JP4412820B2 - 素子収納用パッケージおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、素子収納用パッケージに関し、特に、Ｈｅガスを用いたパッケージの気密性評価および品質保証が可能な素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、半導体素子やフィルター素子を収容するセラミックパッケージとして、電気絶縁性や化学的安定性等の特性に優れたアルミナ質セラミックスが多用されてきた。
【０００３】
しかし、近年、携帯電話に代表される通信分野における８００ＭＨｚ帯以上の高周波領域で多用されるセラミックパッケージには、前記アルミナ質セラミックスから成る絶縁基板よりも更に導体損失の低減と小型化が要求されており、このため、導体配線層を銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの低抵抗導体によって形成し、絶縁基板を誘電率がアルミナ質セラミックスと同様のガラスセラミック焼結体によって形成したガラスセラミックパッケージが注目されている。
【０００４】
また、本出願人は、特開平１０−２７５９６３号公報において、高周波帯で用いられるガラスセラミックスを絶縁基板とするパッケージの高周波特性である誘電率および誘電損失を低減するためには、ガラスセラミックス中に存在するＳｉＯ2の含有比率を高めることが有効であることを提案した。
【０００５】
一方、絶縁基板としてガラスセラミック焼結体を用いたセラミックパッケージは、例えば、焼成時に結晶相を析出する、いわゆる結晶化ガラスなどのガラス粉末とセラミックフィラー粉末とからなるガラスセラミック原料粉末と、有機バインダー等を用いて調製したスラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製し、そのグリーンシートにビアホールや半導体素子等を搭載するためのキャビティ等を打ち抜き加工した後、ビアホール内に低抵抗金属を主成分とする導体ペーストを充填すると共に、前記グリーンシート上に同様の導体ペーストを配線パターンに印刷塗布し、これらを複数枚位置合わせして積層一体化した後、水蒸気を含有する窒素雰囲気から成る非酸化性雰囲気中で加熱して脱バインダー及び焼成することにより作製される。
【０００６】
その後、焼成された基板の表面に半導体素子を搭載し、セラミックスや金属からなる蓋体を基板に接合することにより、半導体素子を気密に封止することができる。
【０００７】
このようなパッケージにおいて、その気密信頼性の評価方法としては、一般的にはＭＩＬ−ＳＴＡＮＤＡＲＤ：８８３の方法１０１４が用いられている。この方法は、蓋体によって気密封止したパッケージを気密チャンバーに入れＨｅガスで所定条件にて加圧した後、パッケージを取り出し、次にリーク検出器を用いてパッケージ内に圧入されたＨｅガスを真空中で引き出して、引き出されたＨｅガスの濃度を測定することにより、気密性が評価され、その検出されるＨｅガス濃度が低いほど気密性が高いとして評価される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したようにＳｉＯ2を主成分とするガラス相を含有するガラスセラミックスを絶縁基板とするパッケージにおいては、上記のような気密性の評価をおこなった場合、Ｈｅガス中での加圧処理時にＨｅがガラスセラミックス中にトラップされ、真空中でトラップされたＨｅが引き出されることにより、蓋体の封止不良によって観測されるＨｅガスに加えて、ガラスセラミックス中にトラップされたＨｅガスがガラスセラミックス外部へ遊離して検出されてしまうために、蓋体の封止性を正確に測定することができず、セラミックパッケージの気密性の保証ができないという問題があった。
【０００９】
ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とするセラミックパッケージの気密封止性については、例えば、実公平７−９３８２号では、Ｐｂ−Ｓｎ半田による封止部におけるメタライズ接着強度の改善などが提案されているにすぎず、Ｈｅガスのトラップ現象については、ほとんど検討されていないのが現状である。
【００１０】
従って、本発明は、Ｈｅガスのトラップが極めて少ないガラスセラミックスを絶縁基板とし、Ｈｅガスを用いて正確な気密性の保証が可能な素子収納用パッケージを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のガラスセラミックスのＨｅガスのトラップ現象について種々検討を重ねた。その結果、第一には、ガラスセラミックスを焼成する際に発生するボイド（気孔）内にＨｅガス分子がトラップされること、第二には、ＳｉＯ2を主成分とするガラス相にはＳｉＯ2が形成するＳｉ−Ｏのネットワークが形成されているが、このＳｉ−Ｏのネットワーク中には空隙が存在しており、この空隙内を気密性評価時に導入される高圧のＨｅガス分子が透過してしまうためにＨｅガス分子がガラスセラミックス中へトラップされることによるものと考えられる。
【００１２】
そこで、ＳｉＯ2を主成分とするガラス相中へのＨｅ分子のトラップを防止する方法について検討した結果、ＳｉＯ2を主成分とするガラスとアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有する酸化物とセラミックフィラーとの混合物、あるいはＳｉＯ2を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラスとセラミックフィラーとの混合物を、少なくとも前記ガラスの軟化点より１０℃低い温度以上における昇温速度を１０℃／分以下でガラスの軟化点以上に昇温し、焼成することによって、得られるガラスセラミックスの開気孔率を低減できるとともに、上記Ｓｉ−Ｏのネットワークによって形成された空隙中にアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を存在させることができる結果、ガラスセラミックス中へのＨｅの透過速度を遅くしてガラスセラミックス中のＨｅのトラップを抑制できることから、Ｈｅのトラップ現象を抑制し、気密性の正確な評価が可能となることを見いだした。
【００１３】
即ち、本発明の素子収納用パッケージは、表面に素子が実装される絶縁基板と、該絶縁基板表面に設けられ前記素子を気密に封止する蓋体とを具備する素子収納用パッケージであって、前記絶縁基板が、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有し、前記ガラス相中における前記ＳｉＯ ２ の含有量が５０乃至６５重量％、前記アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の含有量が前記ガラス相中のＳｉＯ ２ １００重量部に対して酸化物換算による総量で５乃至４００重量部であるとともに、開気孔率が２％以下であり、かつ２５℃、４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒したときのＨｅ吸着量が５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であるガラスセラミックスからなることを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、前記ガラスセラミックス中に、特に、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、ガーナイト、クォーツ、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケート、リチウムシリケート、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種をガラスから析出した結晶相として具備することが望ましい。
【００１５】
また、前記ガラス相中のＰｂＯおよび／またはＢ2Ｏ3の含有量が総量で４０重量％以下であることが望ましい。
【００１６】
さらに、前記セラミックフィラーが、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケート、リチウムシリケート、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種からなることが望ましい。
【００１７】
また、前記絶縁基板の表面および／または内部にＣｕまたはＡｇを主成分とする導体配線層を具備することが望ましい。
【００１８】
また、本発明の素子収納用パッケージの製造方法は、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、Ｂ ２ Ｏ ３ および／またはＡｌ ２ Ｏ ３ と、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属とを含有するとともに、平均粒径が２μｍ以下の粉末からなるガラス５０乃至９５重量％と、セラミックフィラー５乃至５０重量％との比率で含有する混合物、または少なくともＳｉＯ２を主成分とし、Ｂ ２ Ｏ ３ および／またはＡｌ ２ Ｏ ３ を含有するとともに、平均粒径が２μｍ以下の粉末からなるガラス５０乃至９５重量％と、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有する複合酸化物とセラミックフィラーとの合計で５乃至５０重量％との比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、少なくとも前記ガラスの軟化点より１０℃低い温度以上における昇温速度を１０℃／分以下でガラスの軟化点以上に昇温して焼成しガラスセラミックスからなる絶縁基板を作製した後、該絶縁基板表面の半導体素子実装部を含む前記絶縁基板表面を蓋体にて封止することを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の素子収納用パッケージの一例についての概略断面図を図１に示した。
図１によれば、素子収納用パッケージＡは、ガラスセラミックスからなる絶縁基板１の表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低融点金属からなる導体配線層２が被着形成され、導体配線層２は絶縁基板１の表面に搭載される半導体素子３とワイヤボンディング４などによって電気的に接続されている。
【００２１】
本発明によれば、絶縁基板１がＳｉＯ2を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有するガラスセラミックスからなるとともに、絶縁基板１の開気孔率が２％以下、特に１％以下、さらに０．５％以下であることが重要である。
【００２２】
すなわち、上記ガラスセラミックスの開気孔率が２％より多いと、絶縁基板内にトラップされるＨｅ量が多くなりパッケージの正確な気密封止性を評価することができないためであり、また、ガラス相がＳｉＯ2を主成分とする、特にガラス相中のＳｉＯ2の含有量が５５重量％以上、特に６０重量％以上の場合、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有しないとガラス相中のＳｉ−Ｏのネットワーク中に存在する空隙内にトラップされるＨｅ量が増加してパッケージの正確な気密封止性を評価することができないためである。
【００２３】
なお、ガラス相中のＳｉＯ2の含有量が増加するとガラスセラミックスのミリ波等の高周波帯における誘電損失が低下でき、導体配線層２および導体配線層５に高周波信号を伝送した場合でも信号の伝送損失を低減することができる。また、ガラス相中のＨｅトラップ量を低減する点で、ガラス相中のＳｉＯ2の含有量は７０重量％以下、特に６５重量％以下であることが望ましい。
【００２４】
さらに、Ｓｉ−Ｏネットワーク中に存在する空隙径を小さくするとともに、高周波帯でのガラスセラミックスの誘電損失を低減する点で、ガラス相中のアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ）およびアルカリ土類金属（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の含有量は酸化物換算による総量で５〜５０重量％、特に９〜３０重量％であることが望ましく、特にアルカリ金属の含有量は１０重量％以下、さらに１重量％以下であること、アルカリ土類金属の中でもＳｒを必須として含有することが望ましい。
【００２５】
なお、本発明における上記開気孔率とは、絶縁基板表面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）から求められる気孔２０個についての面積比率に基づくものである。
【００２６】
また、このガラス相中には、Ｓｉ、アルカリ金属およびアルカリ土類金属以外に、用いるガラスやフィラーによって、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎなどの種々の金属元素が含まれる場合もあるが、Ｓｉ量、アルカリ金属およびアルカリ土類金属量が上記の範囲を逸脱しなければ、前記他の金属が含まれていても問題はない。
【００２７】
さらに、上記ガラスセラミックスの高周波帯での誘電損失を低減するためには、ガラス相中のＰｂＯ、Ｐ2Ｏ5およびＢ2Ｏ3の含有量は、酸化物換算による総量で４０重量％以下、特に２０重量％以下、さらにＰｂＯの含有量が１０重量％以下、特に５重量％以下、さらに１重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
なお、上記ガラスセラミックス中には、ガラスから、例えば、エンスタタイト（ＭｇＳｉＯ3）、スラウソナイト（ＳｒＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、アノーサイト（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、セルジアン（ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、コージェライト（Ｍｇ2Ａｌ4Ｓｉ5Ｏ18）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ガーナイト（ＺｎＡｌ2Ｏ4）、クォーツ（ＳｉＯ2）、アケーメナイト（Ｓｒ2ＭｇＳｉ2Ｏ7）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ3）、フォルステライト（ＭｇＳｉＯ4）、ストロンチウムシリケート（ＳｒＳｉＯ3）、カルシウムシリケート（ＣａＳｉＯ3）、バリウムシリケート（ＢａＳｉＯ3）、リチウムシリケート（Ｌｉ2ＳｉＯ3）、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート（Ｋ2ＳｉＯ3）、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート（Ｎａ2ＳｉＯ3）、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相が析出することが望ましく、これによって、Ｈｅガス分子トラップ（吸着）の原因となるとともに高周波特性を決定するガラス相中の各成分の含有比率を適正化し、低誘電損失化、高強度化、誘電率および熱膨張係数の調整が可能となるとの作用効果を有する。
【００２９】
また、上述した結晶相のうち、ミリ波帯での誘電損失が低く導体配線層２を伝送する高周波信号の伝送損失を低減するために、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケートの群から選ばれる少なくとも１種、さらにスラウソナイトが好適に使用される。
【００３０】
一方、セラミックフィラーとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケートの群から選ばれる少なくとも１種が好適である。
【００３１】
また、絶縁基板１の裏面には、他の電気回路と半田などのロウ材によって接続するための導体配線層５が形成されている。また、この導体配線層５には、適宜、半田ボールやリードピンなどの接続端子を取付けて他の電気回路と接続する場合もある。この導体配線層５は、絶縁基板１の表面に形成された導体配線層２とスルーホール導体６等によって電気的に接続されている。
【００３２】
導体配線層２および導体配線層５にて８００ＭＨｚ以上、望ましくは１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送する場合には、導体配線層２および導体配線層５は伝送損失を低減するためにストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路および導波管線路のうちの１種にて構成されることが望ましい。
【００３３】
蓋体７は、絶縁材料、特に絶縁基板１と同じガラスセラミックス、またはコバー（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、熱膨張係数５〜６×１０-6／℃）、４２アロイ（熱膨張係数９〜１０×１０-6／℃）、５０アロイ（熱膨張係数６．５〜７．５×１０-6／℃）、銅（熱膨張係数１９×１０-6／℃）等の金属等によって構成され、半田などの封止用金属層８によって封止のために形成された導体配線層２に対して接合されるが、絶縁基板１の熱膨張係数と蓋体７の熱膨張係数との差は半導体素子３が収納されるキャビティ９の気密封止性を向上する点で１×１０-6／℃以下であることが望ましい。
【００３４】
さらに、半導体素子３が実装される絶縁基板１の裏面にパッチアンテナ、平面アンテナ、スロットアンテナ等のアンテナ素子、フィルタ、コンデンサ、共振器等の他の電子部品を実装することもできる。
【００３５】
このようなパッケージを作製するには、ＳｉＯ2を含有するガラス、例えば、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3およびＡｌ2Ｏ3を含有するガラス粉末を５０〜９５重量％、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属酸化物を含有するセラミックフィラー粉末を５〜５０重量％の割合で添加混合する。ガラス粉末とセラミックフィラー粉末との配合比率は、パッケージ作製時に導体配線層を銅、銀などの低融点金属によって構成し、ガラスの軟化点以上の温度で、かつ導体配線層と同時焼成するに適した温度、例えば、８００〜１０００℃の温度で相対密度９５％以上で、特に開気孔率２％以下に緻密化できるように決定される。
【００３６】
ガラス粉末量が５０重量％よりも少なく、セラミック粉末量が５０重量％よりも多いと、焼結不良となり、緻密化できない場合が多く、ガラス粉末量が９５重量％よりも多く、セラミックフィラー量が５重量％よりも少ないと、焼成収縮がより低温から進行するため、導体配線層を銅によって形成した場合にＮ2＋Ｈ2Ｏなどの雰囲気中での十分な有機バインダーの除去が難しくなるためである。
【００３７】
ＳｉＯ2を含有するガラスとしては、特に８００〜１０００℃の温度で焼結可能なホウケイ酸系結晶化ガラスが好適に採用でき、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3以外に、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどのアルカリ金属酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯなどのアルカリ土類金属、さらにはＺｒＯ2、ＺｎＯ、ＴｉＯ2などを含有してもよい。
【００３８】
ガラス中のＢ2Ｏ3は、低温での液相の生成を助長し、低温での焼結性を促進する成分であり、また、Ａｌ2Ｏ3は、後述するアルカリ土類金属酸化物やＳｉＯ2との反応によって、結晶相の析出の促進と、非晶質相中のＳｉＯ2量を低減する作用をなす。
【００３９】
従って、ガラス原料中には、ＳｉＯ2を３０〜７０重量％、Ｂ2Ｏ3を５〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3を１０〜４０重量％の割合で含有することが望ましい。また、ガラス粉末の粒径は、焼結性を向上し、開気孔率を低下させ、ガラス相のＳｉ−Ｏネットワーク中へのアルカリ金属および／アルカリ土類金属の分散性を向上させるために、３μｍ以下、特に１．８μｍ以下であることが望ましい。
【００４０】
一方、アルカリ土類金属酸化物を含むセラミックフィラーとしては、特に、ホウケイ酸系ガラスとの反応性が高い点において、ＣａＺｒＯ3、ＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＳｒＺｒＯ3、ＳｒＳｉＯ3、ＢａＴｉＯ3およびＭｇＴｉＯ3のうちの少なくとも１種が好適である。これらのフィラーは焼成時にホウケイ系結晶化ガラスと反応してアルカリ土類金属酸化物が分解し、分解したアルカリ土類金属酸化物は、ガラス中のＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3と反応して、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）やコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）などのＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−アルカリ土類金属酸化物系の複合酸化物結晶相を析出する。このような反応による前記複合酸化物結晶相の析出によって、最終焼結体中の結晶相間に存在する非晶質相中のＳｉＯ2量を調整することができる。
【００４１】
また、上記結晶相が析出する場合、焼結体中に含まれるアルカリ土類金属が結晶相としてすべて消費されず、非晶質相中に残存させるためには、焼結体中のアルカリ土類金属量を結晶化に消費される量よりも多くのアルカリ土類金属を含有させることにより、非晶質相中のアルカリ土類金属量を増加させることが可能となる。
【００４２】
このようにして調製された混合粉末に、成形用の有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合してスラリーを作製する。有機バインダーとしては、低温での熱分解性に優れたメタクリル酸系の樹脂が好適である。また可塑剤にはフタル酸ジブチル、溶剤にはトルエンを使用することが好適である。
【００４３】
次に、得られたスラリーをドクターブレード法でグリーンシートに成形し、グリーンシートに、適宜パンチング、マイクロドリル、レーザーなどによってビアホールとキャビティなどの加工を行い、ビアホールに、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低融点金属粉末を含有する導体ペーストを充填した後、同様の導体ペーストを用いて配線パターンをスクリーン印刷法などによって印刷する。絶縁基板表層となるグリーンシートには、蓋体を接合するための封止用金属層パターン状に導体ペーストが印刷塗布される。
【００４４】
導体ペースト中には、前記低融点金属粉末に加え、焼成時の反りや導体の接合強度を改善するために軟化点を調整したガラス、さらには有機バインダー、溶媒を添加混合する。Ｃｕを導体材料とする場合は非酸化性の雰囲気下での脱バインダーが必要となるため、導体ペーストのバインダーにはグリーンシートと同様に熱分解性に優れたメタクリル酸系の樹脂を使用することが望ましい。
【００４５】
上記のように、作製されたグリーンシートを複数層積層一体化した後、ガラスの軟化温度より１０℃以上低い温度、例えば、７００〜８００℃にて脱バインダーを行った。その後に、この脱バインダー温度以上で、すなわちガラスの軟化温度より１０℃以上、特に２０℃以上、さらに３０℃以上低い温度以上の昇温速度を１０℃／分以下、特に６℃／分、さらに４℃／分の速度にて８００℃以上、特に８００〜１０５０℃、さらに８５０〜１０００℃の温度で焼成する。
【００４６】
ここで、上記ガラスの軟化温度より１０℃以上低い温度以上の昇温速度が１０℃／分より速いと、絶縁基板１を構成するガラスセラミックス中にボイドが発生し絶縁基板１の開気孔率が２％を越える結果、絶縁基板１内へのＨｅトラップ量が５×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃを越えてしまい、パッケージの封止性を正確に評価することができないためである。
【００４７】
なお、上記焼成については、Ａｇを主成分とする導体材料とする場合は大気中で焼成し、Ｃｕを主成分とする導体材料とする場合は窒素に水蒸気を混合した雰囲気で焼成することが望ましい。その後、焼成された基板に対して、Ｃｕを導体材料とする場合は、ＮｉやＣｕ等の下地メッキの上にＡｕメッキを施す。
【００４８】
そして、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ等の半導体素子やフィルタ素子等の素子を基板表面にフリップチップ実装やワイヤーボンディング実装した後、該素子を覆うように基板表面に蓋体を接合する。蓋体の接合は、Ａｕ−ＧｅやＡｕ−Ｓｎ等のＡｕ系ろう材や、Ｐｂ−Ｓｎ等の半田、またはＰｂ系のガラスを用いて、基板表面に封止用金属層に接合することにより、半導体素子を気密に封止した半導体装置を作製することができる。
【００４９】
【実施例】
表１に示す成分および平均粒径からなるガラス粉末を準備した。
【００５０】
【表１】
【００５１】
表１のガラス粉末に対して、表２、３に示すような割合でセラミックフィラーを配合し、有機バインダーとしてメタクリル酸イソブチル樹脂を固形分で１２重量％、可塑剤としてフタル酸ジブチルを６重量％添加し、トルエン及び酢酸エチルを溶媒としてボールミルにより４０時間混合しスラリーを作製した。そして、このスラリーを用いてドクターブレード法によりシート状に成形し厚さ０．３ｍｍのガラスセラミックグリーンシートを作製した。
【００５２】
次に、上記グリーンシートの所定位置にビアホールを開口し、導体ペーストを充填し、該グリーンシート表面の所定位置にスクリーン印刷法にて所定パターンのメタライズ導体配線層を形成した後、該グリーンシート１０〜２０枚を重ねて加圧積層した。
【００５３】
そして、上記積層体を、水蒸気を含む窒素雰囲気中で７５０℃にて３時間脱バインダ処理を行った後、表２、３に示す昇温速度、温度で焼成し、５０ｍｍ×５０ｍｍサイズの配線基板を作製した。
【００５４】
作製した配線基板に対して、その表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真からルーゼックス解析法によって開気孔率を測定した。また、絶縁基板のＸ線回折測定を行い、検出された結晶相およびリートベルト法によって磁器中のガラス相の比率を算出した。さらに、絶縁基板の結晶相の粒界に存在するガラス相の組成を透過型電子顕微鏡写真にて観察しながら、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）および電子エネルギーロススペクトル分析（ＥＥＬＳ）によって分析を行い、ガラス相中のＳｉＯ2の比率を算出した。
【００５５】
そして、このセラミック基板を４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒した後に、真空中に保持してＨｅリークディテクターにてガラスセラミック基板から放出されたＨｅ量を測定し、その結果をＨｅ吸着量として表２、３に示した。なお、試料Ｎｏ．１３、１９は参考例である。
【００５６】
また、上述したグリーンシートを１０〜１５枚積層して上記と同様の条件にてガラスセラミックスを作製し、直径５０ｍｍ、厚み１ｍｍの形状に切り出して２ＧＨｚにてネットワークアナライザ、シンセサイズドスイーパーを用いて空洞共振器法により誘電率、誘電損失を測定した。測定では、非放射性誘電体線路にて誘電体共振器の励起を行い、ＴＥ011モードの共振特性により誘電率、誘電損失を算出した。
【００５７】
また、室温（２５℃）から４００℃における熱膨張曲線をとり、熱膨張係数を算出した。結果は、表２、３に示した。
【００５８】
【表２】
【００５９】
【表３】
【００６０】
表２、表３の結果、Ｓｉを主成分とするガラス相中にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含有しない試料Ｎｏ．１では、開気孔率は小さいもののＨｅのトラップ量が１×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／分より多くなり、また、ガラス原料の比率が５０重量％より少ない試料Ｎｏ．１１、１２および１４では、絶縁基板の開気孔率が大きくなりＨｅトラップ量が多くなった。さらに、ガラス原料の軟化点より１０℃低い温度以上の昇温速度が１０℃／分より速い試料Ｎｏ．９、１６では、ガラス相中へのアルカリ土類金属の拡散速度が遅く、また、ガラスセラミックス中のボイド量が増加してＨｅ吸着量が多くなった。
【００６１】
これに対して、少なくともＳｉを主成分とするガラス原料５０重量％以上と所定のセラミック成分とを混合して、ガラス原料の軟化点より少なくとも１０℃以下の低温以上の昇温速度を１０℃／分より遅くして前記ガラスの軟化点以上の温度にて焼成した試料Ｎｏ．２〜８、１０、１５、１７、１８では、いずれも開気孔率が２％以下、Ｈｅ吸着量が５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下となった。
【００６２】
また、上述のＨｅトラップ性評価試験でＨｅの放出量が１×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓ以下の配線基板（Ｎo.２〜８、１０、１５、１７、１８）について、外辺サイズ：８ｍｍ×８ｍｍ、厚み：１．５ｍｍ、キャビティサイズ：６ｍｍ×６ｍｍ、キャビティ深さ：１ｍｍのパッケージを作製した。パッケージの表層のキャビティの周囲にＣｕ導体による封止用金属層を設けた。この封止用金属層にＮｉ−Ａｕメッキを施した後、５０アロイまたは４２アロイ製金属蓋体（それぞれの熱膨張係数６．９×１０−６／℃、９．５×１０−６／℃）をＡｕ−Ｓｎろう材にて接合した。
【００６３】
そして、作製したパッケージを４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒し、２０分間放置した後にＨｅリークディテクターにて真空中にてパッケージよりリークするＨｅ量を測定した。リーク量は試料Ｎo.２〜８、１０、１５、１７、１８のいずれのパッケージも１×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であり、パッケージの気密性の判定基準である５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下を満足した。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の素子収納用パッケージは、絶縁基板が、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有し、前記ガラス相中における前記ＳｉＯ ２ の含有量が５０乃至６５重量％、前記アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の含有量が前記ガラス相中のＳｉＯ ２ １００重量部に対して酸化物換算による総量で５乃至４００重量部であるとともに、開気孔率が２％以下であり、かつ２５℃、４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒したときのＨｅ吸着量が５×１０ −８ ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であるガラスセラミックスからなることによって、絶縁基板中へのＨｅのトラップ量を低減することができるために、Ｃｕなどの低融点金属からなる導体配線層を具備するセラミックパッケージに対する気密性の評価及び品質の保証を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 素子収納用パッケージ
１ 絶縁基板
２，５ 導体配線層
３ 半導体素子
４ ワイヤボンディング
６ スルーホール導体
７ 蓋体
８ 封止用金属層
９ キャビティ
【発明の属する技術分野】
本発明は、素子収納用パッケージに関し、特に、Ｈｅガスを用いたパッケージの気密性評価および品質保証が可能な素子収納用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、半導体素子やフィルター素子を収容するセラミックパッケージとして、電気絶縁性や化学的安定性等の特性に優れたアルミナ質セラミックスが多用されてきた。
【０００３】
しかし、近年、携帯電話に代表される通信分野における８００ＭＨｚ帯以上の高周波領域で多用されるセラミックパッケージには、前記アルミナ質セラミックスから成る絶縁基板よりも更に導体損失の低減と小型化が要求されており、このため、導体配線層を銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの低抵抗導体によって形成し、絶縁基板を誘電率がアルミナ質セラミックスと同様のガラスセラミック焼結体によって形成したガラスセラミックパッケージが注目されている。
【０００４】
また、本出願人は、特開平１０−２７５９６３号公報において、高周波帯で用いられるガラスセラミックスを絶縁基板とするパッケージの高周波特性である誘電率および誘電損失を低減するためには、ガラスセラミックス中に存在するＳｉＯ2の含有比率を高めることが有効であることを提案した。
【０００５】
一方、絶縁基板としてガラスセラミック焼結体を用いたセラミックパッケージは、例えば、焼成時に結晶相を析出する、いわゆる結晶化ガラスなどのガラス粉末とセラミックフィラー粉末とからなるガラスセラミック原料粉末と、有機バインダー等を用いて調製したスラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製し、そのグリーンシートにビアホールや半導体素子等を搭載するためのキャビティ等を打ち抜き加工した後、ビアホール内に低抵抗金属を主成分とする導体ペーストを充填すると共に、前記グリーンシート上に同様の導体ペーストを配線パターンに印刷塗布し、これらを複数枚位置合わせして積層一体化した後、水蒸気を含有する窒素雰囲気から成る非酸化性雰囲気中で加熱して脱バインダー及び焼成することにより作製される。
【０００６】
その後、焼成された基板の表面に半導体素子を搭載し、セラミックスや金属からなる蓋体を基板に接合することにより、半導体素子を気密に封止することができる。
【０００７】
このようなパッケージにおいて、その気密信頼性の評価方法としては、一般的にはＭＩＬ−ＳＴＡＮＤＡＲＤ：８８３の方法１０１４が用いられている。この方法は、蓋体によって気密封止したパッケージを気密チャンバーに入れＨｅガスで所定条件にて加圧した後、パッケージを取り出し、次にリーク検出器を用いてパッケージ内に圧入されたＨｅガスを真空中で引き出して、引き出されたＨｅガスの濃度を測定することにより、気密性が評価され、その検出されるＨｅガス濃度が低いほど気密性が高いとして評価される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したようにＳｉＯ2を主成分とするガラス相を含有するガラスセラミックスを絶縁基板とするパッケージにおいては、上記のような気密性の評価をおこなった場合、Ｈｅガス中での加圧処理時にＨｅがガラスセラミックス中にトラップされ、真空中でトラップされたＨｅが引き出されることにより、蓋体の封止不良によって観測されるＨｅガスに加えて、ガラスセラミックス中にトラップされたＨｅガスがガラスセラミックス外部へ遊離して検出されてしまうために、蓋体の封止性を正確に測定することができず、セラミックパッケージの気密性の保証ができないという問題があった。
【０００９】
ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とするセラミックパッケージの気密封止性については、例えば、実公平７−９３８２号では、Ｐｂ−Ｓｎ半田による封止部におけるメタライズ接着強度の改善などが提案されているにすぎず、Ｈｅガスのトラップ現象については、ほとんど検討されていないのが現状である。
【００１０】
従って、本発明は、Ｈｅガスのトラップが極めて少ないガラスセラミックスを絶縁基板とし、Ｈｅガスを用いて正確な気密性の保証が可能な素子収納用パッケージを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のガラスセラミックスのＨｅガスのトラップ現象について種々検討を重ねた。その結果、第一には、ガラスセラミックスを焼成する際に発生するボイド（気孔）内にＨｅガス分子がトラップされること、第二には、ＳｉＯ2を主成分とするガラス相にはＳｉＯ2が形成するＳｉ−Ｏのネットワークが形成されているが、このＳｉ−Ｏのネットワーク中には空隙が存在しており、この空隙内を気密性評価時に導入される高圧のＨｅガス分子が透過してしまうためにＨｅガス分子がガラスセラミックス中へトラップされることによるものと考えられる。
【００１２】
そこで、ＳｉＯ2を主成分とするガラス相中へのＨｅ分子のトラップを防止する方法について検討した結果、ＳｉＯ2を主成分とするガラスとアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有する酸化物とセラミックフィラーとの混合物、あるいはＳｉＯ2を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラスとセラミックフィラーとの混合物を、少なくとも前記ガラスの軟化点より１０℃低い温度以上における昇温速度を１０℃／分以下でガラスの軟化点以上に昇温し、焼成することによって、得られるガラスセラミックスの開気孔率を低減できるとともに、上記Ｓｉ−Ｏのネットワークによって形成された空隙中にアルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を存在させることができる結果、ガラスセラミックス中へのＨｅの透過速度を遅くしてガラスセラミックス中のＨｅのトラップを抑制できることから、Ｈｅのトラップ現象を抑制し、気密性の正確な評価が可能となることを見いだした。
【００１３】
即ち、本発明の素子収納用パッケージは、表面に素子が実装される絶縁基板と、該絶縁基板表面に設けられ前記素子を気密に封止する蓋体とを具備する素子収納用パッケージであって、前記絶縁基板が、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有し、前記ガラス相中における前記ＳｉＯ ２ の含有量が５０乃至６５重量％、前記アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の含有量が前記ガラス相中のＳｉＯ ２ １００重量部に対して酸化物換算による総量で５乃至４００重量部であるとともに、開気孔率が２％以下であり、かつ２５℃、４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒したときのＨｅ吸着量が５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であるガラスセラミックスからなることを特徴とするものである。
【００１４】
ここで、前記ガラスセラミックス中に、特に、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、ガーナイト、クォーツ、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケート、リチウムシリケート、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種をガラスから析出した結晶相として具備することが望ましい。
【００１５】
また、前記ガラス相中のＰｂＯおよび／またはＢ2Ｏ3の含有量が総量で４０重量％以下であることが望ましい。
【００１６】
さらに、前記セラミックフィラーが、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケート、リチウムシリケート、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種からなることが望ましい。
【００１７】
また、前記絶縁基板の表面および／または内部にＣｕまたはＡｇを主成分とする導体配線層を具備することが望ましい。
【００１８】
また、本発明の素子収納用パッケージの製造方法は、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、Ｂ ２ Ｏ ３ および／またはＡｌ ２ Ｏ ３ と、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属とを含有するとともに、平均粒径が２μｍ以下の粉末からなるガラス５０乃至９５重量％と、セラミックフィラー５乃至５０重量％との比率で含有する混合物、または少なくともＳｉＯ２を主成分とし、Ｂ ２ Ｏ ３ および／またはＡｌ ２ Ｏ ３ を含有するとともに、平均粒径が２μｍ以下の粉末からなるガラス５０乃至９５重量％と、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有する複合酸化物とセラミックフィラーとの合計で５乃至５０重量％との比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、少なくとも前記ガラスの軟化点より１０℃低い温度以上における昇温速度を１０℃／分以下でガラスの軟化点以上に昇温して焼成しガラスセラミックスからなる絶縁基板を作製した後、該絶縁基板表面の半導体素子実装部を含む前記絶縁基板表面を蓋体にて封止することを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の素子収納用パッケージの一例についての概略断面図を図１に示した。
図１によれば、素子収納用パッケージＡは、ガラスセラミックスからなる絶縁基板１の表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低融点金属からなる導体配線層２が被着形成され、導体配線層２は絶縁基板１の表面に搭載される半導体素子３とワイヤボンディング４などによって電気的に接続されている。
【００２１】
本発明によれば、絶縁基板１がＳｉＯ2を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有するガラスセラミックスからなるとともに、絶縁基板１の開気孔率が２％以下、特に１％以下、さらに０．５％以下であることが重要である。
【００２２】
すなわち、上記ガラスセラミックスの開気孔率が２％より多いと、絶縁基板内にトラップされるＨｅ量が多くなりパッケージの正確な気密封止性を評価することができないためであり、また、ガラス相がＳｉＯ2を主成分とする、特にガラス相中のＳｉＯ2の含有量が５５重量％以上、特に６０重量％以上の場合、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有しないとガラス相中のＳｉ−Ｏのネットワーク中に存在する空隙内にトラップされるＨｅ量が増加してパッケージの正確な気密封止性を評価することができないためである。
【００２３】
なお、ガラス相中のＳｉＯ2の含有量が増加するとガラスセラミックスのミリ波等の高周波帯における誘電損失が低下でき、導体配線層２および導体配線層５に高周波信号を伝送した場合でも信号の伝送損失を低減することができる。また、ガラス相中のＨｅトラップ量を低減する点で、ガラス相中のＳｉＯ2の含有量は７０重量％以下、特に６５重量％以下であることが望ましい。
【００２４】
さらに、Ｓｉ−Ｏネットワーク中に存在する空隙径を小さくするとともに、高周波帯でのガラスセラミックスの誘電損失を低減する点で、ガラス相中のアルカリ金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ）およびアルカリ土類金属（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）の含有量は酸化物換算による総量で５〜５０重量％、特に９〜３０重量％であることが望ましく、特にアルカリ金属の含有量は１０重量％以下、さらに１重量％以下であること、アルカリ土類金属の中でもＳｒを必須として含有することが望ましい。
【００２５】
なお、本発明における上記開気孔率とは、絶縁基板表面の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）から求められる気孔２０個についての面積比率に基づくものである。
【００２６】
また、このガラス相中には、Ｓｉ、アルカリ金属およびアルカリ土類金属以外に、用いるガラスやフィラーによって、Ａｌ、Ｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎなどの種々の金属元素が含まれる場合もあるが、Ｓｉ量、アルカリ金属およびアルカリ土類金属量が上記の範囲を逸脱しなければ、前記他の金属が含まれていても問題はない。
【００２７】
さらに、上記ガラスセラミックスの高周波帯での誘電損失を低減するためには、ガラス相中のＰｂＯ、Ｐ2Ｏ5およびＢ2Ｏ3の含有量は、酸化物換算による総量で４０重量％以下、特に２０重量％以下、さらにＰｂＯの含有量が１０重量％以下、特に５重量％以下、さらに１重量％以下であることが望ましい。
【００２８】
なお、上記ガラスセラミックス中には、ガラスから、例えば、エンスタタイト（ＭｇＳｉＯ3）、スラウソナイト（ＳｒＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、アノーサイト（ＣａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、セルジアン（ＢａＡｌ2Ｓｉ2Ｏ8）、コージェライト（Ｍｇ2Ａｌ4Ｓｉ5Ｏ18）、スピネル（ＭｇＡｌ2Ｏ4）、ガーナイト（ＺｎＡｌ2Ｏ4）、クォーツ（ＳｉＯ2）、アケーメナイト（Ｓｒ2ＭｇＳｉ2Ｏ7）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3）、チタン酸カルシウム（ＣａＴｉＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、チタン酸マグネシウム（ＭｇＴｉＯ3）、フォルステライト（ＭｇＳｉＯ4）、ストロンチウムシリケート（ＳｒＳｉＯ3）、カルシウムシリケート（ＣａＳｉＯ3）、バリウムシリケート（ＢａＳｉＯ3）、リチウムシリケート（Ｌｉ2ＳｉＯ3）、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート（Ｋ2ＳｉＯ3）、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート（Ｎａ2ＳｉＯ3）、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種の結晶相が析出することが望ましく、これによって、Ｈｅガス分子トラップ（吸着）の原因となるとともに高周波特性を決定するガラス相中の各成分の含有比率を適正化し、低誘電損失化、高強度化、誘電率および熱膨張係数の調整が可能となるとの作用効果を有する。
【００２９】
また、上述した結晶相のうち、ミリ波帯での誘電損失が低く導体配線層２を伝送する高周波信号の伝送損失を低減するために、アノーサイト、スラウソナイト、セルジアン、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケートの群から選ばれる少なくとも１種、さらにスラウソナイトが好適に使用される。
【００３０】
一方、セラミックフィラーとしては、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケートの群から選ばれる少なくとも１種が好適である。
【００３１】
また、絶縁基板１の裏面には、他の電気回路と半田などのロウ材によって接続するための導体配線層５が形成されている。また、この導体配線層５には、適宜、半田ボールやリードピンなどの接続端子を取付けて他の電気回路と接続する場合もある。この導体配線層５は、絶縁基板１の表面に形成された導体配線層２とスルーホール導体６等によって電気的に接続されている。
【００３２】
導体配線層２および導体配線層５にて８００ＭＨｚ以上、望ましくは１ＧＨｚ以上、特に２０ＧＨｚ以上の高周波信号を伝送する場合には、導体配線層２および導体配線層５は伝送損失を低減するためにストリップ線路、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路および導波管線路のうちの１種にて構成されることが望ましい。
【００３３】
蓋体７は、絶縁材料、特に絶縁基板１と同じガラスセラミックス、またはコバー（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ、熱膨張係数５〜６×１０-6／℃）、４２アロイ（熱膨張係数９〜１０×１０-6／℃）、５０アロイ（熱膨張係数６．５〜７．５×１０-6／℃）、銅（熱膨張係数１９×１０-6／℃）等の金属等によって構成され、半田などの封止用金属層８によって封止のために形成された導体配線層２に対して接合されるが、絶縁基板１の熱膨張係数と蓋体７の熱膨張係数との差は半導体素子３が収納されるキャビティ９の気密封止性を向上する点で１×１０-6／℃以下であることが望ましい。
【００３４】
さらに、半導体素子３が実装される絶縁基板１の裏面にパッチアンテナ、平面アンテナ、スロットアンテナ等のアンテナ素子、フィルタ、コンデンサ、共振器等の他の電子部品を実装することもできる。
【００３５】
このようなパッケージを作製するには、ＳｉＯ2を含有するガラス、例えば、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3およびＡｌ2Ｏ3を含有するガラス粉末を５０〜９５重量％、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属酸化物を含有するセラミックフィラー粉末を５〜５０重量％の割合で添加混合する。ガラス粉末とセラミックフィラー粉末との配合比率は、パッケージ作製時に導体配線層を銅、銀などの低融点金属によって構成し、ガラスの軟化点以上の温度で、かつ導体配線層と同時焼成するに適した温度、例えば、８００〜１０００℃の温度で相対密度９５％以上で、特に開気孔率２％以下に緻密化できるように決定される。
【００３６】
ガラス粉末量が５０重量％よりも少なく、セラミック粉末量が５０重量％よりも多いと、焼結不良となり、緻密化できない場合が多く、ガラス粉末量が９５重量％よりも多く、セラミックフィラー量が５重量％よりも少ないと、焼成収縮がより低温から進行するため、導体配線層を銅によって形成した場合にＮ2＋Ｈ2Ｏなどの雰囲気中での十分な有機バインダーの除去が難しくなるためである。
【００３７】
ＳｉＯ2を含有するガラスとしては、特に８００〜１０００℃の温度で焼結可能なホウケイ酸系結晶化ガラスが好適に採用でき、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3以外に、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏなどのアルカリ金属酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯなどのアルカリ土類金属、さらにはＺｒＯ2、ＺｎＯ、ＴｉＯ2などを含有してもよい。
【００３８】
ガラス中のＢ2Ｏ3は、低温での液相の生成を助長し、低温での焼結性を促進する成分であり、また、Ａｌ2Ｏ3は、後述するアルカリ土類金属酸化物やＳｉＯ2との反応によって、結晶相の析出の促進と、非晶質相中のＳｉＯ2量を低減する作用をなす。
【００３９】
従って、ガラス原料中には、ＳｉＯ2を３０〜７０重量％、Ｂ2Ｏ3を５〜２０重量％、Ａｌ2Ｏ3を１０〜４０重量％の割合で含有することが望ましい。また、ガラス粉末の粒径は、焼結性を向上し、開気孔率を低下させ、ガラス相のＳｉ−Ｏネットワーク中へのアルカリ金属および／アルカリ土類金属の分散性を向上させるために、３μｍ以下、特に１．８μｍ以下であることが望ましい。
【００４０】
一方、アルカリ土類金属酸化物を含むセラミックフィラーとしては、特に、ホウケイ酸系ガラスとの反応性が高い点において、ＣａＺｒＯ3、ＣａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3、ＳｒＺｒＯ3、ＳｒＳｉＯ3、ＢａＴｉＯ3およびＭｇＴｉＯ3のうちの少なくとも１種が好適である。これらのフィラーは焼成時にホウケイ系結晶化ガラスと反応してアルカリ土類金属酸化物が分解し、分解したアルカリ土類金属酸化物は、ガラス中のＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3と反応して、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）やコージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ2Ｏ3・５ＳｉＯ2）などのＳｉＯ2−Ａｌ2Ｏ3−アルカリ土類金属酸化物系の複合酸化物結晶相を析出する。このような反応による前記複合酸化物結晶相の析出によって、最終焼結体中の結晶相間に存在する非晶質相中のＳｉＯ2量を調整することができる。
【００４１】
また、上記結晶相が析出する場合、焼結体中に含まれるアルカリ土類金属が結晶相としてすべて消費されず、非晶質相中に残存させるためには、焼結体中のアルカリ土類金属量を結晶化に消費される量よりも多くのアルカリ土類金属を含有させることにより、非晶質相中のアルカリ土類金属量を増加させることが可能となる。
【００４２】
このようにして調製された混合粉末に、成形用の有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合してスラリーを作製する。有機バインダーとしては、低温での熱分解性に優れたメタクリル酸系の樹脂が好適である。また可塑剤にはフタル酸ジブチル、溶剤にはトルエンを使用することが好適である。
【００４３】
次に、得られたスラリーをドクターブレード法でグリーンシートに成形し、グリーンシートに、適宜パンチング、マイクロドリル、レーザーなどによってビアホールとキャビティなどの加工を行い、ビアホールに、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低融点金属粉末を含有する導体ペーストを充填した後、同様の導体ペーストを用いて配線パターンをスクリーン印刷法などによって印刷する。絶縁基板表層となるグリーンシートには、蓋体を接合するための封止用金属層パターン状に導体ペーストが印刷塗布される。
【００４４】
導体ペースト中には、前記低融点金属粉末に加え、焼成時の反りや導体の接合強度を改善するために軟化点を調整したガラス、さらには有機バインダー、溶媒を添加混合する。Ｃｕを導体材料とする場合は非酸化性の雰囲気下での脱バインダーが必要となるため、導体ペーストのバインダーにはグリーンシートと同様に熱分解性に優れたメタクリル酸系の樹脂を使用することが望ましい。
【００４５】
上記のように、作製されたグリーンシートを複数層積層一体化した後、ガラスの軟化温度より１０℃以上低い温度、例えば、７００〜８００℃にて脱バインダーを行った。その後に、この脱バインダー温度以上で、すなわちガラスの軟化温度より１０℃以上、特に２０℃以上、さらに３０℃以上低い温度以上の昇温速度を１０℃／分以下、特に６℃／分、さらに４℃／分の速度にて８００℃以上、特に８００〜１０５０℃、さらに８５０〜１０００℃の温度で焼成する。
【００４６】
ここで、上記ガラスの軟化温度より１０℃以上低い温度以上の昇温速度が１０℃／分より速いと、絶縁基板１を構成するガラスセラミックス中にボイドが発生し絶縁基板１の開気孔率が２％を越える結果、絶縁基板１内へのＨｅトラップ量が５×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃを越えてしまい、パッケージの封止性を正確に評価することができないためである。
【００４７】
なお、上記焼成については、Ａｇを主成分とする導体材料とする場合は大気中で焼成し、Ｃｕを主成分とする導体材料とする場合は窒素に水蒸気を混合した雰囲気で焼成することが望ましい。その後、焼成された基板に対して、Ｃｕを導体材料とする場合は、ＮｉやＣｕ等の下地メッキの上にＡｕメッキを施す。
【００４８】
そして、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ等の半導体素子やフィルタ素子等の素子を基板表面にフリップチップ実装やワイヤーボンディング実装した後、該素子を覆うように基板表面に蓋体を接合する。蓋体の接合は、Ａｕ−ＧｅやＡｕ−Ｓｎ等のＡｕ系ろう材や、Ｐｂ−Ｓｎ等の半田、またはＰｂ系のガラスを用いて、基板表面に封止用金属層に接合することにより、半導体素子を気密に封止した半導体装置を作製することができる。
【００４９】
【実施例】
表１に示す成分および平均粒径からなるガラス粉末を準備した。
【００５０】
【表１】
表１のガラス粉末に対して、表２、３に示すような割合でセラミックフィラーを配合し、有機バインダーとしてメタクリル酸イソブチル樹脂を固形分で１２重量％、可塑剤としてフタル酸ジブチルを６重量％添加し、トルエン及び酢酸エチルを溶媒としてボールミルにより４０時間混合しスラリーを作製した。そして、このスラリーを用いてドクターブレード法によりシート状に成形し厚さ０．３ｍｍのガラスセラミックグリーンシートを作製した。
【００５２】
次に、上記グリーンシートの所定位置にビアホールを開口し、導体ペーストを充填し、該グリーンシート表面の所定位置にスクリーン印刷法にて所定パターンのメタライズ導体配線層を形成した後、該グリーンシート１０〜２０枚を重ねて加圧積層した。
【００５３】
そして、上記積層体を、水蒸気を含む窒素雰囲気中で７５０℃にて３時間脱バインダ処理を行った後、表２、３に示す昇温速度、温度で焼成し、５０ｍｍ×５０ｍｍサイズの配線基板を作製した。
【００５４】
作製した配線基板に対して、その表面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真からルーゼックス解析法によって開気孔率を測定した。また、絶縁基板のＸ線回折測定を行い、検出された結晶相およびリートベルト法によって磁器中のガラス相の比率を算出した。さらに、絶縁基板の結晶相の粒界に存在するガラス相の組成を透過型電子顕微鏡写真にて観察しながら、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）および電子エネルギーロススペクトル分析（ＥＥＬＳ）によって分析を行い、ガラス相中のＳｉＯ2の比率を算出した。
【００５５】
そして、このセラミック基板を４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒した後に、真空中に保持してＨｅリークディテクターにてガラスセラミック基板から放出されたＨｅ量を測定し、その結果をＨｅ吸着量として表２、３に示した。なお、試料Ｎｏ．１３、１９は参考例である。
【００５６】
また、上述したグリーンシートを１０〜１５枚積層して上記と同様の条件にてガラスセラミックスを作製し、直径５０ｍｍ、厚み１ｍｍの形状に切り出して２ＧＨｚにてネットワークアナライザ、シンセサイズドスイーパーを用いて空洞共振器法により誘電率、誘電損失を測定した。測定では、非放射性誘電体線路にて誘電体共振器の励起を行い、ＴＥ011モードの共振特性により誘電率、誘電損失を算出した。
【００５７】
また、室温（２５℃）から４００℃における熱膨張曲線をとり、熱膨張係数を算出した。結果は、表２、３に示した。
【００５８】
【表２】
【表３】
表２、表３の結果、Ｓｉを主成分とするガラス相中にアルカリ金属またはアルカリ土類金属を含有しない試料Ｎｏ．１では、開気孔率は小さいもののＨｅのトラップ量が１×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／分より多くなり、また、ガラス原料の比率が５０重量％より少ない試料Ｎｏ．１１、１２および１４では、絶縁基板の開気孔率が大きくなりＨｅトラップ量が多くなった。さらに、ガラス原料の軟化点より１０℃低い温度以上の昇温速度が１０℃／分より速い試料Ｎｏ．９、１６では、ガラス相中へのアルカリ土類金属の拡散速度が遅く、また、ガラスセラミックス中のボイド量が増加してＨｅ吸着量が多くなった。
【００６１】
これに対して、少なくともＳｉを主成分とするガラス原料５０重量％以上と所定のセラミック成分とを混合して、ガラス原料の軟化点より少なくとも１０℃以下の低温以上の昇温速度を１０℃／分より遅くして前記ガラスの軟化点以上の温度にて焼成した試料Ｎｏ．２〜８、１０、１５、１７、１８では、いずれも開気孔率が２％以下、Ｈｅ吸着量が５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下となった。
【００６２】
また、上述のＨｅトラップ性評価試験でＨｅの放出量が１×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓ以下の配線基板（Ｎo.２〜８、１０、１５、１７、１８）について、外辺サイズ：８ｍｍ×８ｍｍ、厚み：１．５ｍｍ、キャビティサイズ：６ｍｍ×６ｍｍ、キャビティ深さ：１ｍｍのパッケージを作製した。パッケージの表層のキャビティの周囲にＣｕ導体による封止用金属層を設けた。この封止用金属層にＮｉ−Ａｕメッキを施した後、５０アロイまたは４２アロイ製金属蓋体（それぞれの熱膨張係数６．９×１０−６／℃、９．５×１０−６／℃）をＡｕ−Ｓｎろう材にて接合した。
【００６３】
そして、作製したパッケージを４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒し、２０分間放置した後にＨｅリークディテクターにて真空中にてパッケージよりリークするＨｅ量を測定した。リーク量は試料Ｎo.２〜８、１０、１５、１７、１８のいずれのパッケージも１×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であり、パッケージの気密性の判定基準である５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下を満足した。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の素子収納用パッケージは、絶縁基板が、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有し、前記ガラス相中における前記ＳｉＯ ２ の含有量が５０乃至６５重量％、前記アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の含有量が前記ガラス相中のＳｉＯ ２ １００重量部に対して酸化物換算による総量で５乃至４００重量部であるとともに、開気孔率が２％以下であり、かつ２５℃、４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒したときのＨｅ吸着量が５×１０ −８ ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であるガラスセラミックスからなることによって、絶縁基板中へのＨｅのトラップ量を低減することができるために、Ｃｕなどの低融点金属からなる導体配線層を具備するセラミックパッケージに対する気密性の評価及び品質の保証を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の素子収納用パッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ 素子収納用パッケージ
１ 絶縁基板
２，５ 導体配線層
３ 半導体素子
４ ワイヤボンディング
６ スルーホール導体
７ 蓋体
８ 封止用金属層
９ キャビティ
Claims (8)
- 表面に素子が実装される絶縁基板と、該絶縁基板表面に設けられ前記素子を気密に封止する蓋体とを具備する素子収納用パッケージであって、前記絶縁基板が、少なくともＳｉＯ２を主成分とし、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有するガラス相とセラミックフィラーとを含有し、前記ガラス相中における前記ＳｉＯ ２ の含有量が５０乃至６５重量％、前記アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属の含有量が前記ガラス相中のＳｉＯ ２ １００重量部に対して酸化物換算による総量で５乃至４００重量部であるとともに、開気孔率が２％以下であり、かつ２５℃、４．１ＭＰａのＨｅガス中に２時間晒したときのＨｅ吸着量が５×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であるガラスセラミックスからなることを特徴とする素子収納用パッケージ。
- 前記ガラスセラミックス中に、ガラスから析出した結晶相を有することを特徴とする請求項１に記載の素子収納用パッケージ。
- 前記ガラスから析出した結晶相が、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、ガーナイト、クォーツ、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケート、リチウムシリケート、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の素子収納用パッケージ。
- 前記ガラス相中のＰｂＯおよび／またはＢ２Ｏ３の含有量が総量で４０重量％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の素子収納用パッケージ。
- 前記セラミックフィラーが、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、エンスタタイト、スラウソナイト、アノーサイト、セルジアン、コージェライト、スピネル、アケーメナイト、チタン酸ストロンチウム、チタン酸カルシウム、チタン酸バリウム、チタン酸マグネシウム、フォルステライト、ストロンチウムシリケート、カルシウムシリケート、バリウムシリケート、リチウムシリケート、リチウムアルミノシリケート、カリウムシリケート、カリウムアルミノシリケート、ナトリウムシリケート、ナトリウムアルミノシリケートの群から選ばれる少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の素子収納用パッケージ。
- 前記絶縁基板の表面および／または内部にＣｕまたはＡｇを主成分とする導体配線層を具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の素子収納用パッケージ。
- 少なくともＳｉＯ２を主成分とし、Ｂ ２ Ｏ ３ および／またはＡｌ ２ Ｏ ３ と、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属とを含有するとともに、平均粒径が２μｍ以下の粉末からなるガラス５０乃至９５重量％と、セラミックフィラー５乃至５０重量％との比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、少なくとも前記ガラスの軟化点より１０℃低い温度以上における昇温速度を１０℃／分以下でガラスの軟化点以上に昇温して焼成しガラスセラミックスからなる絶縁基板を作製した後、該絶縁基板表面の半導体素子実装部を含む前記絶縁基板表面を蓋体にて封止することを特徴とする素子収納用パッケージの製造方法。
- 少なくともＳｉＯ２を主成分とし、Ｂ ２ Ｏ ３ および／またはＡｌ ２ Ｏ ３ を含有するとともに、平均粒径が２μｍ以下の粉末からなるガラス５０乃至９５重量％と、アルカリ金属および／またはアルカリ土類金属を含有する複合酸化物とセラミックフィラーとの合計で５乃至５０重量％との比率で含有する混合物を成形してグリーンシートを作製し、少なくとも前記ガラスの軟化点より１０℃低い温度以上における昇温速度を１０℃／分以下でガラスの軟化点以上に昇温して焼成しガラスセラミックスからなる絶縁基板を作製した後、該絶縁基板表面の半導体素子実装部を含む前記絶縁基板表面を蓋体にて封止することを特徴とする素子収納用パッケージの製造方法。
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