JP2011153049A - 半導体被覆用ガラスおよびそれを用いてなる半導体被覆用材料 - Google Patents

Abstract

【課題】環境への負担が小さくかつ表面電荷密度が大きい半導体被覆用ガラスを提供する。
【解決手段】質量％で、ＺｎＯ ５０〜６５％、Ｂ_２Ｏ_３ １９〜２８％、ＳｉＯ_２ ７〜１５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ３〜１２％、Ｂｉ_２Ｏ_３ ０．１〜５％の組成を含有し、鉛成分を実質的に含有しないことを特徴とする半導体被覆用ガラス。
【選択図】なし

Description

本発明はＰ−Ｎ接合を含む半導体装置の被覆用として用いられるガラスおよびそれを用いてなる半導体被覆用材料に関するものである。

一般に、シリコンダイオードやトランジスタ等の半導体装置は、外気による汚染を防止する観点から半導体素子のＰ−Ｎ接合部を含む表面がガラスを含む材料により被覆される。これにより半導体素子表面が安定化され、経時的な特性劣化を抑制することができる。

半導体被覆用材料として用いられるガラスに要求される特性として、（１）被覆時に半導体素子との熱膨張係数差が原因となってクラック等が発生しないように、熱膨張係数が半導体の熱膨張係数に適合すること、（２）半導体素子の特性劣化を防止するため、低温（例えば９００℃以下）で被覆できること、（３）半導体素子表面に悪影響を与えるアルカリ成分等の不純物を含まないこと、（４）半導体素子表面被覆後の電気特性として、逆耐圧が高く、漏れ電流が少ないなど高い信頼性を有すること、等が挙げられる。

従来、半導体被覆用ガラスとしては、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系等の亜鉛系ガラスや、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系或いはＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系等の鉛系ガラスが知られており、作業性の観点からＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系およびＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系等の鉛系ガラスが主流となっている（例えば、特許文献１〜４参照）。

特公平１−４９６５３号公報 特開昭５０−１２９１８１号公報 特開昭４８−４３２７５号公報 特開２００８−１６２８８１号公報

ＰｂＯ等の鉛成分は環境に対して有害な成分であることから、近年、電気および電子機器での使用が禁止されつつあり、各種材料の無鉛化が進んでいる。既述のＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系等の亜鉛系ガラスにも、少量の鉛成分を含有しており環境の面から使用できないものがある。また、無鉛組成であっても、半導体表面被覆後の表面電荷密度が低いものが主流であり、高耐圧用の半導体素子に対応することが困難であった。

したがって、本発明は、鉛成分を含有しなくても半導体表面被覆後の表面電荷密度が大きい半導体被覆用ガラスを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意検討した結果、特性の組成を有するＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスにより前記課題を解決できることを見出し、本発明として提案するものである。

すなわち、本発明は、質量％で、ＺｎＯ ５０〜６５％、Ｂ_２Ｏ_３ １９〜２８％、ＳｉＯ_２ ７〜１５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ３〜１２％、Ｂｉ_２Ｏ_３ ０．１〜５％の組成を含有し、鉛成分を実質的に含有しないことを特徴とする半導体被覆用ガラスに関する。

本発明の半導体被覆用ガラスは、ＺｎＯ−Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラスに対して、Ａｌ_２Ｏ_３およびＢｉ_２Ｏ_３を特定量含有しているため、半導体表面被覆後の表面電荷密度が大きく高耐圧用の半導体素子の被覆に適したものである。また、鉛成分を実質的に含有しないため、環境への負担が小さい。

なお本発明において、「鉛成分を実質的に含有しない」とはガラス成分として意図的に添加しないことを意味し、不可避的に混入する不純物まで完全に排除することを意味するものではない。客観的には、不純物を含めた鉛成分の含有量が０．１質量％未満であることを意味する。

第二に、本発明の半導体被覆用ガラスは、さらに、ＭｎＯ_２ ０〜５％、Ｎｂ_２Ｏ_５ ０〜５％、ＣｅＯ_２ ０〜３％の組成を含有することを特徴とする。

第三に、本発明は、前記いずれかの半導体被覆用ガラスからなることを特徴とする半導体被覆用ガラス粉末に関する。

半導体被覆用ガラスが粉末状であることにより、半導体表面の被覆を容易に行うことができる。

第四に、本発明は、前記半導体被覆用ガラス粉末を含むことを特徴とする半導体被覆用材料に関する。

第五に、本発明は、前記半導体被覆用ガラス粉末１００質量部に対して、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＯ・Ｂ_２Ｏ_３および２ＺｎＯ・ＳｉＯ_２から選択される少なくとも１種類の無機粉末を０．０１〜５質量部含有してなることを特徴とする半導体被覆用材料に関する。

特に、Ｓｉ等の半導体素子とガラスの接触面積が非常に大きい場合には、ガラスとＳｉの熱膨張係数が近いことが望ましい。ガラスの熱膨張係数は、ガラス中に含まれる結晶成分により調整することができるが、ガラス中から析出する結晶の量を適切に制御することは非常に困難である。そこで、半導体被覆用ガラスに対して、上記の無機粉末を適宜添加すれば、これらの無機粉末が核形成剤の役割を果たすため、析出する結晶量を比較的容易に制御できる。結果として、所望の熱膨張係数に容易に調整することが可能となる。

第六に、本発明の半導体被覆用材料は、表面電荷密度が７×１０^１１／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。

以下、本発明の半導体被覆用ガラスにおいて、各成分を上記の通り規定した理由を説明する。なお、以下の説明において、「％」は特に断りのない限り「質量％」を意味する。

ＺｎＯはガラスを安定化する成分である。ＺｎＯの含有量は５０〜６５％、特に５５〜６３％であることが好ましい。ＺｎＯの含有量が５０％より少ないと、ガラスの熱膨張係数が大きくなって、半導体素子を封止した際に半導体素子との熱膨張差が原因となってクラックが発生するおそれがある。一方、ＺｎＯの含有量が６５％より多いと、結晶化が急速に進行するため、ガラスの流動性不足により半導体素子表面を被覆することが困難になる傾向がある。

Ｂ_２Ｏ_３はガラスの網目形成成分で、流動性を高める成分である。Ｂ_２Ｏ_３の含有量は１９〜２８％、特に２０〜２５％であることが好ましい。Ｂ_２Ｏ_３の含有量が１９％より少ないと、結晶性が強くなって流動性が損なわれ、半導体素子表面を被覆することが困難になる傾向がある。一方、Ｂ_２Ｏ_３の含有量が２８％より多いと、ガラスの熱膨張係数が大きくなって、半導体素子を封止した際に半導体素子との熱膨張差が原因となってクラックが発生するおそれがある。

ＳｉＯ_２はガラスの網目形成成分であり、耐酸性を高める成分である。ＳｉＯ_２の含有量は７〜１５％、特に９〜１４％であることが好ましい。ＳｉＯ_２の含有量が７％より少ないと、ガラスの熱膨張係数が大きくなって、半導体素子を封止した際に半導体素子との熱膨張差が原因となってクラックが発生するおそれがある。また、ガラスの化学耐久性が低下しやすくなる。ＳｉＯ_２の含有量が１５％より多いと、均質なガラスが得られにくくなる。

Ａｌ_２Ｏ_３はガラスの表面電荷密度を大きくする成分である。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量は３〜１２％、特に５〜１０％であることが好ましい。Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が３％より少ないと、前記効果が得られにくい。一方、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が１２％より多いと、ガラスが失透しやすくなる。

Ｂｉ_２Ｏ_３もガラスの表面電荷密度を高くする成分である。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量は０．１〜５％、特に０．５〜３％であることが好ましい。Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が０．１％より少ないと、前記効果が得られにくい。一方、Ｂｉ_２Ｏ_３の含有量が５％より多いと、ガラスが失透しやすくなる。

本発明の半導体被覆用ガラスは、上記成分以外にＭｎＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＣｅＯ_２を含有することができる。これらの成分は半導体素子の漏れ電流を低下させる効果がある。

ＭｎＯ_２の含有量は０〜５％、特に０．１〜３％であることが好ましい。ＭｎＯ_２の含有量が５％より多いと、ガラスの溶融性が低下する傾向がある。

Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量は０〜５％、特に０．１〜３％であることが好ましい。Ｎｂ_２Ｏ_５の含有量が５％より多いと、ガラスの溶融性が低下する傾向がある。

ＣｅＯ_２の含有量は０〜３％、特に０．１〜２％であることが好ましい。ＣｅＯ_２が３％より多いと、ガラスの結晶性が強くなりすぎてガラスの流動性が低下する傾向がある。

なお本発明の半導体被覆用ガラスは、環境面の観点から実質的に鉛成分（ＰｂＯ等）を含有しない。

本発明の半導体被覆用ガラスは、半導体素子表面の被覆を容易に行える観点から、粉末状であることが好ましい。半導体被覆用ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０は２５μｍ以下、特に１５μｍ以下であることが好ましい。半導体被覆用ガラス粉末の平均粒径Ｄ_５０が２５μｍより大きいと、ペースト化が困難になり半導体表面に均一に被覆しにくくなる。また、電気泳動による被覆も困難になる傾向がある。なお下限は特に限定されないが、現実的には０．１μｍ以上である。

本発明の半導体被覆用材料は前記半導体被覆用ガラス粉末を含んでなるものである。なお本発明の半導体被覆用材料は、前記半導体被覆用ガラス粉末に対し、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＯ・Ｂ_２Ｏ_３、２ＺｎＯ・ＳｉＯ_２から選択された少なくとも１種類の無機粉末を核形成剤として含有してなるものであってもよい。これらの無機粉末の含有量は、半導体被覆用ガラス粉末１００質量部に対して０．０１〜５質量部、特に０．１〜３質量部であることが好ましい。無機粉末の含有量が０．０１質量部より少ないと、析出する結晶量が少なく所望の熱膨張係数を達成することが困難となる傾向がある。無機粉末の含有量が５質量部より多いと、析出する結晶量が多くなりすぎて流動性が損なわれ、半導体素子表面の被覆が困難となる傾向がある。

なお上記無機粉末の粒度が小さいほど、ガラスから析出する結晶の粒径が小さくなり機械的強度が大きくなる傾向がある。したがって、無機粉末の平均粒径Ｄ_５０は５μｍ以下、特に３μｍ以下が好ましい。下限は特に限定されないが、現実的には０．１μｍ以上である。

本発明の半導体被覆用材料の表面電荷密度は、電圧１０００Ｖの半導体装置には７×１０^１１／ｃｍ^２以上、１５００Ｖ以上の半導体装置には１０×１０^１１／ｃｍ^２以上であることが好ましい。

本発明の半導体被覆用材料の熱膨張係数（３０〜３００℃）は、半導体素子の熱膨張係数に応じて、例えば２０〜６０×１０^−７／℃、さらには３０〜５０×１０^−７／℃の範囲で適宜調整される。

本発明の半導体被覆用ガラスは、各酸化物成分の原料粉末を調合してバッチとし、１４００℃前後の温度で約１時間溶融してガラス化した後、成形、粉砕、分級することによって得ることができる。

以下、実施例に基づいて本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

表１は本発明の実施例および比較例を示している。

以下のようにして各試料を作製した。まず表中のガラス組成となるように原料粉末を調合してバッチとし、１４００℃の温度で１時間溶融してガラス化した。続いてこの溶融ガラスをフィルム状に成形した後、ボールミルにて粉砕し、３５０メッシュの篩を用いて分級し、半導体被覆用ガラス粉末（半導体被覆用材料）を得た（平均粒径Ｄ_５０：１２μｍ）。

得られた半導体被覆用ガラス粉末について熱膨張係数と表面電荷密度を測定した。なお、実施例６では、半導体被覆用ガラス粉末１００質量部に対してＺｎＯ粉末を１質量部添加したものについて測定した。結果を表１に示す。

熱膨張係数はディラトメーターを用いて３０〜３００℃の温度範囲にて測定した値を示す。

表面電荷密度は次のようにして測定した。まず、半導体被覆用ガラス粉末を有機溶媒中に分散し、電気泳動によってシリコン表面に一定の膜厚になるように付着させ、次いで焼成を行いガラス層を形成した。ガラス層の上にアルミニウム電極を形成後、ガラス中の電気容量の変化をＣ−Ｖメータを用いて測定し、表面電荷密度を算出した。

表１から明らかなように、実施例１〜６の試料は表面電荷密度が８〜１８と高かった。これは、ＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３系或いはＰｂＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−Ｂ_２Ｏ_３系の鉛系ガラスとほぼ同等の表面電荷密度である。したがって、実施例１〜６の半導体被覆用材料は高耐圧用の半導体素子の被覆に適したものである。

一方、比較例１および２の試料は表面電荷密度が低く、高耐圧用の半導体素子の被覆に適さないことがわかる。

Claims (6)

1. 質量％で、ＺｎＯ ５０〜６５％、Ｂ_２Ｏ_３ １９〜２８％、ＳｉＯ_２ ７〜１５％、Ａｌ_２Ｏ_３ ３〜１２％、Ｂｉ_２Ｏ_３ ０．１〜５％の組成を含有し、鉛成分を実質的に含有しないことを特徴とする半導体被覆用ガラス。
2. さらに、ＭｎＯ_２ ０〜５％、Ｎｂ_２Ｏ_５ ０〜５％、ＣｅＯ_２ ０〜３％の組成を含有することを特徴とする請求項１に記載の半導体被覆用ガラス。
3. 請求項１または２に記載の半導体被覆用ガラスからなることを特徴とする半導体被覆用ガラス粉末。
4. 請求項３に記載の半導体被覆用ガラス粉末を含むことを特徴とする半導体被覆用材料。
5. 請求項３に記載の半導体被覆用ガラス粉末１００質量部に対して、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＺｎＯ・Ｂ_２Ｏ_３および２ＺｎＯ・ＳｉＯ_２から選択される少なくとも１種類の無機粉末を０．０１〜５質量部含有してなることを特徴とする半導体被覆用材料。
6. 表面電荷密度が７×１０^１１／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体被覆用材料。