JP2005223295A

JP2005223295A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005223295A
Application number: JP2004032630A
Authority: JP
Inventors: Akira Ochiai; 公落合; Makoto Tsubonoya; 誠坪野谷; Takanori Kato; 隆規加藤; Kazumi Horinaka; 和己堀中
Original assignee: Kanto Sanyo Semiconductors Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Kanto Sanyo Semiconductors Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: JP4484536B2

Abstract

【課題】内部空間の高真空を維持したい高真空パッケージにおいて、キャップ材の溶接で発生するアウトガスにより、真空度が劣化する問題があった。また、ストロー状の通気口で溶接後に吸引する方法もあるが、１週間もの時間を要するため、量産には不適切であった。
【解決手段】キャップ材に予め通気孔を設けるか、溶接箇所を一部残して通気孔とし、キャップ材を溶接する。溶接後真空チャンバー内に１日から２日放置してアウトガスを外部へ吸引し、その後通気孔のみを溶接封止する。これにより、金属キャップを溶接封止しても、内部空間は高真空状態を維持でき、高真空パッケージの量産化が実現する。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶接により金属パッケージに内蔵される半導体装置の製造方法に係り、パッケージ内部空間が高真空である半導体装置の製造方法に関する。

図５を参照して、従来型の半導体装置装置１００に関して説明する。図５は、半導体装置の断面図である。

図５（Ａ）のごとく、従来型の半導体装置１００では、支持基板５１は金属から成り、その表面には半導体素子５２が載置される。

半導体素子５２は、所望の電気回路がその表面に形成され、支持基板５１の中央部付近に配置されている。そして、金属細線５６を介して、半導体素子５２と外部端子５７とは電気的に接続されている。

キャップ材５３は金属から成り、半導体素子５２、金属細線５６を覆うように、支持基板５１の表面に設けられる。

例えばこのような、パッケージの内部空間を真空にする場合、キャップ材５３を真空チャンバー内で封止する方法が採用される。

そこで、図の如くストロー状の排気用パイプ５８を設けることで、内部空間の真空引きを行っている（例えば特許文献１参照。）。
特開平９−１２６８８２号公報

上記のごとく、内部空間を真空にするパッケージの場合、溶接時のアウトガスは、真空度を劣化させてしまう。特に高真空のパッケージでは、パッケージ内にゲッターと呼ばれる、パッケージ内部のガスを吸着する吸着材を配置する場合があるが、炭化水素など有機物からのアウトガスは、吸着材で吸着することができない。

また、金属パッケージの支持基板およびキャップ材は金属であるので、一般的には、溶接箇所を溶接することにより封止される。この溶接は、抵抗溶接（プロジェクション溶接、シーム溶接）や、レーザ溶接、電子ビーム溶接などが一般的である。これらの溶接時の温度は、例えば１５００℃程度にもなり、金属溶融により発生する水素、窒素、炭酸ガスに加えて、パッケージ内部で使用される有機物からアウトガスが発生する。

特に、その溶接面積は、キャップ材の全周にわたる広い面積となるので、アウトガスの発生は大きな問題である。

さらにアウトガスが発生すると、キャップ材、支持基板の金属もこのアウトガスを吸収してしまう。このため時間の経過により金属から内部空間にアウトガスが再び放出され、これによっても真空度が劣化してしまう。

そこで、従来技術においては、ストロー状の排気用パイプ５８により全てのアウトガスを放出した後に出荷している。すなわち、キャップ材５３を溶接した後、パッケージを高真空下に放置し排気用パイプ５８から真空引きを行い、排気用パイプ５８を塞ぐ方法を採用している。

ここで、排気用パイプ５８を塞ぐ方法はキャップ材５３のカシメと同時に行う抵抗溶接であるため、これを真空チャンバー内で行うのは困難であり、排気用パイプ５８を塞ぐ際にも真空度を劣化させる。

つまり、製造工程において、アウトガスや、抵抗溶接時の真空度の劣化を予め見込んで最終真空度を確保しており、具体的には１０^−９Ｔｏｒｒ以上の真空引きを行う必要がある。

しかし、パッケージを高真空化に放置して、１０^−９Ｔｏｒｒ以上の真空引きを行うには、１週間程度もの時間を必要とするため、コストパフォーマンスが悪く量産には不向きである問題があった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされ、、第１に金属支持基板に固着した半導体素子を金属キャップ材で覆い、前記金属キャップ材全周にわたる溶接箇所を溶接する半導体装置の製造方法であって、前記金属キャップの一部に前記溶接箇所に対して微小な通気孔を設け前記溶接箇所を溶接する第１工程と、大気圧より低い圧力下で前記通気孔から溶接時に発生するガスを外部に導出する第２工程と、前記通気孔を溶接し、前記支持基板と前記金属キャップで封止された内部空間を大気圧より低い圧力とする第３工程とを具備することにより解決するものである。

また、前記通気孔は、前記金属キャップの板厚の３分の２以下の大きさに設けられることを特徴とするものである。

第３に、金属支持基板に固着した半導体素子を金属キャップ材で覆い、前記金属キャップ材全周にわたる溶接箇所を溶接する半導体装置の製造方法であって、前記溶接箇所の一部に該溶接箇所に対して微小な通気孔を設け前記溶接箇所を溶接する第１工程と、大気圧より低い圧力下で前記通気孔から溶接時に発生するガスを外部に導出する第２工程と、前記通気孔を溶接し、前記支持基板と前記金属キャップで封止された内部空間を大気圧より低い圧力とする第３工程とを具備することにより解決するものである。

また、前記通気孔は、電子ビームまたはレーザにより溶接することを特徴とするものである。

また、前記電子ビームまたはレーザの焦点半径が、前記通気孔の１．５倍から２倍となるように前記電子ビームまたはレーザを照射することを特徴とするものである。

また、前記電子ビームまたはレーザは、前記通気孔周囲の金属が溶融するパワー密度で照射されることを特徴とするものである。

また、前記第１工程から第３工程は、大気圧より低い圧力下で連続して行うことを特徴とするものである。

本発明では、以下に示すような効果を奏することができる。

溶接封止時に、発生するパッケージ内部のアウトガスを除去できる。従来では、溶接時のアウトガスにより、内部空間は１０^−１Ｔｏｒｒ〜１０^−２Ｔｏｒｒ（大気圧と同程度）程度の真空度になっていたが、本実施形態では１０^−３Ｔｏｒｒ以上を維持できる。

また、ストロー状の通気孔で、溶接後にアウトガスを吸引する方法では、真空チャンバー内に１週間程度も放置する必要があったが、本実施形態では１日〜２日で吸引できるので、高真空パッケージの量産化が可能となる。

さらに、万一製造工程中に真空度が劣化した製品についても、再度真空引きとその封止が可能となる。

図１を参照して、本発明の半導体装置１０の具体的な構造を説明する。図１（Ａ）は半導体装置１０の平面図であり、図１（Ｂ）（Ｃ）は図１（Ａ）の斜視図である。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、本発明の半導体装置１０は、半導体素子と、ケース材と、吸着材と、キャップ材と、外部端子とから構成される。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、支持基板１１は金属から成り、その表面には半導体素子１６が載置される。そして、半導体素子１６が載置される領域の周辺部には、外部端子１８と連続するパッド１３が複数個形成されている。ここでは、支持基板１１は、円形の形状であるが、矩形等の他の形状を有していても良い。

半導体素子１６は、所望の電気回路がその表面に形成され、支持基板１１の中央部付近に配置されている。そして、金属細線１５を介して、半導体素子１６とパッド１３とは電気的に接続されている。半導体素子１６は、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂等の絶縁性で低アウトガスのダイアタッチ剤により固着される。また、半導体素子１６は、固定部としての枠材により、支持基板１１に機械的に固着されていてもよい。

ケース材１２は、例えばコバールなどの金属からなり、半導体素子１６、金属細線１５、パッド１３の周囲を覆うように支持基板１１表面に設けられる。また、ケース材１２は、側面および上面で半導体素子を覆うする本体１２ａと、本体１２ａの上面に設けられ上面と一体化した側壁１２ｃを有する開口部１２ｂとからなり、本体１２ａは円盤状の支持基板１１の周辺部と結合している。更に、ケース材１２の材料は金属以外の材料も採用可能であり、ガラス、セラミック、または、樹脂材等を採用することも可能である。開口部１２ｂは、支持基板１１に固着された半導体素子１６の上方に位置する。なお、図ではケース材１２の外側に支持基板１１が露出しているが、この部分を覆うようにケース材１２に鍔が設けられていてもよい。

吸着材２７は、ケース材１２に重畳してケース材開口部１２ｂの外周に配置される。吸着材２７は内周（内径）に突出部２７ａを有し、その突出部２７ａを開口部側壁１２ｃに当接して固定される。すなわち吸着材２７は、突出部２７ａが自身の内周と開口部側壁１２ｃのクリアランスに傾斜して当接することにより、ケース材１２に固定される。

吸着材２７は、半導体素子１６が密閉される空間の不純物、例えば、水素、酸素、二酸化炭素、窒素等を吸蔵する特性を有する金属（例えばジルコニウム,バナジウム,チタンなど）の焼結合金を成形したものであり、本明細書では以下ゲッターと称する。

ゲッター２７は、例えば、ジルコニウム、チタン、鉄、バナジウムの焼結合金（ゲッター材）を、０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の厚みでリング状に成形し、鉄、銅、アルミニウム、ニクロム鉄等の固定板の上下に固着したものである。また、固定板を用いずゲッター材そのものを、リング状に成形したものでもよいし、ゲッター材により固定板を挟む構造ではなくゲッターと固定板とを溶接等により固着した２層構造や、これらを組み合わせた多層の構造であってもよい。

ゲッター２７は載置工程において、加重しながらケース材開口部１２ｂに差し込まれ、突出部２７ａが曲折する。そしてこれがストッパーとなることで実質的にクリアランスがなくなり、これによりゲッター２７はケース材１２に固定される。

このように、有機溶剤を用いずに固着できるので、高真空状態を妨げるアウトガスが発生することなくゲッター２７を固定できる。さらには溶接が不可能な真空チャンバー内での固定が可能となる。

外部端子１８は、支持基板１１に固着された導電体から成り、支持基板１９を貫通してパッド１３から連続的に外部に延在し、外部との電気的入出力を行う働きを有する。従って、外部端子１８は、パッド１３および金属細線１５を介して、半導体素子１６と電気的に接続されている。また、外部端子１８と支持基板１１との間隙は、内部空間への外気の侵入防止のために、充填材１９により充填されている。更にまた、支持基板１１が金属から成る場合は、充填材１９として絶縁性を有する材料を採用することにより、支持基板１１と外部端子１８との電気的短絡を防止することができる。より好適には、充填材１９として低融点ガラスを採用することにより、内部空間の高真空による充填材１９の気化を抑止することができる。また、低融点ガラスは溶融点が低いことから、作業性に優れている。

キャップ材１４は、例えば板厚０．２ｍｍのコバールでありケース材１２および吸着材２７を覆い、支持基板１１に溶接などにより固着され、半導体素子１６を密閉する。キャップ材１４の、半導体素子１６の上方に対応する箇所は、所定の波長の光を透過するガラス材２０などから成り、ガラス材２０には例えばＤＬＣ（ダイアモンド・ライク・カーボン）などの反射防止膜がコーティングされている。

支持基板１１およびキャップ材１４により密閉される空間は、大気圧よりも圧力が低い。具体的には、この内部空間の気圧は１×１０^−３Ｔｏｒｒ程度の極めて低い気圧（高真空）となっている。

図１から図４を参照して、上述した半導体装置１０の製造方法を説明する。本発明の半導体装置１０の製造方法は、金属支持基板に固着した半導体素子を金属キャップで覆い、金属ケース全周にわたる溶接箇所を溶接する半導体装置の製造方法であって、金属キャップの一部に溶接箇所に対して微小な通気孔を設け溶接箇所を溶接する第１工程と、大気圧より低い圧力下で通気孔から溶接時に発生するガスを外部に導出する第２工程と、通気孔を溶接し、支持基板と金属キャップで封止された内部空間を大気圧より低い圧力とする第３工程とから構成される。

第１工程（図１（Ａ）、（Ｂ）参照）
まず、半導体素子１６を支持基板１１に固着する。支持基板１１に、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂等の低アウトガスダイアタッチ剤により半導体素子１６を固着する。また、図示は省略するが、支持基板１１にスポット溶接や半田付け等で枠材を固着し、枠材により機械的に半導体素子１６を固定するものであってもよい。

半導体素子１６搭載領域の外側の支持基板１１には、導電材から成るパッド１３が複数個形成されている。そして、各パッド１３は、装置の外部に延在する外部端子１８と金属細線１５などにより電気的に接続される。その後、大気中または不活性ガス雰囲気中でケース材１２と支持基板１１との接続を行う。

次に、真空チャンバー内などの高真空下で、ゲッター２７を載置する。ゲッター２７は、ケース材の本体１２ａ上部および開口部側壁１２ｃとほぼ合致するリング状の形状である。

ゲッター２７は、初期状態でその表面を活性化するため、高真空下でヒーター等により予め５００℃〜８００℃程度で加熱される。酸素が含まれる大気中でこのようなゲッターの活性化（加熱）を行うと、ゲッターが燃焼してしまうため、１０^−４Ｔｏｒｒ以下の真空で実施する必要がある。

ゲッター２７の加熱温度はゲッター２７を構成する合金の材料により異なるが、これにより、組み立て前に表面に付着した大気中の酸素などをゲッター内部に取り込むことができる。ゲッター２７は、ケース材１２の上部に搬送され、位置あわせを行い開口部１２ｂ外周に載置される。

そして、図２のごとく、高真空状態を保持したまま、すなわち同一真空チャンバー内でキャップ材１４を固着する。ここで、図２（Ａ）はキャップ材１４の外観図、図２（Ｂ）、（Ｃ）はキャップ材１４を固着した半導体装置１０の外観図である。

図２（Ａ）のごとく、キャップ材１４には予め、レーザ等により直径０．１ｍｍの程度の通気孔２２を開けておく。なお、この場合の通気孔２２は、後の工程で電子ビームで通気孔２２周囲を溶融して塞ぐので、キャップ材１４の材質および板厚により適宜選択する。具体的には、キャップ材の板厚の２分の１程度の大きさ（直径）であればよい。本実施形態では、キャップ材１４は例えば板厚０．２ｍｍのコバールであり、通気孔２２の直径は０．１ｍｍ程度とする。

そして図２（Ｂ）のごとく、同一真空チャンバー内で、通気孔２２を設けたキャップ材１４を支持基板１１上に配置する。これにより、半導体素子１６、ゲッター２７、ケース材１２は、キャップ材１４により覆われる。

そして、キャップ材１４の全周にわたって支持基板１１との溶接箇所ｗを溶接する。この溶接は抵抗溶接（プロジェクション溶接、シーム溶接等）、レーザ溶接、電子ビーム溶接等である。

また、図２（Ｃ）のごとく、キャップ材１４に通気孔２２を設けるのではなく、キャップ材１４と支持基板１１との溶接箇所ｗの一部分を溶接せずに残して通気孔２２としてもよい。すなわち、キャップ材１４と支持基板１１との溶接箇所ｗを例えば０．１ｍｍ程度を残してそれを通気孔２２とし、それ以外を溶接する。

第２工程（図３参照）：その後、大気圧より低い圧力下に、溶接後のパッケージを放置する。すなわち、引き続き同一真空チャンバー内に、１日から２日程度放置する。

これにより、溶接によりパッケージ内部空間に発生したアウトガスが、通気孔から外部に導出される。前述の如く真空チャンバー内の圧力は１０^−５Ｔｏｒｒｏであり、この中に１日〜２日放置することで、内部空間の圧力は、１０^−３Ｔｏｒｒ程度にすることができる。

第３工程（図４参照）：その後、１０^−４Ｔｏｒｒ以上の高真空中で、すなわち同一真空チャンバー内で、通気孔２２に所定のエネルギ密度の電子ビーム(又はレーザ)Ｌを照射して、通気孔２２を溶接する。通気孔は直径０．１ｍｍ程度であるので、瞬時に溶接できアウトガスの発生はほとんどないといってよい。

ここで、電子ビーム照射点におけるビームのエネルギ密度は、電子ビームＬが電磁コイルで集束される集束点の半径に応じて出力を選択することで所望の値を得られるので、通気孔２２の大きさにより、キャップ材２２（および支持基板１１）の金属（コバール）表面の溶融に適切な出力で照射する。例えばビームが弱すぎると金属表面を溶融することができず、逆にビームが強すぎると照射点で金属が蒸発してしまう。従って、本実施形態の場合、ビームのエネルギはコバールの融点１４５０℃前後に達する程度で、電子ビーム出力０．３〜０．５ｍＡが良い。

また、電子ビームＬの径は、通気孔２２の径の１．５倍〜２倍程度とする。広い範囲で照射すると、周囲から溶けた金属が供給されるので、効率的に通気孔２２を埋めることができる。

更に、電子ビームＬの照射は余分なアウトガスの発生を抑制するため、短時間で終了させる必要がある。本実施形態では照射時間０．０２ｓｅｃとした。０．０２ｓｅｃ未満または０．０２ｓｅｃ以上でも溶接は可能であるが、通気孔２２が所定の強度を持って溶接される範囲で短時間とするとよい。溶接箇所ｗの一部に通気孔２２を設けた場合も同様に封止できる。

これにより、支持基板と金属キャップは完全に封止され、内部空間の高真空が維持できる。

ここで比較のために本実施形態と同様の製造方法で、通気孔２２を設けずにキャップ材１４と支持基板１１とを溶接し完成後に素子感度を測定した。その結果、測定値が初期値（真空チャンバー内の真空度）の５０〜６０％程度まで低下しており、これを予め測定した真空度と素子感度の相関データに照し合せると内部空間の真空度は１０^−１Ｔｏｒｒ〜１０^−２Ｔｏｒｒ（大気圧と同程度）程度であることがわかった。

一方、本実施形態によれば、素子感度は、初期値の１００％を確保しており、すなわち、１０^−３Ｔｏｒｒ以上の真空度を維持することができる。

また、本実施形態によれば、完成後に真空度が劣化した製品について、再真空引きが可能となる。

すなわち、完成後の検査で真空度の劣化が判明した製品については、再び高真空下でレーザ照射等により通気孔２２を設け、その状態で、１日から２日放置し、通気孔２２を塞ぐことにより、１０^−３Ｔｏｒｒ以上の真空度にすることができる。

また、真空度の劣化した製品について、ゲッターの吸着効果が完全になくなっていると長期信頼性を保証出来ない。この場合、上述のヒータ加熱型のゲッター２７で外部熱源を用いて活性化をさせる方法に換えて、通電加熱型ゲッターを採用するとよい。すなわち、ゲッター２７のベース材であるニクロム鉄に電極を付けて通電する。これによればパッケージ外部からの加熱作業が可能となるので、真空度劣化品の再真空引き時にゲッターも再度活性化させることが出来る。

本発明の半導体装置を説明する斜視図（Ａ）、断面図（Ｂ）、斜視図（Ｃ）である。本発明の半導体装置の製造方法を説明する斜視図（Ａ）−（Ｃ）である。本発明の半導体装置の製造方法を説明する斜視図である。本発明の半導体装置の製造方法を説明する斜視図である。従来の半導体装置の製造方法を説明する概要図である。

符号の説明

１０半導体装置
１１支持基板
１２ケース材
１３パッド
１４キャップ材
１５金属細線
１６半導体素子
１７ゲッター
１８外部端子
１９充填剤
２２通気孔
２７ゲッター
５１支持基板
５２半導体素子
５３金属パッケージ
５４透過窓
５５排気用パイプ
ｗ溶接箇所
Ｌ電子ビーム（レーザ）

Claims

金属支持基板に固着した半導体素子を金属キャップ材で覆い、前記金属キャップ材全周にわたる溶接箇所を溶接する半導体装置の製造方法であって、
前記金属キャップ材の一部に前記溶接箇所に対して微小な通気孔を設け前記溶接箇所を溶接する第１工程と、
大気圧より低い圧力下で前記通気孔から溶接時に発生するガスを外部に導出する第２工程と、
前記通気孔を溶接し、前記支持基板と前記金属キャップで封止された内部空間を大気圧より低い圧力とする第３工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記通気孔は、前記金属キャップ材の板厚の３分の２以下の大きさに設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
金属支持基板に固着した半導体素子を金属キャップ材で覆い、前記金属キャップ材全周にわたる溶接箇所を溶接する半導体装置の製造方法であって、
前記溶接箇所の一部に該溶接箇所に対して微小な通気孔を設け前記溶接箇所を溶接する第１工程と、
大気圧より低い圧力下で前記通気孔から溶接時に発生するガスを外部に導出する第２工程と、
前記通気孔を溶接し、前記支持基板と前記金属キャップで封止された内部空間を大気圧より低い圧力とする第３工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記通気孔は、電子ビームまたはレーザにより溶接することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
前記電子ビームまたはレーザの焦点半径が、前記通気孔の１．５倍から２倍となるように前記電子ビームまたはレーザを照射することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記電子ビームまたはレーザは、前記通気孔周囲の金属が溶融するパワー密度で照射されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
前記第１工程から第３工程は、大気圧より低い圧力下で連続して行うことを特徴とする請求項１または請求項３に記載の半導体装置の製造方法。