱伝導材料を介して行わる。さらにこれらの高熱伝導材料は、セラミクス電極材料を介して同時焼成されるので、安価かつ極めて気密性等信頼性に優れたセラミクス複合材料を得ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。図１〜図２は、本発明の第一実施様態の複合セラミクス基板を示す。図１において、１は図１の（ｃ）に示すように、アルミナセラミクス複合基板、あるいは、ガラス中にセラミックの微粉末を分散したガラスセラミクス複合体製の多層配線セラミクス複合基板である。前記複合セラミクス基板１は、アルミナ、フォルステライト、ステアタイト、コージェライトのいずれかにより構成される。前記アルミナセラミクス基板は、例えば、Ａｌ２Ｏ３：９９．６〜９０ｗｔ％のグリーンシートを焼成してなるセラミクス材料で図１では、（ａ）、（ｂ）にグリーンシート４としている。
また前記ガラスセラミクス複合体は、例えば、ＳｉＯ２：５０〜７０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２〜１５ｗｔ％、ＣａＯ：５〜２０ｗｔ％、ＭｇＯ：０．１〜５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３：５〜１５ｗｔ％を有する０．５〜５μｍのガラス微粉末に、０．３〜３μｍのアルミナの微粉末を３０〜７０ｗｔ％分散させたガラスセラミクス複合体製のグリーンシートを焼成してなるもので、熱膨張係数が５〜１０ｐｐｍ／℃のものであり、図１の（ａ）、（ｂ）に符号４で示している。このグリーンシート４は、フォルステライトを選ぶ場合には、ＳｉＯ２：５０〜７０ｗｔ％、Ａｌ２Ｏ３：２〜１５ｗｔ％、ＲＯ（ＲはＣａ，Ｓｒ，Ｂａ，のうちの一種以上）：５〜３０ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３：１〜８ｗｔ％、ＺｎＯ：２〜１５ｗｔ％、Ｒ２Ｏ（ＲはＮａ，Ｋ，Ｌｉのうちの一種以上）：５〜３０ｗｔ％の組成を有する０．３〜３μｍのガラス微粉末に、０．３〜３μｍのフォルステライトの微粉末を３０〜７０ｗｔ％分散させたガラスセラミクス複合体製のグリーンシートを焼成してなるもので、熱膨張係数が１０〜１５ｐｐｍ／℃のものである。
【０００８】
前記の多層配線基板となるガラスセラミクス複合体製の複合セラミクス基板１の上面には、Ａｇペースト，ＡｇまたはＰｄペースト、ＡｇまたはＰｔペースト、Ｃｕペースト、Ｗペースト、ＭｏまたはＭｎペースト等を塗布焼成してなる電気部品接続用電極２を有する。また、前記多層配線基板１の高熱伝導性材料ビア側面５には、Ａｇペースト，ＡｇまたはＰｄペースト、ＡｇＰまたはｔペースト、Ｃｕペースト、Ｗペースト、ＭｏまたはＭｎペースト等を塗布し、メタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする材料と同時焼成、気密性、信頼性を確保する。
【０００９】
前述した複合体製の複合セラミクス基板１について、図２の（ｄ）、（ｅ）に蓋体として示したキャップ３は、ガラスまたはロウ材等によりセラミクス複合基板と気密封止される。
ここで、図２は、複合セラミクス基板とキャップとでで気密封止パッケ−ジを構成する場合を示し、（ｄ）は、ごく一般的な気密封止パッケ−ジ、（ｅ）は、複合セラミクス基板にキャビティ−部分６を形成して、そのキャビティ−部分６内に電子素子Ａとして、例えば、レ−ザ−ダイオ−ド、フォトダイダ−ド、パワーアンプ等の半導体素子を収納させる構造のものである。
なお、前記Ａｇペースト，ＡｇＰまたはｄペースト，ＡｇまたはＰｔペースト、Ｃｕペースト、Ｗペースト、ＭｏまたはＭｎペースト等を塗布形成された表面にロウ付け性、電気伝導性を保証する目的で、Ｎｉめっき，Ａｕめっき等を施す場合もある。
【００１０】
前記請求項の高熱伝導材料はＭＩＭ成形されるため複雑な形状の高熱伝導材でも、比較的容易に安価に成形することが出来る。ＣｕＷ、ＣｕＭｏ材に代表される高熱伝導材料、セラミクス材とも焼成時には、ある一定量の収縮が起こるが、この収縮率は、主にはセラミクス、高熱伝導材料の粒径、バインダ量、フラックス成分で制御できるので、セラミクス材とＣｕＷ、ＣｕＭｏ材などを同時焼成しても問題が生じることは無い。ＣｕＷ、ＣｕＭｏ材等のＭＩＭ材焼成温度は、この金属材料の液相温度の直下で設定されるので、おのずと決まってしまう。特にＣｕＷ、ＣｕＭｏ材の場合には、この焼成温度がＣｕの焼成温度である１０００℃〜１５００℃前後と決まってしまう。この温度帯で焼成できるセラミクス材としては、例えばＡｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ−ＺｎＯ系　などがある。このＡｌ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−ＭｇＯ−ＣａＯ−ＺｎＯ系は、従来のＡｇ電極を使用し焼成温度９００℃前後のガラスセラミクス材に比べてＳｉＯ２，　Ａｌ２Ｏ３成分が多く高周波数帯で誘電率損失が小さいという特性を有する。従って近年の駆動周波数がますます高くなる傾向にあるセラミクス基板応用においては、高周波特性が良くなることも期待できる。
例えば、この１０００℃〜１５００℃焼成セラミクス材の場合には、電極材としてＣｕやＷを使うことも多く、電極のＣｕ材又はＷと高熱伝導材料ＣｕＷ、ＣｕＭｏ材が同時焼成するので、非常に強固な接合強度を有する高熱伝導金属セラミクス複合基板を得ることが出来る。
【００１１】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
図１に示すセラミクス基板において、次のものを作製した。
▲１▼　ガラスセラミクス多層配線基板１
材質：ガラスセラミクスおよびＣｕ電極
外形寸法：ＭＩＭ材と高さを合わせ、ＭＩＭ材よりやや大きな穴を空けたセラミクス基板。このＭＩＭ材の挿入されるべき穴側壁にはこのセラミクス電極材であるＣｕ電極ペーストを印刷した。
▲２▼メタルインジェクション（ＭＩＭ）ＣｕＷ部材
材質：Ｃｕ２０ｗｔ％　，　Ｗ８０ｗｔ％　を主体とした金属粉体をバインダー等で混練した後、この金属スラリーをメタルインジェクションモールド加工を行った。ＭＩＭは、金属粉末をプラスチックのように射出成形を行えるようにバインダと呼ばれる接着剤を使用し射出成形した後接着剤を加熱し取り除き金属本体を焼結させる方法である。
ＭＩＭの特徴としては、次のような点が挙げられる。
１　高精度・複雑形状の製造が可能で、形状の複雑な小型部品に適している。
２　切削などの後工程がないため、１個当たりの加工時間が短縮されます。焼結や鍛造などにおいて不可能な横穴・縦穴などの後加工なしに容易に製造出来る。
３　金属部品が．プラスチックと同じ感覚で作れる。大量生産が可能で形状が複雑な難加工材料の部品が出来る。
金型から取り出したＭＩＭ材を脱バインダー焼成した後、セラミクス基板穴に挿入、同時焼成した。焼成はセラミクス基板、ＭＩＭ材、電極材とともに一度に同時焼成される。このときセラミクスと電極材は、セラミクス材および電極材のガラス成分で、お互い強固な密着力が生じる。一方、電極材と金属ＭＩＭ材は、電極材のガラス成分および電極材の金属成分とＭＩＭ材の金属成分が同時焼成し、お互い強固な密着力が生じる。この結果、セラミクス基板と金属ＭＩＭ材は、気密性、信頼性に優れた一体化複合基板が出来上がった。
【００１２】
なお、上記各実施の形態、実施例は特定の構成のセラミクス材について説明し、また発熱するデバイスとしてレーザ−ダイオードの例を用いて説明したが、本発明は、本発明はこれらのセラミクス複合基板、金属封止パッケージに限定されるものではなく、本発明の精神を逸脱しない範囲で各種の変形された構成が採用できる。
例えば、ガラスセラミクス材の代わりに１０００℃〜１５００℃程度で焼成できるアルミナセラミクス基板、あるいは、発熱体としてＳｉ又はＧａＡｓ等の半導体パワーアンプ、パワートランジスタを使用した冷却が必要な回路基板として用いても良い。
【００１３】
さらに、本発明は、光通信デバイス用のみならず高周波アンプ、高周波通信デバイス基板等にも実施できるものである。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は以上のようにＣｕＷ、ＣｕＭｏ材に代表されるメタルインジェクションモールド化された熱伝導性の良い金属または、金属を主組成とする熱伝導性の良い金属材料とセラミクス基板を同時焼成するので、ＣｕＷ材をセラミクス基板にろう付け接合する場合に比べて、安価で信頼性の高いセラミクス基板を実現することが出来る。
またセラミクス基板としては、低誘電率または低誘電損失の高周波デバイスに適したセラミクス基板を選択できるので、近年の高周波信号系に適した複合セラミクス材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す高熱伝導セラミクス複合基板の概念斜視図。
【図２】本発明の実施形態を示す高熱伝導セラミクス複合基板および気密封止パッケ−ジの概念斜視図。
【符号の説明】
Ａ　　　　　電気部品（半導体素子、レーザーダイオード、フォトダイオード等）
１　　　　　セラミクス複合基板
２　　　　　高熱伝導材料
３　　　　　キャップ
４　　　　　グリーンシート
５　　　　　ビアホール側面電極
６　　　　　キャビティ―部分
【図１】
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【図２】
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