JP2005072241A - ハーメチックシール用キャップ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓｎ−Ａｇ系ろう材のＡｇ濃度を高めることによって、ろう材の耐熱温度を高め、その一方で気密不良の原因となる金属間化合物相の粗大化を抑制し、高価なＡｕや環境影響のあるＰｂを使用することなく、気密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】Ａｇ６．５〜３０質量％およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材５が片面に接合された金属板６である。さらに、Ｐ０．００５〜０．５質量％を含み、Ｓｂ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうち１種以上を０．０１〜１．０質量％含むことが好ましい。さらに、前記合金ろう材が、窓枠状であることが望ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージのハーメチックシールに好適なキャップに関する。

従来の技術について、図面を参照して説明する。図１は、半導体装置の組立てを示す斜視図である。図２は、図１の断面図である。

半導体装置のパッケージングの一種に、図１に斜視図を示したようなセラミックパッケージがある。図１において、セラミック基板（１）は、中央部に半導体素子接合用のメタライズ層を有する下層板（１ｃ）と、リードパターンが形成され、かつ、中央部に開口を有する中間板（１ｂ）と、リードパターンの内側先端が露出する様なさらに大きい開口を有する上層板（１ａ）との３層が、一体化された構造である。長辺側部には、前記リードパターンの外側先端と導通するように、複数の金属リード（２）が接合され、前記上層板（１ａ）の開口周囲には、キャップ取り付け用のメタライズ層（３）が形成される。メタライズ層（３）及びリードパターンは、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、Ａｕメッキが施される。

このようなセラミック基板（１）を用いるパッケージングは、図２に断面図を示すように、まず半導体素子（４）を下層板（１ｃ）の中央に接合し、該半導体素子（４）上の電極と、リードパターンの内側先端とを、細いコネクター線（図示略）で結合した後、メタライズ層（３）の上に、ろう材（５）付きのハーメチックシール用キャップ（６）を載せ、ろう材（５）の融点以上に加熱し、後冷却して、ハーメチックシール用キャップ（６）を取り付ける諸工程からなる。

ろう材（５）には、一般的に、Ａｕ−Ｓｎ合金ろう材、Ｐｂ−Ｓｎ合金ろう材などが用いられ、ハーメチックシール用キャップ（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る。

前記ろう材がＡｕ−Ｓｎ合金の場合は、主成分が高価なＡｕであり原料代が高い。また、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く、打ち抜き残りから有価金属を回収しても、非常に高価であるという問題があった。

また、Ｐｂ−Ｓｎ合金の場合は、環境汚染対策としてＰｂを使用することが困難になってきた。一方で、実装温度から半導体には２６０℃、１０秒の耐熱が要求され、Ｐｂ−Ｓｎ合金に代わる材料として、Ｓｎ系ろう材、なかでも比較的融点の高いＳｎ−Ａｇ系ろう材の採用が検討されている。

Ｓｎ−Ａｇ系ろう材は、Ａｇ濃度が３．５質量％のときに共晶点２２１℃であり、この合金組成では、前述した半導体の耐熱性を確保することはできない。しかし、Ａｇを３．５質量％よりも多く配合すると、ろう材が溶融を開始する温度、すなわち固相温度は２２１℃のままで、ろう材が溶融を完了する温度、すなわち液相温度がＡｇ濃度の増大に伴って上昇するため、２６０℃、１０秒の実装温度下においても、気密封止性を損なうことのないハーメチックシール用キャップを提供することができるようになる。しかし、３．５質量％を超えてＡｇ濃度を多く配合すると、配合量が多くなるに従って、ろう材中に存在するＡｇ₃Ｓｎなる構造をもつ金属間化合物相が粗大化し、この粗大化した金属間化合物相の影響によって、ろう材の濡れ広がり性が低下するために、ハーメチックシール工程における気密不良が発生しやすくなるという問題があった。Ｓｎ−Ａｇ系ろう材は、例えば特開２００３−９４１９４号公報に開示されている。
特開２００３−９４１９４号公報

本発明は、前記課題を解決するための手段として、Ｓｎ−Ａｇ系ろう材のＡｇ濃度を高めることによって、ろう材の耐熱温度を高め、その一方で気密不良の原因となる金属間化合物相の粗大化を抑制し、高価なＡｕや環境影響のあるＰｂを使用することなく、気密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を目的とする。

本発明の半導体パッケージに用いるハーメチックシール用キャップの一態様では、Ａｇ６．５〜３０質量％およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板である。

あるいは、Ａｇ６．５〜３０質量％、Ｔｅ０．０１〜５質量％およびＰ０．００５〜０．５質量％を含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板である。

あるいは、Ａｇ６．５〜３０質量％およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、Ｓｂ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうち１種以上を０．０１〜１．０質量％含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板である。

あるいは、Ａｇ６．５〜３０質量％、Ｔｅ０．０１〜５質量％およびＰ０．００５〜０．５質量％を含み、Ｓｂ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうち１種以上を０．０１〜１．０質量％含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板である。

さらに、前記合金ろう材が、窓枠状であることが望ましい。

本発明のハーメチックシール用キャップにより、高価なＡｕや、環境負荷の大きいＰｂを使用せずに、良好なハーメチックシールが可能となった。

これまで、Ａｇ濃度が３．５質量％を超えるＳｎ−Ａｇ系ろう材付きハーメチックシール用キャップは、ろう材中の金属間化合物相が粗大析出して、気密不良が発生しやすく，広く普及していなかった。

そこで、本発明者は、研究を重ねた結果、Ｓｎ−Ａｇ系ろう材にＴｅ添加を行うことによって、金属間化合物相を微細化できることを見いだし、気密不良を低減しうるＳｎ−Ａｇ系ろう材付きハーメチックシール用キャップを提供できるようになった。

Ａｇ濃度を、６．５〜３０質量％としたのは、６．５質量％未満では、液相温度が２６０℃より低くなり、半導体の耐熱性を保証できなくなるためであり、３０質量％を超えると、Ｔｅ添加による金属間化合物相の微細化効果が期待できなくなるためである。

Ｔｅ濃度を、０．０１〜５質量％としたのは、０．０１質量％未満では、金属間化合物相の微細化効果が出現せず、５質量％を超えると、ＡｇとＳｎから構成される金属間化合物相は微細化されるものの、ＳｎとＴｅから構成される金属間化合物相の粗大粒子が成長してしまい、今度はこの金属間化合物相の粗大粒子による接合不良が発現する可能性が高くなるためである。

Ｐは、ろう材に対して還元剤として作用するため、接合性の改善に寄与する。

Ｐ濃度を、０．００５〜０．５質量％としたのは、０．００５質量％未満では、Ｐの還元作用によるろう材の接合性改善効果が得られないためであり、０．５質量％を超えて添加しても、０．５質量％を添加して得られる以上に、もはや改善効果は期待できず、また、蒸気圧が高い元素であるために、大量生産する中で安定的に濃度をコントロールすることが難しくなるためである。

また、Ｓｂ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉは、微量添加により熱サイクル性が改善されるため、必要に応じて１種以上を０．０１〜１．０質量％添加してもよい。

ろう材と金属板とは、一形態ではフォイルの形で作製され、金属フォイルとろう材フォイルを圧延機により圧接したり、溶融したろう材を金属フォイルに塗布したり、ろう材をペースト化して印刷後にリフローして、接合される。前記金属フォイルは、熱膨張の関係から、セラミック基板に対しては４２アロイまたはコバールが用いられ、銅基板に対しては無酸素銅などが用いられる。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、ハーメチックシール用キャップが得られる。

他の形態で、窓枠状に加工されたろう材を用いた接合では、スポット溶接や熱圧着が知られており、４２アロイ、コバール、無酸素銅などに、Ｎｉ、Ａｕメッキを施した金属板が用いられる。窓枠状のろう材を用いた例を、図２に断面図で示した。図３の断面図は、全面にろう材を用いた例である。

半導体パッケージには、一般的に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。

なお、本発明のハーメチックシール用キャップを適用するセラミック基板は、図１に示したように、従来と全く同様である。セラミック基板（１）は、中央部に半導体素子接合用のメタライズ層を有する下層板（１ｃ）と、リードパターンが形成され、かつ、中央部に開口を有する中間板（１ｂ）と、リードパターンの内側先端が露出する様なさらに大きい開口を有する上層板（１ａ）との３層が、一体化された構造である。長辺側部には、前記リードパターンの外側先端と導通するように、複数の金属リード（２）が接合され、前記上層板（１ａ）の開口周囲には、キャップ取り付け用のメタライズ層（３）が形成される。メタライズ層（３）及びリードパターンは、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、ＮｉメッキおよびＡｕメッキが施される。ただし、Ａｕメッキは、Ｓｎと低温で溶解する相を生成するので極薄にするか、施さないほうがよい。

このようなセラミック基板（１）を用いるパッケージングは、図２に断面図を示すように、まず半導体素子（４）を下層板（１ｃ）の中央に接合し、該半導体素子（４）上の電極と、リードパターンの内側先端とを、細いコネクター線（図示略）で結合した後、メタライズ層（３）の上に、ろう材（５）付きのハーメチックシール用キャップ（６）を載せ、ろう材（５）の融点以上に加熱し、後冷却して、ハーメチックシール用キャップ（６）を取り付ける諸工程からなる。

（実施例１）
４２アロイとＳｎ／１５質量％Ａｇ／０．３質量％Ｔｅ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のハーメチックシール用キャップを５０個作成した。得られたろう材付きキャップを、最高温度３７０℃でセラミック基板のパッケージに封止した。

評価方法は、０．４５ＭＰａ、２時間のヘリウムリーク試験により行ったが、気密不良は発生しなかった。

（実施例２〜２５）
ろう材を表１に示した組成とした以外は、実施例１と同様にして、ハーメチックシール用キャップを作製したが、気密不良は発生しなかった。

（比較例１〜５）
ろう材を表２に示した組成とした以外は、実施例１と同様にして、ハーメチックシール用キャップを作製し、同様の評価を行ったところ、気密不良が発生した。

（実施例２６）
板厚０．２ｍｍの４２アロイフォイルを、一辺１０ｍｍ角の板状に、板厚０．０５ｍｍのＳｎ／１５質量％Ａｇ／０．３質量％Ｔｅのろう材を、一辺１０ｍｍ角の窓枠状に打ち抜き、４２アロイにＮｉメッキ２μｍ、Ａｕメッキ０．０１μｍを施し、２００℃で熱圧着して、ハーメチックシール用キャップを５０個作成した。得られたろう材付きハーメチックシール用キャップを、最高温度３７０℃でセラミック基板のパッケージに封止した。

評価方法は、０．４５ＭＰａ、２時間のヘリウムリーク試験により行ったが、気密不良は発生しなかった。

（実施例２７〜５０）
ろう材を表１に示した組成とした以外は、実施例２６と同様にして、ハーメチックシール用キャップを作製したが、気密不良は発生しなかった。

（比較例６〜１０）
ろう材を表２に示した組成とした以外は、実施例２６と同様にして、ハーメチックシール用キャップを作製し、同様の評価を行ったところ、気密不良が発生した。

半導体装置の組立を示す斜視図である。 半導体装置の一例の断面図である。 半導体装置の一例の断面図である。

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 メタライズ層
４ 半導体素子
５、５ａ ろう材
６ 金属板

Claims (5)

1. Ａｇ６．５〜３０質量％およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板であり、半導体パッケージに用いるハーメチックシール用キャップ。
2. Ａｇ６．５〜３０質量％、Ｔｅ０．０１〜５質量％およびＰ０．００５〜０．５質量％を含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板であり、半導体パッケージに用いるハーメチックシール用キャップ。
3. Ａｇ６．５〜３０質量％およびＴｅ０．０１〜５質量％を含み、Ｓｂ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうち１種以上を０．０１〜１．０質量％含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板であり、半導体パッケージに用いるハーメチックシール用キャップ。
4. Ａｇ６．５〜３０質量％、Ｔｅ０．０１〜５質量％およびＰ０．００５〜０．５質量％を含み、Ｓｂ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうち１種以上を０．０１〜１．０質量％含み、残部Ｓｎおよび不可避不純物からなる合金ろう材が片面に接合された金属板であり、半導体パッケージに用いるハーメチックシール用キャップ。
5. 前記合金ろう材が、窓枠状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のハーメチックシール用キャップ。

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