JP3659315B2

JP3659315B2 - 半導体素子収納用パッケージの製造方法

Info

Publication number: JP3659315B2
Application number: JP36344399A
Authority: JP
Inventors: 義明植田; 多嘉男松下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: JP2001176993A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サファイア窓を通じて光の授受を行う半導体素子を収納した半導体素子収納用パッケージの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、外部と光を授受するＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の半導体素子を収納した半導体素子収納用パッケージ（以下、半導体パッケージという）の光透過窓の材料として、サファイア（単結晶アルミナ：Ａｌ2Ｏ3）が用いられており、サファイアは無色透明、高硬度および高融点等の特性を有しており、半導体パッケージの光透過窓として有用である。特に、高い光透過性を求められる半導体パッケージでは光透過窓用のサファイア窓として重用されており、半導体パッケージのセラミックスの蓋体にろう付けされる。
【０００３】
サファイア窓をろう付けする場合、円板状等のサファイア窓の一方の主面側の周縁部に接合用のメタライズ層を被着させ、そのメタライズ層を介して接合する。そのメタライズ層は、例えばモリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ），Ｍｏ−Ｍｎ合金等の高融点の金属材料をペースト化した金属ペーストを、予め表面が研磨されたサファイア窓の接合領域である周縁部に所定の幅で被着させ、炉中で約１４００℃程度の高温で還元雰囲気で焼き付けることにより、形成される（特開昭５５−９５３４５号公報、特開昭５９−９４８５４号公報、特開平７−１０６４５９号公報参照）。
【０００４】
そして、メタライズ層が被着されたサファイア窓の具体的構成を図６に示す。同図において、１２は円板状のサファイア窓、１３はサファイア窓の周縁部に被着されたメタライズ層であり、光が通過する光透過領域にかからないような幅とされる。また、図７は半導体パッケージの斜視図であり、同図において、１１は略直方体状の半導体パッケージ、１４は上面が開口を成し内部に半導体素子を収納する容器本体、１５はアルミナセラミックス等からなる蓋体である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体パッケージにおいては、サファイア窓接合用のメタライズ層を炉中で焼き付ける際に加熱された金属ペーストが飛散し、飛散した金属ペーストがサファイア窓中央部の光透過領域内に焼き付き、光透過性が劣化するという問題点があった。また、この金属ペーストを炉中で焼き付ける際に、炉壁から剥がれた異物がサファイア窓の光透過領域内に付着し焼き付く場合もあり、上記と同様の問題点を有していた。
【０００６】
このような問題は、例えば光ファイバを介し光信号を授受する窓としてサファイア窓を用いる半導体パッケージの場合、光信号と半導体素子との光の結合効率を損なわせたり、またＣＣＤ用の半導体パッケージの場合には、ＣＣＤで検出された映像に黒点として現れる等の悪影響を及ぼしていた。
【０００７】
そして、サファイア窓の光透過領域内に焼き付いた金属ペーストや異物を除去するには、サファイア窓の表面を研磨等によって削り取る方法があるが、この場合、ろう付け用のメタライズ層は除去しないようにしなければならず、従って金属ペーストや異物の除去作業は非常に困難であるとともに、除去可能であるとしても多大な時間を必要とし、実用性に乏しいものであった。
【０００８】
また、従来、サファイア窓を用いた半導体パッケージの生産量が試作する程度に少量の場合、サファイア窓の光透過領域内に焼き付いた金属ペーストや異物が皆無の良品のサファイア窓を手作業で選別する作業が行なわれていたが、この選別には多大な時間を必要とするため、サファイア窓を有する半導体パッケージを大量生産する場合そのような作業は現実的ではなかった。
【０００９】
従って、本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、光透過領域に金属ペーストや異物等が付着するのを有効に防止して、きわめて光透過性の良好なサファイア窓付き半導体パッケージを高い歩留まりで生産性良く作製可能とすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体素子収納用パッケージの製造方法は、上面が開口とされた容器本体の内部に半導体素子を収容し、前記開口にセラミックスから成り窓部が開けられた蓋体を取着する工程と、前記窓部にサファイア窓の一方の主面側の周縁部をろう付けする工程とを具備する半導体素子収納用パッケージの製造方法において、前記サファイア窓は、一方の主面側の周縁部に所定幅で全周にわたる溝部または段差部を形成し、前記主面の全面にメタライズ層を被着し、前記主面の前記サファイア窓表面とメタライズ層の表面とが面一となるように研磨した後、前記窓部にろう付けされることを特徴とする。
【００１１】
本発明は、上記構成により、サファイア窓の光透過領域内に金属ペーストや異物等が付着しないようにすることが有効かつ効率良く実現でき、また光透過性が良好なサファイア窓付き半導体パッケージを高い歩留まりで生産性良く作製可能となる。即ち、半導体パッケージにろう付けされるサファイア窓の光透過領域内に金属ペーストや異物等が焼き付くのを有効に防止でき、その結果光透過性を非常に良好にできるとともに量産性に優れたサファイア窓付き半導体パッケージを容易に生産できる。
【００１４】
本発明は、このような構成により、光透過性がきわめて良好なサファイア窓付き半導体パッケージを高い歩留まりで生産性良く作製できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を以下に詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明のサファイア窓付き半導体パッケージの実施形態の一例を示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は本発明の半導体パッケージ用のサファイア窓の断面図および平面図である。これらの図において、１は略直方体状の半導体パッケージ、２はサファイア窓、３はＣＣＤ，フラッシュメモリ等の半導体素子である。この半導体パッケージ１とサファイア窓２とで、内部に半導体素子３を収容するための容器が構成される。
【００１６】
本発明の半導体パッケージ１は、半導体素子３を収納するための容器であり、銅（Ｃｕ）−タングステン（Ｗ）合金や鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金等の金属材料と、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスや窒化アルミニウム（ＡｌＮ）セラミックス等のセラミックス材料からなる各部品を接合する、または一体成形することで構成される。
【００１７】
この半導体パッケージ１は、例えば図１（ａ）に示すように、表面に半導体素子３を搭載するための搭載部を有するとともに、半導体素子３が動作時に発する熱を放散するための高い熱伝導率を有するＣｕ−Ｗ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等から成る放熱板１ａを用い、また放熱板１ａの上面には、半導体素子３を囲繞するように枠状に形成されたＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等から成る枠体１ｂを銀ろう等のろう材を介して接合する。更に、この枠体１ｂの上面に、サファイア窓２と熱膨張係数が近似しその略中央部に窓部４が開けられたアルミナセラミックス等のセラミックスから成る蓋体１ｃを銀ろう等のろう材を介して接合している。
【００１８】
放熱板１ａは、Ｃｕ−Ｗ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の合金のインゴットに圧延加工や打ち抜き加工等の従来周知の金属加工を施すことによって所定の形状に製作される。また、枠体１ｂは、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等を用いて、放熱板と同様の金属加工を施すことによって所定の形状に製作される。
【００１９】
また、この放熱板１ａや枠体１ｂには、その表面に耐蝕性に優れかつろう材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層と厚さ０．５〜５μｍのＡｕ層を、順次メッキ法により被着させておくと、放熱板１ａや枠体１ｂが酸化腐蝕するのを有効に防止でき、また放熱板１ａ上面に半導体素子３を強固に接着固定できる。したがって、放熱板１ａや枠体１ｂの表面に、０．５〜９μｍのＮｉや０．５〜５μｍのＡｕ等の金属層をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００２０】
なお、放熱板１ａや枠体１ｂがセラミックス材料の場合には、例えば図１（ｂ）に示すように、放熱板１ａの部位と枠体１ｂの部位が一体に成形された容器本体１ｄを用いても良く、更には図１（ｃ）に示すように、放熱板１ａの部位と枠体１ｂの部位および蓋体１ｃの部位が一体成形されたものを用いても良い。この場合、容器本体の上面の開口は、蓋体部分の窓部に一致することとなる。
【００２１】
一方、蓋体１ｃ用のアルミナセラミックス等のセラミックスは、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂０₃），酸化珪素（ＳｉＯ₂），酸化マグネシウム（ＭｇＯ），酸化カルシウム（ＣａＯ）等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合してペースト状となすとともに、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得て、しかる後、このセラミックグリーンシートに窓部４用の貫通孔を設ける等の適当な打ち抜き加工を施すとともに、このセラミックグリーンシートを上下に複数枚積層して、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２２】
また、本発明の蓋体１ｃは、その一方の主面側の周縁部であって枠体１ｂ上面に接合される部位と、前記主面の窓部４の周縁部であってサファイア窓２の周縁部に接合される部位とに、ろう付けのためのメタライズ層２ｂが形成されており、そのメタライズ層２ｂ上には、放熱板１ａや枠体１ｂと同様にＮｉ層とＡｕ層が順次メッキ法により被着されている。
【００２３】
このメタライズ層２ｂはＷ，Ｍｏ，Ｍｎ等で形成されており、例えばＷ等の粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、蓋体１ｃ用のセラミックグリーンシートに予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって形成される。このような蓋体１ｃは、枠体１ｂの上面に銀ろう等のろう材を介して接合されるとともに、その一主面側の窓部４の周縁部に、サファイア窓２の一主面側の周縁部が金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）合金ろう材等のろう材を介して接合される。
【００２４】
また、蓋体１ｃに接合されるサファイア窓２は、図２に示すように、その一方の主面の周縁部に所定幅で全周にわたって形成された段差部２ａが形成され、従って前記主面には、段差部２ａに被着形成されたメタライズ層２ｂおよび光透過領域とを有している。
【００２５】
本発明において、段差部２ａおよびメタライズ層２ｂは具体的には以下のように形成される。例えば、円板状のサファイア窓２の一主面側の周縁部を回転式のダイヤモンドソー等により研削することで、深さ５０μｍ程度で外周端から５００μｍ程度の幅を有する段差部２ａを形成する。その後、この段差部２ａを形成した主面の全面に、Ｍｏ／Ｍｎ粉末（Ｍｏ粉末，Ｍｎ粉末を混合させた粉末）等に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストを、スクリーン印刷法等により印刷塗布し、還元雰囲気下，１３５０〜１４５０℃程度で４〜５時間程度焼成することによって焼き付ける。
【００２６】
このように、サファイア窓２の一主面全面に焼き付いたＭｏ／Ｍｎ等のメタライズ層を、サファイア窓２表面が現れるまで研削し、サファイア窓２表面が現れたならば鏡面研磨を施す。かくして、得られた清浄な表面と段差部２ａに焼き付いたＭｏ／Ｍｎ等のメタライズ層２ｂとを有するサファイア窓２を得る。このメタライズ層２ｂ上に、放熱板１ａや枠体１ｂと同様にＮｉ層とＡｕ層を順次メッキ法により被着しておき、このメッキ層と、蓋体１ｃの接合部を有する主面の窓部４の周縁部に被着されているメッキ層とを、Ａｕ−Ｓｎ等のろう材を介して接合することによってサファイア窓付き半導体パッケージが製作される。
【００２７】
即ち、本発明のサファイア窓２の製造方法は以下の工程［１］〜［４］のようになる。
［１］サファイア窓２の一主面側の周縁部に、研削により段差部２ａを形成する。
［２］段差部２ａを形成した主面の全面にメタライズ層２ｂを被着させる。
［３］サファイア窓２の一主面全面に被着したメタライズ層２ｂを、サファイア窓２表面が現れるまで研削する。
［４］サファイア窓２表面が現れたら鏡面研磨を施し、サファイア窓２の段差部２ａを除く表面からメタライズ層２ｂが除去され、サファイア窓２表面とメタライズ層２ｂとが面一となるように研磨する。
【００３２】
本発明において、段差部２ａの深さは１０〜１５０μｍであるのが良く、１０μｍ未満の場合、メタライズ２ｂが薄すぎるため、サファイア窓２の研削時にメタライズ２ｂが一緒に研削され消失し、接合性が損なわれるおそれがあり、一方１５０μｍを超える場合、この深さの段差部２ａに金属ペーストを印刷塗布するのが困難となる傾向にある。したがって、段差部２ａの深さは１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。
【００３３】
また、本発明のメタライズ２ｂおよびサファイア窓２の研磨については、それらのＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）写真による表面観察および断面観察を行うことにより、研磨を施したことを容易に特定することができる。
【００３４】
また、段差部２ａの幅はサファイア窓２中心部の光透過領域の外側で２５０μｍ以上であるのが良く、幅が２５０μｍ未満の場合、段差部２ａの幅が非常に狭いためサファイア窓２による半導体素子３の気密性が損なわれる傾向にある。すなわち、サファイア窓２と半導体パッケージ１との接合性が非常に脆弱なものとなり、たとえ接合当初は気密性が良好であっても、温度サイクル試験や熱衝撃試験等の熱付加による試験を行なった際にろう材にクラック等が発生し、その結果半導体パッケージ１内部の気密性が破れる場合がある。
【００３５】
一方、サファイア窓２の光透過領域にかかるような大きな幅でろう材の接合部が形成されている場合、透過する光量が減少するため、例えば光ファイバを介し光信号を授受する窓としてサファイア窓２を用いる半導体パッケージ１の場合、光信号と半導体素子３との光の結合効率が損なわれてしまう。したがって、段差部２ａの幅はサファイア窓２中心部の光透過領域の外側で２５０μｍ以上とすることが好ましい。
【００３６】
このように、本発明のサファイア窓２付き半導体パッケージ１は、金属材料またはセラミックス材料から成る容器本体と、セラミックスからなり窓部４が形成された蓋体１ｃと、蓋体１ｃの一主面の窓部４に接合されたサファイア窓２とから、基本的に構成される。そして、容器本体内に半導体素子３を搭載し外部との電気的接続が行なえるようにした後、蓋体１ｃの略中央部に貫通孔として形成された窓部４に、サファイア窓の周縁部に所定幅で全周にわたって切り欠かれた段差部、例えば深さが１０μｍ〜１５０μｍであり、幅がサファイア窓２中心部の光透過領域の外側で２５０μｍ以上である段差部２ａを、サファイア窓２の周縁部の全周にわたって形成するとともに、この段差部２ａに被着したメタライズ層２ｂを介してろう付けすることによって、製品としての半導体装置となる。
【００３７】
かくして、本発明は、サファイア窓の光透過領域内に金属ペーストや異物が焼き付き、光透過性が劣化するのを有効に防止し得るとともに、半導体パッケージ内部の気密性を長期にわたって維持することができる。また、本発明の半導体パッケージの製造方法は、従来のような金属ペーストや異物の焼き付きが皆無の良品のサファイア窓を選別する作業が不要となり、高い光透過性を有するサファイア窓付き半導体パッケージを、作業性良く、高い歩留まりで大量生産することが可能となる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等支障ない。
【００３９】
例えば、上記実施形態では、図２に示した段差部２ａ、即ちサファイア窓２の外周端から主面の中心側に向けて所定幅で全周にわたって切り欠いた段差部２ａについて説明したが、本発明の他の実施形態として、図３に示すようにサファイア窓２の周縁部を外周端まで至らない幅で全周にわたって切り欠いた溝部２ａ'を形成しても良く、この場合も上記の本発明の効果が得られる。
【００４０】
また、上記実施形態では、蓋体１ｃの上面にサファイア窓２を接合しているが、図４に示すように蓋体の下面に接合しても良い。この場合、サファイア窓２の厚さ分だけ半導体パッケージ１の高さを低くすることができ、小型化に対し非常に有効である。さらに、サファイア窓２は円板状としているが、図５に示すように四角形等の多角形であっても良い。ただし、この場合には接合の際に角部に応力が集中し接合性が脆弱となる傾向にあるため、角部にＲを付与し丸めた形状とするほうが望ましい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、サファイア窓の周縁部は所定幅で全周にわたる溝部または段差部が形成されるとともに主面の全面にメタライズ層が被着され、メタライズ層の表面と主面のサファイア窓表面とが面一となるように研磨されていることにより、サファイア窓の光透過領域内に金属ペーストや異物等が付着しないようにすることが有効かつ効率良く実現でき、また光透過性が良好なサファイア窓付き半導体パッケージを高い歩留まりで生産性良く作製可能となる。即ち、半導体パッケージにろう付けされるサファイア窓の光透過領域内に金属ペーストや異物等が焼き付くのを有効に防止でき、その結果光透過性を非常に良好にできるとともに量産性に優れたサファイア窓付き半導体パッケージを容易に生産できる。
【００４２】
本発明の半導体素子収納用パッケージの製造方法は、サファイア窓は、一方の主面側の周縁部に所定幅で全周にわたる溝部または段差部を形成し、主面の全面にメタライズ層を被着し、主面のサファイア窓表面とメタライズ層の表面とが面一となるように研磨した後、窓部にろう付けされることにより、光透過性がきわめて良好なサファイア窓付き半導体パッケージを高い歩留まりで生産性良く作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の半導体パッケージの実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の半導体パッケージ用のサファイア窓を示し、（ａ）はサファイア窓の断面図、（ｂ）はサファイア窓の平面図である。
【図３】本発明のサファイア窓の他の実施形態を示し、（ａ）はサファイア窓の断面図、（ｂ）はサファイア窓の平面図である。
【図４】本発明の半導体パッケージの他の実施形態を示す断面図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明のサファイア窓の他の実施形態を示す断面図と平面図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は従来の半導体パッケージ用のサファイア窓の断面図と正面図である。
【図７】従来の半導体パッケージの斜視図である。
【符号の説明】
１：半導体パッケージ
１ｃ：蓋体
２：サファイア窓
２ａ：段差部
２ｂ：メタライズ層
３：半導体素子
４：窓部

Claims

上面が開口とされた容器本体の内部に半導体素子を収容し、前記開口にセラミックスから成り窓部が開けられた蓋体を取着する工程と、前記窓部にサファイア窓の一方の主面側の周縁部をろう付けする工程とを具備する半導体素子収納用パッケージの製造方法において、前記サファイア窓は、一方の主面側の周縁部に所定幅で全周にわたる溝部または段差部を形成し、前記主面の全面にメタライズ層を被着し、前記主面の前記サファイア窓表面とメタライズ層の表面とが面一となるように研磨した後、前記窓部にろう付けされることを特徴とする半導体素子収納用パッケージの製造方法。