JP2015153791A - 気密封止型半導体装置の製造方法および気密封止型半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低温（２５０℃以下）で気密接合でき、かつ安定した気密性を得ることができる気密封止型半導体装置の製造方法および気密封止型半導体装置を提供する。
【解決手段】平均空孔率が８〜３０％の平均空孔率を有し、かつ平均孔径が２〜１０μｍである発泡金属体を用い、この発泡金属体を加圧加熱することにより基材３とシールリング７を気密接合する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば高速の情報通信および高周波計測用に使用される光素子並びに高周波回路等に使用される半導体素子や伝送線路等を保護する気密封止機能を備えた気密封止型半導体装置の製造方法および気密封止型半導体装置に関するものである。

通常、気密封止型半導体装置では、金属またはセラミックス等からなる直方体状のカバーと基材を気密接合して内部に実装される半導体素子や伝送線路等の保護を行う。従来からカバーと基材の気密接合においては、通常ＡｕＳｎはんだ（Ａｕ：８０ｗｔ％、Ｓｎ：２０ｗｔ％、融点２８０℃）などの高温はんだが使用されている。一方、基材の上面に密着し、基材と半導体素子の間に介在する基材導体膜と基材の密着性は、２５０℃を超えると急激に低下する。このため、上記のような高温はんだを用いた場合、基材と基材導体膜の密着性を低下させてしまうという問題がある。

そこで、低温（２５０℃以下）で接合できる気密接合方法が提案されている。例えば特許文献１のように電子ハウジングの密閉組立方法として、有機溶剤を含むペーストとこのペースト中で懸濁状態の１０〜３０ｎｍサイズの金属ナノ粒子からなる混合物によりカバーと支持体（基材）を接触させてハウジングを組み立てた後、２．５×１０^５ Ｐａ（０．２５ＭＰａ）を超える圧力を加えながら、金属ナノ粒子が焼結可能な１５０〜１８０℃の温度まで加熱することにより、ハウジングを密閉するものがある。

特図５０１３−５１３２２７号公報

しかしながら、上記のような金属ナノ粒子からなる混合物を用いる場合、ペースト中の金属ナノ粒子のばらつきやペーストの印刷厚みの不均一などにより、接合後の緻密性にもばらつきが生じ、気密性が不安定になるという問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、低温で気密接合でき、かつ安定した気密性を得ることができる気密封止型半導体装置の製造方法および気密封止型半導体装置を提供するものである。

本発明は、基材上に搭載された半導体素子をカバーにより気密封止する気密封止型半導体装置の製造方法であって、平均空孔率が８〜３０％の平均空孔率を有し、かつ平均孔径が２〜１０μｍである発泡金属体を用い、この発泡金属体を加圧加熱することにより基材とカバーを気密接合することを特徴とするものである。

本発明は平均空孔率が８〜３０％の平均空孔率を有し、かつ平均孔径が２〜１０μｍである発泡金属体を用いて基材とカバーを気密接合することにより、低温での気密接合ができ、かつ安定した気密性を確保できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態の気密封止型半導体装置の製造方法を示す概略図である。 本発明の実施の形態における導体膜剥がれテストの説明図である。 図１におけるＡ部の断面ＳＥＭ写真である。 実施例1〜１０、比較例１〜１０における試験結果の表である。 実施例１１〜２２、比較例１１〜３４における試験結果の表である。 実施例２３〜３０、比較例３５〜４２における試験結果の表である。 実施例３１〜３８、比較例４３〜５４における試験結果の表である。 実施例３９〜６２、比較例５５〜６６における試験結果の表である。 比較例６７〜７２における試験結果の表である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態における気密封止型半導体装置の製造方法について説明する。

まず、図１（ａ）に示すように基材３の上面に密着している基材導体膜１１に、接合材２を介して半導体素子１を搭載する。基材３は２５ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ１ｍｍであり、高周波特性に優れるＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ）が使用される。ＬＴＣＣは電気伝導性の良いＡｇを主成分とする金属からなる導体膜と、通常Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミックが積層された構造になっており、各層同士が金属のビアで接合されている。そして、基材３の上面にはＡｇめっきからなる基材表面めっき４が施されている。この基材３は、例えば株式会社村田製作所や京セラ株式会社から購入することができる。なお、基材導体膜１１には、電気伝導性の良いＡｇを主成分とする金属が使用される。また、接合材２には、例えばＳｎＰｂ共晶はんだ、ＳｎＢｉ共晶はんだのような融点が２５０℃以下であるはんだが用いられており、半導体素子１と基材導体膜１１の接合に伴う熱で基材３と基材導体膜１１の密着性が損なわれることはない。

そして、図１（ｂ）に示すようにシールリング７と基材３の基材表面めっき４との間に、発泡金属体８を挿入する。シールリング７は外寸１６ｍｍ×７ｍｍ×厚さ１ｍｍ、リング幅１ｍｍであり、材質はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（Ｆｅ：５４ｗｔ％、Ｎｉ：２９ｗｔ％、Ｃｏ：１７ｗｔ％）である。このシールリング７は、例えばＮｅｏｍａｘマテリアル社から購入することができる。また、シールリング７には発泡金属体８との接合表面にＮｉめっき（図示しない）が施され、さらにその上にＡｇめっきからなるシールリング表面めっき５が施されている。また、発泡金属体８は外寸１６ｍｍ×７ｍｍ×厚み３０〜１００μｍで、材質がＡｇである発泡金属体が使用される。この発泡金属体８の平均空孔率は８〜３０％、平均孔径は２〜１０μｍとしている。なお、平均空孔率および平均孔径の算出に用いる空孔率および孔径は、空孔を生じさせるために添加されるウレタン、水素化チタン、炭酸マグネシウムなどの発泡剤の粒径、分布を変えることで調整できる。空孔率、孔径は発泡金属体作製後、ＪＩＳ Ｋ３８３２などに準拠して測定することが可能であって、例えばポロシメーターによる水銀圧入法やバブルポイント法などが用いられる。また、外形と重量により空孔率を算出する方法を用いることもできる。上記のような平均空孔率、平均孔径を有する発泡金属体８は、例えば三菱マテリアル株式会社から購入することができる。

次に、発泡金属体８を加圧加熱することで基材３とシールリング７を気密接合する。この際、シールリング７の上にシールリング７の反りを吸収するための緩衝材として、０．１〜１．０ｍｍ厚のフッ素樹脂シート（図示しない）を載せた後、還元雰囲気下にて加熱温度２００〜２５０℃、加圧力５〜４０ＭＰａ、加圧時間１０ｍｉｎでシールリング７に上から（基材３と反対側から）加圧することにより、シールリング７と基材３を気密接合する。なお、加圧加熱を還元雰囲気下で行うのは、発泡金属体８のＡｇが酸化されることで融点が下がり（Ａｇの融点９６１．８℃であるのに対しＡｇ_２Ｏの融点は２８０℃である）、耐熱性が損なわれることを防ぐためである。

最後に、図１（ｃ）に示すようにシールリング７と蓋材６とをシームツール１０を用いてシーム溶接することにより、カバー１２を形成し、半導体素子１を気密封止する。この結果、低温でカバー１２のシールリング７と基材３を気密接合でき、かつ安定した気密性を持つ気密封止型半導体装置９を得る。

なお、本実施の形態では、発泡金属体８の材質をＡｇとして説明したが、これに特定されるものではなく、Ａｕ，Ｃｕ、Ｎｉとしてもよい。

また、基材表面めっき４およびシールリング表面めっき５のめっき種をＡｇとして説明したが、これに特定されるものではなく、Ａｕ、Ｃｕとしてもよい。

また、シールリング７と基材３の気密接合時に緩衝材として用いるフッ素樹脂シートについて、フッ素樹脂の種類は特に限定するものではない。例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン（４フッ化））、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（４．６フッ化））、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン（３フッ化））、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド（２フッ化））などを用いることができる。

本実施の形態では平均空孔率が８〜３０％の平均空孔率を有し、かつ平均孔径が２〜１０μｍである発泡金属体を用いて、この発泡金属体を加圧加熱することにより基材とカバーを気密接合しているので、低温で気密接合でき、かつ安定した気密性を得ることができる。

また、基材とシールリングの気密接合時の加熱温度が２５０℃以下であるので、気密接合時における熱で基材と基材導体膜の密着性が損なわれることがない。

また、発泡金属体として融点が９６１．８℃であるＡｇを用いているので、シーム溶接によって基材とカバーの接合部分が４００〜５００℃の熱にさらされても溶融せずに気密性を維持できる。

また、緩衝材として０．１〜１．０ｍｍ厚のフッ素樹脂シートを用いることにより、シールリング７の反りが吸収されるため、加圧時に片当たりが起こらず基材３が割れることがない。

また、基材とカバーの気密接合に発泡金属体を用いることにより、有機溶剤を用いる場合のように、シーム溶接時に分解ガスが発生することがなく、半導体素子が汚染される虞がない。そして、このような分解ガスによりカバーと基材とで囲まれた空間の圧力が上昇することもなく、基材とカバーの接合部分にクラックが発生する虞もない。

（実施例１〜１０）
以下では実施例を用いて具体的に説明する。特に記載がない点は上記実施の形態と同じである。基材３に半導体素子１を搭載した後、シールリング７と基材３との間に平均空孔率５％、８％、１０％、２０％、３０％、３５％、平均孔径１μｍ、２μｍ、４μｍ、１０μｍ、１２μｍである発泡金属体８を挿入する。なお、平均空孔率および平均孔径はサンプルによって多少変動する。そこで、平均空孔率については誤差±０．５％内であれば同じとする。例えば、平均空孔率が４．５％以上５．５％未満であれば図４以降で平均空孔率５％と表している。同様に平均孔径もサンプルによって多少変動するため、誤差±０．５μｍ内であれば同じとする。例えば、平均孔径が３．５μｍ以上４．５μｍ未満であれば図４以降で平均孔径４μｍと表している。

次に、シールリング７の上に０．２ｍｍ厚のフッ素樹脂シートを載せ、還元雰囲気下にて加熱温度２００℃、加圧力５ＭＰａ、加圧時間１０ｍｉｎでシールリング７と基材３を気密接合する。最後に、シーム溶接によってシールリング７と蓋材６を接合する。

実施例と比較例の比較評価のために次のようなリークテスト、導体膜剥がれテスト、基材割れテストの３つの試験を行う。

（リークテスト）
蓋材６の接合後、ヘリウムで加圧したチャンバにおいて微量リークテストを行う。このリークテストにおける合否判定基準はヘリウムリーク率が１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下である。好ましくは１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下であり、図４以降で◎と表記している。ヘリウムリーク量が１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃよりは大きいが１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下であった場合は合格とし、○と表記している。ヘリウムリーク量が１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃより大きい場合は不合格とし、×と表記している。なお、特許文献１における合否判定基準はヘリウムリーク率が１×１０^−７ａｔｍ・ｃｍ^３／ｓｅｃ〜１×１０^−８ａｔｍ・ｃｍ^３／ｓｅｃであり、これをＰａ・ｍ^３／ｓｅｃに換算すると１×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ〜１×１０−^９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃとなる。このため、本実施例の方がオーダーが１桁厳しく、より高い気密性能を合否判定基準としている。その理由は、例えばＡｕＳｎはんだ（Ａｕ：８０ｗｔ％、Ｓｎ：２０ｗｔ％、融点２８０℃）を使用して基材３とカバー１２を接合し、同様にリークテストを行った場合、ほぼ全数でヘリウムリーク率が１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下となることから、本発明におけるヘリウムリークテストに合格すれば、ＡｕＳｎはんだと同等の気密性能を持つことが確認できるためである。

（導体膜剥がれテスト）
上記のリークテスト終了後、蓋材６を剥がして導体膜剥がれテストを行う。これは、図２に示すように剥離ツール１３を基材３の表面に接触させて、基材導体膜１１の端部から水平に剥離ツールを移動させることで基材３と基材導体膜１１の密着強度を測定するものである。合否判定基準は気密接合前の密着強度を１としたときの相対的な密着強度比が０．９以上（密着性の低下が１０％以内）であれば合格とし、○と表記している。０．９未満（密着性の低下が１０％超）であれば不合格とし、×と表記している。

（基材割れテスト）
上記のリークテスト及び導体膜剥がれテストの後、基材３の断面観察による基材割れテストを行う。これは気密接合時の加圧によって基材３に割れが生じていないか確認するため、基材３のカバー１２との接合部分の下になる部分の断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、走査型電子顕微鏡）にて観察し、基材割れの有無を観察するものである。具体的には、まず、各条件で気密接合されたサンプルをストルアス社製エポフィックス樹脂で樹脂包埋する。エポフィックス樹脂硬化後、研磨紙およびダイヤモンドスプレー粒径１／４μｍで鏡面まで仕上げて、研磨面にＰｔで薄く導電処理を行い、ＳＥＭにて基材３の断面を観察して基材割れの有無を確認する。基材割れを確認する理由は、割れがＬＴＣＣ内部にある導体膜等から形成された電気回路にも影響を与え、割れによって導体膜が寸断されると、実動作時に導通不良を起こす可能性があるためである。合否判定基準は断面観察で割れが全く確認されなければ好ましいとし、◎と表記している。割れが確認されても、それが僅かで内部の導体膜まで進行しておらず、電気回路に影響がない場合は合格とし、○と表記している。割れが内部の導体膜まで進行し、電気回路に影響がある場合は不合格とし、×と表記している。

以上の結果を図４に示す。図４の「材質」は発泡金属体８の発泡金属種、「厚み」は発泡金属体８の厚み、「加圧」は基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力、「温度」は基材３とシールリング７の気密接合時の加熱温度、「緩衝材」は基材３とシールリング７の気密接合における加圧時にシールリング７に載せる緩衝材の材質である。これらは特にことわりのない限り図５以降も同様である。

図４の実施例１〜１０に示すように、平均空孔率８〜３０％かつ平均孔径２〜１０μｍであれば、リークテストの結果は◎と好ましく、基材割れテスト、導体膜剥がれテストも合格したことが分かる。

図３に発泡金属体８の平均空孔率が８％、平均孔径が４μｍであるときの、図１におけるＡ部の断面ＳＥＭ写真を示す。図３（ａ）は加圧加熱前（発泡金属体８をシールリング７と基材３の間に挿入しただけ）、図３（ｂ）は加圧加熱および上記試験後の代表的な断面ＳＥＭ写真である。図３（ａ）では空孔が存在していることを確認できるのに対し、図３（ｂ）では加圧によって発泡金属体８が変形して孔が塞がり、加熱によって固相拡散が進み空孔が埋まって無くなっている様子が分かる。また、図３（ｂ）では発泡金属体８と基材表面めっき４との界面の隙間および発泡金属体８とシールリング表面めっき５との界面の隙間がなく、固相拡散していることが分かる。これは、発泡金属体は容易に変形するため基材３やシールリング７の反り、表面平坦性、平行度にきちんと追随し、さらに発泡金属体８、基材の表面めっき４、シールリング表面めっき５はいずれもＡｇで同種の金属であるため、それぞれのＡｇが固相拡散して界面の隙間がなくなったためと考えられる。このように加圧加熱後は発泡金属体８の空孔および界面の隙間が無くなった結果、リークパスとなる孔が無くなり、良好な気密性を確保することができたのではないかと考えられる。

なお、各実施例のサンプルで図１(b)のＡ部を高倍率（例えば１０，０００倍）で観察すると、加圧加熱後でも小さな空隙の存在は確認できる。しかし、貫通するようなリークパスにはなっていないため、気密性を確保することができたのではないかと考えられる。

（実施例１１〜２２）
上記結果を踏まえて、発泡金属体８の平均空孔率を８％、３０％、平均孔径を２μｍ、１０μｍとし、その厚みを２０μｍ、３０μｍ、１００μｍ，１２０μｍと変える。また、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力を３ＭＰａ、１０ＭＰａ、４０ＭＰａ、５０ＭＰａと変える。これら以外は上記実施の形態と同じである。各試験の結果を図５に示す。

図４の実施例１〜１０および図５の実施例１１〜１４に示すように、平均空孔率８〜３０％かつ平均孔径２〜１０μｍの範囲内であれば、発泡金属体８の厚みは３０〜１００μｍの範囲でリークテストの結果は◎と好ましく、基材割れテスト、導体膜剥がれテストの結果も合格となったことが分かる。

比較例１１〜１４に示すように、発泡金属体８の厚みが３０μｍより小さい２０μｍであった場合、リークテストの結果は◎でなく○となった。これは、薄くなれば変形しやすくなり、基材３やシールリング７の反りや表面平坦性、平行度に対する追随性は良くなるが、一方で厚みと比べて孔径が大きくなりすぎてしまい、加圧加熱しても空孔が残存してしまったためと考えられる。

比較例１５〜１８に示すように、発泡金属体８の厚みが１００μｍより大きい１２０μｍであった場合、リークテストの結果は◎でなく○となった。これは厚くなると加圧しても変形しにくくなり、基材３やシールリング７の反りや表面平坦性、平行度にきちんと追随できず、発泡金属体８と基材表面めっき４との界面や発泡金属体８とシールリング表面めっき５との界面に隙間が残ったためと考えられる。

実施例１１〜２２に示すように、発泡金属体８の厚みが３０〜１００μｍの範囲では、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力が５〜４０ＭＰａであれば、リークテストの結果および基材割れテストの結果が好ましく、◎であった。

比較例１９〜２２、２７〜３０に示すように、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力が５ＭＰａより小さい３ＭＰａであった場合、加圧力不足によりリークテストの結果は◎でなく○となった。

比較例２３〜２６、３１〜３４に示すように、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力が４０ＭＰａより大きい５０ＭＰａであった場合、加圧によって基材３の一部が割れてしまったが、内部の電気回路に問題はなく、○となった。

（実施例２３〜３０）
発泡金属体８の平均空孔率を８％、３０％、平均孔径を２μｍ、１０μｍ、厚みを３０μｍ、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力を５ＭＰａとし、基材３とシールリング７の気密接合時の加熱温度を１８０℃、２３０℃、２５０℃、２８０℃と変える。これら以外は上記実施の形態と同じである。各試験の結果を図６に示す。

図４の実施例１〜１０および図６の実施例２３〜３０に示すように、基材３とシールリング７の気密接合時の加熱温度が２００〜２５０℃であればリークテストの結果は◎と好ましく、基材割れテスト、導体膜剥がれテストの結果も合格となった。

比較例３５〜３８に示すように、基材３とシールリング７の気密接合時の温度が２００℃より低い１８０℃であった場合、リークテストの結果が◎ではなく○となった。これは、加熱温度が低すぎたために発泡金属体８と、基材表面めっき４およびシールリング表面めっき５との固相拡散が十分に進まなかったためと考えられる。

比較例３９〜４２に示すように、基材３とシールリング７の気密接合時の温度が２５０度より高い２８０℃であった場合、導体膜剥がれテストの結果が×となった。これは、段落０００２で述べたとおり、接合時の温度が２５０℃を超えたことで、基材３と基材導体膜１１の密着性が低下したためである。

（実施例３１〜３８）
発泡金属体８の平均空孔率を８％、３０％、平均孔径を２μｍ、１０μｍ、厚みを３０μｍ、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力を５ＭＰａ、加熱温度を２００℃とし、加圧時にシールリング７に載せる緩衝材の材質をフッ素樹脂、ポリイミド、アルミと変え、緩衝材の厚みを０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、１．０ｍｍと変える。これら以外は上記実施の形態と同じである。各試験の結果を図７に示す。

図４の実施例１〜１０および図７の実施例３１〜３８に示すように、緩衝材の材質がフッ素樹脂であり、その厚さが０．１〜１．０ｍｍであればリークテストの結果は◎と好ましく、基材割れテスト、導体膜剥がれテストの結果も合格となったことが分かる。

比較例４３〜４６に示すように、緩衝材の材質がポリイミドとした場合または比較例４７〜５０に示すようにアルミとした場合ではリークテストの結果が◎でなく○となった。また、一部（比較例４３，４４、４５、４７、４８）では基材割れが発生している。これは、ポリイミド、アルミはいずれもフッ素樹脂より硬く、片当たりを起こしやすいためであると考えられる。

比較例５１〜５４に示すように、フッ素樹脂シートの厚みが０．１ｍｍより小さい０．０５ｍｍだった場合、リークテストの結果が◎でなく○となった。これは、緩衝材が薄すぎたためにシールリング７の反り、表面平坦性、平行度を十分に吸収できず、加圧時に片当たりを起こしてしまったためと考えられる。

フッ素樹脂シートの厚みが１．０ｍｍより大きい場合、吸収性は高くなるが、緩衝材が使い捨てであることを考慮すると、コスト面、量産性の観点から０．１ｍｍが好適と考えられる。

（実施例３９〜６２）
発泡金属体８の平均空孔率を８％、３０％、平均孔径を２μｍ、１０μｍ、厚みを３０μｍ、基材３とシールリング７の気密接合時の加圧力を５ＭＰａ、加熱温度を２００℃、緩衝材の材質をフッ素樹脂、緩衝材厚みを０．２ｍｍとし、基材表面めっき４とシールリング表面めっき５のめっき種（以下、表面めっき種）をＡｕ，Ａｇ，Ｃｕとし、また発泡金属体の材質をＡｕ，Ａｇ，Ｃｕ、Ｎｉとする。なお、発泡金属種がＣｕ、Ｎｉの場合はＡｇの場合と同様に基材３とシールリング７の気密接合時の加圧加熱を還元雰囲気下で行う。いずれも加熱により酸化膜が形成されると界面での固相拡散を阻害し、かつ酸化膜の除去が困難だからである。一方、Ａｕは酸化しにくいことから発泡金属種がＡｕの場合は大気中で加圧加熱を行う。これら以外は上記実施の形態と同じである。各試験の結果を図８に示す。

図４の実施例１〜１０および図８の実施例３９〜６２に示すように、表面めっき種と発泡金属種の組み合わせ（以下、（（Ａｇ−Ａｇ）のように（表面めっき種―発泡金属種）と表す）は（Ａｕ−Ａｕ）、（Ａｕ−Ｃｕ）、（Ａｇ−Ａｇ）、（Ａｇ−Ａｕ）、（Ｃｕ−Ａｕ）、（Ｃｕ−Ｃｕ）の場合はリークテストの結果が◎と好ましく、基材割れテスト、導体膜剥がれテストの結果も合格となった。上記の組み合わせでリークテストの結果が◎となったのは、同種金属か、状態図より全率固溶であるために容易に拡散しあう組み合わせとなっているためと考えられる。

比較例５９〜６２および比較例６３〜６６に示すように、（Ａｇ−Ｃｕ）の場合および（Ｃｕ−Ａｇ）の場合ではリークテストの結果が◎でなく○となった。これは、ＡｇとＣｕは状態図より全率固溶ではないために固溶限が小さく拡散しづらい組み合わせとなっているためと考えられる。

比較例５５か〜５８に示すように、発泡金属種がＮｉの場合、リークテストの結果が◎ではなく○となっている。これは、ＮｉがＡｕ、Ａｇ、Ｃｕよりも硬いため、基材３およびシールリング７の反り、表面平坦性、平行度に追随できず、加圧時に片当たりを起こしやすいためと考えられる。

また、比較のため、発泡金属体ではないシンターＡｕを用いる場合を検討する。シンターＡｕとしてはＡｕナノ粒子ペースト（ハリマ化成製）を用いる。このシンターＡｕの溶剤はテルピネオール、Ａｕ粒子濃度は９０ｗｔ％、基材３への印刷方法はスクリーン印刷であり、表面めっき種はＡｕである。各試験の結果を図９に示す。

比較例６７に示すように、加熱温度２００℃、加圧力５ＭＰａではペースト内に含まれる溶剤が分解しづらく、一部が有機残渣として内部に残存ずるため、Ａｕ粒子同士の拡散が阻害され、リーク箇所が多いためか、リークテストの結果は×となった。また、ペーストを均一な厚みで印刷することが難しく、より片当たりが生じやすいこともリークテストの結果が×となった原因と考えられる。

比較例６８、６９に示すように、加圧力を１０ＭＰａ，５０ＭＰａと変えても気密性は改善されず、リークテストの結果は×であった。また加圧力５０ＭＰａでは基材３が著しく割れてしまい、基材割れテストの結果が×となった。

比較例７０に示すように、加熱温度を２５０℃、加圧力を１０ＭＰａでは気密性は改善されず、リークテストの結果は×であった。

比較例７１に示すように、加熱温度を２５０℃、加圧力を５０ＭＰａにした場合は、リークテストの結果は○となったが、基材３が著しく割れてしまった。加圧力を５０ＭＰａとした場合に基材３が著しく割れてしまったのは、印刷時の均一性の影響のよって片当たりが起こり、局所的に圧力が加わりやすかったためではないかと考えられる。また、シンター材の金属含有率は全印刷領域で同じとは限らず、正確にはばらついている。今回使用したＡｕナノ粒子ペーストも、仮に均一に印刷できたとしても、金属含有率が印刷箇所によって異なっていれば片当たりが生じやすく、基材割れの原因となる。金属含有率にもよるが、接合材として実用的なシンター材は焼結前と焼結後で体積が５０％程度低下する。このように、シンター材は接合後の体積収縮が大きく、印刷時のばらつきの影響が大きい。また、印刷後、大気中に放置していれば、その間に溶剤と金属粒子が分離する可能性もあり、これも基材割れおよびリークの原因となるため、管理項目が多く不利である。

比較例７２に示すように、加熱温度を２８０℃、加圧力を４０ＭＰａとした場合は、リークテストと基材割れテストの結果は○となったが、基材３と基材導体膜１１の密着性が低下し、導体膜剥がれテストの結果は×となった。

１ 半導体素子、２ 接合材、３ 基材、４ 基材表面めっき、５ シールリング表面めっき、６ 蓋材、７ シールリング、８ 発泡金属体、９ 気密封止型半導体装置、１０ シームツール、１１ 基材導体膜、１２ カバー、１３ 剥離ツール

Claims (10)

1. 基材上に搭載された半導体素子をカバーにより気密封止する気密封止型半導体装置の製造方法であって、
   平均空孔率が８〜３０％の平均空孔率を有し、かつ平均孔径が２〜１０μｍである発泡金属体を用い、前記発泡金属体を加圧加熱することにより前記基材と前記カバーを気密接合することを特徴とする気密封止型半導体装置の製造方法。
2. 前記発泡金属体の厚みが３０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の気密封止型半導体装置の製造方法。
3. 前記発泡金属体として、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＮｉを用いていることを特徴とする請求項１または２に記載の気密封止型半導体装置の製造方法。
4. 前記気密接合時の加熱温度が２００〜２５０℃であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の気密封止型半導体装置の製造方法。
5. 前記気密接合時の加圧力が５〜４０ＭＰａであることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の気密封止型半導体装置の製造方法。
6. 前記気密接合時に緩衝材として０．１〜１．０ｍｍ厚のフッ素樹脂シートを用いたことを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の気密封止型半導体装置の製造方法。
7. 基材上に搭載された半導体素子をカバーにより気密封止する気密封止型半導体装置であって、
   前記カバーと前記基材とが平均空孔率が８〜３０％の平均空孔率を有し、かつ平均孔径が２〜１０μｍである発泡金属体を用いて気密接合されていることを特徴とする気密封止型半導体装置。
8. 前記発泡金属体の厚みが３０〜１００μｍであることを特徴とする請求項７に記載の気密封止型半導体装置。
9. 前記発泡金属体として、Ａｕ、Ａｇ、ＣｕまたはＮｉを用いていることを特徴とする請求項７または８に記載の気密封止型半導体装置。
10. ヘリウムリーク量が１×１０^−１０Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項７〜９いずれか１項に記載の気密封止型半導体装置。

Images