JPS617645A - 半導体装置用金属材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体装置のリードフレームなどに使用でき
る金属材料に関するものであり、更に詳しく述べるなら
ば、半導体装置のパッケージ組立実装工程においてパッ
ケージの封止信頼性を飛躍的に向上することができる半
導体装置用金属材料に関するものである。

従来の技術 現在使用されている半導体集積回路装置のパッケージ法
は、大別すると、樹脂封止型、ガラス−セラミック封止
型、積層セラミック型に分類される。これらパッケージ
法は、信頼性および価格の点で長短があり、両者を比較
考量して用途に応じて巧に使い分けられている。即ち、
信頼性は、王者の方法の比較では、積層セラミック型が
最も優れ、次いでガラス−セラミック封止型であり、そ
の次が樹脂封止型である。一方、価格の面ではこの逆で
ある。この中でガラス−セラミック封止型が、信頼性、
価格において丁度中間的な位置に存在し、信頼性と低価
格化の両立が強く望まれているパッケージである。

第２図は、そのガラス−セラミック封止型パッケージの
分解部品配列斜視図である。但し、半導体装置及びアル
ミニウムワイヤなど一部は省略して示しである。

このガラス−セラミック封止型パッケージは、半導体チ
ップを納めてメタライズ底面にグイボンディングする凹
部１２が中央に形成されたアルぜすのようなセラミック
ベース１４を有している。そのセラミックベース１４の
上面周囲には、鉛ガラスのような低融点ガラス層１６が
形成されている。

そのようなセラミックベース１４の凹部１２を囲むよう
に、リードフレームから裁断されるリード１８が載せら
れ、それらリード１８と半導体チップとにアルミニウム
ワイヤの各端がワイヤボンディングされている。更に、
その上に、アルミナのようなセラミックキャップ２０が
載せられている。そのセラミックキャップ２０は、半導
体チップとアルミニウムワイヤの部分を囲む凹部が下側
に形成され、更に、下面周囲に鉛ガラスのような低融点
ガラス層２２が形成されている。

従って、セラミックベース１４とセラミックキャップ２
０とが、低融点ガラス層１６と２２でリード１８を間に
挟むように重ねられて、加熱されて低融点ガラス層１６
と２２がリード１８を固定しつつ互いに融着して、セラ
ミックベース１４とセラミックキャップ２２とを封止す
る。

一方、現在の半導体集積回路装置の動向は、小型化、多
機能化が叫ばれ、上記のガラス−セラミック封止型パッ
ケージの半導体集積回路においてもその波を受けている
。このことは、多機能化に応じて半導体集積回路チップ
そのものが大きくなり、外部端子接続用リード数が増え
ることを意味し、また、小型化に対応して、ＤＩＰ型（
２方向外部リード）からＱｕａｄ型（４方向外部リード
）への移行や外部端子接続用リード数の増大に伴うパッ
ケージのガラス封止部面積の減少等の傾向がある。

しかしながら、このようにガラス封止部面積が減少する
と、ガラス同志によって与えられるセラミックベースと
セラミックキャップとの接合力が低下する。その接合力
の低下を、ガラスとリードフレームとの接合力によって
補うことができれば、問題ないが、現在使用されている
リードと低融点ガラスとの接合力は低融点ガラス同志の
接合力に比べて相当低い。そのために、外部端子リード
即ち第２図の例におけるリード１８の数が増大すれば、
ベースとキャップとの接合面においてリードを間に挟み
込んでいない部分の面積が減少するため、全体としての
接合力即ち気密性が低下する。

更に、現在のリードフレームとガラスとの接合では、半
導体装置の組立工程や使用時における熱サイクルによっ
て、接着性か更に低下し、リークに至る問題もある。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、従来使用されているリードフレーム
では、ガラスとの接着力が低いために、リードの数が増
大するに伴いパッケージの封止信頼性が十分でなくなる
傾向にある。

そこで、本発明は、ガラスとの接着力が高く且つ信頼性
があり、リードフレームとして使用することが可能な金
属材料を提供せんとするものである。

更に詳述するならば、本発明は、半導体装置パッケージ
におけるガラス封止部面積が減少しても、パッケージの
無密性に十分な信頼性を与えることができるり、−ドフ
レームをつくることを可能とする金属材料を提供せんと
するものである。

問題点を解決するための手段 そこで、本件出願の発明者らは、金属材料とガラスとの
封止信頼性について、種々検討した結果、次のような事
実を確認した。

（１）ガラス封止時、金属材料とガラスとの接合性より
も、金属材料の表面を非晶質・化したときのその金属材
料の非晶質化面とガラスとの接合性の方が飛躍的に上昇
する。

（２）金属材料表面を非晶質化する場合だけでなく、金
属材料表面に非晶質金属被膜を付着した場合も、同様の
ガラス接合性の改善効果が得られる。

（３）　　これらの非晶質金属層の厚みは、少なくとも
、０．０５μｍ以上あれば、ガラス封止性の向上に効果
がある。

これらの確認できた事実に基き、９本発明者らは、ガラ
ス−セラミック封止型の半導体集積回路装置の信頼性の
向上をねらって、種々検討した結果、本発明に至った。

すなわち、本発明によるならば、ガラスとの封止部の表
面に非晶質金属層を設けたことを特徴とする半導体装置
用金属材料が提供される。

昨月 このように金属材料のガラスとの少なくとも封止部表面
を非晶質金属層とすることによりガラスとの封止性が向
上する。その理由は、次の如くである。

一般に、ガラス封止性を支配する重要な因子としては、
ガラスの金属材料に対するぬれ性の良否が挙げられ、ぬ
れ性が良好な場合には、接合界面部に拡散層が生じ強固
な接合状態が得られることが知られている。

ところで、低融点ガラス封止パッケージでは、半導体素
子に対する熱の影響を小さくするために、５００℃以下
の低温でガラス−リードフレーム間の接合が行われるの
で、かかる拡散層は、形成されないのが一般的であった
。

そこで、封止部の減少をカバーして高い封止信頼性を得
るためには、ガラス−リードフレーム間の拡散接合が生
じやすい様にすることが必要である。

本発明において、金属材料表面に設けた非晶質金属層は
、結晶質金属層に比して、活性度が著しく大きく、封止
ガラスとの接合界面での拡散が生じやすく、それだけ、
信頼性の高い接合が得られ、従来の金属とガラスとの封
止性に比較して極めて高い信頼性のある封止を実現でき
るものと考えられる。

なお、このように金属材料のガラス封止部表面に非晶質
の金属層を設ける方法としては、湿式メッキ、ＰＶＤ法
、又はＣＶＤ法などのコーティング法によって金属材料
表面に非晶質金属層を被覆する方法を使用してもよいし
、金属材料の表面層を、イオンボンバード、電子線ボン
バード、或いはレーザービーム照射などにより非晶質化
する方法を使用してもよい。

又、非晶質表面層の厚みは、本発明の効果の面から、０
，０５μｍ以上で充分である。一方、非晶質層を必要以
上に厚くすることは、非晶質金属層形成コストが上るの
みで、実用的ではない。そこで、接合信頼性の効果と非
晶質金属層形成コストとの両立を考えるならば、最も有
効な範囲は、０．０５〜１０μｍである。

なお、本発明による金属材料をリードフレームとして使
用する場合、非晶質表面層は、リードフレームの少なく
ともガラス封止される部位に形成されることが必要であ
るが、他の部位にまで形成されたとしても、差しつかえ
ない。

また、本発明による金属材料をリードフレームに使用す
る場合、リードフレームの形に打ち抜いた後にガラス封
止部表面に非晶質金属層を設けてもよいが、リードフレ
ームの形に打ち抜く前のベースメタルの必要部分の表面
に非晶質金属層を設けておき、その後、リードフレーム
の形に打ち抜くようにする方が実際的であろう。

更に、本発明による金属材料をリードフレームに使用す
る場合、ＤＩＰ型、Ｑｕａｄ型の両パッケージに適用可
能なことは、言うまでもない。

実施例 次に、本発明を実施例によって説明する。

第１図は、本発明による金属材料をリードフレームとし
て利用した場合を図解する半導体装置の誇張拡大断面図
である。

第１図に示す半導体装置は、ＤＩＰ型ガラス・セラミッ
ク封止パッケージを採用したものであり、セラミックベ
ース３０の凹部３２にグイボンディングされた半導体チ
ップ３４を有している。そのセラミックベース３０の凹
部３２を囲む周辺部には、低融点ガラス層３６が形成さ
れている。

そのようなセラミックベース３０の凹部３２を囲む低融
点ガラス層３６の上に、リードフレームのリード部３８
が載せられている。そして、そのリードフレームのリー
ド部３８の低融点ガラス層３６の上に位置するガラス封
止部４０の少なくとも一方の面、例えば、上面に非晶質
金属層４２が形成されている。

しかし、封止性を高めるために、リード部３８のガラス
封止部４０の両面に非晶質金属層を設けてもよい。

また、リードフレームのリード部３８と半導体チップ３
４とに、アルミニウムワイヤ４４の各端がワイヤボンデ
ィングされている。

更に、セラミックベース３０に重られるセラミックキャ
ップ４６は、セラミックベース３０の凹部３２に対応し
てその凹部３２より大きな凹部４８が形成され、凹部３
２と４８とによって画定される空間に半導体チップ３４
とアルミニウムワイヤ４４とが収容されるようになされ
ている。

そして、セラミックキャップ４６の凹部４８を囲む周辺
部にも、低融点ガラス層５０が形成されている。

かくして、リードフレームのリード部３８を挟むように
してセラミックベース３０にセラミックキャップ３８が
重られて、例えば、約４００℃〜５００℃の温度で封止
処理される。

上述した構成において、リードフレームの素材として４
２％Ｎｉ−Ｆｅ合金を使用し、その基板上へ種々の材料
を被覆させ、ガラス封止性について検討したところ、次
の第１表の結果を得た。

第１表 なお、上記第１表のデータ作成の際使用したガラス封止
性評価法は、次の如くである。

ガラス封止は、一般に用いられている低融点封止ガラス
を用いて封止温度４５０℃で行った後、−６５℃〜＋１
５０℃のヒートサイクルを１００回経た後、Ｈｅリーク
ディテクターでファインリークの有無を測定した。なお
、使用したＤＩＰ型ガラス・セラミック封止パッケージ
の最小リークパス（封止長さ）は０．７ｍｍである。

以上の表から、表面に非晶質金属層を設けていない例１
に比べ、表面に非晶質金属層を設けた例２〜８及び１０
が、リークテストの結果が良好であることがわかろう。

なお、表面に非晶質金属層を設けていないが金属アルミ
ニウム被膜を設けた例９が、例２と同様に、リークテス
トの結果が△であると表示されているが、それは○、△
、×の３段階評価によるためで、実際は、例２の方が例
９より優れていた。

以上の結果から明らかなように、本発明によりリードフ
レームの表面に形成された非晶質金属層を介して行なう
ガラス封止は、従来のリードフレーム（表面が結晶金属
となっている）に比較して、封止の信頼性を大幅に向上
させ、且つ、半導体素子の大型化やパッケージの小型化
の動向に十分対応できることが実証された。

以上、本発明による金属材料を、リードフレームに適用
した場合について説明したが、ガラスとの封止信頼性が
必要な金属材料ならば、リードフレームに限らず、半導
体装置用のどのような金属材料にも適用できることは明
らかであろう。

発明の詳細 な説明したように、本発明による金属材料はガラスとの
封止信頼性を著しく向上することができる。従って、リ
ードフレーム等に使用する場合、リードの数が増大して
も、パッケージの封止の信頼性を十分確保することがで
き、半導体素子の大型化やパッケージの小型化の動向に
十分対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による金属材料を用いたリードフレー
ムを使用した半導体装置パッケージの断面図、そして、
第２図は、ガラス−セラミック封止型パッケージの分解
部品配列斜視図である。 〔主な参照番号〕 １４・・セラミックベース、１６・・低融点ガラス層、
１８・・リードフレームから裁断されたリード、２０・
・セラミックキャップ、 ２２・・低融点ガラス層、３０・・セラミックベース、
３２・・セラミックベース３０の凹部、３４・・半導体
チップ、　３６・・低融点ガラス層、３８・・リードフ
レームのリード部、 ４０・・リード部３８のガ°ラス封止部、４２・・非晶
質金属層、 ４４・・アルミニウムワイヤ、 ４６・・セラミックキャップ、 ４８・・セラミックキャップ３８の凹部、５０・・低融
点ガラス層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガラスとの封止部の表面に非晶質金属層を設けた
   ことを特徴とする半導体装置用金属材料。
2. （２）前記非晶質金属層は、金属材料の表面を非晶質化
   することによって形成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の金属材料。
3. （３）前記非晶質金属層は、金属材料の表面をイオンボ
   ンバード、電子線ボンバード、或いはレーザービーム照
   射することによって形成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の金属材料。
4. （４）前記非晶質金属層は、金属材料の表面に非晶質化
   金属層を被覆することによって形成されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の金属材料。
5. （５）前記非晶質金属層は、金属材料の表面に、湿式メ
   ッキ、ＰＶＤ法、或いはＣＶＤ法によって、非晶質化金
   属層を被覆することによって形成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第４項記載の金属材料。