KR900002527B1 - 밀봉용 유리 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

밀봉용 유리 조성물 및 그 제조방법
제 1 도는 종래기술의 세라믹 이중 인라인 패키지의 단면도.
제 2 도는 본 발명의 밀봉용 유리 조성물을 사용한 쿼드인라인 패키지의 단면도.
제 3 도는 본 발명에 따른 시험용 패키지의 단면도.
본 발명은 다용도로 사용할 수 있는 밀봉용 유리 조성물에 관한 것으로서, 특히 반도체 패키지의 유리밀봉에 사용하기 위한 밀봉용 유리 조성물에 관한 것인데, 주로 조성물의 열팽창계수를 증가시키는 불용성 첨가제를 포함한 저온 밀봉용 유리 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에서는 금속기판에 대한 유리 조성물의 부착력을 높이기 위한 산화구리 성분을 포함한다.
전자기기의 제조에 있어서 개개의 집적회로(보통 "다이"라 함)는 용이하게 취급하고 주위환경 또는 기계적 손상으로부터 보호하기 위하여 보호패키지에 위치한다. 최고도의 주위환경으로부터의 보호는 기밀패키지로 설계하는 것이다. 특수설계로서 여러가지가 있겠으나 일반적으로 기밀 패키지에는 개개의 도선의 전기절연에 관련된 주위의 절연의 바람직한 조합을 얻기 위하여 유리밀봉기술이 필요하다. 예로서, 제 1 도에 도시한 바와 같이 통상의 세라믹 이중 인라인 패키지(CERDIP)에서 저온 밀봉유리(12)는 세라믹 기판 부품(16, 18)간의 금속제(전형적으로 알루미늄 합금 스트립 42 또는 kovar)리드프레임(14)을 밀봉하기 위해 사용된다. 최종으로 기밀 밀봉된 패키지는 기판부품(18)에 부착되고 또 리드 프레임(14)에 대한 와이어(22)에 의해 전기 접속되는 다이(20)를 둘러싼다. 금속에 대한 유리밀봉 및 세라믹 결합체에 대한 유리밀봉을 기계적으로 안정하고 또 기밀상태로 유지하기 위하여 모든 부품은 열팽창 특성이 조화된 것이 바람직하다. 전자기기의 패킹에 관한 금속 및 세라믹 재료의 열팽창계수의 전형적인 값은 표Ⅱ에 기재되어 있다.
일반적으로 패키지 제조용 유리는 물리적 및 전기적 특성이 전자산업의 필요에 부합하는 것으로서, 복합 붕산납 유리, 붕산 납 아연 유리, 붕소규산납 유리 또는 붕소규산 납 아연유리이다. 이러한 유리는 보통 Pbo 75 내지 85%, B2O35 내지 15% 및 ZmO 0 내지 5% 함유하고 있다. 유리성분이 잔부인 5 내지 10%는 바람직한 밀봉특성, 내식성, 전기저항, 유전율 등을 부여하기 위해 첨가한다. 이와 같은 범위의 조성인 유리는 80 내지 130×10-7in/in/℃의 열팽창계수(CTE)를 갖는다. 표Ⅱ에 기재한 바와 같이 CTE는 그 값이 너무 크면 전형적인 CERDIP 재료에 열적으로 부합된 밀봉을 얻을 수 없게 된다.
이와 같은 잠재적인 열부적합을 극복하기 위하여 유리에 저팽창성인 내화충진제를 첨가하기도 했다. Francel 등의 미합중국 특허 제 3,954,486 호와 Dumesnil 등의 미합중국 특허 제 4,186,023 호가 그 예이다. 그러나 전반적인 열팽창계수를 높이기 위하여 이러한 기술을 사용하는 것은 일반적으로 허용된 것이 아니며, 이에 따라 밀봉유리에 구리나 알루미늄 등과 같은 고팽창성 물질을 첨가한 가능성을 부여하고 있다.
제 1 도의 CERDIP 는 주위와 기계적인 손상으로부터 집적회로를 성공적으로 보호하고 있다. 통상적으로 알루미나로 되 덮개와 기저부 그리고 알루미늄 합금 스트립 42로 리드 프레임으로 제조된다. 이러한 패키지의 주단점은 비교적 열소멸 특성이 빈약하다는 것이다. 이것은 칩이 복잡한 회로로 종종 제조되고 열이 소멸되지 않는 한 칩에 나쁜 영향을 미칠 정도의 열을 발생시키기 때문에 엄격히 제한된다.
이와 같은 결함을 극복하기 위한 노력으로서, 각종 다른 기밀 패키지가 제안되었다. 그러한 많은 패키지는 세라믹으로 된 기저부 및/또는 덮개를 대체하기 위하여 보다 높은 열전도성 금속부품을 활용하는 방법이 시도되었다. 그러나 금속기판과 밀봉유리 사이의 열팽창계수의 부합이 억제됨으로써 합금 42 또는 kovar 등의 저열팽창성 금속에 유리밀봉된 기밀 패키지는 대부분 그 설계가 제한되었다. 표Ⅱ에 기재한 바와 같이 이러한 금속이 통상의 유리밀봉에 열적으로 적합하지만, 이들은 알루미나에 대해 열소멸의 장점을 주지 못하며 또한 CERDIP에 전형적으로 사용된 96%-Al2O3부품보다도 낮은 열전도성을 지니고 있다.
반도체패키지의 제조에 더 높은 전도성의 재료를 사용하기 위한 노력에는 금속밀봉체에 열적 및 기계적 안정성을 증명할 수 있는 능력이 요구된다. 적합한 금속의 예로서는 내화 산화물을 형성할 수 있는 알루미늄을 12% 이내의 효과적인 양을 함유하는 동합금이다. 발명의 명칭이 "개량 인쇄회로판"인 S.H.Butt의 미합중국 특허 제 4,491,622 호 및 발명의 명칭이 "반도체 케이싱"인 상기인의 미합중국 특허 제 4,410,927 호는 유리 밀봉된 금속패키지에 관한 것이다.
본 발명은 금속에 대한 유리의 부착력을 향상시키기 위하여 유리제제에 대한 수정으로서 산화구리를 증명한 것이다. 1983년 미합중국 뉴욕주, 뉴욕시, 아카데믹 프레스에서 N.Kriedl과 D.Uhlmann에 의해 발간된 "유리의 조성"제 1 권의 "유리에 대한 과학 및 기술"분야의 328 내지 330페이지에 Richard A.Eppler가 발표한 표제가 "유약과 에나멜"편에 기재된 바와 같이, 자기용 에나멜과 금속간의 결합은 산화코발트, 산화니켈 및 산화구리 등과 같은 용이하게 환원될 수 있는 산화물을 에나멜을 첨가함으로써 향상된다. 그러나 에나멜을 금속에 사용하는 온도범위가 보통 800 내지 900℃사이인데, 보통 450℃ 이하인 본 발명의 온도범위를 완전히 벗어나 있고, 더구나 산화철과 산화니켈은 모두 본 발명에 사용된 유리와 금속기판간의 결합력을 향상시키지 못하고 있다.
산화구리 성분을 포함하는 고온 밀봉유리의 한 예는 미합중국 특허 제 4,172,919 호에서 찾을 수 있다. 상기 특허는 86중량% 이상의 구리와 잔부는 유리와 산화구리로 구성된 전도체 조성물에 관한 것인데, 조성물은 기판에 부착되는 동안 약 700℃의 온도로 가열된다. 조성물과 가열온도 모두는 본 발명에서 설명한 유리 조성물의 그것과는 상당히 다르다.
산화구리 성분을 포함하는 저온 밀봉유리의 다른 예는 미합중국 특허 제 3,446,695 호, 제 3,841,883 호, 제 3,873,330 호, 제 3,904,426 호 및 제 4,004,936 호이다. 그러나 이들 특허의 어느 것도 밀봉유리에 산화구리를 첨가하는 것이 금속기판에 대한 결합력을 높인다는 사실을 제시하지 못하고 있다.
본 발명에 따라서 독특하고 붕산납 종류이며 저융점인 땜용 유리에 불화칼슘 등의 첨가제를 첨가하면 금속제인 반도체 케이싱 부품에 성공적으로 결합된다는 사실이 발견되었다. 부품간의 결합이 성공적임에도 불구하고 아직도 더 바라는 점은 금속에 대한 유리의 부착력을 높혀서 금속밀봉체에 대한 유리의 열적 및 기계적 안정성을 높이는 것이다.
본 발명의 제 1 목적은 금속에 대해 열적 및 기계적으로 안정한 유리밀봉을 형성하는 것으로서의 고전도성, 저융점인 밀봉용 유리 조성물을 제공하는 것이고, 본 발명의 제 2 목적은 상술한 종래기술의 제한점 및 단점을 하나 또는 그 이상 극복한 밀봉용 유리 조성물을 제공하는 것이고, 본 발명의 제 3 목적은 열팽창 특성을 증가시키는 성분을 갖는 밀봉용 유리 조성물을 제공하는 것이고, 본 발명의 제 4 목적은 금속에 대해 열적 및 기계적으로 안정한 유리밀봉을 형성하는 밀봉용 유리 조성물을 제공하는 것이며, 본 발명의 그밖의 목적은 제조비가 비교적 저렴한 밀봉용 유리 조성물을 제공하는 것이다.
따라서 최종의 밀봉용 유리 조성물의 유효 열팽창계수를 증가시키는 비교적 불용성인 미립 첨가제와 저융점인 밀봉용 유리 매트릭스를 포함하는 밀봉용 유리 조성물이 제공된 것이다. 유리 매트릭스는 적합하게 붕산납 그룹이고, 첨가제는 적합하게 불화칼슘이다. 조성물은 반도체 패키지의 밀봉제로서 특히 유용하다. 가용성 첨가제 또한 밀봉용 유리 매트릭스에 첨가하여 좋은 조업 조건하에서 금속기판에 대한 유리의 부착력을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명을 도면에서의 적합한 실시예를 참조하여 더 상세히 설명한다.
본 발명은 신규한 밀봉용 유리 조성물에 관해 설명하는데, 매트릭스는 붕산납 유리, 붕산 납 아연 유리, 붕소규산 납 유리 또는 붕소 규산납 아연 유리로 구성된 그룹에서 선택한 저융점인 밀봉용 유리를 포함한다. 밀봉용 유리 매트릭스에 불가용이거나 약간 가용인 미립 첨가제를 첨가함으로써 최종 유리 조성물의 유효 열팽창계수를 증가시킨다.
본 발명의 밀봉용 유리 조성물의 유리 매트릭스는 통상 각각 산화물 형태로 존재하는 비스무스, 아연, 알루미늄, 규소, 바륨, 비소, 주석 및 헬루르와 같은 유리성분을 하나 또는 그 이상 함유하는 복합 붕산납 종류의 유리 매트릭스인 것도 적합하다. 아와 같은 붕산납 종류의 땜용 유리는 보통상온으로부터 유리전이온도(전형적으로 300℃)의 온도범위에서 80×10-7내지 130×10-7in/in/℃의 열팽창계수를 갖는다.
이와 같은 유리는 전자기기의 패킹기술에서 공지된 유리밀봉과 유리-세라믹 또는 반결정형 밀봉을 형성하는데 이용된다. 조성물의 중량%는 하기의 표 1과 같으며, 산화물의 총량은 100%이다.
[표 1]
Figure kpo00001
CaO, Bi2O3, Na2O, K2O, Li2O, CdO 및 Fe2O3등과 같은 통상적인 유리 제조용 산화물도 첨가할 수 있다. 그러나 대부분 경우에는 이들 성분은 첨가하지 말고 상기 표 1에 기재된 성분만으로 유리 매트릭스를 구성하는 것이 좋다.
본 발명에 따라서 유리 매트릭스에 비교하여 높은 열팽창계수를 갖는 미립 첨가제는 불화칼슘 또는 불화바륨인 것이 적합하다. 이러한 물질은 본 발명에 따른 온도 및 시간에서 밀봉용 유리에 그 용해도가 제한된다. 첨가제는 크기가 1 내지 150미크론인 입자를 포함한다. 적합하게는 입자크기가 10 내지 75미크론이다. 더 작은 입자는 밀봉처리중 유리에 더욱 용이하게 용해되고 또 밀봉용 유리 조성물은 첨가제의 높은 열팽창 계수를 손상시키기 때문에 입자크기는 제한되는 것이다. 반대로 더 큰 입자의 경우에는 조성물간의 유리의 흐름이 제한되고 노출된 표면이 습윤되는 것이 방지되므로 입자계면간의 공공의 형성으로 인한 강도의 손실이 따른다. 충진제 또는 첨가제는 입자의 연쇄를 방지하기 위해 최대임계체적량이 유리 매트릭스의 약 30중량%(60체적%)으로 하는데, 구리나 구리합금 기판용으로 유리 매트릭스내의 충진제는 10 내지 20중량%(40 내지 60체적%)인 것이 적합하다. 유리 매트릭스 내의 충진제는 유리의 CTE 보다 높은 열팽창계수(CTE)를 갖는다. 특히 충진제의 CTE는 유리 조성물의 CTE가 기판의 CTE와 비슷하게 하기 위하여 결합되는 금속기판의 CTE 보다 높아야 한다.
불화칼슘 충진제는 인공산인 합성분말 또는 천연산의 광질인 형석으로서 공급된다. 충진제는 200메쉬 또는 그 이하, 적합하게는 400메쉬 또는 그 이하를 통과하는 크기인 분말상의 밀봉용 유리와 혼합한다. 밀봉용 유리는 전형적으로 400 내지 450℃의 온도예서 패키지를 밀봉하는데 사용한다. 불화 칼슘 첨가제는 비반응성으로 잔류하지만 상기 온도에서 습윤된다. 본 발명의 중요한 특징은 충진제가 본 발명에 따른 조업시간 및 온도에서 유리 매트릭스에 실질적으로 불용성 이어서 입자는 본래대로 남으며 유리에 용해되지 않는 점이다. 매트릭스에 용해되는 충진제는 최소량일 것이다. 바람직하지만, 용해되는 첨가제가 최대 10중량% 내면 본 발명의 범위에 포함된다. 용해도를 제한한 이유는 화학이 아닌 유리와 충진제의 물리적인 혼합으로부터 열팽창계수가 높아지기 때문이다.
형석은 220×10-7in/in1℃ 이상의 CTE를 가지며, 이에 반해 전자기기의 패킹에 통상사용된 재료의 CTE는 하기의 표Ⅱ에 기재한 바와 같이 상당히 낮다.
[표 2]
전자기기의 패킹에 사용된 각종 재료에 대한 열팽창계수(CTE)
Figure kpo00002
표 3은 CaF2의 작용으로서 두개의 유리(미합중국,오하이오주, 톨데오 소재의 오웬즈 일리노이코포레이션사의 PP-200과 일본의 이사히 코포레이션사의 T-176)에 대한 CTE의 값을 측정한 것이다. 유리 조성물은 적합하게 상온에서 유리전이 온도까지의 온도범위에서 138×10-7in/in/℃이상의 CTE를 갖는다. 하기의 표Ⅳ는 유리 조성물을 유리의 중량%로 측정한 것이다. 시료는 전형적인 CERDIP 밀봉온도(약 430℃에서 10분간)로 가열한 다음의 CaF2q분말과 유리분말을 물리적으로 혼합하여 준비했다. 이러한 조건에서 CaF2를 유리에 충분히 용해시키지 않고 CaF2입자를 완전히 습윤시킬 수 있도록 유리의 흐름은 충분하다. 유리는 충진제 입자가 본래대로 남고 유리에 거의 용해하지 않는 중요한 조건을 만족시키는 것이 특징적이다.
[표 3]
유리-충진제 혼합물의 열팽창계수
Figure kpo00003
* : 미합중국, 오하이오주, 톨레도소재의 오웬즈 일리노이 코포레이션사의 제품유리.
** : 일본 아사히 글래스 코포레이션사의 제품유리.
[표 4]
유리의 성분비(중량%)
Figure kpo00004
* : 아사히 코포레이션사의 제품유리
** : 오웬즈 일리노이 코포레이션사의 제품유리.
열적으로 부합된 재료의 이점을 증명하기 위하여 금속밀봉할 유리의 시료를 제조하고 토크강도를 시험했다. 시료는 유리(아사히 T-176)층과 함께 밀봉된 구리합금(C 63800 또는 Cu-Ni-Al 합금 B-27중 어느것)의 1/4"×3/4"인 평평한 기판으로 제조했다. 이 시험에 관련되어 사용된 유리 조성물의 각종 제제와 하기에 설명한 기타 사항을 표5에 기재했다.
[표 5]
유리 제제 첨가제
Figure kpo00005
* : 아사히 코포레이션사의 제품유리
CaF2와 같은 첨가제로 유리 조성물의 CTE를 증가시킴으로써 유리 조성물 금속기판간의 열팽창계수를 부합시키는 이점을 뒷받침해 주는 자료는 표 6에 기재되어 있다. CaF2를 첨가하지 않고서는 안정한 기계적 결합은 얻어지지 않는다. 어떠한 첨가제도 첨가하지 않고 T-176과 함께 밀봉되는 금속기판의 시험시료에서, 유리는 약 430℃의 초기 밀봉온도에서 냉각할 때 균열이 발생했다. T-176유리에 형석을 20중량% 첨가함으로써 금속기판과 최종의 유리 조성물간의 안정한 결합이 약 20 내지 40 lb 범위의 토크강도로 나타난 바와 같이 형성됐다. 유리시료는 표Ⅴ에서 증명되었던 것에 상당하는 것이다.
[표 6]
금속기판-유리 조성물-금속기판의 토크강도
(아사히 T-176유리사용)
Figure kpo00006
입자의 용해도를 제한하는 중요성은 붕산납 종류의 유리에 첨가된 PbF2및 CaF2의 결과를 비교함으로써 증명된다. 시험자료는 전자 패키지 밀봉에 유용한 시간 및 온도(즉, 400 내지 450℃ 에서 5 내지 20분간)에 대해서 CaF2가 20중량%(약 40체적%)존재하는 것은 밀봉용 유리의 중요한 물리적 특성(즉, 불투명 경향, 흐름, 내화학성등)에 나쁜 영향을 미치지 않는다. 그러나 이러한 유리에 가용성인 소량의 PbF2(즉 5 체적% 이내)의 존재도 가상밀봉사이클 동안 유리의 불투명화를 급격히 개시시키는 전체적으로 화학변화를 발생시키는데 충분하다. 불투명하게 된 후에는 유리는 흐름특성이 상당히 감소되어 CERDIP 조립체에 대한 전형적인 두번재 단계의 밀봉작업이 진행되지 않게 된다.(즉, 기저부재의 표면을 덮는 유리층내에 리드 프레임을 끼우고 덮개를 리드프레임 위에 유리 밀봉하는 작업)
따라서, 본 발명에서 중요한 것은 고팽창성의 미립첨가제가 예정 밀봉사이클의 시간 및/또는 온도에 대해 유리 매트릭스에 제한된 용해도를 갖는 것이다. 미립자는 유리가 분말형태일때 유리에 첨가되는 것이 바람직하다. 그런 다음 유리는 선택한 온도에서 용융되어 미립자는 본래대로 남고 유리에 거의 용해되지 않는다. 예로서 유리는 C8F2가 첨가되기 전에 용융되고 주조 또는 수냉소입 및 조형된다. 붕산납 종류의 유리 매트릭스에서 CaF2미립자의 최종 조성물은 Dumesnil의 미합중국 특허 제 4,186,023 호에 기재된 것과 같은 종래 기술의 유리, 그 내용으로서 불화물이 초기 용융동안 유리에 직접 혼입되고, 따라서 최종의 유리 조성물의 전체적인 CTE를 수정하는데 필요한 고팽창성의 제 2 상으로서 사용할 수 없는 이러한 기술과는 다르다.
BaF2는 유리에 약 20 내지 30중량%의 범위로 대략 같은 효과를 나타내는 것으로 생각된다.
또한 반도체 케이싱에 대해 고열전도성 재료를 이용하고자 하는 노력에는 금속밀봉체에 대해 열적 및 기계적으로 안정한 유리의 형성을 향상시키기 위한 적합한 금속 또는 합금 기판에 필요하다. 이러한 패키지를 위해 선택된 금속은 예로서 구리 또는 알루미늄 금속 또는 합금과 같이 고열전도성 금속 또는 합금으로 정합하게 구성된다. 본 발명에서의 적합한 금속 또는 합금은 유리에 결합되는 표면에 적어도 얇은 내화산화층을 형성할 수 있는 구리 또는 구리 기본합금이다. 실시예로서의 합금은 내화산화층을 형성할 수 있는 12%이내의 알루미늄과 잔부는 구리로 되어있다. 적합한 조성으로서의 상기 합금은 본질적으로 1 내지 10%의 알루미늄, 0.001 내지 3%의 규소, 그리고 임의로 4.5% 이내의 철, 1%이내의 크롬, 0.5% 이내의 지르코늄, 1% 이내의 코발트로 구성되는 그룹에서 선택한 입자 미세화원소 및 이들 입자 미세화원소들의 혼합물, 그리고 잔부는 구리이다. 특히 프라이어 등의 미합중국 특허 제 3,676,292 호에 기재된 바와 같은 CDA 합금 C 63800은 적합한 것으로 판명되어 있다. 불순물은 바람직한 실시예에서 결합을 방해하거나 합금의 특성을 손상시키지 않는 범위내에서 본 발명의 합금에 존재해도 좋다. 합금 C 63800은 약 170×10-7in/in/℃의 CTE를 갖는다.
본 발명은 합금 C 63800에 제한되지 않고 110 내지 220×10-7in/in/℃, 적합하게는 140 내지 180×10-7in/in/℃의 CTE를 갖는 금속 또는 합금을 널리 사용할 수 있다. 구리-니켈-알루미늄 합금(본원에서 B-27이라 칭함)은 적합한 것으로 판명되었는데, Saleh 등의 미합중국 특허 제 4,434,016 호에 기재되어 있다. 합금은 본질적으로 10 내지 15%의 니켈, 1 내지 3%의 알루미늄 1% 이내의 망간, 0.05 내지 0.5%의 마그네슘 및 잔부는 구리로 구성되어 있다. 규소는 0.05%를 초과해서는 안되며, 납은 0.015% 또 인은 0.005% 이하로 해야 한다. B-27의 CTE는 170×10-7in/in/℃이다. 니켈 기본합금 및 철기본합금 등과 같은 다른 적합한 합금의 예는 미합중국 특허 제 3,698,964 호, 제 3,730,779 호 및 제 3,810,754 호에 기재되어 있다.
상술한 조성의 금속은 상술한 종류의 붕산납류유리밀봉조성물과 만족할 만한 유리밀봉을 형성한다. 유리조성물은 적합하게 저융점인 붕산납 종류의 유리 매트릭스와 불화칼슘 또는 불화바륨과 같이 불용성이며 고열 팽창성인 첨가제의 혼합물이다. 첨가제의 필요성은 표Ⅵ의 자료에서 증명되어 있다. C 63800 또는 B-27인 금속기판 사이에 밀봉되는 충진제(표Ⅴ에서 시료 A)가 부족한 붕산납종류의 유리는 상당한 특정 토크에 견딜 수 있는 밀봉을 형성하지 못한다. 그러나 C 63800 또는 B-27인 금속기판사이에 밀봉되는 CaF2(표Ⅴ에서 시료 C)와 같은 첨가제를 포함하는 붕산납 종류의 유리 조성물은 밀봉 파열전의 상당한 특정 토크에도 견딜 수 있는 밀봉을 형성한다.
제 2 도 및 제 3 도의 패키지가 열충격과 같은 극도의 나쁜 조건의 영향을 받게되면, 유리에 Caf2를 첨가해도 상술한 바와 같이 기밀성과 기계적인 일체성을 유지할 수 있는 유리 조성물과 금속기판간의 강력한 결합력을 제공하는 점에 관해서는 이상적이 되지 않는다.
본 발명은 개량된 유리 조성물에 관여하여 상술한 바와 같이 낮은 수준의 산화구리(CuO)를 갖는 붕산납종류의 유리 조성물을 수정함으로써 극한 조업 조건에서도 견딜 수 있도록 한 것이다. 이것은 2중량%의 CuCO, (1.4중량%CuO의 당량)가 아사히 T-176 유리에 첨가되고, 수정된 조성물이 통상의 방법에 따라 재용융되는 표Ⅴ의 유리시료 E로서 증명되어 있다. 재용융후 유리는 수냉소입되고, 건조되며, 볼가공되어 200메쉬 또는 그 이하의 입자로 된다. 그런 다음 유리는 입자크기가 200메쉬 또는 그 이하인 형석분말(CaF2)15중량%와 물리적으로 혼합된다.
상기한 금속합금과 산화구리로 수정한 유리 조성물간의 밀봉시험은 제 2 도에 도시한 종류의 이중 인라인 패키지와 제 3 도에 도시한 종류의 단일 샌드위치류의 패키지에서 행했다. 제 2 도에서 시험 패키지(30)는 금속기저부재(32)를 포함한다. 금속하우징부재(34)는 전자부품(36)을 수용하기 위한 공동봉입을 형성하기 위한 형상으로서 기저부재유에 설치되어 있다. 금속합금인 리드프레임(38)은 기저부재와 하우징 부재 사이를 유리 밀봉한다. 리드프레임은 패키지를 최종 밀봉하기전에 전자칩 부품(36)에 와이어(40)로 연결된다. 리드프레임(38)은 케이싱(30)외부의 하우징부재와 기저부 사이에 돌출한 터미널리드(42), (44)를 갖는다. 터미널리드는 밀봉되어 기저부재와 하우징부재사이를 케이싱에 기밀상태로 결합시킨다. 제 3 도의 샌드위치 패키지(50)는 본 발명에 따라 밀봉용 유리(56)에 의해 함께 결합된 두개의 금속기판부품(52), (54)을 포함한다. 이러한 두가지 종류의 패키지에 대한 밀봉용 유리는 상술한 특정범위내에서 각종 제제의 붕산납 종류의 밀봉유리이다.
패키지 시료의 평가는 두가지의 기준, 즉 1) 기밀성, 2) 기계적 일체성에 기초를 둔다. 기밀성은 헬륨 누출 탐지기를 사용하는 Mil spec 888 B에 따라 측정했다. 각 시료에 요구된 시험의 허용기준치는 헬륨누출속도 5×10-8㎤/sec 이하였다. 허용누출속도는 열충격(T. S.)시험(10회, 액체 대 액체, -65 내지 +150℃)전후에 유지되어야 한다. 이 시험은 구성(30), (50)의 양 시료에 향했다(표 Ⅶ 및 Ⅷ참조). 밀봉된 패키지(30)의 기계적 일체성은 기계적 손상없이 패키지가 90℃리드벤드를 3회 이상 지탱할 수 있는지의 여부로 평가한다. 3벤드의 선택의 임의로 한 것이며 공지의 기준에 의한 것이 아니다.
하기의 표 7에 표 5의 유리시료 D, E, G로 밀봉된 금속 패키지의 기밀성 시험결과가 나타나 있다. 시험은 제 2 도에 설명한 이중 인라인 패키지로 향했다. 상기 패키지의 기저부 및 덮개는 B-27로, 리드프레임은 C 63800으로 제조했다. 표 6의 시험자료에서 기대할 수 있는 바와 같이 유리충진제 (시료 D)를 사용하지 않고 CuO로 수정된 붕산납종류의 유리를 사용하는 밀봉용 유리로 밀봉된 합금인 기저부와 덮개는 유리와 합금 기판의 CTE의 부조화로 인하여 기밀성 시험에 실패했다. 패키지는 430℃의 밀봉온도에서 냉각하는 동안 균열됐다. 시료 E 유리(CaF2와 CuO를 포함)를 제 2 도에 도시한 종류의 이중 인라인 패키지를 밀봉하는데 사용한 경우, 기밀성은 열충격전후에 지속됐다. 최종으로 시료 G는 이중 인라인 패키지의 밀봉에 사용했는데, 결과는 20중량%의 형식첨가에 기밀성이 빈약한 것으로 나타났다. 실제에 형석의 첨가량은 특정의 유리 조성물에 따른다. 예를 들면 유리가 더욱 유리다우면 유효밀봉의 조성은 유리가 덜 유리다운 경우보다 형석의 %가 더 많을 것이다. 따라서 최대 CaF2첨가량은 특정의 유리 조성물에 따라 결정한다.
[표 7]
제 2 도의 이중 인라인 패키지를 1.4중량%의 CuO로 수정한 아사히 T-176 유리로 밀봉한 기밀성 시험
Figure kpo00007
하기의 표 8에서 제 3 도에 도시한 샌드위치형 패키지의 시험결과를 볼 수 있다. 금속기판은 C 63800 및 B-27로 제조하고 2중량%의 산화구리로 수정한 시료 F(15중량%의 형석 충진제를 갖는 아사히 T-176)의 붕산납 종류의 유리 조성물과 함께 밀봉했다. 시험자료는 이 유리가 금속기판에 충분히 결합되어 열충격을 견디어 낼 수 없음을 나타낸다.
[표 8]
시료 F(2.0 중량%의 CuO 및 15중량%의 형석을 갖는 T-176*)를 사용하는 샌드위치시료의 기밀성 시험
Figure kpo00008
* 아사히 회사의 제품유리
표 7 및 8의 자료에서 유리에 대한 산화구리(CuO)의 첨가량은 열충격에 견딜 수 있는 향상된 능력을 갖는 금속에 대한 유리의 충분한 강도의 결합을 형성하기 위하여 2중량% 이내가 유효량으로서 바람직하다는 것을 알수 있다. 적합하게는 유리에 대한 CuO의 첨가량은 0.1 내지 2중량%의 범위내이다.
하기의 표 9에 기재한 바와 같이, 첨가에 대한 시험은 제 1 도에 도시한 종류의 패키지에 행했는데, 덮개(34)와 기저부(32)는 C 63800으로 제조한 것이고, 리드프레임(38)은 B-27로 제조한 것이다. 시료 B유리(산화구리는 함유하지 않고 형석을 15중량% 함유하는 T-176)를 패키지에서 밀봉에 사용했을 때, 유리와 금속의 계면간의 실패가 1벤트 완료전에 발생했다. 그러나 동일한 유리 및 형석충진제를 산화구리를 약 1.4중량% 첨가하여 수정했을때, 밀봉의 기계적 손상은 90℃리드벤드의 3회 이상후에 유리-금속 계면 및 유리 자체내에서 발생했다.
[표 9]
C 63800 제 덮개 및 기저부, B-27 제 리드프레임으로 제조되며 유리시료 A 및 B로 밀봉된 패키지에 대한 기계적 일체성 시험
Figure kpo00009
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 유리 조성물이 목적, 수단 및 이점을 충족시킴을 알았다. 본 발명을 실시예를 참조로 설명했지만 전술한 것에 비추어 다른 많은 실시예, 수정 및 변경이 본 기술분야의 숙련자에게 가능할 것이다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위의 정신과 넓은 범주내에서는 그와 같은 다른 실시예, 수정 및 변경이 가능하다.

Claims (28)

  1. 본질적으로 붕산납, 붕산 납-아연, 붕소규산납, 또는 붕소규산납-아연으로 구성되는 그룹에서 선택한 것으로서, 상온에서 유리 전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 80×10-7in/in/℃ 이상인 유리 매트릭스로 본질적으로 구성되는 제 1 성분과, 최종의 밀봉용 유리 조성물의 유효 열팽창 계수를 증가시키기 위하여 유리 매트릭스에 첨가되는 제한된 용해도를 갖는 무피복 미립자 첨가제 30중량% 이내의 유효량으로 본질적으로 구성되는 제 2 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 450℃ 이하의 온도에서 유리 매트릭스에 10중량% 이하가 용해되는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  3. 제 2 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 유리 매트릭스에 10 내지 20중량% 존재하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  4. 제 3 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 입자크기가 직경으로 1 내지 150미크론인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  5. 제 4 항에 있어서, 유리 조성물은 상온에서 유리 전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 147×10-7in/in/℃인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  6. 제 5 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 불화칼슘 및 불화바륨으로 구성되는 그룹에서 선택한 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  7. 제 6 항에 있어서, 유리 매트릭스는 본질적으로 70 내지 85%의 PbO, 20% 이내의 ZnO, 5 내지 15%의 B2O3, 10% 이내의 SiO2, 3% 이내의 BaO 및 5% 이내의 SnO2로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  8. 본질적으로 붕산납, 붕산납-아연, 붕소규산납, 또는 붕소규산납-아연으로 구성되며, 상온에서 유리 전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 80×10-7in/in/℃ 이상인 분말 유리 매트릭스로 본질적으로 구성되는 제 1 성분을 준비하고, 최종의 밀봉용 유리 조성물의 유효 열팽창 계수를 증가시키기 위하여 유리 매트릭스에 첨가되는 제한된 용해도를 갖는 무피복 미립자 첨가제 30중량% 이내의 유효량으로 본질적으로 구성되는 제 2 성분을 제 1 성분과 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 450℃ 이하의 온도에서 유리 매트릭스에 10중량% 이하가 용해되는 것으로 선택하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 밀봉용 유리 조성물의 10 내지 20중량%를 무피복미립자 첨가제로 하면서 제 1 성분과 제 2 성분을 혼합하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 입자 크기가 직경으로 1 내지 150 미프론인 것을 선택하는 것을 특징으로 하는 유리 조성물의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 밀봉용 유리 조성물은 상온에서 유리전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 147×10-7in/in/℃인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 불화칼슘 및 불화바륨으로 구성되는 그룹에서 선택하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 유리 매트릭스는 본질적으로 70 내지 85%의 PbO, 20% 이내의 ZnO, 5 내지 15%의 B2O3,10% 이내의 S1O2,3% 이내의 BaO 및 5% 이내의 SnO2로 구성되는 것에서 선택하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  15. 본질적으로 붕산납, 붕산납-아연, 붕소규산납, 또는 붕소규산납-아연으로 구성되는 그룹에서 선택한 것으로서, 상온에서 유리전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 80×10-7in/in/℃ 이상인 유리 매트릭스로 본질적으로 구성되는 제 1 성분과, 열충격에 견디기 위한 향상된 능력을 갖는 금속에 대한 유리의 강력한 결합을 형성하기 위하여 유리 매트릭스에 용해되는 산화구리 2중량%의 이내의 유효량과, 최종의 밀봉용 유리 조성물의 유효 열팽창 계수를 증가시키기 위하여 유리 매트릭스에 첨가되는 제한된 용해도를 갖는 무피복미립자 첨가제 30중량% 이내의 유효량으로 본질적으로 구성되는 제 2 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  16. 제 15 항에 있어서, 450℃ 이하의 온도에서 유리 매트릭스에 용해되는 무피복 미립자 첨가제는 10중량% 이하인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  17. 제 16 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 유리 매트릭스에 10 내지 20중량% 존재하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  18. 제 17 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 입자 크기가 직경으로 1 내지 150 미크론인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  19. 제 18 항에 있어서, 유리 조성물은 상온에서 유리 전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 138×10-7in/in/℃인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  20. 제 19 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 불화칼슘 및 불화바륨으로 구성되는 그룹에서 선택한 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  21. 제 20 항에 있어서, 유리 매트릭스는 본질적으로 70 내지 85%의 PbO, 20% 이내의 ZnO, 5 내지 15%의 B2O3,10% 이내의 S1O2, 3% 이내의 BaO 및 5% 이내의 SnO2로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물.
  22. 본질적으로 붕산납, 붕산납-아연, 붕소규산납, 또는 붕소규산납-아연으로 구성되는 그룹에서 선택한 것으로서, 상온에서 유리 전이 온도까지의 온도에서 열팽창 계수가 80×10-7in/in/℃ 이상인 분말 유리 매트릭스로 본질적으로 구성되는 제 1 성분과, 열충격에 견디기 위한 향상된 능력을 갖는 금속에 대한 유리의 강력한 결합을 형성하기 위하여 유리 매트릭스에 용해되는 산화구리 2중량% 이내의 유효량을 준비하고, 최종의 밀봉용 유리 조성물의 유효 열팽창 계수를 증가시키기 위하여 유리 매트릭스에 첨가되는 제한된 용해도를 갖는 무피복미립자 첨가제 30중량% 이내의 유효량으로 본질적으로 구성되는 제 2 성분을 혼합하여 제조하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 450℃ 이하의 온도에서 유리 매트릭스에 용해되는 것이 10중량% 이하인 것을 선택하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 밀봉용 유리 조성물의 10 내지 20중량%를 무피복 미립자 첨가제로 하면서 제 1 성분과 제 2 성분을 혼합하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 무피복 미립자 첨가제는 입자 크기가 직경으로 1 내지 150 미크론인 것으로 선택하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 밀봉용 유리 조성물의 열팽창 계수는 상온에서 유리전이 온도까지의 온도에서 138×10-7in/in/℃ 이상인 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  27. 제 26 항에 있어서 무피복 미립자 첨가제는 불화칼슘 및 불화바륨으로 구성되는 것으로 선택하는것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
  28. 제 27 항에 있어서, 유리 매트릭스는 본질적으로 70 내지 85%의 PbO, 20% 이내의 ZnO, 5 내지 15%의 B2O3,10% 이내의 SiO2,3% 이내의 BaO 및 5% 이내의 SnO2로 구성하는 것을 특징으로 하는 밀봉용 유리 조성물의 제조방법.
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