(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３を含有するホウケイ酸系ガラス粉末と、少なくともアルカリ土類金属を含有するセラミックフィラー粉末とを混合、焼成してなり、結晶相と該結晶相の粒界に存在する非晶質相とを具備するガラスセラミック焼結体であって、前記非晶質相中におけるＳｉの含有量が酸化物換算で６７重量％以下、アルカリ土類金属の含有量が酸化物換算で１３重量％以上であることを特徴とするガラスセラミック焼結体。
【請求項２】
前記結晶相として、少なくともＳｉＯ２およびアルカリ土類金属酸化物を含有する複合酸化物結晶相を含有することを特徴とする請求項１記載のガラスセラミック焼結体。
【請求項３】
セラミック絶縁基板と、該絶縁基板の少なくとも表面に被着形成された配線層と、半導体素子を気密に封止するための蓋体とを具備するセラミックパッケ―ジにおいて、前記セラミック絶縁基板が、少なくともＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３を含有するホウケイ酸系ガラス粉末と、少なくともアルカリ土類金属を含有するセラミックフィラー粉末とを混合、焼成してなり、結晶相と該結晶相の粒界に存在する非晶質相とを具備するガラスセラミック焼結体からなり、前記非晶質相中におけるＳｉの含有量が酸化物換算で６７重量％以下、アルカリ土類金属の含有量が酸化物換算で１３重量％以上であることを特徴とするセラミックパッケージ。
【請求項４】
前記結晶相として、少なくともＳｉＯ２およびアルカリ土類金属酸化物を含有する複合酸化物結晶相を含有することを特徴とする請求項３記載のセラミックパッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パッケージ用の絶縁基板に適したガラスセラミック焼結体とそれを用いたセラミックパッケージに関し、Ｈｅの浸透を抑制するための改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子やフィルター素子を収容するセラミックパッケージとして、電気絶縁性や化学的安定性等の特性に優れたアルミナ質セラミックスが多用されてきた。
【０００３】
しかし、近年、携帯電話に代表される通信分野における１〜１０ＧＨｚ帯の高周波領域で多用されるセラミックパッケージには、前記アルミナ質セラミックスから成る絶縁基板よりも更に導体損失の低減と小型化が要求されており、このため、配線層を銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの低抵抗導体によって形成し、絶縁基板を誘電率がアルミナ質セラミックスと同様のガラスセラミック焼結体によって形成したガラスセラミックパッケージが注目されている。
【０００４】
一般に、絶縁基板としてガラスセラミック焼結体を用いたセラミックパッケージは、例えば、焼成時に結晶相を析出するガラス粉末とセラミックフィラー粉末とからなるガラスセラミック原料粉末と、有機バインダー等を用いて調製したスラリーをシート状に成形してグリーンシートを作製し、そのグリーンシートにビアホールや素子を搭載するためのキャビティ等を打ち抜き加工した後、ビアホール内に低抵抗金属を主成分とする導体ペーストを充填すると共に、前記グリーンシート上に同様の導体ペーストを配線パターンに印刷塗布し、これらを複数枚位置合わせして積層一体化した後、水蒸気を含有する窒素雰囲気から成る非酸化性雰囲気中で加熱して脱バインダーおよび焼成することにより作製される。
【０００５】
その後、焼成された基板の表面に半導体素子を搭載し、セラミックスや金属からなる蓋体を基板に接合することにより、半導体素子を気密に封止することができる。
【０００６】
このようなパッケージにおいて、その気密信頼性の評価方法としては、一般的にはＭＩＬ−ＳＴＡＮＤＡＲＤ：８８３の方法１０１４が用いられている。この方法は、蓋体によって気密封止したパッケージを気密チャンバーに入れＨｅガスで所定条件にて加圧した後、パッケージを取り出し、次にリーク検出器を用いてパッケージ内に圧入されたＨｅガスを真空中で引き出して、引き出されたＨｅガスの濃度を測定することにより、気密性が評価され、その検出されるＨｅガス濃度が低いほど気密性が高いとして評価される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とするパッケージにおいては、上記のような気密性の評価をおこなった場合、Ｈｅガス中での加圧処理時にＨｅがガラスセラミック焼結体中にトラップされ、真空中でトラップされたＨｅが引き出されることにより、本来の気密封止特性よりもＨｅガスが高い濃度で検出されることとなるために、セラミックパッケージの気密性の保証ができないという問題があった。
【０００８】
ガラスセラミック焼結体を絶縁基板とするセラミックパッケージの気密封止性については、例えば、実公平７−９３８２号では、Ｐｂ−Ｓｎ半田による封止部におけるメタライズ接着強度の改善などが提案されているにすぎず、Ｈｅガスのトラップ現象については、ほとんど検討されていないのが現状である。
【０００９】
従って、本発明は、Ｈｅガスのトラップが極めて少ないガラスセラミック焼結体を提供するとともに、気密性の保証が可能なガラスセラミック焼結体を絶縁基板とするセラミックパッケージを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記のガラスセラミック焼結体のＨｅガスのトラップ現象について種々検討を重ねた。その結果、原料として結晶化するホウケイ酸系のガラスを用いた場合、最終焼結体中には、通常ＳｉＯ2 を含有する非晶質相が残存するが、この非晶質相は、構成原子が規則正しく配列されていないために、ＳｉＯ2 が多量に存在する非晶質相ではＳｉ−Ｏのネットワーク中に大きな空隙が存在する。このため、気密性評価時にＨｅガス中で加圧した際に、Ｈｅ分子がこのネットワークの空隙にトラップされ、ネットワークにトラップされたＨｅが減圧雰囲気中でネットワークから引き出されて検出されるものと考えられる。
【００１１】
そこで、非晶質相中へのＨｅ原子のトラップについてさらに詳細に調査した結果、非晶質相の組成によりトラップ速度が異なり、具体的には、非晶質相中のＳｉＯ2 量が多いほどＨｅのトラップ速度が速く、また、アルカリ土類金属の酸化物量が多いほどＨｅのトラップ速度を遅くできることから、ガラスセラミック焼結体中に残存する非晶質相の組成を制御することにより、Ｈｅのトラップ現象を抑制し、気密性の正確な評価が可能となることを見いだした。
【００１２】
即ち、本発明のガラスセラミック焼結体は、少なくともＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３を含有するホウケイ酸系ガラス粉末と、少なくともアルカリ土類金属を含有するセラミックフィラー粉末とを混合、焼成してなり、結晶相と該結晶相の粒界に存在する非晶質相とを具備するガラスセラミック焼結体であって、前記非晶質相中におけるＳｉの含有量が酸化物換算で６７重量％以下、アルカリ土類金属の含有量が酸化物換算で１３重量％以上であることを特徴とするものであり、前記結晶相としては、例えば、少なくともＳｉＯ２およびアルカリ土類金属酸化物を含有する複合酸化物結晶相が挙げられる。
【００１３】
また、本発明のセラミックパッケージは、セラミック絶縁基板の少なくとも表面に配線層を被着形成し、半導体素子を気密に封止するための蓋体とを具備するセラミックパッケージにおけるセラミック絶縁基板として、前記ガラスセラミック焼結体を適用したことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明によれば、上記のように、焼成後のガラスセラミック焼結体に残存する非晶質相の組成を上記のように制御することにより、ガラスセラミック焼結体中へのＨｅのトラップ量を低減でき、ガラスセラミックパッケージとしての気密性を保証することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガラスセラミック焼結体およびパッケージについて詳細に述べる。本発明のガラスセラミックパッケージに使用されるガラスセラミック焼結体は、少なくともＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３を含有するホウケイ酸系ガラス粉末と、アルカリ土類金属酸化物を含むセラミックフィラーとを混合、成形、焼成することにより作製されたものである。
【００１６】
本発明によれば、上記のようにして作製されたガラスセラミック焼結体中の結晶相間の粒界に存在する非晶質相中において、Ｓｉの含有量が酸化物換算で６７重量％以下、特に６０重量％以下、アルカリ土類金属の含有量が酸化物換算で１３重量％以上、特に２０重量％以上であることが重要である。
【００１７】
即ち、上記Ｓｉ量が酸化物換算で６７重量％よりも多い、または上記アルカリ土類金属量が酸化物換算で１３重量％よりも少ないと、非晶質相中へのＨｅのトラップ速度が速くなり、Ｈｅのトラップ量が多くなる。
【００１８】
この非晶質相中には、Ｓｉおよびアルカリ土類金属以外に、用いるガラスやフィラーによって、Ａｌ、Ｂ、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｚｎなどの種々の金属元素が含まれる場合もあるが、Ｓｉ量およびアルカリ土類金属量が上記の範囲を逸脱しなければ、前記他の金属が含まれていても問題はない。
【００１９】
ホウケイ酸系ガラスとしては、８００〜１０００℃の温度で焼結可能な公知のガラスを採用でき、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３以外に、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏなどのアルカリ金属酸化物、ＣａＯ、ＭｇＯ、ＢａＯなどのアルカリ土類金属、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＴｉＯ２などを含有してもよい。析出する結晶相としては、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、コージェライト（Ｍｇ２Ａｌ４Ｓｉ５Ｏ１８）、アノーサイト（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８），スラウソナイト（ＳｒＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８）、エンスタタイト（ＭｇＳｉＯ３）、ガ―ナイト（ＺｎＡｌ２Ｏ４）の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられるが、焼結体の強度を高める上では、アノーサイト、スラウソナイトの群から選ばれる少なくとも１種が析出可能なガラスが好適に使用される。
【００２０】
ガラス中のＢ2 Ｏ3 は、低温での液相の生成を助長し、低温での焼結性を促進する成分であり、また、Ａｌ2 Ｏ3 は、後述するアルカリ土類金属酸化物やＳｉＯ2 との反応によって、結晶相の析出の促進と、非晶質相中のＳｉＯ2 量を低減する作用をなす。
【００２１】
従って、ガラス中には、ＳｉＯ2 を３０〜７０重量％、Ｂ2 Ｏ3 を５〜２０重量％、Ａｌ2 Ｏ3 を１０〜４０重量％の割合で含有することが望ましい。
【００２２】
一方、アルカリ土類金属酸化物を含むセラミックフィラーとしては、特に、ホウケイ酸系ガラスとの反応性が高い点において、ＣａＺｒＯ３、ＣａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３およびＭｇＴｉＯ３のうちの少なくとも１種が挙げられる。これらのフィラーは焼成時にホウケイ系ガラスと反応してアルカリ土類金属酸化物が分解し、分解したアルカリ土類金属酸化物は、ガラス中のＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３と反応して、アノーサイト（ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）やコ―ジェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）などのＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３−アルカリ土類金属酸化物系の複合酸化物結晶相を析出する。このような反応による前記複合酸化物結晶相の析出によって、最終焼結体中の結晶相間に存在する非晶質相中のＳｉＯ２量を低減することができる。
【００２３】
また、ガラスセラミック原料のガラス粉末がアルカリ土類金属の酸化物を含有し、セラミックフィラーと混合、焼成した際にＭｇＡｌ2 Ｏ4 やＺｎＡｌ2 Ｏ4 のようなＳｉＯ2 を含有しない結晶相が析出しないような組成を選択することにより、残存ガラス中のＳｉＯ2 に対するアルカリ土類金属酸化物の量を確保でき、Ｈｅ浸透量を少なくすることができる。
【００２４】
また、上記結晶相が析出する場合、焼結体中に含まれるアルカリ土類金属が結晶相としてすべて消費されず、非晶質相中に残存させるためには、焼結体中のアルカリ土類金属量を結晶化に消費される量よりも多くのアルカリ土類金属を含有させることにより、非晶質相中のアルカリ土類金属量を増加させることが可能となる。
【００２５】
本発明によれば、上記のガラスセラミック焼結体をセラミックパッケージの絶縁基板として用いる。そこで、図１にセラミックパッケージの一例の概略断面図を図１に示した。
【００２６】
図１によれば、セラミックパッケージＡは、上記ガラスセラミック焼結体からなるセラミック絶縁基板１の表面には、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低融点金属からなる配線層２が被着形成されるとともに、絶縁基板の表面に搭載された半導体素子３とワイヤボンディング４などによって電気的に接続されている。
【００２７】
また、絶縁基板１の裏面には、他の電気回路と半田などのロウ材によって接続するための配線層５が形成されている。また、この配線層５には、適宜、半田ボールやリードピンなどの接続端子を取付けて他の電気回路と接続する場合もある。この配線層５は、絶縁基板１の表面に形成された配線層２とスルーホール導体６等によって電気的に接続されている。
【００２８】
そして、絶縁基板１の表面には、蓋体７が半田などの封止用金属８によって封止のために形成された配線層２に対して接合され、蓋体７および絶縁基板１によって形成されるキャビティ９内に半導体素子３が気密に封止されている。
【００２９】
このようなパッケージを作製するには、前記ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３およびＡｌ２Ｏ３を含有するガラス粉末を３０〜９０重量％、アルカリ土類金属酸化物を含有するセラミックフィラー粉末を１０〜７０重量％の割合で添加混合する。ガラス粉末とセラミックフィラー粉末との配合比率は、パッケージ作製時に配線層を銅、銀などの低融点金属によって構成し、配線層と同時焼成するに適した８００〜１０００℃の温度で相対密度９５％以上に緻密化できるように決定され、ガラス粉末量が３０重量％よりも少なく、セラミックフィラー量が７０重量％よりも多いと、焼結不良となり、緻密化できない場合が多く、ガラス粉末量が９０重量％よりも多く、セラミックフィラー量が１０重量％よりも少ないと、焼成収縮がより低温から進行するため、配線層を銅によって形成した場合にＮ２＋Ｈ２Ｏなどの雰囲気中での十分な有機バインダーの除去が難しくなるためである。
【００３０】
このようにして調製された混合粉末に、成形用の有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合してスラリーを作製する。有機バインダーとしては、低温での熱分解性に優れたメタクリル酸系の樹脂が好適である。また可塑剤にはフタル酸ジブチル、溶剤にはトルエンを使用することが好適である。
【００３１】
次に、得られたスラリーをドクターブレード法でグリーンシートに成形し、グリーンシートに、適宜パンチング、マイクロドリル、レーザーなどによってビアホールとキャビティなどの加工を行い、ビアホールに、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕなどの低融点金属粉末を含有する導体ペーストを充填した後、同様の導体ペーストを用いて配線パターンをスクリーン印刷法などによって印刷する。絶縁基板表層となるグリーンシートには、蓋体を接合するための封止用金属層パターン状に導体ペーストが印刷塗布される。
【００３２】
導体ペースト中には、前記低融点金属粉末に加え、焼成時の反りや導体の接合強度を改善するために軟化点を調整したガラス、さらには有機バインダー、溶剤を添加混合する。Ｃｕを導体材料とする場合は非酸化性の雰囲気下での脱バインダーが必要となるため、導体ペーストのバインダーにはグリーンシートと同様に熱分解性に優れたメタクリル酸系の樹脂を使用することが望ましい。
【００３３】
上記のようにて作製されたグリーンシートを複数層積層一体化した後、８００〜１０００℃の温度で焼成する。ＡｕやＡｇを導体材料とする場合は大気中で焼成し、Ｃｕを導体材料とする場合は窒素に水蒸気を混合した雰囲気で焼成することが望ましい。その後、焼成された基板に対して、Ｃｕを導体材料とする場合は、ＮｉやＣｕ等の下地メッキの上にＡｕメッキを施す。
【００３４】
そして、半導体素子を基板表面にフリップチップ実装やワイヤボンディング実装した後、基板表面に蓋体を接合する。蓋体の接合は、Ａｕ−ＧｅやＡｕ−Ｓｎ等のＡｕ系ろう材や、Ｐｂ−Ｓｎ等の半田を用いて、基板表面に封止用の金属層に接合することにより、半導体素子を気密に封止した半導体装置を作製することができる。
【００３５】
【実施例】
ＳｉＯ2 ：４４重量％、Ａｌ2 Ｏ3 ：２８重量％、ＭｇＯ：１１重量％、ＺｎＯ：８重量％、Ｂ2 Ｏ3 ：９重量％の組成を有する結晶性のガラス粉末に表１に示すような割合でセラミックフィラーを配合し、表１に示す６種類のガラスセラミック原料粉末を作製した。
【００３６】
これらのガラスセラミック原料粉末に対して、有機バインダーとしてメタクリル酸イソブチル樹脂を固形分で１２重量％、可塑剤としてフタル酸ジブチルを６重量％添加し、トルエン及び酢酸エチルを溶媒としてボールミルにより４０時間混合しスラリーを作製した。そして、このスラリーを用いてドクターブレード法によりシート状に成形し厚さ０．３ｍｍのガラスセラミックグリーンシートを作製した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
ガラスセラミック焼結体へのＨｅのトラップ性を評価するためのサンプルとして、上記のグリーンシートを４枚積層後、水蒸気を含む窒素雰囲気中で表１に示す温度で焼成し、５０ｍｍ×５０ｍｍサイズのガラスセラミック基板を作製した。
【００３９】
作製したガラスセラミック基板に対して、Ｘ線回折測定を行い、検出された結晶相を表１に示した。また、結晶相の粒界に存在する非晶質相の組成を透過型電子顕微鏡写真にて観察しながら、エネルギー分散型Ｘ線スペクトル分析（ＥＤＳ）および電子エネルギーロススペクトル分析（ＥＥＬＳ）によって分析を行いその結果を表２に示した。そして、このセラミック基板をＨｅガス中において４．２ｋｇｆ／ｃｍ2 で２時間加圧し、２０分間放置した後に、Ｈｅリークディテクターにて真空中に保持しガラスセラミック基板から放出されたＨｅ量を測定しその結果をＨｅトラップ量として表２に示した。
【００４０】
【表２】
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【００４１】
表２の結果、非晶質相中におけるＳｉの含有量が酸化物換算で６７重量％よりも越えるか、またはアルカリ土類金属の含有量が酸化物換算で１３重量％よりも少ない試料Ｎo.１，２，３はいずれもＨｅトラップ量が１×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃよりも大きいものであった。
【００４２】
また、上述のＨｅトラップ性評価試験でＨｅの放出量が１×１０−８ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下のガラスセラミック焼結体（Ｎｏ．４〜６）について、外辺サイズ：８ｍｍ×８ｍｍ、厚み：１．５ｍｍ、キャビティサイズ：６ｍｍ×６ｍｍ、キャビティ深さ：１ｍｍのパッケージを作製した。パッケージの表層のキャビティの周囲にＣｕ導体による封止用金属層を設けた。この封止用金属層にＮｉ−Ａｕメッキを施した後、コバール合金製金属蓋体をＡｕ−Ｓｎろう材にて接合した。
【００４３】
そして、作製したパッケージをＨｅガス中において４．２ｋｇｆ／ｃｍ2 で２時間加圧し、２０分間放置した後にＨｅリークディテクターにて真空中にてパッケージよりリークするＨｅ量を測定した。リーク量はＮo.４〜６のいずれのパッケージも５×１０-9ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下であり、パッケージの気密性の判定基準である５×１０-8ａｔｍ・ｃｃ／ｓｅｃ以下を満足した。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のガラスセラミック焼結体は、焼成後の結晶相の粒界に残存する非晶質相の組成を制御することにより、ガラスセラミック焼結体へのＨｅのトラップを特性することができるために、Ｃｕなどの低融点金属からなる配線層を具備するセラミックパッケージに対する気密性の評価及び品質の保証を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックパッケージの一例を説明するための概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ  セラミックパッケージ
１  セラミック絶縁基板
２，５  配線層
３  半導体素子
４  ワイヤボンディング
６  スルーホール導体
７  蓋体
８  封止用金属層
９  キャビティ
【図１】
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