DE102015213586A1 - Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste - Google Patents

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Kyoung-Kook Hong
Hyun Woo NOH
Youngkyun Jung
Dae Hwan Chun
Jong Seok Lee
Su Bin KANG
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Abstract

Ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste umfasst ein Beschichten einer Halbleitereinrichtung oder eines Substrats mit der Silberpaste. Die Silberpaste weist eine Mehrzahl von Silberpartikeln und eine Mehrzahl von Wismutpartikeln auf. Das Verfahren umfasst ferner ein Anordnen des Halbleiters auf dem Substrat und ein Ausbilden einer Verbindungsschicht durch Erwärmen der Silberpaste, wobei der Halbleiter und das Substrat miteinander durch die Verbindungsschicht verbunden werden.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der koreanischen Patentanmeldung Nr. 10-2014-0158778 , die am 14. November 2014 beim Korean Intellectual Property Office eingereicht worden ist, wobei deren gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste. Spezifischer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste, um eine Halbleitereinrichtung zu binden.
  • HINTERGRUND
  • Dem jüngsten Trend folgend, dass Geräte größer werden und eine größere Kapazität aufweisen, nimmt die Nachfrage nach leistungsstarken Halbleitereinrichtungen mit einer höheren Durchschlagsspannung mit einem hohen Strom und Hochgeschwindigkeitsschaltung zu. Unter diesen weisen Siliziumcarbid(SiC)-Halbleitereinrichtungen eine höhere Bandlücke als bestehende Silizium(Si)-Halbleitereinrichtungen auf, und implementieren daher selbst bei einer hohen Temperatur stabile Halbleitereigenschaften.
  • Es ist jedoch notwendig, selbst bei einer hohen Temperatur stabile Verpackungsmaterialien einzusetzen, um den Effekt eines Hochtemperaturbetriebs zu erzielen. Insbesondere weist aktuelles Lötmittel zum Verbinden von Halbleitereinrichtungen einen Schmelzpunkt bei unterhalb von 230°C auf und kann daher nicht bei einer Verbindungstemperatur von 250°C eingesetzt werden, bei welcher Siliziumcarbidhalbleitereinrichtungen schließlich betrieben werden.
  • Um das aktuelle Lötmittel zu ersetzen, wurde kürzlich ein Hochtemperaturlötmittel oder dergleichen, welches Gold (Au) enthält, als eine Alternative vorgeschlagen. Das Hochtemperaturlötmittel oder dergleichen ist jedoch teuer und weist schlechtere Eigenschaften, wie bzgl. Bindungsstärke, auf.
  • Zusätzlich wurde ein Verfahren zum Sintern und Verbinden von Silber (Ag)-Nanopartikeln als ein Verfahren zur Hochtemperaturverbindung vorgeschlagen, es wird aber ein langer Vorgang bei einer hohen Temperatur benötigt, was zu einer Verschlechterung von Einrichtungseigenschaften führt. Eine Paste, die ein Vermittlermaterial wie Glasfritte („glass fritt“) bzw. Erdglasur enthält, wurde zum Aktivieren eines Sinterns zwischen großen Silberpartikeln geformt, Restglas kann aber zu einer Zunahme des Widerstands führen.
  • Die vorstehende Information, die in diesem Hintergrundabschnitt offenbart worden ist, dient lediglich der Förderung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann daher Information enthalten, die nicht Stand der Technik bildet, der dem Fachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung wurde im Rahmen einer Anstrengung zum Schaffen eines Verfahrens zum Verbinden mit einer Silberpaste vorgenommen, wobei das Verfahren Vorteile der Verbindung einer Halbleitereinrichtung aufweist, ohne notwendigerweise Glasfritte bzw. Erdglasur zu benutzen.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein Verfahren zum Verbinden („bonding“) mit einer Silberpaste, wobei das Verfahren umfasst: Beschichten einer Halbleitereinrichtung oder eines Substrats mit der Silberpaste, wobei die Silberpaste eine Mehrzahl von Silberpartikeln und eine Mehrzahl von Wismutpartikeln bzw. Bismutpartikeln aufweist; Anordnen des Halbleiters auf dem Substrat; und Ausbilden einer Verbindungsschicht durch Erwärmen der Silberpaste, wobei der Halbleiter und das Substrat durch die Verbindungsschicht miteinander verbunden werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Erwärmen bei dem Ausbilden der Verbindungsschicht bei 272°C oder höher ausgeführt werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Erwärmen bei dem Ausbilden der Verbindungsschicht bei 300°C oder höher ausgeführt werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Ausbilden der Verbindungsschicht umfassen: Erwärmen der Silberpaste, um die Wismutpartikel in Wismutflüssigkeiten umzuwandeln; Überdecken von Oberflächen der Silberpartikel mit den Wismutflüssigkeiten; die Wismutflüssigkeiten, welche die Oberflächen der Silberpartikel überdecken, dazu bringen, mit benachbarten Wismutflüssigkeiten in Kontakt zu gelangen; Diffundieren der Wismutflüssigkeiten in die Silberpartikel; und Diffundieren der Silberpartikel in die Wismutflüssigkeiten, zum Ausbilden einer Verbindungsschicht, bei der die Silberpartikel miteinander verbunden sind.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können bei dem Ausbilden der Verbindungsschicht im Wesentlichen alle der Wismutflüssigkeiten in die Silberpulver diffundieren.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können die Wismutpartikel in der Silberpaste zu 10 Gew% oder weniger enthalten sein.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können die Wismutpartikel in der Silberpaste zu 5 Gew% oder weniger enthalten sein.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können die Silberpartikel einen Durchmesser in dem Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweisen.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können die Wismutpartikel einen Durchmesser in dem Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Silberpaste, welche die Silberpartikel und die Wismutpartikel enthält, verbunden werden, indem sie nur beim bzw. auf den Schmelzpunkt von Wismut erwärmt wird, wodurch die Sinterzeitdauer verkürzt wird und die Verwendung von relativ großen Silberpartikeln erlaubt wird. Daher wird die Zeitdauer, während der die Halbleitereinrichtung einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, verkürzt, wodurch ein Schaden an der Halbleitereinrichtung minimiert wird.
  • Ferner kann der elektrische Widerstand reduziert werden, da kein nichtmetallisches Sintervermittlermaterial wie Glasfritte bzw. Erdglasur verwendet wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 und 2 sind Ansichten, die einen Vorgang zum Verbinden einer Halbleitereinrichtung mit einem Substrat unter Verwendung einer Silberpaste zeigen.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Silberpaste gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
  • 4 bis 8 sind Ansichten, die sequentiell ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORM
  • Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann daher auf viele unterschiedliche Weisen verkörpert sein.
  • In den Zeichnungen sind die Dicken von Schichten, Filmen, Paneelen, Bereichen, etc. zum Zwecke der Klarheit übertrieben dargestellt. Ferner ist zu verstehen, dass wenn eine Schicht als "auf" einer weiteren Schicht oder einem Substrat bezeichnet wird, dann kann sie direkt auf einer weiteren Schicht des Substrats ausgebildet sein, oder es kann eine dritte Schicht dazwischen eingefügt sein. Durch die Beschreibung hin bezeichnen entsprechende Bezugszeichen im Wesentlichen entsprechende Komponenten.
  • Nun wird ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 8 beschrieben.
  • 1 und 2 sind Ansichten, die einen Vorgang des Verbindens einer Halbleitereinrichtung mit einem Substrat unter Verwendung einer Silberpaste schematisch zeigen.
  • Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird, nachdem eine Silberpaste 30 auf ein Substrat 10 beschichtet wird, eine Siliziumcarbid (SiC)-Halbleitereinrichtung 20 auf dem mit der Silberpaste 30 beschichteten Substrat 10 angeordnet, und dann wird die Silberpaste 30 erwärmt und gesintert, um eine Verbindungsschicht 35 auszubilden. Hier werden die Halbleitereinrichtung 20 und das Substrat 10 miteinander durch die Verbindungsschicht 35 verbunden. Die Silberpaste 30 wird bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform auf das Substrat 10 geschichtet, die vorliegende Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Silberpaste 30 beispielsweise auf die Halbleitereinrichtungen 20 geschichtet werden, bevor die Silberpaste 30 erwärmt und gesintert wird.
  • Hiernach werden eine Silberpaste und ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
  • 3 ist eine Ansicht, die eine Silberpaste gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch zeigt.
  • Unter Bezugnahme auf 3 weist eine Silberpaste 30 gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform eine Mehrzahl von Silberpartikeln 100 und eine Mehrzahl von Wismut(Bi)-Partikeln 200 auf. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Silberpartikel 100 und die Wismutpartikel 200 jeweils einen Durchmesser von 1 µm bis 10 µm aufweisen.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen können die Wismutpartikel 200 in der Silberpaste 30 zu 10 Gew% oder weniger enthalten sein. Bei bestimmten Ausführungsformen können die Wismutpartikel 200 in der Silberpaste 30 zu 5 Gew% oder weniger enthalten sein. Wenn die Wismutpartikel 200 in der Silberpaste 30 zu mehr als 10 Gew% enthalten sind, kann die Heiztemperatur zu dem Zeitpunkt des Sinterns der Silberpaste 30 erhöht sein oder der Wismutbestandteil kann auf der Verbindungsschicht 35 zurückbleiben, was dazu führt, dass das Binden erschwert ist.
  • 4 bis 8 sind Ansichten, die ein Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sequentiell zeigen.
  • Unter Bezugnahme auf 4 wird die Silberpaste 30, welche die Mehrzahl von Silberpartikeln 100 und die Mehrzahl von Wismutpartikel 200 enthält, erwärmt. Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Erwärmen bei einer Temperatur 272°C oder höher durchgeführt. Bei bestimmten Ausführungsformen wird das Erwärmen bei 300°C ausgeführt. In Fällen, in denen die Heiztemperatur höher ist als der Schmelzpunkt von Wismut, ungefähr 272°C, schmelzen die Wismutpartikel 200 in die Wismutflüssigkeit 210. Da der Schmelzpunkt von Silber ungefähr 962°C beträgt, verbleiben die Silberpartikel 100 in dem Teilchen- bzw. Partikelzustand, obwohl sie auf 300°C erwärmt werden. Zudem findet keine chemische Reaktion zwischen der Wismutflüssigkeit 210 und den Silberteilchen 100 statt.
  • Unter Bezugnahme auf 5 und 6 befindet sich die Wismutflüssigkeit 210 in einem Benetzungszustand auf einer Oberfläche von jedem der Silberteilchen 100, und daher überdeckt die Wismutflüssigkeit 210 die Oberfläche von jedem der Silberpartikel 100. Der Begriff "Benetzungszustand" bezieht sich auf eine Veränderung einer Feststoff-Gas-Schnittstelle zu einer Feststoff-Flüssigkeit-Schnittstelle, da ein mit einer Oberfläche eines Feststoff in Kontakt stehendes Gas durch eine Flüssigkeit nach außen gedrückt wird.
  • Dann steht die Wismutflüssigkeit 210, welche die Oberfläche der Silberpartikel 100 überdeckt, mit der benachbarten Wismutflüssigkeit 210 in Kontakt, und daher stehen die Wismutflüssigkeiten 210, welche die jeweiligen Silberpartikel 100 überdecken, miteinander in Kontakt.
  • Unter Bezugnahme auf 7 diffundieren die Wismutflüssigkeiten 210, welche die Silberpartikel 100 überdecken, graduell in die Silberpartikel 100, durch den Kontakt zwischen der Wismutflüssigkeit 210 und der Wismutflüssigkeit 210. Daher nimmt die Menge der Wismutflüssigkeit 210, welche die Silberpartikel 100 überdeckt, ab. Zusätzlich diffundieren die Silberpartikel 100 in die Wismutflüssigkeiten 210, die in Kontakt stehen, um einen Verbindungsbereich 110, bzw. einen Bindungsbereich 110 auszubilden, bei dem die jeweiligen Silberpartikel miteinander verbunden sind.
  • Unter Bezugnahme auf 8 diffundiert im Wesentlichen die gesamte Wismutflüssigkeit 210, welche die Silberpartikel 100 überdeckt, in die Silberpartikel 100, und daher verschwindet die Wismutflüssigkeit 210 im Wesentlichen. Daher sind die jeweiligen Silberpartikel 100 durch den Verbindungsbereich 110 miteinander verbunden, um die Verbindungsschicht 35 zu bilden. Daher bildet die Silberpaste 30 gemäß 1 die Verbindungsschicht 35 aus, und die Halbleitereinrichtung 20 ist durch die Verbindungsschicht 35 mit dem Substrat 10 verbunden.
  • Das Verbindungsverfahren wird als ein transient liquid phase diffusion bonding-Verfahren bzw. eine transient liquid phase diffusion bonding (TLPDB) method bezeichnet.
  • Gemäß dem TLPDB-Verfahren wird, um dieselben Metalle A miteinander zu verbinden, ein Metall B mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als demjenigen des Metalls A zwischen den Metallen A positioniert, und dann wird ein Heizen bei einer höheren Temperatur als dem Schmelzpunkt des Metalls B durchgeführt, sodass das Metall B verflüssigt wird, um in das feststoffphasige Metall A zu diffundieren. Bei bestimmten Ausführungsformen verschwindet das Metall B, und die festphasigen Metalle A werden miteinander verbunden.
  • Bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden Silbermaterialien unter Verwendung von Wismut miteinander verbunden, das ein metallisches Material mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als Silber darstellt. Da der Schmelzpunkt von Silber ausreichend höher ist als derjenige von Wismut, werden mit anderen Worten die Silberpartikel 100 zum Verbinden verwendet, und die Wismutpartikel 200 sind ein Aktivierungsmaterial zum Verbinden der Silberpartikel 100. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Silber und Wismut beschränkt; andere Metalle können für die Verbindungs- und Aktivierungsmaterialien ersetzt werden, solange der Schmelzpunkt des Aktivierungsmaterials niedriger ist als derjenige des Verbindungsmaterials.
  • Als solches werden zu dem Zeitpunkt des Verbindens mit der Silberpaste 30 die Diffusion der Wismutflüssigkeit 210 in die Silberpartikel 100 und die Diffusion der Silberpartikel in die Wismutflüssigkeit 210 simultan durchgeführt, wodurch die Verbindungszeitdauer verkürzt wird.
  • Indes wird bei der verwandten Technik das existierende Verbinden mit der Silberpaste durch Sintern erreicht, und die Sintertemperatur und die Sinterzeitdauer hängen von der Größe der Silberpartikel ab. Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsformen können die Silberpartikel jedoch nur durch Erwärmen der Silberpaste, lediglich beim Schmelzpunkt von Wismut oder höher, ohne das Schmelzen der Silberpartikel miteinander verbunden werden, wodurch es ermöglicht ist, relativ große Silberteilchen zu verwenden. Zu dem Zeitpunkt des Erwärmens zum Sintern kann ein Erwärmen zudem lediglich bei dem Schmelzpunkt von Wismut oder höher durchgeführt werden, wodurch die Sinterzeitdauer verkürzt wird und daher die Zeitdauer verkürzt wird, während welcher eine Halbleitereinrichtung einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, sodass der Schaden der Halbleitereinrichtung zu dem Zeitpunkt des Verbindens minimiert werden kann.
  • Ferner enthält eine existierende Silberpaste bei der verwandten Technik ein Sintervermittlermaterial wie eine Glasfritte, dieses Sintervermittlermaterial ist aber nicht ein metallisches Material, was zu einer Zunahme des elektrischen Widerstands führt. Gemäß der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform werden jedoch die Wismutpartikel als ein Aktivierungsmaterial zum Verbinden der Silberpartikel verwendet, ohne die Verwendung des Sintervermittlermaterials, wodurch der elektrische Widerstand verringert wird.
  • Während diese Erfindung in Verbindung damit beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische beispielhafte Ausführungsformen angesehen wird, ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern, dass im Gegenteil dazu vorgesehen ist, verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen einzuschließen, die in den Rahmen und Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 10-2014-0158778 [0001]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Verbinden mit einer Silberpaste, wobei das Verfahren umfasst: Beschichten einer Halbleitereinrichtung oder eines Substrats mit der Silberpaste, wobei die Silberpaste eine Mehrzahl von Silberpartikeln und eine Mehrzahl von Wismutpartikeln aufweist; Anordnen des Halbleiters auf dem Substrat; und Ausbilden einer Verbindungsschicht durch Erwärmen der Silberpaste, wobei der Halbleiter und das Substrat durch die Verbindungsschicht verbunden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erwärmen beim Ausbilden der Verbindungsschicht auf 272°C oder höher ausgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Erwärmen beim Ausbilden der Verbindungsschicht auf 300°C oder höher ausgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Ausbilden der Verbindungsschicht umfasst: Erwärmen der Silberpaste zum Umwandeln der Wismutpartikel in Wismutflüssigkeiten; Überdecken von Flächen der Silberpartikel mit den Wismutflüssigkeiten; die Wismutflüssigkeiten, welche die Flächen der Silberpartikel überdecken, mit benachbarten Wismutflüssigkeiten in Kontakt bringen; Diffundieren der Wismutflüssigkeiten in die Silberpartikel; und Diffundieren der Silberpartikel in die Wismutflüssigkeiten, um eine Verbindungsschicht auszubilden, bei der die Silberpartikel miteinander verbunden sind.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem beim Ausbilden der Verbindungsschicht im Wesentlichen all die Wismutflüssigkeiten in die Silberpartikel diffundieren.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wismutpartikel in der Silberpaste zu 10 Gew% oder weniger enthalten sind.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Wismutpartikel in der Silberpaste zu 5 Gew% oder weniger enthalten sind.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Silberpartikel einen Durchmesser in dem Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweisen.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Wismutpartikel einen Durchmesser in dem Bereich von 1 µm bis 10 µm aufweisen.
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