JP4483112B2 - パッケージの真空封止方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、加速度センサやジャイロ、共振子等の電子部品に用いる真空封止を必要とするパッケージの真空封止方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の電子部品のパッケージとして電子部品の動作特性を良好にするために、パッケージ内を真空状態にする構成が知られている。
【0003】
このパッケージ内の真空状態を確保する方法として、パッケージに設けた小さな貫通孔からパッケージ内の空気を排出し、パッケージ内部を真空にした後、貫通孔と対応する位置に抵抗溶接で薄板を固着する方法がある(例えば、特開平9−64221号公報)。
【0004】
また、別の方法として、大気圧状態でパッケージ内にガスを吸着する吸着材を設けた状態で封止し、パッケージ内の内部ガスを吸着する方法も知られている(例えば、特開2000−111347号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前者の方法では、真空封止には真空排気装置を有する複雑で高価な設備を使用しなければならず、真空封止工程も複雑になることから、真空封止費用の増大につながっていた。
【0006】
また、後者の吸着材を用いた方法では、初期状態において吸着材は窒化膜で覆われた不活性な状態のため、ガス吸着可能な状態に吸着材を活性化する必要があった。そして、吸着材を活性化する際、パッケージ全体が高温になり、内部に固定されたデバイスや、パッケージ自体にダメージを与える可能性があった。
【0007】
本発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造工程を簡単にでき、電子部品等の熱的ダメージを抑制し、パッケージ内の高真空状態を容易に確保できるパッケージの真空封止方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項1に記載の発明では、デバイスが固定されたベースと、該ベース上に被せられるカバーと、カバー内に取付けられる吸着材と、該吸着材を前記カバーに固定する固定具とを備え、パッケージングされるパッケージの真空封止方法であって、前記ベースに前記カバーを大気圧状態で封止し、前記カバー側より前記吸着材が大気と反応を開始する温度まで加熱し、その反応熱により前記吸着材を活性化し、前記パッケージの内部に存在するガスを前記吸着材に吸着させ、前記パッケージの内部を真空にする。この発明によれば、吸着材の活性化に吸着材の反応熱が利用されることにより、従来のようにパッケージを介して外部から多くの熱を加える必要はなくなる。従って、外部からの加熱によるパッケージ等の破損が抑制される。
【0009】
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の発明において、前記吸着材と大気との反応開始温度が、前記パッケージの耐熱温度より低く設定されている。この発明によれば、吸着材はパッケージの耐熱温度より低い反応開始温度まで加熱された際に、大気と反応を開始する。従って、パッケージを反応開始温度以上に加熱する必要はなく、パッケージ等の破損がより抑制される。
【0010】
請求項3に記載の発明では、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記固定具は、前記反応開始温度以上で変形可能に形成され、前記吸着材は、初期状態において、前記カバーと当接した状態で前記固定具に支持され、前記吸着材が反応開始温度以上になると前記固定具が変形を開始して前記カバーから離れて支持される。この発明によれば、吸着材自体の反応熱がパッケージに伝わるのがより抑制され、パッケージ等の熱による破損がより抑制される。
【0011】
【発明の実施の形態】
(第1の実施の形態)
以下、本発明を半導体装置に具体化した第1の実施の形態を図1〜図3に従って説明する。
【0012】
図3に示すように、半導体装置1は、例えばSPC(鉄)や商品名コバール(Fe−Ni−Co)などの材質からなるベース2と、例えばSPC(鉄)等の材質からなるカバー3とが設けられ、カバー3は抵抗溶接によりベース2に溶接され、気密状態で封止されている。ベース2とカバー3とで、パッケージ4が構成されている。
【0013】
ベース2の中央付近には、封止対象となるデバイス5が銀ペーストや金を用いて固定され、ベース2の所定箇所には、ガラス材からなるシール部6が1カ所以上形成され、電極7がシール部6により、ハーメチックシールで固定されている。
【0014】
デバイス5と電極7とが、金もしくはアルミ材からなる細線8で結線され、デバイス5の電気的信号の取り出しが電極7により可能となるように構成されている。
【0015】
カバー3の内部のベース2と対向する側(図3の上側)には、吸着材9を支持する固定具10が2個設けられ、吸着材9は、カバー3と近接するように固定具10に支持されている。吸着材9は、通常ゲッターと称されるもので、気体をその表面に不可逆的に吸着する機能を有し、例えばジルコニウムを主成分とする合金で形成されている。パッケージ4の内部ガスが、この吸着材9に吸着されることにより、パッケージ4は真空封止されている。
【0016】
次に、半導体装置1の製造方法について説明する。
図1(a)に示すように、ベース2に形成されたシール部6に、電極7がハーメチックシールにより固定される。
【0017】
次に、図1(b)に示すように、ベース2の中央付近にデバイス5が銀ペーストや金を用いて固定され、デバイス5と電極7とが細線8で結線される。
図1(c)に示すように、吸着材9が固定具10により支持された状態で、大気圧状態において、カバー3がベース2の所定位置に配置される。そして、図1(d)に示すように、カバー3がベース2に抵抗溶接により気密状態で封止される。大気には、吸着材9と所定温度以上で反応する気体成分、例えば酸素が含まれる。なお、この溶接時には、接合面のみ選択的に加熱され、溶着されるため、デバイス5やベース2、カバー3などには熱的影響はない。
【0018】
次に、図1(e)に示すように、カバー3の吸着材9の取付面の外側が、ヒータープレート11に接触する状態で加熱が行われる。図2は、外部加熱温度、吸着材温度及びパッケージ温度の時間変化と、内部真空度の時間変化とを示すグラフである。図2に示すように、外部加熱(ヒータープレート11)による加熱は、吸着材反応開始温度よりわずかに高い温度まで行われる。パッケージ4がヒータープレート11により徐々に加熱されると、吸着材9も徐々に加熱される。吸着材反応開始温度まで吸着材9が加熱されると、パッケージ4の内部に存在している吸着材9と反応する気体成分と、吸着材9とが化学反応して、反応熱が発生する。吸着材9は、反応熱により昇温され、吸着材活性化温度より高い温度まで昇温され、吸着材活性化温度を超えると活性化される。
【0019】
図2のグラフに示すように、吸着材9と気体成分との反応により、パッケージ4の内部が、所定の真空度まで減圧される。次に、吸着材9が活性化されると、吸着材9の表面の窒化膜は、吸着材9の内部に拡散し、吸着材9の表面に新しい活性化面(気体吸着面)を露出し、気体に対する吸着作用が発現され、パッケージ4の内部がさらに減圧されて高真空に到達する。
【0020】
ヒータープレート11からの加熱は、図2に示すように、吸着材反応開始温度より少し高い温度で保持される。また、パッケージ4の温度は、吸着材9の反応熱により、外部加熱温度よりわずかに高い温度まで昇温されるが、吸着材9がカバー3に当接しないように形成され、吸着材反応開始温度がベース材耐熱温度より低く設定されているため、ベース材の耐熱温度に到達しない。
【0021】
パッケージ4内の吸着材9と化学反応する気体成分が消耗すると、吸着材9の反応は停止し、吸着材9の温度の下降が開始される。また、吸着材9の温度の下降が開始された時点で、ヒータープレート11による加熱が停止される。なお、最高到達温度は、パッケージ4の容積と吸着材9の体積とにより決定される。
【0022】
この実施の形態は、以下のような効果を有する。
(1)吸着材9を活性化するための熱に、吸着材9自体の反応熱を利用することにより、ヒータープレート11からの加熱によるパッケージ4自体の昇温は吸着材反応開始温度より若干高い温度まででよくなり、パッケージ4の昇温を抑制できる。
【0023】
(2)吸着材9と大気との反応により反応熱が発生する際に、パッケージ4の内部ガスが使用され、さらに、反応熱により吸着材9自体が活性化され、吸着材9への吸着にパッケージ4の内部ガスが再び使用されることにより、パッケージ4内の高真空状態を確保できる。
【0024】
(3)吸着材9と反応する気体成分との吸着材反応開始温度は、ベース2等のパッケージ耐熱温度より低く設定されているので、ヒータープレート11からの加熱によるパッケージ4の破損を抑制できる。
【0025】
(4)吸着材9が、カバー3と当接しないように形成されていることにより、吸着材9の反応熱が、パッケージ4に直接伝導することを防止でき、パッケージ4の昇温をより抑制できる。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態を図4(a)、(b)に従って説明する。この実施の形態では、固定具が吸着材反応開始温度以上で変形可能に形成されている点が、前記実施の形態と異なる。前記実施の形態と同一部分は、同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【0026】
吸着材9は、バイメタル製の固定具20により支持され、図4(a)に示すように、初期状態において、吸着材9はカバー3と当接した状態で支持されている。バイメタル製の固定具20は、2種の金属板の熱膨張率の違いにより、吸着材反応開始温度よりわずかに高い温度で変形を開始し、温度上昇に伴って吸着材9がカバー3から離れるように構成されている。
【0027】
カバー3の吸着材9の取付面の外側が、ヒータープレート11に接触する状態で加熱が行われ、吸着材9が吸着材反応開始温度よりわずかに高い温度まで加熱されると、図4(b)に示すように、固定具20は、変形を開始して吸着材9がカバー3から徐々に離れる。吸着材9がカバー3から離れた状態で反応熱による昇温が行われ、前記実施の形態と同様に、吸着材9の活性化を経て、気体に対する吸着作用が発現され、パッケージ4の内部が高真空化される。
【0028】
この吸着材9の温度が下降される過程において、固定具20は、温度の下降に伴い、再び初期状態の位置へ徐々に変形し、吸着材反応開始温度よりわずかに高い温度まで下降されると、吸着材9とカバー3とが当接した初期状態に戻る。
【0029】
この実施の形態は、前記実施の形態の(1)〜(3)に記載の効果の他に次の効果を有する。
(5)初期状態において、吸着材9を吸着材反応開始温度まで加熱する際には、吸着材9とカバー3とが当接し、吸着材反応開始温度を超えて吸着材9が反応熱により昇温する際には、吸着材9がカバー3から離れるように固定具20が構成されている。従って、前記実施の形態と比較して、前記吸着材反応開始温度に達するまでは効率よくヒータープレート11の熱を吸着材9に伝導させることができ、反応開始後は吸着材9の反応熱がパッケージ4に伝導することをより抑制できる。
【0030】
なお、実施の形態は上記に限らず、例えば以下のように変更してもよい。
・大気圧状態において、ベース2とカバー3とを気密状態に封止する構成を、大気より酸素濃度を高めた雰囲気中で封止する構成に変更してもよい。このように構成した場合、上記実施の形態と比較して、吸着材活性化温度に達するまでの時間を短縮できる。
【0031】
・吸着材9は、2個の固定具により支持されている構成であったが、3個以上の固定具で支持してもよい。このように構成した場合、上記実施の形態と比較して、より安定して吸着材9を支持することができる。
【0032】
・吸着材9を1個の固定具で支持してもよい。このように構成した場合、上記実施の形態と比較して、固定具をカバー3に容易に取り付けることができる。
・第2の実施の形態において、カバー3と吸着材9とが当接した状態で加熱されるため、ヒータープレート11による加熱は、吸着材9を吸着材反応開始温度まで昇温させた後に、OFF状態にしてもよい。この場合、上記実施の形態と比較して、パッケージ4の昇温をより抑制することができる。
【0033】
・シール部6は、ガラス材と同等以上の絶縁性を有し、吸着材反応開始温度よりわずかに高い温度まで加熱されても変化しない物質で形成してもよい。
・第2の実施の形態の固定具20を、形状記憶合金で形成してもよい。この場合、形状記憶合金製の固定具の元の形状を、吸着材反応開始温度よりもわずかに高い温度に加熱された際に、吸着材9がカバー3から離れている形状に成形し、初期状態では、吸着材9とカバー3とを当接するように形状記憶合金製の固定具を変形させる。形状記憶合金製の固定具は、高温で変形したものを室温で変形させておいても、加熱すると元の成形時の形状に戻る性質があるため、パッケージ4の昇温を抑制できる。
【0034】
次に上記実施の形態から把握できる技術的思想について、以下に記載する。
(1)ベースと、カバーと、吸着材と、固定具とを備えたパッケージにおいて、前記固定具は、前記吸着材と大気との反応開始温度以上で変形可能に形成され、初期状態において、前記吸着材と前記カバーは当接した状態で前記固定具に支持され、前記吸着材が前記反応開始温度以上になると前記固定具が変形して前記吸着材を前記カバーから離れて支持することを特徴とするパッケージの構造。
【0035】
(2)請求項3又は技術的思想(1)に記載の発明において、前記固定具は、バイメタル、または、形状記憶合金により形成されている。
【0036】
【発明の効果】
以上、詳述したように、請求項1〜請求項3に記載の発明によれば、製造工程を簡単にでき、電子部品等の熱的ダメージを抑制し、パッケージ内の高真空状態を容易に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(f)は半導体装置の製造過程を示す模式断面図。
【図2】外部加熱温度、吸着材温度及びパッケージ温度の時間変化と、内部真空度の時間変化とを示すグラフ。
【図3】半導体装置の模式断面図。
【図4】(a)は第2の実施の形態の半導体装置を示す模式断面図、(b)は同じく固定具が変形した状態の模式断面図。
【符号の説明】
2…ベース、3…カバー、4…パッケージ、5…デバイス、9…吸着材、10,20…固定具。

Claims (3)

  1. デバイスが固定されたベースと、該ベース上に被せられるカバーと、カバー内に取付けられる吸着材と、該吸着材を前記カバーに固定する固定具とを備え、パッケージングされるパッケージの真空封止方法であって、前記ベースに前記カバーを大気圧状態で封止し、前記カバー側より前記吸着材が大気と反応を開始する温度まで加熱し、その反応熱により前記吸着材を活性化し、前記パッケージの内部に存在するガスを前記吸着材に吸着させ、前記パッケージの内部を真空にすることを特徴とするパッケージの真空封止方法。
  2. 前記吸着材と大気との反応開始温度が、前記パッケージの耐熱温度より低く設定されていることを特徴とする請求項1に記載のパッケージの真空封止方法。
  3. 前記固定具は、前記反応開始温度以上で変形可能に形成され、前記吸着材は、初期状態において、前記カバーと当接した状態で前記固定具に支持され、前記吸着材が反応開始温度以上になると前記固定具が変形を開始して前記カバーから離れて支持されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のパッケージの真空封止方法。
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