JPS637655A - 半導体用気密封止金属パッケージの製造方法 - 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 本発明は半導体用気密封止金属パッケージに関し、更に
詳しくは半導体素子もしくは各種回路素子等電子部品を
搭載するための、放熱性並びに気密性に優れた半導体用
気密封止金属パッケージに関する。

従来の技術 半導体装置は所定の機能付与がなされた後、パッケージ
ングされて実際の使用に付されることになる。このパフ
ケージングの態様としては、−般にその構造からセラミ
ックス、金属、ガラス、プラスチックパッケージなどに
分類されているが、最近ではこれらを適当に組合せるこ
とにより一層多種多様な構造のものが、半導体素子、デ
バイスの大型化、高集積化等の動向に伴って出現してき
このパッケージは、その信頼性の面からみると、搭載す
る半導体素子、その他の受動素子などを周囲環境から保
護し、これらがその機能を正常に果たすことができるよ
うな所定の内部条件を設定する上で、極めて重要な役割
を演じている。従って、回路設計やチップ等の製造工程
が完全であったとしても、パッケージが不完全あるいは
不適当である場合には素子の破壊、品質低下などをもた
らし、半導体装置とは無関係の不良モードを生ずること
になる。

即ち、半導体装置の所期の特性値を十分に維持し、熱的
、電気的導出、電極間の絶縁距離の確保などの他、運搬
、取扱い上の便宜のためにパブケージングが行われ、上
記のように半導体装置の高集積化、高性能化を図る上で
、特に該装置と外的条件との整合性を確保するために重
要な役割を果たしてセリ、このような観点からパッケー
ジング並びにその関連技術の改善を図ることは、半導体
素子自体の性能向上と共に並行して解決しなければなら
ない重要な課題である。

ところで、従来の金属パッケージは金属ベース部にコバ
ール（ｐｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）、ｌ’ｅ−Ｎｉ合金、Ｆ
ｅ、ステンレス合金等を使用し、気密封止は金属ベース
材およびガラスの熱膨張係数を考慮して最適の組合せを
選択し、金属ベース材とガラスの熱膨張率をほぼ同じと
したマツチング方式と、ガラスに圧縮応力がかかるよう
にしたコンプレッション方式に大別される。

この場合、金属表面に適当な酸化膜を生成させ、それに
よって封止の際のガラスに対する濡れ性の向上並びに酸
化物の拡散による良好な密着性を得ている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記のような金属ベース材では熱伝導率
が小さく、また高周波デバイス、光関連デバイスをも含
めた半導体デバイスの高密度実装化、高速動作化、高出
力下での動作性の要請に伴う発熱量の増大に十分対応で
きる放熱性を有していないので、性能の低下をまねく。

また熱伝導率が良い銅を金属ベースとし、ガラス封止部
にＦｅやコバールリング、アイレット等のガラス封着金
属をろう付などで接合した金属パッケージも開発されて
いるが、ろう何時の熱サイクルに付す際に、金属間の熱
膨張率の違いによりガラスにクラックが入ったり、金属
とガラスが剥離し、気密封止が保てなくなることがあり
、素子や基板装着時においても熱応力により破折が生じ
る場合がある。

上記のように、半導体デバイスの作製技術において、半
導体素子・デバイスの高性能化を図るためには、半導体
素子・デバイス自体の改善と共に、それに応じたパッケ
ージング方法の改良も図られなければならない。

上述のことから、放熱性を改善するために従来の封着用
金属材料より熱伝導率が太き（て銅の値に近く、熱膨張
係数がＧａＡｓやアルミナ基板と近似しているＣｕ−Ｗ
合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金もしくはＣｕ−Ｗ−）１０合金を
金属ベース材として選択することにより、放熱性に優れ
た半導体用金属パッケージを得ることができるものと考
えられる。しかしながら、上記の如きＣｕ−Ｗ合金、Ｃ
ｕ−Ｍｏ合金もしくはＣｕ　−Ｗ−Ｍｏ合金は従来のガ
ラス封止技術ではガラスとの濡れ性並びになじみが悪い
ために、高気密性を要求する金属パッケージには使用で
きず、また−般によく行われている表面酸化処理を施し
ても製造中あるいは使用中の熱サイクルに十分耐えうる
高気密性が得られなかった。

そこで、上記のような気密封止金属パッケージの有する
各種欠点を解決し、半導体装置の最近の動向にみあった
パッケージ構造を開発することは、半導体技術の今後の
発展のために極めて大きな意義がある。

従って、本発明の目的は放熱性に優れ、またガラス封止
性にも１′憂れ、従って高気密性を有する半導体用気密
封止金属パッケージを提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は半導体用気密封止金属パッケージの上記の
ような現状に鑑みて、種々検討した結果、金属パッケー
ジの放熱性を確保するためには従来のＣｕ−Ｗ合金、Ｃ
ｕ−Ｍｏ合金またはＣｕ−Ｗ−！ＪＯ合金が有利であり
、その際これら合金とガラスとの濡れ性、なじみ性を改
善することが必要となるが、この問題は該合金のガラス
封止部に特定のメツキを施すことにより有利に解決でき
ることを見出し、本発明を完成した。

即ち、本発明の半導体用気密封止金属パッケージは半導
体素子、回路素子を搭載し、リード線貫通孔を有する金
属ベースと、該貫通孔に通されガラス封止により気密に
固定されたリードと、上記金属ベース周縁部、において
封止されたキャップとを含む半導体用気密封止金属パッ
ケージであって、上記金属ベースがＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ
　　Ｍｏ合金またはＣｕ−Ｗ−Ｍｏ合金製であり、かつ
少な（とも上記ガラス封止部表面にＦｅ−Ｎｉ合金層を
設けたことを特徴とする。

本発明の気密封止金属パッケージにおいて有用な上記金
属ベース材においてはＣｕの含有量は５〜３０重量％の
範囲内であり、これが合金中で均一に含まれていること
が好ましい。

また、該金属ベースの少なくともガラス封止部表面に適
用されるＦｅ　　Ｎ１合金層において、Ｆｅの比率は５
〜６０重量％の範囲内とすることが好ましい”。

本発明の半導体用気密封止金属パッケージの構成は、添
付第１図を参照することにより、−層よく理解すること
ができる。即ち、その主要部は第１図から明らかな如く
、金属ベース材１と、電気信号入出力リード２と、キャ
ップシール部３とで構成される。ここで、リード線２は
、金属ベース１に設けられた貫通孔４に通され、例えば
貫通孔４の内面に形成されたＦｅ−Ｎｉ合金層５を介し
て絶縁材としてのガラス６により、金属ベース１に気密
固定されている。更に、金属ベース１の上面周縁部に設
けられたキャップ（図示せず）シール用部材７はコバー
ルもしくはステンレスなどで形成されたものであり、こ
れは金属ベース１にＢＡｇ８などでろう付されている。

このキャップシール部７とキャップとの接合は、従来公
知の各種手段、例えば電気抵抗溶接、アーク溶接、ろう
付、半田付などの他、最近注目されているシームウェル
ディングなどで行うことができる。

ガラス封止部などに設ける合金層としては、メツキ層が
使用される。メツキ層の形成方法としては、電気メツキ
、無電解メツキ、気相メツキなどが例示できいずれも好
ましい結果を与える。

作用 従来の半導体用気密封止金属パッケージで、特に問題と
なっていた点は金属ベース材として用いられていた材料
の熱伝導率が低すぎたことにあった。また、この熱伝導
率を改善し得る材料とじてＣｕ　−ＷＳＣｕ−Ｍｏまた
はＣｕ−Ｗ−Ｍｏなどを採用しても、逆に気密封止用の
ガラスとの濡れ性、なじみが悪く、良好な気密封止が得
られなかった。

そこで、本発明では金属ベース材として熱伝導率の点で
有利な上記のＣｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−ＷＳＣｕ−Ｗ　−Ｍｏ
合金を選び、これらとガラスとの濡れ性、なじみ性を改
善するために、これらの間にＦｅ−Ｎｉ合金の介在層を
設けた。このＦｅ−Ｎｉ合金と金属ベース材合金との間
並びにＦｅ−Ｎｉ合金とガラスとの間の濡れ性、なじみ
性は極めて良好である。この濡れ性、なじみ性に有効な
酸化膜の生成及びその拡散はＦｅ含有量が５％未満では
十分な酸化膜が得られず、−方６０％を越える場合には
酸化膜が厚く脆くなるため、上記目的とする効果を達成
するためには５〜６０ｗｔ％の範囲とすることが有利で
ある。また、上記金属ベース合金の熱膨張率は５．５〜
８．０ｘｌＯ−’／ｌの範囲にあり、従って使用する金
属ベース合金の熱膨張率に応じてガラスを選択すること
によりマツチング、コンプレッション方式のどちらにも
使用できる。

従って、このような介在層を設けたことにより、放熱性
良好な上記各合金を金属ベース材として有利に使用する
ことが可能となり、その結果従来みられたガラスのクラ
ック、剥離、更には素子や基板の装着時における熱応力
に付されても破折する恐れは全くない。

このような理由からＦｅ　−Ｎ　ｒ合金中のＦｅの含有
量は５〜６Ｑｗｔ％の範囲内とすることが有利であり、
この範囲外では熱膨張率、金属ベース材もしくはガラス
との濡れ性、なじみ性が不十分となり、所期の目的を達
成することができない。また、同様な理由から金属ベー
ス材合金中のＣｕの含有率も５〜３０ｗｔ％の範囲内と
することが好ましい。

実施例 以下、実施例に従って本発明の半導体用気密封止金属パ
ッケージをより具体的に説明する。しかし、本発明の範
囲は以下の例によって何隻制限されない。

実施例１ 本発明による半導体気密封止金属パッケージの主要部は
添付第１図に示す通りである。金属ベース１にリード線
２を貫通するための穴４をもうけ、穴４の表面に合金層
としてのめっき５を施し、絶縁材６としてガラスを用い
気密封止し、素子搭載後キャップシールするために金属
ペース１上面外周Ｂ３にはコバールまたはステンレスリ
ング７をＢＡｇ　８でろう付する。

金属ベース１はＣｕ−Ｗ合金を用い、めっき５は析出す
るＦｅ量が４Ｑｗｔ％となる条件でＦｅ−Ｎｉ合金めっ
きを施し、リード線２はコバール、絶縁材６は。

コバール封着用ガラス封止を行い、コバールリングを金
属ベース上面外周部３に銀ろう付した。

次に素子、回路基板等の装着を考慮し、大気中にて４０
５℃で５分間係留後室温放置するというヒートサイクル
を３回行った。従来Ｃｕ−Ｗ合金はガラス気密封止がで
きないとされていたが、Ｈｅリークディテクターでのヘ
リウムリークレイトを検査してもｌ　ｘｌＱ　”ａｔｍ
　ｃｃ／ｓｅｃ以下と高気密封止ができることとなった
。

また、Ｃｕ−Ｗ合金金属ベースをＣｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ
−Ｗ−Ｍｏ合金にかえても同様の結果が得られることも
確言忍した。

実施例２ 実施例１の如くめっきを施し、金属ベース上面外周部３
にステンレスリング７を銀ろう８でろう付し、リード線
２はＦｅ　　Ｎｉ合金、絶縁材６はＦｅ　−Ｎ１封着用
ガラスを用いガラス封止を行った。ヒートサイクル後実
施例１と同様のテストにおいて、めっきを施したものと
そうでないものとでは著しい気密封止性の差があり、め
っきを施したものは良好であった。

発明の効果 以上の説明から明らかな如く、本発明によれば、金属ベ
ースとリードとの気密封止を、特定の合金層を介して行
ったという特異な特徴に基き、（１）Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃ
ｕ−Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ−Ｍｏ合金を金属ベース材とし
た半導体用気密封止金属パッケージを提供することがで
きる； （２）Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ　　Ｍｏ合金、Ｃｕ−Ｗ−Ｍ
ｏ合金を使用したことにより、これらの熱伝導率が大き
いため、従来の封着金属を使用した場合よりも、高密度
実装ができ、大きな出力パワーで使用できる；など放熱
性に優れた半導体用気密封止金属パッケージを提供する
ことができる効果がある。

なお、本発明は実施例で示したパッケージの形状に何隻
限定されるものではなく、レーザーダイオード、発光ダ
イオード、フォトダイオード等の各種光関連素子を搭載
する台やステム、高周波関連素子を搭載する台など、高
い放熱性を必要とする金属ベースに対しても有利に適用
し得る。

【図面の簡単な説明】

添付第１図は本発明の金属パッケージの主要部の構成を
説明するための一部切除した模式的な正面図である。 （主な参照番号） １・・金属ベース、 ２・・電気信号人出力リード、 ３・・キャップシール部、 ４・・貫通穴、ガラス封着部、 ５・・めっき、　　６・・絶縁材、 ７・・コバール又はステンレスリング、８・・銀ろう

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体素子、回路素子を搭載し、リード線貫通孔
   を有する金属ベースと、該貫通孔に通されガラス封止に
   より気密に固定されたリード線と、上記金属ベース上面
   周縁部において封止されたキャップとを含む半導体用気
   密封止金属パッケージにおいて、 上記金属ベースがＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金または
   Ｃｕ−Ｗ−Ｍｏ合金で作られており、かつ少なくとも上
   記ガラス封止部表面にＦｅ−Ｎｉ合金層を設けたことを
   特徴とする上記半導体用気密封止金属パッケージ。
2. （２）上記金属ベースのＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金
   もしくはＣｕ−Ｗ−Ｍｏ合金がＣｕを５〜３０ｗｔ％含
   有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半
   導体用気密封止金属パッケージ。
3. （３）上記ガラス封止部表面に設けられたＦｅ−Ｎｉ合
   金層において、Ｆｅの含有率が５〜６０ｗｔ％であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   の半導体用気密封止金属パッケージ。