JP2002222883A

JP2002222883A - デバイス収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2002222883A
Application number: JP2001020614A
Authority: JP
Inventors: Tomohide Hasegawa; 智英長谷川; Akihisa Makino; 晃久牧野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-08-09

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板上に金属製蓋体を気密に封止でき、高
い信頼性を有する小型のデバイス収納用パッケージを提
供する。【解決手段】半導体素子を実装するための凹状キャビテ
ィ１ａを形成するために、側壁部４を一体的に形成して
なる絶縁基板１と、該該側壁部４上に被着形成され、前
記キャビティを気密に封止するために金属製蓋体とロウ
材によって接合されるメタライズ層５とを具備し、前記
絶縁基板１及び側壁部４が窒化珪素質焼結体からなると
ともに、前記メタライズ層５がＷ及びＷ₅Ｓｉ₃からな
り、Ｘ線回折によるピーク比Ｉ（Ｗ₅Ｓｉ₃）／Ｉ（Ｗ）
が０．０８以下であって、且つ前記側壁部４の最小厚み
が０．１５〜０．５ｍｍ、側壁部４高さが０．１〜１ｍ
ｍであることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子や発振
子等のデバイスが搭載され、これらのデバイスを蓋体に
よって気密に封止するデバイス収納用パッケージに関す
るものである。

【０００２】

【従来技術】半導体素子などを搭載するデバイス収納用
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、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、近年半導体素子の高集積化
に伴い、半導体装置から発生する熱も増加しており、該
半導体装置の誤動作をなくす為には、このような熱を装
置外に速やかに放出する基板が必要となり、同時に、近
年の小型化に伴う高密度配線化が進んできているため、
従来から用いられてきたアルミナ材料では、熱伝導率が
約２０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度が約４００ＭＰａと低い
事からそれに代わるものとして高い熱伝導率を有する窒
化アルミニウムが注目され始めた。

【０００４】例えば、半導体素子を実装するパッケージ
の構造は、図１に示すように、半導体素子を実装するた
めに凹状のキャビティ１ａが絶縁基板１の中央部に設け
られている。つまり、絶縁基板１は、キャビティ底面１
ｂと、その外周に設けられた側壁部４を具備している。
さらに、側壁部４の上には、蓋体をロー付けするために
メタライズ層５が設けられている。

【０００５】しかし、近年のパッケージの小型化にとも
ない、絶縁基板の側壁部の肉厚が薄くなりつつあるが、
従来のアルミナや窒化アルミニウムを用いたパッケージ
では、絶縁基板、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や側壁部
にクラックが発生し、気密性が保持できなくなり、ハー
メチック封止の信頼性が低下するという問題があった。

【０００６】そこで、高強度、高熱伝導材料として、最
近、絶縁基板材料として注目されている窒化珪素質焼結
体と、ＷやＭｏ等の高融点金属をメタライズ層とを用い
ることが考えられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＷやＭ
ｏ等の高融点金属をメタライズ層として用いた場合、Ｗ
やＭｏの珪化物が生成されやすく、金属製蓋体との密着
性が低下するため、メタライズ層の幅を大きくして密着
強度を高める必要があった。従って、それに伴って側壁
部の肉厚も大きくならざるを得ないという問題があっ
た。

【０００８】また、高融点金属を用いたメタライズ層で
は、気密性がばらつきやすく、信頼性の高い機密性が得
られないという問題があった。

【０００９】従って、本発明は、絶縁基板上に金属製蓋
体を気密に封止でき、高い信頼性を有する小型のデバイ
ス収納用パッケージを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、側壁部とメタ
ライズ層との界面に高融点金属の珪化物が形成される
と、接着強度が低下し、その結果、気密性が低下すると
いう知見に基づき、生成する珪化物量を制御すると同時
に側壁部の形状を特定することによって気密性に優れ、
且つ小型のデバイス収納用パッケージを実現したもので
ある。

【００１１】即ち、半導体素子を実装するための凹状キ
ャビティを形成するために、側壁部を一体的に形成して
なる絶縁基板と、該側壁部上に被着形成され、前記キャ
ビティを気密に封止するために金属製蓋体とロウ材によ
って接合されるメタライズ層とを具備し、前記絶縁基板
及び側壁部が窒化珪素質焼結体からなるとともに、前記
メタライズ層がＷ及びＷ₅Ｓｉ₃からなり、Ｘ線回折によ
るピーク比Ｉ（Ｗ₅Ｓｉ₃）／Ｉ（Ｗ）が０．０８以下で
あって、且つ前記側壁部の最小厚みが０．１５〜０．５
ｍｍ、側壁部高さが０．１〜１ｍｍであることを特徴と
するもので、これにより、パッケージの外形寸法を大型
化させることなく、気密性を向上することができる。

【００１２】特に、前記窒化珪素質焼結体の熱伝導率が
４０Ｗ／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上で
あることが好ましく、これにより、半導体素子からの発
熱を速やかに冷却でき、且つ高強度のためパッケージの
機械的信頼性を改善できる。

【００１３】また、金属製蓋体がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金
から成ることが好ましく、これにより、コストを低くで
き、且つ窒化珪素質焼結体の熱膨張係数に近く、信頼性
をより高めることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のデバイス収納用パッケー
ジは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、窒化珪素質
焼結体からなる絶縁基板１は、上面の中央部に設けられ
たキャビティ１ａと、キャビティ１ａの側面に形成され
た側壁部４を具備している。そして、側壁部４の上面に
メタライズ層５が設けられている。

【００１５】このキャビティ１ａは、内部に半導体素子
を実装した後、蓋体によって気密に封止される。即ち、
図２に示すように、絶縁基板１１の上面中央部に設けら
れたキャビティ１１ａの底部に半導体素子１２が載置さ
れ、金属製蓋体１３が側壁部１４の上面に設けられたメ
タライズ層１５上でロー材によって接合されている。

【００１６】窒化珪素質焼結体は、窒化珪素と焼結助剤
とを主体とするものであり、焼結助剤としては、低温焼
成を可能とするために、周期律表第３ａ族元素（Ｙ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｙｂ、Ｅｒ等）及びその化合物、周期律表第
２ａ族元素（Ｃａ、Ｍｇ等）及びその化合物、又はＡｌ
及びその化合物等を例示することができる。さらに、所
望により着色の目的でＷ、Ｍｏ等の化合物を加えること
ができる。

【００１７】特に、窒化珪素質焼結体の熱伝導率は、４
０Ｗ／ｍＫ以上、特に５０Ｗ／ｍＫ以上、さらには６０
Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、これにより、パッケージ形外
への熱放散を促進することができる。また、窒化珪素質
焼結体の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上、特に７０
０ＭＰａ以上、さらには７５０ＭＰａ以上であることが
好ましい。これにより、パッケージの小型化ができる。

【００１８】絶縁基板１１の主面には、図２に示すよう
なキャビティ１１ａが設けられている。このキャビティ
１１ａは、半導体素子１２を積載し、キャビティ底面１
１ｂに設けられた接続端子と接続されている。

【００１９】そして、本発明によれば、側壁部１４の最
小厚みが０．１５〜０．５ｍｍ、且つ側壁部１４の高さ
が０．１〜１ｍｍであることが重要である。側壁部の最
小厚みが０．１５ｍｍ未満であると金属製蓋体１３が実
装できなくなり、また、０．５ｍｍを超えるとパッケー
ジの小型化を阻害する。特に、パッケージの小型化とい
う点で、側壁部１４の最小厚みは０．１５〜０．３ｍ
ｍ、さらには０．１５〜０．２ｍｍであることが好まし
い。また、側壁部１４の高さが０．１ｍｍ未満では半導
体素子１２と金属製蓋体１４が接触するため実装出来な
くなり、また、１ｍｍを超えるとパッケージの低背化の
阻害となる。特に、パッケージの低背化という点で、側
壁部１４の高さは０．１〜０．５ｍｍ、さらには０．１
〜０．３ｍｍであることが好ましい。

【００２０】Ｗメタライズ層を形成すると珪化物である
Ｗ₅Ｓｉ₃が形成されやすく、層中に存在する。しかし、
この珪化物は、窒化珪素からなる側壁部１４とメタライ
ズ層１５との界面に形成され、密着力に乏しいため、気
密性の低下の原因になる。

【００２１】従って、本発明によれば、メタライズ層
５、１５は、Ｗ及びＷ₅Ｓｉ₃からなり、Ｘ線回折による
ピーク比Ｉ（Ｗ₅Ｓｉ₃）／Ｉ（Ｗ）が０．０８以下であ
ることが重要であり、特に０．０５以下、さらには０．
０３以下が好ましい。これにより、金属蓋体１３と絶縁
基板１１とを強固に接合し、気密性の長期信頼性を改善
できる。

【００２２】なお、ＷのＸ線回折ピークＩ（Ｗ）とは、
Ｗの（１１０）面のＸ線回折ピークであり、また、Ｗ₅
Ｓｉ₃のＸ線回折ピークＩ（Ｗ₅Ｓｉ₃）は、主ピークを
用いることができる。

【００２３】また、メタライズ層５、１５の厚みは１０
〜３０μｍ、特に１５〜２５μｍであることが、気密性
を維持し、メタライズ層５、１５の剥離を防止する点で
好ましい。

【００２４】このメタライズ層５は、図１（ａ）に示す
ように、絶縁基板１のキャビティ１ａを有する主面の外
周部、即ち側壁部４の上部に、気密性が保たれるよう
に、主面の全周に渡って、つまり１周するように設けら
れており、メタライズ層５の強度が高まることにより、
メタライズ層５の幅を１ｍｍ以下、特に０．５ｍｍ以
下、さらには０．３ｍｍ以下にすることができる。

【００２５】なお、メタライズ層５、１５の露出部に
は、ロー付けのために、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ａｕ及びＣ
ｕのうち少なくとも１種から成るメッキ層が形成されて
いても良い。

【００２６】金属製蓋体１３は、メタライズ層１５とロ
ー材を介して接合されており、気密性を保てるものであ
れば良いが、特に、安価且つパッケージ材料との熱膨張
係数差が小さいという点で、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金から
成ることが好ましい。

【００２７】ロー材は、気密性を保つという点でＡｕ−
Ｓｎから成ることが好ましい。

【００２８】以上のような構成を有するデバイス収納用
パッケージは、小型で、気密性が高く、信頼性が高いた
め、長期間に渡って安定した動作を保証することができ
る。

【００２９】次に、本発明のデバイス収納用パッケージ
を製造する方法について説明する。

【００３０】まず、絶縁基板１１を作製するために原料
粉末を準備する。主原料の窒化珪素粉末は、不純物酸素
量が０．５〜３．０重量％、特に０．８〜１．２重量％
が望ましい。これは不純物酸素量が３．０重量％よりも
多いと、焼結体表面が荒れ、強度劣化を招くことがあ
り、０．５重量％よりも少ないと焼結性が悪くなる傾向
があるからである。なお、窒化珪素粉末の酸素量が上記
の値となるように、酸化珪素粉末を添加してもかまわな
い。

【００３１】また、窒化珪素粉末の平均粒子径は、０．
１〜１．５μｍ、特に０．７〜１．０μｍであり、α率
が８０％以上であることが望ましい。

【００３２】窒化珪素質焼結体からなる絶縁基板１１
は、後述の組成からなるメタライズ層１５と同時焼成を
行なう際に珪化物の生成を抑制するため、１６００〜１
７５０℃の低温で焼成することが好ましく、このような
低温焼成を実現させるため、窒化珪素粉末に対して、焼
結助剤として、周期律表第３ａ族元素（Ｙ、Ｌａ、Ｃ
ｅ、Ｙｂ、Ｅｒ等）及びその化合物、周期律表第２ａ族
元素（Ｃａ、Ｍｇ等）及びその化合物又はＡｌ及びその
化合物を用いることができる。

【００３３】焼結助剤となる化合物は、酸化物、炭酸
塩、酢酸塩など焼成によって酸化物を形成しうる化合物
であることが望ましい。特に、希土類酸化物を５〜２０
重量％、特に１０〜１５重量％、酸化マグネシウムを１
〜５重量％、特に１．５〜４重量％、アルミナが１重量
％以下、特に０．５重量％以下であることが望ましい。
例えば、酸化エルビウム、酸化マグネシウム、炭酸マグ
ネシウム等を使用することができる。そして、これらの
化合物原料の平均粒子径は、焼結性を向上させるため
に、１〜３μｍであることが好ましい。

【００３４】これらの粉末を混合した混合粉末に有機バ
インダーと溶媒とを添加してスラリーを調製し、ドクタ
ーブレード法、圧延法、押し出し成形法等の周知の成形
方法でグリーンシートを作製する。このグリーンシート
は、単層でもよいし、薄肉のグリーンシートを積層した
ものであってもよい。次に金型により□形状に打ち抜
き、キャビティを作製する。

【００３５】次に、メタライズ層１５を作製するための
原料粉末として、純度９９％、平均粒子径０．５〜２．
０μｍの炭化タングステン粉末を準備する。炭化タング
ステンはＷＣであっても、Ｗ₂Ｃのいずれであってもか
まわない。この出発原料として炭化タングステンを用い
ることにより、珪化物の生成をさらに抑制することがで
きる。

【００３６】炭化タングステン粉末とニトロセルロース
等の有機バインダーをボールミルにより混練し、配線ペ
ーストを作製する。

【００３７】上記のグリーンシートの外周部に、周回状
に配線ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、ま
た、側壁部１４用として適宜打ち抜き加工を行ったグリ
ーンシートを圧着により、逐次、積層して積層体を得
る。この積層体は、絶縁基板１１を構成するグリーンシ
ートの積層体と積層体の表面に設けられた炭化タングス
テンを主成分とする配線ペーストとを同時に焼成するこ
とが重要であり、特に弱酸化性雰囲気中にて、脱バイン
ダー処理した後、窒素などの非酸化性雰囲気中、常圧に
て１６００〜１７５０℃、特に１６３０℃〜１７２０℃
の温度で焼成することが好ましく、相対密度９０〜９８
％に焼成条件を制御することによりデバイス収納用パッ
ケージを作製することが出来る。

【００３８】メタライズ層１５の露出部には、Ｎｉ、Ｃ
ｏ、Ｃｒ、ＡｕおよびＣｕのうち少なくとも１種から成
るメッキ層を形成することが好ましく、最終的に絶縁基
板１１のキャビティ１１ａに半導体素子１２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と電
気的な接続を行った後、メッキ層が被覆されたメタライ
ズ層１５に対して金属製蓋体１３をロウ材によって接合
することにより半導体素子１２が気密に封止されたデバ
イス収納用パッケージを得ることができる。

【００３９】

【実施例】主原料として平均粒子径１μｍ、酸素量が１
重量％、α率８９％の直接窒化法により製造された窒化
珪素原料粉末を準備した。また、窒化珪素粉末の焼結助
剤として平均粒子径１μｍ、純度９９％の酸化エルビウ
ム粉末、及び平均粒子径２μｍ、純度９９％の酸化マグ
ネシウム粉末、平均粒子径１μｍ、純度９９％のシリカ
粉末を準備した。

【００４０】主原料の窒化珪素粉末に、全量中酸化エル
ビウム粉末を１４重量％、酸化マグネシウムを３重量
％、アルミナ０．３を重量％、シリカ粉末を１重量％加
えた。なお、試料Ｎｏ．１４及び１５は酸化エルビウム
を７重量％、試料Ｎｏ．１６は酸化エルビウムを１１重
量％とし、他の添加物は上記の割合で加えた。

【００４１】また、比較例として、試料Ｎｏ．１８は、
主原料である平均粒子径２μｍ、純度９９％のアルミナ
粉末に対して、その焼結助剤として平均粒子径１μｍ、
純度９９％のシリカ粉末を５重量％加えた。

【００４２】また、試料Ｎｏ．１９は、主原料である平
均粒子径１．３μｍ、純度９９．９％の窒化アルミニウ
ム粉末に対して、その焼結助剤として平均粒子径１μ
ｍ、純度９９％の酸化エルビウム粉末を８重量％加え
た。

【００４３】上記の割合で主原料粉末とそれに対する焼
結助剤とをそれぞれ混合し、得られた混合粉末に対して
アクリル樹脂バインダーとトルエンを溶媒として添加
し、混練後、ドクターブレード法により約０．０３５ｍ
ｍ厚みのグリーンシートを作製した。

【００４４】次に、平均粒子径１．５μｍ、純度９９％
の炭化タングステン（WC）粉末及び平均粒子径１．８μ
ｍ、純度９９．９％のタングステン（W）粉末を有機バ
インダーをそれぞれ混練し、メタライズペーストを作製
した。

【００４５】前記グリーンシートにメタライズペースト
を、図１に示すようなリング形状にスクリーン印刷によ
り塗布した。そして、このシートを側壁部とし、キャビ
ティは金型によりキャビティに相当する部位を打ち抜
き、その後シートを４枚積層して６ＭＰａの圧力で加圧
積層した。

【００４６】その後、上記成形体を弱酸化性雰囲気中に
て、脱バインダー処理した後、常圧で、表１に示す条件
で同時焼成することにより、メタライズを施した窒化珪
素質焼結体の絶縁基板を得た。

【００４７】このようにして作製したパッケージは、キ
ャビティの内径寸法が縦２０ｍｍ、横３５ｍｍであり、
側壁部厚み及び側壁部高さを表1のようになるように作
製した。

【００４８】次に、絶縁基板表面のメタライズ層の表面
に無電解Ｎｉメッキを施し、さらにその表面に０．２μ
ｍのＡｕメッキを施した。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Ｆｅ−Ｃ
ｏ−Ｎｉ合金からなる厚み０．５ｍｍの金属製蓋体３を
接合し、絶縁基板のキャビティを気密に封止した。

【００４９】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１００
サイクルまでの熱サイクル試験を行い、気密封止性をＨ
ｅリーク法によって評価した。Ｈｅリーク法は、５ａｔ
ｍ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、１×１
０^-9ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下を○を５×１０^-8ａｔｍ
・ｃｃ／ｓｅｃを超えるものを×として評価した。

【００５０】また、メタライズ層の形成された絶縁基板
を、メタライズ層にＸ線が照射されるように試料を配設
し、Ｘ線回折を行った。得られたピークのうち、Ｗ₅Ｓ
ｉ₃の主ピークである（４１１）面とＷ（１１０）面と
のピーク強度を測定し、ピーク比Ｉ（Ｗ₅Ｓｉ₃）／Ｉ
（Ｗ）を算出した。

【００５１】さらに、熱伝導率は、直径１０ｍｍ、厚み
２ｍｍの試験片を別途作製し、ＪＩＳＲ１６１１のレー
ザーフラッシュ法にて測定し、強度は、ＪＩＳＲ１６０
１に基づく４点曲げ試験により、室温にて測定した。

【００５２】また、半導体素子を実装し、金属製蓋体を
ロー付けしたときの半導体収納用パッケージの寸法を測
定し、縦２１ｍｍ以下、横３６ｍｍ以下、厚み５ｍｍ以
下のものを○、それ以外を×とした。結果を表１に示し
た。

【００５３】

【表１】

【００５４】本発明の試料Ｎｏ．５〜１６は、リーク不
良がなく、小型のパッケージが実現できた。

【００５５】一方、側壁部肉厚が薄く、本発明の範囲外
の試料Ｎｏ．１は、金属製蓋体を接合する際に接合ズレ
が大きく、気密封止が出来なかった。

【００５６】また、側壁部高さが浅く、本発明の範囲外
の試料Ｎｏ．２は、金属製蓋体とキャビティが封止時に
接触し、気密封止が出来なかった。

【００５７】さらに、Ｘ線回折によるピーク比Ｉ（Ｗ₅
Ｓｉ₃）／Ｉ（Ｗ）が０．４と大きく、本発明の範囲外
の試料Ｎｏ．４はメタライズ層が剥離し、側壁部厚みが
大きい試料Ｎｏ．３は剥離しなかったが、寸法を満足で
きなかった。

【００５８】また、側壁部高さが１．２ｍｍと大きく、
本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１７は、小型化に対する寸
法要求が満足できなかった。

【００５９】さらに、主原料がアルミナ、窒化アルミニ
ウムで作製したパッケージではいずれも熱サイクル試験
にてリーク不良が発生し、パッケージを観察した結果、
本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１８、１９は、パッケージ
端部からクラックが内部へ進行しており、気密封止がで
きなかった。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、炭化タングステンを用
いてタングステンを主体とするメタライズ層を絶縁基板
上に形成し、ロー付けによって蓋体と気密性の高い接合
が実現でき、高い信頼性を有する小型のデバイス収納用
パッケージを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のデバイス収納用パッケージの一例を示
すもので、（ａ）正面図、（ｂ）概略断面図である。

【図２】半導体を実装し、蓋体を接合した本発明のデバ
イス収納用パッケージの概略断面図を示す。

【符号の説明】

１、１１・・・絶縁基板１ａ，１１ａ・・・キャビティ１ｂ，１１ｂ・・・キャビティ底面４、１４・・・側壁部５、１５・・・メタライズ層１２・・・半導体素子１３・・・金属製蓋体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体素子を実装するための凹状キャビテ
ィを形成するために、側壁部を一体的に形成してなる絶
縁基板と、該側壁部上に被着形成され、前記キャビティ
を気密に封止するために金属製蓋体とロウ材によって接
合されるメタライズ層とを具備し、前記絶縁基板及び側
壁部が窒化珪素質焼結体からなるとともに、前記メタラ
イズ層がＷ及びＷ₅Ｓｉ₃からなり、Ｘ線回折によるピー
ク比Ｉ（Ｗ₅Ｓｉ₃）／Ｉ（Ｗ）が０．０８以下であっ
て、且つ前記側壁部の最小厚みが０．１５〜０．５ｍ
ｍ、側壁部高さが０．１〜１ｍｍであることを特徴とす
るデバイス収納用パッケージ。
【請求項２】前記窒化珪素質焼結体の熱伝導率が４０Ｗ
／ｍＫ以上、３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上であるこ
とを特徴とする請求項１記載のデバイス収納用パッケー
ジ。
【請求項３】金属製蓋体がＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金からな
ることを特徴とする請求項１又は２記載のデバイス収納
用パッケージ。