JPS6011467B2 - ガラス被覆半導体装置およびその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガラス被覆半導体装置及びその製法に関し、
特に、高耐圧半導体素子をガラスモールドするのに好適
なガラス被覆の技術に関するものである。

半導体素子を長期にわたり安定に動作させるためには、
該半導体素子のｐｎ嬢合露出面を外気から完全にしや断
してやることが必要である。

シリコン素子では、上記の目的を達成するためにｐｎ接
合露出面に二酸化ケイ素膜を形成したり、各種の有機物
、金属酸化物、あるいは酸化亜鉛系の結晶化ガラス、酸
化鉛系の非晶質ガラスなどでｐｎ接合露出面を被覆又は
モールドする方式が採用されている。通常、上記のよう
な各種の表面安定化法は半導体素子の種類により使いわ
けられているが、電力用の半導体素子に対してはガラス
組成物でｐｎ接合露出面をパッシベィションする方式が
広く採用されている。この主な理由は、他の材料に比較
してガラスが信頼度の高い表面保護膜を提供し得るから
である。半導体素子被覆用のガラス組成物としては、例
えば特公昭４５一１１２２９や特公昭４８−１０９２５
などに見られるように亜鉛棚蛙酸系の結晶化ガラス組成
物が提案されている。

この種のガラス組成物は適当な粒度分布になるように粉
砕されフリットの形で市販されている。これらのフリツ
トは通常広く採用されている各種の方法、例えば亀気泳
動法、スラリにして付着させる方法、遠心沈降法、など
により半導体素子の表面に付着され、適当な温度で焼成
されることにより信頼度の高い接合表面安定化膜を形成
する。

上記ガラス組成物で被覆した半導体素子の電気特性は極
めて安定しているため、キャンシールをすることなく素
子を実用できる特徴をもっているが、その反面粉末を焼
きかためる方式であるためにガラス中のポィドを無くす
ることは実際上不可能である。このため逆耐電圧が５〜
磯Ｖ以上の高耐圧素子にこれらのガラスフリット付着に
よるガラス被覆を適用すると、ｐｎ接合の近傍に存在す
るボィドを介して放電がおこり、これが雑音発生の原因
になっている。この雑音発生は実用上それ自体が問題で
あるばかりでなく、該高圧素子のパワー耐量の低下、特
性劣化の原因にもなっている。本発明の目的は、ボィド
が少ないガラス被覆を有する半導体装置及びその量産的
な製法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明はＺｎ０を５５〜７５
重量％、Ｂ２０３を１５〜３５重量％、Ｓｉ０２を５〜
２０重量％、Ｃｅ０２を０．４〜３重量％、ＰＯＯを２
．５〜５重量％、Ｓｂ２０３を０．５〜１．５重量％、
Ｓｎ０２を０〜１５重量％それぞれ含有する亜鉛棚桂酸
系ガラスに軟化促進剤としてＶ２Ｑを０．５〜１の重量
％添加してなるガラスで半導体装置のｐｎ接合表面を被
覆したことを特徴とするものである。これにより、ｐｎ
接合表面に対しガラス被覆処理を実施する際にガラスが
十分軟化し流動性及びぬれ性に富むようになり、ボィド
の少ない優れたガラス被覆を得ることができる。本発明
によるガラス被覆によりｐｎ接合表面がおおわれた半導
体装置は、ガラス被覆中のポィドが低減されているため
、高電圧環境又は高電力環境下での使用によく耐え、特
性劣化も少なく、十分な安定性と高い信頼性を示す。

上記の亜鉛棚桂酸系ガラスの主成分とする＊＊Ｚｎ○、
Ｂ２Ｑ、Ｓｉ０２以外に添加される各成分のうち、Ｖ２
０５はガラス中のＳｉ成分に対する濡れ性および流動性
を高めることにより、上記のようなガラス被覆中のボィ
ド発生を抑制するのに大きな役割を果すものである。

また他のＣｅ０２、Ｐｂ○、ＳＱ０３、Ｓｎ０２はそれ
ぞれ上記Ｖ２０５による上記主作用を補助する役割を持
つが、特にＳｂ２ＱはＶ２０５を添加した場合のガラス
被覆半導体装置の電気的特性の向上に重要な役割を持ち
、Ｓｂ２０３を添加しないと良好な電気的特性が得られ
ない。なおアルミナはガラスの流動性を低下させる作用
があり、Ｖ２Ｑ添加による上記効果を弱めるので、後記
の実施例の説明中にも述べるように、粉砕工程における
ポールミルからのアルミナの混入を防止するための配慮
が必要である。本発明によるガラス被覆半導体装置を得
るためには、市販の亜鉛側桂酸系ガラスフリツトに酸化
バナジウムを添加するか、あるいはＺｎ○、＆０３、Ｓ
ｉ０２、Ｖ２Ｑなどを適当な割合で混合してガラス組成
物を合成するか、そのいずれか任意の方法によりガラス
材料を準備し、そのガラス材料を溶融固化した後、粉砕
してガラス粉末とし、このガラス粉末を霞気泳動法、ス
ラリ付着法、遠心沈降法などによりｐｎ接合表面に付着
させ、しかる後、焼成処理をほどこせばよい。

このような製法は、高収率でポィドの少ないガラス被覆
を形成しうるものであり、量産に適する。以下、本発明
の好ましい実施例を添付図面について詳細に説明する。

第１表は、本発明の異なる４つの実施例１〜Ｗで使用す
るガラス組成物の組成を酸化物換算で示すものであり、
単位は重量％である。

第２表は、実施例１〜Ｎにより得られるガラスモールド
ダィオ−ドーこついていくつかの特性値を測定した結果
を、Ｖ２０５を添加しない従来例ｌａ〜Ｗａの場合とそ
れぞれ対比して示すものである。以下のところでは、こ
れら第１及び第２表について本発明の実施例を説明する
。第１表 第２表 第１表の「実施例１」に示すような組成のガラス材料を
得るため、市販の亜鉛棚桂酸系の結晶化ガラス粉末１０
碇部（重量部）に対して五酸化バナジウム５部（重量部
）を加え通常広く用いられている二分割法により両粉末
をよく混合し、更にらし、かし、機による乾式混合操作
を４時間行なう。

混合作業の完了した粉末を白金製のるつばに充填し、１
２００午０に加熱した電気炉中に入れ、空気中で４時間
熱処理した。熱処理中は３０分毎に溶融物を鷹拝した。
熱処理終了后は氷水で冷却してある白金皿内に流して急
冷して固化させ、透明なガラス組成物を得た。このよう
にして作成したガラス組成物をめのう製のボールミルで
粉砕し、ガラスフリツトにした。粉砕にめのう製の容器
を用いた理由は粉砕時にガラス中にアルミナが混入する
と、このガラスフリットを用いて半導体素子を被覆した
場合、素子の特性不良率が増大するので、これを防止す
るためである。上記のようにして第１表の「実施例１」
に示すような組成のガラス材料によりガラスフリットを
形成した後、このガラスフリツトをスラリ状となして第
１図に断面を示すようなシリコンダイオードチップ積層
体１の周囲に付着させ、焼成処理してガラス被覆体６を
形成した。

積層体１はシリコンダイオードチップ２を２２叉直列状
にアルミニウムなどからなるろう材層３で固着したもの
であり、各々銅などからなるリード５ａ，５ｂを有する
例えばモリブデン製の電極部村４ａ，４ｂの間に固着さ
れている。第１図に示すように、ガラス被覆体６は、電
極部村４ａ，４ｂを含めて積層体１の周囲で最も厚くな
るように形成されるのが望ましく、それによって封止の
気密性を高め且機械的強度を確保することができる。第
１図のガラスモールドダィオードは、ダイオードチップ
を多数積層して高い逆耐圧を示すように構成されたもの
であり、ガラス被覆体６の存在により逆方向リーク電流
が増加したり、逆耐圧が低下したり、あるいは特性劣化
が生じたりしないことが強く望まれるものであるから、
本発明によるガラス被覆の優秀性を調べる上で好適なも
のである。第１表の「実施例１」に示した五酸化バナジ
ウムを添加した本発明になるガラス組成物を上記ダイオ
ードの被覆に用いて得た特性を第２表の「１」に示す。

比較のために、五酸化バナジウムを添加しない従来の亜
鉛棚桂酸系結晶化ガラスを用いて得たダイオードの特性
「ｌａ」を並記する。ここで言う従来の亜鉛側溝酸系結
晶ガラスとは上記第１表の「実施例１」に於いて五酸化
バナジウムを除いたもので、各成分組成比は本発明ガラ
ス組成分と全く同じ組成比を有するものである。第２表
に示す逆耐圧〜パワー耐量、異常電流波形発生率はいず
れも高圧ダイオードの逆方向特性に関するものであり、
説明すれば下記の如くである。

逆耐圧；ダィオー日こ逆電圧を印加した場合、洩れ電流
が２５払Ａを示す時の電圧である。

パワー耐量；逆方向印加電圧を増加していくと、洩れ電
流が急激に増加し、ついにはダイオ−ド‘ま破壊に至る
。厳密には、破壊時の印加電圧と洩れ電流の積をパワー
耐量とするが「現実的には連続的に電圧、電流を測定す
ることが不可能なので、破壊寸前の値を用いて求めた。
異常電流波形発生率；ダイオードの逆方向特性にパルス
性電流雑音が発生する割合を示す値である。

このパルス性電流雑音は電気回路に適用した場合ノイズ
の原因となる。本発明になるガラス組成物を用いた場合
〜従来のガラス組成物を用いた場合に比較して逆耐圧に
は大きな差は認められないが、パワー耐量はほぼ２０〜
３０％向上しており、異常電流波形発生率に関しては１
／５〜１ノ１０に低減しているのがわかる。

従ってＬ／ぐヮ−耐量、異常電流波形発生率において、
五酸化バナジウムの添加による亜鉛側桂酸系ガラスの改
質の効果は明白である。さらに「このガラスのブロック
を作り、シリコンに対するぬれ性とガラスの流動性を調
べたところ、従来の亜鉛棚桂酸系ガラスの接触角が１１
０ｏ、焼成後のガラスフロックの最大中が６．２（任意
スケール）であるのに対し、本発明にしたがって五酸化
バナジウムを添加したガラスの接触角は９５ｏ、焼成後
のガラスブロックの最大中は６．８であり「五酸化バナ
ジウムの添加がシリコンに対するぬれ性、流動性の改善
に寄与するものであることが確認された。次に、第１表
の「実施例ＤＪ〜「実施例Ｎ」に示すようにガラスの組
成がや）異なる亜鉛棚桂酸系の結晶化ガラスを選び「「
実施例１」と同様にして五酸化バナジウムを原ガラス９
５重量部に対して５重量部添加したガラス組成物を作成
しＬ五酸化バナジウム添加の効果を調べた。

結果は第２表の０〜Ｗの通りで五酸化バナジウム添加の
効果は明らかでパワー耐量、異常電流波形発生率とも五
酸化バナジウムを添加しない場合Ｄａ〜Ｗａに比べ大中
に改善されていることがわかる。これらの実施例による
と、表面安定化効果を有する亜鉛側桂酸系ガラスであれ
ばその成分組成比に差があっても、五酸化バナジウム添
加による改質作用が得られることが理解される。

次に第１表の「実施例１」に示す亜鉛側桂酸※ガラス組
成物に五酸化バナジウムを添加割合を変えて加え、五酸
化バナジウム添加ガラスを合成しＬ五酸化バナジウムの
添加割合と高圧ダイオードのパワ−耐量と異常電流波形
発生率の関係を調べた。

その結果を第２図に示す。第２図において曲線Ａは五酸
化バナジウム添加割合に対するパワー耐量の変化を、ま
た曲線Ｂは同じく五酸化バナジウム添加割合に対する異
常電流波形発生率の変化を示している。図から明らかな
ように五酸化バナジウムを添加した新ガラス組成物では
「パワー耐量に関しては五酸化バナジウムの添加割合が
０．５〜１０重量部の範囲で改善効果が大きく、異常電
流波形発生率については０．５重量部以上で改善効果が
顕著であり、総合的には０．５〜１０重量パーセントで
五酸化バナジウム添加による改質効果が顕著であること
がわかる。さらに、上記の実施例１〜Ｗのように市販の
ガラスフリットに五酸化バナジウムを添加してガラス材
料を準備するのではなく、それらと類似の組成のガラス
材料をいくつかの原料物質の混合により合成して前述例
と同機にガラス被覆ダイオードを製作しその特性を評価
した。

新たに合成されたガラスの組成は第３表に示されており
、測定された特性値は第４表に示されている。第３表 第４表 第３表の「実施例Ｖ」〜「実施例Ｗ」のガラスの合成に
用いた原料はそれぞれ次の通りである。

すなわち、Ｚｎ○−Ｚｎ○粉末、Ｓｉ０２一Ｓｉ０２粉
末、弦０３一日３Ｂ０３粉末、Ｃｅ０２−Ｃｅ０２粉末
、Ｐｂ○−Ｐの粉末「 Ｓ＆０３‐Ｓｂ２０３粉末でい
ずれもアルカリ化合物の含有量の最も少ない試薬を用い
た。またこれら各原料の混合には二分割法とらし「かし
、磯による乾式混合法を併用した。合成は１２５０〜１
２８０℃で４時間とし、合成中は３吹ご毎に燈拝した。
また合成用のるつばは白金でクェンチは実施例１に関し
て述べた方法によった。得られたガラスの組成は上記第
３表の通りであった。なおＬ第３表中の数字は各酸化物
に換算した際の重量パーセントを単位とする。以上の結
果より実施例１〜Ｗまでのように既にガラス化されたも
のをもつて来てこれに五酸化バナジウムを加えて再溶融
しても、最初からそれぞれの成分を混合して通常の方法
でガラス化しても、高圧ダイオードの特性に及ぼす五酸
化バナジウム添加の結果は変らないことが判った。

上記した実施例はいずれもスラリ状にしたガラスフリッ
トを用いて半導体素子をモールドした場合について説明
した。

しかし次に述べるように他の方法でも半導体素子の表面
保護膜は形成できる。五酸化バナジウムを含むガラス粉
を従来広く利用されている半導体表面へのガラス粉付着
法である露気泳動法により逆耐圧５００〜６００Ｖ級の
半導体素子の接合露出面に３０〜５０ムの厚さに付着さ
せ、適当な温度で焼付けて得られるガラス被覆半導体素
子の電気的特性は、スラリ付着法による同様な素子のそ
れに比べて特に変ったところはなかった。

また添加した五酸化バナジウムなど特定の酸化物が選択
的に付着することも認められなかった。また、同じく逆
耐圧５００〜６００Ｖ級の半導体素子を用い遠心沈降法
によりガラス粉を付着させ、適当な温度で焼付けて得ら
れるガラス被覆半導体素子の特性は上記電気泳動法でガ
ラス粉を付着したものと何等変ることはない。

また遠心沈降法で付着したガラスの組成に特に大きなか
たより蔓まない事が確認された。以上に詳述したところ
から明らかなように「本発明によるガラス被覆をそなえ
た半導体装置は、逆方向特性に特に顕著な改善効果が認
められるものであり「その製法も従来のプロセスを大幅
に変更させるほどのものではなく量産的なものである。

本発明によるポィド低減化ガラス被覆は第１図に示した
ような封止用としてのみならずメサ型あるいはプレーナ
型のｐｎ接合表面のパツシベーション用としても有効に
適用されるものであり、特に高圧用又は高麗力用の素子
（ダイオード、トランジスタ、サイリスタその他）の被
覆用として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるガラスモールドダィ
オードを示す断面図、第２図は、Ｖ２０５添加割合とパ
ワー耐量Ａ並びに異常電流波形発生率Ｂとの関係を示す
グラフである。 符号の説明、１・…・・ダイオードチップ積層体、２…
…ダイオードチップ、３……ろう材層、４ａ，４ｂ……
電極部村、５ａ，５ｂ…・・・リード、６・…・・ガラ
ス被覆体。 袋ー図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ＺｎＯを５５〜７５重量％、Ｂ＿２Ｏ＿３を１５〜
   ３５重量％、ＳｉＯ＿２を５〜２０重量％、ＣｅＯ＿２
   を０．４〜３重量％、ＰｂＯを２．５〜５重量％、Ｓｂ
   ＿２Ｏ＿３を０．５〜１．５重量％、ＳｎＯ＿２を０〜
   １５重量％それぞれ含有する亜鉛硼硅酸系ガラスに軟化
   促進剤としてＶ＿２Ｏ＿５を０．５〜１０重量％添加し
   てなるガラスでｐｎ接合表面を被覆したことを特徴とす
   るガラス被覆半導体装置。 ２ ＺｎＯを５５〜７５重量％、Ｂ＿２Ｏ＿３を１５〜
   ３５重量％、ＳｉＯ＿２を５〜２０重量％、ＣｅＯ＿２
   を０．４〜３重量％、ＰｂＯを２．５〜５重量％、Ｓｂ
   ＿２Ｏ＿３を０．５〜１．５重量％、ＳｎＯ＿２を０〜
   １５重量％それぞれ含有する亜鉛硼硅酸系ガラスに軟化
   促進剤としてＶ＿２Ｏ＿５を０．５〜１０重量％添加す
   る工程と、得られたガラス組成物を溶融させ固化させる
   工程と、固化したガラス塊を粉砕する工程と、得られた
   ガラス粉末をｐｎ接合表面に付着させる工程と、付着し
   たガラス粉末を焼成して前記ｐｎ接合表面に被着したガ
   ラス被覆を形成する工程とを含むことを特徴とするガラ
   ス被覆半導体装置の製法。