JP2012031048A - 無鉛半導体封入用ガラス - Google Patents

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Abstract

【課題】 外観検査の自動化が容易であり、しかも清澄性及び半導体素子の封入性に優れた無鉛半導体封入用ガラスを創案することを技術的課題とする。
【解決手段】 10dPa・sの粘度の温度が670℃以下であり、ガラス組成として、CeOの含有量が0.01〜6質量%であり、且つSbの含有量が0.1質量%以下であることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体封入用ガラスに関し、具体的にはサーミスタ、ダイオード、LED
等の半導体素子の封入に用いられるガラスに関する。
サーミスタ、ダイオード、LED等の半導体素子は、気密封入が必要になる。従来、半導体素子を気密封入するため、鉛ガラスが使用されてきたが、近年は特許文献1や特許文献2に紹介される無鉛のガラスも知られている。このような半導体封入用ガラスは、ガラス原料を溶融窯で溶融し、溶融ガラスを管状に成形した後、得られたガラス管を長さ約2mm程度に切断して、洗浄して、ビーズと呼ばれる短いガラス管を作製し、次に検査により、ガラス管の欠けや割れを取り除いた上で出荷される。またダイオードの組み立てにおいて端子処理のため酸性のメッキ液やフラックスにガラスがさらされることがある。
半導体封入用ガラスには、(1)半導体素子を劣化させないような低温で封入できること、(2)信頼性の高い接着を確保するため、半導体素子のみならず、半導体素子へ信号を入出力する金属線の熱膨張係数に整合した熱膨張係数を有すること、(3)ガラスと金属線の接着性が十分に高いこと、(4)体積抵抗が高いこと (5)耐薬品性が十分に強いこと等の特性が要求される。
特開2002−37641号公報 米国特許第6864197号公報
従来、半導体素子の封入の際に、ジュメット線等の金属線に過剰な酸化膜を生じさせて、その酸化物をガラスに拡散させることにより、ガラスと金属線の接着性を確保してきた。この際、適正厚みの酸化膜が生成するように、封入温度と封入時間を調整し、具体的には酸化膜の色調が小豆色になるように、封入温度と封入時間を調整する。酸化膜の色調が黒色であると、酸化膜が金属線から剥離して、封入を適正に行うことができない。また、酸化膜が消失して、金属光沢を呈すると、ガラスと金属の接着性が失われて、やはり封入を適正に行うことができない。
また、ガラス管にトンネル状の泡が存在すると、ガラス管の内部と外部が繋がり、気密不良が発生するおそれがある。このため、低温封入性を有する半導体素子用ガラスは、通常、低温で清澄効果を発揮するSbを0.8質量%程度含有している。
しかし、Sbは、還元作用を受けやすく、またガラスに酸素を提供する作用を有するため、Sb自体が金属まで還元されて、ガラスの内部にSb金属微粒子を発生させるおそれがある。この場合、ガラスと半導体素子が接触すると、還元されたSb金属微粒子が、半導体素子の素子特性に悪影響を及ぼすおそれがある。また、ガラスが還元傾向である場合、金属線の酸化膜の拡散速度が変化して、安定して半導体素子を封入できないおそれもある。
このような事態を防止するため、従来、ガラスが還元傾向にならないように、低温で長時間溶融するとともに、硝酸塩等の酸化剤を添加していた。しかし、硝酸塩等の酸化剤は、環境負荷が大きく、またSb化合物自体にも環境負荷の懸念があるため、その含有量を低減することが望まれる。
さらに近年では、半導体素子の封入に用いられるガラス管は、生産効率を高めるために、外観検査の自動化が要求されている。CCDカメラ等により外観検査を自動化する場合、ガラス管の側面から外観観察することになるため、ガラス管が着色しているか、或いは蛍光を発することが好ましい。
そこで、本発明は、外観検査の自動化が容易であり、しかも清澄性及び半導体素子の封入性に優れた無鉛半導体封入用ガラスを創案することを技術的課題とする。
本発明者等は、鋭意検討の結果、PbOを基本的に含有しないガラスでSbの含有量を0.1%以下に制限し、且つCeOを導入することで上記技術的課題を解決できることを見出した。
なお特許文献2には、清澄剤としてCeOを使用することが記載されているが、Sbとの共存を許容しており、またSbの代わりにCeOを使用することによる効果について何ら説明されていない。
すなわち、本発明の無鉛半導体封入用ガラスは、10dPa・sの粘度の温度が670℃以下であり、ガラス組成として、CeOの含有量が0.01〜6質量%であり、且つSbの含有量が0.1質量%以下であることを特徴とする。なお本発明において「無鉛」とは、ガラス原料として積極的に鉛原料を添加しないという意味であり、不純物等からの混入を完全に排除するものではない。より具体的には、ガラス組成中のPbOの含有量は、不純物等からの混入も含めて1000ppm以下に制限される。
本発明においては、SiO−B−RO(Rはアルカリ金属)系ガラスからなり、ROとしてLiO、NaO及びKOのうち2種以上を含有することが好ましい。本発明において「SiO−B−RO系ガラス」とは、SiO、B及びRO(アルカリ金属酸化物)を必須成分として含むガラスを意味する。
上記構成によれば、10dPa・sの粘度の温度を670℃以下にすることが容易になる。
本発明においては、ガラス組成として、質量%で、SiO 20〜65%、Al 0〜10%、B 10〜40%、MgO 0〜10%、CaO 0〜10%、SrO 0〜10%、BaO 0〜10%、ZnO 0〜35%、LiO 0.2〜10%、NaO 0.5〜17%、KO 0〜16%、TiO 0〜10%、ZrO 0〜5%、Bi 0〜25%、La 0〜10%含有することが好ましい。
上記構成に従って各成分の含有量を規制すれば、Sbを含有しなくても、清澄性、低温封入性、金属線との接着性を両立させることができる。
本発明においては、BaOが1質量%未満であることが好ましい。
上記構成によれば、ガラス組成中に導入するCeOの含有量を容易に増やすことができる。
また本発明の半導体封入用外套管は、上記ガラスからなることを特徴とする。
本発明の無鉛半導体封入用ガラスは、CeOを含有していることから、ガラスが着色し、また蛍光を発する。このため本発明のガラスにより作製される半導体封入用外套管は、機械による外観検査の自動化が可能である。
また本発明の無鉛半導体封入用ガラスは、CeOは清澄剤としても機能することから、Sbの使用量を削減することができる。それゆえ優れた清澄性を有し、しかもこれを用いて作製した外套管は安定して半導体素子を封入することができる。
本発明の無鉛半導体封入用ガラスは、10dPa・sの粘度の温度が670℃以下である。10dPa・sの粘度の温度は、概ね半導体素子の封入温度に相当する。それゆえ本発明のガラスは、670℃以下で半導体素子を封入することができる。なお10dPa・sの粘度の温度を670℃以下とするためには、LiO、NaO、KOの内の2種以上と、Bを必須成分として含むSiO−B−RO(Rはアルカリ金属)系ガラスとすることが好ましい。
また本発明のガラスは、10dPa・sの粘度に相当する温度が670℃以下であることに加え、10dPa・sの粘度に相当する温度が800℃以下、さらには750℃以下、特に730℃以下であることが好ましく、10dPa・sの粘度に相当する温度が870℃以下、さらには850℃以下、特に800℃以下であることが好ましい。
また本発明のガラスにおいて、CeOは、清澄効果を発揮し、また着色や蛍光を発する外套管を得るための成分である。一方で過剰に導入するとCeO自体がガラスから再結晶して失透し、外套管の寸法に悪影響を与える。その含有量は0.01〜6質量%、好ましくは0.05〜4質量%で、さらに好ましくは0.1〜2質量%である。なおCeOは失透性が悪化するという理由から、ガラス中に多量に導入することが困難である。そこでCeOの含有量を増量したい場合には、BaOの含有量を少なくする、具体的には1質量%未満とすることが好ましい。
本発明の無鉛半導体封入用ガラスにおいて、Sbを使用すると、還元作用を受けてガラスの内部にSb金属微粒子を発生させるおそれがある。またガラスが還元傾向である場合、金属線の酸化膜の拡散速度が変化して、安定して半導体素子を封入できないおそれもある。このような事情から、Sbは、極力添加を避けるべきであり、具体的には0.1質量%以下に制限される。好ましくは0.05質量%以下に制限することが望ましい。
上記の半導体封入用ガラスの好適な具体例として、質量%で、SiO 20〜65%、Al 0〜10%、B 10〜40%、MgO 0〜10%、CaO 0〜10%、SrO 0〜10%、BaO 0〜10%、ZnO 0〜35%、LiO 0.2〜10%、NaO 0.5〜17%、KO 0〜16%、TiO 0〜10%、ZrO 0〜5%、Bi 0〜25%、La 0〜10%、CeO 0.01〜6%、Sb 0〜0.1%含有するガラスを使用することが好ましい。
本発明の半導体封入用ガラスにおいて、上記のようにガラス組成範囲を限定した理由を以下に説明する。なお、以下の%表示は、特に断りがある場合を除き、質量%を指す。
SiOは、主成分でありガラスの安定化に重要な成分であるが、封止温度を上昇させる成分でもある。その含有量は20〜65%、好ましくは25〜60%、さらに好ましくは30〜55%である。SiOの含有量が少なすぎると、上記した効果を享受し難くなる。一方、SiOの含有量が多すぎると、低温封入が困難になる。
Alは、耐薬品性を高める成分であるが、ガラスの粘性を上昇させる成分でもある。Alの含有量は0〜10%、好ましくは0.1〜8%、さらに好ましくは0.2〜7%である。Alの含有量が多すぎると、ガラスの粘性が高くなり過ぎ、成形性が低下しやすくなることに加えて、低温封入が困難になる。
は、ガラスを安定化させる成分であるとともに、ガラスの粘性を低下させる成分で必須である。また耐薬品性を低下させる成分でもある。その含有量は10〜40%、好ましくは12〜35%、さらに好ましくは14〜30%である。Bの含有量が少なすぎると上記した効果を享受し難くなる。一方、Bの含有量が多すぎると、耐薬品性が悪くなる。
MgO、CaO、SrO、BaOからなるアルカリ土類金属酸化物(R‘O)はガラスを安定化させる効果が高いが、ガラスを低温化させる効果は期待できず、むしろ封入温度を上昇させるおそれがある。このためROは合量で0〜10%、特に0〜8%、さらには0〜6%であることが好ましい。なお各アルカリ土類金属酸化物成分については以下に述べる。
MgOとCaOは必須成分ではなく、各々0〜10%、好ましくは各々0〜4%、さらに好ましくは各々0〜2%である。MgOやCaOの含有量が多すぎると、ガラスの粘度が高くなる。なおCaOは上記したアルカリ土類金属酸化物成分共通の効果に加え、耐薬品性を向上させる効果がある。
SrOは必須成分ではなく、0〜10%、好ましくは0〜6%、さらに好ましくは0〜4%、特に好ましくは0〜2%である。SrOの含有量が多すぎると、ガラスの粘度が高くなって溶融が困難になる。
BaOは必須成分ではなく、0〜10%、好ましくは0〜6%、さらに好ましくは0〜4%、特に好ましくは0〜2%である。BaOの含有量が多すぎると、ガラスの粘度が高くなる。特にCeOを多く含有させるためには1%未満とすることが望ましい。
ZnOはガラスの粘性を低下させる効果に優れる成分である。ZnOは必須成分ではないが、上記した効果を得るためにはZnOを1%以上含有することが好ましい。その一方でZnOは過剰に含有させるとガラスが失透する。ZnOの含有量は0〜35%、好ましくは1〜30%、さらに好ましくは2〜25%、特に好ましくは10〜25%である。特に粘性の低下の効果のためにZnOを用いる場合には、その効果を高めるためにZnO/SiOの比(質量比)を0.02〜1、さらに好ましくは0.05〜0.8の範囲にすることが望ましい。0.02以上でその効果が期待できるが望ましくは0.05以上であることが望ましい。1以下にすれば失透明を防止する上で望ましい。
LiO、NaO、KOからなるアルカリ金属酸化物(RO)、を示し、ガラスの粘性を下げたり、膨張を上げたりする効果がある。特にLiOやNaOはガラスの粘性を低下させる効果が高いことから、上記組成のガラスでは必須成分として使用する。一方、ROの量(アルカリ金属酸化物の合量)が過剰になると、膨張が高くなりすぎてジュメットとの間でクラックを生じる。それゆえROは合量で8〜22%、特に10〜20%であることが好ましい。なお各アルカリ金属酸化物成分については以下に述べる。
LiOの含有量は0.2〜10%、好ましくは0.4〜8%、さらに好ましくは0.8〜6%である。LiOの含有量が少なすぎると上記した効果を享受し難くなる。一方、LiOの含有量が多すぎると、失透性が悪くなる。
NaOの含有量は0.5〜17%、好ましくは1〜15%、さらに好ましくは2〜13%である。NaOの含有量が少なすぎると上記した効果を享受し難くなる。一方、NaOの含有量が多すぎると、失透性が悪くなる。
Oは必須成分ではないが、低温化と失透明に対する安定性のため多少含有することが望ましい。KOの含有量は0〜16%、好ましくは0.2〜13%、さらに好ましくは0.4〜12%である。KOの含有量が多すぎると、失透性が悪くなる。
TiOは耐薬品性を高めるために添加することができる。TiOは必須成分ではないが、上記した効果を得るために0.2%以上添加することが好ましい。ただしTiOを過剰に含有すると、金属や耐火物との接触によってガラスが容易に失透し、成形時に寸法上の問題を引き起こす。TiOの含有量は0〜10%、好ましくは0.2〜8%、さらに好ましくは0.4〜6%である。
ZrOは耐薬品性を高めるために添加することができる。ZrOは必須成分ではないが、上記した効果を得るために0.05%以上含有することが好ましい。ただしZrOを過剰に含有すると、ガラスの粘度が高く成りすぎる。また金属や耐火物との接触によってガラスが容易に失透し、成形時に寸法上の問題を引き起こす。ZrOの含有量は0〜5%、好ましくは0.05〜4%、さらに好ましくは0.1〜3%である。
Biは耐薬品性を高めるために含有することができる。ただしBiを過剰に含有すると、金属や耐火物との接触によってガラスが容易に失透し、成形時に寸法上の問題を引き起こす。Biの含有量は0〜25%、好ましくは0〜20%、さらに好ましくは0〜15%である。
Laは耐薬品性を高めるために含有することができる。ただしLaを過剰に含有すると、金属や耐火物との接触によってガラスが容易に失透し、成形時に寸法上の問題を引き起こす。Laの含有量は0〜10%、好ましくは0〜8%、さらに好ましくは0〜6%である。
また上記成分以外にも、ガラスの特性を損なわない範囲で種々の成分を添加することができる。例えばガラスの粘性を低下させるためにFを0.5%まで添加することができる。ただしAs等環境上好ましくない成分は添加すべきでない。なおAsの含有量はSb同様0.1%以下に制限される。
本発明の無鉛半導体封入用ガラスは、ジュメットとシールするために、ガラスの30℃〜380℃間の熱膨張係数が85〜105×10−7/℃であることが好ましい。
またガラスの体積抵抗が低くなってしまうと、例えばダイオードの電極間にわずかに電気が流れるようになり、あたかもダイオードに平行して抵抗体を設置したような回路を生じてしまう。このため、ガラスの体積抵抗は極力高いことが好ましい。具体的には150℃における体積抵抗値が、Logρ(Ω・cm)で7以上、好ましくは9以上、さらに好ましくは10以上である。また200℃程度の高温でダイオードを好適に使用する場合には、250℃における抵抗値がLogρ(Ω・cm)で7以上あることが好ましい。
次に本発明の無鉛半導体封入用ガラスからなる半導体封入用外套管の製造方法を説明する。
工業的規模での外套管の製造方法は、ガラスを形成する成分を含有する鉱物や精製結晶粉末を計測混合し、炉に投入する原料を調合する調合混合工程と、原料を溶融ガラス化する溶融工程と、溶融したガラスを管の形に成形する成形工程と、管を所定の寸法に切断する加工工程からなっている。
まずガラス原料を調合混合する。原料は、酸化物や炭酸塩など複数の成分からなる鉱物や不純物からなっており、分析値を考慮して調合すればよく、原料は限定されない。これらを重量で計測し、Vミキサーやロッキングミキサー、攪拌羽根のついたミキサーなど規模に応じた適当な混合機で混合し、投入原料を得る。
次に原料をガラス溶融炉に投入し、ガラス化する。溶融炉はガラス原料を溶融しガラス化するための溶融槽と、ガラス中の泡を上昇除去するための清澄槽と、清澄されたガラスを成形に適当な粘度まで下げ、成形装置に導くための通路(フィーダー)よりなる。溶融炉は、耐火物や内部を白金で覆った炉が使用され、バーナーによる加熱やガラスへの電気通電によって加熱される。投入された原料は通常1300℃〜1600℃の溶解槽でガラス化され、さらに1400℃〜1600℃の清澄槽に入る。ここでガラス中の泡を浮上させて泡を除去する。清澄糟から出たガラスは、フィーダーを通って成形装置に移動するうちに温度が下がり、ガラスの成形に適した粘度10〜10dPa・sになる。
次いで成形装置にてガラスを管状に成形する。成形法としてはダンナー法、ベロ法、ダウンドロー法、アップドロー法が適用可能である。
その後、ガラス管を所定の寸法に切断することにより、半導体封入用外套管を得ることができる。ガラス管の切断加工は、管1本ずつをダイヤモンドカッターで切断することも可能であるが、大量生産に適した方法として、多数の管ガラスを1本に結束してからダイヤモンドホイールカッターで切断し、一度に多数の管ガラスを切断する方法が一般的に用いられている。
次に本発明のガラスからなる外套管を用いた半導体素子の封入方法を述べる。
まず外套管内でジュメット線などの電極材料が半導体素子を両側から挟み込んだ状態となるように冶具を用いてセットする。その後、全体を670℃以下の温度に加熱し、外套管を軟化変形させて気密封入する。このような方法でシリコンダイオード、発光ダイオード、サーミスタなどの小型の電子部品を作製することができる。
なお本発明の半導体封入用ガラスは、ガラス管として使用する以外にも、例えば、粉末状にしてペースト化し、半導体素子に巻き付けて焼成することで半導体素子を封入することもできる。
以下、実施例に基づいて本発明を説明する。
表1は、本発明の実施例(試料No.1〜10)を示している。
表中に記載のガラス組成になるように、ガラス原料を調合し、白金ポットを用いて1200℃で3時間溶融した。ガラス原料として、珪石粉、酸化アルミニウム、硼酸、炭酸マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、酸化亜鉛、炭酸リチウム、硝酸ソーダ、炭酸カリウム、炭酸カリウム、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ビスマス、酸化ランタン、酸化セリウム等を使用した。その後、溶融ガラスを金属板の上に流し出して、4mm厚の板状に成形し、適正にアニールした。得られた各試料を用いて、清澄性を評価した。清澄性の評価は、各試料の中央部分(測定面積3cm角)に存在する0.1mm以上の泡をカウントして、泡数3個以下を「○」、泡数4個または5個を「△」、泡数6個以上を「×」とした。
また熱膨張係数及び封入温度を求めた。
熱膨張係数αは、直径約3mm、長さ約50mmの円柱状の測定試料を用いて、自記示差熱膨張計により30〜380℃の温度範囲における平均線熱膨張係数を測定した値である。
歪点、封入温度(10dPa・sにおける温度)、10dPa・sにおける温度、及び10dPa・sにおける温度は次のようにして求めた。まずASTM C338に準拠するファイバ法により歪点及び軟化点を測定した。次に、白金球引き上げ法により作業点領域の粘度(10dPa・s及び102.5dPa・s)に相当する温度を求めた。最後に、これらの粘度と温度をFulcherの式に当てはめて、10dPa・s及び10dPa・sにおける温度を算出した
次に上記と同様にしてガラス原料を溶融した。続いて、溶融ガラスをガラス吹き棒で巻き取って、外径1.4mm、内径0.8mmのガラス管を引いた後、1.8mmに切断した。次に、ジュメット線をガラス管に挿入し、先に求めた封入温度で10分間加熱して、ジュメット封入体試料を得た。この試料を用いて、封入性、着色性および蛍光性を評価した。なお封入性の評価は、ジュメット線の外観を観察することにより評価し、ジュメット線の色調が小豆色であれば「○」、褐色であれば「△」、金属光沢を呈していれば「×」とした。
着色性は、ガラス管の外観を目視で観察することにより評価した。
蛍光性は、波長365nmの光源を用い、紫外線をガラス管に照射して評価した。評価は、ガラス管から強い蛍光が発生したものを「○」、弱い蛍光が発生したもの、或いは蛍光が発生しなかったものを「×」とした。なお、波長254nmの光源を用いて評価しても良いが、本実施例では波長254nmの紫外線は目に危険であるため、波長365nmの光源を使用した。
150℃における体積抵抗率は、ASTM C−657に準拠した方法で測定した値である。
本発明に係るガラスは、サーミスタ、ダイオード、LED等の半導体素子の封入に用いられるガラス外套管材料として好適である。

Claims (5)

  1. 10dPa・sの粘度の温度が670℃以下であり、ガラス組成として、CeOの含有量が0.01〜6質量%であり、且つSbの含有量が0.1質量%以下であることを特徴とする無鉛半導体封入用ガラス。
  2. SiO−B−RO(Rはアルカリ金属)系ガラスからなり、ROとしてLiO、NaO及びKOのうち2種以上を含有することを特徴とする請求項1に記載の無鉛半導体封入用ガラス。
  3. ガラス組成として、質量%で、SiO 20〜65%、Al 0〜10%、B 10〜40%、MgO 0〜10%、CaO 0〜10%、SrO 0〜10%、BaO 0〜10%、ZnO 0〜35%、LiO 0.2〜10%、NaO 0.5〜17%、KO 0〜16%、TiO 0〜10%、ZrO 0〜5%、Bi 0〜25%、La 0〜10%含有することを特徴とする請求項1又は2に記載の無鉛半導体封入用ガラス。
  4. BaOが1質量%未満であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の無鉛半導体封入用ガラス。
  5. 請求項1〜4の何れかに記載のガラスからなることを特徴とする半導体封入用外套管。
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