(57)【要約】【課題】高価な金や、環境影響のある鉛を使用せずに、気密封止不良の発生が低いハーメチックシール方法および半導体装置を提供する。【解決手段】シールカバーと半導体パッケージを接合するに際し、シールカバーには、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に設け、半導体パッケージには、Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂからなる群から選ばれる１種以上からなる表面層を含むシールカバー接着用メタライズ層を設け、前記片面と前記表面層を接合して行う。あるいは、半導体パッケージには、Ｎｉ層上にＡｕの表面層を０．００１〜０．８μｍ設けたシールカバー接着用メタライズ層を設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールカバーと半導体パッケージを接合するハーメチックシール方法において、シールカバーには、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に設け、半導体パッケージには、Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂからなる群から選ばれる１種以上からなる表面層を含むシールカバー接着用メタライズ層を設け、前記片面と前記表面層を接合して行うハーメチックシール方法。
【請求項２】
シールカバーと半導体パッケージを接合するハーメチックシール方法において、シールカバーには、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に設け、半導体パッケージには、Ｎｉ層上にＡｕの表面層を０．００１〜０．８μｍ設けたシールカバー接着用メタライズ層を設け、前記片面と前記表面層を接合して行うハーメチックシール方法。
【請求項３】
Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に備えた金属板のシールカバーと、Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂからなる群から選ばれる１種以上からなる表面層を含むシールカバー接着用メタライズ層を備えた半導体パッケージとにより、前記片面と前記表面層を接合して組み立てられた半導体装置。
【請求項４】
Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に備えた金属板のシールカバーと、Ｎｉ層の上にＡｕの表面層を０．００１〜０．８μｍ設けたシールカバー接着用メタライズ層を備えた半導体パッケージとにより、前記片面と前記表面層を接合して組み立てられた半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハーメチックシール方法および半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体パッケージの一種に、図１に示すようなセラミック基板がある。
【０００３】
図１に斜視図を示したセラミック基板では、下層板１ｃ、中間板１ｂおよび上層板１ａが一体化された３層構造を有するパッケージ基板１が用いられる。下層板１ｃは、中央に半導体素子接合用のメタライズ層を有する。中間板１ｂは、中央に開口を有し、上層板１ａに面した表面にリードパターンが形成される。上層板１ａは、前記リードパターンの開口部側先端部と、下層板１ｃに接合した半導体素子４の上の電極とを、結合可能とする幅だけ、中間板１ｂの開口より大きい開口を有する。さらに、長辺側部で、中間板１ｂと上層板１ａとの間には、前記リードパターンの外側先端部と導通するように接合された金属リード２が設けられる。
【０００４】
前記上層板１ａの開口の周囲には、図２および図３に示したようにシールカバー６を接着するためのメタライズ層３が設けられる。メタライズ層３および前記リードパターンは、通常、Ｍｏ−Ｍｎ系の導電ペーストで形成され、これらとリード２には、Ａｕメッキが施される。
【０００５】
このようなセラミック基板を用いて半導体装置を組み立てるパッケージング工程は、ハーメチックシール工程と呼ばれる。
【０００６】
ハーメチックシール工程では、先ず、図２に示した断面図のように、パッケージ基板１の中央のくぼみに半導体素子接合用のメタライズ層を介して、半導体素子４を接合し、該半導体素子４の上の電極と、リードパターンの内側先端部とを、細いコネクター線で結合する。
【０００７】
次に、シールカバー６にろう材５を窓枠状に設けて、ハーメチックシール用キャップを作製する。
【０００８】
該ハーメチックシール用キャップを、ろう材５がメタライズ層３と接するように、パッケージ基板１の上に載せて、ろう材５の融点以上に加熱し、後冷却することにより、シールカバー６をろう付けする。
【０００９】
従来、ろう材５には、一般的に金錫合金ろうや、鉛錫系はんだが用いられ、シールカバー６の材質としては、一般的に鉄ニッケル合金、コバール系合金、銅あるいは銅合金、セラミック等が用いられている。例えば、特開平１０−２４７６９６号公報には、鉛系ろう材が用いられた半導体パッケージハーメチックシール用キャップが開示されている。
【００１０】
また、特開２００２−１８４８８６号公報には、Ｓｎ／Ｓｂ合金のろう材を用いた半導体パッケージハーメチックシール用キャップが開示されている。
【００１１】
金錫合金ろうは、主成分が高価な金であるために原料代が高く、プレス機を用いた打ち抜きにより所定の寸法に成形加工するために収率が極めて低いので、打ち抜き残りから有価金属を回収する必要があり、加工代も高い。そのため、非常に高価なものとなっている。
【００１２】
鉛錫系はんだは、環境問題での鉛フリー化で錫系はんだに切り替えが進んでいるが、実装温度から、半導体には２６０℃１０秒の耐熱が要求されるために、錫系はんだでも比較的融点が高い錫アンチモン系はんだの採用が検討されている。
【００１３】
しかし、錫アンチモン系はんだは、シールカバー接着用メタライズ層の金が溶け込み、２２１℃の低融点相を形成し、実装時にろう材が再溶融し、気密不良が発生する問題があった。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１０−２４７６９６号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開２００２−１８４８８６号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高価な金や、環境影響のある鉛を使用せずに、気密封止不良の発生が低いハーメチックシール方法および半導体装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のハーメチックシール方法では、シールカバーと半導体パッケージを接合するに際し、シールカバーには、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に設け、半導体パッケージには、Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂからなる群から選ばれる１種以上からなる表面層を含むシールカバー接着用メタライズ層を設け、前記片面と前記表面層を接合して行う。
【００１８】
あるいは、シールカバーと半導体パッケージを接合するに際し、シールカバーには、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に設け、半導体パッケージには、Ｎｉ層上にＡｕの表面層を０．００１〜０．８μｍ設けたシールカバー接着用メタライズ層を設け、前記片面と前記表面層を接合して行う。
【００１９】
本発明の半導体装置は、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に備えた金属板のシールカバーと、Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂからなる群から選ばれる１種以上からなる表面層を含むシールカバー接着用メタライズ層を備えた半導体パッケージとにより、前記片面と前記表面層を接合して組み立てられたものである。
【００２０】
あるいは、Ｓｂ３．５〜２０質量％のＳｎ／Ｓｂ合金であるろう材を片面に備えた金属板のシールカバーと、Ｎｉ層の上にＡｕの表面層を０．００１〜０．８μｍ設けたシールカバー接着用メタライズ層を備えた半導体パッケージとにより、前記片面と前記表面層を接合して組み立てられたものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明のハーメチックシール方法では、シールカバー接着用メタライズ層が、Ｓｎ／Ｓｂ系のろう材中に溶け込んでも、実装時に再溶融がおきないようにし、気密不良を低減させる。
【００２２】
シールカバー接着用メタライズ層の表面層（最表面）に含まれる元素のうち、Ｎｉは、ろう材中に溶融しないので用いられ、ＳｎおよびＳｂは、ろう材中に溶融しても、ろう材の構成元素とにより低融点の化合物を生成しないので用いられる。
【００２３】
あるいは、前記Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂの層を中間層として、この上に０．００１〜０．８μｍのＡｕメッキを施して表面層としてもよい。この場合、Ａｕメッキの膜厚が０．００１μｍ未満では、Ａｕによる濡れ性の向上効果が無く、Ａｕメッキの膜厚が０．８μｍを超えると、Ａｕがろう材中に溶け込み、低融点相を生成する。
【００２４】
本発明におけるＳｎ／Ｓｂ合金のろう材のＳｂ濃度は、３．５〜２０質量％である。３．５質量％未満では、液相温度が２３０℃より低くなり、実装時に一般的に使用されるろう材融点の２２０℃に近づき、Ｓｎ／Ｓｂ系ろう材使用のメリットが無くなり、２０質量％を超えると、ろう材の液相温度が３２０℃を超え、一般的な封止作業温度である３４０℃でのろう付けが不十分になる。
【００２５】
以下に、本発明のハーメチックシール方法の詳細を記す。
【００２６】
図１に示したセラミックパッケージにおいて、パッケージの封着用メタライズ層３を、Ｍｏ−Ｍｎ系の導電ペーストで形成する。次いで、Ｎｉメッキを１μｍ施す。そして、表面層（最表面）を次のようにして形成する。
【００２７】
（１）Ｎｉメッキのままとする。
【００２８】
（２）Ｎｉメッキの上に、Ｎｉ、ＳｎおよびＳｂからなる群から選ばれる１種以上を含むメッキを施す。
【００２９】
（３）Ｎｉメッキの上に、０．００１〜０．８μｍのＡｕメッキを施す。
【００３０】
金属板からなるシールカバーへのろう材の接合は、金属フォイルとはんだフォイルを圧延機により冷間圧接するか、溶融したはんだを金属フォイルに塗布するか、はんだをペースト化して印刷後、リフローするかにより、行われる。このときの金属フォイルは、熱膨張の関係から、セラミック基板では４２アロイまたはコバールが用いられ、銅基板では無酸素銅などが用いられる。
【００３１】
得られたろう材付き金属フォイルを、金型により所定の寸法に打ち抜くことにより、半導体ハーメチックシール用キャップが得られる。はんだをペースト化して印刷する際には、金属フォイルの全面に印刷するか、窓枠状となるように印刷した後に、金型で打ち抜いて作製する。
【００３２】
窓枠状のろう材を用いた接合では、スポット溶接や熱圧着が知られており、４２アロイ、コバール、無酸素銅などにＮｉメッキを施した金属板やセラミック板を用いる。
【００３３】
図２および図３は、ハーメッチクシール方法による本発明の半導体装置の一実施例を示す断面図である。
【００３４】
パッケージ基板１は、一般的にはセラミック基板が用いられ、高周波用途では銅基板が用いられることもある。
【００３５】
セラミック基板では、パッケージ基板１が、下層板１ｃ、中間板１ｂおよび上層板１ａが一体化された３層構造を有する。下層板１ｃは、中央に半導体素子接合用のメタライズ層を有する。中間板１ｂは、中央に開口を有し、上層板１ａに面した表面にリードパターンが形成される。上層板１ａは、前記リードパターンの開口部側先端部と、下層板１ｃに接合した半導体素子４の上の電極とを、結合可能とする幅だけ、中間板１ｂの開口より大きい開口を有する。さらに、長辺側部で、中間板１ｂと上層板１ａとの間には、前記リードパターンの外側先端部と導通するように接合された金属リード２が設けられる。
【００３６】
前記上層板１ａの開口の周囲には、シールカバー６を接着するためのメタライズ層３が設けられる。前記リードパターン２は、Ｍｏ−Ｍｎ系の導電ペーストで形成され、Ｎｉメッキおよび／またはＡｕメッキが施される。メタライズ層３は、Ｍｏ−Ｍｎ系の導電ペーストで形成され、この上に、Ｎｉメッキが施され、前述のように（１）〜（３）のいずれかの措置が行われる。
【００３７】
次に、パッケージ基板１の中央くぼみに半導体素子４が接合され、該半導体素子４の上の電極と、リードパターンの内側先端部とを、細いコネクター線で結合する。
【００３８】
最後に、ろう材５を下に向けたシールカバー６を、メタライズ層３の上に載せて、ろう材５の融点以上に加熱し、後冷却して融着させる。
【００３９】
以下、実施例を用いて更に本発明を説明する。
【００４０】
【実施例】
（実施例１）
４２アロイフォイルと、表１に示したＮｏ．１〜２０の各組成からなるろう材フォイルとを、圧延機を用いて接合し、ろう材厚０．０５ｍｍ、４２アロイ厚０．２ｍｍ、外寸法１０ｍｍ×１０ｍｍのハーメチックシール用キャップをそれぞれ５０個（ろう材の組成が２０種で、計１，０００個）、作製した。得られたハーメチックシール用キャップを、最高温度３２０℃で、Ｍｏ−Ｍｎ系導電ペーストの上にメッキしたＮｉ層１μｍからなる、すなわち、シールカバー接着用メタライズ層の表面層をＮｉとしたパッケージに封止して、半導体装置を得た。
【００４１】
該半導体に、実装時の熱履歴である２６０℃１０秒をかけた後、０．４５ＭＰａ、２時間のヘリウムリーク試験を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４２】
（実施例２）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上にＳｎの表面層を設けた以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４３】
（実施例３）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上にＳｂの表面層を設けた以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４４】
（実施例４）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上にＳｎ／Ｓｂ合金の表面層を設けた以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４５】
（実施例５）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上にＳｎ／Ｎｉ合金の表面層を設けた以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４６】
（実施例６）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上にＳｂ／Ｎｉ合金の表面層を設けた以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４７】
（実施例７）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上に、最表面を膜厚が０．００１μｍのＡｕメッキとした以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４８】
（実施例８）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上に、最表面を膜厚が０．３μｍのＡｕメッキとした以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００４９】
（実施例９）
シールカバー接着用メタライズ層のＮｉ層の上に、最表面を膜厚が０．８μｍのＡｕメッキとした以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００５０】
（実施例１０）
膜厚が２μｍのＮｉメッキと、その上に膜厚が０．０１μｍのＡｕメッキを施した４２アロイフォイルと、表１に示したＮｏ．１〜２０の各組成からなるろう材フォイルとを、それぞれ一辺１０ｍｍ角に打ち抜き、２００℃で熱圧着して接合して、ハーメチックシール用キャップをそれぞれ５０個（ろう材の組成が２０種で、計１，０００個）、作製した。得られたハーメチックシール用キャップを、最高温度３２０℃で、シールカバー接着用メタライズ層をＭｏ−Ｍｎ系の導電ペーストとその上のＮｉ表面層で形成したパッケージに封止して、半導体装置を得た。
【００５１】
実施例１と同様のヘリウムリーク試験の結果、気密封止不良はなかった。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
（比較例）
シールカバー接着用メタライズ層をＭｏ−Ｍｎ系の導電ペーストの上にＮｉ層を設け、さらに最表面を膜厚が０．９μｍのＡｕメッキとした以外は、実施例１と同様にして、半導体装置を得て、同様の評価を行った。ヘリウムリーク試験の結果、気密不良が平均で３／５０発生した。気密不良の発生したハーメチックシール部分を確認したところ、ろう材の再溶融が確認された。
【００５４】
【発明の効果】
本発明により、高価な金や、環境影響のある鉛を使用せずに、気密封止不良の発生が低いハーメチックシール方法および半導体装置を提供することできた。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック基板を用いた半導体パッケージを示した斜視図である。
【図２】半導体装置の断面図である。
【図３】半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１  セラミック基板
１ａ  上層板
１ｂ  中間板
１ｃ  下層板
２  金属リード
３  シールカバー接着用メタライズ層
４  半導体素子
５  ろう材
６  シールカバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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