DD205301B1

DD205301B1 - Metallischer traegerwerkstoff fuer halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DD205301B1
Application number: DD23633981A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Albrecht; Wolfgang Scheel; Monika Hannemann; Fritz Herbert; Siegbert Heise
Original assignee: Univ Berlin Humboldt
Priority date: 1981-12-28
Filing date: 1981-12-28
Publication date: 1987-01-28
Also published as: DD205301A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen metallischen Trägerwerkstoff für Halbleiterbauelemente aus der Legierung CuNiZn, insbesondere CuNi 18Zn20 oder CuNi 12Zn24, der vorzugsweise in der Elektronik und Elektrotechnik einsetzbar ist. Das Anwendungsgebiet bezieht sich auf Substratträger bzw. Trägerwerkstoffe für elektronische Halbleiterbauelemente.

Charakteristik der bekannten Lösungen

Die bisherigen Ausführungen metallischer Trägerwerkstoffe für Halbleiterbauelemente beziehen sich vorwiegend auf die Verwendung von FeNiCo; CuSn6; Cu99,9; CDA 110 (Cu99,9; Sauerstoff 0,04%); CDA 116 (Cu99,9; Ag0,1; Sauerstoff 0,04); CDA 194 (Cu97,78; Fe2,1; ZnO,1; PO,02)-US-Patent 3.928.028 SCC-15B (Cu99,80; AgO,O4; P0,05, Mg0,11 )-US-Patent 3.778.318 und 3.677.745, Kovar (Co17; Ni29; SiO,2; MgO,3; Rest Fe); CuCeP (Ce[0,05-0,4; P 0,2-0,1]; Rest Cu)-US-Patent 3.976.477 sowie andere Kupferlegierungen. Darüber hinaus kommen reine Kontaktmetalle wie Silber, Gold, Palladium, Platin, Iridium, Nickel usw. zum Einsatz sowie deren Verwendung als Oberflächenschichten. Allen diesen Ausführungen, bezogen auf die genannten Werkstoffe, ist gemein, daß ein hoher Edelmetalleinsatz erfolgt bzw. in hohem Maße Defizitmetalle eingesetzt werden müssen. Dieser Umstand ist ein wesentlicher Grund dafür, daß international an edelmetallarmen Trägerwerkstoffvarianten gearbeitet wird. Die dabei beschrittenen Hauptwege sind selektive Oberflächenbeschichtungen von z. B. Eisenlegierungen mittels Gold, Silber, Platin, Rhodium usw. und der Einsatz von Verbundmaterialien. Darüber hinaus ist die Anwendung der Legierungen CuPTe (US-Patent 3.773.403), CuFeZnP (US-Patent 3.522.112), CuAgMgP (US-Patent 3.677.745 und 3.778.318 und Cu (Fe oder P, Si, As US-Patent 3.928.028) bekannt.

Die Entwicklungen sind dabei gerichtet auf hohe elektrische Leitfähigkeiten und hohe thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften, wobei der technologische Fertigungsaufwand außerordentlich hoch ist.

Weitere Bestrebungen, den Edelmetallanteil bzw. Defizitmetallanteil durch Verringerung der Abmessungen zu reduzieren, scheitern an konstruktiv-technologischen sowie funktioneilen Anforderungen der elektronischen/eletrotechnischen Bauelemente. Die Anwendung kaltpreßgeschweißter Verbundmaterialien hat den Nachteil, daß die Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten des Unedelmetallgrundkörpers zur Edelmetallauflage zu Ausfällen der funktionellen und Verbindungssysteme führen und die Zuverlässigkeit (technische) stark reduziert wird.

Des weiteren sind die Schnittstellen derartiger Verbundmaterialien aufgrund der elektrochemischen Potentialunterschiede besonders korrosionsanfällig und damit fehlstellenbehaftet. Grundsätzlich ist daraus abzuleiten, daß eine edelmetallfreie von Trägerwerkstoffkonzeption in Verbindung mit der Einsparung von Defizitmetallen nur in begrenztem Umfang möglich ist und nicht die gewünschte Störfreimachung vom Edelmetallmarkt ergab.

Darüber hinaus ist es notwendig, die Bauelemente künftig für alle externen Bauelementeanschlußtechnologien anwendbar zu gestalten. Mit der national und international verfolgten Ablösung der Löttechnologie, ausgelöst durch die notwendige Zinneinsparung, durch mechanische Anschlußtechniken (Stecken, Einpressen) muß der Bauelementeträger erhöhte mechanische Kennwerte sowie thermische Stabilität aufweisen. Diese Eigenschaftsanforderungen sowie die international angestrebte Ablösung von Kobalt werden von vorstehenden Trägerwerkstoffen nicht umfassend erfüllt. Beispielsweise beträgt die Relaxation an Trägerwerkstoffen CuSn6 nach einer thermischen Belastung von 1000 h bei 423 K 22%, bezogen auf die mechanische Ausgangsspannung im Trägerwerkstoff, die bei der angestrebten externen mechanischen Anschlußtechnik zu hoch anzusehen ist. Im Vergleich zu den bekannten Lösungen ist für den Trägergrundwerkstoff ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient anzustreben, um die thermisch induzierten mechanischen Spannungen an den Grenzflächen des Bauelementes auch bei höherer thermischer Belastung zu minimieren.

Weiterhin ist zu beachten, daß mit der ständig zunehmenden Verdrahtungsdichte und dem damit erforderlichen veränderten Masse-Leistungsverhältnis der Einsatz von Trägerwerkstoffen mit geringerem spezifischem Gewicht besondere Bedeutung hat.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein metallischer Trägerwerkstoff für elektronische Halbleiterelemente, der aus der Legierung CuNiZn, insbesondere CuNi 18Zn20 oder CuNi 12Zn24 besteht und in den physikalischen Eigenschaften der anwendungsspezifischen Bauelementetechnologie angepaßt ist. Der Einsatz eines edelmetallfreien und defizitmetallarmen Trägergrundwerkstoffes aus

CuNiZn verfolgt das Ziel der Schaffung einer edelmetallfreien Alternative, vor allem innerhalb der bauelementeherstellenden Industrie, der Elektrotechnik/Elektronik und der Erhöhung der Ökonomie bei der Fertigung elektronischer Bauelemente sowie der technischen Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente im Betriebseinsatz.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen metallischen Trägerwerkstoff für elektronische Halbleiterbauelemente anzugeben, der aus einem entsprechend den Anforderungen an das elektronische Bauelement modifizierbaren Legierungssystem CuNiZn besteht und den physikalischen Eigenschaften angepaßt ist, unbeschichtet, ganzflächig, selektiv oder ganzflächig und selektiv mit einem oder mehreren Metallen beschichtet zur Anwendung kommt und eine edelmetallfreie und defizitmetallarme Konzeption hinsichtlich vorstehender elektrotechnischer/elektronischer Bauelemente bietet. Es wurde gefunden, daß der Trägerwerkstoff aus der an sich bekannten Legierung CuNiZn, insbesondere CuNi 18Zn20 oder CuNi 12Zn24 bestehen kann, wobei die mechanischen Eigenschaften vorzugsweise im Bereich Zugfestigkeit Rm = (480 bis 600) MPa, Streckgrenze R₀,₂ - (400 bis 500) MPa und einer Bruchdehnung A_L = 100 = (5 bis 15%) liegen. Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit der Anwendung von stoffschlüssigen und/oder mechanischen externen Anschlußtechniken bei der Verdrahtung der Halbleiterbauelemente ohne Beeinträchtigung der elektrischen bzw. funktioneilen Parameter der Bauelementtype. Daneben ist eine höhere thermische Belastbarkeit der Bauelemente möglich.

So beträgt beispielsweise die Relaxation bei der erfindungsgemäßen Lösung bei thermischer Belastung nur 5%, bezogen auf die mechanische Ausgangsspannung im Vergleich zu CuSn₆ bei den Prüfparametern 1000 h bei 423 K. Des weiteren sind, bedingt durch die Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) der erfindungsgemäßen Lösung (CuNi 12Zn24 : α = 16,4K"¹10"⁶und CuNi 18Zn20 : α = 17,0 K~¹10~⁶) die thermisch induzierten mechanischen Spannungen an derfunktionellen Grenzfläche weitaus geringer als bei bekannten Lösungen (CuSn₆ : α = 18,0 K"¹10~^β, CDA110, CDA116, CDA194 und SCG155 (α = 17,7 К"¹10"⁶) und somit die technische Zuverlässigkeit der Bauelemente mit dem Trägerwerkstoff CuNi 12Zn24 bzw. CuNi 18Zn20 wesentlich höher. Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber bekannten Trägerwerkstoffen ein geringeres spezifisches Gewicht (8,67-8,71 gern"³) und erlaubt somit ein verändertes Masse-Leistungsverhältnis, was insbesondere unter Beachtung der ständig zunehmenden externen Verdrahtungsdichte ein wesentlicher ökonomischer Faktor ist. Des weiteren trägt die Lösung der weltweiten Entwicklung zur Einsparung bzw. Substitution von Zinn und Kobalt Rechnung.

Die Herstellung der üblichen Trägerkonfiguration ist dabei ohne Veränderung der Basistechnologie und unter Beibehaltung adäquater technologischer Richtlinien möglich. Mit Hilfe vorstehender Trägerwerkstoffe lassen sich edelmetall- und defizitmetallintensive Trägerwerkstoffe (wie z. B. Cu, CuSn₆, CuBe2, FeCoNi, CuCeP u. a.) mit den Edelmetallschichten aus z. B. Ag, Au, Pd, Pt usw. völlig oder partiell einsparen bzw. substituieren.

Neben den ökonomischen Veränderungen mit den erfindungsgemäßen Trägerwerkstoff bietet die vorgeschlagene Lösung darüber hinaus bei Beibehaltung der Vorteile der Chipmontage in der bisherigen Technologie die Drahtmontage sowohl hinsichtlich der Metallisierung als auch des Bonddrahtes edelmetallfrei durchzuführen. Die erfindungsgemäße Lösung bietet gegenüber den bekannten Lösungen vergleichbare Eigenschaften bezüglich:

— der Realisierung der Geometrie bzw. Struktur des Trägers für elektronische Bauelemente (stanzbar, ätzbar, für z. B. optoelektronische Bauelemente: Prägung einer Kalotte (Reflektor)

— der galvanischen oder schmelzmetallurgischen Beschichtung

— der Fügbarkeit der internen und externen Bauelementeanschlüsse, Chipmontage (z. B. Kleben, Löten) und Drahtmontage (z. B. USBonden, Thermosonicbonden, wie Schwallötbarkeit des Trägerstreifens, einpreßbare bzw. steckbare Bauelementeanschlüsse

— der Hermetisierung entsprechend den üblichen Verkappungstechnologien

Die Realisierung der externen Bauelementanschlüsse an Bauelementen mit dem erfindungsgemäßen Trägerwerkstoff ist dabei über bekannte Löttechnologien oder mechanische Anschlußtechniken möglich.

Ausführungsbeispiel

Die Herstellung spezieller Bauelementetypen mit dem erfindungsgemäßen Trägerwerkstoff ist wie folgt möglich:

— Als Ausgangsmaterial wird z. B. CuNi 18Zn20 im gewalzten Zustand verwendet (entsprechend in Breite und Dicke des Trägerstreifens als Band der jeweiligen Bauelementetype angepaßt).

— Die Strukturierung der Trägerstreifengeometrie erfolgt durch Stanzen zur Endgeometrie (mit z. B. baueiementspezifisch notwendiger Kalotte) bzw. ätztechnisch (Chemiegraphie).

— Die geforderte Schwallötbarkeit wird durch eine entsprechende Oberflächenvorbehandlung (z. B. Flußmittel NH₄CI, CuCI₂, H₂O, Lötgeschwindigkeit (4-8) m/s, LöttemperaturT_L = 623K, Lot: Sn > 55% Rest Pb) oder Beschichtungstechnologie (z.B. galvanisch) des Trägergrundwerkstoffes erreicht).

— Die Chipmontage auf dem Trägerstreifen erfolgt wahlweise durch Kleben (Aghaltiger Zweikomponentenkleber) oder durch Löten mit herkömmlichen oder automatischen Bondern.

— Die Drahtkontaktierung erfolgt wahlweise mit herkömmlichen Edelmetallisierungen und Thermosonicbonden oder USBonden. Im letzteren Fall besteht die Möglichkeit, edelmetallfrei zu bonden (AIDraht, AlSchicht).

— die Hermetisierung der Bauelemente erfolgt mit herkömmlichen Technologien (Plast-, Glas-, Keramikverkopplung). Eine nach obiger Technologie hergestellte Bauelementetype gewährleistet im Vergleich zu FeNiCo- bzw. CuSn_e-Trägerstreifen vergleichbare bzw. verbesserte Werte der Zuverlässigkeit, wie z. B. Spannungsabfall über dem Chip- und Drahtkontakt, Stabilität der Kontakteigenschaften bei Temperaturwechsel (Wechseltemperaturtest 223K bis 358K), Dauerlagertest (398K, 1000h), niedere Temperatur (218K, 1000h).

Die so hergesteltten elektronischen Halbleiterbauelemente waren schwallötbar und/oder mechanisch anschlußgeeignet, mit im Vergleich zu bisherigen Ausführungsarten mindestens adäquaten elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften nach klimatischer Belastung (TGL 9204, TGL 9205, TGL 9206/01, TGL 9211, TGL 9209/05, TGL 200-0057/04).

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Metallischer Trägerwerkstoff für Halbleiterbauelemente, der unterschiedlich konfiguriert und zur Innen- und Außenkontaktierung angepaßt ist, gekennzeichnet dadurch, daß er aus dem an sich bekannten Legierungssystem CuNiZn als Grundwerkstoffkomponente ohne/mit selektiver bzw. ganzflächiger Metallisierung besteht.
2. Metallischer Trägerwerkstoff für Halbleiterbauelemente gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß er insbesondere aus der Legierung CuNi 18Zn20 oder CuNi 12Zn24 besteht.