JP2008204808A

JP2008204808A - 半導体装置用気密端子

Info

Publication number: JP2008204808A
Application number: JP2007039606A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakai; 博中井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-09-04

Abstract

【課題】気密端子の放熱特性を確保しつつ、気密特性についての信頼性の低下を回避し、更に、製造コストの増加を抑制した半導体装置用気密端子を提供する。
【解決手段】貫通孔が形成され、搭載される半導体装置の熱を外部へ放出するベースと、貫通孔に挿入され、半導体装置と外部装置とを電気的に接続するリードと、リードとベースとを電気的に絶縁して固定し、貫通孔からの空気の出入りを遮断するように、気密封着手法によって貫通孔に形成される封着ガラスとを備え、貫通孔の内壁には、ニッケルおよびボロンを含む合金皮膜処理が施されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、気密端子に関し、特に、放熱特性が必要とされる半導体素子が搭載される半導体装置用気密端子に関する。

半導体装置用気密端子には、搭載された半導体素子を保護するために、気密性が要求される。そして、近年、半導体素子の高出力化に伴い、半導体素子の動作時の発熱エネルギーは、益々増加傾向にある。このことによって、半導体素子を搭載する半導体装置用気密端子には、半導体素子で生じる熱を、半導体用パッケージを介して効率よく外部に放熱することが要求されている。

上記した要求を充足するものとして、特許文献１の半導体装置用気密端子（以下、従来の気密端子という）がある。図５は、従来の気密端子１０５の外観図である。図６は、従来の気密端子１０５のＹ−Ｙ’線に沿った断面図である。図５及び図６に示す通り、従来の気密端子１０５は、ベース１０１とガラス層１０３とリード１０４とで構成される。ベース１０１は、貫通孔１０２を有し、熱伝導性に優れた無酸素銅から成る。リード１０４は、貫通孔１０２に挿入され、ベース１０１に搭載される半導体素子と外部回路とを接続し、鉄ニッケル合金から成る。ガラス層１０３は、貫通孔１０２に形成され、リード１０４とベース１０１とを電気的に絶縁して固定し、貫通孔１０２からの空気の出入りを遮断する。

ここで、ベース１０１の熱膨張係数は１６６×１０^-7／℃であり、そして、ガラス層１０３の熱膨張係数を１３０×１０^-7／℃とし、リード１０４の熱膨張係数を９８×１０^-7／℃としている。この様に、リード１０４の熱膨張係数はガラス層１０３の熱膨張係数よりも低く設定され、ガラス層１０３の熱膨張係数はベース１０１の熱膨張係数よりも低く設定されている。つまり、ベース１０１、ガラス層１０３、リード１０４の順に、熱膨張係数を低くする設定とすることによって、ガラス層１０３を封着する際に、ベース１０１からガラス層１０３に対して圧縮応力を作用させて、リード１０４を固着させる構成（気密封着させる構成）である。このことによって、従来の気密素子は、熱伝導性に優れた無酸素銅から成るベース１０１によって半導体素子の熱を効率よく半導体用パッケージの外部に放出しつつ、貫通孔１０２からの空気の出入りを遮断している。

ここで、ベース１０１を形成する無酸素銅材は、ガラス層１０３の気密封着時の加熱（約９００℃）で軟化する。図７は、気密端子のベースに用いられる、無酸素銅材及び鉄材の気密封着処理（約９００℃の加熱処理）前後のビッカース硬さ（ＶｉｃｋｅｒｓＨａｒｄｎｅｓｓ）を説明するための図である。図７に示す通り、無酸素銅材のビッカース硬さは、加熱処理前には平均１１６ＨＶであるが、加熱処理後には平均３６ＨＶとなる。また、鉄材のビッカース硬さは、加熱処理前には平均１５３ＨＶであるが、加熱処理後には平均１０１ＨＶとなる。このように、無酸素銅材及び鉄材は、気密封着温度の約９００℃に加熱されることでビッカース硬さが低下し、特に無酸素銅材のビッカース硬さは大きく低下する。具体的には、加熱処理後の無酸素銅材のビッカース硬さは、加熱処理後の鉄材のビッカース硬さの３分の１程度である。すなわち、加熱処理によって無酸素銅材は、鉄材よりも大幅に軟化する。このことから、ベースに鉄材を用いた場合に比べて無酸素銅材を用いた場合には、ベース１０１、ガラス層１０３、リード１０４の順に熱膨張係数を低くする上記した設定としても、ベース１０１からガラス層１０３（封着ガラス）に対して働く圧縮応力は無酸素銅材の軟化現象によって緩和される。この結果として、気密端子の気密性が低下する。そこで、従来の気密端子では、気密封着前にベース１０１を形成する無酸素銅材に予備酸化処理を行うことで、ベース１０１とガラス層１０３との濡れ性や密着性を向上させて、気密端子の気密性を確保している。

また、従来の気密端子では、ガラス層１０３の熱膨張係数を高くして上記した値（１３０×１０^-7／℃）にするために、ガラス層１０３のアルカリ成分を増加させている。このことによって、ガラス層１０３の軟化温度が低くなり、気密端子の信頼性、特に、耐熱特性及び耐酸／アルカリ特性が劣化する。そこで、従来の気密端子では、高軟化温度及び高強度のセラミックガラス１０６（図６を参照）を最表層に積層させたガラス層１０３を用いることによって、気密端子の信頼性を確保している。
特開２００１−３２６００２号公報

しかしながら、上記した従来の気密端子では、ガラス層１０３の厚み方向に異種のガラス（セラミックガラス）を積層し、又は、ガラスの成分比率を傾斜させてセラミックガラスを表層に形成するために、ガラス層１０３の加工が煩雑となる。また、ベース１０１に対する予備酸化処理が必要となる。この結果として、従来の気密端子には、製造コストが増加するという問題がある。

また、従来の気密端子では、ガラス層１０３において、中央部のガラスの熱膨張係数と表層のセラミックガラスの熱膨張係数との差が大きい。このため、従来の気密端子には、中央部のガラスと表層のセラミックガラスとの界面、すなわちガラス層１０３の内部でクラックが発生するという問題がある。更に、従来の気密端子には、気密封着処理後の工程での加熱冷却によってガラス層１０３が膨張及び収縮することで、ガラス層１０３内部のクラックの進行が速められるという問題がある。この結果として、従来の気密端子には、気密特性についての信頼性の低下が問題となる。

それ故に、本発明の目的は、気密端子の放熱特性を確保しつつ、気密特性についての信頼性の低下を回避し、更に、製造コストの増加を抑制した半導体装置用気密端子を提供することを目的とする。

上記目的を達成させるために、本発明は、半導体装置をパッケージするために用いられる半導体装置用気密端子に向けられている。そして、本発明の半導体装置用気密端子は、貫通孔が形成され、搭載される半導体装置の熱を外部へ放出するベースと、貫通孔に挿入され、半導体装置と外部装置とを電気的に接続するリードと、リードとベースとを電気的に絶縁して固定し、貫通孔からの空気の出入りを遮断するように、気密封着手法によって貫通孔に形成される封着ガラスとを備え、貫通孔の内壁には、ニッケルおよびボロンを含む合金皮膜処理が施されている。

好ましくは、合金皮膜は、更にタングステンを含むとよい。

また、ベースは、半導体装置を搭載する、ベースに一体形成された素子搭載部を含んでもよい。

また、ベースは、無酸素銅又は銅合金で構成され、封着ガラスは、ソーダ系ガラスで構成され、リードは、鉄−ニッケル合金で構成されてもよい。

また、ベースは、無酸素銅又は銅合金を含むクラッド材で構成され、封着ガラスは、ソーダ系ガラスで構成され、リードは、鉄−ニッケル合金で構成されてもよい。

また、好ましくは、貫通孔の内壁のビッカース硬度は、測定荷重１００ｇで１００ＨＶ以上となるとよい。

また、銅合金は、銅−鉄系合金であってもよい。

本発明によれば、めっき処理（合金皮膜処理）によって熱伝導性の高い無酸素銅から成るベースの表面硬度を高くすることでガラス層（封着ガラス）に充分な圧縮応力を加えることができる。このことから、圧縮応力を増加させるためにガラス層のアルカリ成分を増やす必要が無いので、ガラス層の表面にセラミックガラスを形成する必要も無くなる。また、本発明によれば、ベースに対する予備酸化処理も不要となる。

この結果として、本発明によれば、高い放熱性と気密特性についての高い信頼性を有し、製造コストの増加を抑制した半導体装置用気密端子を実現できる。

（本発明の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置用気密端子５の斜視図である。図２は、半導体装置用気密端子５の上面図である。図３は、半導体装置用気密端子５のＡ−Ａ断面の構成を示す断面図である。図１〜図３に示す通り、半導体装置用気密端子５（以下、単に、気密端子５という）は、ベース１と封着ガラス３とリード４とで構成される。ベース１は、半導体素子（図示せず）を搭載する素子搭載部１ａと貫通孔２とを有する。ベース１は、熱伝導特性に優れた無酸素銅から成る。貫通孔２の内壁には、耐熱性に優れる硬質めっきであるＮｉ−Ｂ−Ｗ（ニッケル−ボロン−タングステン）めっき（合金皮膜）が施されている。また、貫通孔２には、リード４が挿入される。封着ガラス３は、貫通孔２とリード４との隙間に充填される。リード４は、ベース１の素子搭載部１ａに搭載されるレーザダイオード等の半導体素子と外部回路とを接続し、鉄−ニッケル合金から成る。また、封着ガラス３は、ベース１とリード４とを電気的に絶縁して固定し、貫通孔２からの空気の出入りを遮断する。封着ガラス３は、耐熱性及び耐薬品性に優れるソーダ系ガラスから成る。

ベース１（無酸素銅）の熱膨張係数は１６６×１０^-7／℃であり、封着ガラス３（ソーダ系ガラス）の熱膨張係数は、９５×１０^-7／℃であり、リード４（鉄−ニッケル合金）の熱膨張係数は、９５×１０^-7／℃である。つまり、封着ガラス３の熱膨張係数は、ベース１の熱膨張係数より小さく、リード４の熱膨張係数と同程度である。

図３は、Ｎｉ−Ｂ−Ｗめっき（合金皮膜処理）を施した無酸素銅材の加熱処理前後（気密封着処理前後）のビッカース硬さを示す図である。図４に示す通り、Ｎｉ−Ｂ−Ｗめっきのめっき厚が１５μｍのときには、Ｎｉ−Ｂ−Ｗめっきを施した無酸素銅材の加熱処理後（気密封着処理前後）のビッカース硬さ（試験荷重１００ｇで測定）は、１００〜１２０ＨＶとなる。ここで、図７を用いて既に説明した通り、鉄材の加熱処理後（気密封着処理前後）のビッカース硬さは、平均１０１ＨＶである。従って、Ｎｉ−Ｂ−Ｗめっき（１５μｍ）を施した無酸素銅材の加熱処理後（気密封着処理前後）のビッカース硬さは、鉄材の加熱処理後（気密封着処理前後）のビッカース硬さと同等である。

以上に説明した通り、本発明の気密端子５は、貫通孔２の内壁に耐熱性に優れる硬質めっきを施している。このことによって、気密封着処理後であっても、貫通孔２の内壁（膜厚１５μｍの硬質めっき処理を施した無酸素銅材）は、気密封着処理後の鉄材と同等の高度を有している。つまり、気密封着処理後であっても、貫通孔２の内壁は、軟化しない。加えて、既に説明した通り、封着ガラス３の熱膨張係数は、ベース１の熱膨張係数より小さく、リード４の熱膨張係数と同程度であるので、ベース１から封着ガラス３に対して圧縮応力が作用し、また、封着ガラス３を介してリード４に対して圧縮応力が作用する。

このため、本発明の気密端子５は、従来の気密端子１０５（図６を参照）とは異なり、気密特性を確保するために、貫通孔２と封着ガラス３との濡れ性及び密着性を向上させる予備酸化処理をベース１に施す必要がない。また、本発明の気密端子５は、従来の気密端子１０５とは異なり、気密性を確保するために、アルカリ成分を増やして封着ガラス３の熱膨張係数を引き上げる必要がない。このことによって、本発明の気密端子５は、封着ガラス３の表層にセラミックガラスを設ける必要がなく、このことから、封着ガラス３の内部のクラック発生を抑制できる。

以上のことから、本発明の気密端子５は、高い放熱特性を確保しつつ、従来の気密端子１０５よりも製造コストを抑制でき、気密特性についての信頼性を向上させることができる。

なお、以上では、気密端子５のベース１に半導体搭載部１ａを一体形成した構成について説明したが、半導体搭載部１ａを別個の部品として構成してもよい。
また、ベース１は、高い熱伝導特性を有するのであれば、一般的な銅、銅−鉄系合金等の銅合金、銅又は銅合金を含むクラッド材等から成ってもよい。
また、封着ガラス３は硼珪酸ガラスから成ってもよく、リード４は鉄−ニッケル−コバルト合金から成ってもよく、硬質めっきは、Ｎｉ−Ｂ（ニッケル−ボロン）めっきでもよい。
また、貫通孔２の内壁に施される硬質めっきの膜厚は、１５μｍには限られず、所望の気密特性を満たすことができる膜厚であればよい。
また、ベース１、封着ガラス３及びリード４の熱膨張係数の関係は、圧縮封着が可能な関係であればよく、例えば、ベース１、封着ガラス３、リード４の順に熱膨張係数が小さくなる関係でもよい。

本発明は、放熱特性が必要とされる半導体装置用気密端子等において、製造コストを抑制しつつ、気密特性についての高い信頼性を確保したい場合等に有用である。

本発明の一実施形態に係る半導体装置用気密端子５の斜視図半導体装置用気密端子５の上面図半導体装置用気密端子５のＡ−Ａ断面の構成を示す断面図Ｎｉ−Ｂ−Ｗめっきを施した無酸素銅材の加熱処理前後（気密封着処理前後）のビッカース硬さを示す図従来の気密端子１０５の外観図従来の気密端子１０５のＹ−Ｙ’線に沿った断面図気密端子のベースに用いられる、無酸素銅材及び鉄材の気密封着処理（約９００℃の加熱処理）前後のビッカース硬さを説明するための図

符号の説明

１、１０１ベース
１ａ半導体素子搭載部
２、１０２貫通孔
３封着ガラス
４、１０４リード
５、１０５気密端子
６めっき層
１０３ガラス層
１０６セラミックガラス

Claims

半導体装置をパッケージするために用いられる半導体装置用気密端子であって、
貫通孔が形成され、搭載される前記半導体装置の熱を外部へ放出するベースと、
前記貫通孔に挿入され、前記半導体装置と外部装置とを電気的に接続するリードと、
前記リードと前記ベースとを電気的に絶縁して固定し、前記貫通孔からの空気の出入りを遮断するように、気密封着手法によって前記貫通孔に形成される封着ガラスとを備え、
前記貫通孔の内壁には、ニッケルおよびボロンを含む合金皮膜処理が施されていることを特徴とする、半導体装置用気密端子。
前記合金皮膜は、更にタングステンを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置用気密端子。
前記ベースは、前記半導体装置を搭載する、前記ベースに一体形成された素子搭載部を含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置用気密端子。
前記ベースは、無酸素銅又は銅合金で構成され、
前記封着ガラスは、ソーダ系ガラスで構成され、
前記リードは、鉄−ニッケル合金で構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置用気密端子。
前記ベースは、無酸素銅又は銅合金を含むクラッド材で構成され、
前記封着ガラスは、ソーダ系ガラスで構成され、
前記リードは、鉄−ニッケル合金で構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置用気密端子。
前記貫通孔の内壁のビッカース硬度は、測定荷重１００ｇで１００ＨＶ以上となることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置用気密端子。
前記銅合金は、銅−鉄系合金であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の半導体装置用気密端子。