JP2000191385A - 半導体素子収納用パッケ―ジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高純度のアルミナ質焼結体よりなる絶縁基体を
有する半導体素子収納用パッケージにおいて、シート抵
抗が低く、且つ、導電体と絶縁基体との接着力が強固
で、さらに、スルーホール内の気密性を向上せしめる。 【解決手段】スルーホール充填導電体を２０〜６０体積
％のアルミナ並びにＭｏ及び／又はＷを主成分とし、且
つ、残部中にFe、Ni、Pd、Coの各金属またはそれらの化
合物の少なくとも１種類を金属換算で0.02〜10体積% 含
む組成とし、さらに、前記スルーホール内の導電体充填
率を８５体積％以上とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高純度のアルミナ
質セラミックスを用いた半導体素子収納用パッケージに
関するもので、特に絶縁基体と導電体配線とを同時に焼
成する半導体素子収納用パッケージ等、とりわけ高周波
用途で優れた性能を示すパッケージに適用されるもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、アルミナ質焼結体は電気絶縁性、
化学的安定性等の特性に優れていることから半導体素子
を収容する半導体素子収納用パッケージに多用されてお
り、その表面には内部に電気回路を形成するための導電
体配線が形成されている。

【０００３】一般に、配線層が多層に形成されたアルミ
ナ質焼結体を絶縁基体とする半導体素子収納用パッケー
ジでは、メタライズ法としてセラミックグリーンシート
表面にスクリーン印刷法等により、タングステン(W) や
モリブデン(Mo)等の高融点金属を主成分とする導電体ペ
ーストを塗布した後、適宜積層し、還元性雰囲気中、14
50℃〜1700℃の温度で同時に焼結させる方法が採用され
ている。

【０００４】通常、前記半導体素子収納用パッケージの
絶縁基体として用いられるアルミナ質焼結体は、シリカ
(SiO2)や、カルシア(CaO) 、マグネシア(MgO) 等のアル
カリ土類金属の酸化物、あるいはイットリウム(Y) 等の
希土類元素酸化物などの焼結助剤を10重量％以上含有す
るため、アルミナ結晶粒子間には多量のガラス成分が存
在している。

【０００５】係るアルミナ質焼結体の表面のタングステ
ン(W) 、モリブデン(Mo)等の高融点金属を主成分とする
導電体配線を同時焼成によって形成する場合、焼結体中
のガラス成分が高融点金属粒子間へ移動し、導電体粒子
の再配列が発生して緻密化し、導電体配線の焼結性を向
上させ、導電体配線を絶縁基体に強固に接着するという
効果を奏している。

【０００６】近年、半導体素子の急激な発展により更に
高い絶縁抵抗、熱放散性に加えて誘電損失(tanδ) が低
いこと、絶縁基体表面が平滑であること等の品質の向上
が求められ、絶縁基体として焼結助剤を可能な限り減少
させ、高純度のアルミナを用いたアルミナ質焼結体であ
ることが要求されるようになってきた。

【０００７】しかし、前記高純度アルミナを用いたグリ
ーンシートに導電体配線を形成する場合、従来のメタラ
イズ法ではアルミナ質焼結体のアルミナ結晶間に介在す
るガラス成分の絶対量が少ないため、導電体配線の焼結
性が悪く、導電体配線が絶縁基体に強固に接着させる事
が困難となり、特に絶縁基体のスルーホール内には空隙
が生じ易く、その結果、気密性が低下すると共に、電気
抵抗値が高くなるという問題点があった。

【０００８】そこで高純度アルミナを用いた絶縁基体に
対応したスルーホール用メタライズ方法として、導電体
組成物の無機成分比率を特定の比率とすることにより気
密性を向上させるということが提案されている( 特開平
9-183677) 。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術の如く導電体組成物の無機成分比率を調整するだ
けでは、アルミナ質焼結体の焼結状態の変化によりスル
ーホール内の充填導電体の緻密化状態及び焼結状態が影
響を受け、その結果、スルーホール内の気密性が必ずし
も完全に満足すべきものではなかった。

【００１０】

【発明の目的】従って、本発明は、高純度のアルミナ質
焼結体よりなる絶縁基体を有する半導体素子収納用パッ
ケージにおいて、シート抵抗が低く、且つ、導電体と絶
縁基体との接着力が強固で、さらに、スルーホール内の
気密性を向上せしめた半導体素子収納用パッケージを提
供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、純度９
９．３重量％以上のアルミナ質焼結体の上下表面に固着
した導電体配線を有し、これら導電体配線を垂直方向の
スルーホール内の充填導電体により上下導通せしめた絶
縁基体を備えるとともに該絶縁基体を蓋体により気密封
止してなる半導体素子収納用パッケージにおいて、上記
充填導電体を２０〜６０体積％のアルミナ並びにＭｏ及
び／又はＷを主成分とし、且つ、残部中にFe、Ni、Pd、
Coの各金属またはそれらの化合物の少なくとも１種類を
金属換算で0.02〜10体積% 含む組成とすることにより、
上記目的が達成する事を知見したものである。

【００１２】さらに、前記スルーホール内の導電体充填
率を８５体積％以上とすることが導電体とアルミナ質焼
結体との接着性の観点から、より望ましいものである

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の半導体素子収納用
パッケージについて詳細に述べる。

【００１４】本発明におけるスルーホール充填導電体の
高融点金属としてはモリブデン(Mo)またはタングステン
(W) のいずれを使用しても良く、また双方を混合するこ
とも可能である。

【００１５】しかし、従来同時焼成用導電体としては一
般にタングステンが用いられてきたが、高周波特性に優
れた高純度アルミナから成る絶縁基体では含有している
ガラス相成分が少ないため、スルーホール充填導電体と
しては焼結性が高く導電体層が緻密化しやすいことが望
ましく、その点からはモリブデンはタングステンに比較
して低融点であり焼結性が高く、高純度アルミナ基板の
導電体に特に優れた特性を有している。

【００１６】本発明のスルーホール充填導電体には、高
融点金属と、アルミナ並びに、Fe,Ni,Pd,Co およびそれ
らの化合物の少なくとも１種からなるものであり、アル
ミナの比率は20〜60体積％、特に35〜60体積％が好まし
い。

【００１７】これは、スルーホール充填導電体とアルミ
ナ質絶縁基体との焼結性を向上させるものであり、アル
ミナ含有量が20体積% より少ないと、焼結が不十分で密
着性が悪くなり、60体積% を超えると導電体層の抵抗が
大きくなり損失が大となるので配線層を形成するには不
適当となるためである。

【００１８】更に、本発明のスルーホール充填導電体成
分としてFe,Ni,Pd,Co 及びそれらの化合物を少なくとも
１種、0.02〜10体積% 含有させる事が必要であり、これ
らは導電体成分の焼結を促進する焼結助剤として作用す
るものであり、導電体の緻密化を促進し導電体中のMo粒
子同士がそれら助剤を介して強固に焼結できるものであ
る。

【００１９】しかし、その含有量が多すぎると導電体が
焼結過剰となり絶縁基体との収縮が合わなくなり、逆に
少なすぎると緻密化が難しくなる。したがって、その含
有量は前記範囲に限定されるが、とりわけ0.04〜5 体積
% が好適である。

【００２０】また、この含有物の形態としては、金属、
酸化物、Mo,Wとの合金、Al₂ O ₃ との化合物などである
が、周囲に影響を与えない点では酸化物の状態で存在す
る事が好ましく、とりわけ1500℃付近のCo及びその化合
物が好適である。

【００２１】本発明の半導体素子収納用パッケージが好
適に用いうる絶縁基体は1GHz以上の高周波帯用基板とし
て望ましい特性、具体的には1 〜60GHz 帯域における誘
電正接(tanδ) が1 ×10^-3以下の値を得るためにはアル
ミナ粉末としては純度が99.3% 以上、望ましくは99.6
% 以上で残部が焼結助剤及び不純物からなる高純度アル
ミナ質焼結体とすることが望ましい。

【００２２】かかる絶縁基体はアルミナを主成分とし、
焼結助剤としてアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土
類元素、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、シリコン(S
i)、周期律表第８族の群から選ばれる少なくとも１種の
元素の化合物を0.7 重量% 以下、特に0.1 〜0.4 重量%
の割合で含有するものである。

【００２３】更に、本発明のスルーホール充填導電体の
充填率は、導電体の緻密度を向上させかつ気密性を得る
ためには85% 以上であることが必要であり、特に90% 以
上が好適である。

【００２４】さらに、スルーホール充填導電体中におけ
るSi、Ca、Mg、Na、及びそれらの化合物の含有量は、酸
化物換算で5 体積% 以下であることが、導電体とアルミ
ナ質焼結体の接着性の観点からより望ましいものであ
り、更に望ましくは3%以下である。この含有に関して
は、導電体ペースト中にこれらの成分を添加する事によ
り可能であり、また、絶縁基体との同時焼成時にアルミ
ナ質焼結体からの焼結助剤成分の導電体スルーホールへ
の移動によっても若干生じる。

【００２５】次に、本発明の半導体素子収納用パッケー
ジの製造方法について説明する。

【００２６】まず、アルミナを99.3重量% 以上含有する
原料粉末に前記焼結助剤を0.7 重量% 以下の割合で添加
して混合したものに、溶媒等を添加混合して泥漿を調整
し、これをドクターブレード法、カレンダーロール法、
圧延法によるか、あるいは前記混合粉末をプレス成形し
て適当な厚さのシート状成形体( グリーンシート) を作
製する。

【００２７】一方、導電体については、導電体組成物か
らなる混合粉末にアクリル樹脂、エチルセルロース、ニ
トロセルロース等の公知のバインダーと、ジブチルフタ
レートなどの公知の可塑剤、その他泡消剤、界面活性剤
等を溶剤ともども適宜添加して混合して導電体ペースト
を調整する。

【００２８】そして、この導電体ペーストを前記グリー
ンシートに穿設したスルーホールに充填した後、一方表
面上にも配線パターン用導電体を印刷し、その後、複数
のグリーンシートを積層一体化する。

【００２９】この様にして得られた積層物を還元性雰囲
気中で1450〜1700℃の温度で焼成し、グリーンシートと
導電体ペーストを同時に焼成することにより多層の半導
体素子収納用パッケージが作製できる。

【００３０】また、前記絶縁基体の表面に露出した導電
体配線や接続金属が取り付けられる表面部分には、耐食
性を向上させたり、ロウ材やハンダの濡れ性を向上させ
て接合強度を高めるために、ニッケル(Ni)、金(Au)等の
良導電性で耐食性に優れた金属を電解メッキ、無電解メ
ッキ等の手段により0.1 〜10μm の厚さで形成する。

【００３１】

【実施例】まず、出発原料として平均粒径1 〜5 μm 、
酸素含有量1.2 重量％のモリブデン(Mo)粉末と、BET 比
表面積が12m²/gのAl₂ O ₃ 粉末と、平均粒径が1 μm の
Fe,Ni,Pd,Co 化合物を少なくとも１種含有した無機成分
に有機溶剤、溶媒を添加し混練機で10時間混練し、導電
体ペーストを得た。

【００３２】一方、平均粒径が0.6 μm 、純度99.9% の
アルミナ粉末に、焼結助剤としてSiO₂、CaO 、MgO を2
対1 対1 の重量比で配合したものを表1 に示す割合で添
加した混合物に有機樹脂、溶媒を加えて24時間ボールミ
ルにより混合してスラリー調整し、これをドクターブレ
ード法によりグリーンシートを作製した。

【００３３】

【表１】

【００３４】かくして得られたグリーシートに直径0.1m
m のスルーホールを50個もうけ、前記導電体ペーストを
スルーホールに充填後、パターン用導電体ペーストで配
線パターンをプリントし、積層後、1550度加湿還元雰囲
気中で焼成を行った。そして導電体配線にNiメッキしロ
ウ材でコバール製キャップ封止してリークチェックを行
った。リークチェックの方法はHeで加圧したのち、真空
に引きHeがどの程度検出されるかという方法を採用し
た。その結果を表１に示す。

【００３５】また、そのサンプルを金メッキ後、-65 〜
150 ℃で温度サイクル試験を行い、リークが発生しない
か評価した。温度サイクルは最高2000サイクルまで行い
リークが発生したサイクル数を示した。10^-7atm ・ cc/s
ec以下のものをリークと判断した。また、抵抗測定はキ
ャップ封止しない状態で測定した。

【００３６】また、導電体組成であるが、スルーホール
部の導電体をサンプリングしICP 発光分光分析により行
った。

【００３７】表１から分かるようにCo等の助剤量の少な
い試料１では焼結が不十分のためリークが発生し、試料
６のように多すぎる場合はスルーホールとアルミナ基体
との収縮率が合わず接合部に隙間ができリークが発生す
る。また、試料13のように導電体におけるアルミナ量が
少ない場合や試料17のように充填率が低い場合にも導電
体と絶縁基体との接合が不十分となり気密封止ができな
い。

【００３８】一方、試料8 はアルミナ基体の純度が低
く、誘電損失が増大してしまう。16は導電体中のアルミ
ナ含有量が高すぎ、抵抗値が増大するために実用的でな
い。それに対して、本発明実施例品はいずれもHeリーク
量が小さく、導体抵抗も低く抑えられていることがわか
る。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の半導体素
子収納用パッケージは、低い電気抵抗と高い気密性を有
するスルーホール充填導電体を具備するものであり、高
周波用途の半導体素子用パッケージとして好適に使用す
る事ができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】純度９９．３重量％以上のアルミナ質焼結
   体の上下表面に固着た導電体配線を有し、これら導電体
   配線を垂直方向のスルーホール内の充填導電体により上
   下導通せしめた絶縁基体を備えるとともに該絶縁基体を
   蓋体により気密封止してなる半導体素子収納用パッケー
   ジであって、上記充填導電体を２０〜６０体積％のアル
   ミナ並びにＭｏ及び／又はＷを主成分とし、且つ、残部
   中にFe、Ni、Pd、Coの各金属またはそれらの化合物の少
   なくとも１種類を金属換算で0.02〜10体積% 含む組成と
   してなる半導体素子収納用パッケージ。
2. 【請求項２】前記スルーホール内の導電体充填率を８５
   体積％以上としたことを特徴とする請求項１記載の半導
   体素子収納用パッケージ。