JP2003017632A - 半導体封入用ガラス及び半導体封入用外套管 - Google Patents
半導体封入用ガラス及び半導体封入用外套管Info
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Abstract
ラスでありながら、710℃以下の温度で半導体素子を
封入可能な半導体封入用ガラスを提供する。 【解決手段】 SiO2−B2O3−RO(Rはアルカリ
土類金属元素)−R’2O(R’はアルカリ金属元素)
系の組成を有する無鉛ガラスからなり、R’2Oとして
2種以上を、ROとしてSrO及びBaOから選ばれる
1種以上を各々含有することを特徴とする。
Description
すなわち、シリコンダイオード、発光ダイオード、サー
ミスタなどの素子と、それに電気的に接続するジュメッ
ト線などの電極材料を気密封入するためのガラスと、こ
れを用いて作製した半導体封入用外套管に関する。
サーミスタなどの小型の電子部品は、それらの半導体素
子をジュメット線などの電極材料で両側から挟み、ガラ
ス製の外套管で囲んだ後に全体を所定の温度に加熱し、
外套管を軟化変形させて気密封入した構造(DHD型)
が広く採用されている。この加熱温度は、一般的にはガ
ラスの粘度が106dPa・sとなる温度であり、封入温
度と言う。ここで、ガラスの封入温度に求められる条件
は、半導体の電気特性が封入温度で失われないように、
封入する半導体の耐熱温度以下で有ることである。半導
体の耐熱温度はその種類や設計に応じて多岐に渡るが、
最も耐熱性の高いものでも710℃程度なので、封入温
度は710℃以下で有ることが重要になる。また、ガラ
スに求められる特性として、熱膨張係数がある。これ
は、電極材料として最も一般的に用いられているジュメ
ット線の熱膨張係数に整合することであり、85〜10
5×10-7/℃(30〜380℃間)の熱膨張係数が必
要である。
用ガラスとしては、PbOを45〜75重量%と多量に
含む鉛ケイ酸塩ガラスが使われている。PbOは、ケイ
酸塩ガラスにおいて安定したガラスを形成しつつ、ガラ
スの粘度を下げる効果が極めて大きいためである。例え
ばPbOを46%含有する半導体封入用ガラスの封入温
度は約700℃、また、PbOを60%含有する半導体
封入用ガラスの封入温度は約655℃である。
ム、砒素などの有害成分による環境汚染が問題視され、
工業製品にそれらの有害成分を含まないことが要求され
てきている。電子部品においても、先ず半田の無鉛化が
積極的に取り組まれており、次いで、半導体封入用ガラ
スにもPbOを含まないことが望まれている。
あり、実質的に鉛やその他の有害成分を含まないガラス
でありながら、710℃以下の温度で半導体素子を封入
可能な半導体封入用ガラスと、これを用いて作製した封
入用外套管を提供することを目的とする。
ラスは、SiO2−B2O3−RO(Rはアルカリ土類金
属元素)−R’2O(R’はアルカリ金属元素)系の組
成を有する無鉛ガラスからなり、R’2Oとして2種以
上を、ROとしてSrO及びBaOから選ばれる1種以
上を各々含有することを特徴とする。
O2−B2O3−RO(Rはアルカリ土類金属元素)−
R’2O(R’はアルカリ金属元素)系の組成を有し、
R’2Oとして2種以上を、ROとしてSrO及びBa
Oから選ばれる1種以上を各々含有する無鉛ガラスから
なることを特徴とする。
含まない無鉛ガラスからなる。「実質的に鉛を含まな
い」とは、積極的にガラス原料に鉛を使用しないという
意味であるが、不純物等からの混入も極力避けるべきで
ある。鉛の許容範囲は、具体的にはPbOの含有量とし
て5000ppm以下、好ましくは1000ppm以
下、より好ましくは500ppm以下である。
リ金属酸化物と、SrO及びBaOの1種以上と、B2
O3を必須成分として含むことにより、ガラスの粘度を
低下させ、710℃以下で封入することを可能にしてい
る。
なってしまうと電極間にわずかに電気が流れるようにな
り、あたかもダイオードに平行して抵抗体を設置したよ
うな回路を生じてしまう。このため、ガラスの体積抵抗
は極力高いことが好ましい。本発明では2種以上のアル
カリ金属酸化物を使用するため、混合アルカリ効果によ
ってガラスの体積抵抗が高くなる。なお体積抵抗値は、
具体的には150℃でLogρ(Ω・cm)が11以
上、特に12以上であることが好ましい。また200℃
程度の高温でダイオードを好適に使用する場合には、2
50℃における抵抗値がLogρ(Ω・cm)で7以
上、特に8以上であることが好ましい。さらに350℃
での抵抗値がLogρ(Ω・cm)で7以上であれば3
00℃の作動温度に耐えることができる。
O+BaO)/(Li2O+Na2O+K2O)を、0.
2〜4.0の範囲に調整することが好ましい。この比を
0.2以上、好ましくは0.4以上、より好ましくは
0.5以上に調整すれば、イオン伝導し易いLi、N
a、Kの移動が制限され、体積抵抗を高めることができ
る。またこの比が4.0以下、好ましくは3.0以下、
より好ましくは2.0以下であれば、安定性が高く、ブ
ツや脈理のないガラスが得やすくなる。
BaO)/SiO2が0.1以上、好ましくは0.2以
上、より好ましくは0.3以上であれば、封入温度を7
10℃以下に保つことが容易となる。またこの比が1.
5以下、好ましくは1.0以下、より好ましくは0.9
以下であれば、結晶のないガラスが得易くなる。
5以上、好ましくは1以上であれば、封入温度を710
℃以下保つことが容易となる。またこの比が10.0以
下、好ましくは9.0以下、より好ましくは7.0以下
であれば、ブツや脈理のないガラスが得易くなる。
囲は、質量百分率で、SiO2 35〜60%、Al2O
3 0〜15%、B2O3 1〜25%、MgO 0〜1
0%、CaO 0〜15%、SrO 0〜30%、Ba
O 0〜30%、SrO+BaO 5〜45%、ZnO
0〜20%、Li2O 0〜15%、Na2O 0〜1
5%、K2O 0〜20%、Rb2O 0〜20%、Cs
2O 0〜30%、Li2O+Na2O+K2O+Rb2O
+Cs2O 5〜35%、TiO2 0〜10%、ZrO
2 0〜10%である。
由は以下の通りである。
に必要な主成分であり、その含有量は35〜60%、好
ましくは40〜57%、さらに好ましくは43〜53%
である。SiO2 が60%以下であれば熱膨張係数が小
さくなりすぎず、ジュメットのそれと適合するため良好
なシールができる。また35%以上であれば実用上十分
な化学的耐久性が得られる。化学的耐久性が悪化する
と、電子部品製造工程中の種々の薬液や、電子部品の長
期の使用においてガラスが変質して破損や気密が保てな
い等、電子部品の信頼性の低下を招く。またガラスの熱
膨張係数がジュメットのそれと適合するため良好なシー
ルができる。
分であり、その含有量は0〜15%、好ましくは0〜5
%、さらに好ましくは0〜3%である。Al2O3が15
%以下であればガラスの溶融が容易であり、また失透性
も低くなるため、ブツや脈理のないガラスが得易くな
る。ガラスにブツや脈理があると、封入形状が不揃いに
なったり、破損の原因になり、電子部品の信頼性が大き
く後退する。
化、化学的耐久性の向上、及び失透性の改善のために必
要な成分であり、その含有量は1〜25%、好ましくは
3〜20%、さらに好ましくは7〜15%である。B2
O3が25%以下であればガラス融液からの蒸発が少な
くなるために均質なガラスが得られる。また実用上十分
な化学的耐久性が得られる。一方、1%以上であれば7
00℃付近での粘度が低くなり、封入温度の低温化が達
成できる。
容易にし、ガラス構造を引き締めて耐候性を改善し封入
温度をさげる。その含有量は0〜10%、好ましくは0
〜8%、より好ましくは0〜3%である。MgOが10
%以下であれば失透性が低くなるため、ブツや脈理のな
いガラスが得易くなる。
容易にする。その含有量は0〜15%、好ましくは0〜
8%、より好ましくは0〜3%である。CaOが15%
以下であれば失透性が低くなるため、ブツや脈理のない
ガラスが得易くなる。
安定化させる効果が大きく、ガラス融液の粘度を下げて
溶融を容易にし、封入温度をさげる成分であるため、少
なくとも何れか1種を含有する。その含有量は合計で5
〜45%、好ましくは10〜45%、より好ましくは1
5〜45%である。これらの合量が5%以上であればガ
ラスの均質性を大幅に向上でき、また粘度が低下して封
入温度の低温化が達成できる。45%以下であれば失透
性が低くなり、ブツや脈理のないガラスが得やすくな
る。
5〜30%、より好ましくは5〜25%である。5%以
上入れることがガラスの均質性向上の点で望ましく。3
0%以下であれば失透性が低くなるため、ブツや脈理の
ないガラスが得易くなる。
5〜25%、より好ましくは11〜25%である。5%
以上入れることがガラスの均質性向上の点で望ましく。
30%以下であれば失透性が低くなるため、ブツや脈理
のないガラスが得易くなる。
gO、CaO、SrO、BaO)は、アルカリの移動を
制限する働きがあり、体積抵抗の向上にも寄与する。
を容易にし、封入温度をさげる。さらに、ガラスの化学
耐久性を向上させる効果があり、その含有量の合量は0
〜20%、好ましくは1〜15%、より好ましくは3〜
15%である。1%以上入れることがガラスの均質性向
上の点で望ましく、20%以下であると失透や分相が殆
どない均質性の高いガラスを得ることができる。
O、K2O、Rb2O、Cs2Oはガラスの溶融を容易に
し、710℃以下の封入温度の達成と、ジュメットシー
ルに必要な熱膨張係数を得るのに必須の成分である。こ
れらのアルカリ金属酸化物は2種以上混合して使用する
ことが重要である。つまりアルカリ金属酸化物の含有量
が多いほど封入温度が下がるが、逆に耐候性や電気絶縁
性が悪化する傾向にある。そこでアルカリ金属酸化物の
混合効果を利用するために、2種以上を混合して使用
し、耐候性や電気絶縁性の悪化を防止する。
れLi2O 0〜15%(好ましくは0.5〜10%、
より好ましくは0.5〜6%)、Na2O 0〜15
(好ましくは0〜8%、より好ましくは0〜6%)、K
2O 0〜20%(好ましくは0〜15%、より好まし
くは1〜15%)、Rb2O 0〜20%(好ましくは
0〜15%)、Cs2O 0〜30%(好ましくは0〜
25%)であることが好ましい。各成分の含有量がその
範囲内にあれば、混合アルカリ効果により耐候性や電気
絶縁性が悪化することがない。なお、Li2Oは、封入
温度を低下させる効果が最も高いため、必須成分として
含有させることが望ましい。
〜35%、好ましくは7〜25%、さらに好ましくは8
〜25%である。これら成分の合量が35%以下であれ
ば熱膨張係数が高くなりすぎず、ジュメットシールが可
能である。また化学的耐久性の低下が殆どない。一方、
5%以上であれば低温封着が達成でき、また熱膨張係数
が小さくなり過ぎない。
上させるのに有効な成分で、半導体封入後のリード線メ
ッキ工程や洗浄工程でガラスの劣化を防止できる。その
含有量は各々0〜10%、好ましくは0〜5%、より好
ましくは0〜3%である。TiO2やZrO2が10%以
下であればブツや脈理のない均質なガラスを得ることが
できる。
耐候性、溶融性、清澄性等を改善する目的で、P2O5、
Fe2O3、SO3、Sb2O3、F、Cl等の成分を酸化
物換算で各々8%以下添加することが可能である。
るほどガラスの安定性の面から好ましく、1%以上含有
される成分が7種類以上、特に8種類以上、さらには1
0種類以上であることが望ましい。7種類以上の成分か
ら構成されていればガラスが安定し、ブツのない均質な
ガラスが得やすくなる。
ラスは、106dPa・sの粘度に相当する温度が71
0℃以下、150℃における体積抵抗がlogρ(Ω・
cm)で11以上、30〜380℃における熱膨張係数
が85〜105×10-7/℃の特性を有することができ
る。
半導体封入用外套管の製造方法を説明する。
スを形成する成分を含有する鉱物や精製結晶粉末を計測
混合し、炉に投入する原料を調合する調合混合工程と、
原料を溶融ガラス化する溶融工程と、溶融したガラスを
管の形に成形する成形工程と、管を所定の寸法に切断す
る加工工程からなっている。
酸化物や炭酸塩など複数の成分からなる鉱物や不純物か
らなっており、分析値を考慮して調合すればよく、原料
は限定されない。これらを重量で計測し、Vミキサーや
ロッキングミキサー、攪拌羽根のついたミキサーなど規
模に応じた適当な混合機で混合し、投入原料を得る。
化する。溶融炉はガラス原料を溶融しガラス化するため
の溶融槽と、ガラス中の泡を上昇除去するための清澄槽
と、清澄されたガラスを成形に適当な粘度まで下げ、成
形装置に導くための通路(フィーダー)よりなる。溶融
炉は、耐火物や内部を白金で覆った炉が使用され、バー
ナーによる加熱やガラスへの電気通電によって加熱され
る。投入された原料は通常1300℃〜1600℃の溶
解槽でガラス化され、さらに1400℃〜1600℃の
清澄槽に入る。ここでガラス中の泡を浮上させて泡を除
去する。清澄糟から出たガラスは、フィーダーを通って
成形装置に移動するうちに温度が下がり、ガラスの成形
に適した粘度104〜106dPa・Sになる。
る。成形法としてはダンナー法、ベロ法、ダウンドロー
法、アップドロー法が適用可能である。
ことにより、半導体封入用外套管を得ることができる。
ガラス管の切断加工は、管1本ずつをダイヤモンドカッ
ターで切断することも可能であるが、大量生産に適した
方法として、多数の管ガラスを1本に結束してからダイ
ヤモンドホイールカッターで切断する方法のように、一
度に多数の管ガラスを切断する方法が一般的に用いられ
ている。
た半導体素子の封入方法を述べる。
料が半導体素子を両側から挟み込んだ状態となるように
冶具を用いてセットする。その後、全体を710℃以下
の温度に加熱し、外套管を軟化変形させて気密封入す
る。このような方法でシリコンダイオード、発光ダイオ
ード、サーミスタなどの小型の電子部品を作製すること
ができる。
ス管として使用する以外にも、例えば、粉末状にしてペ
ースト化し、半導体素子に巻き付けて焼成することで半
導体素子を封入することもできる。
No.1〜12)及び比較例(試料No.13)を示し
ている。なおNo.13の試料は鉛を含む従来の半導体
封入用ガラスである。
化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウ
ム、炭酸バリウム、酸化亜鉛、炭酸リチウム、炭酸ナト
リウム、炭酸カリウム、炭酸ルビジウム、炭酸セシウ
ム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄、リン酸ア
ンモニウム、三酸化アンチモンを所定の割合になるよう
に、得率や不純物量を考慮して決定された原料調合表に
基づいて500kgの原料を調合し、V型ミキサーでよ
く混合した。
融炉で溶融し、ダウンドロー法で管状に成形した。ガラ
ス溶融炉の溶融糟は1450℃であり、溶融槽からでた
ガラスは清澄槽を通り、フィーダーに入る。フィーダー
内のガラスは成形装置であるフィーダー底面の開口リン
グ(Orifice ring)と同心上に配置されたベル軸(Bel
shaft)の隙間から炉外に流出し、ベル軸から吹き込
まれた空気圧を管内部に受けながら、下方に引きのばさ
れ管に成形される。必要な管寸法(内径と管肉厚)は、
ガラスの流下速度と空気圧と引っ張り速度で決定され
る。
し、適当な長さ(例えば1m)のガラス管を得た。
を一体的に固定し、松ヤニなどの樹脂が管の間に入り込
むように樹脂槽につけ、取り出して冷却することで、1
本の棒状体とした。これをダイヤモンドカッターで所定
の長さに切断し、一度の切断で1000本の管ガラスが
一体化したペレットを得た。その後、樹脂を除去して管
同士の結束を外し、洗浄、乾燥することで所定の長さの
外套管を得た。なおこのようにして得られる外套管は、
例えばダイオード用外套管の場合、内径0.6〜2.1
mm、肉厚0.2〜0.8mm、長さ1〜4mmであ
る。
粘度に相当する温度(封入温度)、熱膨張係数、及び体
積抵抗率(150℃、250℃、350℃)を測定し
た。結果を各表に示す。
あるNo.1〜12の各試料は、封入温度が710℃以
下、熱膨張係数が88.0〜101.6×10-7/℃で
あり、従来の鉛系半導体封入用ガラスと同等の特性を有
していた。
示す組成となるようにガラス原料を調合し、白金坩堝を
用いて1400℃で5時間溶融した後、融液を所定の形
状に成形、加工してから各評価に供した。
(封入温度)は次のようにして求めた。先ず、ASTM
C338に準拠するファイバ法でガラスの軟化点を測
定し、白金球引き上げ法によって作業点領域の粘度に対
する温度を求めた。次いで、これらの温度と粘度の値を
Fulcherの式にあてはめて、粘度が106dPa
・sになる温度を算出して、封入温度とした。
さ約50mmの円柱に加工した後に、自記示差熱膨張計
で、30〜380℃の温度範囲における平均線膨張係数
を測定したものである。
拠する方法で測定した。なお半導体封入用ガラスは絶縁
性が高いことが望ましい。
スは、PbOを全く含まないにも拘わらず、710℃以
下の温度で半導体素子を封入可能であるため、半導体封
入用外套管材質として好適である。
ば、シリコンダイオード、発光ダイオード、サーミスタ
などの小型の電子部品の無鉛化が可能となる。
Claims (10)
- 【請求項1】 SiO2−B2O3−RO(Rはアルカリ
土類金属元素)−R’2O(R’はアルカリ金属元素)
系の組成を有する無鉛ガラスからなり、R’2Oとして
2種以上を、ROとしてSrO及びBaOから選ばれる
1種以上を各々含有することを特徴とする半導体封入用
ガラス。 - 【請求項2】 (MgO+CaO+SrO+BaO)/
(Li2O+Na2O+K2O)が、モル比で0.2〜
4.0の範囲にあることを特徴とする請求項1の半導体
封入用ガラス。 - 【請求項3】 (SrO+BaO)/SiO2が、質量
比で0.1〜1.5の範囲にあることを特徴とする請求
項1の半導体封入用ガラス。 - 【請求項4】 (SrO+BaO)/B2O3が、質量比
で0.5〜10.0の範囲にあることを特徴とする請求
項1の半導体封入用ガラス。 - 【請求項5】 質量百分率で、SiO2 35〜60
%、Al2O3 0〜15%、B2O3 1〜25%、Mg
O 0〜10%、CaO 0〜15%、SrO0〜30
%、BaO 0〜30%、SrO+BaO 5〜45
%、ZnO 0〜20%、Li2O 0〜15%、Na2
O 0〜15%、K2O 0〜20%、Rb2O 0〜2
0%、Cs2O 0〜30%、Li2O+Na2O+K2O
+Rb2O+Cs2O 5〜35%、TiO2 0〜10
%、ZrO2 0〜10%の組成を有することを特徴と
する請求項1の半導体封入用ガラス。 - 【請求項6】 SiO2−B2O3−RO(Rはアルカリ
土類金属元素)−R’2O(R’はアルカリ金属元素)
系の組成を有し、R’2Oとして2種以上を、ROとし
てSrO及びBaOから選ばれる1種以上を各々含有す
る無鉛ガラスからなることを特徴とする半導体封入用外
套管。 - 【請求項7】 (MgO+CaO+SrO+BaO)/
(Li2O+Na2O+K2O)が、モル比で0.2〜
4.0の範囲にあるガラスからなることを特徴とする請
求項6の半導体封入用外套管。 - 【請求項8】 (SrO+BaO)/SiO2が質量比
で0.1〜1.5の範囲にあるガラスからなることを特
徴とする請求項6の半導体封入用外套管。 - 【請求項9】 (SrO+BaO)/B2O3が質量比で
0.5〜10.0の範囲にあるガラスからなることを特
徴とする請求項6の半導体封入用外套管。 - 【請求項10】 質量百分率で、SiO2 35〜60
%、Al2O3 0〜15%、B2O3 1〜25%、Mg
O 0〜10%、CaO 0〜15%、SrO 0〜3
0%、BaO 0〜30%、SrO+BaO 5〜45
%、ZnO0〜20%、Li2O 0〜15%、Na2O
0〜15%、K2O 0〜20%、Rb2O 0〜20
%、Cs2O 0〜30%、Li2O+Na2O+K2O+
Rb2O+Cs2O 5〜35%、TiO2 0〜10
%、ZrO2 0〜10%の組成を有するガラスからな
ることを特徴とする請求項6の半導体封入用外套管。
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JP2001197340A JP5088914B2 (ja) | 2001-06-28 | 2001-06-28 | 半導体封入用ガラス及び半導体封入用外套管 |
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