(57)【要約】【課題】セラミックと金属とをロウ材でロウ付した光通信用パッケージにおいて、セラミックにクラックが発生することを防ぐことのできる光通信用パッケージを提供する。【解決手段】金属フレームの側壁部上面にセラミック配線基板を重ねて配置する光通信用パッケージの場合は、金属フレームを、またセラミック配線基板の裏面とフレーム側壁部の上面との間に金属板を挟む光通信用パッケージでは、さらに金属板を、アニール処理して、光通信用パッケージを組み立てる。金属フレームや金属板をアニール処理することにより、金属の粒径が大きくなる。この金属を使用することで、高温でロウ材により金属フレームとセラミック配線基板とを、または金属板とセラミック基板とを接合しても、冷却による収縮によってセラミック配線基板の基板本体部の基板側壁部との接合付近にクラックが生じることを防ぐ。【選択図】図１
2005243958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と側面に開口を有し内部に半導体素子を設置する金属フレームと、該金属フレームの側面開口を形成する側壁部上面に重ねて配置されるセラミック配線基板とを有し、
前記セラミック配線基板は、前記金属フレームの前記側壁部上面に重ねて配置される基板本体部と、前記金属フレームの側壁部に沿って配置された前記基板本体部の上面から立ち上がる基板側壁部とを有し、前記金属フレームの前記側壁部の厚さ方向と平行に前記基板本体部の幅方向を定めたとき、前記基板側壁部の配置された前記基板本体部の上面において、前記幅方向両側に端子形成領域を生じた形で、前記幅方向に配線層が形成されたパッケージにおいて、
前記金属フレームは、平均粒径が１３μｍ以上の金属からなるパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信用の半導体素子を収容するために使用されるパッケージは、本体がセラミックや金属により形成されている。そしてこのような光通信用パッケージは、底部が放熱性に優れた銅タングステンなどからなり、さらに側面部の一部は、セラミックによりなるものがある。そして側面部のセラミックと、底部の金属との間には、熱膨張係数がセラミックに近似するコバール材（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名）や、４２アロウイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等の金属部材が使用される。このような光通信用パッケージは、本体の内部にキャビティ部を設けており、そのキャビティ部に半導体素子を搭載する。この本体には、貫通孔が形成され、半導体素子からの光信号を取りだす。
【０００３】
セラミックと金属とを使用した光通信用パッケージでは、金属としては、コバール材やＣｕＷ材を用いて、セラミックと金属とをＡｇロウ材でロウ付して接続している。図７に従来の光通信用パッケージの例を示す。（ａ）は、光通信用パッケージの断面図である。金属フレーム１０により本体内部にキャビティが形成され、金属フレーム１０にはベース金属２５が、上部には蓋体５１が、接合されている。側面部には、セラミック配線基板３０が接合され、そのセラミック配線基板３０底部には、プレート金具２１が接合されている。そしてプレート金具２１には、金属フレーム１０が接合されている。またセラミック配線基板３０のパッケージ外側には、端子部６１が接続されている。ここから外部信号を、パッケージ内部に設置する半導体素子に入力する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような光通信用パッケージには次のような欠点がある。セラミック配線基板３０と金属プレート２１とをＡｇロウ材でロウ付けし、さらに金属プレート２１と金属フレーム１０とをロウ付けすると、セラミックと金属とに熱膨張差があるため、これによって生じる応力歪みがセラミックに集中し、ひいてはセラミック配線基板３０にクラックが発生することがある。（ｂ）にセラミック配線基板３０に発生した亀裂の例を示す。セラミック配線基板３０の基板本体部３２の底部に金属プレート２１や金属フレーム１０をロウ付け接合した後、これらの収縮により、基板本体部３２が下に引っ張られることになり、基板本体部３２と基板側壁部３１との接合点においてクラック７１が発生する。このようなクラック７１が発生することは、パッケージとしての信頼性を損なうものである。
【０００５】
このようにパッケージ側面を形成するセラミックとその底面に接続されたコバール材との線膨張率の違いから熱歪みが生じ、側面を形成するセラミックに亀裂が生じるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明の課題は、セラミックと金属とをロウ材でロウ付した光通信用パッケージにおいて、熱膨張差によってセラミックにクラックが発生することを防ぐことのできる光通信用パッケージを提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の光通信用パッケージは、
上面と側面に開口を有し内部に半導体素子を設置する金属フレームと、該金属フレームの側面開口を形成する側壁部上面に重ねて配置されるセラミック配線基板とを有し、
セラミック配線基板は、金属フレームの側壁部上面に重ねて配置される基板本体部と、金属フレームの側壁部に沿って配置された基板本体部の上面から立ち上がる基板側壁部とを有し、金属フレームの側壁部の厚さ方向と平行に基板本体部の幅方向を定めたとき、基板側壁部の配置された基板本体部の上面において、幅方向両側に端子形成領域を生じた形で、幅方向に配線層が形成された光通信用パッケージにおいて、
金属フレームは、平均粒径が１３μｍ以上の金属からなる。
【０００８】
また本発明の光通信用パッケージは、
セラミック配線基板の基板本体部の基板側壁部が配置された上面と反対側の裏面とフレーム側壁部の上面との間に金属板を接合し、
金属板は、平均粒径が１３μｍ以上の金属からなる。そして、望ましくは、金属フレームまたは金属板は、平均粒径が２０μｍ以上の金属からなる。さらに望ましくは、３０μｍ以上の金属からなる。
【０００９】
上記金属フレームと金属板との歪みをとるためにアニールする。アニール処理は、Ｈ２雰囲気において行う。これにより粒成長が促され、平均粒径が大きくなる。そして平均粒径が大きくなった金属とセラミック配線基板とをロウ付けすると、セラミック基板におけるクラック発生を減少したり、防いだりすることができる。平均粒径が１３μｍ以上、望ましくは２０μｍ以上になると、金属の歪みが取り除かれ、ロウ付け後の冷却において、金属に接合されたセラミックにストレスを生じにくくなる。さらに望ましくは、３０μｍ以上の金属からなるとよい。このため従来、金属の歪みによって、金属に接合されたセラミックに亀裂が生じていたが、本発明のように、粒径の大きな金属をセラミックと接合することによって、セラミックに亀裂が生じるのを防ぐことができる。
【００１０】
金属フレームまたは金属板は、コバール材によって形成する。コバール材（商品名）は、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（Ｆｅ−２９重量％Ｎｉ−１７〜１８重量％Ｃｏ）であり、熱膨張がセラミックに近いため、熱膨張によるストレスをセラミック配線基板に生じさせにくくよい。セラミックの線膨張係数は、８ｐｐｍ／℃、コバール材の線膨張係数は、１０〜１１ｐｐｍ／℃である。さらに前述のように、平均粒径の１３μｍ以上のコバール材、望ましくは２０μｍ以上、さらに望ましくは３０μｍ以上のコバール材を使用すると、これに接合されたセラミックに亀裂を生じることを防ぐことができる。またこのようなコバール材としては、ビッカース硬度がＨｖ１６０以下のものを使用するとよい。
【００１１】
本発明の光通信用パッケージは、ＡｇとＣｕからなるロウ材により、セラミック配線基板と金属板と、または金属板と金属フレームの側壁部上面と、或いはセラミック配線基板と金属フレームとが接合されている。
【００１２】
セラミック配線基板と金属板とを、または金属板と金属フレームの側壁部上面とを、或いはセラミック配線基板と金属フレームとを、ＡｇとＣｕからなるロウ材により接合する。ロウ材としては、Ａｇ−Ｃｕロウ材を使用する。そして例えば、Ａｇ７２質量％−Ｃｕ２８質量％のものを使用する。このＡｇ７２質量％−Ｃｕ２８質量％ロウ材の線膨張係数は、１８ｐｐｍ／℃である。ロウ材の線膨張係数は、セラミックに比較するとやや大きく、ストレスを生じる原因となりうるが、前述のアニール処理したコバール材を使用することで、セラミックにクラックが生じることを防ぐことができる。
【００１３】
また前述のアニール処理は、このロウ材のロウ付け温度より高温で行う。これによって金属の平均粒径を大きくすることができ、金属の歪みを取り除くことができる。ロウ材のロウ付け温度より高温で行うことにより、ロウ付け温度まで金属が加熱されても、接合されたセラミックに亀裂を生じにくくなる。
【００１４】
セラミック配線基板は、Ａｌ２Ｏ３を含むセラミックからなる。アルミナの線膨張率は、８ｐｐｍ／℃である。セラミック配線基板は、セラミックグリーンシートを積層圧着し、その主面上に導電ペースト層を印刷する工程を繰り返して形成する。セラミックグリーンシートは、周知のドクターブレード法等により、セラミック粉末と、有機バインダ、溶剤等とを混練したスラリーをシート状に成形することで得る。さらに、セラミックグリーンシートに配線パターンを形成する場合には、公知のスクリーン印刷法等を用いて行う。アルミナを含むセラミックは、耐熱性、耐久性、熱伝導性等に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１（ａ）に本発明の光通信用パッケージの斜視図を示す。また（ｂ）にこの光通信用パッケージの断面図を示す。金属フレームであるフレーム金具１０により本体内部にキャビティ１３が形成され、フレーム金具１０底部にはベース金属２５が、上部には蓋体５１が、接合されている。フレーム金具１０の側壁部１２には、セラミック配線基板３０が接合され、そのセラミック配線基板３０底部には、金属板であるプレート金具２１が接合されている。そしてプレート金具２１には、フレーム金具１０が接合されている。またセラミック配線基板３０のパッケージ１外側には、端子部６１が接続されている。フレーム金具１０のキャビティ１３内部に、半導体素子を設置し（図示されていない）、セラミック配線基板３０の配線層と半導体素子とをボンディングワイヤ等で接続して、端子部６１からの外部信号を半導体素子に入力する。さらにフレーム金具１０のセラミック配線基板が接合されていない正面部には、光ファイバー部材を接続する固定部材２７が設置されている。また内部に半導体素子を設置した後、蓋体５１をフレーム金具１０に接合し、ベース金具２５の取り付け孔によって、光通信用パッケージ１を所望の場所へ固定する。
【００１６】
図１（ｃ）にセラミック配線基板３０の断面図を示す。セラミック配線基板３０は、アルミナを含むセラミックによって形成される。アルミナの線膨張率は、７ｐｐｍ／℃である。またセラミック誘電体層を構成する誘電体材料としては、アルミナ含有量を９８％以上としたアルミナ質セラミックスの他に、ムライト質セラミックス、窒化アルミニウムセラミックス、窒化珪素セラミックス、炭化珪素セラミックスおよびガラスセラミックス等、高周波領域においても誘電損失が小さい材質を使用することができる。
【００１７】
セラミック配線基板３０の製造方法を説明する。アルミナ質セラミック粉末等の誘電材料粉末を有機溶媒に加えて混練し、ドクターブレード法等の方法でセラミックシート（セラミックグリーンシート）を成形する。そして、セラミックシートのそれぞれの主面に導電ペースト層をパターン印刷する。導電ペースト層は、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）などの高融点金属を含有するメタライズインクの印刷により形成することができる。
【００１８】
続いて導電ペースト層上に新たなセラミックシートを積層圧着し、その主面上に新たな導電ペースト層を印刷する工程を所定数繰り返す。なお、層間の電気的接続を取るためのビアを形成する場合は、セラミックシートのビア形成位置にパンチング等を用いて穿孔しておき、そこに導電ペーストを充填するようにする。
【００１９】
以上のように作製されたセラミック配線基板３０は、配線パターンやビアが形成された（図示されていない）複数のセラミックグリーンシートを積層圧着された基板本体部３２と、さらに基板本体部３２の積層圧着された基板側壁部３１からなる。基板本体部３２には、配線層が形成され、外部端子６１とワイヤボンディング等で接続された半導体素子とを、この配線層により接続する。ケースが接地導体として使用される場合は、セラミック基板３０内の図示されないビアによってケースと接続されている。さらに基板本体部３２の上面の両端には、端子を接続するための端子形成領域３３，３４が形成されている。
【００２０】
フレーム金具１０とプレート金具２１とは、コバール材（商品名）によって形成されている。Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（Ｆｅ−２９重量％Ｎｉ−１７〜１８重量％Ｃｏ）であるコバール材は、低膨張率合金であり、熱膨張がセラミックに近いため、熱膨張によるストレスをセラミック基板３０に生じさせにくくよい。ベース金具２５は、ＣｕＷ材で形成する。ＣｕＷは、放熱性に優れ、パッケージ１内部の熱を放熱する効果が得られる。つまりベース金具は、放熱板（ヒートシンク）としての役割も果たし、半導体素子の作動時に発生する熱を大気中に良好に放散させる。さらに本発明の光通信用パッケージ１では、フレーム金具１０とプレート金具２１をアニール処理して接合した。アニール処理については、後述する。
【００２１】
光通信用パッケージ１の製造工程を説明説明する。図２（ａ）に、アニール処理するフレーム金具１０とプレート金具２０とを示す。このフレーム金具１０とプレート金具２０とをアニール処理する。アニール処理は、還元雰囲気中にて、ロウ付け温度よりも高い温度で行う。ロウ付けに用いたロウ材の融点は、７７９℃であるため、８００℃以上で、金具をアニール処理する。さらに好ましくは、１０００℃以上で行う。酸化のためＡｇロウ材の濡れ性が悪くなるためアニール後、薬品洗浄を行う。このような金具を使用して光通信用パッケージを形成することにより、金具の収縮によるセラミック基板のクラック発生率を抑えることができる。
【００２２】
そして（ｂ）に示すように、プレート金具１０の側壁部１２の側壁部上面１１に、セラミック配線基板３０とプレート金具２１とを取り付ける。（ｃ）に、セラミック配線基板３０、プレート金具２１、フレーム金具１０の断面図を示す。セラミック配線基板３０の裏面３６とプレート金具２１の上面２２、プレート金具２１の下面２３とフレーム金具１０の側壁部上面１１とをロウ材８１にて接合する。
【００２３】
以上のように、金属フレーム１０の二つの側壁開口部それぞれに、セラミック配線基板３０とプレート金具２１とをロウ付けすることにより、図３（ａ）のようになる。そして（ｂ）に示すように、端子部６１、ベース金具２５、固定部材２７を接続し、ロウ付け後、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキを施す。キャビティ１３内に、半導体素子を設置し、その半導体素子とワイヤボンディングによってセラミック配線基板３０の配線層とを接合する。
【００２４】
なおフレーム金具には、コバール材、ベース金具には、ＣｕＷ材を用いて、セラミックと金属とをＡｇロウ材でロウ付けして接続した。ロウ材は、Ａｇ７２％、Ｃｕ２８％のものを使用した。本ロウ材の融点は、７７９℃であるため、８００℃〜８３０℃に加熱して、ロウ付けを行った。またＡｌ２Ｏ３のセラミック基板には、Ｗによるメタライズ層を形成し、Ｎｉメッキを施してから、Ａｇロウ材により、コバール材と接合した。
【００２５】
以上のように、アニール処理をしたフレーム金具や、プレート金具を使用することにより、セラミック配線基板とプレート金具とのロウ付け後のセラミック配線基板の基板本体部の基板側壁部との接合付近に生じるクラックを防ぐことができる。
【００２６】
次に光通信用パッケージの他の実施例を図４に示す。セラミック基板本体部３２には、セラミック側壁部３１が接合され、セラミック基板本体部３２には、プレート金具がなく、直接フレーム金具１０とセラミック基板本体部３２の下面とが接続されている。フレーム金具１０をセラミック基板本体部３２と接合するため、前述の実施例よりも、フレーム金具１０の厚さが厚く形成されている。そしてフレーム金具１０とセラミック基板本体部３２の下面との接合方法は、前述と同様で、Ａｇ−Ｃｕロウ材により接合する。他の点については、前述の実施例と同様で、フレーム金具により本体内部にキャビティが形成され、フレーム金具底部にはベース金属が、上部には蓋体５１が、接合されている。またセラミック基板本体部上面のパッケージ外側には、端子部６１が接続されている。キャビティ内部には、半導体素子を設置し、セラミック基板の配線層と半導体素子とをボンディングワイヤ等で接続して、端子部からの外部信号を半導体素子に入力する（図示されていない）。
【実施例】
【００２７】
上記発明の効果を確かめるために以下の実験を行った。アニール処理を施したプレート金具とフレーム金具を使用し、光通信用パッケージを作製した場合の効果を確認し、アニールによるプレート金具とフレーム金具の変化を測定した。アニール処理は、対象となるプレート金具とフレーム金具とをＨ２雰囲気で行った。ロウ付け温度よりも高い温度である８１７℃と１０００℃でアニール処理を行い、フレーム金具とプレート金具の硬度を測定した。なおプレート金具とフレーム金具は、メッキを施していないものを測定した。
【００２８】
セラミック下に接合されるプレート金具やフレーム金具の粒径を測定した。図５のように対象サンプルを樹脂でモールドして断面を研磨し、金具の断面クロスを行いＳＥＭ写真上にて粒径を測定した。具体的には、ＳＥＭ写真上に複数の直線を描き、各結晶粒子を横切る直線部分の長さを粒子径として測定した。図６は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）写真（倍率：３００倍）である。より具体的には、まず得られた方形の観察図において対角線を引き、さらに該対角線の交点を通るように該観察図の長辺及び短辺と平行な直線を引く。そして、これらの直線群と交わる結晶粒子の数を測定し、該直線群の全長をＬ、該直線群と交わる結晶粒子の数をＮとしたとき、結晶粒子の平均粒径ｄをＬ／Ｎとして表すものとする（Line Intercept法）。
【００２９】
さらにプレート金具と、フレーム金具との側面の硬度は、ビッカース硬度計により測定した。測定加重は、５００ｇｒ、荷重保持時間は、１５秒である。以上の測定結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
2005243958.tif 000003
【００３１】
アニール処理をしないコバール材において、上記方法により求めた平均粒径は１１．５μｍであった。８１７℃でアニール処理した場合、平均粒径は、１４．６μｍとアニール処理をしていない場合に比べて、１．２７倍になった。さらに１０００℃でアニール処理した場合、平均粒径は３２．８μｍとなり、アニール処理をしていない場合比べ、平均粒径は２．８５倍となった。
【００３２】
以上のようにアニール処理を施すことにより平均粒径が大きくなり、平均粒径が大きくなることにより、セラミック配線基板のクラック発生率は減少した。８１７℃でアニール処理した場合、セラミック基板のクラック発生率は、１０〜３０％であった。さらにプレート金具やフレーム金具を１０００℃でアニール処理した場合、セラミック基板のクラック発生率は、０％であった。
【００３３】
さらにそれぞれのビッカース硬度を測定した。アニール処理を行っていないプレート金具や、フレーム金具のビッカース硬度は、Ｈｖ１７５であった。それに対し、プレート金具やフレーム金具を８１７℃でアニール処理した場合、ビッカース硬度は、Ｈｖ１６０となった。さらにプレート金具やフレーム金具を１０００℃でアニール処理した場合、ビッカース硬度は、Ｈｖ１５０とであった。アニール処理によって、プレート金具やフレーム金具に使用するコバール材の粒成長が促進されて、平均粒径が大きくなることにより、ビッカース硬度が小さくなることが分かる。そして、平均粒径が大きいコバール材は、軟化しセラミック基板のクラック発生率が減少する。但し硬度は、粒径以外に例えば、加工方法によっても変化する。なお上記のアニール処理をしたコバール材によるプレート金具やフレーム金具を使用した光通信用パッケージの信頼性に問題はない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】光通信用パッケージの外観を示す図。
【図２】光通信用パッケージの製造工程を示す図。
【図３】図２に続く光通信用パッケージの製造工程を示す図。
【図４】光通信用パッケージの他の実施例を説明する図。
【図５】樹脂によるモールドを説明する図。
【図６】プレート金具のＳＥＭ写真（倍率：３００倍）。
【図７】従来の光通信用パッケージを説明する図。
【符号の説明】
【００３５】
１    光通信用パッケージ
１０    フレーム金具
２１    プレート金具
３０    セラミック配線基板
３１    基板側壁部
３２    基板本体部
【図１】
2005243958.tif 000004
【図２】
2005243958.tif 000005
【図３】
2005243958.tif 000006
【図４】
2005243958.tif 000007
【図５】
2005243958.tif 000008
【図７】
2005243958.tif 000009
【図６】
2005243958.tif 000010