(57)【要約】【課題】パッケージの軽薄短小化に対応でき、しかも、セラミック製基体のクラック発生を防止する信頼性の高いセラミックパッケージを提供する。【解決手段】セラミック製基体１１と金属枠体１２をメタライズ膜１３を介してろう付け接合して形成されるキャビティ部１５を備えるセラミックパッケージ１０において、セラミック製基体１１の上面に、金属枠体１２の枠幅より小さい幅からなり、セラミック製基体１１の表面より突出するリング状のメタライズ膜１３を有し、メタライズ膜１３と金属枠体１２が接合された時に、キャビティ部１５の中心線からメタライズ膜１３の内周側側面位置までの距離を基準として、金属枠体１２の内周側側面位置までの距離が基準より短いと共に、金属枠体１２の外周側側面位置までの距離が基準より長く、しかも、金属枠体１２の内周側底面とセラミック製基体１１の上面との間に、空間部１６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック製基体とリング状の金属枠体を前記セラミック製基体に形成されたメタライズ膜を介してろう付け接合して形成されるキャビティ部を備えるセラミックパッケージにおいて、
前記セラミック製基体の上面に、前記金属枠体の枠幅より小さい幅からなり、前記セラミック製基体の表面より突出するリング状の前記メタライズ膜を有し、該メタライズ膜と前記金属枠体が接合された時に、前記キャビティ部の中心線から前記メタライズ膜の内周側側面位置までの距離を基準として、前記キャビティ部の中心線から前記金属枠体の内周側側面位置までの距離が前記基準より短いと共に、前記キャビティ部の中心線から前記金属枠体の外周側側面位置までの距離が前記基準より長く、しかも、前記金属枠体の内周側底面と前記セラミック製基体の上面との間に、空間部を有することを特徴とするセラミックパッケージ。
【請求項２】
請求項１記載のセラミックパッケージにおいて、前記セラミック製基体と前記金属枠体との間に、リング状のセラミック枠体を有し、該セラミック枠体の表面に、該表面より突出する前記メタライズ膜を有し、しかも、前記金属枠体の内周側底面と前記セラミック枠体の上面との間に、前記空間部を有することを特徴とするセラミックパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック製基体に金属枠体を接合して形成されてなるセラミックパッケージに関し、より詳細には、キャビティ部に半導体素子や水晶振動子等の電子部品が実装され、蓋体が接合されてキャビティ部が気密に封止されるためのセラミックパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を収納させるためのパッケージは、電子部品を搭載させた装置、例えば、携帯電話や、パソコン等の軽薄短小化、高信頼性化等の要求に伴い、ますます軽薄短小化、高信頼性化等への対応が迫られている。これに対応するために、パッケージには、気密信頼性の高いセラミック製のパッケージが用いられている。
【０００３】
図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、代表的な従来のセラミックパッケージ５０は、セラミック製基体５１の上面の外周縁部に、ＫＶ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、商品名「コバール」）や、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）等からなるセラミックと熱膨張係数が近似するリング状の金属枠体５２を接合して、例えば、中央部に半導体素子を搭載させるためのキャビティ部５３を備えるように形成されている。このセラミック製基体５１を作製するためには、先ず、１又は複数枚のセラミックグリーンシートに、Ｗ（タングステン）や、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷して、金属枠体５２を接合させるための接合用パターン５４、電子部品と電気的に接続させるためのワイヤボンドパッド５５、ボード等に接続させるための外部接続端子パッド５６、ワイヤボンドパッド５５と外部接続端子パッド５６を接続させると同時に、ボード等に強固に接合させるためのキャスタレーション５７、及び、それぞれのパターン間を接続するための配線パターン等の導体パターンを形成している。次に、複数枚のセラミックグリーンシートの場合には、積層して積層体を形成した後、１又は積層体のセラミックグリーンシートと高融点金属を同時焼成してセラミック製基体５１を作製している。次いで、セラミック製基体５１の外表面に露出する全ての導体パターン上にＮｉめっきを施した後、セラミック製基体５１の接合用パターン５４上にＡｇ−Ｃｕろう等のろう材５８を介して金属枠体５２を載置し、加熱して、ろう付け接合している。そして、セラミック製基体５１と金属枠体５２の接合体の外部に露出する全ての金属表面にＮｉめっき、及びＡｕめっきが施されてセラミックパッケージ５０が作製されている。なお、セラミックパッケージ５０は、通常、大型のセラミックシートに多数個のパッケージを形成し、最後に個片体に分割することで形成されている。
【０００４】
図５に示すように、このセラミックパッケージ５０には、キャビティ部５３に、電子部品の一例である半導体素子５９が実装され、ボンディングワイヤ６０で外部と電気的に導通状態としている。そして、金属枠体５２上には、ＫＶや、４２アロイ等の金属からなる蓋体６１が載置され、この蓋体６１の外周端部コーナー部に一対のシーム溶接機６２のローラーを縦横方向に移動させることで金属枠体５２に蓋体６１を溶接接合している。これによって、半導体素子５９等の電子部品は、セラミックパッケージ５０と蓋体６１で気密に封止することができる。
【０００５】
なお、従来から、セラミック製基体に金属枠体を接合し、金属製の蓋体でキャビティ部に搭載した半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を気密に封止する形態のセラミックパッケージは、多数のパッケージ形態のものが提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
【特許文献１】特開平５−３３５４３３号公報
【特許文献２】特許第２８８９５１９号公報
【特許文献３】特開平１１−２６１３６５号公報
【特許文献４】特開２００２−２６６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述したような従来のセラミックパッケージは、次のような問題がある。
（１）セラミックパッケージの金属枠体に金属製の蓋体をシーム溶接機で接合させる時には、シーム溶接機からの加熱温度が１２００℃程度となり、しかも、溶接時には、金属製の蓋体と金属枠体に局所的に温度が集中し、金属製の蓋体が大きく熱膨張した状態で金属枠体に接合される。図６に示すように、金属製の蓋体６１の熱膨張は、例え、セラミック製基体５１に金属製の蓋体６１と熱膨張係数が近似したものを用いたとしても、集中的な高温の中では、セラミック製基体５１の熱膨張と差がでるので、接合が完了した後の冷却による金属製の蓋体６１の収縮によって歪みが発生し、セラミック製基体５１の底面側に椀状の撓み６２が発生する。これによって、セラミック製基体の底面側には、引っ張り応力が作用し、底面側からクラックが発生する場合があり、セラミックパッケージの信頼性を低下させている。
（２）セラミック製基体のクラック発生の防止には、金属枠体の高さを高くして収縮による撓みを金属枠体の弾性で吸収したり、セラミック製基体の厚さを厚くして収縮による撓みをセラミック製基体の剛性で防止したりする事が考えられるが、これらは、何れもセラミックパッケージの軽薄短小化に逆行する。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、パッケージの軽薄短小化に対応でき、しかも、セラミック製基体のクラック発生を防止する信頼性の高いセラミックパッケージを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係るセラミックパッケージは、セラミック製基体とリング状の金属枠体をセラミック製基体に形成されたメタライズ膜を介してろう付け接合して形成されるキャビティ部を備えるセラミックパッケージにおいて、セラミック製基体の上面に、金属枠体の枠幅より小さい幅からなり、セラミック製基体の表面より突出するリング状のメタライズ膜を有し、メタライズ膜と金属枠体が接合された時に、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離を基準として、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離が基準より短いと共に、キャビティ部の中心線から金属枠体の外周側側面位置までの距離が基準より長く、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック製基体の上面との間に、空間部を有する。
【０００８】
ここで、セラミックパッケージは、セラミック製基体と金属枠体との間に、リング状のセラミック枠体を有し、セラミック枠体の表面に、表面より突出するメタライズ膜を有し、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間に、空間部を有するのがよい。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１及びこれに従属する請求項２記載のセラミックパッケージは、セラミック製基体の上面に、その表面より突出し金属枠体の枠幅より小さい幅からなるリング状のメタライズ膜を有し、メタライズ膜と金属枠体が接合された時に、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離を基準として、金属枠体の内周側側面位置までの距離が基準より短いと共に、金属枠体の外周側側面位置までの距離が基準より長く、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック製基体の上面との間に、空間部を有するので、金属製の蓋体の収縮による歪みは、セラミック製基体の表面から突出するメタライズ膜とろう材で吸収でき、金属枠体の内周側底面とセラミック製基体の上面との間の空間部で金属枠体が動きやすくなってセラミック製基体に伝わり難くなり、撓みの発生が軽減できて、クラックの発生を防止することができる。また、クラックを防止するのに、金属枠体を高くしたり、セラミック製基体を厚くする必要がないので、軽薄短小のセラミックパッケージを提供できる。
特に、請求項２記載のセラミックパッケージは、セラミック製基体と金属枠体との間に、リング状のセラミック枠体を有し、セラミック枠体の表面に、表面より突出するメタライズ膜を有し、しかも、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間に、空間部を有するので、キャビティ部の高さを大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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するための最良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）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージの説明図、図２は同セラミックパッケージの変形例の説明図、図３は同セラミックパッケージに金属製の蓋体を接合した説明図である。
【００１１】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージ１０は、セラミック製基体１１と、リング状の金属枠体１２をセラミック製基体１１の上面に形成されたメタライズ膜１３を介してろう材１４でろう付け接合して形成されており、実質的中央部に半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を搭載するためのキャビティ部１５を備えている。
【００１２】
ここで、セラミックパッケージ１０を形成するために用いられるセラミック製基体１１のセラミック基材としては、アルミナ、窒化アルミニウム、低温焼成セラミック等があり、特に材料が限定されるものではない。このセラミック製基体１１は、先ず、前記のいずれかの材料から作製させたシート状のセラミックグリーンシートに、例えば、セラミックグリーンシートがアルミナや、窒化アルミニウムのような高温で焼成するものでは、Ｗや、Ｍｏ等の高融点金属からなる導体ペーストを用いてスクリーン印刷を行って、金属枠体１２をろう材１４を介して接合させるためのメタライズ膜１３のパターンや、その他の所望する導体パターン（図示せず）を形成している。次いで、セラミックグリーンシートと、乾燥後の導体ペーストは、焼成炉で同時焼成が行われて焼成体からなるセラミック製基体１１を形成している。更に、例えば、アルミナや、窒化アルミニウムからなるセラミック製基体１１の場合には、外表面に露出するメタライズ膜１３を含む全ての導体パターン上にＮｉめっきを施している。なお、セラミック基材にアルミナからなるセラミックグリーンシートを用いる場合のセラミックグリーンシートは、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所望の厚み、例えば、０．１２ｍｍのシート状にした後乾燥させ、所望の大きさの矩形状に切断して形成している。
【００１３】
一方、金属枠体１２は、ＫＶや、４２アロイ等の熱膨張係数がセラミックと近似する金属を用いて、打ち抜きプレスや、エッチング等によってリング状に形成されている。そして、この金属枠体１２は、セラミック製基体１１のメタライズ膜１３上に、Ａｇ−Ｃｕろう等のろう材１４を介して載置し、ろう付け炉で加熱焼成してろう付け接合を行っている。このセラミック製基体１１の上面に形成されているメタライズ膜１３は、リング状の金属枠体１２を載置できるようにリング状からなり、リングの枠幅が金属枠体１２のリングの枠幅より小さい幅で、セラミック製基体１１の表面より突出するように形成されている。なお、セラミック製基体１１の表面には、形成されたメタライズ膜１３を含む導体パターンに、そのパターンの一部を開口部から露出するセラミック製基体１１と同材料からなる絶縁膜が形成される場合があるが、この場合には、開口部から露出するメタライズ膜１３の上面が絶縁膜の表面より突出していることが必要である。
【００１４】
このセラミックパッケージ１０は、メタライズ膜１３上にろう材１４を介して金属枠体１２が載置され、ろう付け接合がされた時には、キャビティ部１５の平面視してＸ方向の中心線からメタライズ膜１３の内周側側面位置までの距離ａを基準とした時に、キャビティ部１５の中心線から金属枠体１２の内周側側面位置までの距離ｂが基準の距離ａより短い（ｂ＜ａ）と共に、キャビティ部１５の中心線から金属枠体１２の外周側側面位置までの距離ｃが基準の距離ａより長い（ｃ＞ａ）、即ち、ｃ＞ａ＞ｂの関係にある。また、キャビティ部１５の平面視してＹ方向についても同様に、中心線からメタライズ膜１３の内周側側面位置までの基準の距離ｄと、キャビティ部１５の中心線から金属枠体１２の内周側側面位置までの距離ｅと、キャビティ部１５の中心線から金属枠体１２の外周側側面位置までの距離ｆとの間には、ｆ＞ｄ＞ｅの関係がある。しかも、このセラミックパッケージ１０は、金属枠体１２の内周側底面とセラミック製基体１１の上面との間に、空間部１６を有している。
【００１５】
次いで、図２を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージの変形例のセラミックパッケージ１０ａを説明する。セラミックパッケージ１０ａは、前記のセラミックパッケージ１０と基本的には同じであるが、セラミック製基体１１と、金属枠体１２との間に、セラミック製基体１１を作成する時に１又は複数枚のリング状のセラミックグリーンシートが積層されて形成された、例えば、２枚のセラミック枠体１７、１７ａを有している。そして、このセラミック枠体１７、１７ａの上層側のセラミック枠体１７の表面には、表面より突出するメタライズ膜１３を有している。更に、金属枠体１２の内周側底面と、上層側のセラミック枠体１７の上面との間に、空間部１６を有している。
【００１６】
次いで、図３に示すように、このセラミックパッケージ１０、１０ａには、キャビティ部１５のセラミック製基体１１の上に、電子部品の一例である、例えば、半導体素子（図示せず）が実装され、ボンディングワイヤ（図示せず）で外部と電気的に導通状態としている。そして、金属枠体１２上には、ＫＶや、４２アロイ等の金属からなる蓋体１８がＡｕ−Ｓｎろう等のろう材を介して載置され、この蓋体１８の外周端部コーナー部に一対のシーム溶接機のローラーを縦横方向に移動させることで金属枠体１２に蓋体１８を溶接接合している。この溶接接合では、接合時に蓋体接合部周辺の温度が約１２００℃程度になるので、蓋体は、熱膨張した状態で金属枠体１２に接合する。接合後は、冷却と共に蓋体が収縮するが、ここで発生する収縮による歪は、メタライズ膜１３のセラミック製基体１１の表面から突出する厚みと、ろう材１４とで形成される空間部１６によって吸収できる。これによって、セラミック製基体１１の底面側に撓みを発生されることがないので、セラミック製基体１１にクラックを発生させることがなく、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品は、セラミックパッケージ１０、１０ａと蓋体１８とで気密信頼性を高くして封止することができる。
【実施例】
【００１７】
本発明者は、セラミック基材にアルミナ、導体ペーストにＷを用い、セラミック枠体を有する外形寸法が３×２ｍｍのセラミック製基体を用い、ＫＶ製の金属枠体をＡｇ−Ｃｕろうでろう付け接合した後、金属枠体にＫＶ製の蓋体をＡｕ−Ｓｎろうでシーム溶接接合した時にセラミック製基体に生じる応力の解析を有限要素法によるシミュレーションで行った。実施例として、このセラミック製基体のリング状のメタライズ膜は、枠幅を１５０μｍ、セラミック枠体からの突出高さを５０μｍとした。また、金属枠体の枠幅は、２００μｍとし、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離の基準に対して、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離を引いた長さを２５、５０、８０、１００、１２０μｍとし、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間にそれぞれ空間部を設けた５種類のモデルを作成した。併せて、比較例として、従来のメタライズ膜の枠幅が金属枠体の枠幅より大きく、メタライズ膜がセラミック枠体の表面から突出せず、金属枠体の内周側底面とセラミック枠体の上面との間に空間部がないモデルを作成した。そして、比較例のモデルに対して実施例の５種類のモデルのセラミック製基体に生じる応力の相対値を測定した。その結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
実施例は、従来の比較例に比べて応力が減少することが確認できた。これは、蓋体の接合後の収縮よる歪が、セラミック製基体と金属枠体との間に形成される空間部によって、金属枠体が動き易くなることで、セラミック製基体に伝わり難くなることによるものと考えられる。また、実施例の中においては、キャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離の基準に対して、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離を引いた長さが大きい程応力が減少することが確認できた。更に、実施例の中のキャビティ部の中心線からメタライズ膜の内周側側面位置までの距離の基準に対して、キャビティ部の中心線から金属枠体の内周側側面位置までの距離を引いた長さの差が０であるものと、もともと０かマイナスである比較例の内の０のものとの比較では、実施例の方が応力が減少することが確認できた。これは、実施例においては、メタライズ膜がセラミック製基材の表面から突出していることで、金属枠体が動き易くなっていることことに起因していると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明のセラミックパッケージは、半導体素子や、水晶振動子等の電子部品を実装させて、小型で、高信頼性が要求される、例えば、携帯電話や、ノートブック型のパソコン等の電子装置に組み込まれて用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミックパッケージの説明図である。
【図２】同セラミックパッケージの変形例の説明図である。
【図３】同セラミックパッケージに金属製の蓋体を接合した説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来のセラミックパッケージの説明図である。
【図５】従来のセラミックパッケージに金属製の蓋体を接合する接合方法の説明図である。
【図６】同セラミックパッケージに金属製の蓋体を接合した説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０、１０ａ：セラミックパッケージ、１１：セラミック製基体、１２：金属枠体、１３：メタライズ膜、１４：ろう材、１５：キャビティ部、１６：空間部、１７、１７ａ：セラミック枠体、１８：蓋体
【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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【図６】
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