JPH10247696A

JPH10247696A - 半導体パッケージ気密封止用金属製蓋体

Info

Publication number: JPH10247696A
Application number: JP9049225A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Yamamoto; 哲也山本; Shigeki Kawamura; 茂樹河村; Sanae Taniguchi; 早苗谷口
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc; Senju Metal Industry Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc; Senju Metal Industry Co Ltd
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-09-14
Also published as: US6306526B1

Abstract

(57)【要約】【課題】封止時に半田ボールが発生せず、大量生産が
容易で、特に耐熱衝撃性に優れた信頼性の高い気密封止
が可能な、半導体パッケージ封止用の金属製蓋体を提供
する。【解決手段】金属板５の片面に半田層６がクラッドさ
れた半田クラッド金属板からなる蓋体。半田は、２〜６
重量％のSnと 0.5〜２重量％のInを含有する、凝固温度
範囲が 240〜310 ℃の範囲内の鉛系合金が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体パッケージ
気密封止用金属製蓋体、すなわち、半導体素子を搭載し
た絶縁性パッケージ基体の半導体素子搭載部を気密封止
(ハーメチックシール) するための金属製の蓋体 (リッ
ド) に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス等の絶縁性基体に搭載した
半導体素子搭載部を、板状またはキャップ状の蓋体で覆
い、半田、ロウ材、ガラス等の封止材を用いて接合部を
封止した気密封止型半導体パッケージは、耐熱性や高度
の耐久性、信頼性が要求される用途に利用されている。
封止材としては、半田が最も低温で封止できる点で有利
である。

【０００３】蓋体としては、セラミックスと金属が主に
利用されている。半田で封止する場合、セラミックス製
の蓋体は、半田との接合性を確保するため、蓋体の接合
部を予め厚膜メタライズ処理する必要があるので、製造
コストが高くつく。一方、金属製の蓋体はこのような処
理が不要であり、半田を直接接合させることができるた
め、製造コスト面からは有利である。

【０００４】従来の一般的な金属製の蓋体は、所定の大
きさの金属板からなる蓋本体の外周部 (接合部) に封止
材の半田層を形成したものからなる。半田としては、Pb
／Sn系、Pb／Sn／Ag系などの、融点が300 ℃前後の高温
半田が一般に用いられている。この蓋体を、その外周に
設けた半田層がパッケージ基体の半導体素子搭載部の外
周に形成されたシール部の上に重なるようにして基体に
載せ、オーブン等で加熱して半田を溶融させることによ
り蓋体を基体に接合させると、半導体パッケージの気密
封止が達成される。

【０００５】このような外周部に半田層を有する金属製
蓋体は、蓋本体の外周部に、半田粉末とフラックスと
を含有する半田ペーストを印刷し、リフローして半田層
を形成する方法か、或いは矩形リング形状に打ち抜か
れた半田薄板を、蓋本体の外周部に配置し、数カ所を予
めスポット溶接して、半田薄板を蓋本体に固定する方法
により製造されている。

【０００６】の半田ペーストを印刷してリフローする
方法の方が、の半田薄板を打ち抜いてスポット溶接す
る方法より、低コストで、しかも大量生産に向いている
点で有利である。しかし、この方法では、半田ペースト
中のフラックスが残留してボイドが発生し易い。このボ
イドに取り込まれたフラックス残渣が、半田を溶融させ
て封止する際の加熱中に揮発してボイド破裂が起こり、
周囲に半田ボールが飛散して、パッケージ基体の配線部
や半導体素子等に付着する。この半田ボールは、例え
ば、直径が３〜５μｍ程度であるが、半導体素子にも付
着し、素子の特性や動作を阻害する。

【０００７】の方法は、このような問題はないが、半
田薄板が柔らかく、ハンドリング性が悪いため、半田薄
板を所定の矩形リング形状に打ち抜き、打ち抜いた半田
薄板を蓋本体に位置決めして配置し、スポット溶接する
という作業が非常にやり難く、生産性の面で不利であ
る。さらに、特開平１−318250号公報に指摘されている
ように、スポット溶接時に電極を押し当てた箇所の半田
薄板が凹み、この凹部の周囲が逆に盛り上がって凸部に
なって、凹凸が形成される。この凹凸により、封止時の
蓋体の位置ずれ、半田層の厚みの不均一による寸法精度
の低下、凸部による傷発生や凹部に気泡が残ることによ
る気密封止性の低下、といった問題がある。

【０００８】特開平１−318250号公報には、この問題を
回避するため、スポット溶接の代わりに、レーザー等の
非接触型の加熱手段で局部的に加熱することにより半田
薄板を蓋本体に固定することが提案されている。それに
より、スポット溶接で発生した凹凸に起因する問題は解
消できるが、半田薄板のハンドリング性が悪いことによ
る生産性の問題は解消されておらず、半田ペーストをリ
フローする方法に比べて大量生産の面で不利である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体パッ
ケージ気密封止用の金属製蓋体の前述した問題点を解消
することを目指したものである。即ち、ハンドリングが
容易で大量生産に適しており、半田層にボイド発生やフ
ラックス残留を生じることがなく、封止時に半田ボール
を発生させない、半導体パッケージ気密封止用の金属製
蓋体を提供することが、本発明の課題である。

【００１０】さらに、Pb／Sn系、Pb／Sn／Ag系といった
従来の高温半田を用いて封止した半導体パッケージで
は、耐熱衝撃性が低く、熱サイクル試験で例えば1000サ
イクルの熱応力を繰り返し受けると、半田封止部にクラ
ックを生じ、気密性が不良となる。従って、半導体パッ
ケージの使用中に気密信頼性を保持することができな
い。この点の改善が本発明の別の課題である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、金属板
の片面に半田がクラッドされた半田クラッド金属板から
なることを特徴とする半導体パッケージ気密封止用金属
製蓋体が提供される。即ち、従来の蓋体のように、蓋本
体の片面の外周部だけに半田層を接合するのではなく、
蓋本体の片面の全面に半田層をクラッドにより接合させ
る。こうして、半田層が蓋体の全面に形成されていて
も、半田層は一般に薄いので、封止時に特に問題はない
ことが判明した。

【００１２】金属板のクラッドに用いる半田としては、
凝固温度範囲が 240〜310 ℃の鉛系合金を用いることが
好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に係る金属製蓋体で気密封
止される半導体パッケージの種類は特に制限されない。
パッケージ基体は、半田溶融時の加熱温度に耐える電気
絶縁性の材料から構成される。このような特性を満たす
材料の代表例はセラミックスである。従って、本発明の
蓋体は代表的には、パッケージ基体をセラミックス材料
から構成したセラミックスパッケージの封止に用いられ
る。

【００１４】セラミックスパッケージのセラミックス材
料は、アルミナ、窒化アルミニウム、ムライト、ガラス
セラミックスなど、従来よりセラミックスパッケージに
利用されてきた任意の材料でよい。セラミックス基体
は、もちろん多層基板でもよく、基体の製造法、内層配
線の形成法等に制限はない。

【００１５】本発明の蓋体は板状であるので、パッケー
ジ基体は凹部を有し、その凹部に半導体素子を搭載す
る。そして、この凹部を完全に覆う大きさの蓋体を凹部
の上に乗せて、蓋体とパッケージ基体との界面を半田で
封止するのである。

【００１６】絶縁性のパッケージ基体がセラミックス基
体である場合、セラミックス基体は半田接合性（半田濡
れ性）がないので、基体の半田で封止される部分、即
ち、上記の凹部を包囲し、蓋体と接合して封止部を形成
する、基体の上面には、半田接合性に優れた適当な金属
層を下地として形成しておく必要がある。この金属層
は、Ｗ、Mo等の高融点金属でメタライズ処理した後、Ni
めっき及びAuめっきを施すことにより形成することが、
半田接合性の確保の面からは好ましい。しかし、下地の
金属層はこれに限られるものではなく、半田で封止され
るセラミックスパッケージに利用可能な他の金属層を適
用することもできる。

【００１７】本発明では、半導体素子を収容したパッケ
ージ基体の凹部を覆う蓋体は、金属板の片面に半田がク
ラッドされた半田クラッド金属板から構成される。金属
板は蓋体の本体 (蓋本体) を構成し、この金属板にクラ
ッドされた半田は、封止時に溶融して蓋体とパッケージ
基体との間に気密封止部を形成する。好ましい厚みは、
金属板が 0.1〜１mm、半田クラッド層が20〜80μｍ程度
である。

【００１８】半田クラッド金属板は、金属板と半田薄板
とを重ねて冷間または熱間で圧延することにより製造す
ることができる。圧延は、冷間と熱間のいずれも、圧下
率が30〜70％の範囲で行うことが好ましい。製造された
半田クラッド金属板から、例えばプレスにより所定の蓋
体の形状に打ち抜くことにより、本発明にかかる半導体
パッケージ気密封止用の蓋体が作製される。柔らかい半
田薄板が金属板にクラッドされており、また形状もリン
グ状ではないので、打ち抜き時やその後のハンドリング
性は良好である。従って、本発明の蓋体は、容易に大量
生産でき、ハンドリング性にも優れている。

【００１９】蓋本体となる金属板の材質は特に制限され
ないが、熱膨張率がパッケージ基体の熱膨張率に近いも
のが好ましい。基体がセラミックスであるセラミックス
パッケージの場合には、蓋本体となる金属板の好ましい
材質の例としては、42アロイ(Fe−42Ni合金) 、コバー
ル(Kovar、Fe−29Ni−17Co合金) 等が挙げられる。

【００２０】この金属板にクラッドする半田の合金組成
にも特に制限はない。しかし、好ましい半田合金は、次
に述べる理由から、凝固温度範囲 (固相線温度と液相線
温度の範囲) が 240〜310 ℃の鉛系合金である。半田を
溶融させて封止する際の加熱の影響による半導体素子の
劣化を避けるには、この封止を330 ℃以下の温度で行う
ことが望ましい。凝固温度範囲の上限が310 ℃であれ
ば、330 ℃以下の温度で半田を完全に溶融させて封止を
行うことができる。一方、半導体パッケージは、これを
マザーボードに実装する際に再び加熱される。この実装
は通常は半田を用いて行われ、この時に200 ℃よりやや
高温に加熱される。凝固温度範囲の下限が240 ℃であれ
ば、この再加熱時における半導体パッケージの封止部の
半田の溶融が避けられ、気密封止性が保持される。より
好ましい凝固温度範囲は 250〜300℃である。

【００２１】また、封止部の気密信頼性を確保するに
は、耐熱衝撃性に優れた半田を使用することが好まし
い。この点からは、次に述べる理由により、鉛系半田合
金が、SnとInとを含有することが好ましい。

【００２２】Pb系半田合金において、Snはパッケージ基
体の下地表面のAuめっきとの濡れ性を改善し、半田の密
着性を高めることで、耐熱衝撃性の改善に寄与する。Sn
の含有量は２〜６％ (重量％、以下同じ) の範囲内が好
ましい。少なすぎると、この効果が不十分となり、多す
ぎても耐熱衝撃性が低下する傾向がある。

【００２３】Inは、封止後の半田封止部のクラック発生
を防止する効果があり、耐熱衝撃性の改善に有効であ
る。これは、Inが、合金成分が下地のAuめっきと反応し
て生ずる脆いAu−Sn合金相やPb−Au合金相の生成を抑制
するからである。この効果を得るのに適切なInの量は、
Sn含有量が２〜６％の場合、 0.5〜２％の範囲内であ
る。Inが0.5 ％未満ではこの効果が不十分であり、２％
を超えると長期使用中の気密封止性が低下する。

【００２４】このPb系合金は、凝固温度範囲が 240〜31
0 ℃の範囲内となるように、例えば、Biといった低融点
化に有効な元素を含有することができ、この元素の添加
量により融点 (凝固温度範囲) を調整することができ
る。さらに、Ag等の半田合金によく使用されている他の
１種もしくは２種以上の元素を、合計で２％以下の少量
であれば含有させ得る。

【００２５】かかる半田合金の好ましい例は、Bi：２〜
15％、Sn：２〜６％、In： 0.5〜２％、Ag： 0.5〜２
％、残部Pbからなる合金組成を持つものである。この半
田は、Biを含有し、Agの含有量を必要最小限に抑えてい
るため、凝固温度範囲が 240〜310 ℃の範囲と低い。ま
た、適当量のSnを含んでいるため、パッケージ基体の下
地金属層の表面を構成するAuめっきへの濡れ性に優れ、
Inによって封止後の封止層の耐熱衝撃性が確保される。

【００２６】本発明にかかる蓋体の構造の例を図１(a)
に、この蓋体で気密封止されるパッケージ基体の構造を
図１(b) にそれぞれ略式説明図で示す。図１(a) および
(b)において、１はセラミックス製のパッケージ基体、
２は基体１の上面に形成されたシール部 (即ち、蓋体の
半田により封止される部分) 、３は基体１に設けた、内
部に半導体素子を搭載するための凹部、４は本発明に係
る蓋体、５は金属製の蓋本体（金属板）、６は金属板５
にクラッドされた半田層である。セラミックス基体１の
シール部２には、前述したように、NiおよびAuめっきさ
れた高融点金属(例、ＷまたはMo) のメタライズ層が形
成されている。

【００２７】図１(b) に示した例では、セラミックス基
体１の凹部３は、ワイヤーボンディング用の電極を形成
するために２段になっている。この下段の凹部に半導体
素子(図示せず) を収容し、必要な固定および配線を行
って搭載する。下段の凹部の底面には素子 (例、ＩＣチ
ップ) の実装 (ダイアタッチ) のために、基体１の上面
シール部２と同様のNiおよびAuめっきされた高融点金属
メタライズ層が形成されている。また、上段の凹部の底
面にも、ワイヤーボンディングと素子への導通パターン
形成のために同様のメタライズ層が形成されている。但
し、このような２段型の凹部の形状や、凹部底面のメタ
ライズ層の形成は、本発明にとって必須ではない。

【００２８】図１(a) に示す本発明に係る蓋体を用いて
半導体パッケージの封止を行うには、パッケージ基体１
の上面に、本発明の蓋体４を、そのクラッドした半田層
６を下に向けて乗せた後、適当な加熱手段 (例、オーブ
ン) を用いて、ピーク温度が半田の融点 (液相線温度)
よりやや高温（例、約10〜30℃高温) に加熱する。この
加熱により、半田が完全に溶融して、パッケージ基体１
の凹部を取り囲む上面シール部２に接合し、蓋体とパッ
ケージ基体とが半田で封止され、半導体パッケージが完
成する。融点より高温の加熱保持時間は、通常は10秒〜
10分間程度である。半田封止部の気密性を確保するた
め、加熱中に蓋体に重りを乗せる等の手段で適度に加圧
することが好ましい。この加圧は、例えば、20〜100 ｇ
／cm²程度でよい。加熱雰囲気は特に制限はないが、非
酸化性ガス雰囲気（例、窒素ガス、水素／窒素混合ガ
ス、アルゴンガス等）が好ましい。

【００２９】本発明では、蓋体４の片面の全面に半田層
５が形成されているため、蓋体の封止部 (即ち、基体の
上面シール部２に接触する部分) 以外の半田層が、凹部
３とその内部に搭載された半導体素子に露出した状態
で、封止時に溶融するが、半田層が薄いため、溶融して
も半田ボールの落下等の不都合はなく、素子の特性に悪
影響はない。

【００３０】

【実施例】コバール製金属帯板 (厚さ0.7 mm、幅50 mm)
に各種合金組成の半田リボン (厚さ0.1 mm、幅50 mm)を
重ね、冷間圧延 (圧下率50％）によりクラッドさせ、半
田クラッド金属帯板 (半田層の厚み40μｍ、金属板の厚
み0.35 mm)を得た。

【００３１】使用した半田は次の３種類であった。半田Ａ：Pb-8% Bi-4% Sn-1% In-1% Ag (凝固温度範囲 250〜295 ℃) 半田Ｂ：Pb-5% Sn (凝固温度範囲 252〜295 ℃) 半田Ｃ：Pb-5% Sn-1.5% Ag (凝固温度範囲 280〜296 ℃) 。

【００３２】得られた各半田クラッド金属帯板を、プレ
スで3.8 mm平方の正方形に打ち抜き、本発明に係る金属
製蓋体を得た。この蓋体を用いて次の各試験を行った。

【００３３】(a) 封止時の半田ボール生成の有無半田Ａをクラッドした金属板からなる蓋体を、外径寸法
が3.8 mm×3.8 mm×高さ1.5 mmで、内部に2.8 mm×2.8
mm×深さ１mmの凹部を有するアルミナ製セラミックス基
体の凹部を覆って、ぴったり重なるように乗せた。この
基体の蓋体と接合される上面 (凹部の上縁部) には、Ni
およびAuめっきされたＷメタライズ層が形成されてい
た。

【００３４】基体を覆う蓋体の上に５ｇの重りを乗せて
から (加圧力＝34.6 g/cm²) 、封止炉中で窒素ガス雰囲
気下にピーク温度が 310±10℃、280 ℃以上の保持時間
が３±２分間となる条件下で加熱して半田を溶融させ、
蓋体をアルミナ基体に接合させて、半田封止パッケージ
を作製した。

【００３５】こうして封止した40個のパッケージの封止
部の断面をＳＥＭにより観察したところ、封止は完全
で、いずれも気密不良は認められなかった。また、別の
40個のパッケージを基体の中央付近で水平方向に切断し
て凹部の底面をＳＥＭで観察した結果、底面に半田ボー
ルが認められたパッケージは０であった。

【００３６】比較のために、従来法に従って、3.8 mm平
方のコバール板の片面の外周に沿って0.5 mm幅で半田Ａ
を含有する半田ペースト (フラックス10％を含有) を印
刷し、リフローおよび洗浄して、外周に半田部を有する
金属製蓋体を作製した。この蓋体を半田面を下にして上
記の凹部を有するアルミナ製基体の上にぴったり乗せ、
上記と同様の条件下で封止炉にて加熱することにより、
半田封止パッケージを形成した。得られたパッケージの
凹部底面には、40個のパッケージ中30個に少なくとも１
個の半田ボールの付着が認められた。この半田ボールの
直径は約３〜10μｍ程度であった。従って、この従来法
では、半田ボールの生成により製品不良の発生がかなり
の確率で起こることは避けられない。

【００３７】(b) 気密信頼性図１(b) に示す形状の凹部を有するアルミナ製のセラミ
ックス基体 (シール部と上段凹部および下段凹部の底面
はいずれもNiおよびAuめっきされたＷメタライズ層を有
する) の上段の凹部に、半田Ａをクラッドした蓋体を基
体の上にぴったり乗せ、蓋体の上に５ｇの重りを乗せ
て、封止試験と同様の条件で加熱することにより、半田
封止パッケージを作製した。

【００３８】得られたパッケージを、プリント配線板へ
の実装時に受ける加熱を模して、空気中で240 ℃に５分
加熱した後、MIL-STD 試験法に従って下記表１に示す条
件で気密信頼性について試験した。試験結果 (不合格数
／試験パッケージ数で表示)も表１に一緒に示す。気密
性試験は、ファイン (微小) リーク試験機 (１×10^-8at
m.cc/sec 以上) とグロス (大) リーク試験機 (６kg/cm
²加圧除去) の両方を用いて行い、いずれかでリークを
起こしたパッケージを不合格とすることにより判定し
た。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１から、本発明の蓋体で封止したパッケ
ージは、気密性、耐熱衝撃性、耐熱サイクル性 (耐久
性) 、高温保存性の全ての評価項目で不合格が全く発生
せず、気密信頼性に非常に優れていることがわかる。

【００４１】(c) 耐熱衝撃性半田Ａ〜Ｃをそれぞれクラッドした各蓋体を使用して、
上記(b) の気密信頼性試験と同様にしてパッケージを作
製した。得られたパッケージを、MIL-STD 1011Ｃに従っ
て−65℃→ 150℃の熱応力を2000サイクル受けさせ、10
0 サイクルごとに気密不良の発生 (上記のグロスリーク
発生により評価) を判定した。結果を次の表２に示す。

【００４２】

【表２】

【００４３】表２からわかるように、半田Ａ (即ち、少
量のSnとInを含有するPb系合金) が耐熱衝撃性に非常に
優れていることがわかる。従って、本発明の蓋体におい
て、特に優れた耐熱衝撃性が要求される場合には、金属
板にクラッドさせる半田として、かかる半田合金を用い
ることが望ましい。

【００４４】

【発明の効果】本発明の半田をクラッドした金属板から
なる半導体パッケージ気密封止用の金属製蓋体は、容易
に大量生産でき、使用も簡単である上、従来の蓋本体に
半田ペーストを印刷してリフローすることにより形成し
た蓋体とは異なり、半田層が蓋本体の金属板にクラッド
されているため、封止時に加熱された時に半田が飛散し
てパッケージ内に半田ボールが付着することによる製品
不良が避けられる。また、半田として少量のSnとInを含
有するPb系合金を用いると、判断の耐熱衝撃性が非常に
高いため、特に優れた万全の気密信頼性が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(a) は本発明に係る半導体パッケージ気密
封止用の金属製蓋体の１例の説明図、図１(b) は、この
蓋体を用いて封止することができるパッケージ基体の１
例の説明図である。

【符号の説明】

１：パッケージ基体、２：シール部、３：凹部、４：蓋
体、５：蓋本体 (金属板) 、６：半田クラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口早苗東京都足立区千住橋戸町23番地千住金属工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属板の片面に半田がクラッドされた半
田クラッド金属板からなることを特徴とする、半導体パ
ッケージ気密封止用金属製蓋体。
【請求項２】前記半田が、凝固温度範囲が 240〜310
℃の範囲内の鉛系合金である、請求項１記載の蓋体。
【請求項３】前記半田が、重量％で、Bi：２〜15％、
Sn：２〜６％、In：0.5〜２％、Ag： 0.5〜２％、残部P
bから成る、請求項２記載の蓋体。