JPS6247153A

JPS6247153A - 半導体装置

Info

Publication number: JPS6247153A
Application number: JP60187821A
Authority: JP
Inventors: Sunao Sugiyama; 直杉山
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1985-08-27
Filing date: 1985-08-27
Publication date: 1987-02-28

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ＩＣあるいはＬｓＩｌの）Ｉ−導体素ｒ−が
収容される゛Ｖ−Ｂ体装置に係り、特に熱伝導率が高く
、シリコンウェハーに近い熱膨張係数の基板が比誘電率
の低いガラスにより封着されてなる半導体装置内こ関す
る。

（従来の技術）近年、電ｆ　Ｉ業技術の進歩に伴ない、゛ト導体素ｆの
高密度化あるいは演算機能の高速化が進められてきてい
る。

この高密度化あるいは演算機能の高速化が進められてき
た半導体ｋｒ−は、必然的に当該半導体装ｒにおける発
熱晴が増加する結果となり、これを内部に封着１．て構
成した゛ト導体装置の熱放散を効−１４良く♀■なわな
いと、゛ｒ導体素ｆ自体の所期の性能を確保することが
困難になる。また、゛Ｉ′導体東−ｒの大きさが小さい
間はこれが載せられる基板との熱膨張の差はそれ程問題
ではなかったが、半導体装ｒ＝が大型化してくると、基
板と半導体素子両名間の熱膨張差に基づく和文４変位が
大きくなり応力が大きくなって無視し得なくなるという
問題が生じている。

ところで、従来半導体装置としては、種々のものが知ら
れ実用化されており、特に高い信頼性の要求される用途
に対］、ては、アルミナ焼結体基板な利用したＳＩＰタ
イプ、ＤＩＰタイプ、フラットパンクタイプ、ピングリ
ントタイプ、チップキャリヤータイプ等の半導体装置が
知られている。

しかしながら、前述の如きアルミナ焼結体基板を使用し
た゛ト導体装置にあっては、崖導体素子を内部に封着す
るための当該アルミナ焼結体基板の熱伝導率がそれ程高
くなく、半導体装置内において発生した熱の放散特性に
劣る。このため、半導体素子の高密度化あるいは演算機
能の高速化を進める１−では、この熱の放散特性の劣性
が極めて大きな障害となっている。また、アルミナ基板
は、その熱膨張率が通常゛ト導体素子として使用される
シリコンウェハーの熱膨張率と大きく異なるため、　ｉ
ｉｉ述したように基板上に直接大型の半導体素子−を接
着して使用することが困諸である。

以Ｈの如き欠点を解消することを［１的として、熱放散
性に優れかつ熱膨張率がシリコンウェハーのそれに近い
基板材ネ１の適用が種々検討されている。例えば、特開
昭５Ｊｌ１９６７５７号公報に［熱膨張係数がシリコン
に近く、室温における熱伝導率が０．２ｃａｌ／ｃｍ　
ｓｅｅ″ＣＵｔ−で、主成分が非酸化物系のセラミフク
スからなる絶縁基板と、絶縁基板の−・力面の所定個所
に接着された半導体素子と、一端が絶縁基板の一方面の
゛Ｉ″−導体素ｆ−から離ねた個所に接着され、他端が
絶縁基板の周縁から外力に延びる複数個のリード＋１と
、′ＩＬ−導体東−ｆとリードＪ１の一端とを′１１正
気的に接続するポンディングワイヤと、絶縁基板の一７
ｊ面］−に気密に接着され、絶縁基板と共に半導体素子
、リード片の−・端側及びポンディングワイヤを気密に
包囲するパッケージを形成するセラミックスのキャップ
部材と、を工（備することを特徴とする？導体装置。］
に係る発明が開示されている。

（発明が解決しようとする問題点）前記特開昭５８−９６７５７号公報に記載の半導体装置
は、熱膨張係数がシリコンに近く、室温における熱伝導
率が０　、２　ｃａｌ／Ｃｍ　ｓｅｃ’ｃ以Ｉの絶縁性
セラミックス材料を基板として適用する発明であって、
回路内に生ずる静電容槍の問題については何等問題視之
れでおらず、ましてこの静電容品を低減するための１段
については何隻記載も示唆もされていない。

ところで、半導体装置の各回路内における静電界Ｖが低
いことは、半導体装置の性能を向トさせる］−で極めて
大きな要因である。そうであるのに、半導体装ｒ−を収
納して形成する゛ト導体装置の実際においては、半導体
素子そのものの技術は十分発達していても、この素子を
その作動に影響をり一元ないように静電容置の低減を果
した状態で収納する技術は、Ｌ述Ｉ７たように１−分な
ものとはいえない。特に、静電容置の低減を果さないで
半導体素子を収納する技術は、この半導体装置の高密度
化あるいは演算速度の高速度化を進める（−で、大きな
障害となりつつある。

そこで、本発明者は前述の如き欠点を改り除去すること
のできる半導体装置を開発すべく種々検討した結果、基
板とキャップとを封着するための封着ガラスと１７て比
誘′電率の低いガラスを使用し、かつ金属製リードと基
板、及び金属製リードとキャンプとの間隔を広げること
により、極めて潰れた゛Ｖ導体装置を得ることができる
ことに想到したのである。

（問題点を解決するための手段）以トの問題点を解決するために本発ｔＪＩが採った「１
段は、基板りのト導体素イが金属製リードによって外部に電気
的に導出されるとともに、当８ｋ　’ｌ’＝導体素導体
素板とキャップと封着用ガラスによって気密的に封１に
されてなる゛ト導体装置において、前記基板の熱伝導率
が０．０８ｃａｌ／ｃ１ｓ　ｅ　ｃ　’Ｏ以上／℃の範
囲内であること、前記基板と金属製リード、及び金属製リードとキャップ
との間隔かはそれぞれ０．０５〜２．０ｍｍであること
、及び前記封着ガラスの比誘電率が４〜１５でその比抵抗
がｌＯΩ・Ｃ鵬以［−であることを特徴とする半導体装
置である。

以下、本発明の詳細な説明する。

添イ・１図面には本発明に係る゛ｒ導体装置１ｔ（１０
）がンバしてあり、この゛ト導体装置（１０）にあって
は、基板（１１０：に半導体素子（１２）が接着されて
おり、この半導体素子（１２）は金属製リード（１３）
によって当該基板（Ｉ＋）の外部に電気的に導出されて
いる。そして、を導体素子（１２）が基板（１１）とキ
ャップ（１４）と封着用ガラス（１５）とによって気密
的に封１１−されている。

本発明に係る基板（１１）は、熱伝導率が０．０６ｃａ
ｌ／ｔＣＩｌｓｅｃ℃以ｌ−１熱膨張係数が３Ｘ１０　−６Ｘ
ｌＯ／℃の範囲内であることが必要である。この熱伝導
率が０．０８ｃａｌ／ｃｍ　ｓｅｃ”Ｃ３以上であるこ
との必要な理由は、熱伝導率が０．０８ｃａｌ／ｃ思ｓ
ｅｃ’ｏより低いと半導体装置（ｌＯ）の放熱性が不十
分で半導体装置（１０）の信頼性が低くなるからである
。また、前記熱膨張係数が３×１０〜６ＸｌＯ／’Ｃの
範囲内であることが必要な理由は、熱膨張係数が前記範
囲を外れると、基板（１１）とシリコンウェハー（゛ト
導体素了（１２））との熱膨張差が大きくなって、接合
後の冷却蒔に発生する応力によってシリコンウェハーあ
るいは基板（１１）が破損しやすくなるため、ｆ−導体
装置（１０）としての信頼性が低くなるからである。

また１本発明に係る半導体装置（ｌＯ）を構成するノ、
（板（１１）と金属製リード（１３）、及びこの金属製
リード（１３）とキャップ（１４）との間隔は、それぞ
れ０．０５〜２　、０ｍ購の範囲内であることが心安で
ある。その理由は、各金属製リード（１３）間の距離が
最低限の誘電損失しか生じないように設計されていたと
しても、各金属製リード（１３）の近傍に位置する各部
材との間が近接しているために誘電損失を生じるようで
は何もならないからである。なかでも、基板（１１）と
金属製リード（１３）、及び金属製リード（１３）とキ
ャップ（１４）との間隔はそれぞれ０．２〜１．０腸層
の範囲内であることが好ましい。

さらに、本発明において適用される封着用ガラス（１５
）にあっては、その比誘電率が４〜１５で、その比抵抗
が１０　　Ω・Ｃ腸以ｌ二であることが必要である。そ
の理由は、前記比誘電率が４よりも低い封着用ガラス（
ｉ５）は、誘電損失の少ない優れた半導体装置を得る上
で極めて好ましいが、このような比誘電率の低い封着用
ガラス（１５）は取得が極めて困難だからであり、−・
方１５よりも高いと、金属製リード（１３）と封着用ガ
ラス（１５）との間で誘電損失が生じるからである。

封着用ガラス（１５）において、その比抵抗が１ｏ″Ω
φＣ層以上であることが必要なのは、金属製リード（１
３）の絶縁性を保つにからいわば当然のことである。な
かでも、封着ガラス（１５）は比誘電率が４〜ｉｏ、熱
膨張係数が３．５ＸｌＯ〜５．２×ｌＯ７℃、封着温度
が３５０〜５５０℃であることが好ましい。

前記基板（１１）としては、種々の材質の基板（１１）
を使用することができるが、中でも炭化珪素質焼結体あ
るいは窒化アルミニウム質焼結体から選ばれるいずれか
少なくとも一種であることが好ましい。

前記炭化珪素質焼結体が基板（Ｉ　りとして好ましい理
由は、炭化珪素質焼結体は熱伝導率が０．１５ｃａｌ／
ｃｍ　ｓｅｃ℃以１；で熱放散性に優れ、熱ｌ＆１張係
数が３．４Ｘ　１０　　／’Ｃｉとほぼシリコンウェハ
ーに近く、しかも強度に優れているからである。前記炭
化珪素質焼結体としては例えばホウ素と炭素とを含有す
る常圧焼結体が比較的安価で、しかも熱伝導率が高いた
め、有利に使用することができる。

また、前記窒化アルミニウム質焼結体が基板（ＩＩ）と
して好ましい理由は、窒化アルミニウム質焼結体は熱伝
導率が０．２〜０．５ｃａｌ／ｃｍ　ｓｅｃ”ｃと熱放
散性に優れ、熱膨張係数が約４．Ｉ３Ｘ　ｌ　Ｏ／”０
とシリコンウェハーに近く、しかも強度に優れており、
また比誘電率も比較的低いからである。前記窒化アルミ
ニウム質焼結体としては、例えばホウ素を含有する焼結
体が熱伝導率が高くしかも比誘電率が低いため有利に使
用することができる。

本発明にあっては、基板（１１）と封着用ガラス（１５
）との接着性を向にさせる１−で、基板（１１）の表面
に酸化被膜層（１６）を有することが＆ｆましい。酸化
被膜層（＋６）は、主として基板（１１）を構成する物
質の酸化によって生成した酸化物を含有することが有利
である。その理由は、基板（１１）を構成する物質の酸
化によって生成する酸化物は次の群、すなわちＡｎ、Ｓ
ｉ、Ｐ、Ｂ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ。

Ｂｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｎａ、に、Ｌｉ、Ｂｅ、
Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｒあるいはそれらの化合物
から選ばられるいずれか少なくとも一種を含有する酸化
物と共融して、ピンホールやクラック等の欠陥のない極
めて均一で緻密な酸化被咬層（１６）を形成し、かつこ
の酸化被膜層（１Ｂ）とノ＾扱（１１）との密着性が極
めて良好になるからである。

基板（１１）の表２面に形成された酸化被膜層（１６）
とノ＾板（１１）との密着性が良好な理由は、酸化被膜
層（１６）を形成するに際し、基板（１１）の表面に＋
１着している不純物、例えば遊離炭素が除去ｙれて基板
（１１）と酸化被膜層（１６）との間に異物層が介在し
なくなること、及び基板（１１）の表面がミクロ的に粗
化された状態となり、酸化被膜層（１６）との接合面積
を著しく増大させることができ、酸化被膜層（１６）と
基板（１１）とがいり組んだ遷移層によって接合される
ことによるものと推察される。

この場合、酸化被膜層（１Ｂ）に含有される酸化物のう
ち少なくとも３０重μ％は］二として基板（１１）を構
成する物質の酸化によって生成したものであることが有
利である。その理由は、基板（１１）を構成する物質の
酸化によって生成した酸化物が３０重μ％より少ないと
、ピンホール等の欠陥のない均一な酸化被膜層（１６）
を得ることが困難になるばかりでなく、基板（１１）と
酸化被膜層（１６）との間の遷移層が不１−分となり、
密着性が劣化するからである。

本発明においては、前記酸化被膜層（１６）の厚さは０
．５〜１００ｇｍの範囲内とすることがイＩ利である。

その理由は、酸化被膜層（１６）の厚さが０．５ルｍよ
り薄いと、刺着用ガラス（１５）との接合性を向１−さ
せることが困難で、信頼性に乏しいからであり、一方１
１００ｐＬより厚くすると酸化被膜層（１６）と基板（
１１）との熱膨張の差による影響が顕著になり、酸化被
膜層（１８）が剥離し易くなるからである。前記酸化被
膜層（１６）の厚さは１．０〜６０ｇｍの範囲内とする
ことが最適である。

なお、前記酸化被膜層（１６）の融点を降下させて基板
（１１）の酸化によって生成する酸化物の共融化を促進
し、基板（１１）との密着性を向上させるために、アル
カリ金属酸化物あるいはアルカリ土類金属酸化物のいず
れか少なくとも一種を含有することができる。その含有
績は、酸化物モル酸にして６０％以ドであることが好ま
しく、特に高い電気絶縁性を必要とする場合には、３０
％以ドが好適である。このアルカリ金属酸化物としては
例えばＬｉ、Ｏ，、Ｎ　ａＪＯ５Ｋ、０が有利であり、
またアルカリ土類金属酸化物としては例えばＭｇＯ，Ｃ
ａＯ、Ｂｅｄ、ＢａＯが有利であり、中でもＭｇＯある
いはＣａＯが最適である。

また、キャップ（１４）の材料としては、通常使用ｙれ
ているもので十分であるが、なかでも炭化珪素、窒化ア
ルミニウム、ムライト、シリマナイト等がより好ましい
。

以ドに本発明に係る半導体装置（１０）の実施例につい
て説明する。

（実施例）この実施例の半導体装１Ｎ（１０）にあっては５基板（
１１）として５０Ｘ　１５Ｘ　２　ａｍの炭化珪素基板
を使用し、キャップ（！４）として５０Ｘ　１５Ｘ　　
１．５ｍ鵬の炭化珪素ギャップを使用した。また、コパ
ールリードフレームは、その厚みが０．２５ｇ＋鵬、リ
ード間隔が０．３ｍｍで、幅が０．５１であった。

これらの基板（１１）及びキャップ（１４）にあっては
、その表面にアルミナゾルを塗布し、＋４００’ｃの温
度で１０時間焼成することによって、２〜５ｇｍのガラ
ス質の酸化被膜層（１６）が形成しである。

そして、この半導体装置（１０）における封着をするた
めの封着用ガラス（１５）は、酸化鉛を６７％含有する
低融点ガラスであり、その熱膨張係数は５ＸＩＯ／”０
、比誘電率が１２．４．　　ｔ　ａ　ｎδは０．０３５
であった。

以りのような炭化珪素質の基板（１１）及びキャップ（
１４）１−に、所定の膜厚になるように封着用ガラス（
１５）のペーストをスクリーン印刷法によって塗布した
後、仮焼成した。この仮焼成は、最高温度を４００℃と
して、これを１０分間保持することによって行なった。

その後、Ｍ高温度４５０℃を１０分間維持することによ
って封着を行なった。

このようにして形成した半導体装置（１０）は、Ｈｅリ
ークディテクターで測定したところ極めて良好な気密性
を有しており、絶縁性にも優れていた。また、耐メッキ
性及び熱衝撃試験においても良好な結果が得られた。さ
らに、金属製リード（１３）と基板（１１）間の封着用
ガラス（１５）の厚さを変えて、各金属製リード（１３
）の線間容酸を測定した結果は次の通りであり、いずれ
も誘電損失が極めて少ないことがケ証された。この場合
の測定条件は、温度が２５℃で、Ｉ　Ｍ　Ｈｚの周波数
で行なった。

封着用ガラスの厚さ　　線　　間　　容　　緩０．５　
　ｍｍ　　　　　　０．７５ｐＦＯ，１７ｍｍ　　　　
　　２．２０ｐＦ１．０　　ｍｍ　　　　　　０．７０
ｐＦ（発明の効果）以ト詳述した通り、本発明においては、ト記実施例にて
例示したごとく、基板（１１）の熱伝導率が０．０８ｃ
ａｌ／ｃｍｓｅｃ　”Ｃｊ以−１−で、その熱膨張係数
が３×１０　〜６ＸｌＯ／”０の範囲内にあること、基
板（１１）と金属製リード（１３）、及び金属製リード
（１３）とキャップ（１４）との間隔がそれぞれ０．０
５〜２，０ｍｍであること、及び封着用ガラス（１５）
の比誘電率が４〜１５でその比抵抗が１０”Ωε履以［
二であるようにしたことにその特徴があり、これにより
、極めて優れた〒導体装置（ｌＯ）を提供することがで
きる。

すなわち、この半導体装置（ｌＯ）は、基板（１１）と
金属製リード（１３）間及び金属製リード（１３）とキ
ャップ（１４）間における誘電損失が少ないため、高密
度化あるいは演算機能の高速化に十分応えることができ
るものである。そして、基板（１１）を炭化珪素質焼結
体、あるいは窒化アルミニウム質焼結体１．９によって構成した場合には、基板（ｌりトに抜ｄされた
半導体素子（１２）からの熱を良好に放散１２得、また
基板（＋１）に酸化被膜層（１６）を形成した場合には
、この基板（１１）と封着用ガラス（１５）との密着性
及び気密性を極めて良好にすることができるのである。

【図面の簡単な説明】

図は本発明に係る半導体装置の拡大縦断面図である。符　　　号　　　の　　　説　　　明ｌＯ・・・半導体装置、１１・・・基板、１２・・・半
導体素子、１３・・・金属製リード、！４・・・キャッ
プ、１５・・・封着用ガラス、１６・・・酸化被膜層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上の半導体素子が金属製リードによって外部
に電気的に導出されるとともに、当該半導体素子が基板
とキャップと封着用ガラスによって気密的に封止されて
なる半導体装置において、前記基板の熱伝導率が０．０
６ｃａｌ／ｃｍｓｅｃ℃以上でその熱膨張係数が３×１
０＾−＾６〜６×１０＾−＾６／℃の範囲内であること
、前記基板と金属製リード、及び金属製リードとキャップ
との間隔がそれぞれ０．０５〜２．０ｍｍであること、及び前記封着ガラスの比誘電率が４〜１５でその比抵抗
が１０＾８Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする半導体
装置。
（２）、前記基板と金属製リード、及び金属製リードと
キャップとの間隔はそれぞれ０．２〜１．０ｍｍの範囲
内であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の半導体装置。
（３）、前記封着ガラスは、比誘電率が４〜１０、熱膨
張係数が３．５×１０＾−＾６〜５．２×１０＾−＾６
／℃、封着温度が３５０〜５５０℃であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項あるいは第２項に記載の半導
体装置。
（４）、前記基板は、炭化珪素質焼結体あるいは窒化ア
ルミニウム質焼結体から選ばれるいずれか少なくとも一
種であることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第３
項のいずれかに記載の半導体装置。
（５）、前記基板は、表面に酸化被膜層を有することを
特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに
記載の半導体装置。
（６）、前記基板は、表面にＡｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｂ、Ｇｅ
、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋ
、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｚｒあるいは
それらの化合物から選ばられるいずれか少なくとも一種
を含有する酸化被膜層を有することを特徴とする特許請
求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の半導体装置
。