專利名稱：電子元件的氣密密封方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以焊料將裝有半導(dǎo)體元件的容器(基座)和封蓋接合的電子元件的氣密密封方法。特別涉及滲漏發(fā)生率能降低到不大于以前方法的1/10的氣密密封方法。
背景技術(shù)：
SAW濾波器、石英晶體振子等各種半導(dǎo)體元件處于本身狀態(tài)時(shí)，恐怕會(huì)因空氣中的氧氣和濕氣而使導(dǎo)電晶格和襯墊腐蝕和特性變差。因此，為了完全隔離半導(dǎo)體元件和外界空氣，通常以氣密密封在內(nèi)部真空或填充He或N2的金屬制或陶瓷制的容器(封裝件)中的狀態(tài)將半導(dǎo)體元件安裝到電子儀器上。
這里，作為半導(dǎo)體元件的氣密密封技術(shù)(hermetic seal技術(shù))，已知有焊料密封法、縫焊法、激光密封法等，根據(jù)制造的電子元件的規(guī)模、要求的氣密性等分別使用這些方法。其中，焊料密封法是在裝有半導(dǎo)體元件的基座上焊接封蓋和蓋住半導(dǎo)體元件而密封的方法。這種焊料密封法不像縫焊法，對(duì)容器材料和薄度沒有特別的限制，而且不需要激光密封法所用的高價(jià)接合裝置，所以它作為能用適當(dāng)?shù)某杀緦?shí)現(xiàn)高水平氣密狀態(tài)的方法而被廣泛使用。
而且，對(duì)于需要上述密封狀態(tài)的電子元件，不用說，要求內(nèi)部的半導(dǎo)體元件和外界空氣完全隔斷和能夠不擔(dān)心發(fā)生滲漏地使用。在使用這種氣密密封技術(shù)的電子元件的制造過程中，應(yīng)測(cè)量制品的泄漏率，進(jìn)行稱為微量泄漏試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，捕捉到不大于10-6大氣壓/厘米3·秒的極微量泄漏，并除去那些不符合標(biāo)準(zhǔn)的次品，保證電子元件的穩(wěn)定性。
此外，即使用焊料密封法能以不大于0.2％的泄漏發(fā)生率(密封不良率)有效地制成需要高氣密性的電子元件，但為降低電子元件的成本，希望進(jìn)一步降低泄漏發(fā)生率。
另一方面，近年來不斷要求電子儀器的小型化，因此需要安裝在這些儀器上的電子元件也進(jìn)一步小型化。但是，為了符合這些需要而使電子元件小型化，它們的氣密密封變得困難。如果除此以外還要求降低密封不良率，可以說即使是焊料密封法，也要求氣密不良發(fā)生率少的方法更為簡(jiǎn)易。
本發(fā)明是考慮了以上情況而完成的，其目的是提供一種電子元件的氣密密封技術(shù)，它由焊料密封法以比以前方法更低的泄漏率有效地進(jìn)行氣密密封，它即使在符合今后電子元件小型化的需要時(shí)也不發(fā)生泄漏。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明人為解決上述課題進(jìn)行了認(rèn)真研究，選擇對(duì)以前的焊料密封法中使用的焊料進(jìn)行了重新認(rèn)識(shí)。因?yàn)槿绻麅H改變焊料的材料，就能直接使用已有設(shè)備而無需增加新的設(shè)備了。
作為焊料密封法中所用的焊料材料，大多使用Sn-Pb基的焊料(Sn-37重量％Pb)，有時(shí)使用Au-Sn基的焊料(Au-20重量％Sn)。在此，本發(fā)明人首先決定用Au-Sn基焊料作為焊料材料的基本組成。這是因?yàn)镻b是可能對(duì)人體有影響的元素，從對(duì)操作者的安全性和近來的環(huán)境保護(hù)觀點(diǎn)考慮并不是好材料。
而且，本發(fā)明人認(rèn)為，用Au-Sn基焊料(Au-20重量％Sn)作為焊料材料時(shí)，為了以比以前更高的穩(wěn)定性進(jìn)行密封，必須要改變它的組成。這是因?yàn)锳u-20重量％Sn焊料的熔點(diǎn)較低，為280℃，雖然具有密封時(shí)對(duì)半導(dǎo)體元件的接合部位沒有影響的優(yōu)點(diǎn)，但在使用此種焊料時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏。
并且，本發(fā)明人對(duì)使用Au-20重量％Sn焊料時(shí)的接合部位進(jìn)行了詳細(xì)的考查，發(fā)現(xiàn)由這種焊料材料獲得的接合部位基本雖然呈Au-Sn共晶組織，但部分生成Au濃度高的Au-Sn合金相(以下稱為Au富集相)。由于這種Au富集相是一種金屬間化合物，它質(zhì)硬，熔點(diǎn)也比周圍的Au-Sn共晶相更高，因此在封蓋的接合溫度下不會(huì)熔融而殘留固相。此外，由于這樣的Au富集相大小不同，即使將封蓋通過均勻加壓而接合到基座上，封蓋或基座的接合面也會(huì)粘附大小不同的Au富集相，結(jié)果由于這種大小不同生成了焊料層薄的部位和焊料層厚的部位，從而使焊料層的厚度不均勻。
這種焊料層厚度的不均勻不是泄漏的直接原因。但是，在焊料層厚度的不均勻性顯著的情況下，認(rèn)為是由于因電子元件的長期使用而產(chǎn)生的焊料層劣化或由于在泄漏試驗(yàn)時(shí)在電子元件內(nèi)外產(chǎn)生壓差，使焊料層薄的部位產(chǎn)生泄漏。此外，如果要使今后的電子元件趨于小型化，所用的焊料量也要減少，認(rèn)為因此Au富集相的影響會(huì)變大，在這種情況下，恐怕會(huì)形成接合不良的部位，生成即使在剛接合后也不能保持氣密狀態(tài)的接合部位。
在考慮到這種Au富集相的影響時(shí)，認(rèn)為應(yīng)將封蓋的接合溫度即焊料的加熱溫度升至Au富集相也可能熔融即焊料熔融并完全成為液相的高溫。但是，使接合溫度上升會(huì)對(duì)內(nèi)部的半導(dǎo)體元件產(chǎn)生不良影響，因此很難說這是合適的方法。所以為了使接合溫度在和以前相同的范圍內(nèi)且在熔融凝固過程中不生成Au富集相，有必要從根本上重新認(rèn)識(shí)焊料組成，本發(fā)明人對(duì)此進(jìn)行了研究，結(jié)果完成了本發(fā)明。
本發(fā)明提供了電子元件的氣密密封方法，它包括用焊料將裝有半導(dǎo)體元件的基座與封蓋接合的步驟，其中使用含有78-79.5重量％的Au和其余為Sn的焊料作為所述的焊料進(jìn)行接合。
本發(fā)明中，從以前所用的Au-Sn基焊料中略微改變了Au的含量，因此在凝固時(shí)的焊料組織能大部分成為Au-Sn共晶組織。結(jié)果，接合時(shí)焊料層中不生成Au富集相，并使焊料層能生成均勻的厚度。結(jié)果，長期使用或泄漏試驗(yàn)時(shí)不發(fā)生泄漏。從而比以前更能降低接合部位的泄漏率(次品率)，并能有效地制造電子元件。
因此，本發(fā)明所用的焊料的Au含量限定在78-79.5重量％的狹窄范圍內(nèi)，因?yàn)槿绻鸄u的含量不小于79.5重量％，就會(huì)生成許多Au富集晶；如果不大于78重量％，會(huì)開始生成Sn富集晶并且它生成時(shí)會(huì)對(duì)接合部位產(chǎn)生不良影響。雖然即使是本發(fā)明的組成也會(huì)出現(xiàn)少量Sn富集晶，但這種Sn富集晶是細(xì)微的，因此如果少量存在不會(huì)使焊料層的厚度不均勻。
此外，焊料密封法中使用焊料的接合技術(shù)中，要增加焊料的濕潤性以確保接合部位的接合強(qiáng)度。特別是在電子元件中所用的封蓋的材質(zhì)大多使用Kovar(54重量％Fe-29重量％Ni-17重量％Co合金的商品名)，由于Kovar未被焊料所潤濕，因此對(duì)Kovar制的封蓋直接施用焊料而進(jìn)行接合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接合不良和焊料剝離。所以，為了確保焊料的濕潤性，并防止焊料中產(chǎn)生Au富集相而使焊料層的厚度均勻，優(yōu)選像權(quán)利要求2那樣在封蓋上鍍金和使用含有78-79重量％的Au和其余為Sn的焊料作為所述的焊料來進(jìn)行接合。
在封蓋上鍍金而且所述的焊料組成比權(quán)利要求1中所述的范圍窄是因?yàn)橥ㄟ^對(duì)封蓋鍍金，增加了封蓋的濕潤性，同時(shí)能抑制這樣鍍金引起的焊料中Au富集相的生成。也就是說，當(dāng)對(duì)封蓋進(jìn)行鍍金時(shí)，焊料和鍍金層相互接觸，且金擴(kuò)散入焊料中，會(huì)使其中的金濃度增加，所以有時(shí)會(huì)形成Au富集相。因此，通過使焊料的Au含量在78.5-79重量％范圍內(nèi)，因此來自鍍層的Au擴(kuò)散入少量形成的Sn富集相中，使焊料的組織成為Au-Su共晶組織。
因此，根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)明，通過改進(jìn)對(duì)封蓋的濕潤性，能確保接合強(qiáng)度，同時(shí)抑制Au富集相的生成，并能使焊料層的厚度均勻。
附圖簡(jiǎn)述

圖1所示的是本實(shí)施方式的IC封裝件制造步驟的略圖。
圖2所示的是本實(shí)施方式制造的IC封裝件的剖面圖。
圖3和圖4分別顯示了本實(shí)施例和比較例的接合部位的組織的SEM(掃描電鏡)照片。
發(fā)明的實(shí)施方式以下參照附圖，說明本發(fā)明的實(shí)施方式。
實(shí)施例將熔融鑄造法制成的78.5重量％Au-21.5重量％Sn的鑄塊壓延成片，然后通過沖孔加工制成方環(huán)狀的焊料。接著，用此焊料將封蓋接合到裝有IC芯片的基座上，制成IC封裝件。如圖1所示，在上述加工后，裝有IC1的陶瓷制基座2和預(yù)先鍍Au的Kovar制封蓋3之間夾有焊料4，將它們?cè)趥魉褪郊訜釥t中加熱到300℃，使焊料4熔化而接合，形成IC封裝件5。此時(shí)接合后的IC封裝件的剖面圖示于圖2。
比較例和本實(shí)施方式不用，制造80重量％Au-20重量％Sn的釬焊材料，并制成IC封裝件。這種釬焊材料的制造方法和加工方法以及IC封裝件的制造方法和上述實(shí)施方式相同。
實(shí)施例1(泄漏率的測(cè)定)以上的實(shí)施方式和比較例制成的IC封裝件進(jìn)行作為細(xì)微泄漏試驗(yàn)的氦泄漏試驗(yàn)。比較和檢查兩者制造的IC封裝件的泄漏率。氦泄漏試驗(yàn)的進(jìn)行方式是在氦探漏儀上放置制成的IC封裝件，通過在IC封裝件外部抽真空而使內(nèi)部氦分子泄漏出來，計(jì)算漏出的氦分子。
結(jié)果，比較例的使用80重量％Au-20重量％Sn的釬焊材料的IC封裝件的泄漏率(密封不良率)為0.2％。與此相對(duì)地，本實(shí)施方式制成的IC封裝件的泄漏率為0.1％，確定它比比較例的氣密密封方法更能改進(jìn)泄漏率。
實(shí)施例2(接合部位組織的觀察)然后，為了確認(rèn)實(shí)施方式和比較例制成的IC封裝件的接合部位(焊料層)的組織，對(duì)雙方的接合部位用SEM(掃描電鏡)進(jìn)行觀察。實(shí)施方式和比較例的接合部位的SEM照片示于圖3和圖4。從這些SEM照片，確認(rèn)本實(shí)施方式的接合部位有細(xì)微的共晶組織。另一方面，確認(rèn)比較例的接合部位存在粗大的Au富集相(圖4中的白色部分)。由于這些Au富集相的大小不同，認(rèn)為這是接合時(shí)焊料層的厚度稍有不均勻因此會(huì)產(chǎn)生泄漏。
工業(yè)實(shí)用性通過以上說明，本發(fā)明能將電子元件氣密密封而不會(huì)因接合后焊料層生成Au富集相而造成厚度不均勻。這能使電子元件的泄漏發(fā)生率比以前更低，并能高效地制造電子元件。因此，本發(fā)明符合今后的電子元件小型化的需要。
權(quán)利要求
1.電子元件的氣密密封方法，它包括用焊料將裝有半導(dǎo)體元件的基座與封蓋接合的步驟，其中使用含有78-79.5重量％的Au和其余為Sn的焊料作為所述的焊料進(jìn)行接合。
2.如權(quán)利要求1所述的電子元件的氣密密封方法，其特征在于它在封蓋上鍍金并使用包含78-79重量％的Au和其余為Sn的焊料作為所述的焊料進(jìn)行接合。
全文摘要
本發(fā)明提供了電子元件的氣密密封方法，它包括用焊料將裝有半導(dǎo)體元件的基座與封蓋接合的步驟，其中使用含有78－79.5重量％的Au和其余為Sn的焊料作為所述的焊料進(jìn)行接合。特別優(yōu)選使用包含78－79重量％的Au和其余為Sn的焊料作為所述的焊料并且在封蓋上鍍金來進(jìn)行接合。
文檔編號(hào)B23K35/30GK1394359SQ01803410
公開日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2001年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月27日
發(fā)明者巖井正三郎, 小林勝, 澤田治 申請(qǐng)人:田中貴金屬工業(yè)株式會(huì)社