TWI657543B - 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擔較小且表面電荷密度較大之半導體元件被覆用玻璃。
本發明之半導體元件被覆用玻璃之特徵在於：含有以質量%計50~62%(其中不包括62%)ZnO、19~28% B2O3、8~15%(其中不包括8%)SiO2、3~12%Al2O3，且實質上不含鹼金屬成分、鉛成分、Bi2O3、Sb2O3及As2O3。

Description

半導體元件被覆用玻璃
本發明係關於一種作為包含P-N接面之半導體元件之被覆用所使用之玻璃。
通常，矽二極體或電晶體等半導體元件中，就防止因外部氣體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接面部之表面。藉此，可謀求半導體元件表面之穩定化，抑制經時性特性劣化。
作為半導體元件被覆用玻璃所要求之特性，可列舉如下特性等：(1)熱膨脹係數與半導體元件之熱膨脹係數相符，以於被覆時不會因與半導體元件之熱膨脹係數差而產生龜裂等；(2)可於相對低溫(例如900℃以下)下進行被覆，以防止半導體元件之特性劣化；(3)不含會對半導體元件之特性產生不良影響之鹼金屬成分等雜質；(4)關於半導體元件表面被覆後之電特性，具有反向電壓較高、漏電流較少等較高之可靠性。
先前，作為半導體元件被覆用玻璃，已知ZnO-B2O3-SiO2系等鋅系玻璃、或者PbO-SiO2-Al2O3系或PbO-SiO2-Al2O3-B2O3系等鉛系玻璃，就作業性之觀點而言，PbO-SiO2-Al2O3系及PbO-SiO2-Al2O3-B2O3系等鉛系玻璃成為主流(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
PbO等鉛成分係環境負荷較大之成分，因此近年來不斷限制其於電氣及電子機器中之使用，不斷推進各種材料之無鉛化。已述之ZnO-B2O3-SiO2系等鋅系玻璃中亦含有少量之鉛成分，亦有就環境方面而言限制使用者。
另一方面，不含鉛成分之玻璃中，表面電荷密度較低者為主流，難以應對中~高耐壓用之半導體元件。作為具有高表面電荷密度之半導體元件被覆材料，亦提出有包含含有Bi2O3之玻璃之材料，但Bi2O3與鉛同樣地存在對環境之負荷之擔憂。
鑒於以上情況，本發明之目的在於提供一種對環境之負擔較小且表面電荷密度較大之半導體元件被覆用玻璃。
本發明者進行銳意研究，結果發現藉由具有特定組成之ZnO-B2O3-SiO2系玻璃可解決上述問題，將其以本發明之形式提出。
即，本發明之半導體元件被覆用玻璃之特徵在於：含有以質量%計50~62%(其中不包括62%)ZnO、19~28% B2O3、8~15%(其中不包括8%)SiO2、3~12% Al2O3，且實質上不含鹼金屬成分、鉛成分、Bi2O3、Sb2O3及As2O3。
再者，於本發明中，所謂「實質上不含」，意指不刻意地作為玻璃成分添加，而非意指連不可避免地混入之雜質亦完全排除。客觀而言，意指包含雜質之相關成分之含量以質量%計未達0.1%。
本發明之半導體元件被覆用玻璃較佳為進而含有以質量%計0~ 5% MnO2、0~5% Nb2O5、及0~3% CeO2。
本發明之半導體元件被覆用玻璃粉末之特徵在於包含上述半導體元件被覆用玻璃。
本發明之半導體元件被覆用材料之特徵在於：含有100質量份之上述半導體元件被覆用玻璃粉末、及0.01~5質量份之選自TiO2、ZrO2、ZnO、αZnO˙B2O3、2ZnO˙SiO2、堇青石及石英中之至少1種無機粉末。
尤其於Si等之半導體元件與被覆用玻璃之接觸面積非常大之情形時，為了抑制龜裂等之產生，較理想為半導體元件與被覆用玻璃之熱膨脹係數相近。被覆用玻璃之熱膨脹係數可藉由玻璃中所含之結晶成分而進行調整，但恰當地控制析出結晶量非常困難。因此，若對半導體元件被覆用玻璃粉末適當地添加上述無機粉末，則該等無機粉末會發揮成核劑之作用，因此可相對容易地控制析出結晶量。結果可容易地達成所需之熱膨脹係數。
本發明之半導體元件被覆用玻璃之特徵在於：含有以質量%計50~62%(其中不包括62%)ZnO、19~28% B2O3、8~15%(其中不包括8%)SiO2、3~12%Al2O3，且實質上不含鹼金屬成分、鉛成分、Bi2O3、Sb2O3及As2O3。以下，說明於本發明之半導體元件被覆用玻璃中如上所述般規定各成分之含量之原因。再者，以下關於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之含量係50~62%(其中不包括62%)ZnO，較佳為55~61%。若ZnO之含量過少，則難以獲得上述效果。又，熱膨脹係數容易變大，結果，玻璃與半導體元件之熱膨脹差變大， 有於玻璃產生龜裂之虞。另一方面，若ZnO之含量過多，則由於被覆時之熱處理導致結晶化急速地進行，故而有因流動性不足而難以被覆半導體元件表面之傾向。
B2O3係網絡形成成分，具有提高流動性之效果。B2O3之含量為19~28%，較佳為20~25%。若B2O3之含量過少，則結晶性變強而流動性受損，有難以被覆半導體元件表面之傾向。另一方面，若B2O3之含量過多，則熱膨脹係數容易變大。結果，玻璃與半導體元件之熱膨脹差變大，有於玻璃產生龜裂之虞。
SiO2係網絡形成成分，具有提高耐酸性之效果。SiO2之含量為8~15%(其中不包括8%)，較佳為9~14%。若SiO2之含量過少，則化學耐久性容易降低。又，熱膨脹係數容易變大，結果，玻璃與半導體元件之熱膨脹差變大，有於玻璃產生龜裂之虞。若SiO2之含量過多，則均質性容易降低。
Al2O3係提高表面電荷密度之成分。Al2O3之含量為3~12%，較佳為5~10%，更佳為5.5~9.5%。若Al2O3之含量過少，則難以獲得上述效果。另一方面，若Al2O3之含量過多，則容易失透。
鹼金屬成分(Li2O、Na2O及K2O等)有對半導體元件之特性產生不良影響之傾向。因此，本發明之半導體元件被覆用玻璃實質上不含鹼金屬成分。又，就減少對環境之負荷之觀點而言，本發明之半導體元件被覆用玻璃實質上不含鉛成分、Sb2O3及As2O3。進而，如上所述，Bi2O3亦為有對環境之負荷之擔憂之成分，因此本發明之半導體元件被覆用玻璃實質上不含Bi2O3。再者，若含有Bi2O3，則可容易地增大表面電荷密度，因此容易提高耐壓，但同時有漏電流亦變大之傾向。因此，就減少漏電流之觀點而言亦為實質上不含Bi2O3較為有效。
本發明之半導體元件被覆用玻璃除上述成分以外可含有MnO2、Nb2O5或CeO2。該等成分具有減少半導體元件之漏電流之效果。
MnO2之含量較佳為0~5%，更佳為0.1~3%。若MnO2之含量過多，則有熔融性降低之傾向。
Nb2O5之含量較佳為0~5%，更佳為0.1~3%。若Nb2O5之含量過多，則有熔融性降低之傾向。
CeO2之含量較佳為0~3%，更佳為0.1~2%。若CeO2過多，則有結晶性變得過強而流動性降低之傾向。
就可容易地進行半導體元件表面之被覆之觀點而言，本發明之半導體元件被覆用玻璃較佳為粉末狀(半導體元件被覆用玻璃粉末)。於此情形時，玻璃粉末之平均粒徑D50較佳為25μm以下，更佳為15μm以下。若玻璃粉末之平均粒徑D50過大，則有難以漿料化或難以進行電泳塗佈之傾向。再者，玻璃粉末之平均粒徑D50之下限並無特別限定，就實際情況而言為0.1μm以上。
本發明之半導體元件被覆用玻璃可藉由如下方式獲得：將氧化物等原料粉末調合而製作批料，於1400℃左右熔融約1小時後進行成形。又，對成形後之玻璃進而進行粉碎及分級，藉此可獲得半導體元件被覆用玻璃粉末。
本發明之半導體元件被覆用材料係於上述半導體元件被覆用玻璃粉末中含有選自TiO2、ZrO2、ZnO、αZnO˙B2O3、2ZnO˙SiO2、堇青石及石英中之至少1種無機粉末作為成核劑而成者。關於無機粉末之含量，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，更佳為0.1~3質量份。若無機粉末之含量過少，則析出結晶量變少，難以達成所需之熱膨脹係數。若無機粉末之含量過多，則析出結晶量過多而流動性受損，有難以進行半導體元件表面之被覆之傾向。
再者，無機粉末之粒徑越小，則析出結晶之粒徑越小而被覆用材料之結構越緻密，因此有機械強度變大之傾向。因此，無機粉末之平均粒徑D50較佳為5μm以下，更佳為3μm以下。再者，無機粉末之平均 粒徑D50之下限並無特別限定，就實際情況而言為0.1μm以上。
關於本發明之半導體元件被覆用玻璃及半導體元件被覆用材料之表面電荷密度，對於電壓1000V之半導體裝置而言較佳為4×1011/cm2以上，對於1500V以上之半導體裝置而言較佳為9×1011/cm2以上。再者，若表面電荷密度變大，則耐壓變高，但同時有漏電流亦變大之傾向。因此，於應用於1000~1500V左右之半導體元件之情形時，為了抑制漏電流並獲得與耐壓之平衡，表面電荷密度較佳為調整為例如12×1011/cm2以下、進而10×1011/cm2以下。
本發明之半導體元件被覆用玻璃及半導體元件被覆用材料之熱膨脹係數(30~300℃)係根據半導體元件之熱膨脹係數而於例如20~60×10-7/℃、進而30~50×10-7/℃之範圍內適當地調整。
[實施例]
以下，基於實施例對本發明進行說明，但本發明不限定於該等實施例。
表1示出本發明之實施例及比較例。
各試樣係以如下方式製作。首先，以成為表1中之玻璃組成之方式將原料粉末調合而製作批料，於1400℃下熔融1小時。將熔融玻璃成 形為膜狀後，藉由球磨機進行粉碎，使用350目之篩網進行分級，獲得半導體元件被覆用玻璃粉末(平均粒徑D50：12μm)。
對於所獲得之半導體元件被覆用玻璃粉末測定熱膨脹係數與表面電荷密度。再者，實施例6中係對相對於100質量份之半導體元件被覆用玻璃粉末添加0.1質量份之ZnO粉末而成者進行測定。將結果示於表1。
熱膨脹係數係使用熱膨脹計於30~300℃之溫度範圍內測定。
表面電荷密度係以如下方式進行測定。首先，將玻璃粉末分散於有機溶劑中，並藉由電泳使其以成為一定膜厚之方式附著於矽板表面，繼而，進行燒成而形成玻璃層。於玻璃層上形成鋁電極後，使用電容-電壓(C-V)測定計而測定玻璃中之電容之變化，算出表面電荷密度。
由表1可知，實施例1~5之試樣之表面電荷密度為5×1011/cm2以上而較高。其為與先前之PbO-SiO2-Al2O3系或PbO-SiO2-Al2O3-B2O3系等鉛系玻璃同等之表面電荷密度。因此，實施例1~6之半導體元件被覆用玻璃(半導體元件被覆用材料)適於中~高耐壓用之半導體元件之被覆。
另一方面，可知，比較例1之試樣之表面電荷密度為1×1011/cm2而較低，不適於中~高耐壓用之半導體元件之被覆。

Claims (5)

  1. 一種半導體元件被覆用玻璃，其特徵在於：含有以質量%計50~62%(其中不包括62%)ZnO、19~28% B2O3、12.5~15% SiO2、4~12% Al2O3，且實質上不含鹼金屬成分、鉛成分、Bi2O3、Sb2O3及As2O3。
  2. 如請求項1之半導體元件被覆用玻璃，其進而含有以質量%計0~5% MnO2、0~5% Nb2O5、及0~3% CeO2。
  3. 如請求項1或2之半導體元件被覆用玻璃，其表面電荷密度為7×1011/cm2以上。
  4. 一種半導體元件被覆用玻璃粉末，其包含如請求項1至3中任一項之半導體元件被覆用玻璃。
  5. 一種半導體元件被覆用材料，其特徵在於：含有100質量份之如請求項4之半導體元件被覆用玻璃粉末、及0.01~5質量份之選自TiO2、ZrO2、ZnO、αZnO˙B2O3、2ZnO˙SiO2、堇青石及石英中之至少1種無機粉末。
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