電子デバイス及びその製造方法
【課題】絶縁基板２に形成した貫通電極６の密閉性を向上させる。
【解決手段】絶縁基板２の貫通孔３に形成する貫通電極６として、金属と無機材料からなる混合部材４と、Ａｕ（金）Ｓｎ（錫）からなる合金部材５とから構成し、混合部材４を合金部材５により蓋をするように構成した。これにより、貫通電極６の密閉性が向上するとともに、混合部材４と貫通孔３の側壁との間の接合性が向上し、かつ、混合部材４の空孔が充足されて外部からの不純物や水分の浸入を防止し、密閉性を向上させた。
【解決手段】絶縁基板２の貫通孔３に形成する貫通電極６として、金属と無機材料からなる混合部材４と、Ａｕ（金）Ｓｎ（錫）からなる合金部材５とから構成し、混合部材４を合金部材５により蓋をするように構成した。これにより、貫通電極６の密閉性が向上するとともに、混合部材４と貫通孔３の側壁との間の接合性が向上し、かつ、混合部材４の空孔が充足されて外部からの不純物や水分の浸入を防止し、密閉性を向上させた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は貫通電極を形成した絶縁基板上に電子部品が実装された電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光素子、特にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、近年、発光輝度等の改善が図られて、用途拡大への期待が高い。従来はプラスチックケースにＬＥＤを実装し、マイクロレンズなどを光路の途中において集光させたり、ＬＥＤ及びＬＥＤを実装した基板全体を、透明な樹脂でモールドし、樹脂の表面を滑らかな球面などに仕上げることで、樹脂をレンズとして使用して集光させたりした。このようなＬＥＤを実装した発光デバイスは、例えば液晶表示装置のバックライト、信号機の光源、大型電光掲示板や映像画面、その他イルミネーション用の光源として利用されている。ＬＥＤは、低電圧、低消費電力で駆動でき、発光輝度や発光寿命が改善されたことから室内灯や自動車照明、液晶表示画面のバックライト用などの幅広い分野への適用が期待されている。
【０００３】
特許文献１には、表面に導体膜を印刷したセラミックグリーンシートを成形加工してキャビティーを形成し、このキャビティーの底部にＬＥＤを実装したＬＥＤパッケージが記載されている。また、キャビティーの底部にはスルーホール（貫通孔）が形成され、このスルーホールを介して裏面側に配線が引き出されている。このスルーホール及びスルーホール内の電極は次のように形成される。まず、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定のサイズに切り出し、パンチングマシーンを使用して０．２５ｍｍφのスルーホールを形成する。次に、ＬＥＤを搭載しない側から、スクリーン印刷法によりタングステン導体ペーストを印刷し、スルーホールの穴を埋め、同時に配線部分を形成する。次に、プレス機に装着してプレスし、キャビティーを形成する。その後、焼成してグリーンシート及び導体ペースト中の有機物を燃焼除去して貫通電極及び導体層を形成し、グリーンシートをセラミックス化する。
【０００４】
タングステン導体ペーストを焼結して貫通電極を形成すると、導体抵抗が高く信号の伝播速度が遅くなる、或いは熱伝導性が低いために放熱効果が低下する。そのため、高周波信号により駆動される電子部品や、放熱特性が求められる電子部品のパッケージには必ずしも適さない。そこで、貫通電極としてタングステン等の高融点金属に代えて、銅、銀、金等の導体抵抗が低く、熱伝導性が高い材料が使用されている。例えば、ガラスとセラミックスからなる無機物フィラーを含有する銅、銀、金の混合材料を８００℃〜１０００℃により焼成して、貫通電極や配線電極を形成した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５８２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、無機物フィラーを含有した銅、銀、金等からなる導電ペーストを用いて焼成により貫通電極を形成すると、貫通電極の内部や貫通電極と貫通孔の壁面との間に気泡や空洞が生じて密閉性が低下した。そのため、水分や不純物が外部から浸入し、素子の信頼性を損なう、という課題があった。また、貫通電極と貫通孔との間の密着性が弱く、温度変化を繰り返すことにより貫通電極が脱落する、などの課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電子デバイスは、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された絶縁基板と、前記貫通孔に充填された貫通電極と、前記貫通電極の上又は近傍に実装された電子部品と、前記電子部品を封止する封止部と、を備え、前記貫通電極は、金属と無機材料からなる混合部材と、Ａｕ（金）Ｓｎ（錫）からなる合金部材を有することとした。
【０００８】
また、前記貫通電極は、前記合金部材を前記混合部材に前記絶縁基板の表面又は裏面の側から蓋を被せたように形成されることとした。
【０００９】
また、前記合金部材は、前記貫通孔の側壁と前記混合部材との間の間隙、又は、前記混合部材の空隙又は粒界に充填されることとした。
【００１０】
本発明の電子デバイスの製造方法は、絶縁基板に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔に金属と無機材料を充填して焼結し、混合部材を形成する工程と、前記絶縁基板の表面又は裏面の側から前記混合部材の表面にＡｕＳｎからなる合金材料を塗布する工程と、前記塗布した前記合金材料を焼成して合金部材を形成し、前記混合部材に前記合金部材を積層した貫通電極を形成する工程と、前記貫通電極の上又は前記貫通電極に近接して前記絶縁基板の上に電子部品を実装する工程と、前記電子部品を封止する封止部を形成する工程と、を含むこととした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子デバイスは、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された絶縁基板と、貫通孔に充填された貫通電極と、貫通電極の上又は近傍に実装された電子部品と、電子部品を封止する封止部と、を備えている。そして、貫通電極は、金属と無機材料からなる混合部材と、ＡｕＳｎからなる合金部材を有する。これにより、貫通電極の密閉性が向上するとともに、貫通電極と貫通孔の側壁との間の接合性が向上し、外部から不純物や水分の浸入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電子デバイスの模式的な縦断面図である。
【図２】本発明に係る電子デバイスの貫通孔部分の断面ＳＥＭ写真である。
【図３】本発明に係る電子デバイスの模式的な縦断面図である。
【図４】本発明に係る電子デバイスの模式的な縦断面図である。
【図５】本発明に係る電子デバイスの製造方法を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る電子デバイスは、ガラス材料やセラミックス材料等からなり、貫通孔が形成されている絶縁基板と、その貫通孔に充填された貫通電極と、貫通電極の上又はその近傍に実装された電子部品と、電子部品を封止するための封止部とを備えている。貫通電極は、金属と無機材料が混合された混合部材と、ＡｕＳｎを含む合金部材から構成されている。貫通電極の一態様としては、混合部材は貫通孔の内部に埋め込まれており、合金部材は混合部材に絶縁基板の表面又は裏面の側から蓋をするように形成されている。混合部材と合金部材との界面は密着し、混合部材の表面側に形成される空隙や混合部材と貫通孔の側壁との間に形成される間隙を埋めている。このように形成されているので、貫通電極の密閉性が向上し、外部から不純物や水分の浸入を防止することができる。また、貫通電極と貫通孔の側壁との間の密着性が向上するので、温度サイクル等の環境変化に対して、貫通電極が脱落する、あるいは間隙が生成されて信頼性が低下することを防止することができる。
【００１４】
また、本発明に係る電子デバイスの製造方法は、まず、絶縁基板に貫通孔を形成する。次に、貫通孔に金属と無機材料、例えば無機フィラーを混入した導電ペーストを充填し、焼結して混合部材を形成する。また、絶縁基板の表面又は裏面の側から混合部材の表面にＡｕＳｎからなる合金材料を塗布し、焼結して合金部材を形成する。これにより、貫通孔には混合部材と合金部材の積層構造を有する貫通電極が形成される。次に、この貫通電極の上又はその近傍に電子部品を実装する。そして、実装された電子部品を封止する封止部を形成して電子部品を密閉する。このように製造することにより、貫通電極の密閉性が向上し、外部から不純物や水分の侵入を防止することができるとともに、温度サイクル等の環境変化に対して貫通電極が脱落する、等の信頼性の低下を防止することができる。
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００１５】
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る電子デバイス１の模式的な縦断面図を示す。電子デバイス１は、中央部に凹状の窪み１１が形成された絶縁基板２と、窪み１１に収納された電子部品７と、電子部品７を密封する封止部９から構成されている。絶縁基板２の窪み１１の底部には２つの貫通孔３ａ、３ｂが形成され、この貫通孔３には貫通電極６ａ、６ｂが充填されている。絶縁基板２の裏面には貫通電極６ａ、６ｂのそれぞれに電気的に接続する裏面電極８ａ、８ｂが形成されている。電子部品７は貫通電極６ａ、６ｂの上部に面実装されている。封止部９は、窪み１１に収納された電子部品７を密封するように絶縁基板２の上部に接着されている。
【００１６】
貫通電極６ａ、６ｂは、絶縁基板２に埋め込まれた部分の混合部材４ａ、４ｂと、この混合部材４ａ、４ｂに上部から蓋をするように形成された合金部材５ａ、５ｂから構成されている。合金部材５ａ、５ｂは金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）からなり、ＡｕＳｎの組成比は略８０：２０である。混合部材４ａ、４ｂは、ガラスフリットを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有する銀（Ａｇ）ペーストを焼成して形成した。
【００１７】
絶縁基板２及び封止部９は、ガラス材料やセラミックス材料を使用することができる。例えば窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、炭化珪素、アルミナ、ムライト、窒化ホウ素、ホウ珪酸ガラス等を使用することができる。絶縁基板２と封止部９とは接合材１４を介して接着されている。接合材１４として、アルミニウム薄膜、ＡｕＳｎ合金、低融点ガラス、或いはエポシキ樹脂を使用することができる。接合方法として加熱融着法や陽極接合法を用いることができる。裏面電極８ａ、８ｂは、導電材料を印刷法により印刷し、その後焼成して形成することができる。裏面電極８ａ、８ｂとして銀パラジウムや銀を使用することができる。
【００１８】
ＡｕＳｎからなる合金は、ＡｕＳｎからなる合金材料を混合部材４ａ、４ｂの表面に塗布し、温度１５０℃〜３２０℃で焼成して形成した。その結果、合金材料は混合部材４ａ、４ｂの表面近傍に形成される空孔や貫通孔３ａ、３ｂの壁面との間の間隙に浸み込み、混合部材４ａ、４ｂの密閉性を向上させている。つまり、混合部材４ａ、４ｂに合金部材５ａ、５ｂにより蓋を被せたような効果を発揮する。そのため、混合材料としてより多孔性の材料を使用することができる。
【００１９】
なお、上記第一実施形態において、合金部材５ａ、５ｂを絶縁基板２の窪み１１側に設けているが、これに加えて絶縁基板２の裏面側にも設け、混合部材４ａ、４ｂを表面と裏面の両面側から蓋をするようにしてもよい。これにより、更に密閉性を向上させることができる。また、電子部品７を貫通電極６の上に面実装した例を示しているが、電子部品７を貫通電極６の近傍に実装し、ワイヤーボンディングにより電子部品７と貫通電極６を電気的に接続してもよい。また、上記第一実施形態では、電子部品７の裏面に形成した図示しない電極と貫通電極６ａ、６ｂの合金部材５ａ、５ｂとを電気的機械的に直接接続したが、これに代えて、電子部品７の裏面に形成した図示しない電極と合金部材５ａ、５ｂとの間に導電性ボンディング材を介して接続してもよい。
【００２０】
図２は、貫通電極６の断面を表す走査型電子顕微鏡写真である。図２（ａ）は倍率が２００倍であり、（ｂ）は倍率が２０００倍である。絶縁基板２に設けた貫通孔３に、ガラスフリット０．５ｗｔ％を混合した銀ペーストを印刷して充填し、焼成して混合部材４を形成した。次に、ＡｕＳｎの合金粒子を混合部材４の上部に塗布又は散布し、次に温度２８０℃〜３２０℃で焼成して合金部材５を形成した。混合部材４と合金部材５により貫通電極６が形成されている。混合部材４と絶縁基板２の間には間隙が、また、混合部材４の上面には空孔が形成されているが、その隙間や空孔にＡｕＳｎからなる合金が浸入して蓋のように被さっていることがわかる。このように、混合部材４と貫通孔３の側壁面との間の間隙や、混合部材４の中の空孔、亀裂等にＡｕＳｎの合金が充填されるので、貫通電極６の密閉性が向上する。
【００２１】
（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態に係る電子デバイス１の貫通電極６及び電子部品７の模式的な部分縦断面図を示す。絶縁基板２には貫通孔３ａ、３ｂが形成されている。貫通孔３ａ、３ｂの壁面にはＡｇ等からなる金属膜１２ａ、１２ｂが形成されている。貫通孔３ａ、３ｂには、混合部材４ａ、４ｂと、混合部材４ａ、４ｂの両側から蓋をするように形成した合金部材５ａ、５ｂからなる貫通電極６ａ、６ｂが充填されている。貫通電極６ａ、６ｂの上部の合金部材５ａ、５ｂの上には電子部品７が実装されている。合金部材５ａ、５ｂは、電子部品７の底面に形成した図示しない電極と電気的に接続されている。絶縁基板２の裏面には裏面電極８ａ、８ｂが形成され、合金部材５ａ、５ｂと電気的に接続されている。
【００２２】
絶縁基板２としてガラス材料やセラミックス材料を使用することができる。金属膜１２ａ、１２ｂは、スパッター法やめっき法により形成したＡｇを使用することができる。金属膜１２ａ、１２ｂとしてＳｎＡｇＣｕやＡｇナノペーストから形成してもよい。混合部材４ａ、４ｂは、ガラスフィラーを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有する銀ペーストを焼成して形成することができる。これにより、絶縁基板２と貫通電極６ａ、６ｂの密着性を向上させることができる。合金部材５ａ、５ｂは、混合部材４ａ、４ｂの表面及び裏面の側から蓋をするように形成されている。表面側の合金部材５ａ、５ｂは、電子部品７を固定するための接着材として、また電気的導通をとるための導電材として機能する。裏面電極８ａ、８ｂは、印刷及び焼成により形成した銀パラジウム又は銀電極とすることができる。
【００２３】
絶縁基板２と貫通電極６ａ、６ｂとの間に金属膜１２ａ、１２ｂを形成したことにより、絶縁基板２と貫通電極６ａ、６ｂとの間の密着性を向上させることができる。また、混合部材４ａ、４ｂを両側から蓋をするように合金部材５ａ、５ｂを形成したことにより、貫通電極６ａ、６ｂの密閉性を向上させることができる。絶縁基板２と混合部材４ａ、４ｂの密着性が向上したことにより、混合部材４ａ、４ｂのガラスフィラーの配合量を減少させ、Ａｇ等の金属材料の配合率を高くすることができることから、貫通電極６ａ、６ｂの熱伝導率を向上させることができる。例えば、貫通電極６ａ、６ｂの熱伝導率を６０Ｗ／（ｍＫ）以上とすることができる。
【００２４】
（第三実施形態）
図４は、本発明の第三実施形態に係る電子デバイス２０の模式的な縦断面図を示す。本第三実施形態は電子部品７としてＬＥＤを用いた発光デバイスである。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００２５】
電子デバイス２０は、中央部に窪み１１を有する絶縁基板２と、絶縁基板２の窪み１１の底面から裏面に貫通する貫通孔３ａ、３ｂに充填される貫通電極６ａ、６ｂと、窪み１１の傾斜する内壁面及び底面の一部に形成された反射膜１３と、貫通電極６ａの上に実装されたＬＥＤからなる電子部品７と、電子部品７の上面に形成される図示しない電極と貫通電極６ｂとを電気的に接続するワイヤー１５と、窪み１１に充填された封止部９と、絶縁基板２の裏面に形成された背面電極８ａ、８ｂとから構成されている。
【００２６】
貫通電極６ａ、６ｂは、混合部材４ａ、４ｂとこれらに両側から蓋をするように形成されるＡｕＳｎからなる合金部材５ａ、５ｂから構成されている。ＬＥＤからなる電子部品７は、貫通電極６ａの上部に合金部材５ａを介して実装されている。従って、ＬＥＤには裏面電極８ａ、８ｂ、貫通電極６ａ、６ｂ、ワイヤー１５を介して電力が供給される。
【００２７】
絶縁基板２として、セラミックスやガラス材料を使用することができる。反射膜１３は、Ａｇ膜やアルミニウム薄膜等からなる金属膜や誘電体多層膜を使用することができる。混合部材４ａ、４ｂは、ガラスフリットが混入した銀ペーストを印刷法により貫通孔３ａ、３ｂに充填し、焼成して形成することができる。合金部材５は、焼成した混合部材４の両面にＡｕＳｎ合金材料を塗布し、焼成して形成することができる。封止部９として、透明合成樹脂や金属アルコキシド又は金属アルコキシドから形成されるポリメタロキサンを硬化させたシリコン酸化物とすることができる。絶縁基板２がガラス材料である場合に封止部９としてシリコン酸化物を使用すれば、熱膨張係数が近似し、封止部９の信頼性を向上させることができる。ワイヤー１５は金線をワイヤーボンディングにより形成することができる。裏面電極８ａ、８ｂはＡｇペーストを印刷し焼成して形成することができる。
【００２８】
電力が供給されたＬＥＤは発光し、発熱する。この熱は、貫通電極６ａ、背面電極８ａを介して外部に放熱される。ＬＥＤで発熱した熱を効率よく外部に伝達するために、貫通電極６ａの断面積は大きく、熱伝導率が高いほうが望ましい。窪み１１の底部の面積は限られているので、上部にＬＥＤを実装する一方の貫通電極６ａはその断面積を大きく、他方の貫通電極６ｂは断面積を小さくして、貫通電極６ａ、６ｂの高密度化を図っている。ＡｕＳｎの合金部材５ａ、Ａｇを主成分とする混合部材４ａを使用することにより貫通電極６ａの熱伝導率を６０Ｗ／（ｍＫ）以上とすることができる。
【００２９】
（第四実施形態）
図５は、本発明の第四実施形態に係る電子デバイス１の製造方法を表す説明図である。図５（ａ）はセラミックスの絶縁基板２を形成するためのグリーンシート１７の断面を表す。図５（ｂ）は、グリーンシート１７を成型し温度１０００℃以上で焼成して、貫通孔３ａ、３ｂ及び窪み１１を備えるパッケージ用の絶縁基板２を形成した状態を表す。貫通孔３ａ、３ｂは直径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。
【００３０】
図５（ｃ）は、貫通孔３ａ、３ｂに貫通電極６ａ、６ｂを形成した状態を表す。まず、貫通孔３ａ、３ｂに裏面から印刷法によりガラスフリット０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有するＡｇペーストを充填し、次に、温度５００℃〜１０００℃で焼成し、混合部材４ａ、４ｂを形成する。次に、混合部材４ａ、４ｂの表面側及び裏面側にＡｕＳｎの合金粒子を塗布し、温度２８０℃〜３２０℃で焼成する。すると、混合部材４ａ、４ｂの両面に合金部材５ａ、５ｂが蓋をするように形成されるとともに、ＡｕＳｎ合金が溶融して混合部材４ａ、４ｂの空孔や貫通孔３ａ、３ｂと混合部材４ａ、４ｂとの間隙に浸み込む。これにより、貫通電極６ａ、６ｂの密閉性が向上する。
【００３１】
なお、貫通孔３ａ、３ｂにＡｇペーストを充填する前に、貫通孔３ａ、３ｂの壁面にＡｇ等からなる金属薄膜を形成しておけば、混合部材４ａ、４ｂと貫通孔３ａ、３ｂとの間の密着性を更に向上させることができる。貫通孔の壁面と混合部材との密着性が向上すれば、Ａｇペーストに混入させるガラスフリットの含有率を低減させることができるので、導電性や熱伝導率を向上させることができる。
【００３２】
図５（ｄ）は、絶縁基板２の裏面に裏面電極８ａ、８ｂを形成した状態を表す。裏面電極８ａ、８ｂはＡｇペーストを印刷法により形成し、焼成して裏面電極８ａ、８ｂとすることができる。印刷法によれば電極パターニング工程が不要となるので低コストで作成することができる。また、印刷法に代えて、スパッタリングやめっき法により形成してもよい。
【００３３】
図５（ｅ）は、窪み１１の底面に電子部品７を面実装した状態を表す。電子部品７の底面には図示しない電極が形成され、この電極と貫通電極６ａ、６ｂの上面に形成した合金部材５ａ、５ｂとを電気的に接続するとともに、電子部品７を機械的に固定している。また、電子部品７の面実装に代えて、あるいは面実装とともに、ワイヤーボンディングにより電子部品７の上面に形成した電極と貫通電極６の上面に形成した合金部材５とを電気的に接続してもよい。
【００３４】
図５（ｆ）は、封止部９を絶縁基板２の端部に接着して封止した状態を表す。絶縁基板２と封止部９とは接合材１４、例えばＡｕＳｎ合金、陽極接合等により密閉する。内部には不活性ガスを充填する、或いは内部を真空にして封止する。電子デバイス１をこのように製造することにより、貫通電極６ａ、６ｂの密閉性が向上し、外部からの不純物や水分の浸入を防止し、高信頼性の電子デバイスを製造することができる。なお、裏面電極８ａ、８ｂの形成は、封止部９により密閉後に形成してもよいし、貫通電極６ａ、６ｂを形成する前に印刷し、焼成して形成してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１ 電子デバイス
２ 絶縁基板
３ 貫通孔
４ 混合部材
５ 合金部材
６ 貫通電極
７ 電子部品
８ 裏面電極
９ 封止部
【技術分野】
【０００１】
本発明は貫通電極を形成した絶縁基板上に電子部品が実装された電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光素子、特にＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）は、近年、発光輝度等の改善が図られて、用途拡大への期待が高い。従来はプラスチックケースにＬＥＤを実装し、マイクロレンズなどを光路の途中において集光させたり、ＬＥＤ及びＬＥＤを実装した基板全体を、透明な樹脂でモールドし、樹脂の表面を滑らかな球面などに仕上げることで、樹脂をレンズとして使用して集光させたりした。このようなＬＥＤを実装した発光デバイスは、例えば液晶表示装置のバックライト、信号機の光源、大型電光掲示板や映像画面、その他イルミネーション用の光源として利用されている。ＬＥＤは、低電圧、低消費電力で駆動でき、発光輝度や発光寿命が改善されたことから室内灯や自動車照明、液晶表示画面のバックライト用などの幅広い分野への適用が期待されている。
【０００３】
特許文献１には、表面に導体膜を印刷したセラミックグリーンシートを成形加工してキャビティーを形成し、このキャビティーの底部にＬＥＤを実装したＬＥＤパッケージが記載されている。また、キャビティーの底部にはスルーホール（貫通孔）が形成され、このスルーホールを介して裏面側に配線が引き出されている。このスルーホール及びスルーホール内の電極は次のように形成される。まず、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定のサイズに切り出し、パンチングマシーンを使用して０．２５ｍｍφのスルーホールを形成する。次に、ＬＥＤを搭載しない側から、スクリーン印刷法によりタングステン導体ペーストを印刷し、スルーホールの穴を埋め、同時に配線部分を形成する。次に、プレス機に装着してプレスし、キャビティーを形成する。その後、焼成してグリーンシート及び導体ペースト中の有機物を燃焼除去して貫通電極及び導体層を形成し、グリーンシートをセラミックス化する。
【０００４】
タングステン導体ペーストを焼結して貫通電極を形成すると、導体抵抗が高く信号の伝播速度が遅くなる、或いは熱伝導性が低いために放熱効果が低下する。そのため、高周波信号により駆動される電子部品や、放熱特性が求められる電子部品のパッケージには必ずしも適さない。そこで、貫通電極としてタングステン等の高融点金属に代えて、銅、銀、金等の導体抵抗が低く、熱伝導性が高い材料が使用されている。例えば、ガラスとセラミックスからなる無機物フィラーを含有する銅、銀、金の混合材料を８００℃〜１０００℃により焼成して、貫通電極や配線電極を形成した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２５８２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、無機物フィラーを含有した銅、銀、金等からなる導電ペーストを用いて焼成により貫通電極を形成すると、貫通電極の内部や貫通電極と貫通孔の壁面との間に気泡や空洞が生じて密閉性が低下した。そのため、水分や不純物が外部から浸入し、素子の信頼性を損なう、という課題があった。また、貫通電極と貫通孔との間の密着性が弱く、温度変化を繰り返すことにより貫通電極が脱落する、などの課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電子デバイスは、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された絶縁基板と、前記貫通孔に充填された貫通電極と、前記貫通電極の上又は近傍に実装された電子部品と、前記電子部品を封止する封止部と、を備え、前記貫通電極は、金属と無機材料からなる混合部材と、Ａｕ（金）Ｓｎ（錫）からなる合金部材を有することとした。
【０００８】
また、前記貫通電極は、前記合金部材を前記混合部材に前記絶縁基板の表面又は裏面の側から蓋を被せたように形成されることとした。
【０００９】
また、前記合金部材は、前記貫通孔の側壁と前記混合部材との間の間隙、又は、前記混合部材の空隙又は粒界に充填されることとした。
【００１０】
本発明の電子デバイスの製造方法は、絶縁基板に貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔に金属と無機材料を充填して焼結し、混合部材を形成する工程と、前記絶縁基板の表面又は裏面の側から前記混合部材の表面にＡｕＳｎからなる合金材料を塗布する工程と、前記塗布した前記合金材料を焼成して合金部材を形成し、前記混合部材に前記合金部材を積層した貫通電極を形成する工程と、前記貫通電極の上又は前記貫通電極に近接して前記絶縁基板の上に電子部品を実装する工程と、前記電子部品を封止する封止部を形成する工程と、を含むこととした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電子デバイスは、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された絶縁基板と、貫通孔に充填された貫通電極と、貫通電極の上又は近傍に実装された電子部品と、電子部品を封止する封止部と、を備えている。そして、貫通電極は、金属と無機材料からなる混合部材と、ＡｕＳｎからなる合金部材を有する。これにより、貫通電極の密閉性が向上するとともに、貫通電極と貫通孔の側壁との間の接合性が向上し、外部から不純物や水分の浸入を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電子デバイスの模式的な縦断面図である。
【図２】本発明に係る電子デバイスの貫通孔部分の断面ＳＥＭ写真である。
【図３】本発明に係る電子デバイスの模式的な縦断面図である。
【図４】本発明に係る電子デバイスの模式的な縦断面図である。
【図５】本発明に係る電子デバイスの製造方法を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明に係る電子デバイスは、ガラス材料やセラミックス材料等からなり、貫通孔が形成されている絶縁基板と、その貫通孔に充填された貫通電極と、貫通電極の上又はその近傍に実装された電子部品と、電子部品を封止するための封止部とを備えている。貫通電極は、金属と無機材料が混合された混合部材と、ＡｕＳｎを含む合金部材から構成されている。貫通電極の一態様としては、混合部材は貫通孔の内部に埋め込まれており、合金部材は混合部材に絶縁基板の表面又は裏面の側から蓋をするように形成されている。混合部材と合金部材との界面は密着し、混合部材の表面側に形成される空隙や混合部材と貫通孔の側壁との間に形成される間隙を埋めている。このように形成されているので、貫通電極の密閉性が向上し、外部から不純物や水分の浸入を防止することができる。また、貫通電極と貫通孔の側壁との間の密着性が向上するので、温度サイクル等の環境変化に対して、貫通電極が脱落する、あるいは間隙が生成されて信頼性が低下することを防止することができる。
【００１４】
また、本発明に係る電子デバイスの製造方法は、まず、絶縁基板に貫通孔を形成する。次に、貫通孔に金属と無機材料、例えば無機フィラーを混入した導電ペーストを充填し、焼結して混合部材を形成する。また、絶縁基板の表面又は裏面の側から混合部材の表面にＡｕＳｎからなる合金材料を塗布し、焼結して合金部材を形成する。これにより、貫通孔には混合部材と合金部材の積層構造を有する貫通電極が形成される。次に、この貫通電極の上又はその近傍に電子部品を実装する。そして、実装された電子部品を封止する封止部を形成して電子部品を密閉する。このように製造することにより、貫通電極の密閉性が向上し、外部から不純物や水分の侵入を防止することができるとともに、温度サイクル等の環境変化に対して貫通電極が脱落する、等の信頼性の低下を防止することができる。
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。
【００１５】
（第一実施形態）
図１は本発明の第一実施形態に係る電子デバイス１の模式的な縦断面図を示す。電子デバイス１は、中央部に凹状の窪み１１が形成された絶縁基板２と、窪み１１に収納された電子部品７と、電子部品７を密封する封止部９から構成されている。絶縁基板２の窪み１１の底部には２つの貫通孔３ａ、３ｂが形成され、この貫通孔３には貫通電極６ａ、６ｂが充填されている。絶縁基板２の裏面には貫通電極６ａ、６ｂのそれぞれに電気的に接続する裏面電極８ａ、８ｂが形成されている。電子部品７は貫通電極６ａ、６ｂの上部に面実装されている。封止部９は、窪み１１に収納された電子部品７を密封するように絶縁基板２の上部に接着されている。
【００１６】
貫通電極６ａ、６ｂは、絶縁基板２に埋め込まれた部分の混合部材４ａ、４ｂと、この混合部材４ａ、４ｂに上部から蓋をするように形成された合金部材５ａ、５ｂから構成されている。合金部材５ａ、５ｂは金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）からなり、ＡｕＳｎの組成比は略８０：２０である。混合部材４ａ、４ｂは、ガラスフリットを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有する銀（Ａｇ）ペーストを焼成して形成した。
【００１７】
絶縁基板２及び封止部９は、ガラス材料やセラミックス材料を使用することができる。例えば窒化アルミニウム、酸化ベリリウム、炭化珪素、アルミナ、ムライト、窒化ホウ素、ホウ珪酸ガラス等を使用することができる。絶縁基板２と封止部９とは接合材１４を介して接着されている。接合材１４として、アルミニウム薄膜、ＡｕＳｎ合金、低融点ガラス、或いはエポシキ樹脂を使用することができる。接合方法として加熱融着法や陽極接合法を用いることができる。裏面電極８ａ、８ｂは、導電材料を印刷法により印刷し、その後焼成して形成することができる。裏面電極８ａ、８ｂとして銀パラジウムや銀を使用することができる。
【００１８】
ＡｕＳｎからなる合金は、ＡｕＳｎからなる合金材料を混合部材４ａ、４ｂの表面に塗布し、温度１５０℃〜３２０℃で焼成して形成した。その結果、合金材料は混合部材４ａ、４ｂの表面近傍に形成される空孔や貫通孔３ａ、３ｂの壁面との間の間隙に浸み込み、混合部材４ａ、４ｂの密閉性を向上させている。つまり、混合部材４ａ、４ｂに合金部材５ａ、５ｂにより蓋を被せたような効果を発揮する。そのため、混合材料としてより多孔性の材料を使用することができる。
【００１９】
なお、上記第一実施形態において、合金部材５ａ、５ｂを絶縁基板２の窪み１１側に設けているが、これに加えて絶縁基板２の裏面側にも設け、混合部材４ａ、４ｂを表面と裏面の両面側から蓋をするようにしてもよい。これにより、更に密閉性を向上させることができる。また、電子部品７を貫通電極６の上に面実装した例を示しているが、電子部品７を貫通電極６の近傍に実装し、ワイヤーボンディングにより電子部品７と貫通電極６を電気的に接続してもよい。また、上記第一実施形態では、電子部品７の裏面に形成した図示しない電極と貫通電極６ａ、６ｂの合金部材５ａ、５ｂとを電気的機械的に直接接続したが、これに代えて、電子部品７の裏面に形成した図示しない電極と合金部材５ａ、５ｂとの間に導電性ボンディング材を介して接続してもよい。
【００２０】
図２は、貫通電極６の断面を表す走査型電子顕微鏡写真である。図２（ａ）は倍率が２００倍であり、（ｂ）は倍率が２０００倍である。絶縁基板２に設けた貫通孔３に、ガラスフリット０．５ｗｔ％を混合した銀ペーストを印刷して充填し、焼成して混合部材４を形成した。次に、ＡｕＳｎの合金粒子を混合部材４の上部に塗布又は散布し、次に温度２８０℃〜３２０℃で焼成して合金部材５を形成した。混合部材４と合金部材５により貫通電極６が形成されている。混合部材４と絶縁基板２の間には間隙が、また、混合部材４の上面には空孔が形成されているが、その隙間や空孔にＡｕＳｎからなる合金が浸入して蓋のように被さっていることがわかる。このように、混合部材４と貫通孔３の側壁面との間の間隙や、混合部材４の中の空孔、亀裂等にＡｕＳｎの合金が充填されるので、貫通電極６の密閉性が向上する。
【００２１】
（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態に係る電子デバイス１の貫通電極６及び電子部品７の模式的な部分縦断面図を示す。絶縁基板２には貫通孔３ａ、３ｂが形成されている。貫通孔３ａ、３ｂの壁面にはＡｇ等からなる金属膜１２ａ、１２ｂが形成されている。貫通孔３ａ、３ｂには、混合部材４ａ、４ｂと、混合部材４ａ、４ｂの両側から蓋をするように形成した合金部材５ａ、５ｂからなる貫通電極６ａ、６ｂが充填されている。貫通電極６ａ、６ｂの上部の合金部材５ａ、５ｂの上には電子部品７が実装されている。合金部材５ａ、５ｂは、電子部品７の底面に形成した図示しない電極と電気的に接続されている。絶縁基板２の裏面には裏面電極８ａ、８ｂが形成され、合金部材５ａ、５ｂと電気的に接続されている。
【００２２】
絶縁基板２としてガラス材料やセラミックス材料を使用することができる。金属膜１２ａ、１２ｂは、スパッター法やめっき法により形成したＡｇを使用することができる。金属膜１２ａ、１２ｂとしてＳｎＡｇＣｕやＡｇナノペーストから形成してもよい。混合部材４ａ、４ｂは、ガラスフィラーを０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有する銀ペーストを焼成して形成することができる。これにより、絶縁基板２と貫通電極６ａ、６ｂの密着性を向上させることができる。合金部材５ａ、５ｂは、混合部材４ａ、４ｂの表面及び裏面の側から蓋をするように形成されている。表面側の合金部材５ａ、５ｂは、電子部品７を固定するための接着材として、また電気的導通をとるための導電材として機能する。裏面電極８ａ、８ｂは、印刷及び焼成により形成した銀パラジウム又は銀電極とすることができる。
【００２３】
絶縁基板２と貫通電極６ａ、６ｂとの間に金属膜１２ａ、１２ｂを形成したことにより、絶縁基板２と貫通電極６ａ、６ｂとの間の密着性を向上させることができる。また、混合部材４ａ、４ｂを両側から蓋をするように合金部材５ａ、５ｂを形成したことにより、貫通電極６ａ、６ｂの密閉性を向上させることができる。絶縁基板２と混合部材４ａ、４ｂの密着性が向上したことにより、混合部材４ａ、４ｂのガラスフィラーの配合量を減少させ、Ａｇ等の金属材料の配合率を高くすることができることから、貫通電極６ａ、６ｂの熱伝導率を向上させることができる。例えば、貫通電極６ａ、６ｂの熱伝導率を６０Ｗ／（ｍＫ）以上とすることができる。
【００２４】
（第三実施形態）
図４は、本発明の第三実施形態に係る電子デバイス２０の模式的な縦断面図を示す。本第三実施形態は電子部品７としてＬＥＤを用いた発光デバイスである。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００２５】
電子デバイス２０は、中央部に窪み１１を有する絶縁基板２と、絶縁基板２の窪み１１の底面から裏面に貫通する貫通孔３ａ、３ｂに充填される貫通電極６ａ、６ｂと、窪み１１の傾斜する内壁面及び底面の一部に形成された反射膜１３と、貫通電極６ａの上に実装されたＬＥＤからなる電子部品７と、電子部品７の上面に形成される図示しない電極と貫通電極６ｂとを電気的に接続するワイヤー１５と、窪み１１に充填された封止部９と、絶縁基板２の裏面に形成された背面電極８ａ、８ｂとから構成されている。
【００２６】
貫通電極６ａ、６ｂは、混合部材４ａ、４ｂとこれらに両側から蓋をするように形成されるＡｕＳｎからなる合金部材５ａ、５ｂから構成されている。ＬＥＤからなる電子部品７は、貫通電極６ａの上部に合金部材５ａを介して実装されている。従って、ＬＥＤには裏面電極８ａ、８ｂ、貫通電極６ａ、６ｂ、ワイヤー１５を介して電力が供給される。
【００２７】
絶縁基板２として、セラミックスやガラス材料を使用することができる。反射膜１３は、Ａｇ膜やアルミニウム薄膜等からなる金属膜や誘電体多層膜を使用することができる。混合部材４ａ、４ｂは、ガラスフリットが混入した銀ペーストを印刷法により貫通孔３ａ、３ｂに充填し、焼成して形成することができる。合金部材５は、焼成した混合部材４の両面にＡｕＳｎ合金材料を塗布し、焼成して形成することができる。封止部９として、透明合成樹脂や金属アルコキシド又は金属アルコキシドから形成されるポリメタロキサンを硬化させたシリコン酸化物とすることができる。絶縁基板２がガラス材料である場合に封止部９としてシリコン酸化物を使用すれば、熱膨張係数が近似し、封止部９の信頼性を向上させることができる。ワイヤー１５は金線をワイヤーボンディングにより形成することができる。裏面電極８ａ、８ｂはＡｇペーストを印刷し焼成して形成することができる。
【００２８】
電力が供給されたＬＥＤは発光し、発熱する。この熱は、貫通電極６ａ、背面電極８ａを介して外部に放熱される。ＬＥＤで発熱した熱を効率よく外部に伝達するために、貫通電極６ａの断面積は大きく、熱伝導率が高いほうが望ましい。窪み１１の底部の面積は限られているので、上部にＬＥＤを実装する一方の貫通電極６ａはその断面積を大きく、他方の貫通電極６ｂは断面積を小さくして、貫通電極６ａ、６ｂの高密度化を図っている。ＡｕＳｎの合金部材５ａ、Ａｇを主成分とする混合部材４ａを使用することにより貫通電極６ａの熱伝導率を６０Ｗ／（ｍＫ）以上とすることができる。
【００２９】
（第四実施形態）
図５は、本発明の第四実施形態に係る電子デバイス１の製造方法を表す説明図である。図５（ａ）はセラミックスの絶縁基板２を形成するためのグリーンシート１７の断面を表す。図５（ｂ）は、グリーンシート１７を成型し温度１０００℃以上で焼成して、貫通孔３ａ、３ｂ及び窪み１１を備えるパッケージ用の絶縁基板２を形成した状態を表す。貫通孔３ａ、３ｂは直径が０．１ｍｍ〜１．０ｍｍである。
【００３０】
図５（ｃ）は、貫通孔３ａ、３ｂに貫通電極６ａ、６ｂを形成した状態を表す。まず、貫通孔３ａ、３ｂに裏面から印刷法によりガラスフリット０．１ｗｔ％〜２０ｗｔ％含有するＡｇペーストを充填し、次に、温度５００℃〜１０００℃で焼成し、混合部材４ａ、４ｂを形成する。次に、混合部材４ａ、４ｂの表面側及び裏面側にＡｕＳｎの合金粒子を塗布し、温度２８０℃〜３２０℃で焼成する。すると、混合部材４ａ、４ｂの両面に合金部材５ａ、５ｂが蓋をするように形成されるとともに、ＡｕＳｎ合金が溶融して混合部材４ａ、４ｂの空孔や貫通孔３ａ、３ｂと混合部材４ａ、４ｂとの間隙に浸み込む。これにより、貫通電極６ａ、６ｂの密閉性が向上する。
【００３１】
なお、貫通孔３ａ、３ｂにＡｇペーストを充填する前に、貫通孔３ａ、３ｂの壁面にＡｇ等からなる金属薄膜を形成しておけば、混合部材４ａ、４ｂと貫通孔３ａ、３ｂとの間の密着性を更に向上させることができる。貫通孔の壁面と混合部材との密着性が向上すれば、Ａｇペーストに混入させるガラスフリットの含有率を低減させることができるので、導電性や熱伝導率を向上させることができる。
【００３２】
図５（ｄ）は、絶縁基板２の裏面に裏面電極８ａ、８ｂを形成した状態を表す。裏面電極８ａ、８ｂはＡｇペーストを印刷法により形成し、焼成して裏面電極８ａ、８ｂとすることができる。印刷法によれば電極パターニング工程が不要となるので低コストで作成することができる。また、印刷法に代えて、スパッタリングやめっき法により形成してもよい。
【００３３】
図５（ｅ）は、窪み１１の底面に電子部品７を面実装した状態を表す。電子部品７の底面には図示しない電極が形成され、この電極と貫通電極６ａ、６ｂの上面に形成した合金部材５ａ、５ｂとを電気的に接続するとともに、電子部品７を機械的に固定している。また、電子部品７の面実装に代えて、あるいは面実装とともに、ワイヤーボンディングにより電子部品７の上面に形成した電極と貫通電極６の上面に形成した合金部材５とを電気的に接続してもよい。
【００３４】
図５（ｆ）は、封止部９を絶縁基板２の端部に接着して封止した状態を表す。絶縁基板２と封止部９とは接合材１４、例えばＡｕＳｎ合金、陽極接合等により密閉する。内部には不活性ガスを充填する、或いは内部を真空にして封止する。電子デバイス１をこのように製造することにより、貫通電極６ａ、６ｂの密閉性が向上し、外部からの不純物や水分の浸入を防止し、高信頼性の電子デバイスを製造することができる。なお、裏面電極８ａ、８ｂの形成は、封止部９により密閉後に形成してもよいし、貫通電極６ａ、６ｂを形成する前に印刷し、焼成して形成してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１ 電子デバイス
２ 絶縁基板
３ 貫通孔
４ 混合部材
５ 合金部材
６ 貫通電極
７ 電子部品
８ 裏面電極
９ 封止部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された絶縁基板と、
前記貫通孔に充填された貫通電極と、
前記貫通電極の上又は近傍に実装された電子部品と、
前記電子部品を封止する封止部と、を備え、
前記貫通電極は、金属と無機材料からなる混合部材と、ＡｕＳｎからなる合金部材を有する電子デバイス。
【請求項２】
前記貫通電極は、前記合金部材を前記混合部材に前記絶縁基板の表面又は裏面の側から蓋を被せたように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記合金部材は、前記貫通孔の側壁と前記混合部材との間の間隙、又は、前記混合部材の空隙又は粒界に充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
絶縁基板に貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔に金属と無機材料を充填して焼結し、混合部材を形成する工程と、
前記絶縁基板の表面又は裏面の側から前記混合部材の表面にＡｕＳｎからなる合金材料を塗布する工程と、
前記塗布した前記合金材料を焼成して合金部材を形成し、前記混合部材に前記合金部材を積層した貫通電極を形成する工程と、
前記貫通電極の上又は前記貫通電極に近接して前記絶縁基板の上に電子部品を実装する工程と、
前記電子部品を封止する封止部を形成する工程と、を含む電子デバイスの製造方法。
【請求項１】
厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された絶縁基板と、
前記貫通孔に充填された貫通電極と、
前記貫通電極の上又は近傍に実装された電子部品と、
前記電子部品を封止する封止部と、を備え、
前記貫通電極は、金属と無機材料からなる混合部材と、ＡｕＳｎからなる合金部材を有する電子デバイス。
【請求項２】
前記貫通電極は、前記合金部材を前記混合部材に前記絶縁基板の表面又は裏面の側から蓋を被せたように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
【請求項３】
前記合金部材は、前記貫通孔の側壁と前記混合部材との間の間隙、又は、前記混合部材の空隙又は粒界に充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子デバイス。
【請求項４】
絶縁基板に貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔に金属と無機材料を充填して焼結し、混合部材を形成する工程と、
前記絶縁基板の表面又は裏面の側から前記混合部材の表面にＡｕＳｎからなる合金材料を塗布する工程と、
前記塗布した前記合金材料を焼成して合金部材を形成し、前記混合部材に前記合金部材を積層した貫通電極を形成する工程と、
前記貫通電極の上又は前記貫通電極に近接して前記絶縁基板の上に電子部品を実装する工程と、
前記電子部品を封止する封止部を形成する工程と、を含む電子デバイスの製造方法。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【公開番号】特開２０１１−４０４９９（Ｐ２０１１−４０４９９Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８５０８０（Ｐ２００９−１８５０８０）
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
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