CN1060280A - 封接玻璃组分以及含有该组分的导电性配方 - Google Patents

封接玻璃组分以及含有该组分的导电性配方 Download PDF

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Abstract

描述了一种封接玻璃组分，其中包括(以重量百 分比计)13-15％氧化铅、20-50％氧化钒、氧化碲 2-40％、小于40％氧化硒、小于10％氧化磷、小于 5％氧化铌、小于20％氧化铋、小于5％氧化铜和小 于10％氧化硼，以及一种导电性配方，其中包括以重 量百分比计)50-77％银、8-34％如上所述的封接玻 璃组分、0.2-1.5％树脂和触变胶和10-20％的有机 溶剂。

Description

本发明涉及封接玻璃组分和该组分的一种导电性混合物，更具体地说，本发明涉及将半导体芯片（也称为“晶片”）接合到陶瓷基板上的一种封接玻璃组分，更进一步地说，涉及通过低于400℃温度的烧结将这些晶片有效地接合到陶瓷基板上的一种组分。按照本发明的一个方面，将该封接玻璃组分配制成一种导电糊，例如银糊，它对于将硅半导体器件接合到陶瓷基板上特别有效。
使用填充银的玻璃把半导体器件接合到已金属化或未金属化的陶瓷基板上已是已知的，例如这些糊在Dietz等人的美国专利US4401767;Dietz等人的美国专利US4436785;Dietz等人的美国专利US4459166;Husson，Jr.等人的美国专利US4761224以及Husson，Jr等人的美国专利4636254中已有描述。
虽然，迄今已知的银糊组合物在半导体工业中已广泛使用，但是在使用这些组合物连接半导体器件、而该半导体器件又不能承受在接合到陶瓷基板上的过程中器件所暴露的高温时就会产生问题，直到现在所使用的封接玻璃组分和银糊的配方仍需要加热到高于400℃（如430℃）的温度，才能既满足接合要求又能形成足够的接合强度，例如，通常使用的以铝硼酸盐系统为基础的封接玻璃需要在430℃下烧结，才能产生所希望的结合强度。然而许多新的半导体晶片比以前的器件对于烧结温度更加敏感，且由于暴露在这样的高温之下而对它们的实用性造成不利的影响。对于高温烧结温度敏感的晶片包括大面积晶片和使用细微线型几何形状的晶片。在后一种情况下，在晶片的表面上，Si-SiO2-Si线隔开1至2微米，为了实现满意的接合而在高温下烧结则会使这些晶片的实用性遭到破坏，这是由于这些线组分的初始溶化引起了所不期望的线之间的接触而造成的。
所以，人们希望能够提供一种封接玻璃组分和用其制造的银糊，它们不需要在这样的高温下才能达到满意的接合强度。
本发明提供了一种用于将半导体器件接合到陶瓷基板上的新型封接玻璃组分，以及提供可用于接合目的的这些封接玻璃组分的导电性配方，按照本发明的封接玻璃组分能够将半导体器件接合到陶瓷基板上，而使用的烧结温度低于400℃，还能产生满意的接合强度。该组分包括：（以重量百分比计）13-50%氧化铅、20-50%氧化钒、2-40%氧化碲、0-40%氧化硒、0-5%氧化铌、0-20%氧化铋、0-10%氧化磷、0-5%氧化铜，和0-10%氧化硼。一种优选的组分包括约30-50%PbO，约30-50%V2O5，约9-30%TeO2，约1-5%Bi2O3，0-40%SeO2，和0-10%的Nb2O5、P2O5、CuO及B2O3中的一种或它们中几种的结合。
本发明的另一方面是提供一种用于将半导体器件接合到陶瓷基板上的导电性配方，其中包括银玻璃糊形式的上述封接玻璃组分，该配方包括：（以重量百分比计）50-77%银片（该银片中可以含有0-10%的粉状银），8-34%上述封接玻璃组分，和10-20%的有机物质，该有机物质包括一种树脂、一种触变胶和一种溶剂。其树脂和触变胶可以用来互换，其总含量为0.2-1.5%。有机溶剂的含量范围可以为10-20%。
如前所述，按照本发明在配制导电性糊中所采用的封接玻璃组分包括：（以重量百分比计）13-50%氧化铅（PbO）、20-50%氧化钒（V2O5）、和2-40%氧化碲（TeO2）。任选的添加剂包括：0-40%氧化硒（SeO2）、0-10%氧化磷（P2O5）、0-5%氧化铌（Nb2O5）、0-20%氧化铋（Bi2O3）、0-5%氧化铜（CuO）和0-10%氧化硼（B2O3）。这里所使用的所有百分比均是重量百分比。
基础玻璃组分包括玻璃形成物，氧化铅（PbO）和氧化钒（V2O5）通过添加其他成分而得到所需的该组分的特性，但是PbO和V2O5的含量应该处在上述范围内以保证通过添加其他添加剂可使玻璃特性向所期望的特性变化。在其组分的配制过程中，要选择氧化铅、氧化钒和氧化碲的含量，以便PbO和V2O5能够与氧化碲以及任选的添加剂之间互相作用，从而获得既使在所需的低温下烧结时也能产生满意的接合强度的混合物。
氧化碲（TeO2）和可以部分替代成TeO2的氧化硒（SeO2）均有增加玻璃组分流动性的功能，且使玻璃与陶瓷基板更好地反应，从而实现有效的接合，氧化碲可以单独使用，或与氧化硒一起共同使用，但是其总量不得超过40%。
作为一种任选的添加剂，可以将氧化磷（P2O5）加入，因为在玻璃组分中做为一个成分它可以降低玻璃熔点。若在玻璃的烧结温度上不存在不利的影响，加入低于10%的五氧化二磷就能满足这一功能。
在玻璃混合物中可以包括氧化铌（Nb2O5），用于控制玻璃的垫膨胀特性，以避免在玻璃组分和接合半导体器件的陶器成分之间在热膨胀上过分不匹配。然而，为避免对所需的低烧结温度产生不利影响，应控制氧化铌的含量，因此其含量应在小于约5%的范围内。
氧化铋（Bi2O3）可增加玻璃在陶瓷基板上的润湿性，对于具有金属涂层（例如金）的基板来说，它是一种特别有效的添加剂，因为氧化铋可使陶瓷基板上的金属涂层的润湿性得到改进。虽然若不用于金属涂层基板，可在没有氧化铋的条件下配制玻璃组分，但是氧化铋的添加会使其玻璃组分变得更为通用和具有更广泛的用途。可以存在的Bi2O3含量有小于20%。
氧化铜（CuO）具有与氧化铋相同的功能，即在金属化的基板上改善玻璃组分的润湿特性。因此，为此目的可以在小于5%的含量范围使用氧化铜。
除前面所述之外，氧化硼（B2O3）也可以用降低玻璃的熔化温度。为此目的可以在小于10%的范围内使用氧化硼。
除前面所述之外，还可以在基础玻璃组分中包括其他添加剂，只要它们对所需的该玻璃组分的低烧结温度不产生有害影响即可。
按照本发明在配制银玻璃糊时，混合物中的银成分应该具有50-77%的含量范围。这样的银成分使糊具有导电特性，且有利于以银片形式，但又可以含有少量的粉状银。银玻璃糊中的第二种成分是如前所述的封接玻璃组分。它可以有8-34%的含量范围。选择这个范围是为了在所需的低烧结温度条件下实现最佳的接合强度。
除前面所述之外，该银玻璃糊中的第三种成分是有机物质，它一般包括树脂、触变胶和溶剂的一种混合物。树脂和触变胶加在一起的含量范围是0.2～1.5%，而溶剂含量范围约为10～20%。
有机物质中的树脂成分用来使糊稳定和改善流动性。它通过涂覆玻璃颗粒来达到此目的。触变胶做为一种悬浮剂，以保持该颗粒悬浮于有机溶剂中。其溶剂可以是任何合适等级的一种异链烷烃，例如由Exxon销售的“Isopars”，或矿物醇。
如上所述，树脂和触变胶可以分别单独使用也可以合在一起使用。例如，一种合适的触变胶可以是加氢的煤焦油。然而，在本发明的系统中无机的触变胶是没有用的。优选的树脂包括丙烯酸酯和异丁烯酸酯，例如聚甲基丙烯酸酯和聚十六烷醇异丁烯酸酯。树脂成分用于使该物质具有可以以糊状形式处理的粘度。触变胶也有助于产生合适的粘度，但又有些区别，其造成厚度作用比树脂的要大，溶剂用于溶解树脂和触变胶，所有的有机物质，包括溶剂、触变胶和树脂在内，在银玻璃糊的烧结过程中均挥发掉，以使半导体器件接合到陶瓷基板上。
以下实例描述了以最佳方式实施本发明的情况。
将71.2%的银片、17.8%的封接玻璃组分和11%的有机物质的混合物混合在一起，然后在坩埚中加热到900℃的温度，11%的有机成分是一种异链烷烃和加氢的煤焦油的混合物;其中含有36.4%重量比的异链烷烃和63.4%重量比的加氢煤焦油。在保持1.5小时之后，将所得到的熔融混合物在水中淬冷，得到一种熔块玻璃制品，将该熔块玻璃在150℃下干燥6小时，随后用机械研磨将其磨成小于325目的粉末，将银片和有机物质与所研磨好的玻璃进行混合，该有机物质包括树脂、触变胶和溶剂的预制混合物。
为了对该糊在较低烧结温度下烧结后实现满意的陶瓷接合的效果进行评价，制备一系列如上所述的银糊样品，且在下表1中所述的条件下将其加热到流表所述的温度，从其中可看出峰值烧结温度的范围为300至420℃，且采用了各种不同尺寸的晶片，除此之外，所有样品的加热速度为每分钟10℃，并在峰值温度下保持10-15分钟。
在按上面所述的加热之后，将样品的冷却至室温，进行接合强度测试，其测试结果也列在表1中，它表示从基板上把半导体晶片分离所需的粘结度或“张力强度”（psi）。
表1
峰值温度  晶片尺寸  加热速率  峰值保持  粘接强度
时间  最小  最大  平均
（℃） （Mil2） （℃/分钟） （分钟） （Ib）
300  300  10  10  22.0  25.0  23.2
320  500  10  15  38.5  68.2  51.6
320  400  10  15  15.4  67.1  48.6
35  300  10  10  50.4  68.5  58.5
390  300  10  10  66.0  88.0  75.0
420  10  10  10  79.0  105.0  91.0
从上述实施例可看出，虽然烧结温度越高接合强度就越高。但是用本发明的银糊配方既使在低于400℃的烧结温度下也能得到满意的接合强度。
在另一些实例中，按前面所述的方式制备一系列组成如表2中所示的封接玻璃组分的样品，这些封接玻璃组分成也可以通过与银片及有机物质混合而配制成为银玻璃糊，其比例为68%银片、17%封接玻璃粉和15%有机物质。其中15%重量比与前面实例中有机物质的重量比相同，在这些实例中，银玻璃糊更加稀薄，在前一种情况下银和玻璃的总重量是89%，而后一种情况下则为85%（重量比）。
将如上所述制备好的银玻璃糊放置在一种氧化铝基板上，并把一硅晶片放置在银玻璃糊的上部，将该封接体加热至320℃-350℃，其加热速率为10℃/分钟，在所述的温度范围内时该封接体慢慢加热，并保持15分钟，随后在通常情况下使其冷却至室温。
这些样品的尺寸为0.4平方英寸，按前面所述的，对它们的按合强度进行测试，且结果在表3中列出。
表2
玻璃样品号（＃）  玻璃组分（重量比）
PbO V2O5TeO2Bi2O3
1.  12.6  43.7  43.7  0.0
2.  19.5  28.6  52.0  0.0
3.  44.5  44.5  11.0  0.0
4.  19.3  28.4  51.6  0.8
5.  18.9  27.7  50.3  3.2
6.  31.8  31.8  27.2  9.1
7.  34.3  34.3  29.4  2.0
表3
玻璃样品号（＃）  试验温度  强度（psi）
（℃）  平均  最小  最大
1.  350  36.7  25.3  44.0
2.  350  48.7  35.2  66.0
3.  350  58.5  55.6  60.5
3.  320  51.6  38.5  68.2
4.  320  20.5  13.2  36.3
5.  320  48.6  15.4  67.1
6.  350  62.9  41.8  72.6
7.  350  58.5  44.0  68.2
上述玻璃的强度在金属化的基板上也已经测试。其条件和结果列在下面：
玻璃样品号（＃）  测试温度  强度（psi）
（℃）  平均  最小  最大
6.  350  50.6  35.2  57.2
7.  350  53.7  33.0  68.2
在另一个实例中，制备如表4所述的玻璃组分，并在一个炉子中用900℃将它熔化并保持1.5小时。然后在水中淬冷，在将它研制成粉末之后在150℃条件下干燥6小时。随后如前所述用银片和有机物质与该玻璃组分混合以形成糊。随之也如前面那样对所得糊进行接合强度测试，并在表5中列出所得结果。
表4
氧化物  重量百分比
PbO  49.6
V2O540.5
TeO21.4
P2O55.6
Nb2O51.8
Bi2O31.2
表5
峰值温度  加热速率  保持时间  强度（psi）
（℃）  （℃/分钟）  （分钟）  低  高
350  10  15  15  38
390  10  10  66  80
420  10  10  79  105
同样，可以明显看出按照本发明的封接玻璃组分和按照本发明制备的封接玻璃糊，即使在小于400℃的温度条件下烧结也能够达到满意的接合强度。
本发明的封接玻璃组分和银玻璃糊能够使半导体器件满意地接合到陶瓷表面上（该表面可以是也可以不是金属的），虽然，在不脱离本发明的精神实质情况下对其进行各种修改是可行的，例如，任何合适的有机溶剂，树脂和触变胶均可以用于制备该玻璃组分的糊，将本已知的这些物质用于此目的是已知，因为在加热接合过程中这些有机物质均挥发掉，此外，本发明的封接玻璃组分可以用于各种陶瓷基板，虽然在本发明实施例的描述中仅描述了氧化铝基板，但是也可用封接玻璃糊将半导体器件接合到其它陶瓷基板上（例如碳化硅和氮化硅）。
因此，本发明的范围只由所附的权利要求书来限制。

Claims (13)

1、一种封接玻璃组分，其中包括：(以重量百分比计)13-50%氧化铅、20-50%氧化钒、2-40%氧化碲、小于40%的氧化硒、小于20%的氧化铋、小于10%的氧化磷、小于5%的氧化铌、小于5%的氧化铜和小于10%的氧化硼。
2、按照权利要求1的封接玻璃组分，其中氧化碲的含量范围是9-30%。
3、按照权利要求1的封接玻璃组分，其中氧化铋的含量范围是1-5%。
4、按照权利要求1的封接玻璃组分，其中氧化铌、氧化磷、氧化铜和氧化硼的总含量不超过10%。
5、按照权利要求1的封接玻璃组分，其中氧化碲和氧化硒合在一起的总量范围2-40%。
6、一种封接玻璃组分，其中包括：（以重量百分比计）30-50%氧化铅、30-50%氧化钒、9-30%氧化碲、氧化碲与氧化硒之和的范围为2-40%、1-5%氧化铋以及氧化铌、氧化磷、氧化铜和氧化硼中其中一种或几种之和含量小于10%。
7、一种用于将半导体器件接合到陶瓷基板上的银玻璃糊，其中包括：（以重量百分比计）50-77%的银;8-34%的封接玻璃组分，该组分包括13-50%氧化铅、20-50%氧化钒、2-40%氧化碲、小于40%的氧化硒、小于10%的氧化磷、小于5%的氧化铌、小于20%的氧化铋、小于5%的氧化铜、小于10%的氧化硼;0.2-1.5%的树脂和触变胶以及10-20%有机溶剂。
8、按照权利要求7的银玻璃糊，其中所述的银包括碎片状的银和小于10%的粉状银。
9、按照权利要求7的银玻璃糊，其中氧化碲在封接玻璃组分中的含量范围是9-30%。
10、按照权利要求7的银玻璃糊，其中氧化铋在封接玻璃组分中的含量范围是1-5%。
11、按照权利要求7的银玻璃糊，其中在封接玻璃组分中氧化铌、氧化磷、氧化铜、和氧化硼的总含量不超过10%。
12、按照权利要求7的银玻璃糊，其中在封接玻璃组分中氧化碲和氧化硒的总含量范围是2-40%。
13、按照权利要求7的银玻璃糊，其中封接玻璃组分包括：（以重量百分比计）30-50%氧化铅、30-50%氧化钒、9-30%氧化碲、氧化碲和氧化硒的总量为2-40%、1-5%氧化铋和氧化铌、氧化磷、氧化铜和氧化硼中其中一种或几种之和的总量小于10%。
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