JPH08264675A - セラミック製リッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 セラミック製パッケージ基体のキャビティ部
封止用であって、このキャビティ部に対向する封着面の
外周部及び外周側壁面に半田濡れ性のある下地金属層が
形成され、さらに下地金属層の表面に半田層が形成され
たセラミック製リッドにおいて、外周側壁面の高さが
０．７ｍｍ以下であるセラミック製リッド。 【効果】 外周側壁面の全体に下地金属層を形成し、封
着面の外周部及び外周側壁面の下地金属層表面に塗布さ
れた半田ペーストをリフローさせて半田層を形成して
も、大きな半田引き下がりが生じることはなく、パッケ
ージ基体の封止に好適な形状の半田層を形成することが
できる。従って、下地金属層の形成が容易であるととも
に、リッドを用いてパッケージ基体の封止を行うと、パ
ッケージ基体のキャビティ部を気密に封止することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はセラミック製リッドに関
し、より詳細にはセラミック製パッケージの封止に用い
られるセラミック製リッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置において、集積回路などの半
導体素子は、パッケージ基体に設けられた半導体素子搭
載部に収納され、該半導体素子搭載部がリッドで気密に
封止されて実用に供されている。アルミナ等のセラミッ
クは耐熱性、耐久性、信頼性などに優れるため、このパ
ッケージ基体及びリッドの材料として好適であり、この
ようなアルミナからなるセラミック製のＩＣパッケージ
は現在盛んに使用されている。

【０００３】このセラミック製パッケージにおいて、セ
ラミック製のパッケージ基体をセラミック製のリッドで
封止する場合には、封止材として低コストであり、かつ
低温封止が可能な半田が利用される。しかし、半田とセ
ラミックとを直接接合させるのは難しいため、通常パッ
ケージ基体及びリッドの封止部には下地金属層が形成さ
れている。従って、前記パッケージ基体と前記リッドと
は下地金属層を介して半田によって接合されることにな
る。

【０００４】このような半導体素子を搭載したセラミッ
ク製パッケージ（半導体装置）の構成及び前記半導体装
置の作製方法を具体的に説明する。以下においては、半
導体装置のうち、半導体素子及びワイヤボンディング等
の配線部分を除いた部分をパッケージということにす
る。

【０００５】図３（ａ）はセラミック製パッケージを構
成するリッドを模式的に示した底面図であり、（ｂ）は
（ａ）に示したリッドのＩ−Ｉ線断面図であり、（ｃ）
はこのリッドが用いられた半導体装置を模式的に示した
断面図である。

【０００６】図３（ａ）及び（ｂ）に示したように、リ
ッド３１は、セラミック基板３３、その周縁部（図中上
面外周部及び外周側壁面）に形成された下地金属層３
４、及びこの下地金属層３４を覆う半田層３５から構成
されている。この半田層３５は、図３（ｂ）に示すよう
に、通常均一な厚さで形成されている。またこの半田層
３５は、例えばＰｂを主成分とし、この主成分にＢｉ、
Ｓｎ、Ｉｎ、Ａｇ等が添加された組成の半田で形成され
る。半田層３５の詳しい形成方法については後述する。

【０００７】一方、このようなリッド３１が用いられた
半導体装置において、パッケージ基体１２の中央にはキ
ャビティ部１６が形成され、その周囲にはリッド３１で
封止する際に用いられる下地金属層２０が形成され、さ
らに下地金属層２０の周囲には図示しないマザーボード
に接続するための外部接続ピン２１が立てられている。
また、キャビティ部１６は通常その周辺部分が階段状に
構成されており、中間の階段部分にはワイヤボンディン
グのためのパッド部１９が形成され、底面部分にはＬＳ
Ｉ等を載置する半導体素子搭載部１７が形成されてい
る。そして、このパッケージ基体１２に形成された下地
金属層２０とリッド３１に形成された下地金属層３４を
介して半田層３５によりパッケージ基体１２とリッド３
１とが接合され、半導体素子１８が封止されている。

【０００８】次に、この半導体装置を作製する方法を説
明する。まず、パッケージ基体１２の半導体素子搭載部
１７に半導体素子１８を接着した後、ワイヤボンディン
グ法により半導体素子１８側のパッド部（図示せず）と
パッケージ基体１２側のパッド部１９とを接続する。

【０００９】次に、リッド３１の半田層３５をパッケー
ジ基体１２の上面に形成されている下地金属層２０に重
ね合わせ、バネ、クリップ等の固定治具によってパッケ
ージ基体１２上にリッド３１を仮固定する。次に、加熱
炉内にリッド３１が仮固定されたパッケージ基体１２を
搬入し、リッド３１に形成されている半田層３５を溶融
させてリッド３１とパッケージ基体１２とを接合させ、
その後冷却することによって半導体素子１８をパッケー
ジ基体１２内に気密に封止する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、以下に説明す
るように、リッド３１に形成されている半田層の形状が
適切でない場合には、リッド３１でキャビティ部１６を
気密に封止することができず、半導体装置の故障の原因
となり易いという課題があった。

【００１１】通常、リッド３１に半田層３５を形成する
方法としては、リッド３１に形成された下地金属層３４
上に半田を含むペーストを印刷した後、３１０℃程度で
リフローする方法をとる。

【００１２】図４（ａ）は半田を含むペーストを印刷し
た後にリフローさせた際、適切な形状の半田層が形成さ
れた場合のリッドの一部を示した拡大断面図であり、
（ｂ）はリフロー後に半田層が形成されない部分が生じ
た場合のリッドの一部を示した拡大断面図である。な
お、Ｄはいわゆるエッジレリーフの厚さを示しており、
リッド１１の外周側壁面２２の適切な高さＨとリッド１
１自体の機械的特性等を維持するための必要な厚みとが
異なる場合、リッド１１の外周部２３に図４（ａ）に示
したような形状の薄肉部２４が形成される。

【００１３】図４（ａ）に示したように、リッド１１を
構成するセラミック基板１３の外周側壁面２２に形成さ
れた下地金属層１４の高さＨが適切な場合には、リフロ
ー後に形成される半田層１５は、図示したような形状を
有し、すなわち封着面の外周部２３に形成された半田層
１５ａと外周側壁面２２に形成された半田層１５ｂとは
連続して形成され、このような半田層１５ａ、１５ｂが
形成されたリッド１１を用いると、パッケージ基体を気
密に封止することができる。

【００１４】しかし、図４（ｂ）に示したように、リッ
ド３１を構成するセラミック基板３３の外周側壁面３６
の高さＨが高すぎる場合には、半田ペーストのリフロー
を行うと、図示したように外周側壁面３６の半田が流動
により下部の方に移動してしまい、外周部３７の封着面
に形成された半田層３５ａと外周側壁面３６に形成され
た半田層３５ｂとの間に幅ｔの半田層の存在しない部分
が生じる（以下、この現象を半田引き下がりといい、こ
の幅ｔを半田引き下がり幅という）。このような大きな
半田引き下がりが生じたリッド３１を使用してパッケー
ジ基体の封止を行うと気密な封止を行うことができず、
封止不良が発生する。

【００１５】このような課題を解決する一つの方法とし
て、特開平２−１８００５３号公報には、外周側壁面と
封着面が交差する部分に切欠面を有し、前記封着面及び
前記切欠面に下地金属層が形成されたリッド、又は外周
側壁面の一部に下地金属層が形成されたリッド等が提案
されている。図５（ａ）はセラミック基板４３の外周側
壁面４６の一部及びセラミック基板４３封着面の外周部
４７に下地金属層４４が形成されたリッド４１を模式的
に示した断面図であり、（ｂ）はセラミック基板５３の
外周側壁面５７とセラミック基板５３封着面が交差する
部分に切欠面５８を有し、このセラミック基板５３の封
着面の外周部５６及び切欠面５８の表面に下地金属層５
４が形成されたリッド５１を模式的に示した断面図であ
る。

【００１６】このような構成のリッド４１、５１を使用
すると、下地金属層４４、５４の上に形成された半田ペ
ーストをリフローさせても半田引き下がりが発生せず、
良好な形状を有する半田層の形成が容易になり、このリ
ッド４１、５１を用いてパッケージ基体のキャビティ部
を気密に封止することが可能になる。しかし、前記のよ
うな構成のリッド４１、５１では、通常の印刷装置を使
用し、リッド４１、５１に下地金属層４４、５４を形成
するためのペースト層の印刷が容易でないという別の課
題が新たに生ずる。

【００１７】すなわち、通常リッドの外周側壁面に下地
金属層を形成する場合、自動的に外周側壁面にメタライ
ズ用ペーストを印刷するため、図６に示すようなメタラ
イズ装置を使用する。

【００１８】図６は前記メタライズ装置を模式的に示し
た斜視図である。図６に示したように、このメタライズ
装置は、メタライズ用ペースト版６２、パッケージ保持
部６３及び回転移動駆動部６４の３つの部分よりなる。
パッケージ保持部６３は吸着板６５を備えており、この
吸着板６５によりリッド６６を保持する。このパッケー
ジ保持部６３は回転移動駆動部６４を構成する多軸マシ
ン６７の先端部に配設された昇降棒６８に取り付けられ
ている。従って、メタライズ用ペーストが塗布された版
本体６９に、吸着板６５に保持されたリッド６６の外周
側壁部を当接させ、多軸マシン６７を駆動させてリッド
６６を回転させながら移動させることにより、リッド６
６の外周側壁部全体にメタライズ用ペーストを塗布す
る。

【００１９】しかし、図５に示したように、セラミック
基板４３の外周側壁面の一部に下地金属層４４を形成し
たり、セラミック基板５３の切欠面５８に下地金属層５
４を形成する際に、前記メタライズ装置を使用すること
はできず、その他の方法によっても前記形状の下地層４
４、５４を形成するために自動的にメタライズ用ペース
トを印刷することは非常に難しく、前記公報に記載され
ているリッド４１、５１の実用化は困難である。

【００２０】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、半田ペーストをリフローさせても半田引き下
がりを発生させない下地金属層を容易に形成することが
できるセラミック製リッドを提供することを目的として
いる。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るセラミック製リッド（１）は、セラミッ
ク製パッケージ基体のキャビティ部封止用であって、該
キャビティ部に対向する封着面の外周部及び外周側壁面
に半田濡れ性のある下地金属層が形成され、さらに該下
地金属層の表面に半田層が形成されたセラミック製リッ
ドにおいて、前記外周側壁面の高さが０．７ｍｍ以下で
あることを特徴としている。

【００２２】また、本発明に係るセラミック製リッド
（２）は、セラミック基板の外周部に薄肉部が形成さ
れ、該薄肉部を除く厚肉部の厚みが０．７ｍｍを超えて
いることを特徴としている。

【００２３】本発明に係るセラミック製リッドの材質
は、特に限定されるものではないが、その具体例として
は、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、ムライト等が
挙げられる。また、前記リッドの大きさは、通常、短辺
の長さが２５．４〜３４．０ｍｍ、長辺の長さが２５．
４〜５４．１ｍｍ程度である。前記外周側壁面の高さは
０．４〜０．７ｍｍの範囲が好ましい。前記リッドに形
成される前記下地金属層の材質はＡｇ−Ｐｔが好まし
く、その厚みは２０μｍ程度が好ましい。

【００２４】前記下地金属層表面に形成される半田層の
組成は、特に限定されるものではないが、Ｐｂを主成分
とし、その他にＳｎを４．０重量％、Ｉｎを１．０重量
％、Ａｇを１．０重量％、Ｂｉを８．０重量％程度含む
ものが好ましい。

【００２５】前記リッドは、パッケージ基体を封止した
後に反り等が発生した場合でも、クラック等が生じない
ように、ある程度の厚さを有するものが好ましい。本発
明に係るセラミック製リッドでは外周側壁面の高さを
０．７ｍｍ以下とするため前記セラミック製リッドの大
部分の厚さが０．７ｍｍを超えるように設定する場合に
は、封着面と反対側の外周部に薄肉部形成用のエッジレ
リーフが形成され、その他の部分により厚肉部が構成さ
れている。一方封着面は平面となっている。

【００２６】前記リッドの厚肉部の厚さが０．７ｍｍを
超えている場合には、その上限はさらには１．２ｍｍ程
度が好ましい。また、薄肉部の幅は、狭い方が好ましい
が製造の容易さなどの観点から、０．１５〜０．２５ｍ
ｍが好ましい。

【００２７】

【作用】本発明に係るセラミック製リッド（１）によれ
ば、セラミック製リッドの外周側壁面の高さが０．７ｍ
ｍ以下と小さいので、前記外周側壁面の全体に下地金属
層を形成し、封着面の外周部及び前記外周側壁面の前記
下地金属層表面に塗布された半田ペーストをリフローさ
せて半田層を形成しても、大きな半田引き下がりが生じ
ることはなく、パッケージ基体の封止に好適な形状の半
田層が形成される。従って、前記下地金属層の形成が容
易であるとともに、前記リッドを用いてパッケージ基体
の封止を行うと、パッケージ基体のキャビティ部が気密
に封止される。

【００２８】また、本発明に係るセラミック製リッド
（２）によれば、セラミック基板の外周部に薄肉部が形
成され、該薄肉部を除く厚肉部の厚みが０．７ｍｍを超
えているので、上記（１）記載の作用が働くとともに、
機械的強度も大きなものが得られ、セラミック製リッド
（２）を用いて作製された半導体装置は信頼性に優れた
ものとなる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明に係るセラミック製リッドの実
施例を図面に基づいて説明する。実施例に係るセラミッ
ク製リッドの構成は、外周側壁面の高さが従来のものと
異なる他は図３（ａ）及び（ｂ）（図４（ａ））に示し
たセラミック製リッドと同様であり、前記リッドを用い
て作製するセラミック製パッケージの構成も図３（ｃ）
に示した従来例のものとほぼ同様であるので、その構成
の詳しい説明は省略し、ここではその材質、及び寸法に
ついて説明する。なお、比較例の場合についても同様に
説明する。

【００３０】実施例及び比較例に係るセラミック製リッ
ド１１、３１（図４）をアルミナ製のエッジレリーフ１
３ａ、３３ａを有するものとし、その辺部の長さを２５
ｍｍ×２５ｍｍに、その外周部に形成された下地金属層
１４、３４の材質をＡｇ−Ｐｔ合金に、その厚さを約２
０μｍに設定した。そして、外周側壁面２２、３６の高
さＨを０．５３ｍｍ（Ｄ＝０．２３ｍｍ）、０．６６ｍ
ｍ（Ｄ＝０．３６ｍｍ）、０．８３ｍｍ（Ｄ＝０．３６
ｍｍ）と変化させたものをそれぞれ２００個作製した。

【００３１】次に、リッド１１、３１の封着面の外周部
２３、３７に形成された下地金属層１４、３４の上にス
クリーン印刷法により半田ペーストを印刷し、外周側壁
面２２、３６に形成された下地金属層１４、３４の上に
図６に示したメタライズ装置を用いて半田ペーストを印
刷した。このときの半田ペーストは、半田粒、樹脂、溶
剤等で構成され、半田自体の組成は、Ｐｂを主成分と
し、その他にＳｎを４．１重量％、Ａｇを１．０重量
％、Ｉｎを１．１重量％、Ｂｉを８．２重量％含有する
ものとした。

【００３２】次に、このリッド１１、３１を加熱炉内に
導入し、酸素が０．１ｐｐｍ未満の窒素雰囲気中、３０
０℃で加熱し、半田ペーストのリフローを行った。

【００３３】そして、すべての試料につき半田引き下が
り幅ｔを測定した後、この試料を（リッド１１、３１）
用い、「従来の技術」の欄で説明した方法と同様の方法
でパッケージ基体１２（図３）の封止を行い、封止が完
全に行われているか否かの評価を、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８
８３の方法１０１４により行った。

【００３４】このとき用いたパッケージ基体１２はアル
ミナ製とし、その辺部の長さを４４ｍｍ×４４ｍｍに、
キャビティ部１６が形成された中央部分の厚さを１．３
２ｍｍに、外周部の厚さを２．８０ｍｍに、キャビティ
部１６の外形寸法を２０ｍｍ×２０ｍｍに設定した。

【００３５】図１は前記評価の結果得られた半田引き下
がり幅ｔ（μｍ）と封止不良発生率との関係を示したグ
ラフである。

【００３６】図１に示したグラフより明らかなように、
半田引き下がり幅ｔが８０μｍを超えると、封止不良発
生率が急激に増加しており、セラミック製パッケージの
封止不良を発生させないためには、半田ペーストをリフ
ローさせた場合の半田引き下がり幅ｔを８０μｍより小
さくする必要がある。

【００３７】また、リッド１１、３１の外周側壁面２
２、３６の高さＨと、半田引き下がり幅ｔが８０μｍ以
上となる確率（以下、半田引き下がり発生率と記す）と
の関係について集計を行いグラフを作成した。その結果
を図２に示している。

【００３８】図２の結果より明らかなように、リッド３
１の外周側壁面３６の高さＨが０．７ｍｍを超えたもの
について半田引き下がり発生率が急上昇しており、この
ような半田引き下がり幅ｔが８０μｍ以上となるリッド
３１を使用すると封止不良となる。図１、図２に示した
結果より、から少なくともリッド１１の外周側壁面２２
の高さＨが０．７ｍｍ以下の本発明に係るセラミック製
リッドにおいては、半田引き下がりの発生がなく、その
ために、セラミック製パッケージの封止不良も生じない
ことが確認された。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るセラミ
ック製リッドにあっては、セラミック製リッドの外周側
壁面の高さが０．７ｍｍ以下と小さいので、前記外周側
壁面の全体に下地金属層を形成し、封着面の外周部及び
前記外周側壁面の前記下地金属層表面に塗布された半田
ペーストをリフローさせて半田層を形成しても、大きな
半田引き下がりが生じることはなく、パッケージ基体の
封止に好適な形状の半田層を形成することができる。従
って、前記下地金属層の形成が容易であるとともに、前
記リッドを用いてパッケージ基体の封止を行うと、パッ
ケージ基体のキャビティ部を気密に封止することができ
る。

【００４０】また、本発明に係るセラミック製リッド
（２）にあっては、セラミック基板の外周部に薄肉部が
形成され、該薄肉部を除く厚肉部の厚みが０．７ｍｍを
超えているので、上記（１）記載の効果を奏するととも
に、リッドの機械的特性等もさらに良好にすることがで
き、作製する半導体装置を信頼性に優れたものとするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半田引き下がり幅ｔと封止不良発生率との関係
を示したグラフである。

【図２】リッドの外周側壁面の高さＨと半田引き下がり
発生率との関係を示したグラフである。

【図３】（ａ）はセラミック製パッケージを構成するリ
ッドを模式的に示した底面図であり、（ｂ）は（ａ）に
示したリッドのＩ−Ｉ線断面図であり、（ｃ）はこのリ
ッドが用いられた半導体装置を模式的に示した断面図で
ある。

【図４】（ａ）は半田を含むペーストを印刷した後にリ
フローさせた際、適切な形状の半田層が形成された場合
のリッドの一部を示した拡大断面図であり、（ｂ）はリ
フロー後に半田層が形成されない部分が生じた場合のリ
ッドの一部を示した拡大断面図である。

【図５】（ａ）はセラミック基板の外周側壁面の一部及
び封着面の外周部に下地金属層が形成されたリッドを模
式的に示した断面図であり、（ｂ）はセラミック基板の
外周側壁面と封着面が交差する部分に切欠面を有し、こ
のセラミック基板の封着面の外周部及び切欠面の表面に
下地金属層が形成されたリッドを模式的に示した断面図
である。

【図６】メタライズ装置を模式的に示した斜視図であ
る。

【符号の説明】

１１ リッド １４ 下地金属層 １５、１５ａ、１５ｂ 半田層 ２２ 外周側壁面 ２３ 外周部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック製パッケージ基体のキャビテ
   ィ部封止用であって、該キャビティ部に対向する封着面
   の外周部及び外周側壁面に半田濡れ性のある下地金属層
   が形成され、さらに該下地金属層の表面に半田層が形成
   されたセラミック製リッドにおいて、前記外周側壁面の
   高さが０．７ｍｍ以下であることを特徴とするセラミッ
   ク製リッド。
2. 【請求項２】 セラミック基板の外周部に薄肉部が形成
   され、該薄肉部を除く厚肉部の厚みが０．７ｍｍを超え
   ていることを特徴とする請求項１記載のセラミック製リ
   ッド。