JPH06105834B2 - 気密パッケージ及びその製造方法 - Google Patents

気密パッケージ及びその製造方法

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JPH06105834B2
JPH06105834B2 JP2263982A JP26398290A JPH06105834B2 JP H06105834 B2 JPH06105834 B2 JP H06105834B2 JP 2263982 A JP2263982 A JP 2263982A JP 26398290 A JP26398290 A JP 26398290A JP H06105834 B2 JPH06105834 B2 JP H06105834B2
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インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子デバイスの気密パツケージ又は気密基板
に関するものである。また、本発明はこのような気密パ
ツケージ又は基板を製造する方法及び装置にも関するも
のである。
〔従来の技術〕
例えば半導体集積回路のような多くの電子デバイスは、
長い使用期間において信頼性の高い動作を得るために、
清浄でかつ不活性な雰囲気中でパツケージされなければ
ならない。さらに、このようなパツケージはパツケージ
内の回路及びパツケージ外の外部基板の間に電気的接続
を与えなければならないので密封する必要もある。時に
は、パツケージは回路上の異なる点の間又はパツケージ
内の回路間にも電気的接続を与える。このようなパツケ
ージは、例えばフランジを用いて密封性のふたに封止し
た気密基板からなり、１つ以上の電子デバイスを含む包
囲されたチヤンバーを形成する。
周知の電子デバイス用パツケージの１つに、多層ガラス
・セラミツク基板からなる（米国特許第4,234,367号参
照）ものがある。基板の一方の面には電子デバイスに接
続するための端子パツドがあり、もう一方の面には外部
接続を形成するための端子パツドがある。
ガラス・セラミツクの各層は、層表面に１つ以上の導電
性厚膜ライン及び層を貫く１つ以上の導電性バイアを有
する。このバイアは、導電性厚膜ライン及び層の向い合
う表面上の端子パツドもしくはそのいずれかを電気的に
接続する。パツケージされる電子デバイス上の端子の位
置と対応する位置において、基板表面の端子パツドに広
がるバイアを正確に施さなければならない。
このような多層ガラス・セラミツク基板は、バインダ中
に形成したガラス粒子のスラリーを用いて製造される。
このスラリーを鋳込み、乾燥させてグリーン・シート
（green sheet）にする。所定の配列でグリーン・シー
トにバイア・ホールの穴を開け、このバイア・ホール内
に銅ペーストを押出す。そして、ラインの相互接続及び
電圧面を形成するために、所定の導体パターンでグリー
ン・シート上に銅ペーストをスクリーン印刷する。グリ
ーン・シートのガラス転移温度より高くなる（一般的に
は70〜100℃）ように圧力をかけることによつて複数の
シートを積層する。最終的に、積層されたシートは焼結
される。
焼結後、基板は基板の密封性に悪い影響を与える構造的
不規則性を示す。その結果、気密基板とするために、焼
結完了後に重合体や他の封着物質で基板のギヤツプや亀
裂を埋めること（バツクフイル:back fill）が知られて
いる。しかしながらこのようなプロセス工程を追加する
ことは、コスト及び時間の浪費となる。
基板をバツクフイルした後、電子部品及び外部接続に適
切な取り付け表面を与えるために、基板の向い合う表面
を摩滅させ、平坦に研磨し、互いに平行になるようにし
なければならない。導電性バイアがゆがまず、基板に取
り付けられる電子部品及び外部接続と端子パツドが正確
に整合されることは重要である。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の目的は、金属を含む導電性バイアを有し、かつ
焼結の後処理を行なわなくても密封性を有する焼結多層
ガラス・セラミツク基板を製造することである。
本発明の別の目的は、導電性バイアを有し、かつ構造的
不規則性を持たない焼結多層ガラス・セラミツク基板を
製造することである。
さらに本発明の目的は、ゆがんでいない導電性バイアを
有する焼結多層ガラス・セラミツク基板を製造すること
である。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に従うと、電子デバイスの気密パツケージは、絶
縁性の焼結ガラス・セラミツク体を含む。ガラス・セラ
ミツク体内の導電性焼結バイアは、ガラス・セラミツク
体の第一面から第二面へと広がつている。このバイア
は、ガラス・セラミツク体に気密結合されている。この
バイアは、導電性物質及びガラス・セラミツク物質の混
合物からなる。導電性物質は、バイアの多くとも50vol.
％を占める。
本発明に従う電子デバイス用気密パツケージ製造方法で
は、ガラス・セラミツク体の第一面から第二面へガラス
・セラミツク体を貫いて広がるグリーン・バイアと共
に、グリーン・ガラス・セラミツク体を与える。グリー
ン・バイアは、導電性物質及びガラス・セラミツク物質
の混合物からなる。気密パツケージとなるように、バイ
アを含むガラス・セラミツク体によつて形成される加工
品を500℃又はそれ以上の温度で加工品を焼結させなが
ら、100ld/in2（7.0307kg/cm2）又はそれ以上の圧力で
圧縮する。導電性物質及びガラス・セラミツク物質の混
合物からなるグリーン・バイアを含むグリーン・ガラス
・セラミツク体を加圧下に焼結することによつて、バイ
アはガラス・セラミツク体に密封して結合していること
が本発明の利点である。従つて、焼結後の封止工程を必
要としない。
本発明に従う方法において、十分に高い圧力で加工品を
焼結させる。具体的には、圧力かけて焼結したち密化率
が圧力をかけない（開放系）で焼結したち密化率よりも
十分に大きくなるようにする。
また、本発明に従うと、グリーン・バイア（即ち、焼結
前）は20vol.％ないし50vol.％の銅及び80vol.％ないし
50vol.％のガラス・セラミツク物質からなる。
ガラス・セラミツク体を貫くバイアをガラス・セラミツ
ク体の表面に対してゆがまないように確実に保つため
に、加圧下に焼結させる際のエツジのゆがみを避けなけ
ればならない。本発明の態様によれば、焼結中の圧力を
加工品の厚さ及びエツジ形状又は幅の関数として変化さ
せることよつてエツジのゆがみを避ける。具体的には、
次式によつて与えられる圧力Ｐで加工品を圧縮する。
式： ここでγは加工品の表面張力、Ｄは加工品の理論最大密
度で割つた加工品の密度比、Ｒは加工品の半径、ｈは加
工品の高さ、ｎは加工品内の細孔密度である。
本発明の別の態様において、加工品を所定の厚さになる
まで圧縮する。
本発明の別の具体例に従うと、焼結固定体を与えて圧力
焼結の際に加工品のエツジを支持することによつて、加
工品のエツジゆがみを避けることができる。本発明のこ
の具体例では、焼結固定体はフレーム及びフレームの内
側の補償用差し込み部からなる。フレームは熱膨張率α
Ａを有し、補償用差し込み部は熱膨張率αＢを有する。
この補償用差し込み部及びフレームは、加工品を調節す
るために焼結チヤンバーの境界となる。圧力焼結完了後
に冷却する際の加工品の粉砕やゆがみを防ぐために、加
工品の熱膨張率αＣはフレームの熱膨張率αＡよりも小
さいので、補償用差し込み部の熱膨張率αＢをフレーム
の熱膨張率αＡよりも非常に大きくする。
具体的には室温においてフレームは第一方向に長さlAを
有し、補償用差し込み部は第一方向に長さlBを２箇所有
し、加工品は第一方向に長さlCを有し、次のような関係
であるようにする。
及びlA＝lC＋２lB＋2d ここで、ｄは室温において要求される固定体及び加工品
間のギヤツプ、δＴは室温及び圧力焼結の温度間の差で
ある。
加工品、フレーム、及び補正用差し込み部の熱膨張率を
適切に選択し、室温から圧力焼結の最高温度までの温度
範囲において焼結固定体によつて加工品のエツジを固定
するという点で、本発明の焼結固定体は優れている。
〔実施例〕
第１図は、電子デバイスの単純な気密パツケージを示し
ている。気密パツケージは焼結ガラス・セラミツク体10
を含む。焼結ガラス・セラミツク体10は、向い合う第一
面12及び第二面14を有する。仮想軸16は、第一面12から
第二面14へ伸びている。ガラス・セラミツク体10は、軸
16の方向に厚さ即ち高さｈを有する。ガラス・セラミツ
ク体10は、表面12及び14を接続するエツジ18をも有す
る。ガラス・セラミツク体10は、絶縁体である。
気密パツケージは、ガラス・セラミツク体10内に少なく
とも１つの導電性焼結バイア20も含む。バイア20は、ガ
ラス・セラミツク体10に密封して結合されている。この
バイア20は、導電性物質及びガラス・セラミツク物質の
混合物からなる。導電性物質は、バイア20の多くとも50
vol.％を占める。
ガラス・セラミツク体10を形成するのに用いられるガラ
ス・セラミツクの例は、米国特許第4,234,367号及び米
国特許第4,301,324号に与えられている。コージライト
・ガラス、ムライト・ガラス、又は他の加熱して結晶化
できるようなものも使用できる。非晶化ガラス及びセラ
ミツクの混合物も使用できる。本発明に従つて用いるこ
とのできるいくつかのガラス・セラミツクを表１にあげ
ているが、これらに限定はされない。
バイア20を形成するために用いることができる物質の例
は、いくつかの前述のガラス・セラミツク物質に20ない
し50vol.％の銅、金、パラジウム、銀、ニツケル又はこ
れらの合金を混合させたものである。特に、銅が好まし
い。
気密パツケージを貫いて良好な電気的接続を与えるため
に、焼結バイア20は1000μΩ・cm以下の電気比抵抗を有
することが好ましい。
第２図は、三層の焼結ガラス・セラミツク体10を含む、
より複雑な気密パツケージの例を示している。多数の導
電性焼結バイア20がガラス・セラミツク体10の層を貫い
て与えられている。この例において、１つ以上のバイア
20を互いに電気的に接続するために、気密パツケージは
導電性厚膜ライン22を含む。バイア20の露出表面には、
パツケージされる電子デバイスへの接続又は外部接続の
ための端子を形成する。
このようにいくつかの層を有する場合、１つの層内のバ
イアは他の層内のバイアと同じ組成でも異なる組成でも
構わない。例えば、第一層のバイアは導電性物質を多く
とも50vol.％含み、第二層のバイアは50vol.％以上の導
電性物質を含んでいる。そしてこのような第二層のバイ
アが銅であつてもよい。
厚膜ライン22は、銅ペースト又は銅インクからなる。こ
れらの代わりに、銀又は金又はこれらの合金などの金属
からもライン22を形成できる。
第１図及び第２図のような気密パツケージは、まず絶縁
体であるグリーン（未焼結）・ガラス・セラミツク体を
与え、そのグリーン・ガラス・セラミツク体内に１つ以
上のグリーン（未焼結）バイアを与えるという本発明に
従つて製造される。グリーン・ガラス・セラミツク体及
びグリーン・バイアは、第３図に示される加工品24を形
成する。本発明に従つて、500℃又はそれ以上の温度に
おいて加工品24を焼結される。好ましくは750℃ないし9
60℃で、特に好ましくは850℃ないし870℃である。同時
に、加工品24を焼結させながら100lb/in2（7.0307kg/cm
2）又はそれ以上の圧力で圧縮させ、気密パツケージを
得る。好ましくは100lb/in2ないし5000lb/in2で、特に
好ましくは800lb/in2ないし1000lb/in2である。
焼結とは、初めは多孔性である加工品を高密度のモジユ
ールに変えるプロセスをさす。圧力をかけずに加工品を
焼結させる時、加工品は開放系の焼結ち密化率を有す
る。圧力をかけながら加工品を焼結させる時、加工品は
圧力焼結ち密化率を有する。本発明の第一の具体例に従
うと、圧力焼結ち密化率は開放系焼結ち密化率よるもは
るかに大きい。
バイア及びガラス・セラミツク体の間に密封した結合を
得るために、グリーン・バイアは少なくとも50vol.％の
ガラス・セラミツク物質を含むことが好ましい。しかし
ながら、十分に高い導電性を維持するために、グリーン
・バイアは少なくとも20vol.％の銅を含むべきである。
本発明に従う気密パツケージ製造方法の第一の具体例
が、第３図に示されている。加工品24は上押型26及び下
押型28の間で圧縮される。
加工品24を押型26及び28の間で圧縮する際、加工品24の
エツジ30が変形しないことが重要である。故に、本発明
に従つて、加工品24の厚さを測定するための手段32を与
え、加工品24の幅又はエツジの突出30を測定するための
手段34を与え、そして加工品24の測定した厚さの関数及
びエツジの突出（幅）の関数として加工品24にかける圧
力を変化させるための手段36、37及び38を与える。
加工品24の厚さ及びエツジを測定する手段32及び34は、
一次元可変変位変換器（LVDT:linear variable displac
ement transducer）である。圧力制御器36は、例えばプ
ログラムできる圧力調整器及びポンプ37を制御し、次に
圧力セル38を用いて加工品24に圧力をかけるという一般
的用途のデジタル・コンピユータである。圧力は、水圧
プレス38によつて供給される。加工品24並びに押型26及
び28は図に示される炉40の内に設置される。
この方法において、プログラムできる温度制御器48は、
あらかじめ選択された温度のスケジュールに従つて焼結
温度を制御する。温度制御器48は、熱電対50を用いて炉
40の温度を測定し、電源52及び加熱器54を用いて炉40の
温度を調整する。
加工品24の厚さ、エツジの突出、及び相対密度の関数と
して圧力を変化させることによつて、圧力焼結中の加工
品24のエツジ30の変形を防ぐ。この関数関係は、次のよ
うにして導かれる。
初期密度ρ０、初期厚さh0、定半径Ｒの円形で多孔性の
ガラス・セラミツク・モジユール（第４図参照）を圧力
スケジユールＰ〔ｔ〕及び温度スケジユールＴ〔ｔ〕に
従つて焼結させる場合を考える。ここでｔは、実験開始
後に経過した時間である。
セラミツクを焼結させるために、流れのレイノルズ数が
非常に小さいので（ガラス・セラミツクに対して＞109
Ｐのような非常に大きなガラス粘度であるため）、運動
方程式における慣性の項を無視してもよい。また、縦横
比R/h（ｈは時間ｔにおけるモジユールの厚さ）が一般
的に１よりもはるかに大きいので、２つの流速Vr及びVz
は単純化ナヴイエ−ストークス方程式 及び、ガラス・セラミツクがニユートン物体であるとい
う仮定に基づいた連続方程式 を満足させる。ただし、方程式（１）及び（２）におい
て、ｒ及びＺは第４図で示される横方向及び軸方向を示
し、ｐは大気圧より高い圧力として定義される動圧力で
あり、ηは粘度であり、ρは時間のみと共に変化すると
仮定したモジユール密度である。この密度は、もし結晶
化を含むのなら（後出の式６参照）温度及び時間に依存
する。
式１及び式２における初期条件及び境界条件は、一般的
には圧さく流れ状態である。
ρ＝ρ０ （ｔ＝０において）…（3a） ｈ＝h0（ｔ＝０において） …（3b） Vz＝０（Ｚ＝０において） …（3c） Vr＝０（Ｚ＝０、ｈにおいて） …（3e） Ｐ＝０（ｒ＝Ｒにおいて） …（3f） 式１、式２及び式3aないし式3gによつて定義される数理
システムは、２つの未知数、即ち粘度η及び密度ρを含
む。焼結の間の時間に伴う密度変化を決定するために、
モールデイングの広範囲の圧力の式がMurrayらによつて
提案されている（「耐火酸化物の温圧の実践的及び理論
的態様（Practical and Theoretical Aspects of the H
ot Pressing of Refractory Oxides）」英国学士院セラ
ミツク会報（Transactions British Ceramic Society）
vol.53、1954年、pp474〜510）。
ここでＤ＝ρ／ρｆ、ρｆは完全に焼結した密度、γは
表面張力、ｎはモジユールの粒子サイズと密接に関係し
ているモジユールの単位cm3当りの細孔の数である。本
発明のガラス・セラミツクはγ〜360dynes/cm（Giessら
による、J.Amer.Ceram.Soc.,1984年、vol.67、pp549以
下参照）、ｎはデータが乏しいのでMurrayらの報告と同
一である（即ち、ｎ＝1.58×108／cm3）とする。
圧力及び粘度が時間と共に変化すると理解し、式４を用
いて等温又は動的加熱条件下での密度の計算を行なう。
焼結に有効な局部的圧力は、押型がないために横方向ｒ
に変化する流体力学的圧力であるので、式４におけるＰ
を有効圧力 で置き換える。これは後で数値を求める。
重合体の硬化の際に生じる類似した方法において、ガラ
ス・セラミツクの粘度ηは相対のアレニウス（dual-Arr
henius）の式によつて表現できる（Roller,M.B.「Ｂ段
階エポキシ樹脂の硬化における時間−温度−粘度の挙動
特性（Characterization of the Time-Temperature-Vis
cosity Behavior of Curing B-Staged Epoxy Resi
n）」、Polymer Eng.Sci.,1975年６月、vol.15、No.6、
pp406〜414）。
ここでＲ′は一般ガス定数、η∞、ΔＥη、κ∞及びΔ
Ｅκは固定パラメータである。この式は、ガラスの軟化
に起因する温度を伴う指数関数的な粘度の減衰（右辺の
初めの２項）及び一次速度論に従う結晶化に起因する線
形の粘度の増加（右辺の最後の項）を説明する。
右辺の後の２項の数値を求めるために、モジユールの温
度経歴を知る必要がある。つまり、ある時点で２つの流
動成分が同じ温度であつたとしても、前にそれらの温度
が同一でなかつたら、全く異なる粘度を有する。
セラミツク・モジユール内の温度が不均一である時に
は、必ずガラス・セラミツクの粘度の空間分布を決定す
るために各流動成分の軌跡を計算しなければならない。
理論上は、エネルギー保存の方程式を運動方程式と共に
与えられた初期及び境界条件に対して解くことによつて
計算できる。しかしながら、この研究において、与えら
れた時間における粘度は位置に依存しないか、又は粘度
を支配する温度は均一であると仮定した。
式６におけるパラメータは、例えば多孔性ではないサン
プルを適切に用いる温度範囲を包含する温度におけるい
くつかの等温平行板流量測定実験を行なうことによつて
得ることができる（Tongらによる、「熱機械的分析器を
用いた熱硬化性粘度の予測（Prediction of Thermoset
Viscosity Using a Thermomechanical Analyzer）」、J
ournal of Applied Polymer Science,1986年、vol.31、
pp2509〜2522）。一度パラメータがわかれば、式６は広
く変化する温度スケジユールに沿う粘度の経歴を予測す
るために用いることができる。粘度への結晶化の影響が
完全に立証されていない場合には、結晶化の影響が重要
となりそうな最大温度まで粘度−温度の関係に頼る必要
がある。
数理システム（式１〜３）を解決するために、 を得る。サンプルの厚さｈは、サンプルの断面積Ａ（＝
πR2）に対してかけた圧力Ｐの比に比例する層状流れ項
（右辺の第一項）、並びに細孔を閉鎖する圧力（又はか
けた圧力）に依存してサンプルの面積には依存しない焼
結流れ項（右辺の第二項）の競合によつて制御する。そ
のため、層状流れ項が優位である時には厚さが面積に対
する圧力の比に依存することが期待される。一方焼結流
れ項が優位である時には、厚さはサンプルの面積に無関
係である。式７においてＰ＝4p/3で、かつ速度プロフア
イルは次のようである。
Vzの式は焼結流れ又は密度の依存性（右辺の第一項）及
び層状流れの依存性を含むことに注目されたい。焼結流
れの依存性はVrの式、即ち層状流れの中では消える。こ
れは、横方向の焼結流れが厚さ方向のものと比較して非
常に小さい−即ちモジユール表面が動かないということ
による。Vrのみに従つて、エツジは常に外側に膨張す
る。これは、本発明のガラス・セラミツクに対して低い
圧力（例えば0.351535kg/cm2以下）をかけた際に観察さ
れる収縮エツジとは矛盾する。この矛盾は、低い圧力に
おける横方向の焼結流れが増加するためであつた。横方
向の焼結流れのこのような遅延を表わす式はまだない。
概算として、モジユールの２つの表面の間の中央におい
て（即ち、Ｚ＝h/2、ｒ＝Ｒ）、速度λ における開放系焼結の法則に従つて物質が焼結又は収縮
すると仮定する。もし、中央においてではなく式10に従
つて共形に（即ちすべてのＺにおいて）エツジが収縮す
るなら（即ち、もしλ＝ＲでＲが時間と共に変化するな
ら）、しかも式10が厚さの変化に左右されるなら（即
ち、λ＝ｈなら）、式10はＰ＝０の時の式４と等しい。
λを用いてエツジの突出θは次のように与えられる。
θの符号によつて、エツジが外側に突出したり（θ＞
０）、内側に収縮したり（θ＜０）する。式11に従う
と、常にVr＝λである時に平坦なエツジ（θ＝０）の状
態に静止する。これは、圧力スケジュールＰを生む。
ここでR0は加工品の初期半径である。式12から、平坦な
エツジのために必要とされる圧力スケジユールは、厚さ
ｈ、エツジの突出θ、及び相対密度Ｄに依存することが
わかる。
このように、本発明の具体例において、LVDT32は加工品
24の厚さを測定し、LVDT34は加工品24の幅又はエツジの
突出を測定する。相対密度Ｄは、加工品24の周知の質量
並びにｈ及びθの測定値に基づいて制御器36によつて計
算される。
圧力制御器36は、式12の圧力スケジユールに従つて、加
工品24の測定した厚さ、測定したエツジの突出、及び相
対密度の関数として加工品24にかける圧力を変化させ
る。
測定したエツジの突出θが選択された限度を超える場合
には、制御器36は加工品24への圧力を緩める。これは、
エツジの突出を削減する開放系焼結を可能にする。エツ
ジの突出が選択された限界まで達しない時には、式12に
従つて圧力が再び加えられる。所定のサンプルの厚さに
到達したら、制御器36は圧力を緩めて残りのプロセスを
行なう。
本発明の別の態様において押型26及び28の間にストツパ
ー42を与えることよつて、エツジの変形を最小にするこ
とができる（第３図参照）。上押型26がストツパー42に
接して加工品24が所定の厚さになるまで加工品24を圧縮
することによつて、エツジの変形を最小にすることがで
きる。
バイアを含む気密パツケージにおいてエツジの変形を防
ぐことは重要なことである。なぜなら、エツジの変形は
バイアの変形に関係しているからである。従つて、エツ
ジの変形を防ぐことは、バイアの変形を防ぐことにな
る。
変形したバイアは、バイア上に付けられた端子パツド又
は気密パツケージ上に取り付けられる電子部品上の電気
的接点のいずれかと、正確に整合しない。
第３図に示されるように、加工品24のエツジ30を加工品
24の軸16の横方向について加工品24自体のみによつて支
持している時、加工品24への圧力を適切に制御すること
によつてエツジの変形を防ぐ。しかしながら本発明の別
の例においては、加工品24のエツジ30を支持するため
に、焼結固定体を与える。
第５図及び第６図を参照すると、本発明に従う焼結固定
体はフレーム44及びその内側の補償用差し込み部46から
なる。補償用差し込み部46及びフレーム44は、加工品24
を調節するために焼結チヤンバーの境界となる。焼結チ
ヤンバーの底面は第５図の下押型28によつて形成され、
上面は上押型26によつて形成される。
焼結固定体の平面図が第６図に示されている。ここに示
されるように、フレーム44は第一の方向に長さlAを有す
る。補償用差し込み部46は第一の方向に長さlBを２箇所
有する。加工品24は第一の方向に長さlCを有する。加熱
後に焼結した加工品24を容易に固定体から取りはずすた
めに、そして圧力焼結後に冷却する際の加工品24の粉砕
やゆがみを防ぐために、室温において長さｄの小さな２
つのギヤツプを固定体及び加工品24の間に与える。フレ
ーム、補償用差し込み部及び加工品の熱膨張率は、それ
ぞれαＡ、αＢ及びαＣである。
もし次のような関係が保たれるならば、焼結した加工品
を室温まで冷却する際、加工品24及び焼結固定体の間に
所定のギヤツプを与えることができる。
lAαＡδＴ＝2lBαＢδＴ＋lCαＣδＴ−2d, …（13） 及び lA＝lC＋2lB＋2d, …（14） ここでδＴは焼結固定体及び加工品24の温度変化であ
る。寸法lA、lB、lC及びｄは全て室温における値であ
る。
式13に式14を代入すると（1000℃付近の焼結ではαＡδ
Ｔは１よりもかなり小さいとして）、 となる。
全ての温度においてlA、lB及びlCと垂直方向に加工品24
及び焼結固定体の間を確実に適合させるために、同じ関
係式を用いることができる。
最良の結果を得るために、酸化しにくくかつ加工品へ接
着しにくい物質で焼結固定体を作るべきである。例え
ば、焼結固定体はモリブデンである。補償差し込み部
は、例えば銅、ニツケル又はステンレスである。アルミ
ニウム粉末のような剥離コーテイングを加工品24と接す
る固定体表面に与えることもできる。
本発明に従う焼結固定体の動作は次のようである。加熱
すると、フレーム44は加工品24よりも膨張する。しかし
ながら、焼結温度においては補償差し込み部46の方がフ
レーム44よりも膨張して、ギヤツプｄがなくなる。冷却
すると、補償差し込み部46はフレーム44よりも収縮し
て、ギヤツプｄが再び表われる。
この焼結固定体を円形にすることもできる。その場合lA
はフレームの直径、lBは差し込み部（リング）の幅、lC
は加工品の直径に相当し、フレームと差し込み部及び差
し込み部と加工品の間にギヤツプｄが存在する。
本発明は以下の例を参照することによつて、より明らか
になるであろう。
例１ 米国特許第4,301,324号に記述されているような結晶化
できる（斜方晶形の）ガラスを粉末で用意した。
そのガラス粉末を、バツトバール（Butvar:商標）のバ
インダ、ポリビニルブチラール樹脂、ジプロピルグリコ
ール二安息香酸塩の可塑剤、及びメタノール／メチルイ
ソブチルケトンの溶剤と共に混合させてスラリーを形成
した。
ドクター・ブレード（doctor blade）を用いてマイラー
（Mylar:商標）の基板上でこのスラリーを鋳込んでグリ
ーン・シートとし、風乾させた。乾燥したグリーン・シ
ートを必要な寸法にカツトし、バイア・ホールを所定の
配列であけた。
金属ペーストをカツトしたグリーン・シート上にスクリ
ーン印刷し、バイア・ホールを埋めた。前述の結晶化で
きるガラス粉末を銅の粉末と混合させることによつて、
金属ペーストを形成した。銅及びガラスの混合物は、エ
チルセルロース及びテルピネオールのバインダと共に与
えられた。
第一の金属ペーストは40vol.％の銅を含んでいた。第二
の金属ペーストは47vol.％の銅を含み、第三の金属ペー
ストは55vol.％の銅を含んでいた。
45のスクリーン印刷したグリーンシートを積層すること
によつて、サンプルを作つた。積層されたサンプルをH2
／H2O雰囲気中で加熱し、重合物質及び残留炭素を焼き
尽くした。焼き尽くしは、加熱して785±10℃まで１分
間に１〜３℃ずつ上昇させ、その温度において３〜５時
間保持させることによつて行なわれた。H2Oに対するH2
の比は10-6から始めて、400℃から焼き尽くし温度まで
徐々に10-4に変化させた。その後、雰囲気をN2に変えて
分解した水を除去し、サンプルを１分間に５℃ずつ室温
まで冷却した。
その後、積層されたシートを、以下のように水素および
窒素を含むが窒素に富んだ雰囲気で焼結させた。積層加
工品の温度を、750℃まで１分間に５℃ずつ上昇させ
た。30分間750℃に温度を保つた後、圧縮ストツパーを
含む焼結固定体の中で加工品を圧縮した。サンプルにか
ける圧力は、200lb/in2（14.0614kg/cm2）、400lb/in2
（28.1228kg/cm2）、800lb/in2（56.2456kg/cm2）の三
種類とした。
加圧後すぐに、温度を870℃まで１分間に２℃ずつ上昇
させた。そして圧力をかけながら870℃の温度を２時間
保持した。
最後に、870℃に２時間保持した後、圧縮負荷を除去
し、温度を室温まで１分間に５℃ずつ下降させた。
螢光染料（例えば、マグナフラツクス（Magnaflux））
を基板表面に付け、染料を表面に浸透させることによつ
て、各基板の密封性を試験した。数分後、過剰な染料を
リンスし除去し、表面を乾燥させた。そして基板に浸透
した染料が表面に再び出現するように、基板を２〜３分
間放置した。そして各基板を紫外線で検査して、染料の
存在を観察した。
40vol.％及び47vol.％の銅を含むバイアは、その周辺お
いて螢光染料は観察されず、良好な密封性を示した。55
vol.％の銅を含むバイアでは、バイア及び基板の界面お
いて螢光染料が観察され、構造的な異常を示したので、
密封性に欠けていることがわかつた。
別のサンプルを室温及び360℃の間での20回の熱サイク
ル試験にかけた。40vol.％の銅を含むバイアは、染料試
験においてバイア及び基板の界面で螢光染料が見られ
ず、良好な密封性を示した。47vol.％及び55vol.％の銅
を含むバイアは、螢光染料が観察されたので染料が浸透
しており、密封性に欠けていた。
電気比抵抗測定は、４点短針手法を用いて40vol.％の銅
を含む密封性バイアについて行なつた。平均の比抵抗は
35.0μΩ・cmであつた。
例２ 米国特許第4,340,436号記載の結晶化できる（斜方晶形
の）ガラスを粉末で用意した。
そのガラス粉末をエチルセルロースのバインダ及び銅の
粉末と共に混合させて金属ペーストを形成した。第一の
金属ペーストは30vol.％の銅を含んでいた。第二の金属
ペーストは40vol.％の銅を含み、第三の金属ペーストは
55vol.％の銅を含んでいた。
ドクター・ブレードを用いてマイラーの基板上の層にこ
の金属ペーストを鋳込み、風乾させた。追加層をドクタ
ー・ブレードを用いて付け、乾燥させて、100mil（2.54
mm）の厚さの積層体を得た。
この積層体を１インチ角（25.4mm角）のウエーハにカツ
トした。例１と同じ方法で重合物質及び残留炭素を焼き
尽くした。そして、例１と同じ方法で焼き尽くした積層
体を圧力焼結させた。
４点探針測定装置を用いて、焼結したウエーハの比抵抗
を測定した。結果は第７図に示されている。すべての３
つの場合において（即ち、30vol.％、40vol.％、及び55
vol.％の銅を含むバイア）、圧縮負荷の増加と共に比抵
抗が減少した。
〔発明の効果〕
本発明は、金属を含む導電性バイアを有し、かつ焼結の
後処理を行なわなくても密封性を有する焼結多層ガラス
・セラミツク基板を製造できる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明に従う気密パツケージの断面図であ
る。 第２図は、本発明に従う気密パツケージの別の具体例の
断面図である。 第３図は、本発明に従う気密パツケージ製造方法で用い
る圧力焼結装置を示す図である。 第４図は、圧力焼結による気密パツケージの製造を示す
図である。 第５図は、本発明に従う気密パツケージ製造方法の具体
例で用いる装置の断面図である。 第６図は、気密パツケージを形成する加工品を圧力焼結
させるための本発明に従う焼結固定体の上面図である。 第７図は、本発明に従う数種のバイア・ペースト組成に
対する焼結圧力と比抵抗の関係を示す図である。 10…ガラス、セラミツク体、12、14…表面、16…軸、18
…エツジ、20…バイア、22…導電性厚膜ライン、24…加
工品、26、28…押型、30…加工品のエツジ、32、34…LV
DT、36…コンピユータ制御器、37…プログラムできる圧
力調整器及びポンプ、38…圧力セル、40…炉、42…スト
ツパー、44…フレーム、46…補償用差し込み部、48…プ
ログラムできる温度制御器、50…熱電対、52…電源、54
…加熱器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホーミン・タン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ヨークタウ ン・ヘイトズ、バリー・コート2569番地 (56)参考文献 特開 昭64−90589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−22557（ＪＰ，Ａ)

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ガラス・セラミック材料から成る所定形状
    のグリーン・シート中に所定パターンのバイア・ホール
    を形成する工程、 グリーン・シート表面に所定の導電ペースト・パターン
    を形成すると共にバイア・ホールを導電ペーストで充填
    する工程、 導電ペーストを含むグリーン・シートの複数枚を積み重
    ねてバインダ成分除去雰囲気中で加熱してシート積層体
    を形成する工程、 シート積層体を非酸化雰囲気中で焼結させる工程、 とより成る気密パッケージの製造方法において、 前記バイア・ホール充填用の導電ペーストは、所定の導
    電材料及びガラス・セラミック材料の混合物から構成さ
    れており、 前記焼結工程の間、前記シート積層体は7Kg/cm2以上の
    圧縮力が印加されており、 導電性バイアとガラス・セラミック基板との界面が密封
    されている気密パッケージの製造方法。
  2. 【請求項２】前記グリーン・バイアが20vol.％ないし50
    vol.％の金属及び80vol.ないし50vol.％のガラス・セラ
    ミック物質からなる請求項１記載の気密パッケージの製
    造方法。
  3. 【請求項３】前記シート積層体の厚さ及びエッジの突出
    を測定し、該測定した厚さ及びエッジ・プロファイルの
    関数として前記シート積層体への圧力を変化させる工程
    を含ませることを特徴とする請求項１記載の気密パッケ
    ージの製造方法。
  4. 【請求項４】前記シート積層体の厚さ及び幅を測定し、
    該測定した厚さ及び幅の関数として前記シート積層体へ
    の圧力を変化させる工程を含ませることを特徴とする請
    求項１記載の気密パッケージの製造方法。
  5. 【請求項５】前記シート積層体のエッジの幅方向におけ
    る突出を案内することなしにシート積層体を実質的にそ
    の厚さ方向にのみ圧縮することを特徴とする請求項１記
    載の気密パッケージの製造方法。
  6. 【請求項６】熱膨張αＡの部材を閉鎖形に組み立て固着
    したフレームと、熱膨張率αＣの未焼結ガラス・セラミ
    ック基板の外周を取り囲むように前記フレームに内接し
    て配置される熱膨張率αＢの補償用差し込み部材とより
    成り、焼結処理の間前記ガラス・セラミック基板を収容
    し固定するための焼結治具において、 前記各熱膨張率は、αＣ＜αＡ＜αＢの関係式を満足す
    るように選択されており、 焼結温度における前記焼結固定治具及び前記ガラス・セ
    ラミック基板間の熱膨張力の差に関連した圧力が焼結時
    にガラス・セラミック基板に自動的に印加されることを
    特徴とする焼結固定治具。
  7. 【請求項７】前記フレームは正方形であり、前記差し込
    み部材は、フレームの各辺に隣接して配置される等長の
    第１及び第２の対の部材から構成されていることを特徴
    とする請求項６記載の焼結固定治具。
  8. 【請求項８】前記フレーム、差し込み部材及びシート積
    層体の形状が円形または弧状であることを特徴とする請
    求項６記載の焼結固定治具。
  9. 【請求項９】第一及び第二の向い合う表面、並びに該第
    一面から第二面へ伸びる軸を有し、かつ該軸方向の厚
    さ、該第一及び第二の向い合う表面を接続させるエッジ
    を有し、絶縁体である焼結ガラス・セラミック体と、 前記ガラス・セラミック体内を前記第一面から前記第二
    面まで貫通し、かつ前記ガラス・セラミック体に密封し
    て結合し、多くとも50vol.％の導電性物質及びそれ以外
    のガラス・セラミック物質の混合物からなる導電性焼結
    バイアと、 から成る電子デバイス用気密パッケージ。
  10. 【請求項１０】前記バイアが20vol％ないし50vol.％の
    銅及び80vol.％ないし50vol0％のガラス・セラミック物
    質から成る請求項９記載の気密パッケージ。
  11. 【請求項１１】第一及び第二の向い合う表面、並びに該
    第一面から該第二面へ伸びる軸を有し、かつ該軸方向の
    厚さを有する絶縁体である第一の焼結ガラス・セラミッ
    ク層と、 前記第一のガラス・セラミック層内を前記第一面から前
    記第二面まで貫通し、かつ前記ガラス・セラミック層に
    密封して結合し、多くとも50vol.％の導電性物質及びそ
    れ以外のガラス・セラミック物質の混合物からなる第一
    の導電性焼結バイアと、 第一及び第二の向い合う表面、並びに該第一面から該第
    二面へ伸びる軸を有し、かつ該方向の厚さを有する絶縁
    体であり、かつ前記第一の焼結ガラス・セラミック層の
    前記第一面と該第一面が接触している第二の焼結ガラス
    ・セラミック層と、 前記第二のガラス・セラミック層内を前記第一面から前
    記第二面まで貫通し、かつ50vol.％以上の導電性物質か
    らなる第二の導電性焼結バイアとから成る電子デバイス
    用気密パッケージ。
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