JP6001426B2 - 電子部品収納用セラミック基板およびそれを用いた電子部品実装パッケージ - Google Patents

Description

本発明は、電子部品を収容するための凹部を有する電子部品収納用セラミック基板およびそれを用いた電子部品実装パッケージに関する。

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。これらの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、電子部品収納用セラミック基板などの筐体に搭載され気密封止されている。

図８は、従来の電子部品実装パッケージの一例を示す分解斜視図である。図９は、図８に示した電子部品収納用セラミック基板のＸ−Ｘ線断面模式図である。水晶応用製品等の電子部品１００を搭載するための電子部品実装パッケージは、電子部品収納用セラミック基板１０１の上面に蓋体１０３が接合された構成となっている。電子部品収納用セラミック基板１０１はセラミック製の基板底部１０５とその上面に一体的に形成されたセラミック製の基板堤部１０６とを基本構造とし、その基板堤部１０６の表面には金属層１０７が形成されており、この金属層１０７の上面にはさらに蓋体１０３が接合されている。この場合、蓋体１０３と金属層１０７とは、ロウ材を介して、例えば、シーム溶接等の接合方法を用いて接合される（例えば、特許文献１を参照）。

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高性能化に加えて、ますます小型化や薄型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１００やこれを搭載した電子部品実装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。

特開２０１０−１３５７１１号公報

電子部品実装パッケージの小型化や薄型化を図るためには、これを構成する電子部品収納用セラミック基板１０１の構成部材である基板底部１０５や基板堤部１０６の厚みや高さを小さくする必要があるが、これらの部材のうち基板堤部１０６の厚みｔが薄くなると、蓋体１０３を接合するために基板堤部１０６の上面に形成される金属層１０７の幅ｗも狭くなってくるため、電子部品実装パッケージの気密性が損なわれるという問題がある。

従って、本発明は、基板堤部の表面に形成された金属層の幅が狭い場合にも高い気密性を維持できる電子部品収納用セラミック基板とそれを適用した電子部品実装パッケージを提供することを目的とする。

本発明の電子部品収納用セラミック基板は、電子部品の搭載面を有する板状の基板底部と、該基板底部上で前記搭載面を囲むように配置された枠状の基板堤部と、該基板堤部の表面に周状に配置された金属層と、を備えており、前記金属層は前記基板堤部の上面から側面に及ぶように設けられているとともに、前記側面を覆う前記金属層は、前記上面付近の厚みがこれよりも下方であって前記搭載面側の位置における厚みよりも厚くなっている。

本発明の電子部品実装パッケージは、上記の電子部品収納用セラミック基板の前記搭載面に電子部品が実装され、前記基板堤部の上部に蓋体が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、基板堤部の表面に形成された金属層の幅が狭い場合にも高い気密性を維持できる電子部品収納用セラミック基板とそれを適用した電子部品実装パッケージを得ることができる。

本発明の電子部品実装パッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。 図１に示した電子部品実装パッケージを構成する電子部品収納用セラミック基板のＸ−Ｘ線断面模式図である。 本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板を示すものであり、搭載面を含むようにして縦断面視したときに、基板堤部の上面が凸凹している構造を部分的に示す断面模式図である。 本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板を示すものであり、基板堤部の側面を覆う金属層の厚みに関し、基板堤部の上面付近の厚みがこれよりも下方であって搭載面側の位置における厚みよりも厚くなっている構造を部分的に示す断面模式図である。 本実施形態の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。 本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示すものであり、図３に示した構造の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。 本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示すものであり、図４に示した構造の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。 従来の電子部品実装パッケージの一例を示す分解斜視図である。 図８に示した電子部品収納用セラミック基板のＸ−Ｘ線断面模式図である。

図１は、本発明の電子部品実装パッケージの一実施形態を示す分解斜視図である。図２は、図１に示した電子部品収納用セラミック基板のＸ−Ｘ線断面模式図である。

本実施形態の電子部品収納用セラミック基板は、電子部品１０の搭載面１を有する板状の基板底部３と、基板底部３上で搭載面１を囲むように配置されている枠状の基板堤部５とを備えており、この基板堤部５の表面には、蓋体７などの金属部材を接合するための金属層９が周状に設けられた構成となっており、ここで、金属層９は基板堤部５の上面５ａから側面５ｂに及ぶように設けられていることを特徴とする。

本実施形態の電子部品収納用セラミック基板では、基板堤部５の上面５ａを覆うように形成された金属層９が基板堤部５の上面５ａからそれに連なる側面５ｂにも及ぶように形成されているために、基板堤部５の側面５ｂ間の厚みｔが薄くなっても金属層９の幅ｗを大きく取ることができ、これにより、例えば、基板堤部５の上面側に蓋体７を接合したときの接合面積を広くできる。その結果、基板堤部５と蓋体７との間のシール性が高まり、電子部品収納用セラミック基板の気密性を向上させることができる。

このような形状の金属層９を適用する電子部品収納用セラミック基板としては、基板堤部５の厚み（上面５ａの位置における厚み）ｔが平均で０．０５〜０．１５ｍｍ、基板底部３の面積が０．５〜５ｍｍ²、基板底部３の厚みが平均で０．０５〜１ｍｍと、基板底
部３のサイズが小さい上に、基板堤部５および基板底部３の厚みが薄く、その上面に形成される金属層９の幅ｗが狭いような小型の電子部品収納用セラミック基板に適したものとなる。

ここで、金属層９は金属粉末のペーストを基板堤部５となるセラミック製の成形体の表面に印刷し同時焼結させたメタライズ膜である場合に適している。

これは基板堤部５がセラミック製であり、これに金属層９として、上述のようなメタライズ膜を形成した場合には、金属層９の内部あるいは基板堤部５と金属層９との界面にボイドが形成される場合があり、このボイドが基板堤部５と蓋体７との間のシール性を低下させる原因となるからである。

この場合、基板底部３と基板堤部５とも一体的に形成されていることが望ましい。基板底部３と基板堤部５とが一体的に形成されていると、これらの接合界面におけるシール性を高めることができる。

また、基板底部３と基板堤部５とは同じ材質であるのがよい。基板底部３と基板堤部５とが同じ材質であると、同時焼成される際に、基板底部３と基板堤部５との焼結速度が近いことから電子部品収納用セラミック基板の反りや変形を低減することができる。例えば、蓋体７を接合した際の変形が小さくなることから、変形により発生する残留応力が低くなり、急激な温度変化に晒されるような環境においてもクラック等の欠陥の発生を防止することが可能となる。

ここで、同じ材質というのは、基板底部３および基板堤部５に含まれる主成分のセラミック成分が同じであるという意味である。この場合、主成分とは、基板底部３および基板堤部５に含まれるセラミック成分の含有量が８０質量％以上である場合をいう。

なお、基板底部３および基板堤部５は、高い熱伝導性を有し、かつ高強度であるという点でアルミナを主成分とし、これにＳｉおよびＭｇなどの添加剤を含有するものが望ましい。

図３は、本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板を示すものであり、搭載面を含むようにして縦断面視したときに、基板堤部５の上面が凸凹（デコボコ）している構造を部分的に示す断面模式図である。この電子部品収納用セラミック基板では、搭載面１を含むようにして縦断面視したときに、基板堤部５の上面が凸凹（デコボコ）していることが望ましい。言い換えると、基板堤部５の上面５ａが、基板堤部５の側面５ｂ間である厚みｔ方向に向けて凸凹を有しているという状態である。

図３に示しているように、金属層９の形成される基板堤部５の上面５ａが、例えば、厚み方向の中央部辺りに凹みを有するような形状であると、基板堤部５の上面５ａが平坦である場合に比べて、基板堤部５の上面５ａと金属層９との間の接触している長さ（幅、面積）を基板堤部５の厚みｔ方向に長く（広く）することができる。これにより基板堤部５と蓋体７との間のシール性が高まり、気密性をさらに向上させることができる。

なお、図３では、厚み方向の中央部辺りに凹みを有するような形状を示しているが、基板堤部５の上面５ａと金属層９との間の接触している長さ（幅、面積）を基板堤部５の厚みｔ方向に長くすることができる形状であれば、このような形状に限らず、厚み方向の中央部辺りが凸状に盛り上がった形状であってもよい。

図４は、本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板を示すものであり、基板堤部
の側面を覆う金属層の厚みに関し、基板堤部の上面付近の厚みがこれよりも下方であって搭載面側の位置における厚みよりも厚くなっている構造を部分的に示す断面模式図である。この電子部品収納用セラミック基板では、側面５ｂの一部を覆う金属層９は、基板堤部５の上面５ａ付近の厚みｔ_３がこれよりも下方であって搭載面１側の位置における厚みｔ_４よりも厚くなっていることが望ましい。基板堤部５に蓋体７が接合されたときに、基板堤部５の内部でガスのリークが起こり易いのは上述のように基板堤部５の上面５ａと、その表面に形成された金属層９との界面である。このような場合に、側面５ｂの一部を覆う金属層９の基板堤部５の上面５ａ付近の厚みｔ_３をこれよりも下方であって搭載面１側の位置における厚みｔ_４よりも厚くしておくと、金属層９の厚み分だけ気密性を高めることができる。

この場合、金属層９は基板堤部５の搭載面１側だけでなく、搭載面１側とは反対の基板堤部５の外側の側面５ｂにも形成されていることがより望ましく、基板堤部５の両側面５ｂが金属層９で覆われた構造となるために、基板堤部５を機械的に強固なものにできる。

そして、基板堤部５の側面５ｂの一部を覆う金属層９の基板堤部５の上面５ａ付近の厚みｔ_３をこれよりも下方であって搭載面１側の位置における厚みｔ_４よりも厚くしておくような形状の場合には、基板堤部５の形状は、図４に示すように、その基板堤部５を縦断面視したときに、金属層９の厚みの関係とは反対に、基板堤部５の上面５ａ側の厚みｔ_１が搭載面１側の厚みｔ_２よりも薄くなっている形状であることが望ましい。

つまり、基板堤部５の厚みとそれを覆っている金属層９の厚みとが基板堤部５の高さ方向に相殺されるような形状であると、電子部品収納用セラミック基板を平面視したときの基板底部３側および金属層９側の面積の差が小さいことから、電子部品収納用セラミック基板がより高い寸法精度を有するものにでき、これによりマザーボード等への実装構造の設計を容易にすることができる。

なお、図４に示すような電子部品収納用セラミック基板においては、基板堤部５の側面５ｂを覆う金属層９が基板堤部５の側面５ｂと面一になっていることが望ましい。基板堤部５およびそれを覆う金属層９がこのような形状であると、基板堤部５の側面５ｂの金属層９による段差を小さくすることができ、これにより実装工程等でのハンドリング時に発生する外表面のキズや欠けを防止できる。

本実施形態の電子部品実装パッケージは、上述した電子部品収納用セラミック基板の搭載面１に水晶振動子等の電子部品１０が実装され、基板堤部５の上部に蓋体７が設けられていることを特徴とするものである。この電子部品実装パッケージは、電子部品１０の搭載面１を有する板状の基板底部３と、基板底部３上で搭載面１を囲むように配置された枠状の基板堤部５と、基板堤部５の表面に周状に配置された金属層９と、を備えており、金属層９が基板堤部５の上面５ａから側面５ｂに及ぶように設けられていることから、基板堤部５の側面５ｂ間の厚みｔが薄くなっても金属層９の幅を大きく取ることができ、これにより、気密性の高い電子部品実装パッケージを得ることができる。

なお、本実施形態の電子部品収納用セラミック基板には、必要に応じて、その表面や内部に、電子部品１０や外部電源と接続するための導体層を設けてもよい。

次に、本実施形態の電子部品収納用セラミック基板および電子部品実装パッケージの製造方法について説明する。

図５は、本実施形態の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。まず、図５（ａ）に示すように、基板底部３および基板堤部５を形成するためのシート状
成形体２１を作製する。その組成は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を主成分とし、これにＳｉＯ_２粉末およびＭｇＯ粉末を所定量添加した混合粉末を用いる。

次に、この混合粉末に対して、有機バインダーを溶媒とともに添加してスラリーや混練物を調製した後、これをプレス法、ドクターブレード法、圧延法、射出法などの成形方法を用いてシート状成形体２１を形成する。

次に、シート状成形体２１の表面に、電子部品や外部電源と接続するための導体層あるいは蓋体７との接合に供する金属層９となる金属粉末ペーストの印刷パターン２２を形成する。印刷パターン２２はその一部が金型の凸部２３に加圧されるように形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、一方の面に凸部２３を有する金型を用意し、この金型を用いて、金属粉末ペーストの印刷パターン２２を形成したシート状成形体をプレス成形し、凸部２３に対応する部分が凹部となる凹状成形体２５を形成する。この場合、金型の凸部２３が金属粉末ペーストの印刷パターン２２の一部に重なるように加圧する。このプレス成形の工程において、シート状成形体２１の表面に形成された金属粉末ペーストの印刷パターン２２のうち、凸部２３の周囲２３ａに対応する位置に形成された金属粉末ペーストの印刷パターン２２は、加圧時に変形し、凹部の側面２４にまで伸びてくる。こうして金属粉末ペーストの印刷パターン２２を凹状成形体２５の凹部からそれに連なる凹部の側面２４に及ぶように形成することが可能となる。

ここで、本実施形態の電子部品収納用セラミック基板を作製する方法によれば、シート成形体２１の金型の凸部２３によって加圧された部分（凹部の中央部２１ｂ）と、その周囲２１ａとは一体的に成形される。

次に、この成形体２５を所定の温度条件で焼成することにより、電子部品収納用セラミック基板を得ることができる。

図６は、本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示すものであり、図３に示した構造の金属層を有する電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。図３に示した構造の金属層を有する電子部品収納用セラミック基板を得る場合には、凸部２３の周囲２３ａとなる位置に形成する金属粉末ペーストの印刷パターン２２として、図６に示すように厚みを変化させたものを形成する。

図７は、本実施形態の他の電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示すものであり、図４に示した構造の金属層を有する電子部品収納用セラミック基板の製造工程を示す模式図である。図７に示した構造の成形体を得る場合には、金属粉末ペースト中に含ませるバインダとして、ガラス転移温度が金型で加圧するときの温度以下のものを用いて、金属粉末ペーストの印刷パターン２２がシート状成形体２１の表面上で伸びるようにするとよい。この場合には、シート状成形体を金型を用いて加圧したときに、印刷パターン２２が伸びると同時にシート状成形体中に埋まる。こうして図４に示すような形状の金属層９を有する電子部品収納用セラミック基板を得ることができる。

Ａｌ_２Ｏ_３粉末９３質量％に対して、ＳｉＯ_２粉末を５質量％、ＭｇＯ粉末を２質量％の割合で混合した後、さらに、有機バインダーとしてアクリル系バインダーを１９質量％、有機溶媒としてトルエンを混合してスラリーを調製した後、ドクターブレード法にて平均厚みが４００μｍのシート状成形体を作製した。次に、この成形体の基板堤部となる部分の上面付近にタングステンと銅との混合粉末を主成分とする金属粉末ペーストを用いて所定の形状の印刷パターンを形成した。印刷パターン（金属層）の形状については前述の
図面に基づき表１に示した。

次に、金属粉末ペーストの印刷パターンを形成したシート状成形体に対し、金型を用いて、８０℃の温度で加熱プレスを行い、切断して、図２、図３、図４および図９にそれぞれ示すような構造の成形体を形成した。次いで、還元雰囲気中、１４００℃、１時間の条件にて焼成を行った。焼成後の電子部品収納用セラミック基板の金属層（メタライズ層）にはニッケル、金めっきを順に施した。

得られた電子部品収納用セラミック基板は、平面の面積が２ｍｍ×２ｍｍ、基板底部の厚みが０．１ｍｍ、基板堤部の平均厚みが０．１５ｍｍ、基板堤部の搭載面からの高さが０．２ｍｍであった。

作製した基板のうち、図４に示す構造の電子部品収納用セラミック基板の基板堤部の側面を覆う金属層は、基板堤部の上面付近の厚みｔ_３が平均で２０μｍ、これよりも下方であって搭載面側の位置（先端より５０μｍ上部）における厚みｔ_４は平均で１２μｍであった。

次に、めっきを施した電子部品収納用セラミック基板の基板堤部の金属層の表面に接合部材として銀ロウ（共晶Ａｇ−Ｃｕロウ）を用い、この上に厚みが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。

蓋体を形成した電子部品収納用セラミック基板（電子部品実装パッケージ）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、真空雰囲気中にて検出されるＨｅガス量を測定した。試料数は５個とし、表１にはＨｅガス量が最大であった値を記した。

比較例（試料Ｎｏ．５）として、成形体の基板堤部となる部分の上面だけに金属粉末ペーストの印刷パターンを形成した試料を同様の方法にて電子部品実装パッケージとして作製し、気密封止性を同様に評価した。

表１から明らかなように、作製した試料のうち基板堤部の表面の金属層を基板堤部の上面から側面にも及ぶ形状とした試料Ｎｏ．１〜３では、Ｈｅリーク法による気密封止性がいずれも４×１０^−１０ＭＰａ・ｃｍ^３／ｓｅｃ以下であった。この中で、電子部品収納用セラミック基板の搭載面を含むようにして縦断面視したときに、基板堤部の上面が凸凹（デコボコ）している構造（図３）の試料では、Ｈｅリーク法による気密封止性が１×１０^−１０ＭＰａ・ｃｍ^３／ｓｅｃであった。

これに対し、基板堤部の上面だけに金属層を形成した試料（試料Ｎｏ．４）では、Ｈｅ
リーク法による気密封止性が７×１０^−１０ＭＰａ・ｃｍ^３／ｓｅｃであった。

１０１・・・・・電子部品収納用セラミック基板
１・・・・・・・搭載面
３、１０５・・・基板底部
５、１０６・・・基板堤部
５ａ・・・・・・基板堤部の上面
５ｂ・・・・・・基板堤部の側面
７、１０３・・・蓋体
９・・・・・・・金属層
１０・・・・・・電子部品
２１・・・・・・シート状成形体
２１ａ・・・・・凹状成形体の周囲
２３・・・・・・凸部
２３ａ・・・・・凸部の周囲
２４・・・・・・凹部の側面
２５・・・・・・凹状成形体
ｔ・・・・・・・基板堤部の厚み
ｔ_１・・・・・・基板堤部の上面の位置における厚み
ｔ_２・・・・・・基板底部の搭載面側の位置における厚み
ｔ_３・・・・・・基板堤部の上面付近における金属層の厚み
ｔ_４・・・・・・基板底部の搭載面側の位置における金属層の厚み
ｗ・・・・・・・金属層の幅（基板堤部の厚みｔに対応する幅）

Claims (4)

1. 電子部品の搭載面を有する板状の基板底部と、該基板底部上で前記搭載面を囲むように配置された枠状の基板堤部と、該基板堤部の表面に周状に配置された金属層と、を備えており、前記金属層は前記基板堤部の上面から側面に及ぶように設けられているとともに、前記側面を覆う前記金属層は、前記上面付近の厚みがこれよりも下方であって前記搭載面側の位置における厚みよりも厚くなっていることを特徴とする電子部品収納用セラミック基板。
2. 前記搭載面を含むようにして縦断面視したときに、前記基板堤部の上面が凸凹していることを特徴とする請求項１に記載の電子部品収納用セラミック基板。
3. 前記金属層は、前記基板堤部の前記側面と面一になっていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品収納用セラミック基板。
4. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載の電子部品収納用セラミック基板の前記搭載面に電子部品が実装され、前記基板堤部の上部に蓋体が設けられていることを特徴とする電子部品実装パッケージ。