JP4789052B2 - Semiconductor encapsulation glass, semiconductor encapsulation envelope, and semiconductor element encapsulation method - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体封入用ガラス、すなわち、シリコンダイオード、発光ダイオード、サーミスタなどの素子と、それに電気的に接続するジュメット線などの電極材料を気密封入するためのガラスと、これを用いて作製した半導体封入用外套管と、この外套管を用いた半導体素子の封入方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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は、それらの半導体素子をジュメット線などの電極材料で両側から挟み、ガラス製の外套管で囲んだ後に全体を所定の温度に加熱し、外套管を軟化変形させて気密封入した構造（ＤＨＤ型）が広く採用されている。この加熱温度は、一般的にはガラスの粘度が１０6ｄＰａ・ｓとなる温度であり、封入温度と言う。ここで、ガラスの封入温度に求められる条件は、半導体の電気特性が封入温度で失われないように、封入する半導体の耐熱温度以下で有ることである。半導体の耐熱温度はその種類や設計に応じて多岐に渡るが、最も耐熱性の高いものでも７１０℃程度なので、封入温度は７１０℃以下で有ることが重要になる。また、ガラスに求められる特性として、熱膨張係数がある。これは、電極材料として最も一般的に用いられているジュメット線の熱膨張係数に整合することであり、８５〜１０５×１０-7／℃（３０〜３８０℃間）の熱膨張係数が必要である。
【０００３】
従来、このような条件を満たす半導体封入用ガラスとしては、ＰｂＯを４５〜７５重量％と多量に含む鉛ケイ酸塩ガラスが使われている。ＰｂＯは、ケイ酸塩ガラスにおいて安定したガラスを形成しつつ、ガラスの粘度を下げる効果が極めて大きいためである。例えばＰｂＯを４６％含有する半導体封入用ガラスの封入温度は約７００℃、また、ＰｂＯを６０％含有する半導体封入用ガラスの封入温度は約６５５℃である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、鉛やカドミニウム、砒素などの有害成分による環境汚染が問題視され、工業製品にそれらの有害成分を含まないことが要求されてきている。電子部品においても、先ず半田の無鉛化が積極的に取り組まれており、次いで、半導体封入用ガラスにもＰｂＯを含まないことが望まれている。
【０００５】
電気機器、電子部品の構成材に使用され、ジュメットと安全なシールができる有鉛ガラスを無鉛化しようと試みた事例が、特開平６−２０６７３７に開示されている。しかしこれはＰｂＯ含有量が２０〜３０％程度の有鉛ガラスの無鉛化を目標としたものである。このＰｂＯ含有量が２０〜３０％程度のガラスは、蛍光ランプや白熱ランプのバルブ封止用ガラスであり、もともと封入温度が７５０℃程度である。加えて特開平６−２０６７３７で開示された無鉛ガラスの封止温度は約７９０℃と非常に高い。それゆえここで開示されたガラス系では、半導体封入用ガラスに求められている７１０℃以下の封入温度は、到底実現できるものではない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、実質的に鉛やその他の有害成分を含まないガラスでありながら、封着温度が７１０℃以下、かつ、ジュメットと安全にシールが可能である半導体封入用ガラスと、これを用いて作製した封入用外套管と、この外套管を用いた半導体素子の封入方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体封入用ガラスは、半導体封入用外套管の作製に用いられる半導体封入用ガラスであって、実質的に鉛を含まず、１０6ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度が７１０℃以下であり、質量百分率で、ＳｉＯ 2 ４０〜７０％、Ａｌ 2 Ｏ 3 ０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ０〜４５％の組成を有し、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの内の２種以上とＢ2Ｏ3を必須成分として含むことを特徴とする。
【０００８】
また本発明の半導体封入用外套管は、実質的に鉛を含まず、１０6ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度が７１０℃以下であり、質量百分率で、ＳｉＯ 2 ４０〜７０％、Ａｌ 2 Ｏ 3 ０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ０〜４５％の組成を有し、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの内の２種以上とＢ2Ｏ3を必須成分として含むガラスからなることを特徴とする。
【０００９】
また本発明の半導体素子の封入方法は、半導体素子を半導体封入用外套管で封入する方法において、外套管として、実質的に鉛を含まず、質量百分率で、ＳｉＯ 2 ４０〜７０％、Ａｌ 2 Ｏ 3 ０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ０〜４５％の組成を有し、１０6ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度が７１０℃以下であり、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの内の２種以上とＢ2Ｏ3を必須成分として含むガラスからなるガラス管を使用することを特徴とする。
【００１０】
【作用】
本発明の半導体封入用ガラスは、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの内の２種以上と、Ｂ2Ｏ3を必須成分として含むことにより、ガラスの粘度を低下させ、７１０℃以下で封入することを可能にしている。また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。また本発明のガラスは、実質的に鉛を含まない。なお「実質的に鉛を含まない」とは、積極的にガラス原料に鉛を使用しないという意味であるが、不純物等からの混入も極力避けるべきである。鉛の許容範囲は、具体的にはＰｂＯの含有量として５０００ｐｐｍ以下、好ましくは１０００ｐｐｍ以下、より好ましくは５００ｐｐｍ以下である。
【００１１】
また半導体封入用ガラスの体積抵抗が低くなってしまうと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。
【００１２】
上記特性を有する半導体封入用ガラスとしては、質量百分率で、ＳｉＯ 2 ４０〜７０％、Ａｌ 2 Ｏ 3 ０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ０〜４５％の組成を有し、１０ 6 ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度が７１０℃以下であり、Ｌｉ 2 Ｏ、Ｎａ 2 Ｏ、Ｋ 2 Ｏの内の２種以上とＢ 2 Ｏ 3 を必須成分として含むガラス、特に質量百分率でＳｉＯ2 ４０〜７０％、Ｂ2Ｏ3 ５〜２０％、Ａｌ2Ｏ3 ０〜１５％、ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ ０〜４５％、Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ５〜２５％（ただしＬｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏの内の２種以上を含む）の組成を有するガラスを使用することが好ましい。
【００１３】
各成分の含有量を上記のように限定した理由は以下の通りである。
【００１４】
ＳｉＯ2は、ガラスの骨格を構成するために必要な主成分であり、その含有量は４０〜７０％、好ましくは４５〜７０％、さらに好ましくは５０〜６５％である。ＳｉＯ2 が７０％以下であればシリカ原料の溶融に長時間を要せず、大量生産し易くなる。またガラスの熱膨張係数が小さくなりすぎず、ジュメットのそれと適合するため良好なシールができる。また４０％以上であれば実用上十分な化学的耐久性が得られる。化学的耐久性が悪化すると、電子部品製造工程中の種々の薬液や、電子部品の長期の使用においてガラスが変質して破損や気密が保てない等、電子部品の信頼性の低下を招く。またガラスの熱膨張係数がジュメットのそれと適合するため良好なシールができる。
【００１５】
Ｂ2Ｏ3は溶融性の向上、封入温度の低温化、及び化学的耐久性の向上のために必要な成分であり、その含有量は５〜２０％、好ましくは８〜１５％、さらに好ましくは１０〜１５％である。Ｂ2Ｏ3が２０％以下であればガラス融液からの蒸発が少なくなるために均質なガラスが得られる。また実用上十分な化学的耐久性が得られる。一方、５％以上であれば７００℃付近での粘度が低くなり、封入温度の低温化が達成できる。
【００１６】
Ａｌ2Ｏ3は、ガラスの耐久性を改善する成分であり、その含有量は０〜１５％、好ましくは０．５〜１０％である。Ａｌ2Ｏ3が１５％以下であればガラスの溶融が容易であり、また失透性も低くなるため、ブツや脈理のないガラスが得易くなる。ガラスにブツや脈理があると、封入形状が不揃いになったり、破損の原因になり、電子部品の信頼性が大きく後退する。
【００１７】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、及びＺｎＯは、ガラス融液の粘度を下げて溶融を容易にし、封入温度をさげる。さらに、ガラスの化学耐久性を向上させる効果があり、その含有量の合量は０〜４５％、好ましくは０〜２５％、より好ましくは１〜２５％、さらに好ましくは１〜２０％である。これら成分の合量が４５％以下であると失透や分相が殆どない均質性の高いガラスを得ることができる。
【００１８】
ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、及びＺｎＯの含有量は、それぞれＭｇＯ ０〜１０％（特に０〜８％）、ＣａＯ ０〜１０％（特に０〜８％）、ＳｒＯ ０〜２０％（特に０〜１５％）、ＺｎＯ ０〜１５％（特に１〜１５％）であることが好ましい。各成分の含有量が上記範囲内であれば失透や分相が生じ難くなる。
【００１９】
アルカリ金属酸化物であるＬｉ2 Ｏ、Ｎａ2 Ｏ、及びＫ2 Ｏはガラスの溶融を容易にし、７１０℃以下の封入温度の達成と、ジュメットシールに必要な熱膨張係数を得るのに必須の成分である。これらのアルカリ金属酸化物は２種以上混合して使用することが重要である。つまりアルカリ金属酸化物が多いほど封入温度が下がるが、逆に耐候性や電気絶縁性が悪化する傾向にある。そこでアルカリ金属酸化物の混合効果を利用するために、２種以上を混合して使用し、耐候性や電気絶縁性の悪化を防止する。
【００２０】
アルカリ金属酸化物の含有量は合量で５〜２５％、好ましくは１０〜２５％、さらに好ましくは１４〜２０％である。これら成分の合量が２５％以下であれば熱膨張係数が高くなりすぎず、ジュメットシールが可能である。また化学的耐久性の低下が殆どない。一方、１０％以上であれば低温封着が達成でき、また熱膨張係数が小さくなり過ぎない。
【００２１】
またＬｉ2 Ｏ、Ｎａ2 Ｏ、及びＫ2 Ｏの含有量は、それぞれＬｉ2Ｏ ０〜１０％（特に０．５〜９％）、Ｎａ2Ｏ ０〜１０％（特に０〜９％）、Ｋ2Ｏ ０〜１５％（特に１〜１０％）であることが好ましい。各成分の含有量がその範囲内であれば、混合アルカリの効果により耐候性や電気絶縁性が悪化することがない。なお、Ｌｉ2 Ｏは、封入温度を低下させる効果が最も高いため、０．５％以上、好ましくは２％以上、より好ましくは３％以上含有させることが望ましい。
【００２２】
さらに上記成分に加えて、ガラスの粘度の調整や耐候性、溶融性、清澄性等を改善する目的で、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｐ2Ｏ5、ＳＯ3、Ｓｂ2Ｏ3、Ｆ、Ｃｌ等の成分を適量添加することが可能である。
【００２３】
次に本発明の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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１０4〜１０6ｄＰａ・Ｓになる。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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７１０℃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。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
【００３３】
表１〜５は本発明のガラスの実施例（試料Ｎｏ．１〜２６）及び比較例（試料Ｎｏ．２７、２８）を示している。なおＮｏ．２７の試料は鉛を含む従来の半導体封入用ガラスを、Ｎｏ．２８の試料は特開平６-２０６７３７記載の無鉛ガラスを示している。
【００３４】
まず、石粉、酸化アルミニウム、硼酸、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、酸化亜鉛、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、三酸化アンチモンを所定の割合になるように、得率や不純物量を考慮して決定された原料調合表に基づいて５００ｋｇの原料を調合し、Ｖ型ミキサーでよく混合した。
【００３５】
この原料を容量５００リットルのガラス溶融炉で溶融し、ダウンドロー法で管状に成形した後、切断し、適当な長さ（例えば１ｍ）のガラス管を得た。ガラス溶融炉の溶融糟は１４５０℃であり、溶融槽からでたガラスは清澄槽を通り、フィーダーに入る。フィーダー内のガラスは成形装置であるフィーダー底面の開口リング（Orifice ring）と同心上に配置されたベル軸（Bel shaft）の隙間から炉外に流出し、ベル軸から吹き込まれた空気圧を管内部に受けながら、下方に引きのばされ管に成形される。必要な管寸法（内径と管肉厚）は、ガラスの流下速度と空気圧と引っ張り速度で決定される。
【００３６】
次に結束器具を用いてガラス管１０００本を一体的に固定し、松ヤニなどの樹脂が管の間に入り込むように樹脂槽につけ、取り出して冷却することで、直径約５ｃｍの１本の棒状体とした。これをダイヤモンドカッターで所定の長さに切断し、一度の切断で１０００本の管ガラスが一体化したペレットを得た。その後、樹脂を除去して管同士の結束を外し、洗浄、乾燥することで所定の長さの外套管を得た。なおこのようにして得られる外套管は、例えばダイオード用外套管の場合、内径０．６〜２．１ｍｍ、肉厚０．２〜０．８ｍｍ、長さ１〜４ｍｍである。
【００３７】
また各試料について、熱膨張係数、軟化点、１０6ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度（封入温度）、作業点及び体積抵抗率（１５０℃、２５０℃）を測定した。結果を各表に示す。
【００３８】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
表から明らかなように、本発明の実施例であるＮｏ．１〜２６の各試料は、封入温度が７１０℃以下、熱膨張係数が８６．７〜１０２．４×１０-7／℃であった。これに対してＮｏ．２８の試料は、熱膨張係数が９３×１０-7／℃とジュメットと安全にシールできるものの、封入温度が７８８℃と高く、半導体封入用ガラスには適さないことが確認された。
【００４５】
なお各試料の評価に当たっては、まず表に示す組成となるようにガラス原料を調合し、白金坩堝を用いて１４００℃で５時間溶融した後、融液を所定の形状に成形、加工してから各評価に供した。
【００４６】
熱膨張係数は、ガラスを直径約３ｍｍ、長さ約５０ｍｍの円柱に加工した後に、自記示差熱膨張計で、３０〜３８０℃の温度範囲における平均線膨張係数を測定したものである。
【００４７】
軟化点、１０6ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度（封入温度）、及び作業点は、次のようにして求めた。先ず、ＡＳＴＭ Ｃ３３８に準拠するファイバ法でガラスの軟化点を測定し、白金球引き上げ法によって作業点領域の粘度に対する温度を求めた。次いで、これらの温度と粘度の値をＦｕｌｃｈｅｒの式にあてはめて、粘度が１０6ｄＰａ・ｓになる温度を算出して、封入温度とした。
【００４８】
体積抵抗率は、ＡＳＴＭ Ｃ−６５７に準拠する方法で測定した。なお半導体封入用ガラスは絶縁性が高いことが望ましい。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明の半導体封入用ガラスは、ＰｂＯを全く含まないにも拘わらず、ジュメットとの封着に適した８５〜１０５×１０-7／℃の熱膨張係数を有し、しかも封入温度が７１０℃以下であるため、半導体封入用外套管材質として好適である。
【００５０】
また本発明の半導体封入用外套管を用いれば、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の無鉛化が可能となる。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention is produced using a glass for semiconductor encapsulation, that is, a glass for hermetically sealing an electrode material such as a silicon diode, a light emitting diode, or a thermistor and an electrode material such as a jumet wire electrically connected thereto. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor encapsulation outer tube and a semiconductor element encapsulation method using the outer tube.
[0002]
[Prior art]
Small electronic components such as silicon diodes, light emitting diodes, and thermistors are sandwiched between electrode materials such as dumet wires from both sides, surrounded by a glass envelope, and then heated to a predetermined temperature. A structure (DHD type) in which a tube is softly deformed and hermetically sealed is widely used. This heating temperature is generally a temperature at which the viscosity of the glass is 10 6 dPa · s, and is referred to as the sealing temperature. Here, the condition required for the glass sealing temperature is that the electrical characteristics of the semiconductor are below the heat-resistant temperature of the semiconductor to be sealed so that the semiconductor characteristics are not lost at the sealing temperature. The heat resistance temperature of semiconductors varies widely depending on the type and design, but even the one with the highest heat resistance is about 710 ° C., so it is important that the sealing temperature is 710 ° C. or lower. Further, as a characteristic required for glass, there is a thermal expansion coefficient. This is consistent with the coefficient of thermal expansion of the most commonly used Dumet wire as an electrode material, and requires a coefficient of thermal expansion of 85 to 105 × 10 −7 / ° C. (between 30 and 380 ° C.). is there.
[0003]
Conventionally, lead silicate glass containing PbO in a large amount of 45 to 75% by weight has been used as a glass for semiconductor encapsulation that satisfies such conditions. This is because PbO is extremely effective in reducing the viscosity of the glass while forming a stable glass in the silicate glass. For example, the encapsulation temperature of a semiconductor encapsulation glass containing 46% PbO is about 700 ° C., and the encapsulation temperature of a semiconductor encapsulation glass containing 60% PbO is about 655 ° C.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, environmental pollution due to harmful components such as lead, cadmium, and arsenic has been regarded as a problem, and industrial products have been required not to contain those harmful components. Also in electronic components, first, lead-free soldering is actively addressed, and then it is desired that the glass for semiconductor encapsulation does not contain PbO.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-206737 discloses an example of lead-free glass used as a constituent material for electrical equipment and electronic parts and capable of safe sealing with jumet. However, this is intended to lead-free leaded glass having a PbO content of about 20-30%. The glass having a PbO content of about 20 to 30% is a glass for sealing bulbs of fluorescent lamps and incandescent lamps, and originally has an encapsulation temperature of about 750 ° C. In addition, the sealing temperature of the lead-free glass disclosed in JP-A-6-206737 is as high as about 790 ° C. Therefore, in the glass system disclosed here, the encapsulation temperature of 710 ° C. or less required for the glass for semiconductor encapsulation cannot be realized at all.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances and has a sealing temperature of 710 ° C. or lower and can be safely sealed with dumet even though the glass is substantially free of lead and other harmful components. An object of the present invention is to provide a glass for encapsulating a semiconductor, an enveloping outer tube manufactured using the same, and a method for enclosing a semiconductor element using the outer tube.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The glass for semiconductor encapsulation of the present invention is a glass for semiconductor encapsulation used for the production of an outer tube for semiconductor encapsulation, and does not substantially contain lead, and the temperature corresponding to a viscosity of 10 6 dPa · s is 710 ° C. or less. , and the mass percentage, SiO 2 40~70%, Al 2 O 3 0~15%, MgO + CaO + SrO + BaO + has the composition ZnO 0~45%, Li 2 O, 2 kinds of the Na 2 O, K 2 O characterized in that it comprises more than a B 2 O 3 as an essential component.
[0008]
The outer tube for encapsulating a semiconductor of the present invention is substantially free of lead, has a temperature corresponding to a viscosity of 10 6 dPa · s of 710 ° C. or less, and has a mass percentage of SiO 2 of 40 to 70%, Al 2. It has a composition of O 3 0-15%, MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 0-45%, and is made of glass containing two or more of Li 2 O, Na 2 O, K 2 O and B 2 O 3 as essential components. Features.
[0009]
The semiconductor element encapsulating method of the present invention is a method for encapsulating a semiconductor element with a semiconductor encapsulating outer tube, and the outer tube is substantially free of lead, and has a mass percentage of SiO 2 of 40 to 70%, Al 2. It has a composition of O 3 0-15%, MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 0-45%, a temperature corresponding to a viscosity of 10 6 dPa · s is 710 ° C. or less, and Li 2 O, Na 2 O, K 2 O A glass tube made of glass containing two or more kinds and B 2 O 3 as essential components is used.
[0010]
[Action]
The glass for semiconductor encapsulation according to the present invention contains two or more of Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O and B 2 O 3 as essential components, thereby reducing the viscosity of the glass and 710 ° C. or less. It is possible to enclose with. Moreover, in order to seal with dumet, it is preferable that the thermal expansion coefficient between 30 degreeC-380 degreeC of glass is 85-105x10 < -7 > / degreeC. The glass of the present invention is substantially free of lead. “Substantially free of lead” means that lead is not actively used in the glass raw material, but contamination from impurities and the like should be avoided as much as possible. Specifically, the allowable range of lead is 5000 ppm or less, preferably 1000 ppm or less, more preferably 500 ppm or less as the content of PbO.
[0011]
Moreover, if the volume resistance of the glass for semiconductor encapsulation becomes low, a slight amount of electricity flows between the electrodes, resulting in a circuit as if a resistor was installed in parallel with the diode. For this reason, it is preferable that the volume resistance of glass is as high as possible. Specifically, the volume resistance value at 150 ° C. is 7 or more, preferably 9 or more, and more preferably 10 or more in Logρ (Ω · cm). Further, when the diode is suitably used at a high temperature of about 200 ° C., the resistance value at 250 ° C. is preferably 7 or more in terms of Log ρ (Ω · cm).
[0012]
The semiconductor encapsulating glass having the above characteristics, by mass percentage, SiO 2 40~70%, Al 2 O 3 0~15%, MgO + CaO + SrO + BaO + has the composition ZnO 0 to 45%, the viscosity of 10 6 dPa · s Corresponding temperature is 710 ° C. or lower, and glass containing two or more of Li 2 O, Na 2 O, K 2 O and B 2 O 3 as essential components, particularly SiO 2 40-70% by mass percentage, B 2 O 3 5-20%, Al 2 O 3 0-15%, MgO + CaO + SrO + BaO + ZnO 0-45%, Li 2 O + Na 2 O + K 2 O 5-25% (However, Li 2 O, Na 2 O, K 2 O It is preferable to use a glass having a composition of 2).
[0013]
The reason why the content of each component is limited as described above is as follows.
[0014]
SiO 2 is a main component necessary for constituting a glass skeleton, and its content is 40 to 70%, preferably 45 to 70%, more preferably 50 to 65%. If the SiO 2 content is 70% or less, the silica raw material does not require a long time to be melted, and mass production is facilitated. In addition, the thermal expansion coefficient of the glass does not become too small, and a good seal can be obtained because it matches that of Jumet. If it is 40% or more, chemical durability sufficient for practical use can be obtained. When the chemical durability deteriorates, various chemicals in the manufacturing process of the electronic component and the reliability of the electronic component are deteriorated such that the glass is deteriorated due to long-term use of the electronic component and cannot be damaged or airtight. Moreover, since the thermal expansion coefficient of glass matches that of Jumet, a good seal can be obtained.
[0015]
B 2 O 3 is a component necessary for improving the meltability, lowering the sealing temperature, and improving the chemical durability, and its content is 5 to 20%, preferably 8 to 15%, more preferably Is 10-15%. If B 2 O 3 is 20% or less, evaporation from the glass melt is reduced, so that a homogeneous glass can be obtained. Also, chemical durability sufficient for practical use can be obtained. On the other hand, if it is 5% or more, the viscosity in the vicinity of 700 ° C. is lowered, and the encapsulation temperature can be lowered.
[0016]
Al 2 O 3 is a component that improves the durability of the glass, and its content is 0 to 15%, preferably 0.5 to 10%. If the Al 2 O 3 content is 15% or less, the glass is easily melted and the devitrification property is low, so that it is easy to obtain a glass free from irregularities and striae. If there are irregularities or striae in the glass, the encapsulated shape will be uneven or cause damage, and the reliability of the electronic parts will be greatly reduced.
[0017]
MgO, CaO, SrO, BaO and ZnO lower the viscosity of the glass melt to facilitate melting and lower the sealing temperature. Furthermore, there exists an effect which improves the chemical durability of glass, The total amount of the content is 0 to 45%, Preferably it is 0 to 25%, More preferably, it is 1 to 25%, More preferably, it is 1 to 20%. . When the total amount of these components is 45% or less, a highly homogenous glass having almost no devitrification or phase separation can be obtained.
[0018]
The contents of MgO, CaO, SrO, and ZnO are respectively MgO 0-10% (especially 0-8%), CaO 0-10% (especially 0-8%), SrO 0-20% (especially 0-15). %), ZnO 0 to 15% (particularly 1 to 15%) is preferable. If the content of each component is within the above range, devitrification and phase separation are difficult to occur.
[0019]
Alkali metal oxides Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O facilitate melting of the glass and are essential to achieve a sealing temperature of 710 ° C. or lower and to obtain a thermal expansion coefficient required for a jumet seal. It is a component. It is important to use a mixture of two or more of these alkali metal oxides. That is, the more the alkali metal oxide is, the lower the sealing temperature, but conversely, the weather resistance and electrical insulation tend to deteriorate. Therefore, in order to use the mixing effect of the alkali metal oxide, two or more kinds are mixed and used to prevent deterioration of weather resistance and electrical insulation.
[0020]
The total content of alkali metal oxides is 5 to 25%, preferably 10 to 25%, more preferably 14 to 20%. If the total amount of these components is 25% or less, the coefficient of thermal expansion does not become too high, and jumet sealing is possible. There is almost no decrease in chemical durability. On the other hand, if it is 10% or more, low-temperature sealing can be achieved, and the thermal expansion coefficient does not become too small.
[0021]
The contents of Li 2 O, Na 2 O, and K 2 O are respectively Li 2 O 0-10% (especially 0.5-9%), Na 2 O 0-10% (especially 0-9%). K 2 O is preferably 0 to 15% (particularly 1 to 10%). When the content of each component is within the range, weather resistance and electrical insulation are not deteriorated by the effect of the mixed alkali. Since Li 2 O has the highest effect of lowering the sealing temperature, it is desirable to contain 0.5% or more, preferably 2% or more, more preferably 3% or more.
[0022]
Further, in addition to the above components, ZrO 2 , TiO 2 , P 2 O 5 , SO 3 , Sb 2 O 3 , F, Cl for the purpose of adjusting the viscosity of the glass and improving the weather resistance, meltability, clarity, etc. It is possible to add an appropriate amount of such components.
[0023]
Next, the manufacturing method of the outer tube for semiconductor encapsulation made of the glass for semiconductor encapsulation of the present invention will be described.
[0024]
Manufacture of mantle tubes on an industrial scale consists of a mixing and mixing process in which minerals and refined crystal powders containing components that form glass are measured and mixed, and the raw materials to be put into the furnace are prepared, and melting to convert the raw materials into molten glass It consists of a process, a forming process for forming the molten glass into a tube shape, and a processing process for cutting the tube into predetermined dimensions.
[0025]
First, glass raw materials are prepared and mixed. The raw materials are composed of minerals and impurities composed of a plurality of components such as oxides and carbonates, and may be prepared in consideration of the analytical values, and the raw materials are not limited. These are measured by weight and mixed with an appropriate mixer according to the scale, such as a V mixer, a rocking mixer, or a mixer equipped with stirring blades, to obtain an input raw material.
[0026]
Next, the raw material is put into a glass melting furnace and vitrified. A melting furnace is a melting tank for melting glass raw material to vitrify, a clarification tank for rising and removing bubbles in the glass, and lowering the clarified glass to a viscosity suitable for molding, and leading to a molding apparatus It consists of a passage (feeder). As the melting furnace, a refractory material or a furnace covered with platinum is used, and it is heated by heating with a burner or electric current to glass. The charged raw materials are usually vitrified in a melting bath of 1300 ° C to 1600 ° C, and further enter a clarification bath of 1400 ° C to 1600 ° C. Here, bubbles in the glass are lifted to remove the bubbles. The glass that comes out of the Kiyosumi pass is cooled to a viscosity of 10 4 to 10 6 dPa · S suitable for glass molding as it moves to the molding apparatus through the feeder.
[0027]
Next, the glass is formed into a tubular shape with a forming apparatus. As a molding method, a Danner method, a tongue method, a downdraw method, and an updraw method can be applied.
[0028]
Thereafter, the outer tube for semiconductor encapsulation can be obtained by cutting the glass tube into a predetermined size. The glass tube can be cut one by one with a diamond cutter. However, as a method suitable for mass production, a large number of tube glasses are bound together and then cut with a diamond wheel cutter. A method of cutting a large number of tube glasses at a time is generally used.
[0029]
Next, a method for encapsulating a semiconductor element using a jacket tube made of glass of the present invention will be described.
[0030]
First, a jig is used so that an electrode material such as a dumet wire sandwiches the semiconductor element from both sides in the outer tube. Thereafter, the whole is heated to a temperature of 710 ° C. or lower, the outer tube is softened and deformed, and hermetically sealed. By such a method, a small electronic component such as a silicon diode, a light emitting diode, or a thermistor can be manufactured.
[0032]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described using examples.
[0033]
Tables 1 to 5 show examples (sample Nos. 1 to 26) and comparative examples (samples No. 27 and 28) of the glass of the present invention. No. Sample No. 27 is a conventional semiconductor encapsulating glass containing lead. Sample 28 represents lead-free glass described in JP-A-6-206737.
[0034]
First, stone powder, aluminum oxide, boric acid, magnesium oxide, calcium carbonate, zinc oxide, lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate, and antimony trioxide are determined in consideration of the yield and the amount of impurities. Based on the raw material preparation table, 500 kg of raw material was prepared and mixed well with a V-type mixer.
[0035]
This raw material was melted in a glass melting furnace having a capacity of 500 liters, formed into a tubular shape by a downdraw method, and then cut to obtain a glass tube having an appropriate length (for example, 1 m). The melting point of the glass melting furnace is 1450 ° C., and the glass from the melting tank passes through the clarification tank and enters the feeder. The glass inside the feeder flows out of the furnace through the gap between the bell shaft, which is concentric with the opening ring (Orifice ring) on the bottom of the feeder, which is a molding device, and the air pressure blown from the bell shaft is drawn inside the tube. While being received, it is drawn downward and formed into a tube. The required tube dimensions (inner diameter and tube wall thickness) are determined by the glass flow speed, air pressure and pulling speed.
[0036]
Next, 1000 glass tubes are fixed together using a bundling tool, placed in a resin tank so that resin such as pine crabs enter between the tubes, and then taken out and cooled to form a single rod having a diameter of about 5 cm. The body. This was cut into a predetermined length with a diamond cutter, and a pellet in which 1000 pieces of tube glass were integrated by one cutting was obtained. Thereafter, the resin was removed, the tube was unbound, washed and dried to obtain a mantle tube having a predetermined length. The outer tube thus obtained has an inner diameter of 0.6 to 2.1 mm, a thickness of 0.2 to 0.8 mm, and a length of 1 to 4 mm, for example, in the case of a diode outer tube.
[0037]
For each sample, a thermal expansion coefficient, a softening point, a temperature corresponding to a viscosity of 10 6 dPa · s (encapsulation temperature), a working point, and a volume resistivity (150 ° C., 250 ° C.) were measured. The results are shown in each table.
[0038]
[Table 1]
[Table 2]
[Table 3]
[Table 4]
[Table 5]
[Table 6]
As is apparent from the table, No. 1 as an example of the present invention. Each of the samples 1 to 26 had an enclosure temperature of 710 ° C. or lower and a thermal expansion coefficient of 86.7 to 102.4 × 10 −7 / ° C. In contrast, no. Although the sample of 28 had a thermal expansion coefficient of 93 × 10 −7 / ° C. and could be safely sealed with dumet, it was confirmed that the encapsulation temperature was as high as 788 ° C. and was not suitable for glass for semiconductor encapsulation.
[0045]
In evaluating each sample, first, glass raw materials were prepared so as to have the composition shown in the table, melted at 1400 ° C. for 5 hours using a platinum crucible, and then the melt was formed and processed into a predetermined shape. It used for each evaluation.
[0046]
The thermal expansion coefficient is obtained by measuring an average linear expansion coefficient in a temperature range of 30 to 380 ° C. with a self-described differential thermal dilatometer after processing the glass into a cylinder having a diameter of about 3 mm and a length of about 50 mm.
[0047]
The softening point, the temperature corresponding to a viscosity of 10 6 dPa · s (encapsulation temperature), and the working point were determined as follows. First, the softening point of the glass was measured by a fiber method based on ASTM C338, and the temperature with respect to the viscosity of the working point region was determined by a platinum ball pulling method. Next, these temperatures and viscosity values were applied to the Fulcher equation, and the temperature at which the viscosity reached 10 6 dPa · s was calculated and used as the encapsulation temperature.
[0048]
The volume resistivity was measured by a method based on ASTM C-657. It is desirable that the glass for semiconductor encapsulation has high insulation properties.
[0049]
【The invention's effect】
As described above, the glass for encapsulating a semiconductor of the present invention has a thermal expansion coefficient of 85 to 105 × 10 −7 / ° C. suitable for sealing with jumet even though it does not contain PbO at all. Since the temperature is 710 ° C. or lower, it is suitable as a material for the outer tube for semiconductor encapsulation.
[0050]
In addition, if the outer tube for semiconductor encapsulation of the present invention is used, lead-free electronic components such as silicon diodes, light emitting diodes, and thermistors can be made free of lead.
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