JP2000286353A

JP2000286353A - 半導体素子収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2000286353A
Application number: JP8891699A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Shigeoka; 俊昭重岡; Satoshi Hamano; 智濱野; Shinya Kawai; 信也川井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2000-10-13

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラスセラミック焼結体からなる絶縁基板表面
のメタライズ層に金属製蓋体を強固に接合し大型のパッ
ケージにおいても高い気密信頼性を有する半導体素子収
納用パッケージを提供する。【解決手段】表面に半導体素子２が実装されるガラスセ
ラミック焼結体からなる絶縁基板１表面の半導体素子２
実装部の周囲にリング状メタライズ層４を形成し、この
リング状メタライズ層４に対して金属製蓋体３をロウ材
１１によって接合して半導体素子２を気密に封止する半
導体素子収納用パッケージＡにおいて、リング状メタラ
イズ層４の厚みを３〜３０μｍとし、その内縁および／
または外縁から２０μｍ以上の幅領域４ａを絶縁基板１
内に埋め込むとともに、リング状メタライズ層４の露出
部の幅を１〜５ｍｍ、その露出部表面に形成するメッキ
層の厚みを１〜１０μｍ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、半導体素子が搭載
され、半導体素子を蓋体によって気密に封止する半導体
素子収納用パッケージに関し、特に、半導体素子を搭載
するパッケージにおける気密封止のための金属製蓋体の
接合構造の改良に関するものである。

【０００２】

【従来技術】半導体素子などを搭載する半導体素子収納
用パッケージには、高い信頼性が求められることから、
耐湿性及び放熱性が要求され、従来からこのようなパッ
ケージにはアルミナなどのセラミック製の絶縁基板を金
属製の蓋体で封止するハーメチックパッケージが使用さ
れている。

【０００３】しかしながらアルミナセラミックスは誘電
率が高く、また内部配線層として電気抵抗の高いタング
ステンまたはモリブデン材料等を使用しなければならな
いため、近年注目されている高い周波数帯を使用する通
信分野においては電気的特性を必ずしも満足できなくな
っている。

【０００４】そこで、高い周波数帯の使用および回路の
高集積化が要求される通信分野においてはガラスセラミ
ックパッケージが注目されている。ガラスセラミックス
は焼成温度が８００〜１０００℃と低いため、例えば
銅、銀、金等の低抵抗導体との同時焼成によってメタラ
イズ配線層が形成できること、また誘電率が低い等の点
から上記のような特性を満足することができる。

【０００５】通常、ガラスセラミックスを絶縁基板とす
るパッケージは、以下の方法によって作製される。ま
ず、ガラスとセラミックフィラーを混合し、これに有機
バインダーを混合して作製されたグリーンシートに穴開
け加工してスルーホールを形成し、このスルーホールに
導体ペーストを充填し、またこのシートの所定の位置に
導体ペーストを印刷して、導体パターンを形成し、これ
らのシートを位置合わせして加圧積層する。このとき半
導体素子を搭載するために上面中央部に半導体素子を収
容するための凹部を形成するために、グリーンシートに
穴開け加工を行っておくとともに、最表面のグリーンシ
ートの表面に金属製蓋体を接合するためのリング状メタ
ライズ層となる導体パターンを被着形成しておく。そし
て、この積層体を加熱して有機バインダーを除去し、さ
らにガラスセラミックスと導体ペーストを同時焼成する
ことにより作製される。

【０００６】そして、パッケージの上面中央部に半導体
素子を実装した後、金属製蓋体をリング状メタライズ層
にロウ材により接合して半導体装置が作製される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなガラスセラミックスを絶縁基板とするパッケージ
に半導体素子を気密封止する場合、蓋体の一辺の寸法が
１ｃｍを越えると、絶縁基板、リング状メタライズ層、
ロウ材、蓋体の相互の熱膨張差により発生する熱応力の
ため絶縁基板にクラックが発生し、あるいはメタライズ
層の絶縁基板からの剥離の発生によって気密性が保持で
きなくなるためハーメチック封止が困難となるという問
題があった。

【０００８】また、蓋体の一辺の寸法が３ｃｍを越える
ような場合には、メタライズ層の接合強度を向上させる
ために、ガラスセラミックスの絶縁基板の表面に蒸着や
スパッタリングなどの薄膜法により薄膜メタライズ層を
形成することによって、高い気密信頼性を得ることが
Ｋ．Ｍｉｕｒａ，Ｙ．Ｋｉｍｕｒａ，Ｋ．Ｋｏｎｄｏ，
Ｔ．Ａｓａｎｏ，Ｈ．Ｂａｎｎｏ，“Ｃｈａｒａｃｔｅ
ｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｒｉｎｇｃｅｒａｍｉｃｓａｎｄｉｔｓａ
ｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＭＣＭ”ｉｎｐｒｏｃ．
ＩＣＥＭＣＭ，Ａｐｒ．１９９５，ｐｐ．８３−８８．
に報告されている。

【０００９】しかし、このようにメタライズ層を薄膜法
によって形成する場合には、薄膜形成装置が必要であ
り、しかも作業工程数が増加するために、製造コストが
大幅に高くなるという問題があることから、絶縁基板と
の同時焼成によるリング状メタライズ層の形成が強く求
められている。

【００１０】そこで、同時焼成法によって形成されたリ
ング状メタライズ層に対して金属製蓋体を接合してハー
メチック封止を行うことが困難となる原因について検討
した結果、（１）ガラスセラミック絶縁基板の熱膨張係
数が銅などのメタライズ層よりも非常に小さいため、焼
成の冷却過程においてリング状メタライズ層の端部に大
きな熱応力が発生すること、（２）メタライズ層に対し
てメッキ層を施す時、大きな応力がメッキ層形成端部に
集中すること、（３）ガラスセラミックスの機械的強度
がアルミナセラミックスに比較して低いこと、さらに
（４）ガラスセラミック絶縁基板と金属製蓋体の熱膨張
差によってろう付け処理後の冷却あるいは半導体素子の
作動停止により熱応力が発生し、これが接合部に集中す
るなどの原因によるものである。

【００１１】特に、熱応力は蓋体を封止する部分の面積
の増加に伴って大きくなるため、半導体素子の寸法が大
きい場合あるいは複数の半導体素子を一括して封止する
場合には蓋体の寸法が大きくなり、たとえ絶縁基板と金
属製蓋体の熱膨張差がわずかであっても大きな熱応力が
発生する。

【００１２】また、ガラスセラミックのメタライズ層と
金属製のリードとの接合にあたって、銅メタライズパッ
ドの周辺部を絶縁体基板内に埋め込むことが特開平６−
１２０３６３号において提案されている。

【００１３】しかしながら、かかる提案によれば、単純
な円形のメタライズ層と非常に小さいリードピンとの接
合に係わるものであり、リードピンよりもサイズが非常
に大きい金属製蓋体を接合するリング状のメタライズ層
に対しては適用できず、また、金属製の蓋体を接合する
メタライズ層はリング状をなしているために熱応力が複
雑であり、かつ熱応力も非常に大きく、かかる提案によ
っても充分に金属製蓋体の封止性の信頼性が得られてい
ないのが現状であった。

【００１４】従って、本発明は、半導体素子をガラスセ
ラミック焼結体からなる絶縁基板の表面に気密に封止す
るための金属製蓋体を絶縁基板表面のメタライズ層に強
固に接合し、大型のパッケージにおいても高い信頼性を
有する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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、半導体素
子を搭載し、同時焼成メタライズ層に金属製蓋体を接合
することによって気密に封止するパッケージにおいて、
絶縁基板と金属製蓋体を接合するためのリング状メタラ
イズ層の構造について検討を重ねた結果、リング状メタ
ライズ層の内側および／または外側をガラスセラミック
スからなる絶縁基板に対して所定の寸法にて埋め込むこ
とによって、上記目的が達成されることを見いだし本発
明に至った。

【００１６】即ち、本発明の半導体素子収納用パッケー
ジは、表面に半導体素子が実装されるガラスセラミック
焼結体からなる絶縁基板と、前記絶縁基板表面の前記半
導体素子実装部の周囲に被着形成されたリング状メタラ
イズ層と、前記絶縁基板表面に実装される半導体素子を
気密に封止するために前記リング状メタライズ層に対し
てロウ材によって接合される金属製蓋体とを具備するも
のであり、かかるパッケージにおいて、前記リング状メ
タライズ層の厚みを３〜３０μｍとし、その内縁および
／または外縁から２０μｍ以上の幅領域を前記絶縁基板
内に埋め込むとともに、前記リング状メタライズ層の露
出部の幅が１〜５ｍｍであり且つその露出部表面に厚み
１〜１０μｍのメッキ層を形成してなることを特徴とす
るものである。

【００１７】また、上記のパッケージにおいては、前記
リング状メタライズ層の埋め込む部分の最大深さが５〜
５０μｍであること、前記リング状メタライズ層露出部
の内縁における最大径が１０ｍｍ以上であること、前記
絶縁基板と、前記金属製蓋体との４０〜４００℃におけ
る熱膨張係数差が２ｐｐｍ／℃以下であること、前記リ
ング状メタライズ層が銅を主成分とし、前記絶縁基板と
同時焼成によって形成されてなること、さらに前記メッ
キ層がＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕの群から選ば
れる少なくとも１種の金属からなることが望ましい。

【００１８】

【作用】表面に半導体素子が実装されるガラスセラミッ
ク焼結体からなる絶縁基板の表面に、金属製蓋体を接合
して半導体素子を気密封止するために絶縁基板と同時焼
成によって形成されたリング状メタライズ層に対してメ
ッキ層を施し、そのメッキ層に対して金属製蓋体をロウ
材によって接合した場合、リング状メタライズ層に対し
ては、リング状メタライズ層と絶縁基板との同時焼成時
に発生する応力、リング状メタライズ層表面にメッキ層
形成時に発生する応力、金属製蓋体をリング状メタライ
ズ層に接合する時に発生する絶縁基板、ロウ材および金
属製蓋体間における熱膨張差による応力が発生する。

【００１９】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、金属製蓋体を接合するためのリング状メタライズ
層における内縁および／または外縁を所定の幅をもって
ガラスセラミックスからなる絶縁基板の表面に埋め込む
とともに、その露出部に所定厚みのメッキ層を形成する
ことによって、リング状メタライズ層と絶縁基板との同
時焼成時に発生する最大熱応力発生箇所Ａと、リング状
メタライズ層表面にメッキ層を施した際に発生する最大
応力発生箇所Ｂと、金属製蓋体をリング状メタライズ層
に接合する時に発生する絶縁基板、ロウ材および金属製
蓋体間における熱膨張差による最大応力発生箇所Ｃを離
間させることができるために、リング状メタライズ層の
絶縁基板からの剥離や、過酷な環境下で熱サイクルが印
加された場合においても金属製蓋体との接合部へのクラ
ックの発生を防止し、長期にわたってパッケージの気密
封止性を維持することができ、特に、金属製蓋体の一辺
の寸法が大きい場合、例えば３ｃｍ以上である場合にお
いても良好な気密信頼性を得ることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の半導体素子収納用パッケ
ージの一例の概略断面図を図１に、また図１のパッケー
ジにおける金属製蓋体のメタライズ層との接合部の拡大
断面図を図２に、さらに図１のパッケージにおける絶縁
基板の平面図を図３に示した。

【００２１】（基本構造）図１の半導体素子収納用パッ
ケージＡによれば、ガラスセラミックスからなる絶縁基
板１の上面の中央部に半導体素子２を収容するための凹
部１ａが形成され、該凹部１ａは、金属製蓋体３によっ
て気密に封止される。金属製蓋体３は、絶縁基板１の半
導体素子２が実装される凹部１ａの周囲に形成されたリ
ング状メタライズ層４と接合される。また、絶縁基板１
の凹部１ａ内の表面には、半導体素子２と電気的に接続
されるメタライズ配線層５が被着形成されており、半導
体素子２とワイヤ６などによって電気的に接続されてい
る。また、絶縁基板１の裏面には、絶縁基板１の内部に
形成されたメタライズ配線層５やスルーホール導体７を
経由して電気的に接続された複数の接続パッド８が形成
され、この接続パッド８には、パッケージＡを外部電気
回路基板（図示せず）と接続するための接続端子９がロ
ウ付けされている。

【００２２】かかる構造において、リング状メタライズ
層４は、ガラスセラミックスからなる絶縁基板１と同時
焼成によって形成されるものであり、その場合、ガラス
セラミックスは８００〜１０００℃の温度で焼成される
ものであるから、リング状メタライズ層４は、低抵抗導
体である銅を主成分とする導体材料からなることが望ま
しい。

【００２３】また、金属製蓋体３は、絶縁基板との熱膨
張係数が近似していることが望ましく、特に４０〜４０
０℃における熱膨張係数差が２ｐｐｍ／℃以下であるこ
とが望ましい。これは、熱膨張係数差が２ｐｐｍ／℃よ
りも大きいと、絶縁基板との熱膨張差によって金属製蓋
体３のリング状メタライズ層４との接合部に大きな応力
が発生しやすく、金属製蓋体３による気密封止性の信頼
性が損なわれる場合があるためである。かかる観点か
ら、特に、金属製蓋体３は、４２アロイなどのＦｅを含
有する金属から構成することが望ましい。

【００２４】かかる構成において、４２アロイなどの金
属製蓋体３の熱膨張係数はおよそ７ｐｐｍ／℃と、絶縁
基板を構成する一般的なガラスセラミックスの熱膨張係
数と比較的近い特性を有するが、わずかな差であって
も、蓋体のサイズが大きい場合には熱膨張差による大き
な応力が発生する。

【００２５】また、金属製蓋体３を接合するための銅導
体からなるリング状メタライズ層４を絶縁基板１と同時
焼成によって形成する場合、メタライズ層４の熱膨張係
数がおよそ１７〜１９ｐｐｍ／℃、絶縁基板を構成する
ガラスセラミックスの熱膨張係数がおよそ５〜７ｐｐｍ
／℃と、ロウ材として例えば、Ａｕ−Ｓｎ合金の熱膨張
係数がおよそ２０ｐｐｍ／℃と相互の熱膨張率差が大き
いために、リング状メタライズ層４と絶縁基板１との界
面、特にメタライズ層４の端部に応力が集中し、この応
力集中部から絶縁基板１側にクラックが発生しパッケー
ジの気密性が保持できなくなる。

【００２６】本発明の半導体素子収納用パッケージによ
れば、図２、図３に示すように、絶縁基板１の表面に形
成されたリング状メタライズ層４の内縁および／または
外縁から所定の幅にわたって絶縁基板１の表面に埋め込
むことによってパッケージの気密信頼性を向上させるこ
とができる。図２、図３のパッケージにおいては、リン
グ状メタライズ層４の内縁および外縁の両縁が絶縁基板
１の表面に埋め込まれている。

【００２７】そして、このリング状メタライズ層４の埋
め込まれていない部分、即ち、メタライズ層の露出部に
は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕのうち少なくと
も１種からなるメッキ層１０が形成されており、このメ
ッキ層１０に対して、金属製蓋体３が半田などのロウ材
１１によって接合されている。

【００２８】図２に示す本発明におけるリング状メタラ
イズ層４と金属製蓋体３との接合構造においては、
（１）銅メタライズ層とガラスセラミック質絶縁基板１
との同時焼成時に発生する最大熱応力発生箇所Ａ、
（２）リング状メタライズ層４にメッキを施した際に発
生する応力発生箇所Ｂ，（３）金属製蓋体３の接合時に
発生するガラスセラミック製基体およびロウ材５である
金錫合金および金属製蓋体３間における熱膨張差による
応力発生箇所Ｃを図示するように離間していることから
これらの応力の集中を防止し、応力を分散させることが
できる。

【００２９】かかる効果を充分に発揮させる上で、リン
グ状メタライズ層４における絶縁基板１内に埋め込み部
４ａの埋め込み幅Ｌは、その内縁および／または外縁か
ら２０μｍ以上、特に１００μｍ以上であることが必要
である。また、リング状メタライズ層４の上記埋め込み
部４ａにおける最大深さｘが浅いと、メタライズ層を被
う絶縁層の強度が不足して部分的に剥がれが生じやすく
なり、深すぎるとメタライズ層の露出した部分と埋め込
まれた部分の接続部が屈曲し、接続部分の強度が低下
し、その部分からクラックが発生する恐れがあるため、
この最大深さｘは、５〜５０μｍ、特に５〜２５μｍで
あることが望ましい。

【００３０】また、絶縁基板１上におけるリング状メタ
ライズ層４の露出部の幅Ｍが５ｍｍよりも広いと絶縁基
板１との熱膨張差に起因する応力が増加し、また、露出
部の幅Ｍが１ｍｍよりも小さいと、メタライズ層自体の
絶縁基板への接着強度が低下するためリング状メタライ
ズ層４の露出部における幅Ｍは１〜５ｍｍ、特に１〜３
ｍｍであることが必要である。

【００３１】また、リング状メタライズ層４の厚みｔが
３０μｍよりも厚いと絶縁基板１との熱膨張差に起因す
る応力が増加し、３μｍよりも薄いとメタライズ層４自
体の強度が低下するため、リング状メタライズ層４の厚
みは３〜３０μｍ、特に１０〜２０μｍであることが必
要である。

【００３２】さらに、リング状メタライズ層４表面に形
成されるメッキ層１０は、ロウ材１１となるＡｕ−Ｓｎ
合金などとの濡れ性を改善し、ロウ材１１とリング状メ
タライズ層４との接合強度を高めると同時にメタライズ
層４とロウ材１１の反応によって金属製蓋体３の接合強
度が低下するのを防止するためのものであり、その厚み
が１μｍよりも薄いと上記の反応防止効果が小さい。逆
に、メッキ層の厚みが１０μｍよりも厚いとメッキ層１
０の形成時にメタライズ層４との間で高い応力が発生
し、この応力によってクラックが発生し、気密信頼性が
損なわれてしまう。従って、メッキ層の厚みＮは１〜１
０μｍ、特に２〜８μｍであることが必要である。

【００３３】本発明の半導体素子収納用パッケージにお
いて、絶縁基板１を構成するガラスセラミックスとして
は、ガラス成分、あるいはガラス成分とフィラー成分と
の混合物を焼成したものであり、特にフィラー成分を含
むことが強度の向上の点から有利であり、用いられるフ
ィラー成分としては、ジルコン酸カルシウム、珪酸スト
ロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチ
ウム、チタン酸バリウム、アルミナ、シリカ、ムライ
ト、フォルステライト、ジルコニア、スピネル等のセラ
ミックフィラーが好適である。

【００３４】また、ガラス成分としては、焼成によって
結晶相を析出する結晶性ガラスが好適に用いられ、ガラ
スの結晶化により絶縁基板１の抗折強度を高くでき、こ
の結果、ガラスセラミックスからなる絶縁基板１表面に
形成されるメタライズ層４の絶縁基板１との接合強度を
高めることができる。

【００３５】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。まず、上記ガラスセラ
ミックスを形成するセラミック組成物を有機バインダー
および溶剤とともに混合してスラリーを調製し、このス
ラリーを用いて、周知のドクターブレード法、圧延法等
によって、シート状に成形してグリーンシートを作製す
る。有機バインダとしては、窒素雰囲気中での熱分解性
に優れたアクリル系樹脂、例えばメタクリル酸メチル、
メタクリル酸イソブチル等を用いることが望ましい。

【００３６】そして、上記のようにして作製されたグリ
ーンシートの所定位置に銅などの金属粉末を含有するメ
タライズペーストを印刷して導体パターンを形成する。
この際、蓋体３を接続するためのリング状銅メタライズ
層４は、前述した理由から、焼成後のメタライズ厚みが
３〜３０μｍ、特に１０〜２０μｍとなるような厚みで
印刷することが必要である。

【００３７】メタライズペースト中には、メタライズ層
とガラスセラミックスからなる絶縁基板との界面におけ
る接合強度を向上させるため、あるいはメタライズペー
ストとガラスセラミックスの焼結収縮率及び速度を一致
させ絶縁基板１の変形を防止するためにガラスを添加す
ることが望ましい。ペーストに用いるビヒクル中のバイ
ンダーには、グリーンシートと同様に窒素雰囲気中での
熱分解性に優れた前述したようなアクリル系樹脂を用い
るのがよい。

【００３８】次に、メタライズペーストを印刷して形成
されたリング状メタライズ層４の内縁および／または外
縁から所定の幅の埋め込み部４ａに、絶縁基板１と構成
する前述したガラスセラミック組成物からなるグリーン
シートを積層するか、あるいは前記ガラスセラミック組
成物を含むスラリーをリング状メタライズ層４の一方ま
たは両脇に被覆するように印刷する。そして、このスラ
リーやペーストを塗布した後に２５〜１００ｋｇ／ｃｍ
²の圧力を印加してメタライズ層４の内縁および／また
は外縁を絶縁基板１のグリーンシート内に埋め込む。

【００３９】また、多層化する場合には、上記と同様に
して所定のグリーンシートにメタライズペーストを導体
パターンに印刷し、場合によっては、グリーンシートの
所定位置にビアホールまたはスルーホールを形成して、
ホール内に上記メタライズペーストを充填し、前記リン
グ状メタライズ層４が形成されたグリーンシートと積層
し圧着する。

【００４０】次に、上記のようにしてリング状メタライ
ズ層４の縁が埋め込まれたグリーンシートの積層体を３
００〜５００℃の水蒸気を含んだ窒素雰囲気中で熱処理
し、グリーンシート及びペースト中のバインダー、可塑
剤、溶剤を分解除去する。その後、同雰囲気下で温度を
７００〜８００℃に上げグリーンシート及びペースト中
の残留炭素を除去する。

【００４１】そして、窒素雰囲気中で９００〜１０５０
℃の温度で焼成することにより、絶縁基板１とメタライ
ズ層４とを同時焼成して、絶縁基板１の表面にリング状
メタライズ層４を具備した絶縁基板１を作製することが
できる。そして、この絶縁基板１の裏面の接続パッド８
に対して適当な接続端子９をロウ付けする。

【００４２】その後、この絶縁基板１のリング状メタラ
イズ層４にＮｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕのうち少
なくとも１種のメッキ層１０を形成する。このメッキ層
１０の形成は、電解メッキ法、無電解メッキ法のいずれ
でもよく、その厚みが１〜１０μｍ、特に２〜７μｍと
なるように形成する。望ましくは、まず、Ｎｉ、Ｃｏ、
ＣｒおよびＣｕから選ばれる少なくとも１種によるメッ
キ層を形成し、さらにそのメッキ層の表面に最外層とし
てＡｕからなるメッキ層を施すことによりロウ材１１と
の濡れ性を良好に保つことができる。

【００４３】そして、最終的に絶縁基板１の凹部１ａに
半導体素子２を実装し、ワイヤボンディング法などによ
りメタライズ配線層５と電気的な接続を行った後、メッ
キ層１０が被覆されたリング状メタライズ層４に対して
金属製蓋体３をロウ材１１によって接合することにより
半導体素子が気密に封止された半導体装置を得ることが
できる。

【００４４】

【実施例】実施例１ＳｉＯ₂：４４重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：２８重量％、Ｍｇ
Ｏ：１１重量％、ＺｎＯ：８重量％、Ｂ₂Ｏ₃：９重量
％の組成を有する結晶性ガラス粉末６４重量％と、セラ
ミックフィラーとしてジルコン酸カルシウム５重量％、
シリカ１４重量％、珪酸ストロンチウム１７重量％から
なるガラスセラミック原料粉末１００重量部に対して、
有機バインダーとしてメタクリル酸イソブチル樹脂を固
形分で１２重量部、可塑剤としてフタル酸ジブチルを６
重量部添加し、トルエン及び酢酸エチルを溶媒としてボ
ールミルにより４０時間混合しスラリーを調製した。

【００４５】得られたスラリーをドクターブレード法に
より厚み０．２５ｍｍのグリーンシートに成形した。こ
のシート上に、銅粉末１００重量部と、軟化点８００℃
のホウケイ酸亜鉛ガラス２重量部、メタクリル酸イソブ
チル３重量部、フタル酸ジブチル５重量部、テルピオネ
ール１０重量部とからなるペーストを用いて、リング状
に銅メタライズペーストを印刷し、そして、更にこのリ
ング状銅メタライズペーストパターンの内縁および／ま
たは外縁に上述のガラスセラミック組成物１００重量部
にメタクリル酸イソブチル５重量部、フタル酸ジブチル
１３重量部、テルピオネール３８重量部を混合した絶縁
ペーストをスクリーン印刷した。

【００４６】そして、このシートを最上層としてシート
を４枚積層して５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で加圧積層し
た。この積層成形体中の有機成分（バインダー、可塑剤
等）を分解除去するために水蒸気を含んだ窒素雰囲気中
で７５０℃、３時間の熱処理を行い成形体中の残留炭素
量を２００ｐｐｍ以下に低減した後、９３０℃で１時間
の焼成を行い銅メタライズ層を施したガラスセラミック
スの絶縁基板１を得た。

【００４７】このようにして作製したパッケージは外形
寸法が２０ｍｍ×３０ｍｍであり、リング状銅メタライ
ズ層の露出した部分の寸法は外寸１５ｍｍ×２５ｍｍ、
内寸１３ｍｍ×２３ｍｍのリング状とした。なお、作製
したリング状メタライズ層について、メタライズ層の内
縁および／または外縁の埋め込み処理を施した試料につ
いては、埋め込み部の幅Ｌを１００μｍ、埋め込み部の
最大深さｘを１０μｍに設定し、メタライズ層の露出部
の幅、メタライズ層の厚みは表１のように設定した。

【００４８】次に、絶縁基板表面のリング状銅メタライ
ズ層の露出部表面にＮｉを無電解メッキを施し、さらに
その表面に０．２μｍのＡｕメッキを施した。なお、メ
ッキ層の全体厚みを表１に示した。

【００４９】このパッケージに対して、図１に示すよう
に、メッキ層が施されたリング状メタライズ層に対し
て、Ａｕ−Ｓｎ合金からなるロウ材を用いて４２アロイ
からなる厚み０．５ｍｍの金属製蓋体３を接合し、絶縁
基板１の凹部１ａを気密に封止した。

【００５０】上記のように作製した試料を−６５℃にて
５分、１５０℃にて５分保持を１サイクルとして最高５
００サイクルまでの熱サイクル試験を行い、５０サイク
ル、１００サイクル、３００サイクル、５００サイクル
において気密封止性をＨｅリーク法によって評価した。
Ｈｅリーク法は、４．２ｋｇｆ／ｃｍ²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^-9ａｔｍ・ｃｃ
／ｓｅｃ以下を○、１×１０^-9〜５×１０^-8ａｔｍ・ｃ
ｃ／ｓｅｃを△、５×１０^-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃを超
えるものを×として評価した。また、×となった時点
で、封止性が損なわれた原因を調査し、その結果を表
１、２に示した。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】

【００５３】表１、２の結果から明らかなように、リン
グ状メタライズ層に対して埋め込み処理を行わずに金属
製蓋体を接合した試料Ｎo.１、２では、５０サイクルを
行った時点で、リング状メタライズ層４の端部から絶縁
基板側にクラックが発生した。

【００５４】これに対して、リング状メタライズ層４の
内縁および／または外縁を絶縁基板に埋め込んだ試料に
おいて、リング状メタライズ層４の露出部の幅が１ｍｍ
未満の試料Ｎo.７ではメタライズ層自体の強度が低く、
逆に５ｍｍを超える試料Ｎo.１１ではメタライズ層と絶
縁基板１の熱膨張差による焼成時の熱応力により５０サ
イクル後では気密性が保持できなかった。また、リング
状メタライズの厚みが３μｍより薄い試料Ｎo.１２、１
３ではメタライズ層自体の強度が低く、また逆に３０μ
ｍより厚い試料Ｎo.２１、２２ではメタライズ層と絶縁
基板１の熱膨張差による焼成時の熱応力により５０サイ
クル後では良好な気密性が保持できなかった。

【００５５】また、メッキ層の合計厚みが１μｍ未満の
試料Ｎo.２３、２４ではメタライズ表面全体をメッキ層
によって均一に覆うことができず、Ａｕ−Ｓｎ合金のロ
ウ材とメタライズ層とが反応しており５０サイクル後で
は気密性が保持できなかった。また逆に１０μｍを越え
る試料Ｎo.３２、３３では、メッキ層形成時の応力によ
り接合強度が低下し５０サイクル後では気密性が保持で
きなかった。

【００５６】これらの比較例に対して、リング状メタラ
イズ層の厚みを３〜３０μｍ、前記リング状メタライズ
層の露出部の幅を１〜５ｍｍ、メッキ層の合計厚みを１
〜１０μｍとした本発明の半導体素子収納用パッケージ
では５００サイクルの熱サイクルにおいても良好な気密
性が保持された。

【００５７】実施例２実施例１において、リング状メタライズ層の内縁および
外縁に絶縁ペーストを塗布するに際し、塗布量および塗
布幅を変えて塗布し、最終焼結体においてリング状メタ
ライズ層の埋め込み幅および埋め込み部分の最大深さが
表３となるような絶縁基板１を作製し、実施例１と同様
にしてパッケージを作製した。なお、かかるパッケージ
においては、リング状メタライズ層の厚みを１５μｍ、
メタライズ層の露出部の幅を３ｍｍ、メッキ層の合計厚
みを５μｍとした。そして、実施例１と同様の評価を行
った。

【００５８】

【表３】

【００５９】表３の結果、リング状メタライズ層４の埋
め込み幅を２０μｍ以上とすることにより、５００サイ
クル後においても気密性が保持できた。しかし、埋め込
み幅が２０μｍよりも狭い試料Ｎo.３４では、５０サイ
クル後で気密性を保持できなかった。また、埋め込み部
の最大深さについては、５〜５０μｍにおいて最も優れ
た耐久性を示した。

【００６０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ガラスセラミックスからなる絶縁基板１表面にリング状
メタライズ層４を形成し、そのリング状メタライズ層４
の内縁および／または外縁の少なくとも一方を絶縁基板
１内に所定の幅をもって埋め込むとともに、金属製蓋体
と接合されるメタライズ層露出部の幅およびメッキ層の
厚みを所定の条件を満足するように制御することによ
り、高い接合強度で金属製の蓋体３を接合することがで
き、過酷な熱サイクルが印加された場合においても高い
気密信頼性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体素子収納用パッケージの一例の
概略断面図を示す。

【図２】図１のパッケージにおける金属製蓋体のメタラ
イズ層との接合部の拡大断面図を示す。

【図３】図１のパッケージにおける絶縁基板の平面図を
示す。

【符号の説明】

Ａ半導体素子収納用パッケージ１絶縁基板１ａ凹部２半導体素子３金属製蓋体４リング状メタライズ層４ａ埋め込み部５メタライズ配線層６ワイヤ７スルーホール導体８接続パッド９接続端子１０メッキ層１１ロウ材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に半導体素子が実装されるガラスセラ
ミック焼結体からなる絶縁基板と、該絶縁基板表面の前
記半導体素子実装部の周囲に被着形成されたリング状メ
タライズ層と、前記絶縁基板表面に実装される半導体素
子を気密に封止するために前記リング状メタライズ層に
対してロウ材によって接合される金属製蓋体とを具備す
る半導体素子収納用パッケージにおいて、前記リング状メタライズ層の厚みを３〜３０μｍとし、
その内縁および／または外縁から２０μｍ以上の幅領域
を前記絶縁基板内に埋め込むとともに、前記リング状メ
タライズ層の露出部の幅が１〜５ｍｍであり且つその露
出部表面に厚み１〜１０μｍのメッキ層を形成してなる
ことを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
【請求項２】前記リング状メタライズ層の埋め込み部分
の最大深さが５〜５０μｍであることを特徴とする請求
項１の半導体素子収納用パッケージ。
【請求項３】前記リング状メタライズ層露出部の内縁に
おける最大径が１０ｍｍ以上であることを特徴とする請
求項１の半導体素子収納用パッケージ。
【請求項４】前記絶縁基板と、前記金属製蓋体との４０
〜４００℃における熱膨張係数差が２ｐｐｍ／℃以下で
ある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。
【請求項５】前記リング状メタライズ層が銅を主成分と
し、前記絶縁基板と同時焼成によって形成されてなるこ
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。
【請求項６】前記メッキ層が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｕ
およびＣｕの群から選ばれる少なくとも１種の金属から
なる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。