(57)【要約】【課題】  セラミック基板上に設けられたメタライズ層と接合部材を介しての金属部材との接合強度が高くかつ気密性に優れたセラミックパッケージを提供する。【解決手段】  セラミック基板１の表面に周状に配置されたメタライズ層３を有し、メタライズ層３の上面に形成した接合部材７を介して金属部材５が接合されており、接合部材７は、その一部がメタライズ層３を貫通するように分布している。メタライズ層３の接合強度と気密性を向上させることができることから、セラミックパッケージを構成するセラミック基板１の基板堤部１ｂの厚みが薄く、その上面に形成されるメタライズ層３の幅が狭いような小型のセラミックパッケージに対しても好適なものとなる。【選択図】  図２
2013131702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の表面に周状に配置されたメタライズ層を有し、該メタライズ層の上面に形成した接合部材を介して金属部材が接合されるセラミックパッケージであって、
前記接合部材は、その一部が前記メタライズ層を貫通するように分布していることを特徴とするセラミックパッケージ。
【請求項２】
前記接合部材は、前記メタライズ層を断面視して、該メタライズ層の厚みの方向に対して垂直な方向の単位長さをＬとし、前記接合部材の幅の和をＷｔとしたときに、Ｗｔ／Ｌとして表される前記メタライズ層中に存在する前記接合部材の比率が４０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックパッケージ。
【請求項３】
前記メタライズ層がセラミック成分を含み、該メタライズ層中に含まれる前記セラミック成分の含有量が３〜１０質量％であることを特徴とする請求項１または２に記載の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、気密封止を必要とするセラミックパッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
気密封止を必要とする電子部品の例として、水晶振動子等の水晶応用製品やフラッシュメモリなどの半導体素子があげられる。これら各製品はいずれも素子の表面に金属薄膜電極が形成されており、この金属薄膜電極を外気から保護するために、セラミックパッケージなどの筐体に収納され気密封止されている。
【０００３】
図３は、電子部品を搭載するための従来のセラミックパッケージの一例を示す分解斜視図である。水晶応用製品等の電子部品を搭載するためのセラミックパッケージは、セラミック基板１０１の表面にメタライズ層１０３を有しており、そのメタライズ層１０３の表面に実装される電子部品（例えば、水晶応用製品）１０５を気密封止するための金属部材１０７（ここでは、蓋体１０７）とがメタライズ層１０３に塗られた銀ロウなどの接合部材１０９を介して接合される構成となっている。
【０００４】
近年、携帯電話やＩＣカード等の電子装置が普及しているが、これらの電子装置はますます小型化や薄型化あるいは高性能化が要求されてきており、そのため、これらの電子装置に組み込まれる電子部品１０５やこれを収納するためのセラミックパッケージについても一層の小型化や薄型化が求められている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１９６４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、セラミックパッケージを小型化していった場合、セラミックパッケージや蓋体１０７のサイズの小型化とともに、セラミック基板１０１と蓋体１０７とを接合する部分の幅（図３においてセラミックパッケージの基板堤部１０１Ａの幅に対応するメタライズ層１０３および接合部材１０９の幅Ｗ０）も狭くする必要があり、これによりセラミックパッケージのメタライズ層１０３と接合部材１０９を介しての蓋体１０７との接合強度が低下するとともに、蓋体１０７内の気密性が低下しやすくなるという問題がった。
【０００７】
従って、本発明は、セラミック基板上に設けられたメタライズ層と接合部材を介しての金属部材との接合強度が高くかつ気密性に優れた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】
【０００８】
本発明のセラミックパッケージは、セラミック基板の表面に周状に配置されたメタライズ層を有し、該メタライズ層の上面に形成した接合部材を介して金属部材が接合されるセラミックパッケージであって、前記接合部材は、その一部が前記メタライズ層を貫通するように分布していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セラミック基板上に設けられたメタライズ層と接合部材を介しての金属部材との接合強度が高くかつ気密性に優れたセラミックパッケージを得ることができる
。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のセラミックパッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示したセラミックパッケージのＡ−Ａ線断面模式図であり、（ｂ）は（ａ）のセラミックパッケージを部分的に拡大した断面模式図である。
【図３】従来のセラミックパッケージの一例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明のセラミックパッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。図２（ａ）は、図１に示したセラミックパッケージのＡ−Ａ線断面模式図であり、（ｂ）は（ａ）のセラミックパッケージを部分的に拡大した断面模式図である。
【００１２】
本実施形態のセラミックパッケージは、セラミック基板１の表面に周状に配置されたメタライズ層３を有してなるものであり、その周状に配置されたメタライズ層３の上面には、蓋体や金属枠等の金属部材５をメタライズ層３と接合するための接合部材７が設けられている。
【００１３】
セラミック基板１は、板状の基板底部１ａと、その基板底部１ａの周縁部に設けられた基板堤部１ｂとから構成されており、基板底部１ａの表面には電子部品９を実装するための導体１１が形成されている。
【００１４】
本実施形態のセラミックパッケージでは、接合部材７の一部がメタライズ層３を貫通するように分布している。
【００１５】
これによりセラミック基板１の表面に周状に配置されたメタライズ層３と接合部材７を介しての金属部材５との接合強度の高いセラミックパッケージを得ることができる。
【００１６】
また、金属部材７を蓋体としたときには気密性に優れたセラミックパッケージを得ることができる。
【００１７】
すなわち、本実施形態のセラミックパッケージでは、接合部材７がセラミック基板１を構成する基板堤部１ｂの表面に設けられたメタライズ層３と金属部材５との界面に沿って存在しているために、メタライズ層３と金属部材５（蓋体５側にもメタライズ層を有する場合にはメタライズ層が金属部材５となる。）との界面における接合強度を高めることができる。
【００１８】
また同時に、接合部材７の一部がメタライズ層３を厚み方向に貫通するように分布しているために、メタライズ層３中に侵入し、形成された接合部材７がメタライズ層３の内部において、くさびのようにはたらくことからメタライズ層３自体の破壊を抑制することができる。この場合、メタライズ層３が基板堤部１ｂの表面に平行な面で分割されるような破壊を防止することが可能となる。
【００１９】
また、上述のように、接合部材７の一部がメタライズ層３を厚み方向に貫くように分布していることから、メタライズ層３中に存在する空隙が低減されるためメタライズ層３におけるガスの透過性を低減することができ、これによりセラミックパッケージの表面に、例えば、金属部材５として蓋体を接合した場合には蓋体内の気密性を高めることができる。
【００２０】
ここで、接合部材７が金属部材５側からセラミック基板１の基板堤部１ｂ側に向けてメ
タライズ層３を貫通するように分布しているというのは、図２（ｂ）に示すように、メタライズ層３の断面を観察したときに、接合部材７が、点状に存在していてもメタライズ層３の金属部材５側からセラミック基板１側まで存在している場合のことである。接合部材７のこのような分布は走査型電子顕微鏡に付設されたＸ線マイクロアナライザを用いて確認できる。また、分析する領域は、例えば、セラミック基板１を構成する基板堤部１ｂの長さ方向の中央部における５０〜１００μｍの幅とする。
【００２１】
また、本実施形態のセラミックパッケージでは、接合部材７は、メタライス層３を断面視して、メタライズ層３の厚みの方向に対して垂直な方向の単位長さをＬとし、接合部材７の幅ｗの和をＷｔとしたときに、Ｗｔ／Ｌとして表されるメタライズ層３中に存在する接合部材の比率が４０〜７０％であることが望ましい。ここで、図２（ｂ）において、両端向きの矢印が接合部材７の幅ｗであり、Ｗｔはｗの総和である。メタライズ層３中に存在する接合部材７の割合が上記した範囲であると、メタライズ層３の内部においてくさびのようにはたらく接合部材７の割合が多くなることからメタライズ層３の接合強度をさらに高めることができる。なお、メタライズ層３に占める接合部材７の比率が７０％を超えると接合強が低下するおそれがある。
【００２２】
接合部材７としては、加熱したときに比較的低い温度（ここでは、９００℃以下）で溶融し、低粘度となり、メタライズ層３中に拡散しやすい材料が好ましく、例えば、銀ロウやウッドメタル等の低融点金属を含む材料が好適である。
【００２３】
メタライズ層３を形成する材料は、接合部材７に用いる材料よりも融点の高い金属材料であれば良く、セラミック基板１との同時焼成を可能にするという点で、モリブデンやタングステンあるいはこれらの合金を主成分とするものが良い。この場合、セラミック基板１の組成および焼結温度に合わせてモリブデンやタングステンに銅や銀などを複合させてもよい。
【００２４】
セラミック基板１（基板底部１ａ、基板堤部１ｂ）としては、アルミナを主成分とするセラミック材料が好適であり、機械的強度や耐薬品性が高いという点で、アルミナを８０質量％以上含むものが良い。
【００２５】
金属部材５としては、コバール、４−２アロイ、アルシック（ＡＬＳｉＣ）などの金属材料および金属材料にセラミックスを複合化したもの、あるいはセラミック材料を適用することができる。
【００２６】
さらに、本実施形態のセラミックパッケージでは、メタライズ層３がセラミック成分を含み、該メタライズ層中に含まれるセラミック成分の含有量が３〜１０質量％であることが望ましい。
【００２７】
メタライズ層３中に含まれるセラミック成分の含有量が上記範囲であると、メタライズ層３の表面にニッケル（Ｎｉ）めっきを行ったときにめっき液の浸入に起因したシミの発生を防止することができ、これにより外観的にも不良の少ないセラミックパッケージを得ることができる。これはメタライズ層３中に共材としてセラミック成分を含ませるとメタライズ層３の焼結性を制御することができるからであり、この場合、メタライズ層３の熱膨張係数をセラミック基板１の熱膨張係数に近づけることが可能となる。
【００２８】
なお、メタライズ層３に含ませるセラミック成分としては、メタライズ層３の金属材料が焼結する温度領域においても溶融することなく、焼結後にもメタライズ層３の内部に残るような融点の高いセラミック材料が望ましい。この場合、例えば、アルミナ、ジルコニア、マグネシアおよび希土類元素の酸化物が好適であるが、モリブデンやタングステンな
どを主成分とするメタライズ層３の強度を高められるという点で、アルミナが好ましい。なお、セラミック基板１の主成分がアルミナである場合、メタライズ層３に含ませるセラミック成分を同じくアルミナにすると、メタライズ層３の周囲におけるセラミック基板１の磁器組成の変動も低減できることからメタライズ層３付近の色調の変化や機械的強度の低下も抑えられ、量産しても外観的、機能的に安定したセラミックパッケージを得ることができる。
【００２９】
以上、本実施形態のセラミックパッケージにおけるメタライズ層３の利点を説明したが、本実施形態のセラミックパッケージによれば、メタライズ層３の接合強度と気密性を向上させることができることから、セラミックパッケージを構成するセラミック基板１の基板堤部１ｂの厚みが薄く、その上面に形成されるメタライズ層３の幅が狭いような小型のセラミックパッケージに対してより好適なものとなる。そのサイズはセラミック基板１を構成する基板堤部１ｂの平均厚みが０．１５ｍｍ以下であるものに適している。
【００３０】
次に、本実施形態のセラミックパッケージを製造する方法を説明する。
【００３１】
まず、セラミック粉末に対して有機バインダを添加した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法等の周知の成形方法によって、セラミック基板１（基板底部１ａ、基板堤部１ｂ）となる生の成形体を形成する。
【００３２】
次に、この生の成形体の表面に必要な導体パターンを形成して焼成する。例えば、図１に示す構成のセラミックパッケージを製造する場合、まず、基板底部１ａとなる生の成形体としてグリーンシートを作製し、次いで、その表面に導体パターンを形成する。
【００３３】
一方、基板堤部１ｂとなる生の成形体は、グリーンシートに穴加工を施し、次いで、そのグリーンシートの穴の周囲の表面に部分的に導体パターンを形成したものを作製する。このとき、必要に応じて穴加工を施しただけのシートも準備しておく。
【００３４】
次に、基板底部１ａとなるグリーンシートの導体パターンを形成した側に、穴の周囲の表面に導体パターンを形成したグリーンシートを積層し、密着させて、図１に示す形状のセラミックパッケージ用成形体を形成する。
【００３５】
ここで、生の成形体を形成するためのセラミック粉末としては、例えば、アルミナ粉末に、シリカ粉末やマンガンを含む酸化物粉末を混合し、アルミナ粉末の割合が８０質量％以上となる混合粉末を用いるのがよい。
【００３６】
導体パターン用のペーストとしては、セラミック粉末の焼結温度に合わせて種々の組成の金属材料を用いることが可能であるが、生の成形体にアルミナ粉末を８０質量％以上含むセラミック粉末を用いる場合には、モリブデンやタングステン等の高融点の金属材料を用いるのが良く、これに、例えば、アルミナなどのセラミック成分を添加したペーストを用いると、メタライズ層３の焼結性を変更することができ、これにより接合部材７の侵入量を制御することが可能となる。
【００３７】
例えば、ペーストに用いる高融点の金属材料に対するアルミナの添加量を０〜１０質量％とすると、焼成後のメタライズ層３に形成される接合部材７の比率を前述した評価で表される値で４０〜７０％とすることができる。一方、ペーストに用いる高融点の金属材料に対するアルミナの添加量を１１．５質量％以上とした場合には、メタライズ層３に形成される接合部材７の比率は３０％以下となり、メタライズ層３の内部に形成される接合部材７の割合は低下する。
【００３８】
また、高融点の金属材料を１００質量％に対してアルミナ成分の添加量を３〜１０質量％とした場合には、高融点の金属材料により形成されるメタライズ層３の骨格構造の空隙のサイズを小さくすることができることから、メタライズ層３の表面にＮｉめっきを施すときのめっき液の浸入が抑えられ、それに起因するシミの発生を防止することができる。
【００３９】
次に、作製したセラミック配線基板用成形体を還元雰囲気中、１３００〜１６００℃の温度で焼成する。
【００４０】
次に、得られたセラミックパッケージのメタライズ層３の表面にニッケルのめっき膜を形成し、ニッケルのめっき膜を形成したメタライズ層３の表面に接合部材７を介して、蓋体や金属枠などの金属部材５を接合する。
【００４１】
本実施形態のセラミックパッケージを構成するメタライズ層３は、焼成後においても高融点の金属材料の緻密化を抑えて、高融点の金属材料の骨格構造を形成し、この骨格構造の隙間に接合部材７の材料を溶融させて浸透させて形成するものである。このように高融点の金属材料の骨格構造内に侵入して形成された接合部材７との複合体を形成することによりメタライズ層３の接合強度を高めることができる。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。この場合、図１に示す構造のセラミックパッケージを作製し、評価した。
【００４３】
まず、セラミック基板を形成するための原料粉末として、アルミナ粉末、Ｍｎ２Ｏ３粉末、ＳｉＯ２粉末、ＭｇＣＯ３粉末およびＭｏＯ３粉末を準備した。
【００４４】
次に、これらの原料粉末をボールミルを用いて、アルミナ粉末を主成分として、Ｍｎ２Ｏ３粉末を６質量％、ＳｉＯ２粉末を６質量％、ＭｇＣＯ３粉末を０．５質量％およびＭｏＯ３粉末を０．３質量％の比率で添加、混合した後、アクリル系樹脂とトルエンとを混合してスラリーを調整し、しかる後に、ドクターブレード法にて厚さ１５０μｍのグリーンシートを作製した。
【００４５】
作製したグリーンシートのうち一部のグリーンシートに金型を用いて長方形状の開口部を形成し、この開口部の周囲に焼成後にメタライズ層となる導体パターンを形成した。このシートを以下第１のシートという。また、導体パターンに用いたペーストはモリブデン粉末を主成分としてアルミナ粉末を表１に示す比率で添加したものを用いた。
【００４６】
一方、グリーンシートのうち開口部を形成しなかったグリーンシートには、積層したときに開口部の内側の領域となる位置に電子部品を接続するための導体となる導体パターンを形成した。このシートを以下第２のシートという。このとき用いた導体パターンはモリブデン粉末を主成分としてアルミナ粉末を１５質量％添加したものを用いた。
【００４７】
次に、第２のシートを下層として、この第２のシートに形成した導体パターンが第１のシートの開口部内に入るように位置決めして、その上面側に第１のシートを積層し、所定のサイズに切断して生の積層体を作製した。
【００４８】
次に、この積層体を、露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて脱脂を行った後、引き続き、本焼成を行った。本焼成は、１８０℃／ｈで１０００℃から焼成最高温度１３３０℃まで昇温し、それを焼成温度として露点＋２５℃の窒素水素混合雰囲気にて５０分間保持した後、１０００℃までの冷却を１８０℃／ｈという条件で行った。
【００４９】
こうして得られたセラミックパッケージは、平面面積が２ｍｍ×１．６ｍｍ、高さが０．２ｍｍ、基板底部の平均厚みおよび基板堤部の平均厚みがいずれも０．１ｍｍであった。メタライズ層の平均厚みは２０μｍであった。
【００５０】
次に、セラミック基板上に形成したメタライズ層の表面にＮｉメッキ膜を形成した。
【００５１】
次に、Ｎｉめっき膜を形成したセラミックパッケージの基板堤部のメタライズ層の表面の全面に接合部材として銀ロウ（共晶Ａｇ−Ｃｕロウ）を仮付けし、銀ロウを溶融させメタライズ層中に拡散させた。
【００５２】
次に、さらに銀ロウを形成したメタライズ層の表面に厚み０．２μｍの金メッキを施した。
【００５３】
次に、メタライズ層の金めっき膜の表面に銀ロウ（共晶Ａｇ−Ｃｕロウ）を用いて、厚みが０．２ｍｍ、幅が０．２ｍｍのコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）製の蓋体をシーム溶接によって接合した。
【００５４】
次に、蓋体を形成したセラミックパッケージについて、Ｈｅリーク法により気密封止性を評価した。Ｈｅリーク法は、０．４１ＭＰａのＨｅ加圧雰囲気中に２時間保持した後、取り出し、真空雰囲気中で検出されるＨｅガス量を測定し、１×１０−１０ＭＰａ・ｃｍ３／ｓｅｃ以下を○（リークなし）、５×１０−９ＭＰａ・ｃｍ３／ｓｅｃを超えるものを×（リーク有り）として評価した。試料数は各５個とした。
【００５５】
また、Ｎｉめっき後の試料について、メタライズ層の表面の外観検査を行い、Ｎｉめっき液に起因するシミの有無を確認した。試料数は各１００個とした。シミが有るとの判定は、メタライス層の色とは異なる色調の部分の最長径が５０μｍ以上あるものが１個以上認められた場合とした。
【００５６】
また、セラミック基板のメタライズ層の接合強度の評価については、まず、グリーンシートの表面に２ｍｍ×５ｍｍの短冊状の導体パターンを形成し、この表面にＮｉめっき膜を形成した後、幅２ｍｍのコバール製の金属板を接合して試験用試料を作製した。このとき用いた導体パターン用のペーストはＨｅリーク試験用に作製したとき用いたメタライズ層用のペーストを用いた。
【００５７】
次に、この試験用試料に対して金属板を引きはがす際の引きはがし荷重を測定し、メタライズ層の接合強度を評価した。この測定は引張試験器を用いて強度変化をグラフ化し、グラフにおいて、強度の値がほぼ一定となったときの平均値から求めた。この場合、強度が一定となった状態というのは、±０．５ｋｇｆの範囲にある状態をいい、平均値は±０．５ｋｇｆの範囲における最大値と最低値との中間値とした。このような方法で求められる接合強度は用いた金属板の幅を２ｍｍとしたときの値である。
【００５８】
メタライズ層内への銀ロウの存在（拡散）状態はＸ線マイクロアナライザを付設した走査型電子顕微鏡を用いて確認した。このとき接合部材の主成分である銀（Ａｇ）が金属部材側からセラミック基板の基板堤部側に向けてメタライズ層を貫通するように分布している状態は、Ｘ線マイクロアナライザによる分析において最大出力の８０％以上の出力を示す色の点が１μｍ以内の間隔で分布している場合とした。分析用試料はＨｅリーク試験用に作製したセラミックパッケージを樹脂に埋め込み、その試料を研磨したものを用いた。この分析の試料数は各試料について１個とした。
【００５９】
また、メタライズ層内への銀ロウの存在（拡散）状態を評価した分析データ（写真）か
ら、図２（ｂ）に示すように、メタライズ層３の平均厚みの約１／２の位置において、メタライズ層３の厚みの方向に対して垂直な方向の単位長さをＬとし、接合部材７の幅ｗの和をＷｔとしたときの比Ｗｔ／Ｌから、メタライズ層中に存在する接合部材の比率を求めた。
【００６０】
メタライズ層３に含まれるアルミナの含有量についても、銀ロウの存在状態を分析した試料を用いてＸ線マイクロアナライザにより求めた。この分析についても試料数は各試料について１個とした。分析した結果、メタライズ層中に含まれるアルミナの比率は、表１に示す調合組成に一致するものであった。
【００６１】
また、Ｈｅリーク試験を行った試料については、量産工程において、各試料１００００個作製し、外観検査を行い、Ｎｉめっき液のシミの有無を確認した。
【００６２】
【表１】
2013131702.tif 000003
【００６３】
表１の結果から明らかなように、試料Ｎｏ．１〜１３では、いずれもメタライズ層の接合強度が幅２ｍｍの引きはがし試験において５．３ｋｇｆ以上であり、Ｈｅリークも見られず、蓋体を形成したセラミックパッケージは良好な封止状態を有していた。
【００６４】
この中で、メタライズ層の厚みの方向に対して垂直な方向の単位長さをＬとし、接合部材の幅の和をＷｔとしたときに、Ｗｔ／Ｌが４０〜７０％である試料Ｎｏ．１〜１１では、メタライズ層の接合強度が幅２ｍｍの引きはがし試験において、６．５ｋｇｆ以上であった。
【００６５】
さらに、メタライズ層中に含まれるアルミナの含有量が３〜１０質量％である試料Ｎｏ．４〜１１では、メタライズ層の接合強度が幅２ｍｍの引きはがし試験において、６．５ｋｇｆ以上であり、また、各試料１００００個作製して評価したものにおいてもＮｉめっき後のシミの発生が認められなかった。
【００６６】
これに対し、試料Ｎｏ．１４〜１７は、メタライズ層の接合強度が幅２ｍｍの引きはがし試験において、いずれも５ｋｇｆ未満であった。また、Ｈｅリークが認められたものも
あった。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・・・セラミック基板
１ａ・・・・基板底部
１ｂ・・・・基板堤部
３・・・・・メタライズ層
５・・・・・金属部材
７・・・・・接合部材
９・・・・・電子部品
１１・・・・導体
【図１】
2013131702.tif 000004
【図２】
2013131702.tif 000005
【図３】
2013131702.tif 000006