JPS5843355B2 - セラミツクと低膨張性金属部材の封止構造体 - Google Patents

セラミツクと低膨張性金属部材の封止構造体

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JPS5843355B2
JPS5843355B2 JP51153146A JP15314676A JPS5843355B2 JP S5843355 B2 JPS5843355 B2 JP S5843355B2 JP 51153146 A JP51153146 A JP 51153146A JP 15314676 A JP15314676 A JP 15314676A JP S5843355 B2 JPS5843355 B2 JP S5843355B2
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和夫 近藤
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 セラミックと低膨張性金属部材の封止構造体たとえばガ
ラス封着型のＩＣパッケージは高アルミナ質セラミック
基板上に、放射状に外方へ伸びるコバール合金等低膨張
性金属からなるリードフレームを挾んで上記と同質の高
アルミナ質磁器と同質のセラミック枠体を積層し、これ
ら３者の積層体を低融点ガラスによって封止した後、上
記セラミック基板中央のアイランド部に座足したＩＣチ
ップの集積回路要素をボンディング線によってリードフ
レームの内端付近に接続し、ついでセラミック基板およ
び枠体と同質の高アルミナ質セラミック蓋板を低融点ガ
ラスもしくは合成樹脂によって接合、封着するようにな
っている。
このようなＩＣパッケージにおいて高アルミナ質セラミ
ックの枠体と蓋体の接着は、同質のセラミックを対象と
するため低融点ガラスを用いるとしてもその熱膨張係数
をセラミックのそれとマツチングさせればよいが、高ア
ルミナ質セラミックの基板と枠体との間にコバール合金
のリードフレームを介して接着する場合は低融点ガラス
の熱膨張係数を高アルミナ質セラミックと低膨張性のリ
ードフレームの両者にマツチングさせる必要があり、こ
のため該ガラスについて各方面において種々の研究がな
され、例えば米国ダウコーニング社の７０５０で示され
る５ＩＣ２６７重量部、Ｂ２０３２２重量部、Ａ１２０
３２重量部、Ｎａ ２０ ＋ Ｋ２０６．５重量部から
なるはうけい酸系ガラスが好ましい組成として知られる
。
しかし、ＩＣは逐次集積度を高めて大型化し現在はＬＳ
Ｉから更に大型の超ＬＳＩに移行する傾向にあり、これ
がＩＣチップならびに高アルミナ質磁器の基板と枠体か
らなるセラミック部材を大型化すると共に、リードフレ
ームも従来の１６ピン程度から４０ピン以上となるため
、セラミック部材とコバール合金等の低膨張性のリード
フレーム、およびこれらを接合する低融点ガラス３者の
熱膨張係数のマツチングが更に強く要求され、従来のＬ
ＳＩに対するはうけい酸系ガラスにおいて容認された程
度の熱膨張差でも大型、多ピン化によって使用中ガラス
封止部分に生ずる亀裂が避けられなかった。
これの対策として、はうけい酸系ガラスに対して著しく
低融点の鉛はう酸系ガラスを用いて封止後の各部材間の
熱膨張差による残存応力を小さくすると共に、これに負
の熱膨張係数を有するチタン酸鉛を単独またはジルコン
と共に配合した封止用ガラスが知られているが、チタン
酸鉛は元来高誘電性のため特に多ピンの超ＬＳＩに使用
した場合電力損失が大きくなり、これを改善するために
ジルコンを併添するにしても該ジルコンは熱膨張係数が
大きく、またガラスの濡れ性の面からその配合量が制限
されるため結局満足すべきものは得られなかった。
この発明は、超ＬＳＩパッケージのような特に大型の高
アルミナ質セラミック部材と、多数条または大きな面積
のＮｉ２７〜３１％、Ｃｏ１５〜１９％、残部Ｆｅより
なるコバール合金やＮｉ４０〜４４％、残部Ｆｅよりな
るニッケル鉄合金等の低膨張性金属部材を低融点ガラス
によって封止するに際して、セラミックの基板と枠体を
、主成分のＡ１２０３６５〜９２％と、残部３５〜８％
がＳ １０２ 。
ＭｇＯ，ＣａＯ，ＢａＯ等公知の焼結促進剤の１種以上
、または該焼結促進剤の一部をＴ ｉＯ２Ｍｎ０２ ｔ
Ｆｅ２０３等の着色剤に置換えた組成よりなる高アルミ
ナ質磁器を使用し、封止用低融点ガラスとして鉛はう酸
ガラス（フリット）６０〜８５％、βユークリプタイト
１０〜３０％、ジルコン０．５〜１５％（計１００％）
からなる組成のものを用いることによって上述の欠点を
解決したものである。
この発明において、上記セラミック部材の材質をＡｌ２
Ｏ３の含有量が６５〜９２％の高アルミナ質磁器とした
理由は、高アルミナ磁器の特徴とする高い機械的強度、
熱伝導率と共に熱膨張係数によるもので、下限の６５％
に満たないときは必要な機械的強度が得られず、また熱
伝導性が不充分の他、ピンホールを生じ易く、一方上限
の９２％を超える場合は熱膨張が過大となって他の部材
とマツチングし難くなり、また量産に適さなくなるから
である。
しかして残部８〜３５％はＳｉＯ２を初めＭｇＯ，Ｃａ
Ｏ，ＢａＯ等公知の焼結促進剤が副成分として配合され
るが、最も好ましい取分はコランダムライトの混晶を生
成する５１０２でこれ、も上記のＭｇＯ，ＣａＯ，Ｂａ
Ｏ等との併添が好ましい。
またこの種の封止構造体をＩＣパッケージとして使用す
る場合、紫外線の透過を防止する目的でＴｉＯ，ＭｎＯ
２，Ｆｅ２Ｏ３，Ｃｒ２Ｏ３，ＣＯ３Ｏ４等の着色剤の
少量を添加してセラミックの基板および蓋板を黒色乃至
褐色化することが広〈実施され、本発明においても実施
に当って上記着色剤の添加を妨けるものではないが、前
に述べた理由から主成分のＡｌ２Ｏ３の含有量６５〜９
２％を確実に保持する必要があり、またこれら着色剤の
大部分は焼結促進剤としての機能をも具えているので上
記３５〜８％からなる焼結促進剤の一部に置換えられる
。
つぎに、上記セラミック部材に低膨張性のＮｉ２７〜３
１％、Ｃｏ１５〜１９％、残部Ｆｅよりなるコバール合
金やＮｉ４０〜４４％、残部Ｆｅよりなるニッケル鉄合
金部材を封止する低融点ガラスとして、鉛はう酸系低融
点ガラスを主体とし、これにβユークリプタイトとジル
コンを配合した理由は、上記コバール合金（Ｎｉ２７〜
３１％、Ｃ。
１５〜１９％、Ｆｅ残）や鉄ニツケル合金（Ｎｉ４０〜
４４％、Ｆｅ残）の熱膨張係数が５００℃付近まで約５
０Ｘ１０−７の低い値を示した後急激に上昇する屈伏点
を有するので、先ず該屈伏点付近において封止でき、熱
膨張による残有型の小さい低融点の鉛はう酸系ガラスを
主体に選び該ガラスの高い熱膨張係数をそれよりも低い
熱膨張係数を有するβユークリプタイトおよびジルコン
、特にβユークリプタイトに低下させると共にジルコン
によってガラスの機械的強度を高め、完全なマツチング
が難しいセラミック部材、低膨張金属部材および低融点
ガラス自体の熱膨張差を補償するためである。
しかして、主体とする鉛はう酸系ガラスは一般に広く知
られるＰｂ０６５〜９０％、Ｂ２Ｏ３３〜３０％、Ｚｎ
Ｏ１〜３０％のＰｂＯ−Ｂ２０３−ＺｎＯ系が適し、特
にＰｂＯ６８〜８２％、Ｂ２０３６〜１２％、Ｚｎ０７
〜１８％の組成が好ましく、ＺｎＯの一部または全部を
この種の鉛はう酸系ガラスとしてＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３
，Ｂａ０２ＮａＯあるいは他の公知の酸化物で置換えう
るが鉛はう酸系ガラスは本質的に熱膨張係数が大きく約
１１０ＸＩＯ−７の値を示すため全量中８５％が上限で
これを超えるときは前述のβユークリプタイト、ジルコ
ンによっても熱膨張係数を必要な値まで引下げることが
できず、低膨張性金属部材との間に大きな熱膨張差を生
じ、６５％に満たないときは上記βユークリプタイト、
ジルコンの影響を強く受けて熱膨張係数が過小となり、
高アルミナ質のセラミック部材との間に大きな熱膨張差
を生じ、いずれも実用に適しない。
つぎにβユークリプタイトは、強い負の熱膨張係数によ
って、鉛はう酸ガラスの高い熱膨張係数を引下げると共
に、その誘電率が低い処から超ＬＳＩを対象とする場合
誘電損失を低下するものであるが全量中１０％に満たな
いときは効果が不充分であり、逆に３０％を超えた場合
はこれの熱膨張係数が一１２０Ｘ１０−７と極度に低い
ため熱膨張係数を高アルミナ質セラミック部材のそれよ
りも著しく低下させ実用性を失なう。
また、ジルコンはコバール合金等低膨張性金属と略々等
しい約４５Ｘ１０−７の熱膨張係数によって鉛はう酸系
ガラスの熱膨張を低下させると共に特にガラスの強度を
高めて、ガラスと高アルミナ質セラミック部材および低
膨張性金属部材３者間に僅かながらも不可避的に存在す
る熱膨張差による該ガラスの亀裂、破損等を防止するた
め配合されるが、０．５％未満においては効果が乏しく
、また１５％を超えるとガラスの濡れ性に悪影響を与え
て必要な封止残寒が得られなくなる。
実施例 Ａｌ２Ｏ３を主体とする縦、横１３Ｘ５０．５ｍＨ厚さ
２關からなるセラミック基板と、該基板と同質で縦、横
をこれと同寸、厚さ１．３ｍｍとして中央に縦、横９Ｘ
１１．５ｍｍの角孔を設けたセラミック枠体に、市販の
厚さ０．２５ｍｍのコバール合金をもって製作した４０
ピン（リード間の間隔１．３ｍｍ）のリードフレームを
、鉛はう酸ガラス、β −クリブタイトおよびジルコン
からなる各種割合の低融点ガラスを用い常法によって該
ガラスの厚さ３００〜４００μで封着した封止構造体の
それぞれ１０個を試料として、１００℃の熱湯中に５分
間浸漬後、０℃の冷却水中にて急冷５分間保持の急熱急
冷１５回反復して封止ガラス層の亀裂発生状態を螢光探
傷器によって検査した結果を次表に示す。
前表から明らかにされる通り、セラミック基板とセラミ
ック枠体の組成をＡｌ２Ｏ３の含有量６５〜９２％の略
々中間の７２％、残り２８％をＳｉＯ□に固定し、上記
基板と枠板の間にコバール合金を封屯する低融点ガラス
の成分鉛はう酸ガラス、βユークリプタイトおよびジル
コンを各種の割合とした試料／１６．１〜１７の内、上
記低融点ガラスの３戒分がいずれも範囲内のＡ２−１２
は、鉛はう酸系ガラス、βユークリプタイト、ジルコン
の３者が上下限を外れた／１６．１および１３．／１６
１４および１５、Ａ１６および１７に比して、いずれも
高い急熱急冷強度を示した。
また、上記低融点ガラスの鉛はう酸系ガラス、βユーク
リプタイトおよびジルコンの３戒分をそれぞれ範囲内の
略々中間値、７２％、２０％および８％に固定し、一方
セラミック基板とセラミック枠体のＡｌ２Ｏ３とＳ ｔ
０２を各種の配合比とした試料Ａ１８〜２３において
はＡｌ２Ｏ３が上下限を外れたＡ１８および２３を除き
範囲内の／１６１９〜２２はいずれも満足すべき成果を
得た。
更に、低融点ガラスの鉛はう酸系ガラス、βユークリプ
タイトおよびジルコンをそれぞれ範囲内の略々中間値の
７２％、２０％および８％に設定すると共に、セラミッ
ク基板とセラミック枠板のＡＡＩ’２０３をも範囲内の
略々中間値７８％としこれに焼結促進剤として配合した
副成分２２％をＳ ｓ ０２の一部または全部をアルカ
リ土類金属酸化物で置換えた試料層２４〜２６も、これ
に対応する試料／１６４と同様の急熱急冷強度を示した
。
一方、多ピンの超ＬＳＩパッケージにおいて問題となる
封止用低融点ガラスの誘電率リード間静電容量について
測定した処、鉛はう酸系ガラスの配合量に比例して上昇
し最大は試料４１０の５．３を示したが、前述の鉛はう
酸系ガラスとチタン酸鉛およびジルコンからなる低融点
ガラスに比して著しく低かった。
すなわちこの実施例において低融点ガラスの基本とした
試料／Ｉ６４および／ｌ６１８〜２３のβユークリプタ
イト２０％をチタン酸鉛２０％に置換えた参考試料１の
低融点ガラスのリード間静電容量は１１．５Ｐ、Ｆと大
きな値を示しただけでなく、これを用いて上記試料／１
６．４と同様、Ａ１２０３７８％、５ｉＯ２２２％から
なるセラミック基板とセラミック枠体にコバール合金を
封着した場合は急熱急冷強度においても不満足であった
。
この急熱急冷強度が低い理由は、鉛はう酸系ガラスにジ
ルコンと共に配合するチタン酸鉛が負の膨張係数を呈す
るがその値は一６０Ｘ１０−７付近で、この発明のβユ
ークリプタイトの前記−１２０×１０−７程度に比して
著しく太き（丈め、該チタン酸鉛の配合量を増大した場
合、参考試料２のように３０％の配合によってこの発明
と同様の急熱急冷強度を得たが、反面リード間静電容量
は更に著しく増大する欠点を生じた。
この発明のセラミックと低膨張性金属部材の封止構造体
は、こ＼に実施例として示した超ＬＳＩパッケージにお
いて特に優れた効果を奏するが、他の大型の高アルミナ
質セラミックと低膨張性金属の封止構造体にも適用でき
、また低膨張性金属もコバール合金の他、熱膨張係数が
コバール合金同様４５Ｘ１０−７程度の４０〜４４Ｎｉ
−Ｆｅ系等公知の低膨張性合金を使用することもできる
。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 主成分のＡＡ２０３６５〜９２％（重量比二以下同
    様）、残部ＳｉＣ２，ＭｇＯ，ＣａＯ及びＢａＯから選
    ばれる１種以上よりなる高アルミナ質セラミックを基体
    とし、これにＮｉ２７〜３１％、ｃ。 １５〜１９％及び残部Ｆｅよりなるコバール合金又はＮ
    ｉ４０〜４４％及び残部Ｆｅよりなるニッケル鉄合金を
    、鉛はう酸系低融点ガラスフリット６０〜８５％、βユ
    ークリプタイト１０〜３０％及びジルコン０．５〜１５
    ％（計１００％）からなる低融点ガラスによって接合し
    てなるセラミックと低膨張性金属部材の封止構造供
JP51153146A 1976-12-20 1976-12-20 セラミツクと低膨張性金属部材の封止構造体 Expired JPS5843355B2 (ja)

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