KR100622033B1 - 반도체 캡슐화용 글라스 및 글라스 튜브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 캡슐화용 글라스에 관한 것으로, 그러한 글라스는 실질적으로 납 또는 그 밖의 유해한 성분이 없지만, 710 ℃ 이하의 밀봉 온도를 나타내며, 두멧을 안정되게 밀봉한다. 또한, 글라스의 점성이 106 dPa·s인 경우의 온도가 710 ℃ 이하이고, Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분과 B2 O3를 포함한다. 또한, 이 글라스는 각각 중량부로 40 내지 70 %, 5 내지 20 %, 0 내지 15 % 함량의 SiO2, B2O3 및 Al2O3; 중량부로 0 내지 45 % 총함량의 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO; 및 중량부로 5 내지 25 % 총함량의 Li2O, Na2O 및 K2O를 포함한다.

Description

반도체 캡슐화용 글라스 및 글라스 튜브{GLASS AND GLASS TUBE FOR ENCAPSULATING SEMICONDUCTORS}
본 발명은 반도체를 캡슐화하는 글라스에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실리콘 다이오드, 발광 다이오드, 서미스터(thermistor)와 같은 소자 및 이들 소자를 전기적으로 연결하는 두멧선(Dumet wire)과 같은 전극 소재를 밀봉되게 캡슐화하는 글라스에 관한 것이고, 이것으로부터 제조되는 반도체를 캡슐화하는 글라스 인캡슐레이터(glass encapsulator)에 관한 것이다.
실리콘 다이오드, 발광 다이오드 및 서미스터와 같은 작은 치수의 전자 반도체 부품은 통상 DHD(Double Heat Sink diode) 형태이다. 보다 상세하게는, 그러한 반도체 요소는 두멧선과 같은 전극 소재 사이에 클램핑된 후, 글라스 튜브로 둘러싸인다. 다음에, 글라스 튜브가 연화되어 밀봉이 이루어게 변형되도록 전체 조립체가 예정된 온도로 가열된다. 통상적으로, 이러한 가열 온도는 글라스의 점성이 106 dPa·s에 달하는 값으로, 이 온도를 "밀봉 온도"라 부른다. 글라스의 밀봉 온도는, 캡슐화되는 반도체의 전기적 성질이 가열 온도에 의해 손상되지 않도록 반도체의 최대 허용 온도보다 높지 않을 것을 요한다. 반도체의 최대 허용 온도는 종류와 구조에 따라 달라진다. 대개의 경우 반도체는 약 710°의 최대 허용 온도를 나타내므로, 글라스의 밀봉 온도가 710° 이하인 것은 중요하다. 글라스에 대한 또 다른 요구 사항은 그 열팽창 계수에 관한 것이다. 그러한 요구는 글라스의 열팽창 계수가 전극 소재로서 가장 널리 통용되는 두멧선의 열팽창 계수와 합치하여야 한다는 것이다. 더욱 상세하게는, 글라스의 열팽창 계수는 30℃ 내지 380℃의 온도에서 85 ×10-7 내지 105 ×10-7/℃일 것이 요구된다.
현재까지 반도체를 캡슐화하는 데 사용되어 왔으며 전술한 요구 사항을 만족하는 글라스는 중량부로 45 내지 75% 정도 양으로 PbO를 함유하는 납 실리케이트 글라스였다. 그 이유는 PbO가 안정된 실리케이트 글라스를 형성하면서도 글라스의 점성을 낮추는 데 상당히 큰 효과가 있기 때문이다. 예컨대, 반도체를 캡슐화하는 것으로서 PbO를 중량부로 46 % 함유하는 글라스는 약 700℃의 밀봉 온도를 나타낸다. 반도체를 캡슐화하는 것으로서 PbO를 중량부로 60 % 함유하는 글라스는 약 655 ℃의 밀봉 온도를 나타낸다.
최근에는 납, 카드늄 및 비소와 같은 유해한 성분에 의한 환경 오염이 문제되었다. 산업 생산물은 이들 유해한 성분이 없을 것이 요구되었다. 전자 부품 산업에서도 납이 없는 접합물(solder)을 사용하려는 적극적인 시도가 있었다. 또한, PbO가 없는 반도체 캡슐화용 글라스가 요구되었다.
두멧을 안정되게 밀봉하도록 전기 장치와 전자 부품의 구성 요소로 사용될 수 있는 납유리로부터 납을 제거하려는 시도가 일본 공개 특허 공보 평6-206737호에 기재되어 있다. 그러나, 그러한 시도의 목표는 납유리가 PbO 성분을 중량부로 약 20 내지 30 % 함유하게 하는 것이다. PbO 성분을 중량부로 약 20 내지 30 % 함유한 글라스는 형광 조명 또는 백열광 램프의 전구를 밀봉하는 글라스이다. 이 글라스 소재는 원래 약 750 ℃의 밀봉 온도를 갖춘 것이다. 또한, 전술한 일본 공개 특허 공보 평6-206737호에 기재된 납이 없는 글라스는 약 790 ℃ 정도로 높은 밀봉 온도를 나타낸다. 따라서, 전술한 종류의 글라스 소재는 반도체를 캡슐화하는 글라스에 요하는 바와 같은 710 ℃ 이하의 밀봉 온도를 얻을 수 없다.
본 발명의 목적은 반도체를 캡슐화하는 글라스로서 실질적으로 납 또는 그 밖의 유해한 성분이 없으면서도 710 ℃ 이하의 밀봉 온도를 나타내고 두멧을 안정적으로 밀봉할 수 있는 글라스를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 전술한 글라스로부터 마련되는 밀봉 글라스 인캡슐레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 이들 및 그 밖의 목적은 반도체를 캡슐화하는 글라스로서, Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분과 B2O3를 포함하고, 납이 없고, 점성이 106 dPa·s인 경우에 온도가 710℃ 이하인 글라스에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 이들 및 그 밖의 목적은 반도체를 캡슐화하는 유리로서, 중량부로 40 내지 70 % 함량의 SiO2, 중량부로 5 내지 20 % 함량의 B2O3를, 중량부로 0 내지 15 % 함량의 Al2O3, 중량부로 0 내지 45 % 총함량의 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO, 및 중량부로 5 내지 25 % 총함량의 Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분을 포함하고, 각각의 성분은 상기 글라스의 총량에 기초한 것인 글라스에 의해 달성된다.
더욱이, 본 발명의 이들 목적 및 다른 목적은 반도체 요소를 캡슐화하는 글라스 인캡슐레이터로서, 상기 글라스는 Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분과 B2O3를 포함하고, 납이 없으며, 점성이 106 dPa·s인 경우에 온도가 710℃ 이하인 것인 글라스 인캡슐레이터에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 이들 및 그 밖의 목적은 반도체를 캡슐화하는 글라스 인캡슐레이터로서, 상기 글라스는 중량부로 40 내지 70 % 함량의 SiO2, 중량부로 5 내지 20 % 함량의 B2O3를, 중량부로 0 내지 15 % 함량의 Al2O3, 중량부로 0 내지 45 % 총함량의 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO, 및 중량부로 5 내지 25 % 총함량의 Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분을 포함하고, 각각의 성분은 상기 글라스의 총량에 기초한 것인 글라스 인캡슐레이터에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 이들 및 그 밖의 목적은 반도체 소자를 캡슐화하는 방법으로, 전술한 글라스로 만든 글라스 튜브를 이용한 인캡슐레이터로 반도체 소자를 캡슐화하는 방법에 의해서 달성된다.
달리 지시하지 않는 한, 이하에서는 "%"라는 용어는 글라스의 총량에 기초한 "중량부 %"를 의미한다. "성분 X의 함량이 0 내지 Y % 함유된다"라고 하는 표현은 성분 X가 존재하지 않거나 그 함량이 0 %보다 높으며 Y %와 동일하거나 그 미만이라는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 반도체 캡슐화용 글라스는 실질적으로 PbO가 없다. 특히, PbO의 함량은 글라스의 총량 기준으로 5000 ppm 이하이고, 바람직하게는 1000 ppm 이하이며, 더욱 바람직하게는 500 ppm 이하이다.
본 발명에 따른 반도체 캡슐화용 글라스에는, 710 ℃ 이하의 온도에서의 캡슐화를 가능하게 하는 낮은 점성을 갖도록, 주성분으로서 B2O3와 Li2O, Na2O K2O 중에서 2개 이상의 성분을 포함한다. 두멧과 함께 밀봉하기 위해서는, 30℃ 내지 380℃ 온도에서의 글라스의 열팽창 계수는 85 ×10-7 내지 105×10-7/℃인 것이 좋다.
전술한 특성을 갖춘 반도체 캡슐화용 글라스는 각각 40 내지 70 %, 5 내지 20 %, 및 0 내지 15 % 함량의 SiO2, B2O3 및 Al2O3; 0 내지 45 % 총함량의 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO; 및 5 내지 25 % 총함량의 Li2O, Na2O 및 K2O를 포함한다.
이하, 전술한 바와 같이 다양한 성분의 함량이 정해지는 이유를 설명한다.
SiO2는 글라스의 망상 조직(network)를 구성하는 주성분이다. SiO2의 함량은 바람직하게는 40 내지 70 %, 더욱 바람직하게는 45 내지 70 %, 더더욱 바람직하게는 50 내지 65 %이다. SiO2의 함량이 70 % 이하이면, 소재가 쉽게 용융되므로 양산에 적합하다. 또한, 그 산출된 글라스는 두멧의 열팽창 계수와 잘맞는 적절한(즉, 너무 작지 않은) 열팽창 계수를 갖추어, 두멧과 쉽게 밀봉될 수 있게 된다. 다른 한편으로, SiO2의 함량이 40 % 이상인 경우, 산출된 글라스는 우수한 화학적 내구성을 유지한다. 전자 부품의 제조 중에 사용되는 다양한 화학제에 노출되는 경우 또는 긴 기간 동안 전자 부품으로서 사용되는 경우에, 낮은 화학적 내구성을 지닌 글라스는 열화하여, 예컨대 밀봉성의 손상과 상실로 인하여 전자 부품의 신뢰성 저하를 초래한다. 또한, 산출된 글라스는 두멧의 열팽창 계수와 잘맞는 적절한(즉, 너무 크지 않은) 열팽창 계수를 지녀, 두멧과 쉽게 밀봉될 수 있게 된다.
B2O3는 글라스의 용융성을 향상시키는 성분으로, 글라스의 밀봉 온도를 낮추고, 글라스의 화학적 내구성을 증진시킨다. B2O3의 함량은 바람직하게는 5 내지 20 %, 더욱 바람직하게는 8 내지 15 %, 더더욱 바람직하게는 10 내지 15 %이다. B2O3의 함량이 20 % 이하이면, 용융된 글라스로부터의 B2O3의 증발이 억제될 수 있고, 이로써 균질의 글라스를 얻을 수 있게 된다. 또한, 산출된 글라스는 우수한 화학적 내구성을 유지한다. 다른 한편으로, B2O3의 함량이 5 % 이상이면, 그 산출된 글라스는 적절한 점성을 나타내며, 양호한 밀봉성을 지닌 인캡슐레이터를 얻을 수 있다.
Al2O3는 글라스의 화학적 내구성을 증진시키는 성분이다. Al2O3의 함량은 바람직하게는 0 내지 15 %, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 10 %이다. Al2O3의 함량이 15 % 이하이면 양산에 적합하다. 또한, 그 산출된 글라스는 불투명화에 대한 우수한 내성을 유지하고, 이로써 석재 또는 코드가 없는 글라스를 얻을 수 있게 된다. 글라스에 석재 또는 코드가 존재하면 밀봉된 형태가 고르지 않게 되거나 밀봉된 전자 부품에 손상을 초래하며, 밀봉된 전자 부품의 신뢰성을 상당히 떨어뜨린다.
MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO는 용융된 글라스의 점성을 낮추고, 이로써 글라스의 용융을 촉진하여, 밀봉 온도를 저하시킨다. 이들 성분은 글라스의 화학적 내구성을 증진시키는 효과도 있다. MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO의 총함량은 바람직하게는 0 내지 45 %, 더욱 바람직하게는 0 내지 25 %, 더더욱 바람직하게는 1 내지 25 %, 가일층 바람직하게는 1 내지 20 %이고, 가장 바람직하게는 5 내지 20 %이다. 이들 성분의 총함량이 45 % 이하이면 높은 균질성을 갖는 글라스를 얻을 수 있다.
MgO, CaO, SrO 및 ZnO의 함량은 바람직하게는 각각 0 내지 10 %, 0 내지 10 %, 0 내지 20 %, 0 내지 15 %이고, 더욱 바람직하게는 각각 0 내지 8 %, 0 내지 8 %, 0 내지 15 %, 1 내지 15 %이다. 각각의 여러 성분의 함량이 전술한 정해진 범위를 초과하지 않으면, 높은 균질성을 갖는 글라스를 얻을 수 있다.
알카리 금속 산화물인 Li2O, Na2O K2O 는 글라스의 용융을 촉진하는 성분으로서, 710 ℃ 이하의 밀봉 온도를 얻고 두멧을 밀봉하는 데 요하는 열팽창 계수를 얻을 수 있게 해준다. 2가지 이상의 이들 알카리 금속 산화물의 혼합물을 사용하는 것은 중요하다. 환언하면, 알카리 금속 산화물의 함량이 클수록, 그 산출된 글 라스의 밀봉 온도는 낮아지지만 그 내후성과 전기 절연성은 저하한다. 따라서, 알카리 금속 산화물의 혼합 효과를 이용하기 위해서는, 글라스의 내후성과 전기 절연성을 향상시키도록 혼합물에 2가지 이상의 이들 알카리 금속 산화물을 사용할 수 있다.
이들 알카리 금속 산화물의 총함량은 바람직하게는 5 내지 25 %, 더욱 바람직하게는 10 내지 25 %, 더더욱 바람직하게는 14 내지 20 %이다. 이들 알칼리 금속 산화물의 총함량이 25 % 이하이면, 그 산출된 글라스는 두멧의 열팽창 계수와 맞는 적절한 열팽창 계수를 갖추고, 이로써 두멧과 잘 밀봉될 수 있게 되며, 양호한 밀봉성을 지닌 인캡슐레이터를 얻을 수 있게 된다. 또한, 산출된 글라스는 화학적 내구성을 유지한다. 다른 한편으로, 이들 알카리 금속 산화물의 총함량이 5 % 이상이면 낮은 밀봉 온도를 얻을 수 있다. 또한, 산출된 글라스는 적절한 열팽창 계수를 나타낸다. Li2O, Na2O K2O의 함량은 바람직하게는 각각 0 내지 10 %, 0 내지 10 % 및 0 내지 15 %이고, 더욱 바람직하게는 각각 0.5 내지 9 %, 0 내지 9 % 및 1 내지 10 %이다. 각각의 Li2O와 Na2O의 함량이 각각 10 % 이하이고, K2O의 함량의 15 % 이하이면, 알카리의 혼합 효과는 좋으며, 이로써 우수한 내후성과 높은 전기 절연성을 유지한다. Li2O는 글라스의 밀봉 온도를 낮추는 데 가장 큰 효과가 있다. 따라서, Li2O의 함량은 0.5 %, 특히 3 % 이상인 것이 좋다.
전술한 성분에 추가하여, ZrO2, TiO2, P2O5, Fe2O 3, SO3, Sb2O3, F 및 Cl와 같 은 성분들이 글라스의 점성을 조절하고 내후성, 용융성 및 정련성을 증진시킬 목적으로 글라스 성분에 적량 첨가될 수 있다.
반도체를 캡슐화하는 글라스 소재의 내성이 손실되는 경우, 약한 전류가 전극 사이를 흘러 다이오드와 평행하게 배치되는 레지스터를 포함하는 회로를 형성한다. 따라서, 글라스 소재의 체적 저항은 가능한 한 높은 것이 좋다. 더욱 구체적으로는, 150 ℃에서의 글라스 소재의 체적 저항은 log ρ,Ω·㎝의 단위로 계산하여 7 이상이고, 바람직하게는 9 이상, 더욱 바람직하게는 10 이상이다. 약 200 ℃ 정도의 온도에서 다이오드를 최적으로 사용하기 위해서는, 250 ℃에서의 글라스 소재의 저항(log ρ,Ω·㎝)은 7 이상인 것이 좋다.
본 발명의 반도체 캡슐화용 글라스 소재로 만든 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터의 제조 공정을 설명한다.
산업용 인캡슐레이터의 제조를 위한 공정은, 로에 채울 출발 물질을 마련하도록 글라스를 구성하는 성분을 함유하는 제조된 결정질 파우더 또는 무기물을 계량하여 혼합하는 혼합 단계, 출발 물질을 용융하여 유리질화하는 용융 단계, 용융된 글라스를 튜브로 성형하는 성형 단계, 및 튜브를 예정된 치수로 절단하는 처리 단계로 이루어진다.
먼저, 글라스의 출발 물질이 혼합된다. 출발 물질은 산화물 및 탄산염과 같은 복수 개의 성분과 불순물로 만들어지는 무기물로 이루어진다. 이들 성분은 해석의 결과를 고려하여 혼합될 수 있다. 따라서, 이들 성분은 제한되지 않는다. 이들 성분은 계량된 후, 로에 충전되는 출발 물질을 얻도록 V자형 믹서, 록킹 믹서(rocking mixer) 및 교반 블레이드를 갖춘 믹서와 같은 제조 비율에 상응하는 적절한 믹서에 의해 뒤섞인다.
이어서, 출발 물질은 유리질화를 거치도록 글라스 용융로에 충전된다. 용융로는 출발 물질을 용융하여 유리질화하는 용융조, 글라스에서 공기 방울을 상승시켜 이들을 제거하는 정련조, 및 글라스의 점성을 낮추어 적절한 값으로 정련한 후 성형 장치로 인도하는 통로(공급기)로 이루어진다. 용융로는 내화물 또는 그 내측이 백금으로 라이닝되는 로로 만들어진다. 용융로는 버너에 의하거나 글라스를 전기적으로 가열하여 열을 생성한다. 따라서 충전된 출발 물질은 용융조에서 통상 1300 ℃ 내지 1600 ℃의 온도에서 유리질화한다. 이후에 글라스는 1400 ℃ 내지 1600 ℃ 온도에서 정련조로 도입되어 글라스 내의 공기 방울이 상승하여 사라진다. 공급기를 통과하면서 글라스 소재는 온도 강하를 나타내는데, 온도 강하는 그 점성을 104 내지 106 dPa·s의 범위로 변화시키고, 이는 글라스의 형성에 적합하다. 이후에, 글라스는 성형 장치에 도입된다.
이어서, 글라스 소재는 성형 장치에 의해 튜브로 성형된다. 성형 장치에서는 대너법(Danner process), 벨로법(Vello process), 하향인장법(down draw process) 또는 상향인장법(up draw process)이 이용될 수 있다.
이후에, 글라스 튜브를 예정된 치수로 절단함으로써 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터를 얻을 수 있다. 글라스 튜브의 절단은 다이아몬드 절단기에 의해 글라스 튜브를 하나씩 절단하여 수행될 수 있다. 그러나 실제로는 통상적으로 양산에 적 합한 공정이 이용되는데, 그러한 공정에서는 글라스 튜브를 다발로 묶은 후에 다이아몬드 휠 절단기로 그 다발을 절단하여 한번에 복수 개의 글라스 튜브를 절단할 수 있다.
이하, 본 발명에 따라 글라스로 반도체를 캡슐화하는 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 글라스는 통상적으로 예정된 크기를 갖춘 성형 글라스 인캡슐레이터의 형태로 사용될 수 있다. 따라서, 전술한 특성 (및 조성)을 갖춘 글라스 인캡슐레이터가 먼저 마련된다. 이어서, 두멧선과 같은 전극 소재 사이에 클랭핑된 반도체가 지그(jig)를 이용하여 글라스 인캡슐레이터에 놓인다. 이후에, 전체 조립체가 710 ℃ 이하의 온도로 가열되어, 글라스 인캡슐레이터가 연화되고 변형되어 밀봉된다. 이러한 방식에서, 실리콘 다이오드, 발광 다이오드 및 서미스터와 같은 작은 크기의 전자 부품이 마련될 수 있다. 본 발명의 글라스 소재는 글라스 튜브 뿐만 아니라 글라스 파우더로도 사용될 수 있다. 글라스 소재가 파우더 형태라면 용제로서 알콜 또는 물에서 분산되어 슬러리(slurry)를 형성한다. 다음에, 소자가 회전하는 상태에서 슬러리가 두멧선 사이에 클랭핑된 소자에 적하되어 소자에 슬러리가 감긴다. 이후에 소자는 반도체를 밀봉식으로 캡슐화하도록 하소(calcined)된다.
다음의 예에서 반도체를 캡슐화하는 본 발명에 따른 글라스를 더 설명한다. 그러나, 본 발명은 다음의 예에 한정되는 것으로 해석되지 아니한다.
표 1 내지 표 5는 본 발명의 실시예(시편 번호 1 내지 26)의 데이타와 비교예(시편 번호 27 및 28)를 나타낸다. 시편 번호 27은 반도체를 캡슐화하는 통상의 납을 함유하는 글라스이고, 시편 번호 28은 일본 공개 특허 공보 평6-206737에 기재된 납이 없는 글라스이다.
시편 번호
1 2 3 4 5
SiO2 Al2O2 B2O3 MgO CaO ZnO Li2O Na2O K2O Sb2O3 (각각 %) 62.7 6.0 10.4 - - 2.1 6.2 7.3 5.0 0.3 63.0 6.0 10.4 - - 2.1 4.2 9.3 5.0 - 62.7 6.0 10.4 - - 2.1 4.2 7.3 7.0 0.3 62.7 6.0 10.4 2.0 - 2.1 4.2 7.3 5.0 0.3 62.7 6.0 10.4 - 2.0 2.1 4.2 7.3 5.0 0.3
열팽창 계수(× 10-7/℃) 95.5 93.8 92.2 88.1 88.3
연화점(℃) 597 615 621 620 622
106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(℃) 669 692 700 700 699
가공점(℃) 820 852 866 869 860
제척 저항 (log ρ, Ω·㎝) 150 ℃ 250℃ 9.8 7.3 10.2 7.7 10.6 8.0 10.5 7.9 10.6 8.0
시편 번호
6 7 8 9 10
SiO2 Al2O2 B2O3 SrO BaO ZnO Li2O Na2O K2O Fe2O3 Sb2O3 (각각 %) 62.7 6.0 10.4 2.0 - 2.1 4.2 7.3 5.0 - 0.3 62.7 6.0 10.4 - 2.0 2.1 4.2 7.3 5.0 - 0.3 62.7 6.0 10.4 - - 4.1 4.2 7.3 5.0 - 0.3 62.7 6.0 10.4 - - 2.1 4.2 7.3 5.0 2.0 0.3 54.7 6.0 10.4 10.0 - 2.1 4.2 7.3 5.0 - 0.3
열팽창 계수(× 10-7/℃) 87.9 87.4 87.0 86.7 97.8
연화점(℃) 622 625 623 621 606
106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(℃) 701 704 703 701 674
가공점(℃) 867 870 868 871 811
제척 저항 (log ρ, Ω·㎝) 150 ℃ 250℃ 10.5 7.9 10.5 7.9 10.4 7.8 10.4 7.8 11.3 8.6
시편 번호
11 12 13 14 15
SiO2 Al2O2 B2O3 MgO CaO SrO BaO ZnO Li2O Na2O K2O Sb2O3 (각각 %) 62.7 4.0 12.4 - - - - 2.1 4.2 7.3 7.0 0.3 50.7 5.0 10.0 - - 10.0 10.0 - 3.0 3.0 8.0 0.3 50.7 5.0 10.0 5.0 5.0 10.0 - - 3.0 3.0 8.0 0.3 51.7 9.0 10.4 - - 10.0 - 2.1 4.2 7.3 5.0 0.3 54.7 6.0 10.4 - - 7.0 - 5.1 4.2 7.3 5.0 0.3
열팽창 계수(× 10-7/℃) 91.3 92.6 92.3 99.1 97.2
연화점(℃) 620 638 638 603 603
106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(℃) 696 707 706 671 670
가공점(℃) 851 845 840 812 809
제척 저항 (log ρ, Ω·㎝) 150 ℃ 250℃ 10.7 8.1 13.1 10.1 12.1 9.2 11.2 8.5 11.1 8.5
시편 번호
16 17 18 19 20
SiO2 Al2O2 B2O3 MgO CaO SrO BaO ZnO Li2O Na2O K2O Sb2O3 (각각 %) 57.7 6.0 10.4 - 1.0 1.0 1.0 4.1 5.2 7.3 6.0 0.3 55.7 6.0 10.4 - - 5.0 - 4.1 5.2 7.3 6.0 0.3 54.7 4.0 12.4 - - 7.0 - 5.1 4.2 7.3 5.0 0.3 57.7 4.0 12.4 1.0 1.0 1.0 - 4.1 5.2 7.3 6.0 0.3 54.7 4.0 12.4 - - 3.5 3.5 5.1 4.2 7.3 5.0 0.3
열팽창 계수(× 10-7/℃) 99.9 102.4 97.1 99.1 96.1
연화점(℃) 591 587 601 590 600
106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(℃) 660 652 665 654 667
가공점(℃) 802 786 794 786 800
제척 저항 (log ρ, Ω·㎝) 150 ℃ 250℃ 10.7 8.1 10.9 8.2 11.4 8.6 11.2 8.4 11.4 8.6
시편 번호
21 22 23 24 25
SiO2 Al2O2 B2O3 MgO CaO SrO ZnO Li2O Na2O K2O TiO2 ZrO2 Sb2O3 (각각 %) 53.7 4.0 12.4 1.0 1.0 7.0 5.1 4.2 6.3 5.0 - - 0.3 58.7 4.0 12.4 1.0 1.0 1.0 4.1 5.2 6.3 6.0 - - 0.3 55.2 2.5 12.4 1.0 1.0 7.0 5.1 4.2 6.3 5.0 - - 0.3 53.7 2.5 12.4 1.0 1.0 7.0 5.1 4.2 6.3 5.0 1.5 - 0.3 53.7 2.5 12.4 1.0 1.0 7.0 5.1 4.2 6.3 5.0 - 1.5 0.3
열팽창 계수(× 10-7/℃) 94.1 94.4 94.9 95.1 94.1
연화점(℃) 602 596 604 603 607
106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(℃) 669 662 668 665 671
가공점(℃) 797 797 795 788 798
제척 저항 (log ρ, Ω·㎝) 150 ℃ 250℃ 11.5 8.8 10.8 8.2 11.6 8.9 11.6 8.9 11.6 8.8
시편 번호 비교예 번호
26 27 28
SiO2 Al2O2 B2O3 MgO CaO SrO BaO ZnO Li2O Na2O K2O PbO Sb2O3 SO3 (각각 %) 58.7 4.0 12.4 1.0 1.0 1.0 - 4.1 8.5 - 9.0 - 0.3 - 35.0 - - - - - - - - - 4.5 60.0 0.3 - 68.0 3.4 - 1.3 1.9 2.9 8.7 - 1.2 7.4 5.0 - - 0.1
열팽창 계수(× 10-7/℃) 91.9 91.0 93.0
연화점(℃) 590 575 675
106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(℃) 651 660 788
가공점(℃) 775 820 1,020
제척 저항 (log ρ, Ω·㎝) 150 ℃ 250℃ 9.5 7.2 14.8 11.7 데이타 없음 8.9
글라스의 특성을 평가하기 위하여 상기 표에 나타낸 여러가지 시편은 다음의 방식으로 마련된 것이다.
먼저, 상기 표와 같이 설정된 조성을 갖춘 글라스 소재가 각각 마련된 후, 백금 도가니에서 5시간 동안 1,400 ℃의 온도로 용융된다. 그렇게 얻은 각각의 용융된 글라스 소재가 성형되고 다양한 글라스 시편을 마련하도록 예정된 형태로 가공된다.
다음에 각각의 다양한 시편은 열팽창 계수, 연화점(softening point), 106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(밀봉 온도), 가공점 및 체적 저항(150 ℃, 250 ℃)을 측정한다. 그 결과는 상기 표에 나타내었다.
상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 시편 번호 1 내지 26은 710 ℃ 이하의 밀봉 온도를 나타내고, 86.7 ×10-7 내지 102.4 ×10-7/℃의 열팽창 계수를 나타낸다. 다른 한편으로, 비교예 번호 28은 두멧과의 안전한 밀봉이 가능한 93 ×10-7/℃의 열팽창 계수를 나타내지만, 788 ℃의 높은 밀봉 온도를 나타낸다. 따라서, 비교예 28번은 반도체를 캡슐화하는 데 적합하지 않다는 것이 확인된다.
전술한 표의 열팽창 계수를 측정하기 위하여 글라스 시편을 직경이 약 3 ㎜이고 길이가 약 50 ㎜인 컬럼으로 가공하였다. 다음에 컬럼형 시편은 자체-기록 미분 열팽창계(self-recording differential thermal dilatometer)에 의해 30 ℃ 내지 380 ℃의 온도 범위에서 평균 선형 열팽창 계수가 측정되었다.
연화점, 106 dPa·s의 점성에 상응하는 온도(밀봉 온도) 및 가공점은 다음의 방식으로 측정하였다. 먼저, ASTM C338에 따른 섬유법에 의해 글라스의 연화점을 측정하였다. 다음에, 가공점 범위 내에서 점성에 상응하는 온도를 백금 벌브 인출법(platinum bulb wihdrawal method)에 의해 측정하였다. 이어서, 점성이 106 dPa·s에 달하는 온도, 즉 밀봉 온도를 계산하기 위하여 온도와 점성값을 펄쳐 방정식(Fulcher's equation)에 산입하였다.
ASTM C-657에 따른 방법에 의해 체적 저항을 측정하였다. 반도체를 캡슐화하는 글라스는 바람직하게도 높은 절연성을 지닌다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 캡슐화용 글라스는 PbO가 전혀 없지만, 두멧과 함께 밀봉하기에 적합한 85 ×10-7 내지 105 ×10-7/℃의 열팽창 계수를 나타내고, 710 ℃ 이하의 밀봉 온도를 나타내므로, 반도체를 캡슐화하는 글라스, 특히 글라스 인캡슐레이터로서 유용하다.
반도체 캡슐화용 인캡슐레이터는 본 발명의 글라스 소재로부터 제조된다.
먼저, 500 ㎏의 출발 물질을 마련하도록 이산화규소 분말, 산화알루미늄, 붕산, 산화마그네슘, 탄산칼슘, 산화아연, 탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 삼산화안티몬, 탄산스트론튬, 탄산바륨, 산화철, 산화티타늄, 산화지르코늄이 수율과 불순물의 함량을 고려하여 결정된 조성에 따라 예정된 비율로 혼합되어, V자형 믹서에 의해 완전히 뒤섞인다.
그렇게 마련된 출발 물질은 500 ℓ 용량의 글라스 용융로에서 용융되어 하향인장법(down draw process)에 의해 튜브로 성형된 후, 적절한 길이(예를 들어, 1 m)로 절단하여 글라스 튜브를 얻는다. 글라스 용융로의 용융조는 1,450 ℃로 유지된다. 용융조로부터 공급되는 용융된 글라스는 정련조를 거쳐 공급기로 들어간다. 공급기의 용융된 글라스는 성형 장치를 구성하는 공급기 바닥의 오리피스 링 및 이 오리피스 링과 동심으로 배치된 벨축(Bel shaft) 사이의 간극을 통하여 흘러나간다. 글라스는 벨축으로부터 불어오는 공기에 의한 공기압에 노출된 채 하향 연신되어 튜브를 형성한다. 튜브의 요구되는 치수(내경 및 두께)는 글라스 소재가 흘러내리는 유량, 공기압 및 인장률에 의해 결정된다.
이어서, 결속 장치를 이용하여 1,000개의 성형된 글라스 튜브를 합친다. 글라스 튜브 다발은 수지조(resin bath)에 담겨져 송진과 같은 수지가 글라스 튜브 사이의 간극으로 들어간 후, 수지조로부터 뽑아내져 냉각되어 직경이 약 5 ㎝인 로드 형태의 소재를 얻는다. 다음에 로드 형태의 소재를 예정된 길이로 절단한다. 따라서, 일회의 절단에 의해 1,000개의 글라스 튜브가 서로 결속되어 이루어진 펠릿을 얻는다. 이후에, 튜브의 결속을 풀기 위하여 결속체로부터 수지를 제거한다. 이들 튜브는 세척된 후 예정된 길이의 인캡슐레이터를 얻도록 건조한다. 이렇게 얻은 인캡슐레이터는 다이오드에 적용되는 경우에 그 내경이 0.6 내지 2.1 ㎜이고, 두께는 0.2 내지 0.8 ㎜이고 길이는 1 내지 4 ㎜이다.
본 발명에 따른 반도체 캡슐화용 글라스 인캡슐레이터는 납이 없는 실리콘 다이오드, 발광 다이오드 및 서미스터와 같은 작은 크기의 전자 부품을 얻을 수 있게 해준다.
특정 실시예를 참고하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위를 벗어나는 일이 없이 다양한 변경과 수정을 가할 수 있다.
본 출원은 2000년 5월 16일에 출원된 일본 특허 출원 제2000-143990호에 기초한 것이며, 그 내용은 참고로서 본 명세서의 일부를 이룬다.

Claims (14)

  1. 전극 재료 사이에 클램핑된 반도체 소자를 내부에 밀봉하여 캡슐화하기 위한 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터로서,
    관 뽑기 성형에 의해 형성되고, 납이 없으며, 점성이 106 dPa·s인 경우에 온도가 710 ℃ 이하이고, Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2종 이상의 성분과 B2O3를 함유하는 글라스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  2. 제1항에 있어서, 30 ℃ 내지 380 ℃의 온도 범위에서의 열팽창 계수가 85 ×10-7 ~ 105 ×10-7/℃인 글라스로 이루어지는 것인 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  3. 제2항에 있어서,
    중량부로, 40 ~ 70 % 함량의 SiO2; 5 ~ 20 % 함량의 B2O3; 0 ~ 15 % 함량의 Al2O3; 0 ~ 45 % 총함량의 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO; 및 5 ~ 25 % 총함량의 Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분을 포함하는 조성을 갖는 글라스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제3항에 있어서, 150 ℃에서의 글라스의 체적 저항이 Log ρ(Ω·㎝)로 10 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  9. 제3항에 있어서, 전극 재료는 두멧(dumet)인 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  10. 제1항에 있어서, 중량부로, 40 ~ 70 % 함량의 SiO2; 5 ~ 20 % 함량의 B2O3; 0 ~ 15 % 함량의 Al2O3; 0 ~ 45 % 총함량의 MgO, CaO, SrO, BaO 및 ZnO; 및 5 ~ 25 % 총함량의 Li2O, Na2O 및 K2O 중에서 2개 이상의 성분을 포함하는 조성을 갖는 글라스로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  11. 제10항에 있어서, 150 ℃에서의 글라스의 체적 저항이 Log ρ(Ω·㎝)로 10 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  12. 제10항에 있어서, 전극 재료는 두멧(dumet)인 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터.
  13. 제5항 내지 제8항, 제8항 내지 제12항 중의 어느 하나의 청구항에 따른 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터의 제조 방법으로서, 상기 인캡슐레이터 내에 전극 재료 사이에 클램핑된 상태로 반도체 소자를 유지하는 공정과, 가열하여 상기 인캡슐레이터를 연화 변형시키고, 반도체 소자를 인캡슐레이터 내에 기밀 봉입하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 710 ℃ 이하의 온도에서 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체 캡슐화용 인캡슐레이터의 제조 방법.
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