JP4851287B2

JP4851287B2 - 半導体装置用気密端子

Info

Publication number: JP4851287B2
Application number: JP2006262973A
Authority: JP
Inventors: 博中井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2026-09-27
Also published as: JP2008084687A

Description

本発明は、気密端子、特に放熱特性が必要とされる半導体素子が搭載される半導体装置用気密端子に関する。

図３は、半導体装置の一構成を示す断面図である。半導体装置１０１は、ベース１０２と、ベース１０２に挿通されたリード１０３と、リード１０３に接続された半導体チップ１０４と、ベース１０２と共に気密構造を形成するカバー１０５とで構成されている。半導体チップ１０４を密閉された空間に配置することで、半導体チップ１０４の劣化を防ぐ構成である。以下、ベースとリードとを合わせて半導体装置用気密端子と称する。

近年、レーザダイオードなどの半導体素子の高出力化に伴い、半導体素子の動作時における発熱量が増加している。このため、半導体装置用気密端子には、半導体素子で発生する熱を、ベースなどのパッケージを通して効率よく外部に放熱することが要求されている。そのため、パッケージを構成するベースに、鉄材に代えて、無酸素銅などの熱伝導に優れた材質を適用しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４（ａ）は、従来の半導体用パッケージに用いられる半導体装置用気密端子を示した斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の半導体装置用気密端子におけるＢ−Ｂ断面の構成を示す断面図である。

半導体装置用気密端子１１１は、リード１１３が、ベース１１２に設けられた貫通孔１１４に挿通され、封着ガラス１１５により固着された構造を有する。ベース１１２は、熱伝導率が高く、また熱膨張係数が１６６×１０^-7／℃の無酸素銅で構成されている。封着ガラス１１５は、熱膨張係数が１３０×１０^-7／℃である。また、リード１１３は、熱膨張係数が９８×１０^-7／℃の鉄ニッケル合金で構成されている。半導体装置用気密端子１１１は、ベース１１２、封着ガラス１１５、リード１１３へと、熱膨張係数が低くなる圧縮封着の構成が採られている。

ベース１１２からリード１１３へ、熱膨張係数を低くする構成により、封着ガラス１１５を封着する際に、ベース１１２から封着ガラス１１５に対して、圧縮応力が作用することにより、リード１１３を固着すると同時に、気密性を確保している。ここで、気密性とは、後の工程で設けられるカバーとベース１１２により規定される空間の気密性であり、貫通孔１１４において隙間がないことを意味する。

しかしながら、上記半導体装置用気密端子では、封着ガラス１１５に掛かる圧縮応力が強いと、封着ガラス１１５の表面にクラックと称される割れや亀裂が発生する。さらに、封着ガラス１１５のクラックは、経時的に進行して、半導体装置用気密端子の気密性が低下する。半導体装置用気密端子の気密性が低下すると、リード１１３の腐蝕を招き、強度不足になるという問題がある。

この問題を解決するために、図示しないが、封着ガラス１１５の最表層に高軟化点・高強度のセラミックガラスを積層させることで、ベース１１２からの圧縮応力により、封着ガラス１１５にクラックが発生することを防止する構成のものがある。
特開２００１−３２６００２号公報

しかしながら、上記従来の半導体装置用気密端子では、厚み方向に異種のガラスを積層すること、もしくは成分比を傾斜させたガラスを用いるため、封着ガラス１１５の加工が煩雑となり、材料および製造のコストがかさむ。さらに、見かけ上、封着ガラス表面にクラックは発生していないが、封着ガラス１１５とセラミックガラスの熱膨張係数は、差が大きいため、その界面すなわち封着ガラス１１５でクラックが発生するということが新たな問題となる。封着ガラス１１５で発生したクラックには、空気やガスなどの不純物が内包されるため、後工程での加熱冷却により不純物が膨張収縮することで、クラックの経時的な進行が速められる。

本発明は、上記問題を解決するものであり、放熱性と気密性に優れた半導体用気密端子を提供することを目的とする。

本発明の半導体装置用気密端子は、貫通孔を有するベースと、貫通孔に挿通されたリードと、貫通孔に挿入され、リードを封着する封着ガラスとを備えた半導体装置用気密端子において、封着ガラスおよびリードの熱膨張係数は、同一であり、ベースの熱膨張係数より小さく、ベースのビッカース硬さは、２０ＨＶから５０ＨＶであることを特徴とする。

本発明によれば、ベースのビッカース硬さを低くし、リードと封着ガラスの熱膨張係数を同一とすることにより、放熱性と気密性に優れた半導体用気密端子を提供することができる。

本発明の半導体装置用気密端子において、前記ベース主面に、半導体素子を搭載可能に一体形成された素子搭載部を備えた構成にすることもできる。

また、前記ベースの貫通孔内壁面に形成された酸化皮膜を備えた構成にすることもできる。この構成により、ベースからの圧縮応力が小さい場合でも、ベースと封着ガラスが接着しており、気密性が保たれる。

また、前記ベースは、銅または銅合金で構成され、前記封着ガラスは、硼珪酸ガラスで構成され、前記リードは、鉄−ニッケル−コバルト合金で構成された構成にすることもできる。

また、前記ベースは、銅または銅合金を含むクラッド材で構成され、前記封着ガラスは、硼珪酸ガラスで構成され、前記リードは、鉄−ニッケル−コバルト合金で構成された構成にすることもできる。

また、前記銅は、無酸素銅である構成にすることもできる。

発明者は、上記課題を鑑み、無酸素銅が加熱処理を経ることで軟化するという特性に着目し、封着温度約９００℃で加熱処理された無酸素銅の、加熱処理前後におけるビッカース硬さ（ＶｉｃｋｅｒｓＨａｒｄｎｅｓｓ）を測定した。また、従来から圧縮封着用のベースに広く用いられ、封着ガラス１１５に微小クラックを発生させやすい鉄材についても、同様の実験を行った。

図１は、無酸素銅および鉄材の加熱処理前後のビッカース硬さを測定した結果示す図である。無酸素銅の場合、加熱処理前では、平均１１６ＨＶあったビッカース硬さが、加熱処理後には平均３６ＨＶとなり、また、鉄材の場合、加熱処理前では、平均１５３ＨＶあったビッカース硬さが、加熱処理後には平均１０１ＨＶとなった。無酸素銅、鉄材共に、封着温度の約９００℃に加熱されることでビッカース硬さが低下し、特に無酸素銅の場合は、大きく低下することがわかった。

また、加熱処理後の無酸素銅のビッカース硬さは、加熱処理後の鉄材のビッカース硬さの３分の１程度である。従って、鉄材を用いた場合に比べ、無酸素銅をベースに用いた場合には、ベースから封着ガラスに対して働く圧縮応力が、無酸素銅の軟化現象により緩和され、封着ガラスにクラックを生じさせる強さの圧縮応力とならない。つまり、従来技術の封着ガラスにおけるクラックは、リードと封着ガラスとの熱膨張係数差により生ずる、リードから封着ガラスに対して作用する引張り応力が主要因で、リードを中心として放射状に発生することを見出した。

以下、本発明の実施の形態における半導体装置用気密端子について、図面を参照しながら説明する。図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る半導体装置用気密端子の斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面の構成を示す断面図である。

ベース２は、熱伝導率が高い金属材料として例えば無酸素銅で構成され、半導体素子（図示せず）を搭載する素子搭載部６と、貫通孔４が設けられている。素子搭載部６は、ベース２と一体成形されている。貫通孔４には、リード３が挿通されている。リード３は、鉄−ニッケル−コバルト合金で構成され、後に素子搭載部６に搭載されるレーザダイオードなどの半導体素子と外部回路とを接続する。また、貫通孔４には、リード３を固定し、貫通孔４からの空気の出入りを遮断するように、絶縁性の封着ガラス５が充填されている。封着ガラス５は、耐熱性、耐薬品性に優れる硼珪酸ガラスで構成されている。

ベース２（無酸素銅）の熱膨張係数は１６６×１０^-7／℃であり、リード３（鉄−ニッケル−コバルト合金）の熱膨張係数は５０×１０^-7／℃であり、ベース２の熱膨張係数より小さい。封着ガラス５の熱膨張係数は、リード３と同一の５０×１０^-7／℃である。ただし、封着ガラス５とリード３の熱膨張係数が同一とは、熱膨張係数の違いにより封着ガラス５にクラックが生じない範囲であればよく、厳密に同一である必要はない。本実施の形態に係る半導体装置用気密端子１においては、封着ガラス５の熱膨張係数が、リード３の熱膨張係数の８０％から１２５％の範囲であればよい。さらに、ベース２は、ビッカース硬さが２０ＨＶから８０ＨＶ、好ましくは４０ＨＶから５０ＨＶの範囲になるように構成されている。

本実施の形態に係る半導体装置用気密端子１の製造工程においては、封着ガラス５を融解させ、リード３を挿通し、冷却して圧縮封着する。その際、封着ガラス５とリード３の熱膨張係数が同一に構成されているため、リード３から封着ガラス５に対して引張り応力が作用しない。このため、封着ガラス５に、リード３を中心とする放射状に発生するクラックの発生を防止することができる。

また、ベース２の熱膨張係数は、封着ガラス５の膨張係数より大きいので、冷却して圧縮封着する際に、封着ガラス５には、ベース２から圧縮応力が作用し、封着ガラス５とベース２の隙間が埋まり、気密性が確保される。また、ベース２のビッカース硬さは、４０ＨＶから５０ＨＶと低いことにより、ベース２から封着ガラス５に対して働く圧縮応力は緩和されて、封着ガラス５にクラックを生じさせる圧縮応力を作用させるには到らない。このため、封着ガラス５にクラックが生じることなく、優れた気密性と放熱性を確保することができる。

なお、本実施の形態では、ベース２から封着ガラス５に対して所定の圧縮力を加えて封着する（圧縮封着）構成の場合を説明した。本発明は、この構成に限定されず、例えば、ベース２の貫通孔内壁面に酸化皮膜（図示せず）を形成することで、圧縮力に影響されることなくベース２と封着ガラス５とを強固に封着する構成にすることもできる。

また、ベース２に無酸素銅と鉄とを組み合わせたクラッド材を用いる場合にも、リード４と封着ガラス５とを本実施の形態と同様の構成を採ることで、同様の作用効果を得ることができる。

また、ベース２は、無酸素銅に限定されず、銅あるいは銅合金でも良い。

なお、上述した構成は、本発明の技術思想に逸脱しない限り、材料、熱膨張係数など適宜に変更可能である。

本発明は、放熱性および気密性を確保するという効果を有し、半導体チップが設けられ、パッケージ化される半導体装置用気密端子として利用可能である。

無酸素銅および鉄材の加熱処理前後のビッカース硬さを測定した結果を示す図本発明の実施の形態に係る半導体装置用気密端子の構成を示す、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図従来の半導体装置の構成を示す断面図従来の半導体装置用気密端子の構成を示す、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図

符号の説明

１半導体装置用気密端子
２ベース
３リード
４貫通孔
５封着ガラス
６素子搭載部

Claims

貫通孔を有するベースと、
前記貫通孔に挿通されたリードと、
前記貫通孔に挿入され、前記リードを封着する封着ガラスとを備えた半導体装置用気密端子において、
前記封着ガラスおよび前記リードの熱膨張係数は、同一であり、前記ベースの熱膨張係数より小さく、
前記ベースのビッカース硬さは、２０ＨＶから５０ＨＶであることを特徴とする半導体装置用気密端子。
前記ベース主面に、半導体素子を搭載可能に一体形成された素子搭載部を備えた請求項１記載の半導体装置用気密端子。
前記ベースの貫通孔内壁面に形成された酸化皮膜を備えた請求項１または２記載の半導体装置用気密端子。
前記ベースは、銅または銅合金で構成され、
前記封着ガラスは、硼珪酸ガラスで構成され、
前記リードは、鉄−ニッケル−コバルト合金で構成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置用気密端子。
前記ベースは、銅または銅合金を含むクラッド材で構成され、
前記封着ガラスは、硼珪酸ガラスで構成され、
前記リードは、鉄−ニッケル−コバルト合金で構成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体装置用気密端子。
前記銅は、無酸素銅である請求項４または５記載の半導体装置用気密端子。