JP2004134557A

JP2004134557A - ハーメチックシール用キャップ

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Publication number: JP2004134557A
Application number: JP2002297231A
Authority: JP
Inventors: Nobumoto Mori; 森　伸幹
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP3832414B2

Abstract

【課題】高価な金や、環境影響のある鉛を使用せずに、気密封止不良の発生が低いハーメチックシール用キャップを提供する。
【解決手段】Ｓｂ５〜２０質量％、およびＴｅ０．０１〜５質量％を含む、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材５を、金属板６からなるシールカバーの片面に接合する。好ましくは、前記ろう材５が、窓枠状である。前記ろう材５には、Ｓｂ、Ｔｅの他に、Ｐを微量含んでいることが好ましい。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に使用する半導体パッケージに好適なハーメチックシール用キャップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パッケージの一種に、図１に示すようなセラミック基板がある。図１に斜視図を示したセラミック基板では、下層板１ｃ、中間板１ｂおよび上層板１ａが一体化された３層構造を有するパッケージ基板１が用いられる。下層板１ｃは、中央に半導体素子接合用のメタライズ層を有する。中間板１ｂは、中央に開口を有し、上層板１ａに面した表面にリードパターンが形成される。上層板１ａは、前記リードパターンの開口部側先端部と、下層板１ｃに接合した半導体素子４の上の電極とを、結合可能とする幅だけ、中間板１ｂの開口より大きい開口を有する。さらに、長辺側部で、中間板１ｂと上層板１ａとの間には、前記リードパターンの外側先端部と導通するように接合された金属リード２が設けられる。
【０００３】
前記上層板１ａの開口の周囲には、図２および図３に示したようにシールカバー６を接着するためのメタライズ層３が設けられる。メタライズ層３および前記リードパターンは、通常、Ｍｏ−Ｍｎ系の導電ペーストで形成され、これらとリード２には、ニッケルめっきおよび金めっきが施される。
【０００４】
このようなセラミック基板を用いて半導体装置を組み立てるパッケージング工程は、ハーメチックシール工程と呼ばれる。
【０００５】
ハーメチックシール工程では、まず、図２に示した断面図のように、パッケージ基板１の中央のくぼみに半導体素子接合用のメタライズ層を介して、半導体素子４を接合し、該半導体素子４の上の電極と、リードパターンの内側先端部とを、細いコネクター線で結合する。
【０００６】
次に、シールカバー６にろう材５を窓枠状に設けて、ハーメチックシール用キャップを作製する。
【０００７】
該ハーメチックシール用キャップを、ろう材５がメタライズ層３と接するように、パッケージ基板１の上に載せて、ろう材５の融点以上に加熱し、その後冷却することにより、シールカバー６をろう付けする。
【０００８】
従来、ろう材５には、一般的に金錫合金ろうや、鉛錫系はんだが用いられ、シールカバー６の材質としては、一般的に鉄ニッケル合金、コバール系合金、銅あるいは銅合金、セラミック等が用いられている。例えば、特開平１０−２４７６９６号公報には、鉛系ろう材（Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ）が用いられた半導体パッケージハーメチックシール用キャップが開示されている。
【０００９】
金錫合金ろうは、主成分が高価な金であるために原料代が高く、プレス機を用いた打ち抜きにより所定の寸法に成形加工するために収率が極めて低いので、打ち抜き残りから有価金属を回収する必要があり、加工代も高い。そのため、非常に高価なものとなっている。
【００１０】
鉛錫系はんだは、環境問題での鉛フリー化で錫系はんだに切り替えが進んでいるが、実装温度から、半導体には２６０℃１０秒の耐熱が要求されるために、錫系はんだでも、比較的融点が高い錫アンチモン系はんだの採用が検討されている（たとえば、特開２０００−１８４８８６号公報）。
【００１１】
しかし、錫アンチモン系はんだはβ’相が粗大化しやすく、シールカバーとパッケージとの間に隙間ができ、気密封止不良を生じやすかった。
【００１２】
錫アンチモン系以外の鉛フリーはんだとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系が特開２０００−３４９１８０号公報に開示されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−２４７６９６号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開２０００−１８４８８６号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開２０００−３４９１８０号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高価な金や、環境影響のある鉛を使用せずに、気密封止不良の発生が低いハーメチックシール用キャップを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体パッケージハーメチックシール用キャップは、Ｓｂ５〜２０質量％、およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材を、片面に接合した金属板のシールカバーからなることを特徴とする。
【００１８】
別の態様では、Ｓｂ５〜２０質量％、Ｔｅ０．０１〜５質量％、Ｐ０．００５〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材を、片面に接合した金属板のシールカバーからなることを特徴とする。
【００１９】
前記ろう材が、窓枠状であってもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージハーメチックシール用キャップは、錫アンチモン系ろう材にＴｅ添加を行い、β’相を微細化することにより、気密封止不良を低減させる。
【００２１】
Ｓｂ濃度が５質量％未満では、ろう材の液相温度が２４０℃より低くなり、２６０℃に耐えられない。２０質量％を超えると、ろう材の液相温度が３２０℃を超えて、一般的な封止作業温度である３４０℃でのろう付けが、不充分になる。
【００２２】
Ｔｅ濃度が０．０１質量％未満ではβ’相微細化効果が出現せず、５質量％を超えても、β’相微細化効果に変化がない。従って、コストを抑えるために、Ｔｅ濃度は０．０１〜５質量％が望ましい。
【００２３】
Ｐの添加により、はんだ組成物の酸化被膜の抑制等により、濡れ性を向上できる。Ｐ濃度が０．００５質量％未満であると、Ｐの還元効果が見られない。０．５質量％を超えると、低コストでの鋳造が不可能となる。
【００２４】
熱サイクル性の改善を図るため、必要に応じて、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉを０．０１〜５質量％添加してもよい。
【００２５】
以下に、本発明の半導体パッケージハーメチックシール用キャップを用いた半導体装置の製造方法を示す。
【００２６】
金属板からなるシールカバーへのろう材の接合は、金属フォイルとはんだフォイルを圧延機により冷間圧接するか、溶融したはんだを金属フォイルに塗布するか、はんだをペースト化して印刷後、リフローするかにより、行われる。このときの金属フォイルは、熱膨張の関係から、セラミック基板では４２アロイまたはコバールが用いられ、銅基板では無酸素銅などが用いられる。
【００２７】
得られたろう材付き金属フォイルを、金型により所定の寸法に打ち抜くことにより、本発明の半導体パッケージハーメチックシール用キャップが得られる。
【００２８】
この方法では、連続で接合されるためコストを抑えることができるが、金属フォイル全面にろう材が接合される状態となるため、封止に使用されなかった中心部のろう材がパッケージ内部に垂れ落ちる危険性が若干ある。
【００２９】
実際に封止に用いるろう材部分は窓枠上部分のみであるから、これを避けるために、窓枠状のろう材を用いることができる。この場合、ろう材形状や金属板形状が変形する冷間圧接などは使用できない。したがって、窓枠状のろう材を用いた接合では、拡散接合、スポット溶接や熱圧着により、個片の金属板とろう材を接合する。金属板には、４２アロイ、コバール、無酸素銅などが使用されるが、金属板表面がろう材と拡散接合しやすくしたり、ろう材を溶かしたときに濡れがよくなるように、Ｎｉ、Ａｕメッキを施される。これらの方法のいずれを採用するかは、任意である。
【００３０】
図２および図３は、本発明の半導体パッケージハーメチックシール用キャップを用いて組み立てた半導体装置の一実施例の断面図である。
【００３１】
パッケージ基板１は、一般的にはセラミック基板が用いられ、高周波用途では銅基板が用いられることもある。
【００３２】
セラミック基板では、パッケージ基板１が、下層板１ｃ、中間板１ｂおよび上層板１ａが一体化された３層構造を有する。下層板１ｃは、中央に半導体素子接合用のメタライズ層を有する。中間板１ｂは、中央に開口を有し、上層板１ａに面した表面にリードパターンが形成される。上層板１ａは、前記リードパターンの開口部側先端部と、下層板１ｃに接合した半導体素子４の上の電極とを、結合可能とする幅だけ、中間板１ｂの開口より大きい開口を有する。さらに、長辺側部で、中間板１ｂと上層板１ａとの間には、前記リードパターンの外側先端部と導通するように接合された金属リード２が設けられる。
【００３３】
前記上層板１ａの開口の周囲には、シールカバー６を接着するためのメタライズ層３が設けられる。メタライズ層３および前記リードパターンは、通常、Ｍｏ−Ｍｎ系の導電ペーストで形成され、これらとリード２には、ニッケルめっきおよび／または金めっきが施される。
【００３４】
次に、パッケージ基板１の中央くぼみに半導体素子４が接合され、該半導体素子４の上の電極と、リードパターンの内側先端部とを、細いコネクター線で結合する。
【００３５】
前述のようにして得られた本発明の半導体パッケージハーメチックシール用キャップを、メタライズ層３の上にろう材５を下に向けて載せて、ろう材の融点以上に加熱し、後冷却して融着させる。
【００３６】
【実施例】
（実施例１）
４２アロイフォイルと、Ｓｎ／５質量％Ｓｂ／０．１質量％Ｔｅのろう材フォイルとを、圧延機を用いて接合し、ろう材厚０．０５ｍｍ、４２アロイ厚０．２ｍｍ、外寸法１０ｍｍ×１０ｍｍのハーメチックシール用キャップを５０個作製した。得られたハーメチックシール用キャップを、最高温度３２０℃で半導体パッケージに封止した。得られた半導体パッケージを用いて、０．４５ＭＰａ、２時間のヘリウムリーク試験を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００３７】
（実施例２〜２６）
表１に示した組成のろう材を用いた以外は、実施例１と同様に半導体パッケージを得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００３８】
（比較例１〜４）
表１に示した組成のろう材を用いた以外は、実施例１と同様に半導体パッケージを得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、一部に気密封止が発生した。
【００３９】
（実施例２７）
板厚０．２ｍｍの４２アロイフォイルを一辺１０ｍｍ角に打ち抜き、Ｎｉめっき２μｍ、Ａｕめっき０．０１μｍを施した。板厚０．０５ｍｍのＳｎ／５質量％Ｓｂ／０．１質量％Ｔｅのろう材フォイルを一辺１０ｍｍ角、枠幅１ｍｍの窓枠状に打ち抜いた。めっき済みの４２アロイと、窓枠状のろう材を、２００℃で熱圧着して、ハーメチックシール用キャップを５０個作製した。得られたハーメチックシール用キャップを、最高温度３２０℃で半導体パッケージに封止した。
得られた半導体パッケージを用いて、０．４５ＭＰａ、２時間のヘリウムリーク試験を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４０】
（実施例２８〜５２）
表１に示した組成のろう材を用いた以外は、実施例２７と同様に半導体パッケージを得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４１】
（比較例５〜８）
表１に示した組成のろう材を用いた以外は、実施例２７と同様に半導体パッケージを得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、一部に気密封止が発生した。
【００４２】
【表１】

【００４３】
【発明の効果】
本発明のハーメチックシールカバーにより、低コストで、かつ、環境影響に配慮した形で、半導体パッケージの気密不良の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック基板を用いた半導体パッケージを示した斜視図である。
【図２】半導体装置の断面図である。
【図３】半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１　セラミック基板
１ａ　上層板
１ｂ　中間板
１ｃ　下層板
２　金属リード
３　シールカバー接着用メタライズ層
４　半導体素子
５　ろう材
６　シールカバー

Claims

Ｓｂ５〜２０質量％、およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材を、片面に接合した金属板のシールカバーからなる半導体パッケージハーメチックシール用キャップ。
Ｓｂ５〜２０質量％、Ｔｅ０．０１〜５質量％、Ｐ０．００５〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材を、片面に接合した金属板のシールカバーからなる半導体パッケージハーメチックシール用キャップ。
前記ろう材が窓枠状であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体パッケージハーメチックシール用キャップ。