JP2005162600A - 半導体パッケージ用カバーガラス - Google Patents
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Abstract
【課題】 清澄剤としてＡｓ2Ｏ3を含有せず、またＳｂ2Ｏ3やＳｂ2Ｏ5の含有量を制限しながら、泡の少ない半導体パッケージ用カバーガラスを提供することを技術的課題とする。
【解決手段】 質量％で、ＳｉＯ2 ５８〜７２％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１５％、Ｂ2Ｏ3 ８〜１８％、アルカリ金属酸化物 ７．５〜２０％、アルカリ土類金属酸化物 ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜１０％、Ｓｂ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ5 ０〜０．２％、Ｆ2＋Ｃｌ2＋Ｃ＋ＳＯ3＋ＳｎＯ2 ０．０１〜３％を含有し、実質的にＡｓ2Ｏ3を含有しないことを特徴とする。
【選択図】なし
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【選択図】なし
Description
本発明は、主に固体撮像素子を収納する半導体パッケージの前面に取り付けられ、固体撮像素子を保護すると共に透光窓として使用される半導体パッケージ用カバーガラスに関するものである。
固体撮像素子の前面には、半導体素子の保護のため、平板状の透光面を有するカバーガラスが配設される。このカバーガラスは、アルミナ等のセラミック材料や金属材料、或いは樹脂材料で形成されたパッケージに、各種の有機樹脂や低融点ガラスからなる接着材を用いて封着され、パッケージの内部に収納された固体撮像素子を保護すると共に可視光線等の透光窓として機能する。
固体撮像素子として、現在最も多く用いられている光半導体は、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）である。ＣＣＤは、高精細な画像を取り込むため、主にビデオカメラに搭載されていたが、近年、画像のデータ処理の利用が加速する中で、急激に利用範囲が拡大している。特にデジタルスチルカメラや携帯電話に搭載され、高精細な画像を電子情報データに変換するために多く用いられるようになってきている。また省スペース化の要求と共に、パッケージ材料は薄くなる傾向にあり、樹脂パッケージに比べて、強度的に信頼性の高いアルミナセラミックパッケージが使用されるようになってきている。
ＣＣＤは、画像を正確に電子情報に変換する必要性があるため、それに使用されるカバーガラスは、その表面に汚れや傷、異物の付着等に関して厳しい基準が設けられ、高品位の清浄度が要求されている。また表面の清浄度に加え、ガラス内部に泡、脈理、結晶等が存在せず、白金等の異物の混入を防止することも要求されている。さらに各種のパッケージと良好に封着するため、パッケージ材料と近似した線熱膨張係数を有することも要求されている。また、この種のガラスは、長期に亘って表面品位が低下しないように耐候性に優れ、また軽量化できるように密度の低いことも要求される。さらに、ガラス中に放射性同位元素であるＵ（ウラン）やＴｈ（トリウム）が含まれると、ガラスからα線が放出されやすく、その放出量が多いと、固体撮像素子のノイズ（ソフトエラーなど）を発生するため、Ｕ、Ｔｈをできるだけ含有しないことが要求されている。そのためガラスの製造に際しては、高純度原料を採用したり、原料を溶解する溶融槽の内壁を放射性同位元素の少ない耐火物（例えばアルミナ電鋳耐火物、石英系耐火物、白金）から形成する等の対策が採られている。例えば、特許文献１〜３には、放射性同位元素を減少し、α線放出量を低減した固体撮像素子パッケージ用カバーガラスが提案されている。
特許第２６６０８９１号公報
特開平６−２１１５３９号公報
特開平７−２１５７３３号公報
上記したように固体撮像素子パッケージ用カバーガラスには、泡等の内部欠陥が少ないことが要求される。これはガラス中に泡が多量に存在すると、これが光学欠陥となり、固体撮像素子にノイズが発生しやすくなるからである。泡のない均質なガラスを得るためには、ガラス化反応時に発生するガスを清澄ガスによってガラス融液中から追い出し、さらに均質化清澄時に、残った微小な泡を再び発生させた清澄ガスによって泡径を大きくして浮上させて除去することが必要となる。
従来よりこの種のガラスの清澄剤としては、幅広い温度域（１３００〜１７００℃程度）で清澄ガスを発生させることができるＡｓ2Ｏ3が広く使用されてきたが、Ａｓ2Ｏ3は原料中に放射性同位元素を含みやすいため、ガラスからのα線放出量が多くなるという問題がある。
このような事情から、Ａｓ2Ｏ3に代わる清澄剤として、Ｓｂ2Ｏ3やＳｂ2Ｏ5が使用されつつあるが、Ｓｂ2Ｏ3やＳｂ2Ｏ5は環境負荷物質であるため、できるだけ含有しないことが望ましい。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、清澄剤としてＡｓ2Ｏ3を含有せず、またＳｂ2Ｏ3やＳｂ2Ｏ5の含有量を制限しながら、泡の少ない半導体パッケージ用カバーガラスを提供することを技術的課題とする。
上記技術的課題を解決するためになされた本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、質量％で、ＳｉＯ2 ５８〜７２％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１５％、Ｂ2Ｏ3 ８〜１８％、アルカリ金属酸化物 ７．５〜２０％、アルカリ土類金属酸化物 ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜１０％、Ｓｂ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ5 ０〜０．２％、Ｆ2＋Ｃｌ2＋Ｃ＋ＳＯ3＋ＳｎＯ2 ０．０１〜３％を含有し、実質的にＡｓ2Ｏ3を含有しないことを特徴とする。
本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、実質的にＡｓ2Ｏ3を含有しないため、これに起因する放射性同位元素の混入を防止することができ、しかもＦ2、Ｃｌ2、Ｃ、ＳＯ3、ＳｎＯ2を合量で０．０１〜３％含有するため良好な清澄性が得られ、泡を低減することができる。
本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、質量％で、ＳｉＯ2 ５８〜７２％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１５％、Ｂ2Ｏ3 ８〜１８％、アルカリ金属酸化物 ７．５〜２０％、アルカリ土類金属酸化物 ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜１０％の基本組成を含有し、清澄剤としてＳｂ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ5 ０〜０．２％、Ｆ2＋Ｃｌ2＋Ｃ＋ＳＯ3＋ＳｎＯ2＋ＣｅＯ2 ０．０１〜３％を含有するため、Ａｓ2Ｏ3を含有しなくとも、光学欠陥となるような泡をなくすことができる。
上記組成を有するガラスは、ガラス原料から混入するＵ、Ｔｈを低減しやすく、例えばガラス中のＵ含有量を５ｐｐｂ以下、Ｔｈ含有量を１０ｐｐｂ以下に制御できる。その結果、ガラスからのα線放出量を０．００５ｃ／ｃｍ2・ｈｒ以下にすることができ、α線に起因する固体撮像素子のノイズを低減することができる。さらにＵ含有量を４ｐｐｂ以下、Ｔｈ含有量を８ｐｐｂ以下にすることによって、ガラスからのα線放出量を０．００３ｃ／ｃｍ2・ｈｒ以下にすることも可能である。そのため高画素（例えば１００万画素以上）で小型の固体撮像装置に搭載しても、α線に起因するノイズの低減を図ることができる。尚、Ｕは、Ｔｈに比べて、α線を放出しやすいため、Ｕの許容量は、Ｔｈの許容量に比べて少なくなる。
また本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、３０〜３８０℃の温度範囲における平均熱膨張係数を３０〜８５×１０-7／℃に調整することができる。そのため有機樹脂や低融点ガラスからなる接着材を用いてアルミナパッケージ（約７０×１０-7／℃）や各種樹脂パッケージと封着しても、内部に歪みが発生せず、長期間に亘って良好な封着状態を保つことが可能である。カバーガラスの好ましい熱膨張係数は、３５〜８０×１０-7／℃、より好ましい熱膨張係数は５０〜７５×１０-7／℃である。
また本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、ガラスの密度が２．４５ｇ／ｃｍ3以下、アルカリ溶出量が１．０ｍｇ以下に調整できるため、特に屋外で使用する携帯用電子機器に搭載される用途に好適である。すなわちビデオカメラ、デジタルスチルカメラ、携帯電話、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）等の機器は、屋外で使用されることがあるため、軽量で持ち運びに適し、高い耐候性を有することが要求される。従って、これらの用途に使用される固体撮像素子パッケージ用カバーガラスは、軽量であるという特性に加え、安定した耐候性を有し、屋外で過酷な環境下で使用されても表面品位が低下しないといった特性を併せ持つものでなければならない。そのため特にこの用途に使用されるカバーガラスには、ガラスの密度を低下することによって軽量化したり、アルカリ溶出量を少なくすることによって耐候性を向上することが望まれる。
また本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、肉厚が０．０５〜０．７ｍｍであることが好ましい。肉厚が大きくなるほど、透過率が低下し、また軽量化の障害となる。また肉厚が薄くなるほど、実用強度が不足したり、大板ガラスのたわみが大きくなって取り扱いが困難となる。より好ましい肉厚は、０．１〜０．５ｍｍであり、さらに好ましい肉厚は、０．１〜０．４ｍｍである。
本発明の半導体パッケージ用カバーガラスを構成する各成分の含有量を上記のように限定した理由を次に説明する。
ＳｉＯ2は、ガラスを構成する骨格となる主成分であり、ガラスの耐候性を向上するのに効果があるが、多くなりすぎると、ガラスの高温粘度が上昇し、溶融性や清澄性が悪化する傾向がある。よってＳｉＯ2は、５８〜７２％、好ましくは、６０〜７０％、より好ましくは６２〜６８．５％である。
Ａｌ2Ｏ3は、ガラスの耐候性を向上する成分であるが、多くなりすぎると、ガラスの高温粘度が上昇し、溶融性や清澄性が悪化する傾向がある。よってＡｌ2Ｏ3は、０．５〜１５％、好ましくは１．１〜１２％、より好ましくは、３．５〜１２％、最も好ましくは５．５〜１１％である。
Ｂ2Ｏ3は、融剤として働き、ガラスの粘性を下げ、溶融性や清澄性を向上する成分である。しかしＢ2Ｏ3が多くなりすぎると、ガラスの耐候性が低下し、また溶融時の揮発が多くなって脈理が発生しやすくなる。よってＢ2Ｏ3は、８〜１８％、好ましくは９〜１８％、より好ましくは１１〜１８％、最も好ましくは１２〜１７％である。
アルカリ金属酸化物（Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、Ｌｉ2Ｏ）は、いずれもガラスの粘性を下げ、溶融性と清澄性を向上し、また熱膨張係数を調整する成分である。しかしながら、これらの成分を多量に含有すると、熱膨張係数が大きくなる傾向があり、またガラスの耐候性が著しく低下する。よってアルカリ金属酸化物は、７．５〜２０％、好ましくは８〜２０％、より好ましくは９〜１５％である。ただしＬｉ2Ｏは、原料に放射性同位元素を含みやすいため、０〜６％、好ましくは０〜５．５％、より好ましくは０〜５％、さらに好ましくは０〜４．５％、最も好ましくは０〜１．０％に規制すべきである。
アルカリ土類金属酸化物（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ）は、ガラスの耐候性を向上すると共に、ガラスの粘性を下げ、溶融性を改善する成分であるが、多くなりすぎると、ガラスが失透しやすくなると共に密度が上昇する傾向がある。よってアルカリ土類金属酸化物は、０〜２０％、好ましくは、０．５〜１８％、より好ましくは、１．０〜１８％である。
特にＣａＯは、比較的容易に高純度原料を入手でき、しかも耐候性を向上する効果に優れているため、０．５〜１０％、さらには１〜８％含有させることが好ましい。ただしＢａＯとＳｒＯは、密度を上昇させやすく、また原料中に放射性同位元素を含みやすいため、各々３％以下、さらには各々１．４％以下に規制することが好ましい。
ＺｎＯは、耐候性を向上する効果に優れ、またガラスの溶融性を改善し、溶融ガラスからＢ2Ｏ3やアルカリ金属酸化物が揮発するのを抑制するのに効果があるが、多量に含有すると、ガラスが失透しやすくなり、また密度が上昇するため、１０％以下、好ましくは９％以下、より好ましくは６％以下に抑えるべきである。特に本発明においては、Ａｌ2Ｏ3が３％以下になると、耐候性が著しく低下する傾向にある。またＢ2Ｏ3が１４％以上になると、揮発が多くなり脈理が発生しやすくなる。そのためＡｌ2Ｏ3が３％以下、或いはＢ2Ｏ3が１４％以上の場合には、ＺｎＯを２％以上、さらには４．５％以上含有させることが好ましい。
Ｓｂ2Ｏ3とＳｂ2Ｏ5は、清澄剤として作用するが、環境面からできる限り少ない方が良い。よってＳｂ2Ｏ3とＳｂ2Ｏ5は、合量で０〜０．２％、好ましくは０〜０．１％であり、実質的に含有しないことが最も好ましい。尚、本発明において、実質的に含有しないとは、不純物として混入する量に抑えるという意味である。
Ｆ2、Ｃｌ2、Ｃ、ＳＯ3、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2は、いずれも清澄剤として作用する成分である。これらの清澄剤は、Ａｓ2Ｏ3やＳｂ2Ｏ3に比べて清澄作用に劣るが、上記組成を有する本発明のカバーガラスは、粘性が低く清澄しやすいため、Ｆ2、Ｃｌ2、Ｃ、ＳＯ3、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2の１種又は２種以上を０．０１〜３％含有することによって十分に脱泡を行うことができる。ただし、これらの清澄剤が多くなるほど、清澄効果が大きくなるため、好ましくは合量で０．０２〜３％、より好ましくは０．０５〜３％、最も好ましくは０．２〜３％である。
また本発明のガラスは、高温粘度である１０2.5ポイズに相当する温度が１３００〜１６００℃程度であり、特にＣｌ2とＳＯ3は、このような温度域で清澄ガスを発生しやすいため、これらを合量で０．０２〜２％、さらには０．０５〜２％含有することが好ましい。しかしながらＣｅＯ2は、ガラスを着色するため、その含有量は１％以下、より好ましくは０．７％以下に規制すべきである。
また本発明においては、上記成分以外にも、ガラスの特性を損なわない範囲で、Ｐ2Ｏ5、Ｙ2Ｏ3、Ｎｂ2Ｏ3，Ｌａ2Ｏ3等の成分を５％以下含有させることができる。
ただし上記したようにＡｓ2Ｏ3を使用すると、放射線同位元素が混入しやすいため、実質的に含有すべきでない。またＰｂＯ、ＣｄＯは毒性が強い成分であるため、使用を避けるべきである。
またＦｅ2Ｏ3も、清澄剤として使用できるが、ガラスを着色するため、その含有量は５００ｐｐｍ以下、好ましくは３００ｐｐｍ以下、より好ましくは２００ｐｐｍ以下に規制すべきである。
ＴｉＯ2は、ガラスの耐候性を改善し、高温粘度を低下させる効果を有するが、Ｆｅ2Ｏ3による着色を助長するため、多量に含有することは好ましくない。ただし、Ｆｅ2Ｏ3が２００ｐｐｍ以下であれば、５％まで含有させることができる。
ＺｒＯ2は、耐候性を向上する成分であるが、原料に放射性同位元素を含みやすいため、０〜２％、好ましくは０〜０．５％、より好ましくは５００ｐｐｍ以下に規制すべきである。
本発明の半導体パッケージ用カバーガラスは、上記の組成を有しつつ、高純度原料と、不純物が混入し難いように整備された溶融環境を採用することによって、Ｕ、Ｔｈ、Ｆｅ2Ｏ3、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＭｎＯ2、ＺｒＯ2等の含有量を精密に制御することが可能であり、特に紫外線近傍の透過率に影響を及ぼすＦｅ2Ｏ3、ＰｂＯ、ＴｉＯ2、ＭｎＯ2については、各々１〜１００ｐｐｍオーダーで管理することが可能であり、α線によるＣＣＤ素子のソフトエラーの原因となるＵ、Ｔｈについては、各々０．１〜１０ｐｐｂのオーダーで管理することが可能である。
次に本発明の半導体パッケージ用カバーガラスを製造する方法を述べる。
まず所望の組成を有するガラスとなるようにガラス原料調合物を準備する。ガラス原料は、Ｕ、Ｔｈ等の不純物が少ない高純度原料を使用する。具体的には、ＵとＴｈの含有量が各々５ｐｐｂ以下の高純度原料を使用する。次いで調合したガラス原料を溶融槽に投入して溶融する。溶融槽は、白金容器を使用しても良いが、ガラス中に白金ブツが混入しやすくなるため、少なくとも溶融槽の内壁（側面、底面等）は、Ｕ、Ｔｈの少ない耐火物から作製することが好ましい。具体的には、アルミナ耐火物（例えばアルミナ質電鋳レンガ）や石英系耐火物（例えばシリカブロック）が侵食しにくく、しかもＵ、Ｔｈの含有量を各々１ｐｐｍ以下にすることができ、Ｕ、Ｔｈのガラスへの溶出が少ないため好ましい。次いで溶融ガラスの均質化（脱泡・脈理除去）を清澄槽で行う。この清澄槽は、耐火物や白金から作製すれば良い。尚、ジルコニア耐火物は、放射性同位元素を多く含むため、使用を避けるべきである。
その後、均質化された溶融ガラスを型に入れて鋳込み成形したり、或いは延板上に連続的に引き出し、所定の形状に成形する。次いで、得られたガラス成形体（ガラスインゴット）を徐冷し、これを一定の厚みに切り出した後、その表面に研磨加工を施すことによって所定の厚みの大板ガラスを形成し、これを所定寸法に細断加工することによってカバーガラスを作製する。
また上記の方法以外に、溶融ガラスをダウンドロー法やフロート法で板状に成形し、所望の厚みを有する板ガラスを得た後、所定の寸法に細断加工し、必要に応じて面取り加工することによってカバーガラスを作製しても良い。ダウンドロー法としては、オーバーフローダウンドロー法やスロットダウンドロー法が使用でき、特にオーバーフローダウンドロー法で板ガラスを成形すると、表面品位が向上するため、研磨加工が不要となり、生産コストを低減できるため好ましい。
以下、実施例に基づいて本発明のパッケージ用カバーガラスを説明する。
表１は、本発明の実施例（試料Ｎｏ．１〜７）及び比較例（試料Ｎｏ．８）を示すものである。
表中の各試料は、次のようにして作製した。
まず表の組成のガラス５００ｇが得られるように調製した高純度ガラス原料を、白金ロジウム又は石英系耐火物からなるルツボに投入し、攪拌機能を有する電気溶融炉中で１５７０℃、２時間の条件で溶融し、その溶融ガラスをカーボン板上に流し出した。さらに、この板ガラスを徐冷してガラス試料とした。
表から明らかなように、実施例ガラス（試料Ｎｏ．１〜７）は、熱膨張係数が５４．１〜６８．３×１０-7／℃、密度が２．４５以下、１０2.5ｄＰａ・ｓの粘度に相当する温度が１５００℃以下、アルカリ溶出量が０．０７ｍｇ以下、α線放出量が０．００３０ｃ／ｃｍ2・ｈｒ以下であり、固体撮像素子パッケージ用カバーガラスとして好適なものであった。また実施例ガラスの泡個数は、Ｓｂ2Ｏ3を０．５％含有する比較例ガラス（試料Ｎｏ．８）の泡個数と同等であり、清澄性に優れていた。
尚、表１におけるＵ、Ｔｈの含有量は、ＩＣＰ−ＭＡＳＳにより測定した。熱膨張係数は、ディラトメーターで３０〜３８０℃における平均熱膨張係数を測定した。密度は周知のアルキメデス法で求めた。
また歪点、及び徐冷点は、ＡＳＴＭ Ｃ３３６−７１の方法に準じて測定し、軟化点は、ＡＳＴＭ Ｃ３３８−９３の方法に準じて測定した。１０4Ｐａ・ｓ温度、１０3Ｐａ・ｓ温度、及び１０2.5Ｐａ・ｓ温度は、周知の白金球引き上げ法によって求めた。１０2.5Ｐａ・ｓ温度は、高温粘度である１０2.5ポイズに相当する温度を測定したものであり、この値が低いほど溶融性に優れていることになる。
さらにアルカリ溶出量は、ＪＩＳ Ｒ３５０２に基づいて測定した。α線放出量は、超低レベルα線測定装置（住友化学社製ＬＡＣＳ−４０００Ｍ）を用いて測定した。泡個数は、ガラス中の１００μｍ以上の泡数をカウントし、１００ｇ当たりの泡数に換算することにより求めた。
本発明のパッケージ用カバーガラスは、固体撮像素子パッケージ用カバーガラスとして好適であり、これ以外にも、レーザーダイオードを収納するパッケージを始めとして、各種半導体パッケージのカバーガラスとして使用することができる。また、このカバーガラスは、３０〜３８０℃の温度範囲における平均熱膨張係数が３０〜８５×１０-7／℃に調整することができるため、アルミナパッケージ以外にも、樹脂、タングステン金属、コバール合金、モリブデン金属、３６Ｎｉ−Ｆｅ合金、４２Ｎｉ−Ｆｅ合金、４５Ｎｉ−Ｆｅ合金、４６Ｎｉ−Ｆｅ合金、５２Ｎｉ−Ｆｅ合金等で作製された各種パッケージに、有機樹脂や低融点ガラスを用いて封着することが可能である。
Claims (7)
- 質量％で、ＳｉＯ2 ５８〜７２％、Ａｌ2Ｏ3 ０．５〜１５％、Ｂ2Ｏ3 ８〜１８％、アルカリ金属酸化物 ７．５〜２０％、アルカリ土類金属酸化物 ０〜２０％、ＺｎＯ ０〜１０％、Ｓｂ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ5 ０〜０．２％、Ｆ2＋Ｃｌ2＋Ｃ＋ＳＯ3＋ＳｎＯ2＋ＣｅＯ2 ０．０１〜３％を含有し、実質的にＡｓ2Ｏ3を含有しないことを特徴とする半導体パッケージ用カバーガラス。
- ３０〜３８０℃の温度範囲における平均熱膨張係数が３０〜８５×１０-7／℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ用カバーガラス。
- ガラスからのα線放出量が０．００５ｃ／ｃｍ2・ｈｒ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体パッケージ用カバーガラス。
- ガラス中のＵ含有量が５ｐｐｂ以下、Ｔｈ含有量が１０ｐｐｂ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体パッケージ用カバーガラス。
- 密度が２．４５ｇ／ｃｍ3以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体パッケージ用カバーガラス。
- アルカリ溶出量が、１．０ｍｇ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体パッケージ用カバーガラス。
- 固体撮像素子を収納するパッケージに使用されることを特徴とする請求項１〜６に記載の半導体パッケージ用カバーガラス。
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