DE2234461A1 - Metallisierungsmasse und verfahren zum metallisieren einer vertiefung in halbleiterpackungen sowie das dabei erhaltene produkt - Google Patents

Metallisierungsmasse und verfahren zum metallisieren einer vertiefung in halbleiterpackungen sowie das dabei erhaltene produkt

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DE2234461A1
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gold
metallization
gold powder
compound
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DE2234461A
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Joseph Paul Budd
Wayne Keith Robson
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EIDP Inc
Original Assignee
EI Du Pont de Nemours and Co
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Publication date
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Description

E. I. DU PONT DB NEMOURS AND COMPANY lOth and Market Streets., Wilmington, Del., V,St.A.
Metallisierungsmasse und Verfahren zum Metallisieren einer Vertiefung in Halbleiterpackungen sowie das dabei erhaltene Produkt
Die Erfindung betrifft Halbleiterpackungen und insbesondere solche Halble it erpac kurigen, bei denen eine Vertiefung zum Einlegen des Halblelterchip vorgesehen ist, um die Bindung von Drahtleitungen vom Halbleiterchip aufwärts zur Deelo fläche der Packung zu erleichtern.
Vorzugsweise- wird bei Packungen für verschiedene Halbleiter«» Vorrichtungen der Halbleiterchip in eine Vertiefung eingepaßt, so daß Drahtleitungen, die an die Deckfläche des Halb« leiterchip gebunden sind, nach oben zu den Leitern auf der Deckfläche der Packung führen. Dadurch wird es-möglich, den Halblelterchip mit Leitern auf der Packung durch Drähte zu verbinden, ohne daß die Drähte mit der Kante des Chip in Kontakt kommen (uphill bonding). Ein solcher Kontakt würde viel leichter erfolgen, wenn die Deckfläche des Chip über·,'
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den Leitern an der Oberfläche der Packung liegt, was eine Bindung nach unten zur Folge hätte (downhill bonding).
Der Halbleiterchip muß aber fest und zuverlässig in der Vertiefung befestigt werden, so daß er sich nicht relativ zu der Packung verschieben kann. Dadurch werden Unterbrechungen oder Kurzschlüsse der. elektrischen Kontakte zwischen be« stimmten Teilen des Halbleiterchip und der Leiter an der Oberfläche der Packung verhindert.
Solche Packungen für Halbleitervorrichtungen, bei denen der Halbleiterchip fest an den Boden einer Vertiefung gebunden werden muß, sind bisher hergestellt worden., indem man auf ein ungebranntes Keramikband wärmefeste Metalleitungen aufmetallisierte, die Schichten übereinander legte, ausrichtete und aneinander befestigte und in einer reduzierenden Atmosphäre brannte. In die Deckschicht des Keramikbandes wurde ein Fenster gestanzt, so daß eine Vertiefung zur Aufnahme des Halbleiterchip entstand. Ein Metallpolster wird auf die Bodenschicht in Ausrichtung zum Boden der Vertiefung gedruckt, und eine metallisierte Leitung verbindet das Metallpolster am Boden der Vertiefung leitend mit einem der Anschlußpolster der Leiter. Nachdem niekel-plattierte Leitungen in einer reduzierenden Atmosphäre aufgebrannt sind, werden die freiliegenden Metallteile der Packung mit Gold elektroplattiert, um einen Korrosionsschutz zu bilden und die Bindung des Halbleiterchip an das Polster am Boden der Vertiefung zu erleichtern.
Zur Befestigung des Halbleiterchip in der Packung wird der Chip, der gewöhnlich ein Siliciumplättchen ist, bei einer Temperatur von 377 bis 45O0C unter mechanischem Bewegen oder Bewegen durch Ultraschall mit dem Goldfilm in Kontakt gebracht. Silicium und Gold diffundieren ineinander, bis eine eutektische Masse .(96 Gew.«# Silicium, 4 Gew.-# Gold)
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gebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt ein Schmelzen. Wenn die Wärme abgezogen wird, erstarrt das geschmolzene Metall unter Bildung einer festen Verbindung.
Bei der Entwicklung sehr zuverlässiger neuer Halbleiterpackungen, die an Luft statt in einer reduzierenden Atmosphäre gebrannt werden sollen, wurde gefunden, daß die' herkömmlichen Methoden nicht angewandt werden konnten, um ein zufriedenstellendes Goldpolster am Boden der Vertiefung anzubringen« Bei diesen neuen Packungen wird ein gebranntes keramisches Substrat, das bereits mit einer Vertiefung versehen ist, mit Edelmetall metallisiert, um elektrische Verbindungen, die mit Anschlußpolstern verbunden sind, herzustellen, und ein dünnes Dielektrikum aus kristallisierbarem Glas wird über diese Leiter mit Ausnahme deren fingerartiger Enden an der Vertiefung, die zur Herstellung der elektrischen Verbindungen mit dem Halbleiter offen bleiben., gelegt. Ein Dichtungsring, beispielsweise aus Metallpulver, wird auf das Glasdlelekt.rikum aufgebracht, um dem Halbleiterchip in der Vertiefung hermetisch abzudichten. Die Vertiefung, die im allgemeinen eine Tiefe von OtiJ bis 0,^8 mm (5 to 15 mils) hat, kann wegen ihrer Abmessungen nicht leicht durch üblichen Siebdrupk mit Gold metallisiert werden. Die übliche Art, in der eine Vertiefung metallisiert werden kann, besteht darjri, daß man einen Tropfen einer Paste .niedriger Viskosität, in der Goldpulver und Glasfritte dispergiert sind, in die Vertiefung einbringt. Der Tropfen kann so eingebracht werden, daß er die Vertiefung vollständig ausfüllt; diese Filme haben jedoch eine große Affinität zu den Wänden der Vertiefung und ergeben daher nach Trocknen und Brennen einen leitenden Überzug auf diesen Wänden. Dieser Überzug auf den Wanden ist unerwünscht, weil er zu. Kurzschlüssen zwischen den Fingern am oberen Niveau der Packung führen kann. Alternativ und ebenfalls unerwünscht können die Überzüge- auf den Wänden sich beim Brennen von den Wänden abziehen, so daß Teile davon abbrechen und weitere Schwierigkeiten verursachen können*
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Auch andere Packungen, beispielsweise keramische Dual-in-Line-Packungen (Cer-DIP), sind schon hergestellt worden. Diese Packungen haben eine vorgeformte Vertiefung, die metallisiert wird, indem man einen Tropfen Gold sich über den Boden der Vertiefung ausbreiten läßt. Venn man aber das Gold sich über die ganze Vertiefung ausbreiten läßt, so werden die Wände der Vertiefung metallisiert. Das ist bei dieser Art von Packungen nicht von Nachteil, weil sie eine auf die Deck» fläche des Substrats aufgebrachte Glasur aufweisen. Der Leiterrahmen wird über diese Glasur gelegt, und die Glasur verhindert Kurzschlüsse zwischen dem Leiterrahmen und der Metallisierung der Vertiefung, Da aber bei den neuen, an Luft zu brennenden Halbleiterpackungen die Glasierung der Deck« fläche nicht nach der Metallisierung der Vertiefung, sondern vor Aufbringung des Leiternetzes aufgebracht wird, wird das Problem der Bildung eines Goldüberzuges an den Wänden der Vertiefung bei der neuen Packung nicht gelöst.
Um den Boden der Vertiefung mit einer Goldschicht zu versehen, können auch andere Methoden angewandt werden. Beispielsweise kann ein mit Gold imprägniertes Band auf Grundlage eines Polymer, das auch Glasfritte enthalten kann, verwendet werden. Wenn jedoch ein solches Band erhitzt wird, um den Polymerträger, der als zeitweiliges organisches Bindemittel wirkt, zu entfernen und das Goldpulver selbst zu sintern und, mittels der Glasfritte mit dem Boden der Vertiefung zu verbinden, kann ein nachteiliger Rückstand aus dem zeitweiligen organischen Bindemittel zurückbleiben. Ein sol« eher Rückstand kann die-Festigkeit und Art der Bindung zwischen dem Gold und dem Siliciumchip beeinträchtigen.
Es bestand daher eine Nachfrage nach einem Verfahren zur Herstellung einer zufriedenstellenden Goldmetallisierung des Boden« einer vorgeformten Vertiefung in einer keramischen Halbleiterpackung, bei dem kein an den V/and en der Vertiefung haftender Goldüberzug entsteht.
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Gegenstand der Erfindung in gewissen Ausführungsformen da« von ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterpackung mit einem Befestigungspolster, das in einer Vertiefung relativ zu einer Oberfläche der Packung eingesenkt ist. Das Montierungspolster wird angebracht, indem man eine Menge einer Metallisierungsmasse in die Vertiefung ein- ' bringt, die Metallisierungsmasse sich über den Boden der Vertiefung ausbreiten läßt, eine ausreichende Menge des in der Metallisierungsmasse anwesenden inerten Trägers verdampfen läßt, während in der Metallisierungsmasse anwesendes Goldpulver und Glasfritte sich.am Boden der Vertiefung absetzen oder danach, so daß eine Blasenbildung beim nach« folgenden Erhitzen weitgehend unterbunden wird, und dann die Vertiefung erhitzt, um das Gqldpulver und die Glasfritte am Boden der Vertiefung unter Bildung des Montierungspolsters zu sintern. Die Metallisierungsmasse enthält einen inerten Träger und darin dispergiert Glasfritte und Goldpulver, und im wesentlichen das gesamte Goldpulver hat einen äquivalenten Kuge!durchmesser* von wenigstens 2μ.
Alternativ kann eine weitere Schicht mit einer vreiteren Metallisierungsmasse gleich der ersten, die jedoch keine Glasfritte enthält, aufgebracht werden. Diese zweite Schicht kann nach dem Trocknen oder nach dem Erhitzen aufgebracht und dann selbst getrocknet und erhitzt werden. Die Metall!-* sierungsmasse ohne Glasfritte kann auch als einzige Schicht verwendet werden, wenn ein Substrat, verwendet wird, 'an dem eine solche Masse zu haften vermag.
Gegenstand dor Erfindung sind auch in solchen Verfahren verwendete Metallisierungsmassen, die vorzugsweise Viskositäten unter etwa 10000 Gp haben, und die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung-erzeugten Halbleiterpackungen, bei denen die Wände der Vertiefung im wesentlichen frei von metallischem Gold sind. Außerdem sind bestimmte Arten von Gläsern besonders geeignet für eine Verwendung gemäß der Erfindung, wenn ihre Schmelztemperaturen entsprechend sind.
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t .2234481.
In den Zeichnungen ist:
Figur 1 eine Draufsicht auf eine Halbleiterpackung, für deren Herstellung von der Erfindung Gebrauch ge« macht wird,
Figur 2 ein vertikaler Schnitt durch die Halbleiterpackung von Figur 1 bei 2-2,
Figur J> eine Halbleiterpackimg, für deren Herstellung von der Erfindung Gebrauch gemacht ist und die einen Halbleiter gebunden und elektrisch angeschlossen aufweist und mittels einer Abdeckung hermetisch abgedichtet ist, und
sind
Figuren 4A und B, 5A und B, 6t 7 und 8/sehernatisehe Veranschaulichungen der aufeinander folgenden Stufen der Metallisierung von Vertiefungen einer Halbleiterpackung gemäß der Erfindung.
Gemäß der Erfindung werden die oben aufgezeigten Probleme dadurch gelöst, daß man eine Metallisierungsmasse, die sozusamrnsngesetzt ist, daß das Goldpulver sich rasch und gleichmäßig am Boden der Vertiefung der Halbleiterpackung absetzt, verwendet. V/es ent lic he Mengen an Goldpulver, die in dem inerten Träger anwesend sind, wenn dieser an der·· V/and der Vertiefung herab trocknet, haften nicht an der Wand der Vertiefung.
Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die Halbleiterpackung und den Mechanismus des Verfahrens beschrieben werden.
Figur 1 zeigt eine Halbleiterpaokung mit einer Anzahl Leitungen, die aus einem keramischen Träger 1, vorzugsweise aus Aluminiumoxid, der eine Vertiefimg mit Wänden- 3 und einem
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Goldmontierungspolster 2 für den Halbleiterchip, wie ein Siliciumplättchen, aufweist, hergestellt ist, Die Vertiefung *l· ist am besten aus dem vertikalen Sohnitt von Figur erkennbar. Dieser Schnitt zeigt auch bei 2A die obere und die untere Schicht des Polsters 2. Über der Wand 5 ist eine Lippe 5 auf dem Aluminiumoxydsubstrat zwischen der Wand 3t der Vertiefung 4 und den Metallfingern 6 freigelassen. Die Metallfinger 6 sind unter einer hermetisch dichten Schicht aus kristallisierbarem Glasmaterial 7 über metallische Leiter 11 mit Kontaktpolstern 8 verbunden. Nur einige der Metallfinger 6 und der metallischen Leiter 11 sind gezeigt. Das Leiternetz und die Form der Packung können natürlich von den in den Zeichnungen gezeigten abweichen. Über der Glasschicht 7 kann ein Dichtungsring 9 aus einem geeigneten Material," wie Glas, Metallpulver oder einer Kombination davon, als Mittel zur hermetisch dichten Abdeckung der Vertiefung 4 nach der Montierung des Halbleiters darin und seiner elektrischen Verbindung mit den Metallfingern 6 vorgesehen sein.
Figur ~$ zeigt die Packung von Figur 2, in der- an das Goldpolster 2 ein Halbleiterchip 20 befestigt und mit den metallisierten Fingern 6 über Leiterdrähte 21 verbunden und dann mittels einer gold-plattierten Kovar-Metallkappe 19, die an einen Golddichtungsring 9" angelötet ist, hermetisch abgedichtet ist. Figur 3 veranschaulicht auch die Bindung der Drahtleitungen an der Deckfläche des Halbleiterchip, ■wobei die Oberkante 22 des Siliciumchip 20 nicht in Kontakt -mit den Drahtleitungen 21 kommen kann, wie sich aus der Lage des Siliciumchip und der Lippe 5 des keramischen Substrats zueinander ergibt. In den Halbleiterpackungen gemäß der Erfindung können natürlich das keramische Substrat 1, das kristallisierbare glasige Material 7> die metallisierten Finger 6, die Leiter 11, die Kontaktpolster 8, der Dichtungsring 9 und. die Kappe 19 auch aus anderen als den oben angegebenen Materialien bestehen. Andere, zur Herstellung
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des Substrats verwendbare Materialien sind glasiertes und unglasiertes Aluminiumoxyd/ Gläser, Saphir, Berylliumoxyd, Steatit, Posterit, Zirkon und andere keramische Materialien. Solche Materialien können auch mit einem Überzug, wie einer Schicht aus Glaspulver, versehen sein, um die Haftung des bindenden Polsters an dem Substrat zu verbessern.
Die Figuren 4 bis 8 veranschaulichen das Verfahren zum Absetzenlassen und Trocknen von Metallisierungsmassen inner« halb einer Vertiefung. Wie in Figur 4A gezeigt, ist ein Tropfen Metallisierungsmasse 10 auf den Boden der Vertie~ fung 4 aufgebracht worden. Auch die Wand 5 und die Lippe 5 der Halbleiterpackung sind gezeigt. Der Tropfen aus der Metallisierungsmasse kann zweckmäßig durch einen Druckimpuls von 1,05 kg/cm (I5 pounds per square inch) durch eine 2,54 cm (one«inch) lange Plastik·;· oder Metallnadel mit einem Innendurchmesser von 0,15 bis 0,41 mm (6 to 16 mils) eingebracht werden. Durch einen Druckimpuls von 1 Sekunde wird mittels einer solchen Nadel ein Tropfen oder Spritzer von Metallisierungsmasse, der ausreicht, um den Boden einer quadratischen Vertiefung mit einer Seitenlänge von 0,51 cm (0.2 inches square) und einer Tiefe von 0,038 cm (0.015 inch) zu metallisieren. Figur 4b zeigt die anfängliche Lage des Tropfens in der Mitte der Vertiefung 4. In kurzer Zeit hat sich der Tropfen, wie in den Figuren 5A und 5B gezeigt, so weit ausgebreitet, daß er mit den Wänden -J5, jedoch nicht notwendig mit den Ecken 4A in Kontakt steht. Goldpulver 12 hat bereits begonnen, von der Metallisierungsiriasse, mit Glaspulver vermischt, falls anwesend, zum Boden der Vertiefung zu fallen«, Nach einer längeren Zeit beginnt die He-« tallisierungsnissse, die den Aluminiumoxydträger benetzen muß, damit sie sich bis ganz in die Ecken 4A ausbreitet, auch an den Wanden der Vertiefung aufzusteigen, wie bei 13 in Figur 6 gezeigt. In der Mitte der Vertiefung kann die Metallisierungsmasse zu diesem Zeitpunkt noch eine größere Höhe haben, wie bei 14 gezeigt. Es ist auch gezeigt, daß
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sich bei 12 in der Mitte der Vertiefung größere Konzentrationen an Goldpulver ausbilden. Mit zunehmender Zeit wird die Metallisierungsmasse an den Wänden, möglicherweise bis zum oberen Ende der Vertiefung, heraufgezogen, wie in Figur bei 15 gezeigt, Goldpulver ist noch in dem Träger dispergiert und sinkt weiter von den Teilen des Trägers, in denen es dispergiert ist, zum Boden. Die Goldteilchen, die von der Wand 4 der Vertiefung abgefangen werden, müssen groß genug sein, um frei von der Wand wegzufallen und nicht durch Oberflächenspannung an ihr gehalten zu v/erden, wenn der inerte Träger an der Wand entlang nach unten trocknet. Es können zwar sehr geringe Mengen an Goldpulver an der Wand haften, jedoch darf keine wesentliche Menge an Goldpulver an der Wand haften, oder, in anderen Worten, keine beträchtlichen Mengen dürfen haften bleiben. Unter beträchtlichen Mengen sind dabei Kengen zu verstehen, die einen Kurzschluß zwischen dem Goldpolster und den Metallisierungsfingern verursachen können.
Figur 8 veranschaulicht in etwas übertriebener Linienführung das gewünschte und normale Profil des gernäß der Erfindung erzeugten Goldpulvers nach dem Absetzen, Trocknen und Brennen zwecks Entfernung des Rückstandes des inerten Trägers, In der Mitte bei 16 befindet sich eine Erhöhung, die den Kontakt mit dem Siliciumplättclien, das bei erhöhter Temperatur vibriert wird, um das Eutektikum zu bilden, wie oben beschrieben, zu erleichtern. Das Tal bei 17 ist nicht nach- "!> teilig, sondern vielmehr nützlich, da es einen anfänglich lokalisierten Kontakt des Halbleiterplättchens mit der Erhöhung bei 16 erleichtert. Auch die geringe Erhebung der Goldschicht an den Wänden bei 18 ist nicht nachteilig und kann eine letztlich vollständige Bindung des. Silieiurnplattchens in der Vertiefung begünstigen» Das Profil, die Sinter- und Bindeeigenschäften, die Begrenzung am Boden der Vertiefung und andere Eigenschaften dieses Goldpolsters sind denjenigen der herkömmliehen Goldpolster überlegen.
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Aus dem obigen ist ersichtlich, daß der inerte Träger der Metallisierungsniasse das Aluminiumoxydsubstrat gut benetzen muß. Zweckmäßig werden aber Sprünge und die Anwesenheit von Fremdmaterialien an den Wänden 4 oder der Ecke zwischen der Wand ~$ und der Lippe 5 vermieden, weil solche Diskontinuitäten und anderes Material eine Dochtwirkung * auf den inerten Träger ausüben könnten, so daß das Gold« pulver aus der Vertiefung herauf bis auf die Deokfläche 5 getragen wird und Kurzschlüsse mit den metallisierten Fingern auftreten könnten.
Goldpulver können in verschiedenen morphologischen Formen, einschließlich einzelner kugeliger Teilchen, Agglomerate von kugeligen und anders geformten Teilchen und Plättchen von im allgemeinen dreieckiger oder hexagonaler Form, auftreten. Die Fähigkeit der Goldpulverteilchen, sich in den inerten Trägern gemäß der Erfindung abzusetzen, und die Fähigkeit der Pulver, von der Wand' abzufallen, wenn der Träger trocknet, ergeben sich weitgehend nach dem Stoke'sehen Gesetz aus den Teilchen und den Eigenschaften der Metallisierungsmasse im allgemeinen, insbesondere der Viskosität des inerten Trägers. Bei einem äquivalenten Kugeldurchmfisser von wenigstens etwa 2μ werden die Vorteile der Er« findung erzielt, während viel kleinere Teilchen sich nicht mit ausreichender Geschwindigkeit absetzen oder in nach« (p
teiliger Weise an den Vi and en der Vertiefung haften oder beim Erhitzen nicht in geeigneter Weise zu zusammenhängenden Überzügen sintern. Damit das Absetzen mit ausreichender Geschwindigkeit erfolgt, sollte die Viskosität des inerten Trägers unter etwa 500C) Cp liegen. Träger mit solcher Viskosität sind im allgemeinen ungeeignet für die Verwendung von Seidennieben (silk screening). Die Trocknungseigenschaften des inerten Trägers können beträchtlich variieren. Für die technische Anwendung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Mekallinierungsmasse so zu-
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sämmenzusetzen, daß sie sich bei Raumtemperatur in etwa Minuten ausbreitet und absetzt und dann bei einer höheren
100 .bis 1501C, wie Temperatur, beispielsweise/l25°C, in weiteren 10 Minuten trocknet, wobei eine nachteilige Blasenbildung beim Brennen bei 700 bis 10000C zur Entfernung von Rückständen des inerten Trägers und Zusammensintern des Goldpulvers und der Glasfritte am Boden der Vertiefung vermieden wird»
Der äquivalente sphärische Durchmesser von Pulverteilchen wird nach dem-Stoke1sehen Gesetz, wie es in Principles of Mineral Dressing von A.M. Gaudin, McGraw«Hill, 1939* Seiten 192I- bis 198 und Kapitel VIIIi Principles of Chemical Engineering von W,H.- Walker, W.K. Lewis, W.H. MeAdams,* E.R. Gilliland, McGraw-Hill, 1937, Selten 296 bis 3>02; und Mineral Preparation Notebook von H.B. Charmbury, The Pennsylvania State University, 1956* Seiten 65 bis 68 niedergelegt ist. Der äquivalente Kugeldurchmesser eines nicht-kugeligen Teilchens ist der Durehmesser einer Kugel, die sich in einem fluiden Medium mit der gleichen Geschwindigkeit wie das unregelmäßige Teilchen absetzt. In normalen flockigen Goldpulvern hat eine 2,56μ breite Platte die gleiche Absetzgeschwlrd igkeit wie eine Kugel von 2μί die Platte hat daher einen äquivalenten Kugeldurchmesser von 2μ. Das Stoke'sehe Gesetz lautet:
worin D die Dichte des Teilchens in D1 die Dichte .des fluiden Mediums "in g/eirr r der Radius eines äquivalenten kugeligen Teilchens in cm
g die Erdbeschleunigung in cm/sek. μ Viskofi it ät des fl\3.iden Mediums in Poise V_ die Äbsetzgesehwindigkeit in cm/sek»"' F geometrischer Faktori 1 für Kugeln
1,19 für Würfel 1,P8 für sehr dünne Plättchen 1,24 für gevröhnliches flockiges Goldpulver.
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Das Verfahren zur Bestimmung des äquivalenten Kugeldurchmessers besteht darin, daß man das Pulver in einem fluiden Medium dispergiert und die Absetzgeschwindigkeit der Teilchen mißt. Nach den obigen Gleichungen körinen dann der äquivalente Kugeldurchmesser oder der Radius des Teilchens bestimmt werden* Die Mengenanteile und Formen der kugeligen und nicht-kugeligen Teilchen können aus Mikrophotographien der Teilchen bestimmt werden. Die Wahl eines geeigneten Wertes für den geometrischen Paktor F liegt dann im Rahmen des fachmännischen Könnens.
In den Metallisierungsmassen gemäß der Erfindung können die Feststoffe (Goldpulver und Glasfritte) so eingestellt werden, daß die gewünschte Dicke, Haftfestigkeit und andere Eigenschaften erzielt werden. Die Komponenten des inerten Trägers können so gewählt werden, daß der Tropfen sich in gewünschter Zeit ausbreitet und trocknet. Damit eine gute Haftung an dem keramischen Substrat erzielt wird, sind zweckmäßig wenigstens 0,1$ Glasfritte in der Metallisie« rungsmasse, die mit dem keramischen Substrat in Kontakt kommt, anwesend. Bei Anwesenheit größerer Mengenanteile an Glas nimmt die Haftung an dem Substrat zu, jedoch wird die Bildung des Si-Au-Eutektikums verzögert. Der bevorzugte Bereich beträgt 0,8 bis 6 Gew. ~% Glas für ein Ein-* schichtsystem, wobei eine gute Haftung sowohl an dem Aluminiumoxydsubstrat als auch dem Keramikchip erzielt wird. Die gemäß der Erfindung verwendeten Glasfritten haben vorzugsweise Kristallisations- oder Erweichungspunkte in dem Bereich von 400 bis 10000C. Der bevorzugte Gehalt an Goldpulver beträgt Ho bis 88 Gew.~$ mit wenigstens etwa 10 Gew. -■% an dem zeitweiligen organischen Bindemittel, was der Anteil an Nicht-Lösungsmittel in dem inerten Träger ist. Für diejenigen Metallisierungsmassen, die keine Glasfritte enthalten,· beträgt der bevorzugte Goldpulvergehalt ■40 bis 99, insbesondere 50 bis 90 Gew,~#» Bei höheren
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Peststoffgehalten nimmt die Druckdicke zu und das Ausbreiten ab. Auch höhere Mengen an zeitweiligem organischem Bindemittel verringern das Ausbreiten. Gemäß der Erfindung können viele verschiedene Arten von Trägern verwendet werden. Vorzugsweise wird substituierte Cellulose, wie A'thylcellulose oder Ä'thyl-Hydroxyäthylcellulose, in einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln, wie Kerosin und Terpentinharzen, gelöst, verwendet. Geeignete inerte Träger sind auch in der US-PS 3 536 508 beschrieben.
Optimale Ergebnisse können natürlich erzielt werden, indem die Viskosität des Trägers sorgfältig so gewählt wird, daß eine gute Absetzgeschwindigkeit des verwendeten Goldpulvers erzielt wird. Die Strecke^ für die sich Goldteilchen bestimmter äquivalenter Kugeldurchmesser in 10 Minuten in Trägern bestimmter Viskosität absetzen, sind in Tabelle I zusammengestellt: '
Tabelle!
Absetzen von Goldpulvern Absetzstrecke
mils/ mm/
10 Min. 10 Min.		 0,0063
0,0254
0,0533
0,2159
Viskosität des
Trägers, Cp		 V
Teilchendurchmesser
des Pulvers, μ		 0,25
1,0
2,1
8,5		 0,00152
0,00508
0,01016
0,04572
1000
11
tt
I!		 1 .
2 ' ■
3
6 .		 0,06
0,2
0,4
1,8		 0,00076
0,00254
0,00508
0,02286
5OOO
It
tt
tt		 1
2
6		 0,03
0,1
0,2
0,9.
10000
tt
It
tt		 1
2
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Wenn für eine technische Anwendung eine Absetzgeschwindigkeit von mindestens etwa 0,025 mm (one mil) in 10 Minuten angemessen erscheint, so kann diese durch Wahl eines Trägers von 1000 Cp und Teilchen von 2μ, eines Trägers von 5000 Cp und Teilchen von 4μ oder eines Trägers von 10000 Cp und Teilchen von 6μ erzielt werden.
Für die Herstellung gewünschter Filme werden vorzugsweise Goldpulver mit äquivalenten Kugeldurchmessern unter ΙΟμ verwendet. Aber auch für Goldpulver mit Teilchengrößen bis zu ΙΟμ werden praktisch zulässige Absetzgcschwindigkeiteh bei Verwendung von Trägern mit Viskositäten unter oder nicht mehr als 10000 Cp erzielt.
Um die Zeit, die notwendig ist, um für die Bildung des Silieiumhalbleiterchip das Si-Au-Eutektikum zu bilden, kann über der ersten Goldschicht eine zweite Goldschicht ohne Fritte verwendet werden.
Wenn das Substrat ausreichend an dem Goldpulver haftet, bei·* spielsweise wenn das Aluminiumoxyd mit einem Glas, das bei den zum Brennen der Goldochicht angewandten Temperaturen erweicht, glasiert ist, ist es nicht notwendig, daß die Goldschicht Glasfritte enthält. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird eine Schicht aus einer geeigneten Glasfritte in einem Träger aufgebracht und getrocknet und danach eine Schicht aua Goldpulver ohne Fritte aufgebracht und getrocknet, wonach die gesamte Anordnung bei ausreichend hohen Temperaturen, um das Glas zu schmelzen und das Gold zu sintern, gebrannt wird. Für diesen Zweck eignen sich die im. folgenden beschriebenen Gläser. In der ersten Schicht eines Zweischichtsystems kann natürlich Jede gewünschte Menge an Gold, beispielsweise zwi~ sehen 0 und 90 Gew«-$ Gold, mit der Glasfritte vermischt sein.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung. In diesen Beispielen betrug die Viskosität des Trägers 1000 bis 1100 Cp, gemessen mit einem Brookfield<-.RVT-4-Viskosi~ meter bei 10 Upm. Die Zusammensetzungen der als Fritten ver-. wendeten Gläser und die Eigenschaften der in den Metallisierungsmassen verwendeten Goldpulver sind in den Tabellen
Verfahren ·
II bzw. III angegeben, und das/zur Herstellung des Goldpulvers A, das gemäß der Erfindung verwendet werden kann, ist nach Tabelle III beschrieben. Angaben in Prozent beziehen sich auf das Gewicht, sofern nicht anders angegeben.
Beispiel 1" . '
Eine Paste niedriger Viskosität wurde hergestellt, indem 5,76 g Zinkborsilikat-Glasfritte A und 50,2 g Goldpulver A, das aus im allgemeinen kugeligen Teilchen mit einem mitt« leren äquivalenten Kugeldurchmesser von 2,βμ und einem ■minimalen äquivalenten Kugeldurchmesser von 2μ bestand, mit 16,6 ε eines Trägers aus A'thyl-Hydroxyäthyloellulose, in ß-Terpineol und Kerosin gelöst,. Ij5>^ g Butylcarbitolacetat und noch 16,04 g ß-Terpineol vermischt wurden. Ein Tropfen dieses Materials wurdenit.dem Ende eines Spatels in eine Vertiefung eines Substrats aus 96% AIpO7 eingebracht. Jedes geeignete Aluminiunioxydsubstrat, das technisch für die Herstellung einer Halbleiterpackung verwendet wird, hätte verwendet werden" können.. Das tatsächlich verwendete Material ist gekennzeichnet als 96$ AIuminiumoxyd, verformt durch trockenes Verpressen und Brennen bei etwa l600°C. Der Rest der Ausgangsmasse- besteht aus üblichen Verunreinigungen und Gläsern sowie Zusätzen zur Begünstigung des Sinterns, wie SiOp, MßO um! CaO, die in trocken gepreßten keramischen Materialien für die Herstellung, elektronischer Gerätο enthalten sind. Der Tropfen füllte die Vertiefung von 0,51 .χ 0,51 cm und 0,038 cm Tiefe (0.20Q inch χ 0*200 inch by 0.015 inch deep) innerhalb 2 Minuten vollständig aus. Nach 10 Minuten wurdendie Lösungsmittel in
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einem Luftzug von 1250C verdampft. Das Aluminiumoxydsubstrat wurde dann in einen Tunnelofen, der in 20 Minuten eine Spitzentemperatur von 8900C erreichte, 10 Minuten bei 8900C gehalten wurde und dann Innerhalb der nächsten 10 Minuten auf Raumtemperatur abkühlte, gesetzt. Der Glasgehalt dieser Metallisierungsmasse ergab eine gute Bindung an das Aluminiumoxydsubstrat und erlaubte ihre Verwendung als untere Schicht, auf die eine zweite Metallisierungsmasse, die Goldpulver ohne Fritte enthielt, aufgebracht werden konnte, wie in Beispiel 2 beschrieben. Art und Menge des Glases in dieser unteren Schicht ermöglichte!aber nicht die Bildung einer guten eutektischen Si/Au-Bindung, durch direktes Verreiben eines Siliciumchip darauf.
Beispiel 2
Eine zweite Masse wurde hergestellt, indem 38 g des Goldpulvers A, 10 g des inerten Trägers von Beispiel 1 plus 25 g Butylcarbitolacetat und 6 g ß-Terpineol als weitere Lösungsmittel verwendet wurden. Ein Tropfen dieser Masse wurde in die Mitte einer Vertiefung, die den gemäß Beispiel 1 erzeugten Film enthielt, eingebracht. Der Tropfen breitete sich aus und bedeckte den gesamten Boden der Vertiefung. Die Masse wurde getrocknet und gebrannt, wie in Beispiel 1. Der gebildete Film hatte ein;dichtes Aussehen, war glänzend und klar und war auf den Wänden der Vertiefung nicht anwesend. Durch manuelles Verreiben1 mit einem Siliciumchip wurde innerhalb 5 Sekunden bei einer Temperatur von ^100C ein Si/Au-Eutektikum gebildet. Dieser Film verhielt sich ebenso wie ein durch Goldplattierung erhaltener ' Film, der Industrienorm.
Beispiel 3
Das Verfahren der Beispiele 1 und 2 wurde in der gleichen Reihenfolge wiederholt, jedoch erfolgte die Aufbringung durch Anwendung von Druck durch ein Plastikrohr mit einem
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Innendurchmesser von 0,4 mm (16 mil). Das abgegebene Volumen wurde durch Einstellen des Druckes und der Dauer des Druck-
Impulses eingestellt. Ein Druck von 1,05 kg/cm (fifteen pounds per square inch) wurde 5/6 Sekunden lang für die erste Schicht und 1 Sekunde lang für die zweite Schicht angewandt, wobei die Vertiefung in zufriedenstellender Welse gefüllt wurde. Es wurden wiederum die erwünschten Ergebnisse von Beispiel 2 erzielt.
Beispiel 4
Das Verfahren von Beispiel 3 wurden mit dem 96% AIp(U Substrat mit einer Vertiefung von 0,889 x 0,889 cm und 0,038 cm Tiefe (O.35O inch χ 0.350 inch χ C.015 inch deep) wiederholt. Durch Anwendung1 eines Druckimpulses von
l>05 kg/cm (15 pounds per square inch) für 1 Sekunde wur« de die Vertiefung gut gefüllt* und die Ergebnisse waren sehr zufriedenstellend.
Beispiel 5
Das Verfahren von Beispiel 3 wurde wiederholt mit der Abweichung, daß statt der Zinkborsilikat-Glasfritte A die Zinkbleisilikat-Glasfritte B verwendet wurde. Es wurden gleiche zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.
Beispiel 6 .
Eine Masse niedriger Viskosität wurde hergestellt und aufgebracht wie in Beispiel 1 mit der Abweichung, daß 65$ Goldpulver A und 6% Bleiborat-Glasfritte C, Rest inerter Träger, verwendet wurden. Beim Binden eines Siliciumohips direkt an diese Glasfritte enthaltende Goldschicht wurden gute Ergebnisse erzielt, ohne daß . ein Overprint ohne Glasfritte notwendig war. Die eutek-. tische Bindung bildete sich in 3 Sekunden bei
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2 2 3 4 A 6 1
Beispiel 7
Das Verfahren von Beispiel 6 wurde wiederholt mit der Abweichung, daß 67$ eines Goldpulvers A und 2$ Bleiborat-Glasfritte C verwendet wurden. Die Bindungszeit war gegenüber Beispiel 6 merklich verbessert, d.h. die Ausbildung der Bindung erfolgte in 2 Sekunden bei 45O0C und die Haftung des Goldfilms an dem Siliciumchip war so fest, daß bei einem Abschertest des Chips der Chip zerbrach, bevor das Gold sich von dem keramischen Substrat löste.
Beispiel 8
Das Verfahren von Beispiel 7 wurde wiederholt mit der Abweichung, daß der Goldgehalt 50$ betrug und 2% der Bleiboratfritte verwendet wurden. Die Bindung erfolgte nicht so leicht wie in Beispiel Y, war jedoch ausreichend, d.h. es waren 3 Sekunden bei 45O0C erforderlich, um die eutektische Bindung zu bilden. Beim Abschertest zerbrach der Chip, was eine gute Haftung des Films an dem keramischen Material und eine gute Bindung des Chips an das Goldpolster anzeigte.
Beispiel 9
Das Verfahren von Beispiel 8 wurde mit 40 Gew.-^ Goldpulver durchgeführt. Der beim Brennen erhaltene Film erschien filigranartig mit Rückleuchten (backlighting), was anzeigte, daß der Film nicht so dick i^nd gleichmäßig war wie gewünscht. Die Bildung des Eutektikums erfolgte nicht leicht. Durch die Verwendung einer Si/Au-Vorform zwischen dem Siliciumchip und dem Goldpolster wurde jedoch die Bildung des Eutektikums begünstigt, und es wurde eine ausgezeichnete Bindefestigkeit gleich der von Beispiel 8 erzielt.
Verfahren I
Das Verfahren von Beispiel 3 wurde wiederholt mit der Ab-
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weichung, daß Goldpulver B verwendet wurde* Es bestand aus etwa 8o# kugeligen Teilchen und 20$ Plättchen mit einem mittleren äquivalenten Kuge!durchmesser.von Ο,6μ und einem minimalen äquivalenten Kugeldurchmesser von 0,5μ. Zufolge der Anwesenheit beträchtlicher Mengen an Goldpulverteilchen, die zu klein waren, haftete eine unerwünscht große Menge an Gold an den Wänden der Vertiefung.
Verfahren l'j
Das Verfahren von Beispiel 3 wurde unter Verwendung von 50% Goldpulver I und 50$ Goldpulver B wiederholt. Es hafteten unerwünscht große Mengen an Go1 d an den Wänden- der Vertiefung. . ' '
Verfahren III
Das Verfahren won Beispiel J5 wurde wiederholt mit der Abweichung, daß statt des Goldpulyers A das Goldpulyer C und statt des Glases A das Glas C verwendet wurde. Eine uner«. wünscht große Menge an Gold haftete, an den Wänden der Ver-* tiefung, und der Goldfilm riß nach dem Brennen wegen der Anwesenheit beträchtlicher Mengen an Goldpulverteilchen, die zu klein waren.
. ;■ ~ 19 «
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3826 ooo//ßi
oio 22344οι
Tabelle II
Zusammensetzung der Glasfritten
Glas Bestandteile Gew..«#
A Zinkborsilikat, Erweichungspunkt
B Zinkbleisilikat,
Kristallisationstemperatur 820 bis 8600C
Bleiborat,
Erweichungspunkt 4200C
ZnO 27,7
B2O3 26,7
SiO2 21,7
Na2O 8,7
5,8
ZrO2 4,0
CaO 3,9
BaO 0,8
PbO 0,7
ZnO 10
PbO 22
SiOp 30
BaO 8
Al2O3
TiO2 		11
9
PbO 66,9
B2O3
SiO2 		12,3
10,3
CdO 6,8
NaP 3,5
Al2O3 0,2
20 «
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eil
Tabelle III
Goldmet a11pulνer
Pulver A Pulver B Pulver C
Mittlerer äquivalenter Kugeldurchmesser, μ
Minimaler äquivalenter Kugeldurohmesser, μ.
«j
Oberfläche, m /g
Morphologie
2,6
2,0
Kugeln
0,6
0,5
0,l0~0,l5 0,4-0,7
1,04
0,80
0,15-0,50
80,Ü Kugeln, Kugeln 20>l Platt« chen 3?
Die maximale Abmessung über die flachen Oberflächen der Plättchen war gleich dem Drei« bis Sechsfachen der Dicke der Plättchen.
Goldpulver A vmrde nach dem folgenden Verfahren hergestellt:
Eine GoldehlorldlÖsung vmrde durch Auflösen von 3OO g metallischem Gold in Königswasser hergestellt. Durch mebr~ faches Einengen dieser Lösung und mit einigen Zusätzen von HCl wurden die Stickoxyde entfernt. Dann wurden dem gelösten Gold 5 1 Wasser zugesetzt. In einem eigenen Behälter wur« den 700 g KaJ iumsulf itkristalle in 5 1 kaltem Wasser gelöst. Dann wurde die Goldchloridlösung langsam gerührt, während die Kaliurnsulfitlösung so rasch wie möglich in die Goldchloridlösung gegossen wurde. Die Umsetzung erfolgte sehr rasch ohne Bildung von Blasen oder Schaum. Die Temperatur der Lösung wurde bei etwa 200C gehalten.
-21 ^
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Die Umsetzung war in weniger als 1 Minute beendet. Der gesamte Ansatz wurde auf einer Sinterglasfilterplatte filtriert, und das Gold wurde mit Wasser gewaschen, bis es frei von Sulfit« und Sulfationen war. Dann wurde das Gold« pulver in Methanol gewaschen, um das Wasser abzutrennen, und dann bei Raumtemperatur getrocknet.
Das Goldpulver wurde gewogen. Es wurde gefunden, daß es 296 g kugelige Teilchen enthielt. Die Schüttdichte betrug etwa 8,0 g/cm , und die Teilchengröße lag in dem Bereich von 2 bis
« 22 -
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Claims (1)

  1. pc 5826
    Pat ent ansprüc he"
    Metallisierungsverfahren zur Herstellung eines Goldmon« tierungspolsters in einer Vertiefung relativ zu einer Oberfläche einer Halbleiterpackung, dadurch gekennzeichnet, daß man
    (a) in die Vertiefung eine Menge einer Metallisierungsmasse aus Glasfritte und Goldpulver, in einem inerten Träger dispergiert, die wenigstens1AO Gew.-^ Goldpulver, das im wesentlichen in seiner Gesamtheit einen äquivalenten Kugeldurchmesser von wenigstens etwa 2μ hat, und wenigstens 0,1$ Glasfritte enthält, einbringt,
    (b) die Metallisierungsmasse sich über den Boden der Vertiefung ausbreiten und das Goldpulver sich absetzen läßt, '
    (c) so viel von dem inerten Träger abdampft, daß eine Blasenbildung beim anschließenden Erhitzen weitgehend vermieden wird, und
    (d) durch Erhitzen der Vertiefung die Metallisierungsmasse am Boden dor Vertiefung unter Bildung des Montierungcpolsters sintert.
    2. Verfahren nach Anspruch ί zur Herstellung einer Halbleiterpackung mit einem Montierungspolster in einer Vertiefung relativ zu einer Oberfläche der Packung, dadurch gekennzeichnet, daß man
    - 25 3-09821 /Ό638
    pc 3826
    (a) in die Vertiefung eine Menge an einer ersten Metallisierungsmasse aus Glasfritte und Goldpulver, in einem inerten Träger dispergiert, die wenigstens etwa 0,1 Gew.-^ Glasfritte und wenigstens etwa 40 Gew. ->% Goldpulver enthält, wobei das Goldpulver im wesentlichen in seiner Gesamtheit einen äquivalenten Kugeldurchmesser von wenigstens etwa 2μ hat* einbringt,
    (b) diese erste Metallisierungsmasse sich über den Boden der Vertiefung ausbreiten und das Goldpulver sich darauf absetzen läßt,
    (c) so viel inerten Träger abdampft, daß eine Blasen« bildung beim anschließenden Erhitzen weitgehend vermieden wird,
    (d) eine Menge an einer zweiten Metallisicrungsmasse in die Vertiefung auf die erste Metallisierungsmasse aufbringt, wobei die zweite Metallisierungs*. masse Goldpulver in einem inerten Träger dispergiert enthält und wenigstens etwa 50 Gew.~% Goldpulver enthält und im wesentlichen das gesamte Goldpulver einen äquivalenten Kugeldurchmesser von wenigstens etwa 2|i hat,
    (e) die zweite Metallisierungsmasse sich über der ersten Metallisierungsmasse ausbreiten läßt und dar; Goldpulver sich darauf absetzen läßt,
    (f) so viel inerten Träger abdampft, daß eine Blasenbildung beim nachfolgenden Erhitzen weitgehend verhindert wird, und
    (g) die Vertiefung erhitzt, um die erste und die zweite Metallisierungsmasse am Boden der Vertiefung zu dem Mo.ntierarii:>spolster zu sintern.
    309821/0638
    pc 5826 .
    olS 223U61
    J>. Halbleiterpackung, die gemäß Anspruch I oder 2 herge-. stellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der
    Vertiefung im wesentlichen frei von metallischem Gold ist.
    4. Metallisierungsmasse -aus in einem inerten Träger dis~ pergierten Goldpulver, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen das gesamte Goldpulver einen äquivalenten Kugeldurchmesser von wenigstens etwa 2μ hat und die
    Metallisierungsmasse eine Viskosität von weniger als
    etwa 10000 Cp hat und wobei
    (1) die Metallisierungsmasse etwa 50 bis 90 Gew,-$
    Goldpulver enthält, oder
    (il) wenn die Metallisierungsmasse noch Glasfritte enthält, die Masse wenigstens 0,1 Gew,-$ Glasfritte enthält. . -
    - 25 ~ 3 f) 0 811/063«
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