JPS63110754A - セラミツクスパツケ−ジ基板のガラスグレ−ズ法 - 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ＬＳＩまたはＶＬＳＩ素子を収納するセラミッ
クスパッケージに係り、特に、セラミックスパッケージ
の封着に好適なガラス封止型セラミックスパッケージに
関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体素子を収納するセラミックスパッケージ基
板としてアルミナセラミックスが用いられていた。しか
し、近年、軽小短薄化の要求が強く、電子機器も一段と
小形化されて来ている。更に、半導体もＬＳＩやＶＬＳ
Ｉ素子の高密度化。

高速度化が要求され、基板の単位面積当りの発熱量が大
幅に増加している。このため、アルミナ基！では熱放散
が不足し、熱伝導率が大きく、熱放散性に優れた基板が
必要となって来た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

そこで近年、注目されているのが炭化硅素や窒化アルミ
ニウムセラミックスである。これらはアルミナセラミッ
クスの十倍以上の熱伝導性をもち、しかも、熱膨張係数
がシリコン素子に近いという特徴をもち、発熱量が大き
く、しかも、大きな素子を直接搭載できるセラミックス
基鈑として理想的なものである。

しかし、従来の低融点ガラスを用いて封着すると熱膨張
係数の不整合から割れを生じ、十分な気密性が得られな
い。そこでガラスの熱膨張係数を下げるために熱膨張係
数の小さなフィラーを入れる必要がある。フィラーを大
量に入れたガラスは流動性が悪く、グレーズ後にもガラ
ス層の内部に気泡が存在する。

ガラス層の内部及び表面の気泡はＨｅリーフ試験におい
て、リーフの原因となる。特に、気泡中に捕捉された、
Ｈｅが少しずつ抜は出る疑似り一フ現象を生じるため、
製品の品質管理が菫かしくなる。従って、ガラス中の気
泡を少なくする必要がある。

〔問題点を解決するための手段〕

しかし、従来の方法でグレーズ作業を行った場合、焼成
中に気泡がガラス中に残ることはさけられない。

本発明の目的はガラス焼成中にガラスの中に捕捉される
気泡を少なくするためになされたものである。

一般に半導体素子を収納するための気密性パッケージは
第１図に示すようにセラミックス基板１とセラミックス
キャップ２の接合面に封着ガラス５．７をグレーズし、
基板の中央部に搭載されるシリコン素子４はセラミック
ス基板１とセラミックスキャップ２の間に挟まれたリー
ド３を通して外部回路と接合される。セラミックス基板
上のガラス層５及びセラミックスキャップ上のガラス層
７は、一般に、有機バインダーとその溶剤及びフィラー
を混合したペースト状ガラスをスクリーン印刷し、ゆっ
くり昇温することにより、バインダーと溶剤を焼失した
のち、ガラスの焼成がなされる（文献−電子材料Ｐ、５
０．１９８１年１０月）。

〔作用〕

更に、気密封着はシリコン素子４を金属ソルダー８によ
りセラミックス基板１に接合したのち、ガラス層５，７
を溶融一体化することによりなされる。

従来、グレーズ作業はベルト炉を利用し、連続的に行わ
れており、雰囲気加熱方式が採用されている。

第２図は一般的に採用されているグレーズ作業の温度プ
ロファイルを定性的に示したものである。

■は加熱過程で、バインダーの分解温度までは比較的速
い速度で昇温する。

■は脱脂（バインダーを焼失）過程でバインダーが完全
に除去されるようゆっくりガラスの軟化点以下に加熱す
る。

■はガラスの焼成過程でガラスが溶融し、セラミックス
と接合する温度に加熱する。

■は冷却過程で溶融したガラスが固化した後にガラスに
割れが全産生しないようにゆっくりと冷却する。

〔実施例〕

ガラスペーストをセラミックス基板上に印刷、脱脂、焼
成した後のガラス断面の１１！察結果を模式的に第３図
に示す。

すなわち、 （ａ）印刷ｆｉミニガラス及びフィラ２がバインダ３で
包みこまれた状態でセラミックス４の上に印刷されてい
る。ガラスの占める割合は夫々の材料の配合比で決まり
、一般に、２０％のバインダを含んでいる。

（ｂ）脱脂後：バインダーの除かれた所は空隙として存
在し、ガラスのバッキング密度は印刷後とほとんど変ら
ない。

（Ｃ）焼成後：印刷及び脱脂後にガラスのパツキン密度
の悪いガラスのつぶと雰囲気炉中で加熱すると加熱はガ
ラスの表面から進むためガラス表面が内部より早く溶融
し、表面の溶融層が空気の脱出を阻害し、ガラス層中に
気泡５として残存する。

すなわち１本発明ではガラスの焼成過程でガラスの表面
が内部より先に溶融するために気泡の脱出と阻害してい
ることに注目し、気泡をガラス層中に封じ込めないよう
にセラミックス側からガラスを溶融させ、気泡を表面か
ら容易に脱出させるようにした。

以下、従来法と本発明の適用例についてガラス層中の気
泡を比較した結果について詳しく述べる。

〔従来法〕

ガラスペーストは硼珪ｆ１１鉛系ガラスにフィシとして
チタン酸鉛及びβニークツブタイトを適宜量混合し、熱
膨張係数を５０Ｘ１０−７とし、アクリル系バインダと
溶剤を加えて混練したものである。

セラミックス基板としては高熱伝導、高電気絶縁性炭化
硅素（例えば、「高熱伝導性ＳｉＣ基板材料Ｊ、電子材
料Ｐ、５５〜５９，７９．１９８２年９月）を用いた。

セラミックス基板（口２５Ｘ第１．０ａａ）上へガラス
ペーストをスクリーン印刷した。印刷後のガラスペース
トの厚みは約０．４５ｍになるよう印刷は数回に合けて
行った。

脱脂及び焼成はベルト炉を用いて連続的に行ない、第２
図において■の範囲を１４℃／　ｍ　ｉ　ｎ、■の範囲
を３．５℃／　ｍ　ｉ　ｎで加熱し、■の焼結過程を経
て、■で冷却している。

この方法でグレーズ作業を行った場合のガラス断面（ａ
）を顕微鏡により観察した。すなわち、ガラス中の気泡
が多数存在し、大きいものは直径１００μｍもある。

〔本発明の適用例１〕 セラミックス基板、ガラスペースト及びその印刷、更に
、第２図の加熱工程■、■は従来法と全く同じに行った
後にＯの焼成工程を省略して冷却した。

次いでガラスペースト印刷、脱脂の済んだセラミックス
基板をヒータ（ホットプレート）の上に乗せ、所定の焼
成温度４７０℃まで急速加熱をし、次いで第２図におけ
る従来法の冷却プロファイルＯで冷却した。この方法で
グレーズ作業を行った場合のガラス断面（ｂ）を顕微鏡
によりｌｌ！察した。

前述の（ａ）と（ｂ）をみると（ａ）に比較して（ｂ）
のガラス層中の気泡はわずかに少なくなっているが顕著
な効果は認めら九ない、これはガラスの印刷厚みが薄い
ので、急速加熱を行ってもガラス層内部で温度勾配が少
ないためである。従って、更にガラス層中で温度勾配の
つく方法について検討した。

〔本発明の適用例２〕 セラミックス基板、ガラスペースト及びその印刷、更に
第２図の加熱工程■、■は従来法と全く同じに行った後
にＯの焼成工程を省略して冷却した。

次いでガラスペースト印刷、脱脂の済んだセラミックス
基板をヒータ　（ホットプレート）の上に乗せ、所定の
焼成温度４７０℃まで急速加熱をした。

但し、加熱中にガラス表面に毎分１５Ｑの空気を吹き付
け、ガラスの表面を強制空冷し、ガラス層中で温度勾配
をつけた０次いで、第２図における従来法の冷却プロフ
ァイルＯで冷却した。この方法でグレーズ作業を行った
場合のガラス断面（ｃ）を同様にｌｌｌ＊した。（ｂ）
と（ｃ）をミルと（ｂ）に比較して（ｃ）のガラス層中
の気泡は少なくなっており、表面の強制空冷効果が認め
られる。しかし、ガラス層中にはボイド率で約５％のボ
イドが残存している。ガラス層中のボイドを更に低減す
る方法について検討した。

〔本発明の適用例３〕 セラミックスパッケージ基板は一般に電気的不良導体で
あって誘電体である。従って、直流あるいは低周波の交
流をセラミックス基板に直流印加して加熱することはで
きないが、高周波電界による誘電損を利用すると、効果
のよい加熱が期待できる。これは誘電損の双極子理論に
よって説明されている。すなわち、分子あるいは原子が
持つ電気モーメントに外部電界が作用すると平衡点を中
心とする双極子の回転運動を生じる。この回転運動によ
り熱が出る。すなわち、誘電体が吸収する電力中は次式
で示される。

Ｐ＝−Ｘ１０″””　ｔ　ｙ　”　ｔａｎδ−ｆ　−Ｅ
”　（Ｗ／ｒｒｒ）ここに、εγ：比誘電率、ｔａｎδ
：誘電正接、ｆ：周波数（Ｈｚ）、Ｅ：ｔｌＥ界の強さ
く　Ｖ　／　ｍ　）従って、誘電加熱による発熱は電源
のｆとＥＺに比例し、誘電体のεγとｔａｎδに比例す
る。

ここで、セラミックスパッケージ基板として最も一般的
に使用されているアルミナと近年注目されている炭化ケ
イ素（特開昭５７−２５９１号公報）について比誘電率
εγと誘電正接ｔａｎ　δを示すと、アルミナは夫々ε
７＝１０．ｔａｎδ＝０．００３、炭化ケイ素はεγ＝
４５、ｔａｎδ＝０．０５であり、前記の式より誘電体
が吸収する電力中は誘電体のεγとｔａｎ　δに比例す
るので炭化硅素の誘電損はアルミナの７５倍となる。す
なわち、誘電加熱により炭化ケイ素はアルミナに比較し
て７５倍発熱しやすいことになる。

次に家庭用の電子レンジに炭化硅素とアルミナのセラミ
ックス基板を入れ、加熱した。その結果、アルミナの温
度はほとんど加熱されなかったが、炭化硅素は急速に加
熱されることが確認された。

すなわち、炭化硅素のように、比誘電率と誘電正接が大
きいセラミックス基板ではグレーズ作業時に誘電加熱に
より基板側から急速加熱することが可能であり、ガラス
層に温度差をつけることができるものと考えられる。炭
化硅素は広範囲に比誘電率及び誘電圧接を変えたものが
得られるので、炭化硅素セラミックス基板を用いて比誘
電率と誘電正接の積をパラメータとして家庭用の電子レ
ンジでセラミックス基板の加熱速度を求めた。また、炭
化ケイ素以外のセラミックスについて同様の測定を実施
したのでその結果も合せて第４図に示す。

第４図より、比誘電率と誘電正接の積が１以上である炭
化ケイ素（ＳｉＣ）では加熱速度は比誘電率と誘電正接
の積に比例することがわかる。しかし、比誘電率と誘電
正接の精が０．０１以下である窒化アルミ　（ＡρＮ）
、アルミナ（Ａ２２０８）及びベリリア（ＢａＯ）では
ほとんど加熱されない。また、比誘電率と誘電正接の積
が０．０１〜１．０　の範囲では実験に供するセラミッ
クス基板が見当らなかった。

ガラス自体の誘電特性はアルミナに近いものであり、第
４図からガラス自体の発熱はないと考えられるので、セ
ラミックス基板上のガラスはセラミックス基板から熱を
吸収して加熱されることになる。従って、セラミックス
基板の加熱速度が速いほどガラス層での温度勾配が急に
なり、本発明の効果が得られる。この効果を実験的に確
認した結果、加熱速度は約り０℃／Ｓ以上が望ましいこ
とがわかった。従って、比誘電率と誘電圧接の積は１．
２以上であることが望ましい、比ｖＩ電電率５、誘電正
接０．０５、すなわち、比誘電率と誘電正接の積が２．
２５のものについて得られたガラス断面（ｄ）を同様に
観察した結果ガラス中のボイドは（ａ）＞　（ｂ）＞　
（ｃ）＞　（ｄ）となっており、本発明の方法によりガ
ラス中のボイドの低減が図れる。

更に、ガラスの表面を強制空冷することによりガラスの
上下面で急激な温度勾配をつけることができ、気泡を少
なくする効果があることを確認した。

本発明を更に発展させ得るものとして炭化ケイ素セラミ
ックスは比誘電率、誘電正接ともに大きいので電子レン
ジなどのマイクロ波により自己発熱するという特徴を利
用した応用が種々考えられる。

例えば、（１）電子レンジの中にＳｉＣのプレートを入
れその上の被加熱体をおけば焦げをつけられる。（２）
マイクロ波が通るところにＳｉＣを入れておけば水分を
含まないものでも加熱、焼却できるなど、更に、セラミ
ックスコンデンサのように高誘電率のセラミックスを利
用する場合には誘電加熱により加熱を伴う作業が可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミックスパッケージの
縦断面図、第２図は従来のグレーズ作業の温度プロファ
イル図、第３図はセラミックス基板上のガラスの模式図
、第４図は誘電加熱におけるセラミックス基板の比誘電
率と１１１ｔ電圧接の積と加熱速度の関係を示す図であ
。 １・・・セラミックス基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、セラミックスを用いる電子部品の気密封着用ガラス
   のグレーズ作業において、 焼成時にガラス層の上・下で温度勾配をつけ、前記ガラ
   スがセラミックスと接する側から軟化、溶融し、最後に
   ガラス表面が溶融するようにし、前記ガラス中に存在す
   るボイドを少なくしたことを特徴とするセラミックスパ
   ッケージ基板のガラスグレーズ法。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記ガラスの焼成は前記セラミックスを発熱体の上に置
   き、前記セラミックス側からの伝熱により加熱すること
   を特徴とするセラミックスパッケージ基板のガラスグレ
   ーズ法。 ３、特許請求の範囲第２項において、 前記ガラスの焼成のための加熱中にガラスの表面と空冷
   することを特徴とするセラミックスパッケージ基板のガ
   ラスグレーズ法。 ４、特許請求の範囲第１項において、 前記ガラスの焼成は前記セラミックスを誘電加熱方式に
   より加熱し、前記セラミックス側からの伝熱により加熱
   することを特徴とするセラミックスパッケージ基板のガ
   ラスグレーズ法。 ５、特許請求の範囲第４項において、 前記ガラスの焼成のための加熱中に前記ガラスの表面を
   空冷することを特徴とするセラミックスパッケージ基板
   のガラスグレーズ法。 ６、特許請求の範囲第４項において、 前記セラミックスの比誘電率と誘電正接の積が１．２以
   上であることを特徴とするセラミックスパッケージ基板
   のガラスグレーズ法。