JPS6232631A - 集積回路パッケージ用リード片の製法 - Google Patents

集積回路パッケージ用リード片の製法

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JPS6232631A
JPS6232631A JP60171068A JP17106885A JPS6232631A JP S6232631 A JPS6232631 A JP S6232631A JP 60171068 A JP60171068 A JP 60171068A JP 17106885 A JP17106885 A JP 17106885A JP S6232631 A JPS6232631 A JP S6232631A
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土屋 正利
Satoru Ogiwara
荻原 覚
Hiromi Kozobara
楮原 広美
Kanji Otsuka
寛治 大塚
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10WGENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/851Dispositions of multiple connectors or interconnections
    • H10W72/874On different surfaces
    • H10W72/884Die-attach connectors and bond wires

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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)
  • Lead Frames For Integrated Circuits (AREA)

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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、炭化けい素質セラミックスよりなる絶縁基板
上に半導体素子を有し1周囲をキャップで気密に覆って
いる構造の集積回路パッケージに係り、特に基板とキャ
ップをガラス封止する構造の集積回路パッケージに関す
る。
本発明は、電子計算機に使用するのに好適である。
〔発明の背景〕
セラミックス絶縁基板、キャップおよび封止用ガラスに
よって気密に囲われた小室内に、半導体素子と、室外か
ら導入されたリード片の端部、および半導体素子とリー
ド片とを電気的に接続したワイヤを収容してなる集積回
路パッケージが知られている。たとえば特開昭5!ll
−134852号公報には。
絶縁基板として従前のアルミナ焼結体に代えて炭化けい
素質セラミックスを使用した例が示されている。
かかる集積回路パッケージにおいては、該公報にも記載
(第2頁右下$117行〜第3頁左上欄第2行)されて
いるように、基板とキャップとを封止するガラス層に亀
裂が生じやすい。
ガラス層の亀裂を防止するために、該公報では炭化けい
素質セラミックス絶縁基板に近似した熱膨張係数を有す
るセラミックスによりキャップを構成することが記載さ
れている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、ガラス層の亀裂防止に対する信頼性が
より高い集積回路パッケージを提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明は、炭化けい素質セラミックス絶縁基板を有する
集積回路パッケージにおいて、リード片を、ニッケルと
コバルトを含み且つマルテンサイト変態温度が一55℃
以下の鉄合金により構成することにある。
本発明者らは、炭化けい素質セラミックス絶縁基板を有
する集積回路パッケージにおけるガラス層の亀裂の一原
因が、ガラス封止処理後の冷却過程、或はパッケージ製
作後に冷熱サイクルを与えて行う寿命試験によりガラス
層が熱応力を受けることにあることを究明した。
そして、ガラス層に熱応力を与えないためには、リード
片の材料の熱膨張、収縮をガラスの熱膨張、収縮とほぼ
同じにすればよいとの結論に達し1本+S 発明の到達した。
本発明の効果は、冷熱サイクルによる寿命試験によって
十分に実証され、ガラス層の亀裂のない信頼性の高い集
積回路パッケージを得ることができた。
本発明は、特開昭59−134852号公報に記載の発
明に対して適用するとより一層効果的である。
(イ) リード片の構成; 本発明におけるリード片は、相転移温度具体的にはマル
テンサイト変態温度が一55℃以下をもつ材料で構成さ
れる。集積回路パッケージの冷熱サイクル寿命試験は、
一般に一55℃と+150℃の間でくり返されるので、
−55℃以下の相転移温度を有することが必要である。
このように極めて低い相転位温度を有し且つ低熱膨張の
材料として、ニッケル(Ni)とコバルト(Co )を
含む鉄合金がある。この鉄合金のなかで特にNi量が2
9〜31重量%、Go量が12.5〜15重量%の範囲
にある合金は、ガラスの熱膨張係数に近似した熱膨張係
数を有し、リード片の材料として最適である。かかる成
分組成のF e −N i −C6f合金溶製材を、1
0〜60%の冷間加工後に100〜600℃間の温度で
応力除去焼鈍を行なうと、その熱膨張係数が40 X 
10−7/℃以下となることが判明した。なお実用上は
上記組成に、炭素(C)を0.1 重量%以下、けい素
(Si)を0.5重量%以下、マンガン(Mn)を0.
5 重量%以下の範囲で含有することができる。その他
の成分として溶解時に混入するリン(P)、硫黄(S)
等を不可避の不純物として、通常の溶製合金に含まれる
程度の量含んでもかまわない。
Ni及びCO含有量が上記組成範囲より少ないと、完全
焼鈍状態からの冷却でマルテンサイト変態が生じ熱膨張
係数が増大する。また、上記組成範囲よりNi及びCo
量が多いと、オーステナイトが化学的に安定化しマルテ
ンサイト変態点は下がるが、熱膨張係数が増し40 X
 10−7/℃が得られにくくなる。冷間加工度につい
ては、10%以下では加工によるオーステナイトの安定
化が得べ られない。また組成によっては冷間加工度160%をこ
えると熱膨張係数が増加し90%以上になると加エマル
テンサイドが生成し熱膨張係数が著しく増大する。好ま
しくは12〜50%の冷間加工度を与えるのがよく、こ
の加工を与えることによりオーステナイトの安定化が得
られる。応力除去焼鈍は、材料の再結晶温度以下で行な
うべきで100〜600℃が適当である。100℃以下
テは十分な歪除去が達成できず、ガラス封止でリードが
変形するおそれがある。600℃以上の温度で焼鈍する
と加工によるオーステナイトの安定化効果が失なわれマ
ルテンサイト変態を生じやすくなる。
次に脱酸、脱硫剤として添加する元素及び製造中に不可
避に混入する元素の許容量について説明する。Cは強力
な脱酸剤として材料の清浄度を向上させるために必要で
あるが、その含有量が増加すると熱膨張係数が増加する
のでCは0.1 重量%以下にすべきである。Siも脱
酸剤として用いられるが含有量が増加すると靭性が低下
しリード折れの原因となるので0.5重量%以下が適当
である。Mnは脱硫剤として用いられるが、含有量が増
加すると熱膨張係数が増加するので0.5 重量%以下
に限定する。p、sは材料の靭性を劣下させるのでP+
S量で0.01 重量%以下にするのが望ましい。
第1表に、Ni−Fe合金、N i −G o −F 
e合金の熱膨張係数、電気抵抗の変化より求めた相変態
温度を示す。
第1表 第2図に1本発明によるリードの材料すなわち29.5
重量%N i −14、5重量%Co −F s合金、
比較のために示した42重量%N i −F e合金お
よびガラスの熱膨張特性を示す、 Ni −Co−Fe
合金の熱膨張はガラスよりも少ない。
(ロ)絶縁基板の構成: 絶縁基板は、炭化けい素質セラミックスによって構成さ
れる。従前のアルミナ焼結体基板に代えて炭化けい素質
セラミックスを用いることにより、半導体素子に生じた
熱の放散性をよくすることができる。
炭化けい素質セラミックス基板は、セラミックス成型品
の製造手段として通常実施されている焼結法によって製
造することができる。
好適な絶縁基板は、ベリリウム(Be)およびベリリウ
ム化合物から選ばれた少なくとも1種をベリリウム量に
して、0.05〜5重量%含み、炭化けい素を主成分と
する炭化けい素質セラミックスであって、かつ、理論密
度の90%以上の相対密度を有する焼結体である。かか
る焼結体の熱膨張係数は35〜40 X 10−’/”
Cであって、けい素の熱膨張係数値に近く、また、その
熱伝導率は0.2caΩ/ am−s・℃以上である。
この熱伝導率味0.2 caQ/cx−s・℃という値
は、炭化けい素質セラミックスが焼結によって作られる
場合に、電気絶縁性(抵抗率107Ω−1以上)と熱膨
張係数とに悪影響を与えることなく、良好な再現性をも
って得られる熱伝導率の下限を意味し、しかもそれは従
来のアルミナセラミック基板の熱伝導率の約4倍の値で
ある。また、熱膨張係数は半導体素子に使われるシリコ
ンのそれに近いものであリ、半導体素子が基板に接合さ
れた場合に、両者の熱膨張の差によって生ずる熱応力は
小さい。
(ハ) キャップの構成; 基板上の半導体素子、配線等を覆い封入するためのキャ
ップは、熱膨張係数が20〜55 Xl0−7/℃をも
つ材料で構成されることが望ましい、このような材料と
して、炭化けい素質セラミックス。
°ムライト質セラミックス、ジルコン質セラミックス、
窒化けい素質セラミックスなどが使用できる。
前記熱膨張係数値をもつキャップ材を使用すると、従来
のアルミナセラミックス(熱膨張係数値65X 10−
7/℃)使用に比較して、炭化けい素質絶縁基板との間
の膨張差は少なくとも173以上軽減され、従ってそれ
だけ基板とキャップ間に起り得る熱応力は軽減される。
(ニ)封止用ガラスの構成; 封止用ガラス材については、理想的には基板に使われた
炭化けい素質セラミックスの熱膨張係数に近い材料が望
ましく、その値として30〜55X10−7/”C特に
40〜55X10−フ/℃が適当である。ガラス封止が
、絶縁基板上に半導体素子を接着したのちに行なわれる
ため、高融点のガラスは使用に適さない、最高でも50
0℃以下の温度で封止可能なガラスを選定することが望
ましい。
このような条件を満足させるために、βユークリブタイ
ト、チタン酸鉛、これらを含むほう酸鉛系のガラスを使
用することが望ましい。
以上のように構成することにより、封止温度から室温ま
での冷却においても、また、−55〜+150℃の間の
冷熱サイクルを反復した際にも。
封止部に亀裂を生じたり、電気特性に異常を生ずること
のない安定性と、高い信頼性をもち、熱放散特性にすぐ
れた集積回路パッケージが得られる。
〔発明の実施例〕
次に、本発明を実施例によって説明する。
実施例1 第1図に本発明の集積回路パッケージの断面を例示する
。同図において、炭化けい素質セラミックスからなる絶
縁基板4の一方の面上の中央部に半導体素子1が金属ソ
ルダ層7によって接着され。
同面上に封止ガラス層6によって複数個のリード片3が
接着され、リード片の一端と半導体素子1との間は、ボ
ンディングワイヤ2によって電気的に接続されている。
リード片3の他端は絶縁基板4の周縁から外方に延びて
いる。半導体素子1゜ボンディングワイヤ2およびリー
ド片3の端部は絶縁基板とキャップ5によって囲まれ、
該キャップ5と絶縁基板4およびリード片3との間隙は
封止ガラス層6を介して気密に封着されている。
絶縁基板に用いる炭化けい素質セラミックスは、理論密
度の90%以上の密度をもつ焼結体である。
この焼結体は抵抗率(室温)10aΩ−1以上の電気絶
縁性と、熱伝導率0.2〜0.7caΩ/a1・S・℃
以上1曲げ強さ30kgf/ma”以上、熱膨張係数a
 5 x 10−7/℃の特性をもっている。
キャップ材には炭化けい素質セラミックスに近い熱膨張
係数をもつムライト質セラミックス(40〜55X10
−)7℃)、炭化けい素質セラミックス(25〜35 
X 10−7/”C)などが用いられる。封着用ガラス
には、熱膨張係数が絶縁基板の炭化けい素質セラミック
ス及びキャップ材料の熱膨張係数に近い40〜55X1
07/℃をも必要である。封止温度が低く、且つ、熱膨
張係数が低いガラスとしては、βユークリブタイト、チ
タン酸鉛、またはその両者を含むほう酸鉛系のガラスが
あり、本発明における封止用ガラス材として使用可能で
ある。
リード片の材料は、室温〜400℃の熱膨張係数が40
 X 10−’/℃以下の特性を有するNi−Co−F
e合金で、マルテンサイト変態が一55℃以下をもつ、
リード片はFa、Ni及びGoを所要量配合し真空溶解
後、熱間圧延してから冷間圧延と焼鈍をくり返し行ない
板厚0.18mにしてから、焼鈍し再び0.15■の厚
さまで冷間圧延を行ない仕上げた。その後約400〜5
00℃で歪取り焼鈍を行なった板よりリードフレームを
製作し、第1図に示す集積回路パッケージを製作した。
−55〜+150℃の信頼性試験の結果、ガラス封止部
のリーク不良は全くないことが確認された。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、ガラス封着処理の加熱か
ら室温迄冷却した時、及び−55〜+150℃の冷熱サ
イクルの寿命試験をかけた時に、ガラス封止部に亀裂を
生ずることのない、信頼性の高い集積回路パッケージが
得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の集積回路パッケージの断面図である。 第2図はリード片材料およびガラスの熱膨張特性図であ
る。 1・・・半導体素子、2・・・ボンディングワイヤ、3
・・・リード片、4・・・絶縁基板、5・・・キャップ
、6・・・封止ガラス層、7・・・金属ソルダ層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、炭化けい素質セラミックス絶縁基板、キャップおよ
    び封止用ガラスによつて気密に囲まれた室内に、前記基
    板上に載置された半導体素子と、前記室外から導入され
    たリード片の端部、およびそれらを電気的に接続したワ
    イヤを収容してなる集積回路パッケージにおいて、前記
    リード片がニッケルとコバルトを含み、且つマルテンサ
    イト変態温度が−55℃以下の鉄合金よりなることを特
    徴とする集積回路パッケージ。 2、特許請求の範囲第1項において、前記鉄合金の成分
    組成が、ニッケル29〜31重量%、コバルト12.5
    〜15.5重量%および残部実質的に鉄よりなることを
    特徴とする集積回路パッケージ。 3、特許請求の範囲第2項において、前記鉄合金が10
    0〜600℃の温度範囲で応力除去焼鈍されていること
    を特徴とする集積回路パッケージ。 4、特許請求の範囲第1項において、前記基板が炭化け
    い素質焼結体よりなることを特徴とする集積回路パッケ
    ージ。 5、特許請求の範囲第4項において、前記焼結体の成分
    組成がベリリウムとベリリウム化分物の少なくとも1つ
    をベリリウム量にして0.05〜5重量%、残部実質的
    に炭化けい素よりなることを特徴とする集積回路パッケ
    ージ。 6、特許請求の範囲第1項において、前記キャップが熱
    膨張係数20〜55×10^−^7/℃を有するセラミ
    ックスよりなることを特徴とする集積回路パッケージ。 7、特許請求の範囲第6項において、前記キャップがム
    ライト質セラミックス、炭化けい素質セラミックス、ジ
    ルコン質セラミックス、窒化けい素質セラミックスのい
    ずれか1つよりなることを特徴とする集積回路パッケー
    ジ。 8、特許請求の範囲第1項において、前記ガラスが熱膨
    張係数30〜55×10^−^7/℃を有することを特
    徴とする集積回路パッケージ。 9、特許請求の範囲第8項において、前記ガラスがβユ
    ークリブタイト、チタン酸鉛系ガラス、ほウ酸鉛系ガラ
    スのいずれか1つよりなることを特徴とする集積回路パ
    ッケージ。
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