JPH06302708A

JPH06302708A - シールリング用ロー材及びこれを用いた半導体素子用パッケージの製造方法

Info

Publication number: JPH06302708A
Application number: JP5116511A
Authority: JP
Inventors: Toru Matsuura; 松浦　　徹; Makoto Nakazawa; 誠中沢; Atsushi Kanda; 篤神田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-04-19
Filing date: 1993-04-19
Publication date: 1994-10-28
Anticipated expiration: 2018-06-09
Also published as: JP3415192B2

Abstract

(57)【要約】【目的】優れた気密封止構造が得られるシールリング
用ロー材及びこれを用いた半導体素子用パッケージの製
造方法を提供する。【構成】セラミック基板上に形成されたメタライズ層
に金属製シールリング部を接合させるためにメタライズ
層上に配置されるシールリング用ロー材において、該ロ
ー材の幅ｈ及び厚みｔをメタライズ層の幅Ｈに対して、
（Ｉ）式の関係とした。ｔ≦０．０２Ｈ、０．３Ｈ≦ｈ≦Ｈ（Ｉ）また、パッケージの製造方法は、半導体素子の収容部を
備えたセラミック製の容器本体の該収容部形成側面の該
収容部周囲にメタライズ層を形成し、その上にシールリ
ング用ロー材を（Ｉ）の条件で配置し、これによりメタ
ライズ層にシールリング部をロー付けし、この上蓋体を
接合して収容部を気密封止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミック基板に形成
されたメタライズ層と金属製シールリング部を接合する
ためのシールリング用ロー材及びこれを用いた半導体素
子用パッケージの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子の保護を目的に、
気密封止構造を有する半導体素子用パッケージが用いら
れている。かかるパッケージは、通常、半導体素子の収
容部を備えたセラミック製の容器本体（ベース基板等）
とその収容部を気密封止するための蓋体とを有してい
る。そして、この容器本体には、一般に電気絶縁材料で
あるアルミナセラミック（Ａｌ₂Ｏ₃）等が用いられ、
その収容部形成側（表）面には高融点金属（例えばタン
グステン）等からなるメタライズ層が設けられる。一
方、蓋体には、上記容器本体と熱膨張率の近似した、コ
バール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）、４２アロイ（４２％
Ｎｉ−Ｆｅ合金）等の金属が用いられる（温度範囲３０
〜６００℃の熱膨張係数；アルミナ＝７．３×１０^-6／
ｄｅｇ、コバール＝７．２×１０^-6／ｄｅｇ、４２アロ
イ＝８．８×１０^-6／ｄｅｇ）。そして、蓋体と同様な
材料からなる封止用金属リング（シールリング部）を上
記メタライズ層に予めロー付けにより固着（接合）して
おき、半導体素子を上記収容部内にダイボンディング
し、更にＡｌ線等によりワイヤーボンディングした後、
上記シールリング部と蓋体とを低温ロー付け若しくはシ
ームウエルド法によって接合し、所望の気密封止構造を
有する半導体素子用パッケージとしている。

【０００３】ところで、近年、半導体素子の高集積化、
多機能化のため、容器に収容される半導体素子の大型化
が進められている。これに伴い、シリコン半導体素子
を、アルミナ等からなる容器本体内に実装した場合に、
両者の熱膨張係数の相違（温度範囲３０〜４００℃にお
ける熱膨張係数；シリコン＝３．５×１０^-6／ｄｅｇ、
アルミナ＝６．７×１０^-6／ｄｅｇ）に起因し、両者間
に大きな熱応力を発生し、半導体素子が容器本体より剥
がれてしまうという問題を生ずることが多くなった。こ
のような欠点を解消するために、シリコン半導体素子と
容器本体の熱膨張率の整合を目的に、容器本体として上
記アルミナより低熱膨張率のセラミックである窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）、ムライト、窒化珪素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）、ガラスセラミック等の適用が検討されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記低
熱膨張率セラミック容器に対して、従来と同様の材料か
らなるシールリング部や蓋体による接合封止を行った場
合、以下の様な問題点がある。即ち、シールリング部を
容器本体にロー付け固着する時（約８００℃の温度でロ
ー付けされる。）に、両者の熱膨張率の違いに起因し
て、メタライズ層外周端部には引張応力が働き、この外
周端部より容器本体にクラックが入るため、歩留りが低
下すると共に、半導体素子の気密封止が困難となる場合
がある。また、この様にして容器本体に固着されたシー
ルリング部と蓋体とを接合する時（金−錫合金のロー材
の場合には、約２８０℃の温度でロー付けされる。）
に、容器本体と蓋体との熱膨張率の相違による熱応力が
発生し、上記と同様にして引張応力が働き、シールリン
グ部の剥がれや容器本体のクラックが発生し、気密性が
保てず、パッケージとしての信頼性に欠ける場合があ
る。

【０００５】そして、これらの封止不良等の主な原因と
して、セラミック容器とシールリング部の固着に用いら
れるシールリング用ロー材の量が問題となっている。即
ち、上記メタライズ層上に配置されるロー材の量が過大
である場合には、メタライズ層の外周端部までロー材が
流れ、この端部においてロー材の熱膨張による影響を大
きく受け、メタライズ層外周部よりセラミック内部にク
ラックが発生し易い。また、このロー材の量が過少な場
合には、ロー材のメタライズ層上での流れが悪くなり、
ロー材に「す」の部分ができたり、メタライズ層上に十
分なロー材が確保できず気密性が確保できなかったり、
ロー材の強度が低下しロー材の一部にクラックが生じ易
い。本発明は、上記問題に対処するためになされたもの
であり、容器本体と、シールリング部及び蓋体の熱膨張
率の相違に起因する熱応力を増大させずに、優れた気密
封止構造が得られるシールリング用ロー材及びこれを用
いた半導体素子用パッケージの製造方法を提供すること
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、上記請求項１に係わる発明の構成上の特徴は、セラ
ミック基板上に形成されたメタライズ層に金属製シール
リング部を接合させるためにメタライズ層上に配置され
るシールリング用ロー材において、上記ロー材の幅ｈ及
び厚みｔを、上記メタライズ層の幅Ｈに対して、下記
（Ｉ）式の関係としたことにある。ｔ≦０．０２Ｈ、０．３Ｈ≦ｈ≦Ｈ（Ｉ）

【０００７】また、上記目的を達成するために、上記請
求項２に係わる発明の構成上の特徴は、半導体素子の収
容部を備えたセラミック製の容器本体の該収容部形成側
面の該収容部周囲にメタライズ層を形成した後、該メタ
ライズ層上にシールリング用ロー材を配置し、次いで該
シールリング用ロー材により上記メタライズ層に金属製
シールリング部をロー付けし、更に該シールリング部上
に蓋体を接合して上記収容部を気密封止する半導体素子
用パッケージの製造方法において、上記メタライズ層上
に配置するシールリング用ロー材の幅ｈ及び厚みｔを、
該メタライズ層の幅Ｈに対して、下記（ＩＩ）式の関係
としたことにある。ｔ≦０．０２Ｈ、０．３Ｈ≦ｈ≦Ｈ（ＩＩ）

【０００８】更に、上記目的を達成するために、上記請
求項３に係わる発明の構成上の特徴は、上記請求項２記
載の半導体素子用パッケージの製造方法において、上記
容器本体がアルミナセラミックより熱膨張率の低いセラ
ミックからなることにある。この低熱膨張率セラミック
としては、例えば、窒化アルミニウム、ムライト、窒化
珪素等を挙げることができる。

【０００９】尚、上記ロー材の配置の手段としては、予
め所定の形状としたロー材片をメタライズ層上に載置す
るか、又はペースト状にしたものを印刷、塗布等するこ
とによって行うことができる。

【００１０】

【発明の作用・効果】上記の様に構成した請求項１に係
わるシールリング用ロー材（以下、「ロー材」とい
う。）にあっては、メタライズ層上に配置するロー材の
量を、メタライズ層の幅を基準にして、ロー材の幅ｈ及
び厚みｔにより規定する。その結果、配置されるロー材
の量が最適量となるため、シールリング部とセラミック
基板との間の熱膨張率の差により、両者をロー付けする
時に生じる熱応力を増大させることはない。従って、セ
ラミック基板のクラックの発生やシールリング部の剥が
れを防止することができると共に、ロー材の量の不足に
より、ロー材に「す」を発生させること等もない。ま
た、ロー材量の最適量は、メタライズ層の幅を基準にし
て、ロー材の幅ｈ及び厚みｔにより相対的に定められる
ため、セラミック基板、シールリング部等の大きさ、形
状等を問わず、常に良好な接合が可能となる。

【００１１】上記の様に構成した請求項２に係わる半導
体素子用パッケージ（以下、「パッケージ」という。）
の製造方法あっては、上記請求項１に係わるロー材をパ
ッケージの製造方法に適用する。その結果、シールリン
グ部と容器本体との間の熱膨張率の差により、両者をロ
ー付けする時に生じる熱応力を増大させることなく封止
が行われる。同様に、容器本体と蓋体との間の熱膨張率
の差による熱応力を増大させることなく封止が行われ
る。従って、容器本体のクラックの発生、シールリング
部の剥がれ、ロー材量の不足に起因するロー材の「す」
の発生等が防止されるので、気密封止部分の信頼性が保
証される。また、この場合もロー材の最適量が相対的に
定められるため、容器本体、シールリング部等の大き
さ、形状等を問わず、常に良好な接合が可能となる。

【００１２】上記の様に構成した請求項３に係わるパッ
ケージでは、半導体素子との熱膨張率の整合を図るため
に、上記容器本体をアルミナセラミックより熱膨張率の
低いセラミックにより構成する。その結果、半導体素子
が容器本体より剥がれることを有効に防止しつつ、上記
の様な容器本体のクラックの発生の防止等をすることが
できる。

【００１３】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。本実施例では、小型パッケージ（試験例１〜４）、
中型パッケージ（試験例５〜８）及び大型パッケージ
（試験例９〜１２）を作製し、これらについて「気密
性」及び「外観検査」に関する評価を試みた。（１）パッケージの概要試験例１〜４試験例１〜４の小型パッケージは、いずれも図２に示す
様に、容器本体１及び蓋体６を、シールリング部４を介
してロー付けし、接合したものである。上記容器本体１
は、周知の製造法を用い製造されるもので、いずれも窒
化アルミニウム製の容器（外形；５０ｍｍ×５０ｍｍ×
３ｍｍ）であり、その略中央には、半導体素子の収納部
１１が設けられている。この収容部１１は、上記容器本
体１の上面（表面）１２側を開口部（開口部は一辺が１
８ｍｍの正方形である。）とし、且つ該開口部より容器
本体１の中央に向かい低くなる階段状のものである。ま
た、この容器本体１の表面１２の上記収容部１１周囲
に、該収容部１１を取り囲む幅３ｍｍの高融点材料（例
えば、ダングステン）を主成分するメタライズ層２が形
成されている。尚、このメタライズ層２も、四角リング
状〔外形；２６ｍｍ×２６ｍｍ×０．０２ｍｍ、内形；
２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．０２ｍｍ、リング幅（Ｈ）；
３ｍｍ〕である。

【００１４】また、上記蓋体６は、いずれもコバールか
らなる板状体（２６ｍｍ×２６ｍｍ×０．２５ｍｍ）で
ある。更に、上記シールリング部４は、いずれも四角リ
ング状体（外形；２６ｍｍ×２６ｍｍ×０．５ｍｍ、内
形；２１ｍｍ×２１ｍｍ×０．５ｍｍ、リング幅；２ｍ
ｍ）である。

【００１５】そして、上記各容器本体１及び各蓋体６
は、以下の様にして接合されている。先ず、上記メタラ
イズ層２上に、銀ロー材３を介して上記シールリング部
４をロー付け固着した。この銀ロー材３が上記メタライ
ズ層２上に配置された段階（即ち、ロー付け前の段階）
では、試験例１〜４のいずれも略四角リング状であり、
図１に示すそれらの外形の一辺の長さ、内形の一辺の長
さ、幅（ｈ）及び厚み（ｔ）を表１に示す。尚、この様
にして配置されるロー材３の形状は、メタライズ層２
（又はシールリング部４）の形状と略相似したものとす
るのが好ましい。例えば、メタライズ層２の四角リング
形状であれば、本実施例に示す様に、ロー材３も四角リ
ング形状とするのが好ましいが、この場合に略直方体の
短冊形状のものをこの四角リング形状の各部分として個
々に配置してもよい。

【００１６】

【表１】

【００１７】尚、同表中の数値の単位は、「ｍｍ」であ
る。また、同表中の「※」は、本発明の範囲外の数値で
あることを示す。次いで、上記各シールリング部４上
に、上記蓋体６を金系ロー材５によりロー付けし、試験
例１〜４のパッケージを作製した。但し、上記蓋体６の
シールリング部４上への接合は、シームウェルド法を用
いて行ってもよい。

【００１８】試験例５〜８及び９〜１２試験例５〜８の中型パッケージ及び試験例９〜１２の大
型パッケージでは、以下の点で異なる他は試験例１〜４
と同様である。即ち、試験例５〜８では、容器本体１の
外形が試験例１〜４の場合よりもやや大きく（外形；７
５ｍｍ×７５ｍｍ×４．０ｍｍ、開口部は一辺が４３
ｍｍの正方形である。）、これに対応してメタライズ層
もやや大型〔外形；５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．０２ｍ
ｍ、内形；４５ｍｍ×４５ｍｍ×０．０２ｍｍ、リング
幅（Ｈ）；２．５ｍｍ〕となると共に、やや大型の蓋体
（５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．４ｍｍ）とやや大型のシー
ルリング部（外形；４８．５ｍｍ×４８．５ｍｍ×０．
７５ｍｍ、内形；４６．５ｍｍ×４６．５ｍｍ×０．７
５ｍｍ、リング幅；１ｍｍ）を用いた。そして、これら
のメタライズの上に配置されたロー材の外形の一辺の長
さ、内形の一辺の長さ、幅（ｈ）及び厚み（ｔ）を上記
試験例１〜４と同様に表１に併記する。

【００１９】一方、試験例９〜１２の大型パッケージで
は、容器本体１の外形が更に大きく（外形；１２０ｍｍ
×１２０ｍｍ×３．５ｍｍ、開口部は一辺が４８ｍｍの
正方形である。）、これに対応してメタライズ層も大型
〔外形；９０ｍｍ×９０ｍｍ×０．０２ｍｍ、内形；８
０ｍｍ×８０ｍｍ×０．０２ｍｍ、リング幅（Ｈ）；
５．０ｍｍ〕となると共に、大型の蓋体（９０ｍｍ×９
０ｍｍ×０．７５ｍｍ）と大型のシールリング部（外
形；８８ｍｍ×８８×２．０ｍｍ、内形；８２ｍｍ×８
２ｍｍ×２．０ｍｍ、リング幅；３．０ｍｍ）を用い
た。そして、これらのメタライズの上に配置されたロー
材の外形の一辺の長さ、内形の一辺の長さ、幅（ｈ）及
び厚み（ｔ）を上記試験例１〜４と同様に表２に示す。

【００２０】

【表２】

【００２１】尚、同表中の数値の単位及び「※」につい
ては、表１の場合と同様である。（２）「気密性」及び「外観」に関する試験気密性本性能試験は、上記シールリング部４の固着後、上記蓋
体６の封止後及び熱衝撃試験後に、ヘリウムリークディ
テクタによりヘリウムのリーク量を測定すること（以
下、「Ｈｅリークテスト」という。）により行った。こ
こで、この「Ｈｅリークテスト」は、アメリカ合衆国Ｍ
ＩＬ規格（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３）に従い、Ｈｅの入
った圧力タンク中に、上記各パッケージ等を入れ、Ｈｅ
を各パッケージ等の欠陥部分より侵入させた後、各パッ
ケージ等を真空容器に入れ、これに通ずる質量分析計に
よりＨｅのリーク量を測定するものである。

【００２２】また、上記熱衝撃試験もアメリカ合衆国Ｍ
ＩＬ規格（ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３）に従い、パーケー
ジ全体を、低温の液体中（温度；−６５℃）に５分浸漬
（以下、「低温浸漬」という。）した後、今度は高温の
液体中（温度；１５０℃）に５分浸漬する（以下、「高
温浸漬」という。）ことを交互に１５サイクル繰り返し
たものである。但し、この低温浸漬から高温浸漬への移
行に要した時間、高温浸漬から低温浸漬への移行に要し
た時間は、いずれも１０秒である。また、上記低温浸漬
を開始し、次の低温浸漬を開始する迄を１サイクルとす
る。

【００２３】外観検査本性能試験は、蛍光探傷法により行ったものである。こ
の蛍光探傷法は、蛍光探傷液を試験例に塗布して、同液
が浸透した部分を目視により調べることにより行うもの
である。

【００２４】（３）試験の結果と評価以上の試験の結果を表３及び４に示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】

【００２７】尚、上記各表中の「Ｈｅリーク量」の単位
は、「ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ」である。また、各表中の
「リーク」とは、「Ｈｅリーク量が１．０×１０^-7ａｔ
ｍ・ｃｃ／ｓｅｃを越えてしまい殆ど気密性が確保でき
ない。」ことを示す。更に、各表中の「外観」に関する
評価の意義は、「○」は「良好である。」を、「×」は
「メタライズ層外周部よりセラミック内部にクラックが
発生した。」を、「△」は「ロー材のメタライズ層上で
の流れが悪い。」を、「××」は「ロー材の一部にクラ
ックが発生した。」をそれぞれ示す。

【００２８】以上の性能試験によれば、ロー材の量が多
すぎる試験例１、５及び９（いずれも比較例）において
は、シールリング部のロー付け後（試験例１及び９）、
若しくは蓋体による封止後（試験例５）には、リーク量
が多くなると共に、容器本体にメタライズ層の外周より
容器本体にクラックが発生した。また、ロー材の量が少
な過ぎた試験例４、８及び１２（いずれも比較例）にお
いては、ロー材の流れが悪く、蓋体による封止後に（試
験例４及び８）、若しくは耐熱衝撃試験後（試験例５）
には、リーク量が多くなり気密性に劣ることを示した。
特に、ロー材の量が少なかった試験例１２では、耐熱衝
撃試験後にロー材の一部にクラックが発生した。これら
に対して、ロー材量が最適な試験例２、３、６、７、１
０及び１１（いずれも実施例）においては、気密性の良
さを示した。また、メタライズ層の幅を基準にして、ロ
ー材の幅ｈ及び厚みｔによりロー材の量が相対的に規定
したため、パッケージの大きさ、形状等を問わず、最適
量のロー材により良好な接合状態を確保できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例において、メタラズ層の上にロー材を
配置した状態を示す縦断面図である。

【図２】本実施例において、蓋体による封止を行った後
の状態を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１；容器本体、２；メタライズ層、３；銀ロー材、４；
シールリング部、５；金系ロー材、６；蓋体、１１；凹
部、Ｈ；メタライズ層の幅、ｈ；ロー材の幅、ｔ；ロー
材の厚み。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基板上に形成されたメタライ
ズ層に金属製シールリング部を接合させるためにメタラ
イズ層上に配置されるシールリング用ロー材において、上記ロー材の幅ｈ及び厚みｔを、上記メタライズ層の幅
Ｈに対して、下記（Ｉ）式の関係としたことを特徴とす
るシールリング用ロー材。ｔ≦０．０２Ｈ、０．３Ｈ≦ｈ≦Ｈ（Ｉ）
【請求項２】半導体素子の収容部を備えたセラミック
製の容器本体の該収容部形成側面の該収容部周囲にメタ
ライズ層を形成した後、該メタライズ層上にシールリン
グ用ロー材を配置し、次いで該シールリング用ロー材に
より上記メタライズ層に金属製シールリング部をロー付
けし、更に該シールリング部上に蓋体を接合して上記収
容部を気密封止する半導体素子用パッケージの製造方法
において、上記メタライズ層上に配置するシールリング用ロー材の
幅ｈ及び厚みｔを、該メタライズ層の幅Ｈに対して、下
記（ＩＩ）式の関係としたことを特徴とする半導体素子
用パッケージの製造方法。ｔ≦０．０２Ｈ、０．３Ｈ≦ｈ≦Ｈ（ＩＩ）
【請求項３】上記容器本体がアルミナセラミックより
熱膨張率の低いセラミックからなることを特徴とする請
求項２記載の半導体素子用パッケージの製造方法。