WO2024253095A1 - 半導体素子被覆用材料、及び半導体素子被覆用焼結体 - Google Patents

半導体素子被覆用材料、及び半導体素子被覆用焼結体 Download PDF

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    • H10W74/40Encapsulations, e.g. protective coatings characterised by their materials

Definitions

  • the present invention relates to a material for coating semiconductor elements and a sintered body for coating semiconductor elements.
  • the surfaces including the P-N junctions, are generally covered with glass. This stabilizes the surface of the semiconductor element and prevents deterioration of characteristics over time.
  • the properties required of a material for coating semiconductor elements include (1) having a thermal expansion coefficient that matches that of the semiconductor element so that cracks and the like do not occur due to differences in the thermal expansion coefficient with the semiconductor element, (2) being able to coat at low temperatures (e.g., below 900°C) to prevent deterioration of the characteristics of the semiconductor element, (3) being acid-resistant to the extent that it is not eroded in the acid treatment process after the coating layer is formed, and (4) being able to regulate the surface charge density within a certain range in order to optimize the electrical characteristics of the semiconductor element.
  • lead-based glasses such as PbO-SiO 2 -Al 2 O 3 -B 2 O 3 based glasses have been known as materials for covering semiconductor elements (for example, see Patent Document 1), but currently, from the viewpoint of avoiding the inclusion of environmentally hazardous substances, zinc-based glasses such as ZnO-B 2 O 3 -SiO 2 based glasses are being actively developed (for example, see Patent Document 2).
  • zinc-based glass has a problem in that it has low chemical durability and is easily corroded during the acid treatment process after the coating layer is formed. For this reason, it was necessary to form an additional protective film on the surface of the coating layer before carrying out the acid treatment.
  • the content of SiO2 in the glass composition is increased, the acid resistance and the reverse voltage of the semiconductor element are improved, but the reverse leakage current of the semiconductor element increases.
  • the above problem becomes apparent because suppressing the reverse leakage current and reducing the surface charge density are prioritized over improving the reverse voltage.
  • the softening point of the glass is significantly increased, so that when coating is performed at a low temperature firing (for example, 900°C or less), the softening fluidity of the glass is impaired, making it difficult to uniformly coat the surface of the semiconductor element.
  • the present invention has been made in consideration of the above circumstances, and its technical objective is to provide a material for coating semiconductor elements that is substantially free of environmentally hazardous substances, enables coating at a baking temperature of 900°C or less, has excellent acid resistance, and has a desired surface charge density.
  • the semiconductor element coating material of the present invention contains 75 to 99.95 mass% of glass powder and 0.05 to 25 mass% of ceramic powder, the glass powder contains, in mole percent, ZnO+SiO 2 40 to 75%, B 2 O 3 7 to 25%, Al 2 O 3 5 to 15%, and MgO 8 to 22% as a glass composition, and is substantially free of lead components, and the ceramic powder contains ZnO and/or MgO.
  • ZnO+SiO 2 refers to the total content of ZnO and SiO 2.
  • substantially free of means that the corresponding component is not intentionally added as a glass component, and does not mean that even impurities that are inevitably mixed in are completely excluded. Specifically, it means that the content of the relevant component, including impurities, is less than 0.1 mass %.
  • the glass powder preferably has a glass composition in which the molar ratio SiO 2 /ZnO is 0.5 to 2.
  • SiO 2 /ZnO is the value obtained by dividing the SiO 2 content by the ZnO content.
  • the glass powder preferably has a glass composition with a molar ratio Al 2 O 3 /(ZnO+SiO 2 ) of 0.08 to 0.3, where "Al 2 O 3 /(ZnO+SiO 2 )" is the value obtained by dividing the content of Al 2 O 3 by the combined content of ZnO and SiO 2 .
  • the semiconductor element coating material of the present invention is preferably sintered to form a sintered body containing Zn 2 SiO 4 as the main crystal by sintering.
  • sintering refers to sintering at 800 to 1000° C. for 10 minutes or more.
  • the semiconductor element covering material of the present invention is preferably sintered to form a sintered body having a thermal expansion coefficient of 20 to 55 ⁇ 10 -7 /° C. in the temperature range of 30 to 300° C.
  • the "thermal expansion coefficient in the temperature range of 30 to 300° C.” refers to a value measured using a push rod type thermal expansion coefficient measuring device.
  • the sintered compact for covering a semiconductor element of the present invention is characterized in that it contains Zn 2 SiO 4 as the main crystal, and the volume ratio of Zn 2 SiO 4 is 5 to 40%.
  • the present invention provides a material for coating semiconductor elements that is substantially free of environmentally hazardous substances, enables coating at a baking temperature of 900°C or less, has excellent acid resistance, and has a desired surface charge density.
  • the semiconductor element coating material of the present invention contains 75 to 99.95 mass% of glass powder and 0.05 to 25 mass% of ceramic powder, preferably 80 to 99.9 mass% of glass powder and 0.1 to 20 mass% of ceramic powder, and particularly preferably 90 to 99.5 mass% of glass powder and 0.5 to 10 mass% of ceramic powder. If the content of glass powder is too small, the softening point is likely to be high. On the other hand, if the content of glass powder is too large, the thermal expansion coefficient is likely to be high. If the content of ceramic powder is too small, it becomes difficult for Zn 2 SiO 4 , which is a high acid resistance and low expansion crystal, to precipitate, the acid resistance is reduced, and the thermal expansion coefficient is likely to be high. On the other hand, if the content of ceramic powder is too large, the softening point is likely to be high.
  • the glass powder has a glass composition, in mole percent, of ZnO+SiO 2 40-75%, B 2 O 3 7-25%, Al 2 O 3 5-15%, and MgO 8-22%, and is characterized by being substantially free of lead components.
  • ZnO and SiO 2 are components that stabilize glass. They are also components of Zn 2 SiO 4.
  • ZnO+SiO 2 is 40-75%, preferably 45-70%, 50-68%, 53-65%, and particularly preferably 55-64%. If the amount of ZnO+SiO 2 is too small, vitrification becomes difficult during melting, and even if vitrification occurs, heterogeneous crystals (unintended crystals) precipitate during firing, inhibiting the softening and flow of glass, making it difficult to uniformly coat the semiconductor element surface. Furthermore, Zn 2 SiO 4 becomes difficult to precipitate, acid resistance decreases, and the thermal expansion coefficient tends to increase. On the other hand, if the amount of ZnO+SiO 2 is too large, the softening point of the glass increases significantly, inhibiting the softening and flow of glass at 900°C or less, making it difficult to uniformly coat the semiconductor element surface.
  • ZnO is a component that stabilizes glass.
  • the content of ZnO is preferably 20 to 40%, 22 to 38%, 24 to 36%, and particularly preferably 26 to 34%. If the content of ZnO is too low, the glass becomes more prone to devitrification during melting, making it difficult to obtain a homogeneous glass. Furthermore, Zn 2 SiO 4 is less likely to precipitate during firing, which reduces the acid resistance and tends to increase the thermal expansion coefficient. On the other hand, if the content of ZnO is too high, the acid resistance tends to decrease.
  • SiO 2 is a glass network forming component, and therefore is a component that stabilizes glass and enhances acid resistance.
  • the content of SiO 2 is preferably 20-40%, 22-38%, 24-36%, and particularly 26-34%. If the content of SiO 2 is too low, Zn 2 SiO 4 is difficult to precipitate, acid resistance is reduced, and the thermal expansion coefficient is likely to be high. On the other hand, if the content of SiO 2 is too high, the softening point of the glass increases significantly, the softening flow of the glass at 900°C or less is inhibited, and it becomes difficult to uniformly coat the surface of the semiconductor element.
  • B 2 O 3 is a component for forming a glass network and for enhancing the softening fluidity.
  • the content of B 2 O 3 is 7-25%, preferably 10-22%, particularly 12-18%. If the content of B 2 O 3 is too low, the crystallinity becomes strong, and the softening fluidity of the glass is impaired during firing, making it difficult to uniformly coat the surface of the semiconductor element. On the other hand, if the content of B 2 O 3 is too high, the thermal expansion coefficient tends to be unduly high and the acid resistance tends to be reduced.
  • Al 2 O 3 is a component that improves acid resistance and adjusts surface charge density.
  • the content of Al 2 O 3 is 5 to 15%, preferably 7 to 14%, 9 to 13%, and particularly preferably 10 to 12%. If the content of Al 2 O 3 is too low, the glass is prone to devitrification and the acid resistance is reduced. On the other hand, if the content of Al 2 O 3 is too high, there is a risk that the surface charge density becomes too large, and there is a risk that the glass is devitrified during melting, making it difficult to melt.
  • MgO is a component that reduces the viscosity of glass.
  • the content of MgO is 8-22%, preferably 9-20%, 10-19%, 11-18%, and especially 12-17%. If there is too little MgO, the firing temperature of the glass tends to increase. On the other hand, if there is too much MgO, the thermal expansion coefficient may become too high, the acid resistance may decrease, and the insulating properties may decrease.
  • the molar ratio of SiO 2 /ZnO in the glass composition is preferably 0.5 to 2, 0.6 to 1.8, 0.8 to 1.6, and particularly preferably 1 to 1.4. If the SiO 2 /ZnO ratio is too small, the acid resistance decreases. On the other hand, if the SiO 2 / ZnO ratio is too large, the softening point of the glass increases significantly, inhibiting the softening and flow of the glass at temperatures of 900° C. or less, making it difficult to uniformly coat the semiconductor element surface.
  • the molar ratio of Al 2 O 3 /(ZnO+SiO 2 ) in the glass composition is preferably 0.08 to 0.3, 0.1 to 0.25, 0.12 to 0.2, and particularly preferably 0.14 to 0.18. If Al 2 O 3 /(ZnO+SiO 2 ) is too small, it is easy for the glass to be difficult to melt. On the other hand, if Al 2 O 3 /(ZnO + SiO 2 ) is too large, the glass stability and acid resistance are easy to decrease.
  • other components e.g., CaO, SrO, BaO, MnO2 , Ta2O5 , Nb2O5 , CeO2 , Sb2O3 , etc.
  • other components e.g., CaO, SrO, BaO, MnO2 , Ta2O5 , Nb2O5 , CeO2 , Sb2O3 , etc.
  • the material contains substantially no lead components (e.g., PbO, etc.) and substantially no Bi2O3 , F, or Cl. It is also preferable that the material contains substantially no alkaline components ( Li2O , Na2O , and K2O ) that adversely affect the surface of semiconductor elements.
  • the average particle diameter D50 of the glass powder is preferably 25 ⁇ m or less, particularly 15 ⁇ m or less. If the average particle diameter D50 of the glass powder is too large, it becomes difficult to make a paste. In addition, powder adhesion by electrophoresis also becomes difficult.
  • the lower limit of the average particle diameter D50 of the glass powder is not particularly limited, but in reality it is 0.1 ⁇ m or more.
  • the "average particle diameter D50" is a value measured on a volume basis, and refers to a value measured by a laser diffraction method.
  • the ceramic powder contains ZnO and/or MgO.
  • ZnO and/or MgO act as nucleating agents, which facilitates precipitation of Zn 2 SiO 4 from the glass powder during firing. Ceramic powders other than ZnO and MgO may also be included.
  • the average particle diameter D50 of the ceramic powder is preferably 25 ⁇ m or less, particularly 15 ⁇ m or less. If the average particle diameter D50 of the ceramic powder is too large, it becomes difficult to make a paste. In addition, powder adhesion by electrophoresis also becomes difficult.
  • the lower limit of the average particle diameter D50 of the ceramic powder is not particularly limited, but in reality it is 0.1 ⁇ m or more.
  • the "average particle diameter D50" is a value measured on a volume basis, and refers to a value measured by a laser diffraction method.
  • the semiconductor element coating material of the present invention is preferably sintered to contain Zn2SiO4 as the main crystal by sintering.
  • Zn2SiO4 has excellent acid resistance, which makes it possible to improve the acid resistance of the semiconductor element coating material.
  • it has a thermal expansion coefficient very close to that of the silicon to be coated, and plays a role in significantly suppressing the occurrence of warping during sintering after coating.
  • crystals such as ZnAl2O4 may be simultaneously contained.
  • the volume ratio of Zn 2 SiO 4 is preferably 5 to 40%, 10 to 38%, 12 to 35%, and particularly preferably 15 to 30%. If the volume ratio of Zn 2 SiO 4 is too small, the acid resistance is likely to decrease. Also, the thermal expansion coefficient becomes too high, and the warping of the sintered body becomes large. On the other hand, if the volume ratio of Zn 2 SiO 4 is too large, the viscosity of the glass increases rapidly above the softening point, and defects such as bubbles tend to be included.
  • the "volume ratio of Zn 2 SiO 4" refers to a value measured by the method described in the Examples section below.
  • the material is sintered to have a thermal expansion coefficient of 20 to 55 ⁇ 10 ⁇ 7 /° C., particularly 30 to 50 ⁇ 10 ⁇ 7 /° C., in the temperature range of 30 to 300° C. If the thermal expansion coefficient is outside the above range, cracks, warping, etc. are likely to occur due to the difference in thermal expansion coefficient with the semiconductor element.
  • the surface charge density of the sintered body is 12 ⁇ 10 11 /cm 2 or less, particularly 10 ⁇ 10 11 /cm 2 or less. If the surface charge density is too high, the withstand voltage increases, but at the same time, the leakage current also tends to increase.
  • the "surface charge density” refers to a value measured by the method described in the Examples section below.
  • raw material powders mixed to obtain the desired glass composition are melted at 1300-1550°C for 1-2 hours until a homogeneous glass is obtained.
  • the resulting molten glass is then formed into a film or other shape, which is then crushed and classified to produce glass powder.
  • Ceramic powder is then added to and mixed with the glass powder to produce a material for coating semiconductor elements.
  • the semiconductor element covering material is covered on the surface of the semiconductor element by, for example, a paste method, an electrophoretic coating method, etc. Then, by performing sintering, the semiconductor element covering material covering the surface of the semiconductor element becomes a sintered body for covering a semiconductor element, which contains Zn 2 SiO 4 as the main crystal and has a volume ratio of Zn 2 SiO 4 of 5 to 40%.
  • the sintered body for covering a semiconductor element preferably has the same composition range as the glass composition of the glass powder in the semiconductor element covering material.
  • Table 1 shows examples of the present invention (samples No. 1 to 4) and a comparative example (sample No. 5).
  • Each sample was prepared as follows: First, raw material powders were mixed to obtain the glass composition shown in the table, and the mixture was melted at 1500° C. for 1 hour to vitrify the glass. The molten glass was then formed into a film, which was then pulverized in a ball mill and classified using a 350 mesh sieve to obtain a glass powder with an average particle size D50 of 12 ⁇ m.
  • the obtained glass powder and ceramic powder were mixed as shown in the table to obtain a material for coating a semiconductor element.
  • the average particle diameter D50 of the ZnO powder and the MgO powder was 12 ⁇ m.
  • the sintered bodies prepared by firing each sample at the firing temperature in the table were evaluated for the volume ratio of Zn 2 SiO 4 , the thermal expansion coefficient, the surface charge density, and the acid resistance. The results are shown in Table 1.
  • the volume ratio of Zn2SiO4 was measured as follows: Each sample was molded into a button shape, fired at the firing temperature in the table (retention time 10 minutes), and crushed in a mortar, and diffraction peaks were obtained using an X-ray diffractometer. After background removal, the integrated intensity of the peaks attributable to Zn2SiO4 was divided by the total integrated intensity of the peaks attributable to crystals and the peaks attributable to glass.
  • the thermal expansion coefficient was measured using samples fired at the firing temperatures in the table (holding time 10 minutes) and using a push rod type thermal expansion coefficient measuring device to measure the value in the temperature range of 30 to 300°C.
  • the surface charge density was measured as follows. First, each sample was dispersed in an organic solvent and attached to the surface of a silicon substrate by electrophoresis to a constant film thickness, and then sintered at the sintering temperature in the table (holding time 10 minutes) to form a sintered body for coating semiconductor elements. Next, an aluminum electrode was formed on the surface of the sintered body for coating semiconductor elements, and the change in electrical capacitance in the sintered body for coating semiconductor elements was measured using a C-V meter to calculate the surface charge density.
  • the acid resistance was evaluated as follows. Each sample was press molded to a size of about 20 mm in diameter and 4 mm in thickness, and then fired at the firing temperature in the table (retention time 10 minutes) to prepare a pellet-shaped sample. The sample was immersed in 30% nitric acid at 25°C for 1 minute, and the mass change per unit area was calculated from the mass loss, which was used as an index of acid resistance. A mass change per unit area of less than 1.0 mg/ cm2 was judged as " ⁇ ", and a mass change of 1.0 mg/cm2 or more was judged as " ⁇ ".
  • Samples No. 1 to 4 had a surface charge density of 7 ⁇ 10 11 /cm 2 or less, and were also evaluated as having good acid resistance. Therefore, Samples No. 1 to 4 are considered to be suitable as semiconductor element coating materials used to coat low-voltage semiconductor elements.
  • sample No. 5 did not contain ceramic powder and Zn 2 SiO 4 did not precipitate, so its acid resistance was low.

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Abstract

環境負荷物質を実質的に含有せず、900℃以下の焼成温度での被覆を可能にしつつ、耐酸性に優れ、且つ所望の表面電荷密度を有する半導体素子被覆用材料を提供する。 本発明の半導体素子被覆用材料は、ガラス粉末 75~99.95質量%、セラミック粉末 0.05~25質量%を含有し、ガラス粉末が、ガラス組成として、モル%で、ZnO+SiO 40~75%、B 7~25%、Al 5~15%、MgO 8~22%を含有し、実質的に鉛成分を含有せず、セラミック粉末が、ZnO及び/又はMgOを含有することを特徴とする。

Description

半導体素子被覆用材料、及び半導体素子被覆用焼結体
 本発明は、半導体素子被覆用材料、及び半導体素子被覆用焼結体に関する。
 シリコンダイオード、トランジスタ等の半導体素子では、一般的に、半導体素子のP-N接合部を含む表面がガラスにより被覆される。これにより、半導体素子表面の安定化を図り、経時的な特性劣化を抑制することができる。
 半導体素子被覆用材料に要求される特性として、(1)半導体素子との熱膨張係数差によるクラック等が発生しないように、半導体素子の熱膨張係数に適合する熱膨張係数を有すること、(2)半導体素子の特性劣化を防止するために、低温(例えば900℃以下)で被覆可能であること、(3)被覆層を形成した後の酸処理工程で侵食されない程度の耐酸性を有すること、(4)半導体素子の電気特性を最適化するために、表面電荷密度を一定の範囲に規制すること、等が挙げられる。
 従来から、半導体素子被覆用材料として、PbO-SiO-Al-B系ガラス等の鉛系ガラスが知られているが(例えば、特許文献1)、環境負荷物質を含有することを回避する観点から、現在では、ZnO-B-SiO系等の亜鉛系ガラスの開発が盛んに行われている(例えば、特許文献2参照)。
特開平11-236239号公報 国際公開第2014/155739号
 しかし、亜鉛系ガラスは、鉛系ガラスと比較して、化学耐久性が低く、被覆層を形成した後の酸処理工程で侵食され易いという問題があった。このため、被覆層の表面に更に保護膜を形成してから酸処理を行う必要があった。
 この問題を解決すべく、ガラス組成中のSiOの含有量を多くすると、耐酸性が向上すると共に、半導体素子の逆電圧が向上するが、半導体素子の逆漏れ電流が大きくなるという不具合が生じる。特に、低耐圧用の半導体素子では、逆電圧の向上よりも、逆漏れ電流を抑制して、表面電荷密度を低減することが優先されるため、上記問題が顕在化する。また、ガラスの軟化点が大幅に上昇するため、低温焼成(例えば900℃以下)で被覆を行う際に、ガラスの軟化流動性が損なわれて、半導体素子表面への均一な被覆が困難になる。
 そこで、本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、その技術的課題は、環境負荷物質を実質的に含有せず、900℃以下の焼成温度での被覆を可能にしつつ、耐酸性に優れ、且つ所望の表面電荷密度を有する半導体素子被覆用材料を提供することである。
 本発明者は、鋭意検討した結果、特定の組成を有するガラス粉末と特定のセラミック粉末を用いることにより、上記技術的課題を解決し得ることを見出し、本発明として提案するものである。すなわち、本発明の半導体素子被覆用材料は、ガラス粉末 75~99.95質量%、セラミック粉末 0.05~25質量%を含有し、ガラス粉末が、ガラス組成として、モル%で、ZnO+SiO 40~75%、B 7~25%、Al 5~15%、MgO 8~22%を含有し、実質的に鉛成分を含有せず、セラミック粉末が、ZnO及び/又はMgOを含有することを特徴とする。ここで、「ZnO+SiO」とは、ZnO及びSiOの含有量の合量である。また、「実質的に~を含有しない」とは、ガラス成分として該当成分を意図的に添加しないことを意味し、不可避的に混入する不純物まで完全に排除することを意味するものではない。具体的には、不純物を含めた該当成分の含有量が0.1質量%未満であることを意味する。
 本発明の半導体素子被覆用材料は、ガラス粉末が、ガラス組成として、モル比SiO/ZnOが、0.5~2であることが好ましい。ここで、「SiO/ZnO」とは、SiOの含有量をZnOの含有量で除した値である。
 本発明の半導体素子被覆用材料は、ガラス粉末が、ガラス組成として、モル比Al/(ZnO+SiO)が、0.08~0.3であることが好ましい。ここで、「Al/(ZnO+SiO)」とは、Alの含有量をZnO及びSiOの含有量の合量で除した値である。
 本発明の半導体素子被覆用材料は、焼成により、主結晶としてZnSiOを含有する焼結体となることが好ましい。ここで、「焼成」とは、800~1000℃で10分以上の焼成をいう。
 本発明の半導体素子被覆用材料は、焼成により、30~300℃の温度範囲における熱膨張係数が20~55×10-7/℃である焼結体となることが好ましい。ここで、「30~300℃の温度範囲における熱膨張係数」は、押し棒式熱膨張係数測定装置により測定した値を指す。
 本発明の半導体素子被覆用焼結体は、主結晶としてZnSiOを含有し、ZnSiOの体積比率が5~40%であることを特徴とする。
 本発明によれば、環境負荷物質を実質的に含有せず、900℃以下の焼成温度での被覆を可能にしつつ、耐酸性に優れ、且つ所望の表面電荷密度を有する半導体素子被覆用材料を提供することができる。
 本発明の半導体素子被覆用材料は、ガラス粉末 75~99.95質量%、セラミック粉末 0.05~25質量%を含有し、好ましくはガラス粉末 80~99.9質量%、セラミック粉末 0.1~20質量%を含有し、特に好ましくはガラス粉末 90~99.5質量%、セラミック粉末 0.5~10質量%を含有する。ガラス粉末の含有量が少な過ぎると、軟化点が高くなり易い。一方、ガラス粉末の含有量が多過ぎると、熱膨張係数が高くなり易い。セラミック粉末の含有量が少な過ぎると、耐酸性が高く、低膨張結晶であるZnSiOが析出し難くなり、耐酸性が低下し、熱膨張係数が高くなり易い。一方、セラミック粉末の含有量が多過ぎると、軟化点が高くなり易い。
 ガラス粉末、及びセラミック粉末について以下に説明する。
 [ガラス粉末]
 ガラス粉末は、ガラス組成として、モル%でZnO+SiO 40~75%、B 7~25%、Al 5~15%、MgO 8~22%を含有し、実質的に鉛成分を含有しないことを特徴とする。
 各成分の含有量を限定した理由を以下に説明する。なお、以下の各成分の含有量の説明において、%表示は、特に断りのない限り、モル%を意味する。本明細書において「~」を用いて示された数値範囲は、「~」の前後に記載の数値を最小値及び最大値としてそれぞれ含む範囲を意味する。
 ZnO、及びSiOは、ガラスを安定化させる成分である。また、ZnSiOの構成成分である。ZnO+SiOは、40~75%であり、45~70%、50~68%、53~65%、特に55~64%であることが好ましい。ZnO+SiOが少な過ぎると、溶融時にガラス化が困難になり、またガラス化しても焼成時に異種結晶(意図しない結晶物)が析出し、ガラスの軟化流動が阻害され、半導体素子表面への均一な被覆が困難になる。さらに、ZnSiOが析出し難くなり、耐酸性が低下し、熱膨張係数が高くなり易い。一方、ZnO+SiOが多過ぎると、ガラスの軟化点が大幅に上昇し、900℃以下でのガラスの軟化流動が阻害され、半導体素子表面への均一な被覆が困難になる。
 ZnOは、ガラスを安定化する成分である。ZnOの含有量は、20~40%、22~38%、24~36%、特に26~34%であることが好ましい。ZnOの含有量が少な過ぎると、溶融時の失透性が強くなり、均質なガラスが得られ難くなる。さらに、焼成時にZnSiOが析出し難くなり、耐酸性が低下し、熱膨張係数が高くなり易い。一方、ZnOの含有量が多過ぎると、耐酸性が低下し易くなる。
 SiOは、ガラスの網目形成成分であるため、ガラスを安定化させ、耐酸性を高める成分である。SiOの含有量は、20~40%、22~38%、24~36%、特に26~34%であることが好ましい。SiOの含有量が少な過ぎると、ZnSiOが析出し難くなり、耐酸性が低下し、熱膨張係数が高くなり易い。一方、SiOの含有量が多過ぎると、ガラスの軟化点が大幅に上昇し、900℃以下でのガラスの軟化流動が阻害され、半導体素子表面への均一な被覆が困難になる。
 Bは、ガラスの網目形成成分であり、軟化流動性を高める成分である。Bの含有量は7~25%であり、10~22%、特に12~18%であることが好ましい。Bの含有量が少な過ぎると、結晶性が強くなるため、焼成時にガラスの軟化流動性が損なわれて、半導体素子表面への均一な被覆が困難になる。一方、Bの含有量が多過ぎると、熱膨張係数が不当に高くなったり、耐酸性が低下する傾向がある。
 Alは、耐酸性を改善し、表面電荷密度を調整する成分である。Alの含有量は5~15%であり、7~14%、9~13%、特に10~12%であることが好ましい。Alの含有量が少な過ぎると、ガラスが失透し易くなると共に、耐酸性が低下する。一方、Alの含有量が多過ぎると、表面電荷密度が大きくなり過ぎる虞があり、また、溶融時に失透し、溶融が困難になる虞がある。
 MgOは、ガラスの粘性を下げる成分である。MgOは8~22%であり、9~20%、10~19%、11~18%、特に12~17%であることが好ましい。MgOが少な過ぎると、ガラスの焼成温度が上昇し易くなる。一方、MgOが多過ぎると、熱膨張係数が高くなり過ぎたり、耐酸性が低下したり、絶縁性が低下する虞がある。
 耐酸性の向上と900℃以下の焼成温度での被覆を両立すべく、ガラス組成中のSiO/ZnOのモル比は、0.5~2、0.6~1.8、0.8~1.6、特に1~1.4であることが好ましい。SiO/ZnOが小さすぎると、耐酸性が低下する。一方、SiO/ZnOが大きすぎると、ガラスの軟化点が顕著に上昇し、900℃以下でのガラスの軟化流動が阻害され、半導体素子表面への均一な被覆が困難になる。
 ガラス組成中の、Al、ZnO、SiOのバランスを考慮することで、ガラスの安定性や耐酸性を維持しつつ、難溶融性を回避することができる。ガラス組成中のAl/(ZnO+SiO)のモル比は、好ましくは0.08~0.3、0.1~0.25、0.12~0.2、特に0.14~0.18であることが好ましい。Al/(ZnO+SiO)が小さすぎると、ガラスの溶融が困難になり易い。一方、Al/(ZnO+SiO)が大きすぎると、ガラス安定性や耐酸性が低下し易くなる。
 上記成分以外にも、他の成分(例えば、CaO、SrO、BaO、MnO、Ta、Nb、CeO、Sb等)を7%まで(好ましくは3%まで)含有してもよい。
 環境的観点から、実質的に鉛成分(例えばPbO等)を含有せず、実質的にBi、F、Clも含有しないことが好ましい。また、半導体素子表面に悪影響を与えるアルカリ成分(LiO、NaO及びKO)も実質的に含有しないことが好ましい。
 ガラス粉末の平均粒子径D50は、25μm以下、特に15μm以下であることが好ましい。ガラス粉末の平均粒子径D50が大き過ぎると、ペースト化が困難になる。また、電気泳動法による粉末付着も困難になる。なお、ガラス粉末の平均粒子径D50の下限は特に限定されないが、現実的には0.1μm以上である。なお、「平均粒子径D50」は、体積基準で測定した値であり、レーザー回折法で測定した値を指す。
 [セラミック粉末]
 セラミック粉末は、ZnO及び/又はMgOを含有する。ZnO及び/又はMgOが核形成剤として働くため、ガラス粉末から焼成時にZnSiOが析出し易くなる。なお、ZnO、MgO以外のセラミック粉末を含有しても構わない。
 セラミック粉末の平均粒子径D50は、25μm以下、特に15μm以下であることが好ましい。セラミック粉末の平均粒子径D50が大き過ぎると、ペースト化が困難になる。また、電気泳動法による粉末付着も困難になる。なお、セラミック粉末の平均粒子径D50の下限は特に限定されないが、現実的には0.1μm以上である。なお、「平均粒子径D50」は、体積基準で測定した値であり、レーザー回折法で測定した値を指す。
 本発明の半導体素子被覆用材料は、焼成により、主結晶としてZnSiOを含有する焼結体となることが好ましい。ZnSiOは耐酸性に優れており、半導体素子被覆用材料の耐酸性を向上させることが可能になる。また、被覆対象であるシリコンに極めて近い熱膨張係数を有しており、被覆後焼成時の反りの発生を大幅に抑制する役割を持つ。なお、ZnSiOの他に、ZnAl等の結晶を同時に含有してもよい。
 また、ZnSiOの体積比率は、5~40%、10~38%、12~35%、特に15~30%であることが好ましい。ZnSiOの体積比率が小さすぎると、耐酸性が低下し易くなる。また、熱膨張係数が高くなりすぎ、焼結体の反りが大きくなってしまう。一方、ZnSiOの体積比率が大きすぎると、軟化点以上で急激にガラスの粘性が高くなり、泡等の欠陥を内包しやすくなる。なお、「ZnSiOの体積比率」とは、後述する実施例の欄に記載の方法によって測定した値を指す。
 本発明の半導体素子被覆用材料において、焼成により、30~300℃の温度範囲における熱膨張係数は、20~55×10-7/℃、特に30~50×10-7/℃である焼結体となることが好ましい。熱膨張係数が上記範囲外になると、半導体素子との熱膨張係数差によるクラック、反り等が発生し易くなる。
 本発明の半導体素子被覆用材料において、焼成により、表面電荷密度は、例えば1000V以下の半導体素子表面を被覆する場合、12×1011/cm以下、特に10×1011/cm以下である焼結体となることが好ましい。表面電荷密度が高過ぎると、耐圧が高くなるが、同時に漏れ電流も大きくなる傾向がある。なお、「表面電荷密度」は、後述する実施例の欄に記載の方法によって測定した値を指す。
 次に、本発明に係る半導体素子被覆用材料、半導体素子被覆用焼結体の製造方法の一例を説明する。
 まず、所望のガラス組成となるように調合した原料粉末を1300~1550℃で1~2時間、均質なガラスが得られるまで溶融する。次いで、得られた溶融ガラスをフィルム状等に成形した後、粉砕し、分級することにより、ガラス粉末を作製する。次いで、ガラス粉末にセラミック粉末を添加、混合して、半導体素子被覆用材料とする。
 次に、例えば、ペースト法、電気泳動塗布法等を用いて、半導体素子被覆用材料を半導体素子表面に被覆する。その後、焼成を行うことにより、半導体素子表面を被覆した半導体素子被覆用材料は、主結晶としてZnSiOを含有し、ZnSiOの体積比率が5~40%である半導体素子被覆用焼結体となる。なお、半導体素子被覆用焼結体は、半導体素子被覆用材料中のガラス粉末のガラス組成と同一の組成範囲を有することが好ましい。
 以下、実施例に基づいて、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例は、単なる例示である。本発明は、以下の実施例に何ら限定されない。
 表1は、本発明の実施例(試料No.1~4)と比較例(試料No.5)を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 各試料は、以下のようにして作製した。まず表中のガラス組成となるように原料粉末を調合してバッチとし、1500℃で1時間溶融してガラス化した。続いて、溶融ガラスをフィルム状に成形した後、ボールミルにて粉砕し、350メッシュの篩を用いて分級し、平均粒子径D50が12μmとなるガラス粉末を得た。
 その後、表中に示した通りに、得られたガラス粉末とセラミック粉末を混合し、半導体素子被覆用材料を得た。なお、ZnO粉末及びMgO粉末の平均粒子径D50は12μmであった。
 各試料を表中の焼成温度にて焼成して作製した焼結体について、ZnSiOの体積比率、熱膨張係数、表面電荷密度、及び耐酸性を評価した。その結果を表1に示す。
 ZnSiOの体積比率は、次のようにして測定した。各試料をボタン形状に成型し、表中の焼成温度で焼成(保持時間10分)したものを乳鉢で粉砕し、X線回折装置にて回折ピークを得、バックグラウンド除去を行ったのちZnSiOに帰属されるピークについて、結晶由来のピークの積分強度を結晶由来のピークの積分強度及びガラス由来のピークの積分強度の合計値で除して求めた。
 熱膨張係数は、表中の焼成温度で焼成(保持時間10分)したものを測定試料とし、押し棒式熱膨張係数測定装置を用いて、30~300℃の温度範囲にて測定した値である。
 表面電荷密度は、次のようにして測定した。まず、各試料を有機溶媒中に分散し、電気泳動によってシリコン基板表面に一定の膜厚になるように付着させた後、表中の焼成温度で焼成(保持時間10分)して半導体素子被覆用焼結体を形成した。次に、半導体素子被覆用焼結体の表面にアルミニウム電極を形成した後、半導体素子被覆用焼結体中の電気容量の変化をC-Vメータを用いて測定し、表面電荷密度を算出した。
 耐酸性は次のようにして評価した。各試料を直径20mm、厚み4mm程度の大きさにプレス成型した後、表中の焼成温度で焼成(保持時間10分)してペレット状試料を作製し、この試料を30%硝酸中に25℃、1分浸漬した後の質量減から単位面積当たりの質量変化を算出し、耐酸性の指標とした。なお、単位面積当たりの質量変化が1.0mg/cm未満を「○」、1.0mg/cm以上を「×」と判定した。
 表1から明らかなように、試料No.1~4は、表面電荷密度が7×1011/cm以下であり、且つ耐酸性の評価も良好であった。よって、試料No.1~4は、低耐圧用半導体素子の被覆に用いる半導体素子被覆用材料として好適であると考えられる。
 一方、試料No.5は、セラミック粉末を含有しておらず、ZnSiOが析出しなかったため、耐酸性が低かった。

Claims (6)

  1.  ガラス粉末 75~99.95質量%、セラミック粉末 0.05~25質量%を含有し、
     ガラス粉末が、ガラス組成として、モル%で、ZnO+SiO 40~75%、B 7~25%、Al 5~15%、MgO 8~22%を含有し、実質的に鉛成分を含有せず、
     セラミック粉末が、ZnO及び/又はMgOを含有することを特徴とする半導体素子被覆用材料。
  2.  ガラス粉末が、ガラス組成として、モル比SiO/ZnOが、0.5~2であることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子被覆用材料。
  3.  ガラス粉末が、ガラス組成として、モル比Al/(ZnO+SiO)が、0.08~0.3であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子被覆用材料。
  4.  焼成により、主結晶としてZnSiOを含有する焼結体となることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子被覆用材料。
  5.  焼成により、30~300℃の温度範囲における熱膨張係数が20~55×10-7/℃である焼結体となることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子被覆用材料。
  6.  主結晶としてZnSiOを含有し、ZnSiOの体積比率が5~40%であることを特徴とする半導体素子被覆用焼結体。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6060944A (ja) * 1983-09-08 1985-04-08 Nippon Electric Glass Co Ltd 半導体被覆用ガラス
JPH03153545A (ja) * 1989-11-13 1991-07-01 Nippon Electric Glass Co Ltd 半導体被覆用ガラス
WO2012133217A1 (ja) * 2011-03-25 2012-10-04 日本山村硝子株式会社 封着用ガラス組成物及び封着材
WO2020158187A1 (ja) * 2019-01-29 2020-08-06 日本電気硝子株式会社 半導体素子被覆用ガラス及びこれを用いた半導体被覆用材料
WO2021149633A1 (ja) * 2020-01-21 2021-07-29 日本山村硝子株式会社 低熱膨張性封着・被覆用ガラス
WO2024004711A1 (ja) * 2022-06-29 2024-01-04 日本電気硝子株式会社 半導体素子被覆用ガラス、半導体素子被覆用材料、及び半導体素子被覆用焼結体

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6060944A (ja) * 1983-09-08 1985-04-08 Nippon Electric Glass Co Ltd 半導体被覆用ガラス
JPH03153545A (ja) * 1989-11-13 1991-07-01 Nippon Electric Glass Co Ltd 半導体被覆用ガラス
WO2012133217A1 (ja) * 2011-03-25 2012-10-04 日本山村硝子株式会社 封着用ガラス組成物及び封着材
WO2020158187A1 (ja) * 2019-01-29 2020-08-06 日本電気硝子株式会社 半導体素子被覆用ガラス及びこれを用いた半導体被覆用材料
WO2021149633A1 (ja) * 2020-01-21 2021-07-29 日本山村硝子株式会社 低熱膨張性封着・被覆用ガラス
WO2024004711A1 (ja) * 2022-06-29 2024-01-04 日本電気硝子株式会社 半導体素子被覆用ガラス、半導体素子被覆用材料、及び半導体素子被覆用焼結体

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