TW201309612A - 半導體元件被覆用玻璃 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種對環境之負荷較小，化學耐久性優異，且表面電荷密度較低，尤其是較佳用於被覆低耐壓用之半導體元件的玻璃。其特徵在於：作為玻璃組成，以質量%計含有：52~65%之ZnO、5~20%之B2O3、15~35%之SiO2及3~6%之Al2O3，且實質上不含鉛成分。較佳為進而含有0~5%之Ta2O5、0~5%之MnO2、0~5%之Nb2O5、0~3%之CeO2及Sb2O3作為組成。

Description

半導體元件被覆用玻璃
本發明係關於一種用作包含P-N接合之半導體元件之被覆用的玻璃。
通常，矽二極體或電晶體等半導體元件就防止由外部空氣所致之污染之觀點而言，藉由玻璃被覆半導體元件之包含P-N接合部之表面。藉此，可謀求半導體元件表面之穩定化，抑制經時之特性劣化。
作為半導體元件被覆用玻璃所要求之特性，可列舉：(1)熱膨脹係數適合於半導體元件之熱膨脹係數，以避免因與半導體元件之熱膨脹係數差而產生龜裂等；(2)可於低溫(例如900℃以下)下被覆，以防止半導體元件之特性劣化；(3)不包含對半導體元件表面產生不良影響之鹼成分等雜質等。
先前，作為半導體元件被覆用玻璃，已知有ZnO-B2O3-SiO2系等之鋅系玻璃，或PbO-SiO2-Al2O3系或者PbO-SiO2-Al2O3-B2O3系等之鉛系玻璃，但就操作性之觀點而言，PbO-SiO2-Al2O3系及PbO-SiO2-Al2O3-B2O3系等之鉛系玻璃正成為主流(例如參照專利文獻1~4)。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特公平1-49653號公報
專利文獻2：日本專利特開昭50-129181號公報
專利文獻3：日本專利特開昭48-43275號公報
專利文獻4：日本專利特開2008-162881號公報
由於PbO等鉛成分係對環境有害之成分，故而近年來正逐漸禁止於電氣及電子機器中之使用，並推進各種材料之無鉛化。上述ZnO-B2O3-SiO2系等之鋅系玻璃亦有含有少量之鉛成分而就環境方面而言無法使用者。又，鋅系玻璃與鉛系玻璃相比化學耐久性較差，且對玻璃煅燒後之後續步驟中之酸之耐性相對較弱。因此，必需於被覆玻璃表面進而形成保護膜而進行後續步驟。
再者，若為了提昇化學耐久性而使玻璃組成富SiO2，則半導體元件被覆玻璃層之表面電荷密度增大，半導體元件之逆向耐壓提高，但另一方面，會產生半導體元件之逆向洩漏電流增大之不良狀況。因此，關於用於不那麼需要逆向耐壓之低耐壓用之半導體元件的半導體元件被覆玻璃，為了抑制逆向洩漏電流，必需降低表面電荷密度。
因此，本發明之目的在於提供一種對環境之負荷較小，化學耐久性優異，且表面電荷密度較低，尤其是較佳用於被覆低耐壓用之半導體元件的玻璃。
本發明者進行銳意研究，結果發現可藉由具有特定組成之ZnO-B2O3-SiO2系玻璃而解決上述課題，並作為本發明而提出。
即，本發明係關於一種半導體元件被覆用玻璃，其特徵在於：作為玻璃組成，以質量%計含有：52~65%之ZnO、5~20%之B2O3、15~35%之SiO2及3~6%之Al2O3，且實質上不含鉛成分。
本發明之半導體元件被覆用玻璃係藉由對ZnO-B2O3-SiO2系玻璃嚴格限制各成分之含量而抑制表面電荷密度而尤其是適於低耐壓用半導體元件之被覆者，且具有化學耐久性較高之特徵。又，由於實質上不含鉛成分，故而對環境之負荷較小。
再者，於本發明中，所謂「實質上不含」，意指未有意添加相關成分作為玻璃成分，並不意指連不可避免地混入之雜質亦完全排除。客觀而言，意指包括雜質之相關成分之含量未達0.1質量%。
第二，本發明之半導體元件被覆用玻璃較佳為進而含有0~5%之Ta2O5、0~5%之MnO2、0~5%之Nb2O5、0~3%之CeO2及0~3%之Sb2O3作為組成。
第三，本發明係關於一種半導體元件被覆用材料，其特徵在於含有包含上述半導體元件被覆用玻璃之玻璃粉末。
藉由使用該半導體元件被覆用材料，可容易地進行半導體元件表面之被覆。
第四，本發明之半導體元件被覆用材料較佳為相對於玻璃粉末100質量份，含有選自TiO2、ZrO2、ZnO、ZnO‧B2O3及2ZnO‧SiO2中之至少一種無機粉末0.01~5質量份而成。
尤其是於包含Si等之半導體元件與玻璃之接觸面積較大之情形時，理想的是玻璃與Si之熱膨脹係數相近。藉此，可抑制由半導體元件與玻璃之熱膨脹係數差所導致之被覆玻璃表面之龜裂之產生。玻璃之熱膨脹係數可藉由玻璃中所包含之晶體成分而加以調整，但難以適當控制自玻璃中析出之晶體之量。因此，若對半導體元件被覆用玻璃適當添加上述無機粉末，則該等無機粉末發揮成核劑之作用，故而可相對容易地控制析出之晶體量。結果，可容易地調整為所需之熱膨脹係數。
本發明之半導體元件被覆用玻璃由於表面電荷密度較低，故而尤其是適於低耐壓用之半導體元件之被覆，且由於化學耐久性較高，故而可降低經時劣化。又，由於實質上不含鉛成分，故而對於環境之負荷較小。
以下，說明於本發明之半導體元件被覆用玻璃中如上述般規定各成分之理由。再者，於以下各成分之含量之說明中，「%」只要未特別說明則意指「質量%」。
ZnO係使玻璃穩定化之成分。ZnO之含量較佳為52~65%，尤佳為55~60%。若ZnO之含量過少，則熔融時之失透性變強，不易獲得均質之玻璃。另一方面，若ZnO之含量過多，則存在耐酸性變弱之傾向。
B2O3係玻璃之網絡形成成分，且為提高流動性之成分。B2O3之含量較佳為5~20%，尤佳為7~15%。若B2O3之含量 過少，則存在結晶性增強而於被覆時損害流動性，難以均勻地被覆於半導體元件表面之傾向。另一方面，若B2O3之含量過多，則存在熱膨脹係數增大，或化學耐久性降低之傾向。
SiO2係玻璃之網絡形成成分，且為提高耐酸性之成分。SiO2之含量較佳為15~35%，尤佳為20~33%。若SiO2之含量過少，則存在化學耐久性較差之傾向。另一方面，若SiO2之含量過多，則熔融時之失透性變強，不易獲得均質之玻璃。
Al2O3係使玻璃穩定化並調整表面電荷密度之成分。Al2O3之含量較佳為3~6%，尤佳為4~5.5%。若Al2O3之含量過少，則容易失透。另一方面，若Al2O3之含量過多，則存在表面電荷密度過於增大之傾向。
本發明之半導體元件被覆用玻璃可進而含有Ta2O5、MnO2、Nb2O5、CeO2或Sb2O3作為降低玻璃表面電荷密度而抑制洩漏電流之產生之成分。
Ta2O5係上述效果尤其較大之成分。Ta2O5之含量較佳為0~5%，尤佳為0.1~3%。若Ta2O5之含量過多，則存在熔融性降低之傾向。
MnO2之含量較佳為0~5%，尤佳為0.1~3%。若MnO2之含量過多，則存在熔融性降低之傾向。
Nb2O5之含量較佳為0~5%，尤佳為0.1~3%。若Nb2O5之含量過多，則存在熔融性降低之傾向。
CeO2之含量較佳為0~3%，尤佳為0.1~2%。若CeO2之含 量過多，則存在結晶性過於增強而於被覆時降低流動性之傾向。
Sb2O3之含量較佳為0~3%，尤佳為0.1~2%。若Sb2O3之含量過多，則存在熔融性降低之傾向。
就環境方面之觀點而言，本發明之半導體元件被覆用玻璃實質上不含鉛成分(PbO等)。又，較佳為實質上亦不含對半導體元件表面產生不良影響之鹼成分(Li2O、Na2O及K2O)。
本發明之半導體元件被覆用玻璃較佳為粉末狀。藉此，例如可使用漿料法或電泳塗佈法等而容易地進行半導體元件表面之被覆。於該情形時，玻璃粉末之平均粒徑D50較佳為25 μm以下，尤佳為15 μm以下。若玻璃粉末之平均粒徑D50過大，則存在難以漿料化之傾向。又，電泳塗佈亦變難。再者，玻璃粉末之平均粒徑D50之下限並無特別限定，但現實而言為0.1 μm以上。
本發明之半導體元件被覆用材料係含有包含上述半導體元件被覆用玻璃之玻璃粉末(以下亦稱為「半導體元件被覆用玻璃粉末」)而成者。本發明之半導體元件被覆用材料亦可為對半導體元件被覆用玻璃粉末含有選自TiO2、ZrO2、ZnO、ZnO‧B2O3及2ZnO‧SiO2中之至少一種無機粉末作為成核劑而成者。藉由添加該等無機粉末，可相對容易地控制析出晶體量。結果，可容易地調整為所需之熱膨脹係數。
該等無機粉末之含量相對於半導體元件被覆用玻璃粉末 100質量份，較佳為0.01~5質量份，尤佳為0.1~3質量份。若無機粉末之含量過少，則存在析出晶體量較少，難以達成所需之熱膨脹係數之傾向。若無機粉末之含量過多，則存在析出晶體量過於增多而於被覆時損害流動性，半導體元件表面之被覆變困難之傾向。
再者，存在上述無機粉末之粒徑越小，則析出晶體之粒徑越小，機械性強度越大之傾向。因此，無機粉末之平均粒徑D50較佳為5 μm以下，尤佳為3 μm以下。無機粉末之平均粒徑D50之下限並無特別限定，但現實而言為0.1 μm以上。
本發明之半導體元件被覆用玻璃之熱膨脹係數(30~300℃)係根據半導體元件之熱膨脹係數，於例如20~60×10-7/℃，進而於30~50×10-7/℃之範圍內適當調整。
例如於對1000 V以下之半導體元件使用之情形時，半導體元件被覆用材料之表面電荷密度較佳為6×1011/cm2以下，尤佳為5×1011/cm2以下。再者，表面電荷密度係指藉由下述實施例所記載之方法而測定之值。
本發明之半導體元件被覆用玻璃例如可藉由調合各氧化物成分之原料粉末並分批，於1500℃左右下熔融約1小時並玻璃化後加以成形(其後視需要粉碎、分級)而獲得。
實施例
以下，基於實施例說明本發明，但本發明並不限定於該等實施例。
表1表示本發明之實施例1~6及比較例1~3。
各試樣係以如下方式製作。首先，以成為表中之玻璃組成之方式調合原料粉末並分批，於1500℃下熔融1小時而玻璃化。繼而，將熔融玻璃成形為膜狀，之後利用球磨機粉碎，並使用350目之篩進行分級，獲得平均粒徑D50為12 μm之玻璃粉末(半導體元件被覆用材料)。再者，關於實施例4，係對所獲得之玻璃粉末添加ZnO粉末而製成半導體元件被覆用材料。
藉由以下方法測定或評價半導體元件被覆用材料之熱膨脹係數、表面電荷密度及耐酸性。將結果示於表1。
熱膨脹係數係表示使用膨脹計於30~300℃之溫度範圍內測定之值。
表面電荷密度係以如下方式測定。首先，將半導體元件被覆用材料分散於有機溶劑中，藉由電泳而以成為一定膜 厚之方式附著於矽基板表面，並進行煅燒而形成燒結層。於燒結層之表面形成鋁電極後，使用C-V計測定燒結層中之電容之變化，算出表面電荷密度。
耐酸性係以如下方式評價。首先，將半導體元件被覆用材料加壓成型為直徑20 mm、厚度4 mm左右之大小，並煅燒而製作顆粒狀試樣，根據將該試樣於25℃下浸漬於30%硝酸中1分鐘後之質量減少而算出每單位面積之質量變化，並作為耐酸性之指標。再者，該質量變化量越小，則耐酸性越優異。
根據表1可知：實施例1~6之半導體元件被覆用材料之表面電荷密度低至6×1011/cm2以下，且耐酸性試驗所致之質量減少為1.0 mg/cm2以下，耐酸性優異。因此可知：實施例1~6之半導體元件被覆用材料適於低耐壓用半導體元件之被覆，且化學耐久性亦優異。
另一方面，比較例1及2之試樣雖然表面電荷密度較低為6×1011/cm2以下，但耐酸性試驗所致之質量減少為3.5 mg/cm2以上，耐酸性較差。又，比較例3之試樣雖然耐酸性試驗所致之質量減少較少而為0.4 mg/cm2，但表面電荷密度較大為15×1011/cm2。
雖對本發明詳細且參照特定之實施形態進行說明，但業者應知曉可不脫離本發明之精神與範圍而加以各種變更或修正。
本申請案係基於2011年8月25日提出申請之日本專利申請案(日本專利特願2011-183703)及2012年6月12日提出申 請之日本專利申請案(日本專利特願2012-132531)者，其內容係作為參照而併入於此。
產業上之可利用性
本發明之玻璃對環境之負荷較小，化學耐久性優異，且表面電荷密度較低，尤其是較佳用於低耐壓用之半導體元件之被覆。

Claims (4)

  1. 一種半導體元件被覆用玻璃，其特徵在於：作為玻璃組成，以質量%計含有：52~65%之ZnO、5~20%之B2O3、15~35%之SiO2及3~6%之Al2O3，且實質上不含鉛成分。
  2. 如請求項1之半導體元件被覆用玻璃，其更含有：0~5%之Ta2O5、0~5%之MnO2、0~5%之Nb2O5、0~3%之CeO2及0~3%之Sb2O3作為組成。
  3. 一種半導體元件被覆用材料，其特徵在於含有包含如請求項1或2之半導體元件被覆用玻璃之玻璃粉末。
  4. 如請求項3之半導體元件被覆用材料，其相對於玻璃粉末100質量份，含有選自TiO2、ZrO2、ZnO、ZnO‧B2O3及2ZnO‧SiO2中之至少一種無機粉末0.01~5質量份而成。
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