JPH06232284A

JPH06232284A - 半導体パッケージ用のセラミック製リッド

Info

Publication number: JPH06232284A
Application number: JP50A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Kimura; 賀津雄木村; Haruhiko Murata; 晴彦村田; Koji Sugawara; 幸二菅原; Yukihiro Aoyama; 幸裕青山
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1993-02-05
Publication date: 1994-08-19
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: JP3214638B2

Abstract

(57)【要約】【目的】セラミック製リッドのはんだ付け工程におい
て、溶融したはんだの飛散を防止する。【構成】リッド１に形成されたパッケージ本体１１封
着用のはんだ層４に、リッド１がパッケージ本体１１に
被せられたときに、パッケージの内外にガスの流通が保
持される凹部５を設ける。これにより、はんだ付け工程
で膨脹するパッケージ内部のガスは凹部５から外部に放
出され、この状態は固相線温度と液相線温度の間まで保
持される。したがって、その分、パッケージ内部が密封
され始める温度が液相線温度に近付き、従来のリッドに
よる場合のようなその内部の高圧化が防止され、はんだ
の飛散がなくなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体パッケージ用の
セラミック製リッドに関し、詳しくは、半導体素子をパ
ッケージ本体の内部に収容した後、その本体に被せては
んだ付けにより接合し、内部に収容した半導体素子を密
封するためのセラミック製のリッド（蓋）に関する。

【従来の技術】

【０００２】この種のセラミック製リッド（以下、単に
「リッド」ともいう）としては、特開昭５７−１６０１
４７号や特公平３−７６７８４号の公報に開示されてい
る技術が知られている。これらの技術においては、図５
（Ａ）に示すように、リッド５１は、パッケージ本体５
２に対面する側の面の周縁に、メタライズ層５３を介し
てはんだ層５４を平坦に形成したものであり、密封は、
同図に示すように、はんだ層５４がパッケージ本体５２
のメタライズ層５５に密着するようにして被せ、その下
で、所定の温度に加熱することで溶解し、はんだ付け
（封着）するようにしたものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、はんだは、
加熱されると固相線温度で溶けはじめて半溶融状とな
り、液相線温度を超えると完全に溶解する。したがっ
て、上記の従来技術における封着は、液相線温度より幾
分高めに設定された温度（以下、「はんだ付け温度」又
は「封着温度」ともいう）条件下で行われる。この場
合、パッケージ本体５２にセットされたリッド５１のは
んだ５４が固相線温度を超えて溶けはじめると、そのは
んだが同時にシール（密閉材）の作用を果たすために、
その段階でパッケージの内部は、ほぼ気密状態となって
しまう。そして、パッケージはその状態の下で封着温度
までさらに加熱される。

【０００４】このために封着温度においてパッケージの
内部は、ガスの熱膨張によって相対的に著しい高圧とな
り、半溶融ないし溶融状態のはんだが、外方（パッケー
ジの外側）に押しやられ、量の多少はあるものの外部に
飛散し、図５（Ｂ）に示すように、一部５６，５６が外
側のリード５７等に付着してしまうといった問題があっ
た。つまり、上記従来のリッド５１を使用した場合に
は、はんだ付け工程において、外観不良や、絶縁に支障
が生じてパッケージに要求される機能が満たされないと
いった重大な欠陥をもつ不良品が発生しがちで、結果的
に製造単価の上昇を招いているといった問題があった。
因みに、大型のパッケージにおいては、こうしたことが
歩留まりに及ぼす影響が大きいために、セラミック製の
リッドはあまり使用されず、一般には、コバール板に金
鍍金を施し、封着材として、Ａｕ−Ｓｎプリフォームを
溶接して構成した高価なものを使用せざるをえないとい
ったのが実情であった。本発明は、こうした点に鑑みて
案出したものであって、はんだ付け工程において、溶融
したはんだの飛散を防止し得るリッドを提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、半導体を収容したパッケージ本体をは
んだ付けによって密封するためのセラミック製のリッド
であって、前記パッケージ本体に対面する側の面にはん
だ層を一体的に備えてなるものにおいて、このはんだ層
に対して、前記リッドが前記パッケージ本体に被せられ
たときに、パッケージの内外にガスの流通が保持される
凹凸を設けてなることにある。

【０００６】

【作用】上記の構成により、本発明に係るリッドを使用
した場合においては、リッドをパッケージ本体に被せ、
リフロー炉内で加熱が進んで固相線温度にいたり、そし
て、はんだが溶けはじめて半溶融状態になった段階にお
いても、はんだ層に設けられた凹凸により、ただちにパ
ッケージの内部が密閉されてしまうことがない。したが
つて、この段階では、ガスが内外に流通する状態にあ
り、内部で膨脹したガスは外部に放出される。つまり、
従来のように、はんだの固相線温度になると同時にパッ
ケージの内部が密閉されてしまうといったことがなく、
内外のガスが流通状態にある温度をよりはんだの液相線
温度に近付けることができる。したがって、その分、内
部の高圧化が緩和ないし防止される。

【０００７】一方、さらに加熱が進み、封着温度の付近
ではんだが完全に溶融すると、その流動により、凹凸に
形成されていた部位が平坦（均一）化されて内部が気密
の状態におかれる。そして以後は封着温度にいたって封
着される。このように、本発明においてはパッケージの
内部のガスが従来のように外部に相対して高圧とはなら
ないために、はんだ付け工程におけるはんだの飛散及び
それに起因する前記の不良の発生が防止される。

【０００８】

【実施例】次に本発明を具体化した第１実施例につい
て、図１ないし図３を参照して詳細に説明する。本例の
セラミック製リッド１は、略正方形に形成されたセラミ
ック製の基板２（一辺；約２０ｍｍ、厚さ；約１ｍｍ）
の片面の外寄り周縁に沿って、環状に、所定のメタライ
ズ層３を設け、その上にはんだ層４を形成し、そして、
はんだ層４のリッドの各辺に沿う中央部位に対して、そ
れを内外に横断する形で、断面矩形の凹部５，５が４か
所切欠様に形成されてなるものである。ここで、はんだ
層４の凹部５の溝の深さＤ及び幅Ｗは、少なくとも、そ
の固相線温度の付近での半融解状態では、凹部５が埋ま
らないだけの大きさが必要であり、本例では、次のよう
に設定されている。すなわち、はんだ層４は厚さＴが１
５０μｍであり、溝の深さＤは５０〜７５μｍ、幅Ｗは
１ｍｍとされている。なお、はんだ層４の幅は約１．５
ｍｍである。また本例のリッド１は公知の手段によるプ
レス成形により９０％アルミナを焼成したものであっ
て、メタライズ層３は、Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリー
ン印刷し、その後、焼成して形成したものである。

【０００９】一方、はんだ層４は、溶融はんだ中に基板
２を浸漬し、メタライズ層３上にのみ選択的にはんだの
基層を形成し、その基層の上に、凹部５，５を設ける形
で、その部位を除いてはんだペーストを数回（２回）ス
クリーン印刷し、これを所定温度に制御されたリフロー
炉内に通し、凹部形状を保持させたままリフローさせ、
そのまま凝固（固化）させることで凹部５，５を備えた
はんだ層４としたものである。因みに、リフロー温度
は、液相線温度以上で、同温度プラス１０℃以下の範囲
とするとよい。但し、本例で使用したはんだは、その組
成がＰｂが８５ｗ％，Ｓｎが５ｗ％，Ｂｉが７ｗ％，残
部がＡｇ，Ｉｎからなるもので、固相線温度は２４０
℃、液相線温度は２８０℃である。

【００１０】さて、次に上記の構成による本例リッド１
の作用等について説明する。図２に示すように、はんだ
層４が、パッケージ本体１１に形成されたメタライズ層
１２に合致するように位置決め密接した下で、図示しな
いリフロー炉内で所定の温度（本例では３００℃）に加
熱するのであるが、この場合、リッド１をパッケージ本
体１１にセットしたもとでは、はんだ層４とパッケージ
本体１１のメタライズ層１２との間（接合面部）には、
凹部５によって、パッケージ内外のガスが流通するトン
ネル（逃げ道）が形成される。これにより、パッケージ
内で膨脹するガスは、図２中に矢印で示すように、この
凹部５を通って外側に出る。この状態は、本例において
は液相線温度になる前まで、凹部の連通孔すなわちガス
の流路面積が少しづつ狭小化していくものの、保持され
る。つまり、はんだ層４に設けられた凹部５は、ほぼ液
相線温度になって、流動、平坦化されるように設定され
ており、したがって、それまでは、パッケージの内部が
密閉されず、膨脹したガスは外部に放出される。

【００１１】かくして、液相線温度を超えるとはんだが
完全に融解し、凹部５，５を塞ぐから、封着温度（３０
０℃）では、内部の圧力上昇を低く止めることができ
る。以後は、はんだの冷却、凝固後において、所望とす
る半導体パッケージを得ることができる。このように、
本例においては、従来のリッドのようにはんだの溶け始
めとほぼ同時に密閉が始まることによる内圧の異常な上
昇がなく、はんだの飛散が防止される。

【００１２】本例におけるはんだの飛散防止の具体的効
果を表１中に示す。表１は、凹部５の断面形状の大きさ
を変化させた試料を用い、溝の深さＤとはんだの飛散と
の関係について試験した結果を示すものである。ただ
し、はんだは同一組成のものであり、はんだ層４の厚さ
Ｔは１５０μｍで、凹部の溝の幅Ｗは１ｍｍ（一定）と
した（図３参照）。表１に示す結果の通り、凹凸（凹
溝）なしの比較例では、６０％の試料においてはんだの
飛散がみられたが、凹溝を設けたものにあっては、それ
を０〜２０％に減少し得た。これらのことは、とりもな
おさず本発明の効果を実証するものである。

【表１】

【００１３】また、凹部５について、はんだ層４の厚さ
Ｔを１５０μｍとし、溝の深さＤを５０〜７５μｍとし
た下で、凹溝の幅Ｗを変えてはんだの飛散との関係を試
験してみた。結果は表２の通りである。

【表２】この結果から、溝幅Ｗが、１．０ｍｍ以上の範囲で飛散
がないことが解るが、１０．０ｍｍの場合には、メニス
カスが小さくなる外観不良の発生が見受けられた。相対
的なはんだのボリューム不足に起因する思われる。な
お、表１，２より、本例のはんだ層においては、凹溝の
深さが５０〜７５μｍで、幅が１．０〜５ｍｍの範囲で
あるとよいことが解る。

【００１４】さて次に、本発明を具体化した第２実施例
について、図４参照して説明する。但し本例は、前例
が、いわば平坦なはんだ層に凹部を設けることで、はん
だ層に凹凸を設けたものであるのに対して、逆に、平坦
なはんだ層に凸部を設けることで、はんだ層に凹凸を設
けた点のみが相違するのみで、作用ないし効果において
本質的に相違する点はないので、適宜、説明を省略す
る。

【００１５】すなわち、本例のリッド２１は、その基板
２２の片面に、底面視ロ字形に形成されたメタライズ層
２３上にはんだ層２４を設け、その各辺に、断面矩形の
凸部２５を２か所づつ、合計８か所突出状に形成したも
のである。しかして、前例と同様にして、パッケージ本
体にセットすると、凸部２５，２５相互の間が前例にお
ける凹部５と同じ作用をなし、同様の効果を得ることが
できる。本例において、凸部２５，２５の断面形状につ
いて、はんだ層の厚さを１５０μｍとし、その上に、凸
部を高さを５０〜７５μｍの範囲に設定し、幅Ｗを変え
た試料を作り、はんだの飛散について確認した。結果は
表３の通りである。

【表３】この結果から、凸部２５の幅Ｗは、本例においては０．
５〜２ｍｍで、飛散防止に有効であることが解る。な
お、２ｍｍの場合には、はんだボリュームの過剰が原因
と思われる外観不良の発生が見受けられた。

【００１６】本発明においては、凹部の溝幅や、凸部の
幅は、リッド（パッケージ本体）の種類やはんだの組成
に応じて適宜に設定すればよい。固相線温度と液相線温
度の差が大きい組成のはんだの場合には、凹凸をなるべ
く大きくすると効果的である一方、その温度差の小さい
組成のはんだほど凹凸の高さや幅を小さく設定できる
が、なるべく液相線温度の近くで密封が生じるように設
定する。なお、リッドに形成するはんだ層としては、上
記のＰｂ−Ｓｎ系のはんだの他、Ａｕ−Ｓｎ系の金はん
だ（金系低温ろう材）など、リッド（パッケージ本体）
の種類などに応じて、適宜のものを使用すればよい。

【００１７】また、本発明においては、凹凸の断面形状
や数、或いは、配置箇所も適宜に設定することができ
る。一方、はんだ層に設けられる凹部（溝）又は凸部の
断面形状としては、円弧状断面、Ｖ字断面とし得るな
ど、矩形断面とした上記のものに限定されるものではな
い。つまり、本発明においては、リッドがパッケージ本
体に被せられたときに、パッケージの内外にガスの流通
が保持され、したがって、例えば、はんだ層に対して、
適数個の柱状或いは錐形の突起を、定間隔又は不定間隔
或いはランダムで配置することで設けた凹凸としてもよ
い。こうしても、固相線温度になると同時に、パッケー
ジが密閉されてしまうことがなく、ガスはこれらの突起
の間を通って外部に放出され、内部の高圧化防止に奏効
するからである。また、一対の対向する２辺のはんだ層
の厚さ（高さ）を他のはんだ層のそれより適当量、高く
（又は低く）形成することにより、凹凸を設けることも
できる。なお、本発明に係るリッドは、当然のことなが
ら種々のパッケージに適用できる。

【００１８】リッドのはんだ層に凹凸を設ける技術とし
ては、上記したものの他に、種々の技術を挙げられる。
例えば、平坦に形成したはんだ層の一部を、次工程で切
削（溝）加工又はプレスすることでも設けることができ
る。また、ディップ又は印刷で平坦に設けられたはんだ
層の上に、ステンレス又はセラミックの棒をのせてリフ
ローし、その棒をはんだに食い込ませることでもできる
し、これと上下（天地）を逆にした状態でリフローする
ことでもできる。また、はんだ層の一部をホットナイフ
で溶解させることでも設けることができるし、凹部を設
ける予定の部位をマスキングして溶融はんだにディップ
することでも設けることができる。また、リッドの基板
の面に凹凸を付けておき、一定厚さのメタライズ層及び
はんだ層を設けることでも、結果的にはんだ層に凹凸を
設けることができる。なお、平坦なはんだ層に凸部を設
ける場合には、同一厚さのはんだ層の上に凸部となる部
位にのみさらにはんだペーストを印刷し、リフローすれ
ばよい。

【００１９】

【発明の効果】上記の説明から明らかなように、本発明
に係るリッドによってパッケージ本体を封着する場合に
おいては、はんだ層に設けられた凹凸により、従来のよ
うに、はんだが固相線温度に加熱され半溶融状態になる
と同時にパッケージの内部が密閉されてしまうといった
ことがなく、内外のガスが流通状態にある温度をより液
相線温度に近付けることができる。したがって、その
分、内部の高圧化の防止に有効であり、溶融したはんだ
の飛散及びそれに起因する不良の発生防止に有効であ
る。すなわち、本発明のリッドによれば、パッケージの
外観不良や電気的な絶縁不良の発生が低減され、品質の
向上および製造コストの低減を図ることができる。な
お、こうした効果により、従来不向きとされていた大型
パッケージのリッドにもセラミック化が適することとな
るために、その製造コストについては、大幅な低減が期
待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体パッケージ用のセラミック
製リッドを具体化した第１実施例を示すもので、はんだ
層（底面）側から見た斜視図である。

【図２】第１実施例のリッドをパッケージ本体に被せた
状態の部分破断面図である。

【図３】第１実施例のリッドの凹部の部分正面図であ
る。

【図４】本発明に係る半導体パッケージ用のセラミック
製リッドを具体化した第２実施例を示すもので、（Ａ）
はその一部破断正面図であり、（Ｂ）はその底面図であ
る。

【図５】従来のリッドを説明するもので、（Ａ）は、リ
ッドをパッケージ本体に被せた状態を示す部分破断面図
であり、（Ｂ）は、はんだ付けによりパッケージを封着
した後のはんだの飛散状態を説明する部分破断面図であ
る。

【符号の説明】

１，２１リッド２，２２リッドのセラミック製基板３，２３メタライズ層４，２４はんだ層５はんだ層の凹部１１パッケージ本体２５はんだ層の凸部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山幸裕名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体を収容したパッケージ本体をはん
だ付けによって密封するためのセラミック製のリッドで
あって、前記パッケージ本体に対面する側の面にはんだ
層を一体的に備えてなるものにおいて、このはんだ層に
対して、前記リッドが前記パッケージ本体に被せられた
ときに、パッケージの内外にガスの流通が保持される凹
凸を設けてなることを特徴とする、半導体パッケージ用
のセラミック製リッド。