JP4794074B2 - 半導体素子収納用パッケージおよび半導体装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子収納用パッケージに関し、特に半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を気密に封止するための蓋体を枠体上面に熔接するに際し、この枠体上面に予め接合されるシールリングの形状の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子を収納する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）としては、図４に示すように、例えば金属からなる基体１と、その上面に接合されたセラミックスから成る枠体２とを有し、枠体２の最上面に形成されたタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）等からなるシール用メタライズ層２ａ上に、ニッケル（Ｎｉ）メッキなどの金属層を介してシールリング３を銀（Ａｇ）ロウなどのロウ材で接合した半導体パッケージＡが知られている。この半導体パッケージＡに半導体素子５を収容し、シールリング３の上面に蓋体４をシームウェルド熔接法で熔接して図５に示す半導体装置Ｂとなる。
【０００３】
このような構成の半導体装置Ｂでは、半導体素子５の気密封止を完全なものとし、また蓋体４の接合の信頼性を確保するために、蓋体４とシール用メタライズ層２ａとの間のロウ材溜まりを大きくする必要があった。
【０００４】
そして、ロウ材溜まりを大きくするためにシール用メタライズ層２ａの幅を大きくする構成とすることができるが、この構成では、シール用メタライズ層２ａの幅を大きくした分だけ半導体パッケージＡが大きくなり、近時の小型化という市場要求に反することとなり問題があった。
【０００５】
そこで、シール用メタライズ層２ａの幅を大きくすることなくロウ材溜まりを大きくする構成として、図６の要部拡大断面図に示すように、シール用メタライズ層２ａの上面を部分的に盛り上がらせるために凸条部２ｂをシール用メタライズ層２ａ上に厚膜法で形成することにより、凸条部２ｂによってロウ材溜まり２ｃを上方に拡大して大きなロウ材溜まり２ｃを作ることができ、このロウ材溜まり２ｃにより十分なロウ付け強度を確保することができるものが提案されている（特開平９−１３９４３９号公報参照）。
【０００６】
また、図7の（ａ），（ｂ）に示すように、セラミック基体１１上にシールリング３を載置してなる半導体パッケージにおいて、シールリング３の側面に内側に傾斜する傾斜６を設けたり、あるいはシールリング３の下面に切り欠き７を設けたりして、シールリング３の下面の幅を上面の幅よりも小さくしたものが提案されている。このような形状のシールリング３によれば、シール用メタライズ層２ａの幅が小さくとも適正なロウ材溜まり２ｃが得られ、シームウェルド時の熱ストレスによる封入不良が防止できるものが提案されている（実開昭５４−７２４７２号公報，実開平３−６１３４３号公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の図６に示す構成では、枠体２の最上部に相当するセラミックグリーンシートに対して、シール用メタライズ層２ａとなる導体ペーストの印刷膜の上に重ね印刷を行って凸条部２ｂとなる印刷膜を形成しなければならず、その際に印刷の位置ずれが発生したり、またシール用メタライズ層２ａと凸条部２ｂ間に剥離が発生することがあり問題となっていた。
【０００８】
この位置ずれはセラミックグリーンシート上に印刷された印刷膜を乾燥する際の乾燥収縮バラツキや、印刷機で印刷する際の印刷ずれなどが原因で発生し、この位置ずれが発生すると、シールリング３の半導体パッケージ内側と外側とでロウ材溜まり２ｃの体積が大きく異なってしまう場合がある。その結果、半導体パッケージが作動中に発する熱がこれら内外のロウ材溜まり２ｃに加わると、内外のロウ材溜まり２ｃに熱膨張差を生じさせ、その結果ロウ材溜まり２ｃにクラックが発生したり、またシールリング３が撓んだ状態で接合されたりして半導体パッケージＡの気密封止が損なわれるという不具合を招来していた。このシールリング３はカーボン治具を用いて枠体２上にＡｇロウとともに配置されロウ付けされるのであるが、このとき用いられるカーボン治具の寸法精度は近年大きく向上しているために、上記の不具合はカーボン治具の成型精度に起因したシールリング３の位置ズレによるものではなく、上記の印刷ズレによってロウ材溜まり２ｃの体積が半導体パッケージの内外で大きく異なることによっている。
【０００９】
また、シール用メタライズ層２ａ同士の接合不良が発生する場合があった。これは、例えば最初に印刷された印刷膜の表面の乾燥状態にバラツキが生じた場合、最初の印刷膜上に形成される凸条部２ｂとなる印刷膜に、最初の印刷膜に対する接合力が不十分な部位が発生し、その結果凸条部２ｂと最初のシール用メタライズ層２ａの間に隙間が発生して半導体パッケージの気密性を損ねていた。
【００１０】
これらの不具合は、最初の印刷膜が印刷されたセラミックグリーンシートを乾燥し、これを他のセラミックグリーンシートに積層した後に焼成して得られるセラミック体において、そのセラミック体上面のシール用メタライズ層２ａ上に印刷膜を形成し、次いで乾燥、焼成して得られたセラミック体においても発生する場合がある。即ち、焼成時におけるセラミック体の収縮バラツキによって凸条部２ｂとなる印刷膜を重ね印刷する際に印刷ズレが発生する場合や、最初に形成されたシール用メタライズ層２ａの表面に対して次に印刷された印刷膜が部分的に良好に接合しない場合には焼成後における層間剥離の原因となっていた。
【００１１】
また上記従来の図7の（ａ），（ｂ）に示す構成では、シールリング３の両側面にロウ材溜まり２ｃが形成されている場合を示しているが、この構成ではロウ付け時にシールリング３の載置位置がずれているとロウ付け後においてシールリング３の両側におけるロウ材溜まり２ｃの体積が大きく異なることになる。これにより、熱を受けるとシールリング３の両側におけるロウ材溜まり２ｃの熱膨張が異なり、これがマイクロクラックをロウ材溜まり２ｃや枠体２に発生させたりする原因となっていた。
【００１２】
さらに、またシールリング３の枠部の上面と側面とのなす角度によってロウ材溜まり２ｃの形成状態が大きく変動していた。即ち、この角度が４５°程度以下になるとロウ材溜まり２ｃの体積が小さくなる場合があり、またこの角度が９０°近くになるとロウ材の這い上がりが少なくなり、いずれも適正なロウ材溜まり２ｃを形成できないことを本発明者は確認した。
【００１３】
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、シール用メタライズ層の幅を大きくしたり、またシール用メタライズ層上に凸条部を形成することなく、またシールリングの縦断面形状を改善することによりシールリングが強固かつ信頼性良く取着された半導体パッケージ、および半導体パッケージの内部に収容する半導体素子を気密に封止するとともに長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る半導体装置を提供することにある。
【００１４】
【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は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極を有する枠体と、前記枠体の上面に取着されたシールリングとを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記シールリングは長方形で、その枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、前記枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であって、前記枠部の上面と側面とのなす角度が短辺と長辺で異なっていることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、上記の構成により、ロウ材溜まりの適正な大きさを確保して十分な接合強度が得られるとともに気密封止性をより確実、良好なものとすることができる。
【００１９】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力用電極に電気的に接続された半導体素子と、前記シールリングの上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、上記の構成により、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定して作動させ得る信頼性の高い半導体装置となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージおよび半導体装置を以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は図１の要部拡大断面図である。これらの図において、Ａは半導体パッケージ、１は上面に半導体素子が載置される載置部１ａを有する基体、１ａは載置部、１ｂは入出力用電極、２は基体１の上面に載置部１ａを囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極１ｂを有する枠体、２ａはシール用メタライズ層、２ｃはロウ材溜まり、４は蓋体、５は半導体素子、１３は枠体２の上面に取着された枠状のシールリングである。これら基体１、枠体２、シールリング１３および蓋体４とで、半導体素子５を収容するための容器が基本的に構成される。なお、図１，図２において、従来例の図３〜図６と同じ部位には同じ符号を付している。
【００２２】
本発明の基体１は、銅（Ｃｕ）−Ｗ合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属材料やアルミナセラミックス等のセラミックスからなる。基体１が金属材料から成る場合、そのインゴットに圧延加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、その上面に半導体素子の載置部１ａを有する板材に加工される。また、その表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、枠体２とのＡｇロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２３】
一方、基体１がセラミックスから成る場合、基体１は金属材料に比し非常に軽量となることから、半導体パッケージ内部に半導体素子５を収容して半導体装置となした場合、半導体装置の重量を極めて軽量なものとできる。セラミックスから成る基体１は、例えばアルミナセラミックスからなる場合以下のようにして作製される。まず、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），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バインダ、溶剤等を添加混合してスラリーとなす。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法よってセラミックグリーンシートと成し、適当な大きさに切断する。次いで、このセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施し、さらにＷ等の金属粉末を主成分とする導体ペーストを印刷塗布する。これを複数枚積層し約１６００℃の温度で焼成することによって作製される。
【００２４】
また、このようにして作製された基体１の表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体１と枠体２との銀ロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２５】
また、枠体２はセラミックスや金属材料からなり、例えばアルミナセラミックスからなる場合以下のようにして作製される。まず、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＭｇＯ，ＣａＯ等の原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤等を添加混合してスラリーとなす。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、適当な大きさに切断する。このセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施し、次いでＷ等の金属粉末を主成分とする導体ペーストをシール用メタライズ層２ａの形成部位、基体１に接合するためのメタライズ層の形成部位、および入出力用電極１ｂの接合部位にそれぞれ印刷して印刷膜を形成する。このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって作製される。得られたセラミックスから成る枠体２上面のシール用メタライズ層２ａ上に、耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体１とのＡｇロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２６】
また枠体２が金属材料から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等からなる金属筒を、高温高圧をかけながら絞り加工により所望の形状に成形し、これを切断することによって作製される。この枠体２の表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体１とのＡｇロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２７】
以下、本実施の形態では、金属からなる基体１とセラミックスからなる枠体２とを備える半導体パッケージＡについて説明する。
【００２８】
枠体２は基体１の上面に載置部１ａを囲繞するようにしてＡｇロウなどのロウ材を介して取着される。このとき、シールリング１３がＡｇロウを介して同時に接合されてもよいが、枠体２のロウ付け後に接合されても良い。
【００２９】
本発明のシールリング１３は、上面を底辺とする略半円形の縦断面形状を有するように作製される。図２（ａ）は、シールリング１３の枠部の縦断面形状を示し、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属材料から成る板状部材から金型により打抜かれて作製される。シールリング１３は、まずその内側が金型で打抜かれて枠状とされ、次いでシールリング形状となるように金型で打抜かれて形成される。次いで、下パンチの表面にこのシールリングを当接させながら圧力をかけて所望の形状に成形するのであるが、下パンチの表面に所定の形状の凹みを予め設けておくことによりシールリング１３の枠部の縦断面形状を略半円形となすことができる。この場合のシールリング１３の枠部の円弧の直径は０．２〜１ｍｍが良く、０．２ｍｍ未満では、シールリング１３の幅を小さくせざるを得ず、気密封止の信頼性が損なわれてしまう場合がある。また、１ｍｍを超えると、ろう材溜まりの大きさが小さくなりロウ付けによる接合強度が小さくなってしまうとともに、シールリング１３の幅が大きくなり小型化という市場要求に逆行することに成る。より好ましくは０．２５〜０．８ｍｍが良い。
【００３０】
このような縦断面形状を有するシールリング１３においては、下記表１に示すように、シールリング１３の幅が変化しても従来の縦断面形状が矩形のシールリングと比べて、シールリング１３の内外側におけるろう材溜まり２ｃの大きさが同程度となり、その結果従来の構造のシールリングに比べてロウ材溜まり２ｃやセラミックからなる基体１にクラックが発生することはなくなる。従って、長期に亘って半導体パッケージの内部に収容する半導体素子を気密に封止するとともに、正常かつ安定して作動させることができる。
【００３１】
表１において、シールリング１３の幅が０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，１ｍｍ，１．２ｍｍ，１．５ｍｍで縦断面形状が長方形のもの（従来例）と、略半円形のもの（本発明）とを用意し、それぞれについてロウ材溜まり２ｃのバランスと、マイクロクラックの発生について調査した結果を記載している。詳しくは、サンプル数は縦断面形状が長方形のものと、略半円形のもののそれぞれについて、シールリング１３の幅が０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，１ｍｍ，１．２ｍｍ，１．５ｍｍのものを各１００個づつ用意し、ロウ材溜まり２ｃのシールリング１３の両側における体積バランスが３０％以上異なっている個数の割合と、ロウ材溜まり２ｃおよび／または枠体２におけるマイクロクラックの発生の有無を調査した結果である。
【００３２】
このとき、ロウ材は銀の含有量が７２重量％、銅の含有量が２８重量％である銀ロウ（ＢＡｇ８：ＪＩＳＺ３２６１）を使用し、ロウ付けはベルト炉を使用して８７０〜８８０℃の温度で行った。また、枠体２としてはアルミナセラミックを用い、枠体２上にシール用メタライズ層２ａを予め形成しておき、このシール用メタライズ層２ａ上に銀ロウとシールリング１３を載置して銀ロウでシール用メタライズ層２ａにシールリング１３をロウ付けすることによりテスト用サンプルを作成した。この場合、シールリング１３が枠体２に対してずれるようにカーボン治具（後述する）のクリアランス等を調整して、ロウ材溜まり２ｃのシールリング１３の両側における体積バランスが異なるようにした。
【００３３】
【表１】
【００３４】
表1より、シールリング１３の枠部の縦断面形状が略半円形の場合には、マイクロクラックが多く発生して接合性や気密性を劣化させ易い、ロウ材溜まり２ｃの体積バランスが３０％以上異なっているものが発生せず、よって本発明の有効性が確認できた。
【００３５】
また、本発明の第２の発明は図２（ｂ）に示すように、シールリング１３の枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、枠部の上面と側面のなす角度が３５〜７０°である構成としている。この場合、シールリング１３の枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であることと、枠部の両側面が直線状に傾斜していることにより、枠部の両側面にロウ材溜まり２ｃを形成し確保している。この角度が３５°未満では、ロウ材の這い上がる距離が小さくなり、また７０°を超えると、ロウ材の体積が小さくなって、いずれの場合にもシールリング１３の接合強度が小さくなる。より好ましくは、４５〜６０°がよい。
【００３６】
図7に示した従来構造のシールリング３には、縦断面形状が逆台形状のものがあるが、枠部の上面と側面とがなす角度によってロウ材溜まり２ｃの大きさが異なり、接合強度が大きく変化することが示されていない。本発明者は実験を重ねることによりこの角度にきわめて有効な範囲があることを見出し、本発明の構成に至ったものである。
【００３７】
そして、下記表２にシールリング１３の枠部の上面と側面とのなす角度とシールリング１３の接合強度について示した。表２において、シールリング１３の上面の幅が０．５ｍｍ，１ｍｍ、厚さがそれぞれ０．５ｍｍ，１ｍｍのものを用い、枠部の上面と側面とのなす角度が２５°，３０°，３５°，５０°，７０°，７５°，８０°，８５°の場合のサンプルを各１００個づつ作成し評価した。このとき、枠部の上面と側面とのなす角度が３５°，７０°の場合に、ほぼ同じロウ材溜まり２ｃの体積が得られる。そして、３５°，７０°の場合のロウ材溜まり２ｃの断面積を１００として、各角度におけるロウ材溜まり２ｃの断面積の相対値および接合強度を測定し、接合強度はその平均値をニユートン（N）で表わしている。
【００３８】
【表２】
【００３９】
表２より、シールリング１３の枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°で接合強度がきわめて大きくなることが判明した。特に上面の幅が１ｍｍの場合に５０°できわめて大きな接合強度が得られた。
【００４０】
本発明では、枠部の縦断面形状が逆等脚台形状のシールリング１３において、枠部の側面が内側または外側方向に若干湾曲する曲面であっても良く、また内外方向への湾曲の方向が内側の側面と外側の側面とで若干異なっていても良い。このように、シールリング１３の枠部の縦断面形状は、シールリング１３の枠部の内側と外側において形状を非対称としてもよく、その場合はシールリング１３の枠部の内側と外側におけるロウ材の体積が略同じであれば良い。
【００４１】
また、シールリング１３が長方形の場合、短辺と長辺とで枠部の側面の傾斜角が異なっていても良い。このとき、短辺と長辺におけるロウ材溜まりの体積が若干異なっていても応力が集中するシールリング１３の角にあるロウ材溜まり２ｃにクラックが発生することはなく、良好な接合状態が得られることが確かめられている。この場合、枠部の側面の傾斜角は、短辺よりも長辺で５〜１０°程度小さくなっているのが良い。このようにしておくと、両辺におけるロウ材溜まり２ｃの体積のバランスが保たれ、即ち短辺と長辺とでロウ材溜まり２ｃの体積が略同じになりクラックが発生することはない。
【００４２】
本発明の構成のシールリング１３を枠体２上面のシール用メタライズ層２ａ上にロウ材溜り２ｃを介して接合し、シールリング１３が強固に接合された半導体パッケージＡを得ることができる。
【００４３】
このとき、カーボン治具が組立用治具として用いられ、シールリング１３はシール用メタライズ層２ａに対して、カーボン治具に予め見込まれたクリアランスと、枠体２上に形成されているシール用メタライズ層２ａの若干の位置バラツキとによって、シールリング１３の長手方向の中心軸の幅方向でのずれが発生する場合がある。しかし、このずれはシールリング１３の幅の２０％程度以内であれば、シールリング１３の内外側にそれぞれ生成するロウ材溜まり２ｃの体積に大きな差が発生せず、ロウ材溜まり２ｃにクラックなどの不具合が発生することはない。
【００４４】
そして、図３に示すように、基体１の載置部１ａの上面に半導体素子５をガラス，樹脂，ロウ材などの接着剤を介して接着固定するとともに、半導体素子５上の電極をボンディングワイヤを介して入出力用電極１ｂ上のメタライズ層等から成る線路導体の一端に電気的に接続する。しかる後、シールリング１３の上面に蓋体４を金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）等の低融点ロウ材により接合することにより、基体１、枠体２、蓋体４から成る半導体パッケージＡの内部に半導体素子５を収容した製品としての半導体装置Ｂとなる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行うことは何等支障ない。例えば本発明の半導体パッケージが光半導体素子用として用いられても同様な効果が得られることは勿論であり、その際は枠体の側部に光ファイバ取付用の貫通孔が設けられた構成となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、基体の上面に載置部を囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極を有する枠体と、枠体の上面に取着された枠状のシールリングとを具備し、シールリングは、その枠部の縦断面形状が上面を底辺とする略半円形であることにより、シールリングを枠体上面のシール用メタライズ層上に接合させる際に、シールリングの両側におけるロウ材溜まりの大きさのバランスがとれたものとなり、シールリングの強固な接合、および信頼性の高い気密封止を可能にするという作用効果を有する。その結果、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。
【００４７】
また本発明は、シールリングの枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であることにより、ロウ材溜まりの大きさを確保して十分な接合強度が得られるとともに気密封止を良好なものとすることができる。
【００４８】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定されるとともに入出力用電極に電気的に接続された半導体素子と、シールリングの上面に接合された蓋体とを具備したことにより、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定して作動させ得る信頼性の高い半導体装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は図１における要部拡大断面図、（ｂ）は縦断面形状が逆台形のシールリングを用いた場合の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図４】従来の半導体パッケージの断面図である。
【図５】従来の半導体装置の断面図である。
【図６】従来の半導体パッケージにおいて枠体上面のシール用メタライズ層上に凸条部を設けた場合の要部拡大断面図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は従来の半導体パッケージにおけるシールリングの縦断面形状を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｂ：入出力用電極
２：枠体
３：シールリング
４：蓋体
５：半導体素子
Ａ：半導体パッケージ
Ｂ：半導体装置
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子収納用パッケージに関し、特に半導体素子収納用パッケージ内に半導体素子を気密に封止するための蓋体を枠体上面に熔接するに際し、この枠体上面に予め接合されるシールリングの形状の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えばＩＣ，ＬＳＩ，半導体レーザ（ＬＤ），フォトダイオード（ＰＤ）等の半導体素子を収納する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）としては、図４に示すように、例えば金属からなる基体１と、その上面に接合されたセラミックスから成る枠体２とを有し、枠体２の最上面に形成されたタングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ）等からなるシール用メタライズ層２ａ上に、ニッケル（Ｎｉ）メッキなどの金属層を介してシールリング３を銀（Ａｇ）ロウなどのロウ材で接合した半導体パッケージＡが知られている。この半導体パッケージＡに半導体素子５を収容し、シールリング３の上面に蓋体４をシームウェルド熔接法で熔接して図５に示す半導体装置Ｂとなる。
【０００３】
このような構成の半導体装置Ｂでは、半導体素子５の気密封止を完全なものとし、また蓋体４の接合の信頼性を確保するために、蓋体４とシール用メタライズ層２ａとの間のロウ材溜まりを大きくする必要があった。
【０００４】
そして、ロウ材溜まりを大きくするためにシール用メタライズ層２ａの幅を大きくする構成とすることができるが、この構成では、シール用メタライズ層２ａの幅を大きくした分だけ半導体パッケージＡが大きくなり、近時の小型化という市場要求に反することとなり問題があった。
【０００５】
そこで、シール用メタライズ層２ａの幅を大きくすることなくロウ材溜まりを大きくする構成として、図６の要部拡大断面図に示すように、シール用メタライズ層２ａの上面を部分的に盛り上がらせるために凸条部２ｂをシール用メタライズ層２ａ上に厚膜法で形成することにより、凸条部２ｂによってロウ材溜まり２ｃを上方に拡大して大きなロウ材溜まり２ｃを作ることができ、このロウ材溜まり２ｃにより十分なロウ付け強度を確保することができるものが提案されている（特開平９−１３９４３９号公報参照）。
【０００６】
また、図7の（ａ），（ｂ）に示すように、セラミック基体１１上にシールリング３を載置してなる半導体パッケージにおいて、シールリング３の側面に内側に傾斜する傾斜６を設けたり、あるいはシールリング３の下面に切り欠き７を設けたりして、シールリング３の下面の幅を上面の幅よりも小さくしたものが提案されている。このような形状のシールリング３によれば、シール用メタライズ層２ａの幅が小さくとも適正なロウ材溜まり２ｃが得られ、シームウェルド時の熱ストレスによる封入不良が防止できるものが提案されている（実開昭５４−７２４７２号公報，実開平３−６１３４３号公報参照）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の図６に示す構成では、枠体２の最上部に相当するセラミックグリーンシートに対して、シール用メタライズ層２ａとなる導体ペーストの印刷膜の上に重ね印刷を行って凸条部２ｂとなる印刷膜を形成しなければならず、その際に印刷の位置ずれが発生したり、またシール用メタライズ層２ａと凸条部２ｂ間に剥離が発生することがあり問題となっていた。
【０００８】
この位置ずれはセラミックグリーンシート上に印刷された印刷膜を乾燥する際の乾燥収縮バラツキや、印刷機で印刷する際の印刷ずれなどが原因で発生し、この位置ずれが発生すると、シールリング３の半導体パッケージ内側と外側とでロウ材溜まり２ｃの体積が大きく異なってしまう場合がある。その結果、半導体パッケージが作動中に発する熱がこれら内外のロウ材溜まり２ｃに加わると、内外のロウ材溜まり２ｃに熱膨張差を生じさせ、その結果ロウ材溜まり２ｃにクラックが発生したり、またシールリング３が撓んだ状態で接合されたりして半導体パッケージＡの気密封止が損なわれるという不具合を招来していた。このシールリング３はカーボン治具を用いて枠体２上にＡｇロウとともに配置されロウ付けされるのであるが、このとき用いられるカーボン治具の寸法精度は近年大きく向上しているために、上記の不具合はカーボン治具の成型精度に起因したシールリング３の位置ズレによるものではなく、上記の印刷ズレによってロウ材溜まり２ｃの体積が半導体パッケージの内外で大きく異なることによっている。
【０００９】
また、シール用メタライズ層２ａ同士の接合不良が発生する場合があった。これは、例えば最初に印刷された印刷膜の表面の乾燥状態にバラツキが生じた場合、最初の印刷膜上に形成される凸条部２ｂとなる印刷膜に、最初の印刷膜に対する接合力が不十分な部位が発生し、その結果凸条部２ｂと最初のシール用メタライズ層２ａの間に隙間が発生して半導体パッケージの気密性を損ねていた。
【００１０】
これらの不具合は、最初の印刷膜が印刷されたセラミックグリーンシートを乾燥し、これを他のセラミックグリーンシートに積層した後に焼成して得られるセラミック体において、そのセラミック体上面のシール用メタライズ層２ａ上に印刷膜を形成し、次いで乾燥、焼成して得られたセラミック体においても発生する場合がある。即ち、焼成時におけるセラミック体の収縮バラツキによって凸条部２ｂとなる印刷膜を重ね印刷する際に印刷ズレが発生する場合や、最初に形成されたシール用メタライズ層２ａの表面に対して次に印刷された印刷膜が部分的に良好に接合しない場合には焼成後における層間剥離の原因となっていた。
【００１１】
また上記従来の図7の（ａ），（ｂ）に示す構成では、シールリング３の両側面にロウ材溜まり２ｃが形成されている場合を示しているが、この構成ではロウ付け時にシールリング３の載置位置がずれているとロウ付け後においてシールリング３の両側におけるロウ材溜まり２ｃの体積が大きく異なることになる。これにより、熱を受けるとシールリング３の両側におけるロウ材溜まり２ｃの熱膨張が異なり、これがマイクロクラックをロウ材溜まり２ｃや枠体２に発生させたりする原因となっていた。
【００１２】
さらに、またシールリング３の枠部の上面と側面とのなす角度によってロウ材溜まり２ｃの形成状態が大きく変動していた。即ち、この角度が４５°程度以下になるとロウ材溜まり２ｃの体積が小さくなる場合があり、またこの角度が９０°近くになるとロウ材の這い上がりが少なくなり、いずれも適正なロウ材溜まり２ｃを形成できないことを本発明者は確認した。
【００１３】
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、シール用メタライズ層の幅を大きくしたり、またシール用メタライズ層上に凸条部を形成することなく、またシールリングの縦断面形状を改善することによりシールリングが強固かつ信頼性良く取着された半導体パッケージ、および半導体パッケージの内部に収容する半導体素子を気密に封止するとともに長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る半導体装置を提供することにある。
【００１４】
【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は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極を有する枠体と、前記枠体の上面に取着されたシールリングとを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記シールリングは長方形で、その枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、前記枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であって、前記枠部の上面と側面とのなす角度が短辺と長辺で異なっていることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、上記の構成により、ロウ材溜まりの適正な大きさを確保して十分な接合強度が得られるとともに気密封止性をより確実、良好なものとすることができる。
【００１９】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力用電極に電気的に接続された半導体素子と、前記シールリングの上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、上記の構成により、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定して作動させ得る信頼性の高い半導体装置となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体パッケージおよび半導体装置を以下に詳細に説明する。図１は本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図であり、図２（ａ），（ｂ）は図１の要部拡大断面図である。これらの図において、Ａは半導体パッケージ、１は上面に半導体素子が載置される載置部１ａを有する基体、１ａは載置部、１ｂは入出力用電極、２は基体１の上面に載置部１ａを囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極１ｂを有する枠体、２ａはシール用メタライズ層、２ｃはロウ材溜まり、４は蓋体、５は半導体素子、１３は枠体２の上面に取着された枠状のシールリングである。これら基体１、枠体２、シールリング１３および蓋体４とで、半導体素子５を収容するための容器が基本的に構成される。なお、図１，図２において、従来例の図３〜図６と同じ部位には同じ符号を付している。
【００２２】
本発明の基体１は、銅（Ｃｕ）−Ｗ合金、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属材料やアルミナセラミックス等のセラミックスからなる。基体１が金属材料から成る場合、そのインゴットに圧延加工等の従来周知の金属加工を施すことによって、その上面に半導体素子の載置部１ａを有する板材に加工される。また、その表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、枠体２とのＡｇロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２３】
一方、基体１がセラミックスから成る場合、基体１は金属材料に比し非常に軽量となることから、半導体パッケージ内部に半導体素子５を収容して半導体装置となした場合、半導体装置の重量を極めて軽量なものとできる。セラミックスから成る基体１は、例えばアルミナセラミックスからなる場合以下のようにして作製される。まず、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3），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バインダ、溶剤等を添加混合してスラリーとなす。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法よってセラミックグリーンシートと成し、適当な大きさに切断する。次いで、このセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施し、さらにＷ等の金属粉末を主成分とする導体ペーストを印刷塗布する。これを複数枚積層し約１６００℃の温度で焼成することによって作製される。
【００２４】
また、このようにして作製された基体１の表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体１と枠体２との銀ロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２５】
また、枠体２はセラミックスや金属材料からなり、例えばアルミナセラミックスからなる場合以下のようにして作製される。まず、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＭｇＯ，ＣａＯ等の原料粉末に適当な有機バインダ、溶剤等を添加混合してスラリーとなす。このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシートと成し、適当な大きさに切断する。このセラミックグリーンシートに適当な打抜き加工を施し、次いでＷ等の金属粉末を主成分とする導体ペーストをシール用メタライズ層２ａの形成部位、基体１に接合するためのメタライズ層の形成部位、および入出力用電極１ｂの接合部位にそれぞれ印刷して印刷膜を形成する。このセラミックグリーンシートを複数枚積層し、約１６００℃の温度で焼成することによって作製される。得られたセラミックスから成る枠体２上面のシール用メタライズ層２ａ上に、耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体１とのＡｇロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２６】
また枠体２が金属材料から成る場合、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等からなる金属筒を、高温高圧をかけながら絞り加工により所望の形状に成形し、これを切断することによって作製される。この枠体２の表面に耐食性に優れかつロウ材との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ０．５〜９μｍのＮｉ層および厚さ０．５〜９μｍのＡｕ層をメッキ法により順次被着させておくのがよく、基体１とのＡｇロウ等のロウ材による接合をより強固なものとできる。
【００２７】
以下、本実施の形態では、金属からなる基体１とセラミックスからなる枠体２とを備える半導体パッケージＡについて説明する。
【００２８】
枠体２は基体１の上面に載置部１ａを囲繞するようにしてＡｇロウなどのロウ材を介して取着される。このとき、シールリング１３がＡｇロウを介して同時に接合されてもよいが、枠体２のロウ付け後に接合されても良い。
【００２９】
本発明のシールリング１３は、上面を底辺とする略半円形の縦断面形状を有するように作製される。図２（ａ）は、シールリング１３の枠部の縦断面形状を示し、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ合金等の金属材料から成る板状部材から金型により打抜かれて作製される。シールリング１３は、まずその内側が金型で打抜かれて枠状とされ、次いでシールリング形状となるように金型で打抜かれて形成される。次いで、下パンチの表面にこのシールリングを当接させながら圧力をかけて所望の形状に成形するのであるが、下パンチの表面に所定の形状の凹みを予め設けておくことによりシールリング１３の枠部の縦断面形状を略半円形となすことができる。この場合のシールリング１３の枠部の円弧の直径は０．２〜１ｍｍが良く、０．２ｍｍ未満では、シールリング１３の幅を小さくせざるを得ず、気密封止の信頼性が損なわれてしまう場合がある。また、１ｍｍを超えると、ろう材溜まりの大きさが小さくなりロウ付けによる接合強度が小さくなってしまうとともに、シールリング１３の幅が大きくなり小型化という市場要求に逆行することに成る。より好ましくは０．２５〜０．８ｍｍが良い。
【００３０】
このような縦断面形状を有するシールリング１３においては、下記表１に示すように、シールリング１３の幅が変化しても従来の縦断面形状が矩形のシールリングと比べて、シールリング１３の内外側におけるろう材溜まり２ｃの大きさが同程度となり、その結果従来の構造のシールリングに比べてロウ材溜まり２ｃやセラミックからなる基体１にクラックが発生することはなくなる。従って、長期に亘って半導体パッケージの内部に収容する半導体素子を気密に封止するとともに、正常かつ安定して作動させることができる。
【００３１】
表１において、シールリング１３の幅が０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，１ｍｍ，１．２ｍｍ，１．５ｍｍで縦断面形状が長方形のもの（従来例）と、略半円形のもの（本発明）とを用意し、それぞれについてロウ材溜まり２ｃのバランスと、マイクロクラックの発生について調査した結果を記載している。詳しくは、サンプル数は縦断面形状が長方形のものと、略半円形のもののそれぞれについて、シールリング１３の幅が０．２ｍｍ，０．５ｍｍ，１ｍｍ，１．２ｍｍ，１．５ｍｍのものを各１００個づつ用意し、ロウ材溜まり２ｃのシールリング１３の両側における体積バランスが３０％以上異なっている個数の割合と、ロウ材溜まり２ｃおよび／または枠体２におけるマイクロクラックの発生の有無を調査した結果である。
【００３２】
このとき、ロウ材は銀の含有量が７２重量％、銅の含有量が２８重量％である銀ロウ（ＢＡｇ８：ＪＩＳＺ３２６１）を使用し、ロウ付けはベルト炉を使用して８７０〜８８０℃の温度で行った。また、枠体２としてはアルミナセラミックを用い、枠体２上にシール用メタライズ層２ａを予め形成しておき、このシール用メタライズ層２ａ上に銀ロウとシールリング１３を載置して銀ロウでシール用メタライズ層２ａにシールリング１３をロウ付けすることによりテスト用サンプルを作成した。この場合、シールリング１３が枠体２に対してずれるようにカーボン治具（後述する）のクリアランス等を調整して、ロウ材溜まり２ｃのシールリング１３の両側における体積バランスが異なるようにした。
【００３３】
【表１】
表1より、シールリング１３の枠部の縦断面形状が略半円形の場合には、マイクロクラックが多く発生して接合性や気密性を劣化させ易い、ロウ材溜まり２ｃの体積バランスが３０％以上異なっているものが発生せず、よって本発明の有効性が確認できた。
【００３５】
また、本発明の第２の発明は図２（ｂ）に示すように、シールリング１３の枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、枠部の上面と側面のなす角度が３５〜７０°である構成としている。この場合、シールリング１３の枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であることと、枠部の両側面が直線状に傾斜していることにより、枠部の両側面にロウ材溜まり２ｃを形成し確保している。この角度が３５°未満では、ロウ材の這い上がる距離が小さくなり、また７０°を超えると、ロウ材の体積が小さくなって、いずれの場合にもシールリング１３の接合強度が小さくなる。より好ましくは、４５〜６０°がよい。
【００３６】
図7に示した従来構造のシールリング３には、縦断面形状が逆台形状のものがあるが、枠部の上面と側面とがなす角度によってロウ材溜まり２ｃの大きさが異なり、接合強度が大きく変化することが示されていない。本発明者は実験を重ねることによりこの角度にきわめて有効な範囲があることを見出し、本発明の構成に至ったものである。
【００３７】
そして、下記表２にシールリング１３の枠部の上面と側面とのなす角度とシールリング１３の接合強度について示した。表２において、シールリング１３の上面の幅が０．５ｍｍ，１ｍｍ、厚さがそれぞれ０．５ｍｍ，１ｍｍのものを用い、枠部の上面と側面とのなす角度が２５°，３０°，３５°，５０°，７０°，７５°，８０°，８５°の場合のサンプルを各１００個づつ作成し評価した。このとき、枠部の上面と側面とのなす角度が３５°，７０°の場合に、ほぼ同じロウ材溜まり２ｃの体積が得られる。そして、３５°，７０°の場合のロウ材溜まり２ｃの断面積を１００として、各角度におけるロウ材溜まり２ｃの断面積の相対値および接合強度を測定し、接合強度はその平均値をニユートン（N）で表わしている。
【００３８】
【表２】
表２より、シールリング１３の枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°で接合強度がきわめて大きくなることが判明した。特に上面の幅が１ｍｍの場合に５０°できわめて大きな接合強度が得られた。
【００４０】
本発明では、枠部の縦断面形状が逆等脚台形状のシールリング１３において、枠部の側面が内側または外側方向に若干湾曲する曲面であっても良く、また内外方向への湾曲の方向が内側の側面と外側の側面とで若干異なっていても良い。このように、シールリング１３の枠部の縦断面形状は、シールリング１３の枠部の内側と外側において形状を非対称としてもよく、その場合はシールリング１３の枠部の内側と外側におけるロウ材の体積が略同じであれば良い。
【００４１】
また、シールリング１３が長方形の場合、短辺と長辺とで枠部の側面の傾斜角が異なっていても良い。このとき、短辺と長辺におけるロウ材溜まりの体積が若干異なっていても応力が集中するシールリング１３の角にあるロウ材溜まり２ｃにクラックが発生することはなく、良好な接合状態が得られることが確かめられている。この場合、枠部の側面の傾斜角は、短辺よりも長辺で５〜１０°程度小さくなっているのが良い。このようにしておくと、両辺におけるロウ材溜まり２ｃの体積のバランスが保たれ、即ち短辺と長辺とでロウ材溜まり２ｃの体積が略同じになりクラックが発生することはない。
【００４２】
本発明の構成のシールリング１３を枠体２上面のシール用メタライズ層２ａ上にロウ材溜り２ｃを介して接合し、シールリング１３が強固に接合された半導体パッケージＡを得ることができる。
【００４３】
このとき、カーボン治具が組立用治具として用いられ、シールリング１３はシール用メタライズ層２ａに対して、カーボン治具に予め見込まれたクリアランスと、枠体２上に形成されているシール用メタライズ層２ａの若干の位置バラツキとによって、シールリング１３の長手方向の中心軸の幅方向でのずれが発生する場合がある。しかし、このずれはシールリング１３の幅の２０％程度以内であれば、シールリング１３の内外側にそれぞれ生成するロウ材溜まり２ｃの体積に大きな差が発生せず、ロウ材溜まり２ｃにクラックなどの不具合が発生することはない。
【００４４】
そして、図３に示すように、基体１の載置部１ａの上面に半導体素子５をガラス，樹脂，ロウ材などの接着剤を介して接着固定するとともに、半導体素子５上の電極をボンディングワイヤを介して入出力用電極１ｂ上のメタライズ層等から成る線路導体の一端に電気的に接続する。しかる後、シールリング１３の上面に蓋体４を金（Ａｕ）−錫（Ｓｎ）等の低融点ロウ材により接合することにより、基体１、枠体２、蓋体４から成る半導体パッケージＡの内部に半導体素子５を収容した製品としての半導体装置Ｂとなる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を行うことは何等支障ない。例えば本発明の半導体パッケージが光半導体素子用として用いられても同様な効果が得られることは勿論であり、その際は枠体の側部に光ファイバ取付用の貫通孔が設けられた構成となる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明は、上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、基体の上面に載置部を囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極を有する枠体と、枠体の上面に取着された枠状のシールリングとを具備し、シールリングは、その枠部の縦断面形状が上面を底辺とする略半円形であることにより、シールリングを枠体上面のシール用メタライズ層上に接合させる際に、シールリングの両側におけるロウ材溜まりの大きさのバランスがとれたものとなり、シールリングの強固な接合、および信頼性の高い気密封止を可能にするという作用効果を有する。その結果、半導体素子を長期にわたり正常かつ安定に作動させ得る。
【００４７】
また本発明は、シールリングの枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であることにより、ロウ材溜まりの大きさを確保して十分な接合強度が得られるとともに気密封止を良好なものとすることができる。
【００４８】
本発明の半導体装置は、本発明の半導体素子収納用パッケージと、載置部に載置固定されるとともに入出力用電極に電気的に接続された半導体素子と、シールリングの上面に接合された蓋体とを具備したことにより、内部に収容する半導体素子を長期にわたり正常かつ安定して作動させ得る信頼性の高い半導体装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体パッケージについて実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】（ａ）は図１における要部拡大断面図、（ｂ）は縦断面形状が逆台形のシールリングを用いた場合の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の半導体装置について実施の形態の一例を示す断面図である。
【図４】従来の半導体パッケージの断面図である。
【図５】従来の半導体装置の断面図である。
【図６】従来の半導体パッケージにおいて枠体上面のシール用メタライズ層上に凸条部を設けた場合の要部拡大断面図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は従来の半導体パッケージにおけるシールリングの縦断面形状を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１：基体
１ａ：載置部
１ｂ：入出力用電極
２：枠体
３：シールリング
４：蓋体
５：半導体素子
Ａ：半導体パッケージ
Ｂ：半導体装置
Claims (2)
- 上面に半導体素子が載置される載置部を有する基体と、該基体の上面に前記載置部を囲繞するように取着され、側部を貫通して形成された入出力用電極を有する枠体と、前記枠体の上面に取着されたシールリングとを具備した半導体素子収納用パッケージにおいて、前記シールリングは長方形で、その枠部の縦断面形状が逆等脚台形状であり、前記枠部の上面と側面とのなす角度が３５〜７０°であって、前記枠部の上面と側面とのなす角度が短辺と長辺で異なっていることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
- 請求項１記載の半導体素子収納用パッケージと、前記載置部に載置固定されるとともに前記入出力用電極に電気的に接続された半導体素子と、前記シールリングの上面に接合された蓋体とを具備したことを特徴とする半導体装置。
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