(57)【要約】      （修正有）【課題】パッケージをより小型化および薄型化し、より消費電力を減らし、さらに、パッケージの温度調整に伴う位置ずれを減らして、パッケージの内外間における光学的な入出力を安定して信頼性高く行える、温度調整が必要な電気素子のパッケージを提供する。【解決手段】パッケージ１００において、チップキャリア１０７は温度調節素子であるヒータ１０９を内蔵しており、電気素子１０３と一体に固定保持される。電気素子１０３およびチップキャリア１０７は、電気素子１０３のみが固定部１２０を介してパッケージ容器１００の内面に固定される。この構成によって、ヒータ１０９から生成される熱は大部分が電気素子１０３の温度調整のために効率的に与えられ、パッケージの容器１００や容器の外部への熱の漏れを大幅に抑えることができる。【選択図】図１
2016051773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、
電気素子と、
前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。
【請求項２】
電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、
電気素子と、
前記電気素子の前記光学窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。
【請求項３】
前記電気素子は、
前記光学的窓側に位置する第１の基板と、
前記第１の基板の少なくとも一部と接着固定された第２の基板から構成され、
前記第１の基板の一部を介して、前記容器の前記内面上に固定されていることを特徴とする請求項２に記載のパッケージ。
【請求項４】
前記第１の基板はガラス基板であり、前記第２の基板は半導体基板であって、
前記電気素子は、前記第１の基板と前記第２の基板の間で、前記第１の基板の中央部に液晶が保持された液晶素子であることを特徴とする請求項３に記載のパッケージ。
【請求項５】
前記温度調整手段は、前記キャリア基板に形成された抵抗発熱体であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のパッケージ。
【請求項６】
電気素子を内部空間に収納し、外部の光デバイスと前記電気素子との間で光を入出力する、前記内部空間から外部へ開いた光学的窓を有するパッケージにおいて、
一部に前記外部の光デバイスと光学的に結合可能な機能部分を含む電気素子と、
前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して前記電気素子と一体に固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して、または、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、部品を搭載するパッケージに関する、より詳細には、電気素子を収容して気密封止された電気素子のパッケージに関する。
【０００２】
レーザーダイオード、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサ素子、液晶素子などの電気素子は、湿度などの環境条件に依存性して特性の変化や経年劣化などが生じる。これらの問題を防止し、電気素子の特性の安定化および高信頼化を実現するため、上述の電気素子は所定の容器に気密封止されたパッケージとして構成される。例えば、非特許文献１に示されている波長選択スイッチ用ＭＥＭＳミラーアレイモジュールの動作は、電気素子を環境に露出した状態のままでは、湿度によってミラーアレイに関連した容量変化の影響を受けることが報告されている。また、ＭＥＭＳ製造技術を用いて作製された微細構造体では、外界から侵入した異物によって、機械的可動部の干渉や固着が引き起こされる可能性もある。これらの例からもわかるように、微細構造を備えた電気素子を搭載したモジュールは、容器内に気密封止された状態で用いられるのが通常である。
【０００３】
図３は、従来技術において用いられている電気素子の一般的なパッケージの構成例を示す図である。図３では、内部に電気素子３０４を含むパッケージ３００全体の断面を模式的に示している。このパッケージは、蓋部３０１および容器下部３０２から構成された容器３００の形態で構成される。蓋部３０１および容器下部３０２は、シーム溶接やはんだ接合などによって相互に接合され、外界からの物質の出入りが遮られた遮蔽空間３０３を形成している。
【０００４】
蓋部３０１は、コバール（Kovar）製の窓枠部３１２にガラス製の光学窓３１３が接合され構成されている。また、容器下部３０２は、底部にあるセラミック基板３０５と、セラミック製の枠部３１０と、コバール製の枠部３１１とから構成されている。窓枠３１２の周辺部と枠部３１１の上面とを接合することによって、パッケージの封止された状態が得られる。
【０００５】
上述のように構成された容器３００の遮蔽空間３０３内に、レーザーダイオード、ＭＥＭＳセンサ素子、液晶素子などの電気素子３０４が配置される。セラミック基板３０５の上に、はんだなどの接着層３０９によって電気素子３０４が固定される。上述のような素子を含む電気素子３０４は、温度調整を必要とすることがある。また、これらの電気素子３０４は外界との間で光学的に入出力を行うため、容器３００は、光学窓３１３を備える。パッケージ内部の遮蔽空間３０３は、ＭＥＭＳを構成する可動部の動作領域を得るためにも利用される。パッケージ全体は、電気素子３０４の湿度変化や酸化などを避けて、長期の信頼性を向上させるために気密封止される。
【０００６】
セラミック基板３０５の裏面側には、直径０．５ｍｍ程度の複数の金属ピン３０６が設けられている。このような複数の金属ピン３０６を持つ構造は、ピングリッドアレイ（Pin Grid Array：ＰＧＡ）と呼ばれている。電気素子３０４は、ボンディングワイヤ３０７を経由して容器下部３０２内の電気配線（不図示）に接続され、この電気配線を経由して金属ピン３０６に接続されている。パッケージ３００は、金属ピン３０６をソケット基板３０８に差し込むことによって固定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】碓氷光男、内山真吾、橋本悦他、「波長選択スイッチ（ＷＳＳ）用ＭＥＭＳミラーアレイモジュール」、信学技報、IEICE Technical Report, ２００９年，R2009-7, CPM2009-7, OPE2009-7、３５−３９頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図３に示したような従来技術のＰＧＡ形式のパッケージでは、次のような理由で、一般には全体サイズが比較的厚いものにならざるを得なかった。温度調整のためのヒータ３２２は、容器下部３０２の枠部３１０の外側などに配置された温度調節部３２１内に設けられたため、電気素子３０４からは離れた位置にある。加えて、ヒータ３２２と電気素子３０４との間の熱の通路には、金属ピン３０６が設けられている。このため、ヒータ３２２より生じた熱は、金属ピン３０６を介してソケット基板３０８に逃げてしまう構造となっていた。ヒータ３２２より生じた熱の相当の部分は、金属ピン３０６およびソケット基板３０８の加熱に消費されてしまい、ヒータ３２２からの電力は対象となる電気素子３０４の温度調整には有効に利用されていなかった。結果として、温度調整用のヒータの駆動に大きな消費電力が必要になるという問題があった。また、このように大きな発熱量を必要とするパッケージ構造では、ヒータ３２２自体の体積を大きくしなければならなくなり、パッケージ全体をさらに厚く大型化してしまう問題があった。
【０００９】
上述のヒータの発熱量の問題に加え、熱による光学軸の位置ずれも問題となっていた。光学素子を少なくとも一部に含んでいる電気素子３０４は、光学窓３１３を介して光学的に入出力を行う。パッケージの内外で、光学軸を必要な精度で一致させる必要がある。温度調節のためにヒータ３２２を用いた加熱に伴うパッケージでは、パッケージの各部およびパッケージ外の機構の熱膨張のため、光学的な入出力に必要な位置合わせの精度を超えて位置ずれを生じる問題もあった。結果として、環境温度変動とともに位置ずれが生じて光学的な入出力を適切に行えないために、十分な電気素子の機能を果たすことができない場合があった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、温度調整が必要な電気素子のパッケージをより小型化および薄型化し、より消費電力を減らすことにある。さらに、パッケージの温度調整に伴う位置ずれを減らして、パッケージの内外間における光学的な入出力を安定して信頼性高く行えるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２のパッケージであって、前記電気素子は、前記光学的窓側に位置する第１の基板と、前記第１の基板の少なくとも一部と接着固定された第２の基板から構成され、前記第１の基板の一部を介して、前記容器の前記内面上に固定されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３のパッケージであって、前記第１の基板はガラス基板であり、前記第２の基板は半導体基板であって、前記電気素子は、前記第１の基板と前記第２の基板の間で、前記第１の基板の中央部に液晶が保持された液晶素子であることを特徴とする。
【００１５】
請求項１乃至４いずれかのパッケージでは、前記光学的窓を介して、前記パッケージの外部の光デバイスと前記電気素子との間で、光を入出力することができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかのパッケージであって、前記温度調整手段は、前記キャリア基板に形成された抵抗発熱体であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、外部の光デバイスと前記電気素子との間で光を入出力する、前記内部空間から外部へ開いた光学的窓を有するパッケージにおいて、一部に前記外部の光デバイスと光学的に結合可能な機能部分を含む電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して前記電気素子と一体に固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して、または、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。          
【発明の効果】
【００１８】
以上説明をしたように、本発明によれば、電気素子のパッケージにおけるヒータ機構を小型化して、パッケージ全体サイズをより小型化・薄型化し、さらに消費電力を減らすことができる。熱変形の大きい温度調整手段を電気素子のみに固定し、さらに電気素子のみが固定部でパッケージの容器内面に固定されることによって、電気素子およびヒータの両方を容器に固定していた従来技術と比較して、温度調節時にパッケージの各部において生じる複雑な歪や応力が緩和され、電気素子の位置ずれを減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の電気素子のパッケージの第１の実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の電気素子のパッケージの第２の実施形態の構成を示す断面図である。
【図３】図３は、従来技術において用いられている、一般的な電気素子のパッケージの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の電気素子のパッケージは、電気素子を保持固定するためのチップキャリアを従来技術とは異なる方法によってパッケージ容器と固定する。チップキャリアは温度調節素子である例えばヒータを内蔵しており、電気素子と一体に構成される。電気素子およびチップキャリアは、電気素子のみが固定部を介して容器の内面に固定される。この構成によって、ヒータから生成される熱は大部分が電気素子の温度調整のために効率的に与えられ、パッケージの容器や容器の外部への漏れを大幅に抑えることができる。ヒータを小型化し、パッケージ自体のサイズの小型化を実現できる。ヒータの低消費電力化も可能となる。電気素子として、第１の基板および第２の基板からなる２層基板の構成のものを利用して、第１の基板のみを用いて容器の内面に固定することもできる。以下、本発明の実施形態について各図を参照しながら説明する。はじめに、本発明の電気素子のパッケージの第１の実施形態について図１を用いて説明する。
【００２１】
［実施形態１］
図１は、本発明の電気素子のパッケージの第１の実施形態の構成を示す断面図である。本発明の電気素子のパッケージ１００は、大まかに、蓋部１０１および容器下部１０２からなり、その内部に電気素子１０３を収容した容器１００の形態として構成される。容器１００の内部には電気素子１０３を気密封止する空間を備えている。本発明のパッケージでは、容器１００内部に配置された電気素子１０３および電気素子１０３を搭載するチップキャリア（基板）１０７の構成に従来技術とは異なる特徴を持っている。尚、本発明の電気素子のパッケージにおいて、用語「パッケージ」は、電気素子を内部に収納して少なくとも動作時には一体に成型されている収納容器を意味する。電気素子と、パッケージの外部装置・回路との間で少なくとも電気信号を入出力して一定の機能を実現するものである。好ましくは、パッケージの外部と電気素子との間で、光学的に入出力を行うものにおいてより効果的である。したがって、パッケージは、外部の光デバイスと前記電気素子との間で光を入出力する、前記内部空間から外部へ開いた光学的窓を持っている。
【００２２】
本実施形態のパッケージでは、チップキャリア１０７は絶縁体であるセラミックから構成されている。電気素子１０３は、はんだや樹脂などから構成された接着層１０８によって、チップキャリア１０７の上に一体のものとして固定されている。接着層１０８は、はんだなどの金属材料から構成した方が、熱伝導性をより良くすることができる。
【００２３】
本発明の電気素子のパッケージは、温度調節手段として、チップキャリア１０７に内蔵されたヒータ１０９を備えている。チップキャリア１０７は、電気素子１０３とともに一体のものとして容器１００内の空間に収容されている。ヒータ１０９は、チップキャリア１０７において、電気素子１０３が配置される領域の近傍に設けられていれば良い。
【００２４】
蓋部１０１は、コバールから構成された窓枠部１１１と、サファイヤから構成された光学窓１０４と含んでいる。また、容器下部１０２は、セラミックから構成された容器支持基板１１６と、セラミックから構成された枠部１１０と、コバール製の枠部１１２とを含んでいる。容器支持基板１１６と枠部１１０とは、一体に成型されたものとすることができる。後述する外部との間の電気配線が形成できれば、別個の容器支持基板１１６と枠部１１０とを組み合わせて形成しても良い。さらに、電気素子１０３とパッケージの外部装置・外部回路等との電気的な接続を行うため、容器１００の外部において容器支持基板１１６の例えば端部においてフレキシブルプリント配線１１７に接続される。
【００２５】
本発明の電気素子のパッケージにおいては、容器下部１０２の枠部１１０の内側において、容器支持基板１１６の上方に配置され、基板面から離間して、チップキャリア１０７および電気素子１０３が一体のものとして、ブリッジ状の固定部１２０を介して固定されている。このように、電気素子１０３と一体となったチップキャリア１０７内にヒータ１０９を備えた構成によって、ヒータ１０９からの発熱が直接電気素子１０３に供給され、容器支持基板１１６の側に逃げることを抑えることができる。本発明のパッケージにおける固定部１２０による電気素子の固定方法およびヒータの構成によって、ヒータからの発熱は損失なく電気素子１０３に効率的に伝えられ、より少ない発熱量で電気素子１０３の温度調整をすることができる。
【００２６】
従って、本発明の電気素子のパッケージは、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓１０４を有するパッケージにおいて、電気素子１０３と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板１０７と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段１０９と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器１００とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部１２０を介して前記容器の内面上に固定されているものとして実現できる。
【００２７】
固定部１２０と電気素子１０３との間の固定、および、固定部１２０と容器下部１０２との間の固定は、はんだや樹脂などで行えば良い。例えば、パッケージの容器１００の薄型化および温度調整手段の低消費電力化をより重視する場合には、固定部１２０と電気素子１０３との間、および、固定部１２０と容器下部１０２との間を、それぞれ樹脂などの熱伝導率の低い材料で固定すれば良い。また、熱膨張や熱収縮による位置変動をより減らす場合には、固定部１２０と電気素子１０３との間、固定部１２０と容器下部１０２との間の固定を、それぞれはんだを用いて固定し、電気素子１０３とチップキャリア１０７との間は、弾性率が低くチップキャリア１０７の変形を一部吸収可能な樹脂を用いて固定すれば良い。
【００２８】
上述の接着に用いる樹脂材料には、気密封止された容器内で用いるために脱ガスが少ないこと、および、電気素子が所定の光学軸に対して位置ずれを起こさせないことが求められる。位置ずれ防止の要求を満たすため、チップキャリアや容器を構成するセラミックとの間で熱膨張率差が小さいこと、接着剤としての硬化収縮が小さいこと、さらには高温保管および動作時の位置ずれを小さくするためにガラス転移温度が高いことを満たす樹脂材料が適している。具体的には、未硬化成分が少なく脱ガスが少ないエポキシ樹脂系であって、熱膨張率差、硬化収縮およびガラス転移温度を考慮した接着剤の例として、ＥＰＯＴＥＫ製の３５３ＮＤやＮＴＴアドバンステクノロジ製のＡＴ４２９１Ａが挙げられる。
【００２９】
図１では本発明のパッケージの１つの断面を示しており１つの固定部１２０しか示されていないが、必要な固定強度に応じて、複数の固定部を用いて複数の異なる箇所で固定しても良い。好ましくは、図１の断面図に示したように、固定部１２０は単一であってその断面積が小さいことが望ましい。上述の固定方法によって、固定部１２０の材料と電気素子１０３を形成する材料の熱膨張率差による応力が生じにくくなり、熱膨張や熱収縮による素子の位置変動や経時変化を減らすことができる。振動や衝撃に対する機械的強度を保持するためにより大きな接着面積が必要な場合は、単一ではなく、複数の固定部１２０を設けても良い。
【００３０】
容器支持基板１１６は、未焼成のグリーンシートおよび配線構造を積層し、これらを焼成することによって形成されている。グリーンシートの上に、金属材料を含むペースト材料を用いたスクリーン印刷によって配線パターンを形成し、この上に、新たなグリーンシートを積層して容器支持基板１１６の形状に成形する。これらを、焼成することによって、アルミナセラミックから構成され内部に内部配線構造１０６を備えた容器支持基板１１６を作製することができる。
【００３１】
グリーンシートは、一例であるが、次に示すようにして作製される。例えば、まず、アルミナなどの金属酸化物の粉体に、ポリビニル系のバインダーおよび界面活性剤を加えて、２−プロパノールなどの有機溶媒からなる分散媒体に上記粉体が分散されているスラリーを作製する。次に、作製したスラリーを例えばよく知られたドクターブレード法によって成形してスラリーの層を形成し、このスラリーの層より分散媒体を除去することで乾燥し、グリーンシートとする。
【００３２】
本発明のパッケージにおいて使用されるチップキャリア１０７内のヒータ１０９は、一例であるが、次のように構成することができる。チップキャリア１０７に内部配線構造を内蔵することが可能であって、電気素子１０３が固定される領域において抵抗値の高い配線を内部に形成できる。すなわち、内部の配線構造を構成する配線の幅を細くし、また、配線を長くするなどの配線形状の設計によって、抵抗値を上げることができる。また、電気素子１０３が固定される領域を構成する配線部は、電気抵抗の高い金属材料から構成することもできる。このようにしてチップキャリア内に形成された配線部分は、電流を流すことで発熱する抵抗発熱体となり、ヒータ１０９として動作させることができる。このヒータ１０９により、容器１００によって形成される遮蔽空間内部であって、容器支持基板１１６の上方に、基板１１６面から離間して、チップキャリア１０７と一体に固定された電気素子１０３の温度調整を行う。
【００３３】
上述のように、チップキャリア１０７にヒータ１０９を内蔵することで、従来技術のように容器下部の側部外側のパッケージ高さ方向に沿って配置されたヒータを構成する場合と比べて、パッケージをより薄型化することが可能となる。また、ヒータ１０９の形成領域と電気素子１０３の領域とが重なる面積を大きくしたり、ヒータ１０９と電気素子１０３との離間距離を短くしたりすることによって、熱伝導を向上させることができる。本発明のパッケージでは、ヒータを内蔵したチップキャリア１０７と電気素子１０３とを一体に構成したことにより、従来技術とくらべてより少ない発熱量（消費電力）で対象とする電気素子１０３の温度調整を行うことができる。調整に必要な発熱量を減らすことができるのでヒータ１０９自体の体積を小さくすることも可能であって、温度調整機構そのものを小型化することができる。以上説明したように、従来技術のように電気素子とヒータとの距離が離れていたためにヒータの発熱量が無駄にされていた構成と比べて、本発明はヒータからの発熱を効率的に電気素子に伝えることができるので、パッケージの薄型化と温度調整機構の低消費電力化が可能となる。
【００３４】
本発明のパッケージにおける電気素子１０３は、ヒータ１０９からの熱がパッケージ外部に流れる通路がほとんど無い状態で、固定部１２０によって容器下部１０２の枠部１１０に固定されている。一方で、ヒータ１０９を含むチップキャリア１０７は、電気素子１０３と一体のものとして隣接して配置されている。したがって、ヒータ１０９の温度変化に対して、固定部１２０および容器下部１０２の温度変化は小さい。このため、電気素子１０３は温度変化による熱膨張や熱収縮の位置ずれの影響を受けにくく、電気素子１０３の位置変動を減らすことができる。本発明のパッケージにおける固定部１２０による電気素子の固定方法およびヒータの構成によって、光学窓１０４を介して外界との光の入出力を行う際に、位置変動による結合効率低下など光学特性劣化を抑えることができる。
【００３５】
既に述べたように、容器支持基板１１６に形成された内部配線構造１０６は、容器１００の遮蔽空間の内部および外部の間を電気的に接続する。内部配線構造１０６は、基板１１６の端部などで、パッケージ外のフレキシブルプリント配線１１７と電気的に接続される。フレキシブルプリント配線１１７により、さらにパッケージの容器１００内の電気素子と外部装置・外部回路との間の電気的な接続が行われる。ボンディングワイヤ１１３等によって電気素子１０３上の端子と内部配線構造１０６の遮蔽空間内部側に配置された端子を接続すれば、ワイヤ１１３を経由して、パッケージ内の電気素子１０３と外部回路とを電気的に接続することができる。同様に、ボンディングワイヤ１１４等によって、ヒータ１０９と内部配線構造１０６の遮蔽空間内部側の配置された端子との間を接続すれば、ワイヤ１１４を経由して、ヒータ１０９と外部回路との間を電気的に接続することができる。  
【００３６】
本発明のパッケージにおける電気素子１０３は、例えばＭＥＭＳセンサ素子であり、光が透過する光学窓１０４を介して外部光をパッケージ内に入力し、または、パッケージから外部へ光を出力する。このようにパッケージの内外で光を結合する場合、外部の光デバイスなどに対して電気素子１０３の光学軸を一致調整させる必要がある。ヒータ１０９によってパッケージの温度調整を行うと、容器１００が機械的に固定されている外部構造体（図３ではソケット基板３０８など）の熱膨張率によっては、容器下部１０２や電気素子１０３に対して応力が働き、一旦調整した光学軸に対して位置ずれを生じさせる。例えば、従来技術のＰＧＡでは、金属ピンを外部構造体であるソケット基板に差し込むことによってパッケージが基板に機械的に固定されており、ヒータからの発熱がソケット基板側にも流れ込んで、上述の熱膨張率の差による位置ずれの問題が発生することになる。
【００３７】
これに対し本発明のパッケージでは、ヒータ１０９が容器１００に直接接触していない構成のため、ヒータからパッケージ外部への熱の流れ込みが非常に少なく外部構造体の温度が上がりにくい。さらには、外部構造体が温度調整時の熱によって変形したとしても、フレキシブルプリント配線１１７を用いて外部と電気的に接続することで外部構造体との機械的な固定を避けることによって、外部構造体からの応力がパッケージへ働かないようにすることができる。このように本発明のパッケージでは、ヒータ１０９を内蔵したチップキャリア１０７と電気素子１０３とを一体に構成し、かつ、パッケージと外部回路とをフレキシブルプリント配線などによって比較的緩く結合することによって、上述したような位置ずれに起因する問題を抑制できるようになる。
【００３８】
従来技術のＰＧＡタイプのパッケージでは、直径０．５ｍｍ程度の複数の金属ピンをパッケージ底面に備えており、また、クワッドフラットパッケージ（Quad Flat Package：ＱＦＰ）では、０．５ｍｍ幅程度の複数の金属リードを、パッケージ底部の各辺に備えている。これらの金属ピンやリードの構成自体によって、パッケージの全体サイズが厚くなり薄型化が困難だった。さらに、従来技術のパッケージでは、ヒータの近傍に複数の金属体があったために、熱伝導が大きくなって電気素子を加熱するヒータの熱が金属体を通じてパッケージ外部へ漏れていた。
【００３９】
これに対し本発明のパッケージによれば、パッケージと外部回路との接続手段として、ピンやリードの代わりに水平方向に延在するフレキシブルプリント配線１１７を用いているので、全体に薄層化が可能である。また、フレキシブルプリント配線１１７は、ヒータから水平方向に離れて設けられるので、ヒータからの熱伝導が少なく、パッケージ内部から熱が逃げにくい。さらに、フレキシブルプリント配線自身も、例えば断面の幅が２００μｍ、厚さが２０μｍ程度、長さが数ｃｍの配線から構成されているため、熱伝導性が低い。ヒータからの発熱がパッケージの外部に漏れる量は、従来技術の構成に比べて、本発明の構成では少なく、ヒータの発熱量も減らすことができる。発熱量を減らすことができるのでヒータ自体の体積も小さく小型化することが可能である。本発明のパッケージによれば、電気素子のパッケージの薄型化と、温度調整機構の低消費電力化が可能となる。
【００４０】
[実施形態２]
図２は、本発明の電気素子のパッケージの第２の実施形態の構成を示す断面図である。図２の構成は、図１に示した実施形態１の構成と比べて、電気素子１０３を容器下部１０２に接続する構成のみで相違している。したがって、以下、この相違点だけに絞って説明する。図２の構成では、電気素子１０３は、少なくとも上層基板１１８と下層基板１１９とを備えた２層構造を持っており、上層基板１１８の一部が下層基板１１９より一方向側にせり出している電気素子１０３を備えている。本実施形態のパッケージでは、上層基板１１８のこのせり出した部分を利用して、容器下部１０２への固定・接続を行う。
【００４１】
したがって、本発明の電気素子のパッケージは、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓１０４を有するパッケージにおいて、電気素子１０３と、前記電気素子の前記光学窓側とは反対側の素子面において、接着層を介して固定されたキャリア基板１０７と、前記キャリア基板内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段１０９と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器１００とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部１１８のみを介して前記容器の内面上に固定されているものとしても実現できる。
【００４２】
このような、２つの層構造を持つ電気素子１０３の例としては、ＭＥＭＳミラーアレイモジュールがある。ＭＥＭＳミラーアレイモジュールは、上層基板１１８として、ＭＥＭＳプロセスで作成されたミラーのアレイを有し下部からミラーを静電駆動可能なように基板が貫通された半導体基板と、下層基板１１９として、上記ミラーの下部に近接して静電駆動する電極を備えた半導体基板とを備えている。ＭＥＭＳミラーアレイモジュールの２つの基板は、シリコン−シリコン接合されている。
【００４３】
２つの層構造を持つ電気素子の他の例には、上層基板１１８として光学窓であるガラス板と、下層基板１１９として光学的反射面であって同時にアレイ状のピクセル電極と駆動回路とを備えた半導体基板とを備え、上述のガラス板と半導体基板との間で面内中央部に液晶が保持され面内外周部で接着固定された構成の液晶素子がある。したがって、好ましくは、電気素子１０３は、前記光学的窓側に位置する第１の基板１１８と、前記第１の基板の少なくとも一部と接着固定された第２の基板１１９から構成され、前記第１の基板１１８の一部を介して、前記容器１００の前記内面上に固定されている構成とすることができる。
【００４４】
本実施形態のパッケージでは、図１に示した実施形態１におけるブリッジ状の固定部を介することなく、上層基板１１８の下面で容器下部１０２に直接固定されている。実施形態１では、固定部１２０と電気素子１０３との間の固定、および、固定部１２０と容器下部１０２との間の固定が必要であった。一方、本実施形態では、上層基板１１８と容器下部１０２との間のみで固定が必要であり、接続部位の数が少ない。このため、本実施形態の構成によれば、熱膨張や熱収縮による位置変動を実施形態１と比べてより減らすことができる。
【００４５】
以上に説明したように、電気素子を搭載する基板（チップキャリア）にヒータ等の温度調節手段を備えて、チップキャリアと電気素子が一体となるように構成したので、温度調整が必要な電気素子のパッケージを、より小型化および薄型化し、また、ヒータにおける消費電力を減らすことができる。さらに、温度調整手段を電気素子のみに固定し、温度調整手段から熱がパッケージの容器さらにはパッケージ外に流れ出にくい構成とした。温度調節手段からパッケージ外部へ流れる熱伝導の通路がほとんど存在しない構成としたので、電気素子が光学窓を介して光学的な入出力を行う場合でも、ヒータの熱によるパッケージ各部の熱膨張の差による位置ずれ量は限定され、パッケージ内外における光学軸の必要な位置合わせの精度を保つことができる。
【００４６】
本発明のパッケージは、以上説明した実施形態の構成だけに限定されず、他の構成も適用可能であって、多くの変形および組み合わせが可能である。例えば、電気素子と容器下部との間の固定は、枠部１１０の上面だけに限られず、枠部の内部側面または支持基板１１６の底面でも良い。固定部１２０の形状は、板状ではなくて、Ｌ字型その他の形状でも良い。容器の各部を構成する具体的な材料や、各部の作製方法は、上述の実施形態のものだけに限られない。さらに、温度調節手段としてヒータのみの構成を説明してきたが、常温よりも低い温度に素子温度を調整する場合には、ペルチェ素子などの冷却手段をチップキャリア内に構成しても良い。また、ヒータと冷却素子を組み合わせても良い。また、電気素子を封止する構造は、気密封止だけでなく樹脂封止であっても良い。
【００４７】
以上詳細に説明をしてきたように、本発明によれば、電気素子のパッケージにおけるヒータ機構を小型化して、パッケージ全体のサイズをより小型化・薄型化し、さらに消費電力を減らすことができる。熱変形の大きい温度調整手段を電気素子のみに固定し、さらに電気素子のみが固定部でパッケージの容器内面に固定されることによって、電気素子およびヒータの両方を容器に固定していた従来技術と比較して、温度調節時にパッケージの各部において生じる複雑な歪や応力が緩和され、電気素子の位置ずれを減らすことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、電気素子などの部品を搭載するパッケージに利用することができる。特に、外部の光学デバイスと光結合可能な液晶素子、ＭＥＭＳセンサ素子などのパッケージに利用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１００、３００  パッケージ容器
１０１、３０１  容器蓋
１０２、３０２  容器下部
１０３、３０４  電気素子
１０４、３１３  光学窓
１０６  内部配線
１０７  チップキャリア
１０８、３０９  接着剤
１０９、３２２  ヒータ
１１３、１１４、３０７  ボンディングワイヤ
１１６  支持基板
１１７  フレキシブルプリント配線
１２０  固定部
３０６  金属ピン
３０８  ソケット基板
【図１】
2016051773.tif 000003
【図２】
2016051773.tif 000004
【図３】
2016051773.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成27年11月6日(2015.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、前記電気素子の材料に比べて弾性率が低い樹脂材料からなる接着層を介して一体に固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板の内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
請求項２に記載の発明は、電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、電気素子と、前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、前記電気素子の材料に比べて弾性率が低い樹脂材料からなる接着層を介して一体に固定されたキャリア基板と、前記キャリア基板の内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器とを備え、前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかのパッケージであって、前記温度調節手段は、前記キャリア基板に形成された抵抗発熱体であることを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項２のパッケージであって、前記電気素子の前記一部は、前記キャリア基板が接着固定された側の面の一部であり、前記容器の内面は前記光学的窓側の面であることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１のパッケージであって、前記電気素子は、前記電気素子の前記光学的窓側の面上の一部で前記固定部と固定され、前記容器の内面は前記光学的窓側の面であることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかのパッケージであって、前記容器は、前記内部空間との電気的な接続を行う内部配線を有する容器支持基板を備え、前記内部配線は前記容器支持基板の端部においてフレキシブルプリント配線と電気的に接続されることを特徴とする。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、
電気素子と、
前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、前記電気素子の材料に比べて弾性率が低い樹脂材料からなる接着層を介して一体に固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板の内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子のみが固定部を介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。
【請求項２】
電気素子を内部空間に収納し、光学的窓を有するパッケージにおいて、
電気素子と、
前記電気素子の前記光学的窓側とは反対側の素子面において、前記電気素子の材料に比べて弾性率が低い樹脂材料からなる接着層を介して一体に固定されたキャリア基板と、
前記キャリア基板の内部または前記キャリア基板面上に構成された、前記電気素子の温度を調整する温度調節手段と、
前記電気素子上に空間を形成しながら、前記電気素子および前記キャリア基板を内部に収納し、気密封止する容器と
を備え、
前記キャリア基板は、前記容器の前記内部空間側の対向面から離間して前記電気素子によって保持され、前記電気素子の一部のみを介して前記容器の内面上に固定されていることを特徴とするパッケージ。
【請求項３】
前記電気素子は、
前記光学的窓側に位置する第１の基板と、
前記第１の基板の少なくとも一部と接着固定された第２の基板から構成され、
前記第１の基板の一部を介して、前記容器の前記内面上に固定されていることを特徴とする請求項２に記載のパッケージ。
【請求項４】
前記第１の基板はガラス基板であり、前記第２の基板は半導体基板であって、
前記電気素子は、前記第１の基板と前記第２の基板の間で、前記第１の基板の中央部に液晶が保持された液晶素子であることを特徴とする請求項３に記載のパッケージ。
【請求項５】
前記温度調節手段は、前記キャリア基板に形成された抵抗発熱体であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のパッケージ。
【請求項６】
前記電気素子の前記一部は、前記キャリア基板が接着固定された側の面の一部であり、前記容器の内面は前記光学的窓側の面であることを特徴とする請求項２に記載のパッケージ。
【請求項７】
前記電気素子は、前記電気素子の前記光学的窓側の面上の一部で前記固定部と固定され、前記容器の内面は前記光学的窓側の面であることを特徴とする請求項１に記載のパッケージ。
【請求項８】
前記容器は、前記内部空間との電気的な接続を行う内部配線を有する容器支持基板を備え、前記内部配線は前記容器支持基板の端部においてフレキシブルプリント配線と電気的に接続されることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載のパッケージ。