用于封裝半導(dǎo)體的玻璃及玻璃管的制作方法

專利名稱：用于封裝半導(dǎo)體的玻璃及玻璃管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于封裝半導(dǎo)體的玻璃。更具體地說，本發(fā)明涉及用于氣密封裝元件，如硅二極管、發(fā)光二極管、熱敏電阻，和用于電連接這些元件的電極材料如杜美絲(Dumet wire)的玻璃，還涉及由此制得的用于封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體。
背景技術(shù)：
小型電子半導(dǎo)體部件，如硅二極管、發(fā)光二極管以及熱敏電阻通常呈DHD(Double Heat Sink Diode)形狀。更具體地說，這種半導(dǎo)體元件被夾在電極材料如杜美絲之間，然后周圍包以玻璃管。隨后將整個(gè)配件加熱到預(yù)定溫度，以使玻璃管軟化并且變形，從而實(shí)現(xiàn)氣密封接。一般說來，該加熱溫度是玻璃粘度達(dá)到106dPa·s時(shí)的溫度數(shù)值并稱為“封接溫度”。要求玻璃的封接溫度不高于要封裝的半導(dǎo)體的最高允許溫度，這樣該半導(dǎo)體的電學(xué)性能不會(huì)被加熱溫度損害。半導(dǎo)體的最高允許溫度隨類型和設(shè)計(jì)而有所變化。由于半導(dǎo)體的最高允許溫度可以達(dá)到大約710℃，重要的是玻璃的封接溫度不超過710℃。對該玻璃的另一項(xiàng)要求在于其熱膨脹系數(shù)。該要求是玻璃的熱膨脹系數(shù)應(yīng)與杜美絲的相一致，杜美絲是最常用的電極材料。更具體地說，該玻璃的熱膨脹系數(shù)在30～380℃溫度范圍內(nèi)應(yīng)為85×10-7～105×10-7/℃。
目前，用于封裝半導(dǎo)體并且滿足上述條件的玻璃是PbO含量高達(dá)45～75重量％的鉛硅酸鹽玻璃。這是因?yàn)镻bO具有極強(qiáng)的降低玻璃粘度的作用，同時(shí)又能形成穩(wěn)定的硅酸鹽玻璃。舉例來說，用于封裝半導(dǎo)體的、PbO含量為46重量％的玻璃，其封接溫度約為700℃。用于封裝半導(dǎo)體的、PbO含量為60重量％的玻璃，其封接溫度約為655℃。
最近幾年，由于有害成分如鉛、鎘和砷而引起的環(huán)境污染已經(jīng)成為一個(gè)問題。人們要求工業(yè)產(chǎn)品不含這些有害成分。在電子部件工業(yè)中，人們一直在努力試圖使用無鉛焊料。此外，人們要求用來封裝半導(dǎo)體的玻璃中也沒有PbO。
JP-A-6-206737(術(shù)語“JP-A”用于本文中時(shí)表示未經(jīng)審查、公開的日本專利申請)公開了一種方案，它試圖從鉛玻璃中除去鉛，該鉛玻璃被用作電子儀器和電子部件的一種成分，從而用杜美絲進(jìn)行穩(wěn)定地封接。但是這種嘗試的目的在于使鉛玻璃中PbO的含量達(dá)到約20～30重量％。PbO含量約為20～30重量％的玻璃是一種用于封接熒光燈或白熾燈燈泡的玻璃。這種玻璃材料原來的封接溫度約為750℃。此外，在上述JP-A-6-206737中公開的無鉛玻璃的封接溫度高達(dá)790℃。因此，上面所公開的這種玻璃材料不能達(dá)到不超過710℃的封接溫度，正如對用來封裝半導(dǎo)體的玻璃所要求的那樣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于封裝半導(dǎo)體的玻璃，該玻璃基本上不含鉛或其它有害成分，但其封接溫度不超過710℃，并可以用杜美絲穩(wěn)定地封接。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供由上述玻璃制得的封接玻璃封裝體。
本發(fā)明的這些和其它一些目的，可以通過用于封裝半導(dǎo)體的玻璃而實(shí)現(xiàn)，該玻璃包括Li2O、Na2O和K2O中至少兩種；以及B2O3，其中，所述玻璃不含鉛，并且其中，當(dāng)所述玻璃的粘度為106dPa·s時(shí)，所述玻璃的溫度不超過710℃。
此外，本發(fā)明的這些和其它一些目的可以通過用于封裝半導(dǎo)體的玻璃而實(shí)現(xiàn)，該玻璃包括40-70重量％的SiO2；5-20重量％的B2O3；0-15重量％的Al2O3；總量為0-45重量％的MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO；以及總量為5-25重量％的Li2O、Na2O和K2O中至少兩種，每一種成分均基于所述玻璃的總量。
此外，本發(fā)明的這些和其它一些目的，可以通過用于封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體而實(shí)現(xiàn)，該封裝體包括含有下列成分的玻璃Li2O、Na2O和K2O中至少兩種；以及B2O3，其中，所述玻璃不含鉛，并且其中，當(dāng)所述玻璃的粘度為106dPa·s時(shí)，所述玻璃的溫度不超過710℃。
此外，本發(fā)明的這些和其它一些目的可以通過用于封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體而實(shí)現(xiàn)，該封裝體包括含有下列成分的玻璃40-70重量％的SiO2；5-20重量％的B2O3；0-15重量％的Al2O3；總量為0-45重量％的MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO；以及總量為5-25重量％的Li2O、Na2O和K2O中至少兩種，每一種成分均基于所述玻璃的總量。
另外，本發(fā)明的這些和其它一些目的可以通過用于封裝半導(dǎo)體部件的方法而實(shí)現(xiàn)，該方法包括用一種封裝體封裝半導(dǎo)體部件，該封裝體為由上述玻璃制成的玻璃管。
除非另有說明，否則術(shù)語“％”在下文中均表示基于玻璃總量的“重量％”。術(shù)語“X的含量在0～Y％的范圍內(nèi)”表示X或者不存在，或者高于0％，或者為Y％，或者更低。
根據(jù)本發(fā)明，用于封裝半導(dǎo)體的玻璃本質(zhì)上不含鉛。特別是，PbO的含量基于所述玻璃的總量不高于5000ppm，優(yōu)選不高于1000ppm，更優(yōu)選不高于500ppm。
根據(jù)本發(fā)明，用于封裝半導(dǎo)體的玻璃包括作為基本成分的B2O3和Li2O、Na2O和K2O中至少兩種，從而具有較低的粘度，能夠在不超過710℃的溫度下進(jìn)行封裝。為了用杜美絲進(jìn)行封接，該玻璃在30～380℃范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)優(yōu)選地為85×10-7～105×10-7/℃。
用于封裝半導(dǎo)體的、具有上述性能的玻璃優(yōu)選地包括數(shù)量分別為40～70％、5～20％和0～15％的SiO2、B2O3和Al2O3；總量為0～45％的MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO；以及總量為5～25％的Li2O、Na2O和K2O。
下面說明將各種成分限定為上述含量范圍的原因。
SiO2是形成玻璃骨架的主要成分。SiO2的含量優(yōu)選地為40～70％，更優(yōu)選地為45～70％，更優(yōu)選地為50～65％。當(dāng)SiO2的含量不超過70％時(shí)，由于原料易熔化從而適宜大規(guī)模生產(chǎn)。此外，所形成的玻璃具有合適的(即，不太小)、與杜美絲的相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)，使其本身易于用杜美絲封接。另一方面，當(dāng)SiO2的含量不低于40％時(shí)，所形成的玻璃保持優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)在生產(chǎn)電子部件的過程中，暴露于多種所用化學(xué)試劑時(shí)，或者當(dāng)在較長的時(shí)間里用作電子部件時(shí)，具有較低化學(xué)穩(wěn)定性的玻璃會(huì)變次，從而由于氣密性受到破壞和喪失而導(dǎo)致電子部件的可靠性下降。另外，所形成的玻璃具有合適的(即，不太高)、與杜美絲的相適應(yīng)的熱膨脹系數(shù)，使其本身易于用杜美絲封接。
B2O3是一種用于改進(jìn)玻璃熔化性能、降低玻璃封接溫度、并提高玻璃化學(xué)穩(wěn)定性的成分。B2O3的含量優(yōu)選地為5-20％，更優(yōu)選地為8-15％，更優(yōu)選地為10-15％。當(dāng)B2O3的含量不超過20％時(shí)，B2O3由熔融玻璃的蒸發(fā)可以得到抑制，從而可以獲得均勻的玻璃。此外，所獲得的玻璃保持優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。另一方面，當(dāng)B2O3的含量不低于5％時(shí)，所獲得的玻璃具有合適的粘度，并可以得到具有優(yōu)秀氣密性的封裝體。
Al2O3是一種用于改進(jìn)玻璃化學(xué)穩(wěn)定性的成分。Al2O3含量優(yōu)選地為0-15％，更優(yōu)選地為0.5-10％。當(dāng)Al2O3的含量不超過15％時(shí)，其適于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。另外，所形成的玻璃保持優(yōu)異的抗失透性，從而可以獲得沒有結(jié)石或條紋的玻璃。在玻璃中存在結(jié)石或條紋會(huì)使封接的形狀不均勻，或者使封接的電子部件受到損傷，使封接電子部件的可靠性急劇下降。
MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO可以降低熔融玻璃的粘度，從而容易熔化玻璃并且降低封接溫度。這些成分還具有提高玻璃化學(xué)穩(wěn)定性的作用。MgO、CaO、SrO、BaO和ZnO的總量優(yōu)選地為0-45％，更優(yōu)選地為0-25％，更優(yōu)選地為1-25％，更優(yōu)選地為1-20％，最優(yōu)選地為5-20％。當(dāng)這些成分的總量不超過45％時(shí)，可以得到具有高度均一性的玻璃。
MgO、CaO、SrO和ZnO的含量優(yōu)選地分別為0-10％、0-10％、0-20％和0-15％，更優(yōu)選地分別為0-8％、0-8％、0-15％和1-15％。當(dāng)每一種成分的含量不超過上述限定范圍時(shí)，可以得到具有高度均一性的玻璃。
堿金屬氧化物L(fēng)i2O、Na2O和K2O是使玻璃易于熔化的成分，使其獲得不超過710℃的封接溫度，并且達(dá)到封接杜美絲所需的熱膨脹系數(shù)。重要的一點(diǎn)是在混合物中使用至少兩種這些堿金屬氧化物。換句話說，堿金屬氧化物的含量越高，封接溫度越低，但是所形成的玻璃的耐候性(weathering resistance)和電絕緣性變差。因此，為了充分利用堿金屬氧化物的混合作用，在混合物中至少使用兩種這些堿金屬氧化物，以改善玻璃的耐候性和電絕緣性。
這些堿金屬氧化物的總含量優(yōu)選地為5-25％，更優(yōu)選地為10-25％，更優(yōu)選地為14-20％。當(dāng)這些堿金屬氧化物的總含量不超過25％時(shí)，所形成的玻璃具有合適的、與杜美絲的相適宜的熱膨脹系數(shù)，其本身易于用杜美絲封接，從而可以得到具有優(yōu)秀氣密性的封裝體。此外，所形成的玻璃保持化學(xué)穩(wěn)定性。另一方面，當(dāng)這些堿金屬氧化物的總含量不低于5％時(shí)，可以得到較低的封接溫度。另外，所形成的玻璃具有合適的熱膨脹系數(shù)。Li2O、Na2O和K2O的含量優(yōu)選地分別為0-10％，0-10％和0-15％，更優(yōu)選地分別為0.5-9％，0-9％和1-10％。當(dāng)Li2O和Na2O的含量獨(dú)立地不超過10％，并且K2O的含量不超過15％時(shí)，堿金屬的混合作用是有效的，從而保持優(yōu)異的耐候性和較高的電絕緣性。Li2O具有最高的降低玻璃封接溫度的作用。因此，Li2O的含量優(yōu)選地不低于0.5％，特別是不低于3％。
除了上述成分以外，還可以以合適的量向玻璃組合物中加入其它成分，如ZrO2、TiO2、P2O5、Fe2O3、SO3、Sb2O3、F或Cl，從而對玻璃的粘度進(jìn)行調(diào)整，并且改善玻璃的耐候性、熔化性和澄清性。
當(dāng)用于封裝半導(dǎo)體的玻璃材料失去電阻時(shí)，電極之間的電流形成回路，該回路包括一個(gè)平行設(shè)置成二極管的電阻器。這樣，該玻璃材料的體積電阻率優(yōu)選盡可能地大。具體的說，用(logρ，Ω·cm)計(jì)算，150℃下，該玻璃材料的體積電阻率為7或更大，優(yōu)選9或更大，更優(yōu)選10或更大。為了在高達(dá)約200℃的溫度下二極管保持最佳效果，該玻璃材料的電阻率(logρ，Ω·cm)優(yōu)選在250℃下為7或更大。
由本發(fā)明用于封裝半導(dǎo)體的玻璃材料制成的用于封裝半導(dǎo)體的封裝體的制造方法如下所述。
在工業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，制造封裝體的方法包括混合步驟-量取和混合無機(jī)物或制備的晶體粉末，其中含有構(gòu)成玻璃的成分，以制成放入加熱爐中的初始材料；熔化步驟-熔化和玻璃化初始材料；成型步驟-使熔化的玻璃成為管狀；以及加工步驟-將玻璃管切割成一定的尺寸。
首先，混合玻璃的初始材料。初始材料包括由多種成分如氧化物及碳酸鹽制成的無機(jī)物和雜質(zhì)。通過分析的結(jié)果可以看出這些成分可被混合。因此，對這些成分并沒有限定。量取這些成分，然后用相應(yīng)于生產(chǎn)規(guī)模的適當(dāng)攪拌器攪拌，如V-形攪拌器、搖動(dòng)攪拌器和帶有攪拌刀片的攪拌器，從而得到放入加熱爐中的初始材料。
然后，將初始材料放入玻璃熔化爐中進(jìn)行玻璃固化。熔化爐包括用于熔化和玻璃化初始材料的熔化缸，用于收集玻璃中氣泡并除去它們的精制缸，和用于降低玻璃粘度的通道(給料器，feeder)，這樣精制至合適的數(shù)值后使玻璃進(jìn)行成型裝置。熔化爐由耐火材料制成或?yàn)閮?nèi)部襯有鉑的加熱爐。熔化爐通過燃燒或電能產(chǎn)生供給玻璃的熱能。在熔化缸中，使被處理的原始材料在1300℃～1600℃的溫度下正常玻璃化。然后該玻璃在1400℃～1600℃的溫度下被輸入到精制缸中，這樣玻璃中的氣泡就會(huì)上升和消失。當(dāng)通過給料器時(shí)，玻璃材料表現(xiàn)為溫度降低，其粘度變?yōu)樵?04至106dPa·s的范圍內(nèi)，這適于形成玻璃。然后該玻璃進(jìn)入成型裝置。
然后，玻璃材料通過成型裝置被制成管狀。作為成型裝置可以使用Danner工藝、Vello工藝、上拉工藝或下拉工藝。
然后，通過將玻璃管切割成一定尺寸，就得到了用封裝半導(dǎo)體的封裝體。玻璃管的切割可以用金剛石刀一根一根地切割玻璃管。但在實(shí)踐中，適于大規(guī)模生產(chǎn)的方法一般是將多個(gè)玻璃管結(jié)成一捆，然后用金剛石輪形刀切割這一捆，這樣能夠迅速地切割大量玻璃管。
下面將說明本發(fā)明中如何使用玻璃來封裝半導(dǎo)體。
本發(fā)明的玻璃通?？梢砸跃哂幸欢ǔ叽绲牟ＡХ庋b體的形狀使用。因此，首先制得具有上述特性(和配方)的玻璃封裝體。然后將夾在電極材料如杜美絲之間的半導(dǎo)體用夾子放入玻璃封裝體中。然后將整個(gè)配件加熱到不超過710℃的溫度，從而使玻璃封裝體軟化并且變形，形成氣密封接。用這種方式可以制得小型電子部件，如硅二極管、發(fā)光二極管和熱敏電阻。本發(fā)明的玻璃材料不僅可以用于玻璃管，還可以用于玻璃粉末。玻璃材料如果以粉末狀態(tài)存在，其被分散至作為溶劑的醇或水中形成結(jié)晶漿料。然后當(dāng)部件被旋轉(zhuǎn)時(shí)，將該結(jié)晶漿料滴至夾在杜美絲之間的部件上，從而使結(jié)晶漿料纏繞在部件上。然后煅燒部件以氣密封裝半導(dǎo)體。
具體實(shí)施例方式
下面將通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的用于封裝半導(dǎo)體的玻璃。但是，本發(fā)明并不限于下列實(shí)施例。
表1-5表示本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)(樣品1-26)，并且給出比較例(樣品27和28)。樣品27是用于封裝半導(dǎo)體的常規(guī)含鉛玻璃，樣品28是JP-A-6-206737中所述的無鉛玻璃。
表1

表2

表3

表4

表5

表6

為了評價(jià)該玻璃的性能，上表中所示的各個(gè)樣品是通過下列方法制得的。
首先制得具有上表中所述配方的玻璃材料，而后在1400℃下，將其在鉑金坩堝中熔化5小時(shí)。將由此制得的每一種熔融玻璃材料成型并制成預(yù)定的形狀，從而制得各種玻璃樣品。
測定每一種樣品的熱膨脹系數(shù)、軟化點(diǎn)、對應(yīng)于粘度106dPa·s的溫度(封接溫度)、操作溫度和體積電阻率(150℃，250℃)。其結(jié)果如上表所示。
由上表中可以看出，本發(fā)明的樣品1到26具有不超過710℃的封接溫度，并且具有86.7×10-7/℃～102.4×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)。另一方面，對比樣品28具有93×10-7/℃的熱膨脹系數(shù)，其可以用杜美絲安全封接，但其封接溫度高達(dá)788℃。因此，比較例28被認(rèn)為是不適用于封裝半導(dǎo)體的。
在上表中，為了測定熱膨脹系數(shù)，將玻璃樣品加工成直徑約3mm、長約50mm的柱形。通過自記錄差熱分析儀測定柱形樣品在30～380℃溫度范圍內(nèi)的平均線性熱膨脹系數(shù)。
測定軟化點(diǎn)、對應(yīng)于粘度106dPa·s的溫度(封接溫度)和操作溫度按照下面的方法進(jìn)行。首先，根據(jù)ASTM C338用纖維法測定玻璃的軟化點(diǎn)。而后通過鉑燈泡拉伸法(platinum bulb withdrawal method)測定對應(yīng)于操作溫度范圍內(nèi)粘度的溫度。隨后，將溫度與粘度值用于Fulcher方程，從而計(jì)算出粘度達(dá)到106dPa·s的溫度，即封接溫度。
根據(jù)ASTM C-657法測定體積電阻率。用于封裝半導(dǎo)體的玻璃優(yōu)選地具有較高的絕緣性。
如上所說，根據(jù)本發(fā)明，用于封裝半導(dǎo)體的玻璃完全不含PbO，但其熱膨脹系數(shù)為85×10-7/℃～105×10-7/℃，這適于用杜美絲進(jìn)行封接，并且具有不超過710℃的封接溫度，因此它適于作為用于封裝半導(dǎo)體的玻璃，特別是玻璃封裝體。
由本發(fā)明的玻璃材料制造用于封裝半導(dǎo)體的封裝體。
首先，將矽砂粉、氧化鋁、硼酸、氧化鎂、碳酸鈣、氧化鋅、碳酸鋰、碳酸鈉、碳酸鉀、三氧化銻、碳酸鍶、碳酸鋇、氧化鐵、氧化鈦、氧化鋯根據(jù)配方預(yù)先設(shè)定的比例混合，該配方是考慮到產(chǎn)量和雜質(zhì)含量為制備500Kg初始材料而制定的，該初始材料隨后用V-形攪拌器充分?jǐn)嚢琛?br> 在容量為500L的玻璃熔化爐中，將這樣制得的初始材料熔化，用下拉工藝制成管狀，然后切割得到具有適當(dāng)?shù)拈L度(如lm)的玻璃管。玻璃熔化爐的熔化缸保持在1450℃的溫度。來自熔化缸的熔化玻璃經(jīng)過精制缸后進(jìn)入給料器。給料器中的熔化玻璃流經(jīng)給料器底部孔環(huán)和與該孔環(huán)同心的Bel軸之間的縫隙，該縫隙構(gòu)成成型裝置。該玻璃在受到來自于Bel軸吹動(dòng)的空氣的壓力而向下延伸以形成管狀。管要求的尺寸(內(nèi)部直徑和厚度)由玻璃材料流下速度、空氣壓力和拉伸速度決定。
然后，使用打捆裝置，使這樣形成的1000根玻璃管成為一體。將這捆玻璃管在樹脂缸中浸潤，從而樹脂如松香進(jìn)入玻璃管之間的縫隙，由樹脂缸中取出，冷卻，得到直徑約為5cm的棒狀材料。將該棒狀材料切割成預(yù)定長度。這樣，通過一次性切割就得到了含有1000根玻璃管、相互之間粘合在一起的團(tuán)狀物。然后，由該團(tuán)狀物中除去樹脂以得到玻璃管。洗滌這些玻璃管，干燥，得到具有一定長度的封裝體。這樣得到的封裝體如果用于二極管，其內(nèi)部直徑應(yīng)為0.6～2.1mm，厚度應(yīng)為0.2～0.8mm以及長度應(yīng)為1～4mm。
使用本發(fā)明用于封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體可以使小型電子部件，如硅二極管、發(fā)光二極管和熱敏電阻不含Pb。
盡管上面已經(jīng)詳細(xì)地并且參照具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但熟悉本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員顯然在不脫離本發(fā)明精神及其范圍的基礎(chǔ)上還可以作多種變化和改變。
本申請基于2000年5月16日提出的日本專利申請2000-143990，其全部內(nèi)容作為參考而被引入本文。
權(quán)利要求
1.一種用于封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體，該封裝體為玻璃管，能將由電極材料夾持的半導(dǎo)體氣密性地封裝在所述玻璃管中，所述封裝體為無鉛玻璃，其中，當(dāng)所述玻璃封裝體的粘度為106dPa·s時(shí)，所述玻璃封裝體的溫度不超過710℃，并且所述玻璃封裝體是含有Li2O、Na2O和K2O中的至少兩種物質(zhì)以及B2O3的玻璃。
2.如權(quán)利要求1所述的用于封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體，其中在150℃時(shí)，所述玻璃的體積電阻率logρ為大于或等于10Ω·cm。
3.封裝半導(dǎo)體的方法，該方法包括以下步驟制備如權(quán)利要求1所述的封裝半導(dǎo)體的玻璃封裝體；放置由電極材料夾持的所述半導(dǎo)體；整體加熱以使所述玻璃封裝體軟化；將所述半導(dǎo)體氣密性地封裝在所述玻璃封裝體中。
4.如權(quán)利要求3所述的封裝半導(dǎo)體的方法，其中所述整體加熱的溫度不高于710℃。
全文摘要
一種用于封裝半導(dǎo)體的玻璃，該玻璃實(shí)質(zhì)上不含鉛或其它有害成分，但其封接溫度不超過710℃，并且可以用杜美絲穩(wěn)定地封接。此外，當(dāng)玻璃的粘度為10
文檔編號(hào)C03C3/089GK1617329SQ20041007780
公開日2005年5月18日 申請日期2001年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月16日
發(fā)明者裕幸 香曾我部 申請人:日本電氣硝子株式會(huì)社