DE2315714A1 - MICROMINIATURIZED CIRCUIT ARRANGEMENT - Google Patents

MICROMINIATURIZED CIRCUIT ARRANGEMENT

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DE2315714A1
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Description

Aktenzeichen der Anmelderin: WA 972 001File number of the applicant: WA 972 001

Mikromini atur i s i erte S chaItungs anordnungMicromini ature i ssed chaRatIon arrangement

Die Erfindung betrifft eine mikrominiaturisierte Schaltungsanordnung, bei der ein Halbleiterplättchen mit Hilfe eines Bindemittels auf einem Substrat befestigt ist.The invention relates to a microminiaturized circuit arrangement, in which a semiconductor wafer is attached to a substrate with the aid of a binding agent.

Die Herstellungsverfahren für integrierte Großschaltungen haben einen Stand erreicht, der es ermöglicht, mehr als 1000 aktive Bauelemente in einem Halbleiterplättchen mit einer Größe von etwa 6 χ 6 mm auszubilden. Die dem Schutz dieser Plättchen gegenüber Umgebungseinflüssen dienende Einkapselung bereitet jedoch noch beträchtliche Schwierigkeiten. Die Verwendung eines mit Leiterzügen versehenen Rahmens zur Halterung und Einkapselung wird in der Halbleitertechnologie allgemein verwendet. Eine solche Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Zur Einkapselung dienen dort das Substrat 2, ein Zwischenstück 9 sowie eine Abschlußkappe 10, die gemeinsam einen Hohlraum bilden, in dem das Halbleiterplättchen angeordnet wird. Fig. 2 stellt einen vergrößerten Querschnitt aus der Anordnung nach Fig. 1 dar. Es ist hier gezeigt, wie das Halbleiterplättchen 1 mit Hilfe eines Bindemittels 3 auf dem Substrat 2 befestigt ist. Die im Innern des Halbleiterplättchens 1 befindlichen Schaltkreise sind über Anschlußkontakte 4, Zuleitungen 5 sowie Leiterzüge 6 auf dem Substrat mit externen Schaltkreisen verbunden. Für das Bindemittel 3 wird im allgemeinen eine eutektische Gold-Siliziumlegie-The manufacturing processes for large-scale integrated circuits have reached a level that allows more than 1000 active To form components in a semiconductor die with a size of about 6 χ 6 mm. The protection of these platelets However, environmental encapsulation still presents considerable difficulties. Using a frame provided with conductor tracks for support and encapsulation is widely used in semiconductor technology. One such an arrangement is shown in FIG. The substrate 2, an intermediate piece 9 and an end cap are used there for encapsulation 10, which together form a cavity in which the semiconductor wafer is arranged. Fig. 2 shows an enlarged Cross-section from the arrangement of FIG. 1. It is shown here how the semiconductor wafer 1 with the help of a Binder 3 is attached to the substrate 2. The circuits inside the semiconductor die 1 are over Connection contacts 4, leads 5 and conductor tracks 6 on the Substrate connected to external circuits. A eutectic gold-silicon alloy is generally used for the binder 3

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rung verwendet. Hierbei wird die Anordnung auf die eutektische Temperatur der Gold-Siliziumlegierung gebracht, wobei anschließend das'Halbleiterplättchen in diese Legierung eingedrückt wird. Die so erzielte Verbindung hat eine hohe Haftfestigkeit sowie eine gute thermische Leitfähigkeit. Sie ist jedoch relativ starr und überträgt mechanische Spannungen vom Substrat auf das Halbleiterplättchen.tion used. Here, the arrangement is brought to the eutectic temperature of the gold-silicon alloy, and then das'Hemiconductorplatechen pressed into this alloy will. The bond achieved in this way has high adhesive strength and good thermal conductivity. However, it is relative rigid and transfers mechanical stresses from the substrate to the semiconductor wafer.

In der folgenden Tabelle sind die Temperaturausdehnungskoeffizienten einiger in der Halbleitertechnologie verwendeter Materialien dargestellt. .The following table shows the temperature expansion coefficients some of the materials used in semiconductor technology. .

Materialmaterial Linearer Ausdehnungskoeffizient 1/°CLinear expansion coefficient 1 / ° C ,6, 6 XX io~6 io ~ 6 Siliziumsilicon 77th ,7, 7 XX io"6 .io " 6 . AluminiumoxydAluminum oxide 88th ,4, 4 XX io"6 io " 6 NovolakharzNovolak resin 1414th XX ΙΟ'6 ΙΟ ' 6 Kupfercopper 1717th

Es war bisher erforderlich, für das Halbleiterplättchen und. für das Substrat Materialien mit angenähert gleichem Temperaturausdehnungskoeffizienten zu verwenden, um die mechanischen Spannungen im Halbleiterplättchen so gering wie möglich zu halten. Solche Spannungen ergeben sich durch beim Betrieb der integrierten Schaltungen auftretende Temperaturänderungen, die gewöhnlich im Bereich zwischen 0° und 80 0C liegen. Für relativ große Halbleiterplättchen mit einer Kantenlänge von 6 mm bewirkt eine Temperaturerhöhung von 80° eine Ausdehnung von etwa 3,5 χ 10 mm. Für eine entsprechende Fläche eines Aluminiumoxydsubstrats, auf das das Halbleiterplättchen mittels einer eutektischen Gold-Siliziumlegierung aufgebracht ist, ergibt sich dagegen eine Ausdehung von etwa 4,0 x-io" mm. Die Differenz zwischen den verschiedenen Ausdehnungen beträgt somit etwa 0,5 χ 10~ mm, was relativ gering ist. Auf das Halbleiterplättchen werden somit in diesem Falle beim Betrieb nur verhältnismäßig kleine mechanische Spannungen übertragen. Die Herstellung von Aluminiumsubstraten oder anderen keramischen Substraten istIt has hitherto been required for the semiconductor die and. to use materials with approximately the same coefficient of thermal expansion for the substrate in order to keep the mechanical stresses in the semiconductor wafer as low as possible. Such stresses result from occurring during operation of the integrated circuit temperature changes, which usually are in the range between 0 ° and 80 0 C. For relatively large semiconductor wafers with an edge length of 6 mm, a temperature increase of 80 ° results in an expansion of about 3.5 10 mm. For a corresponding area of an aluminum oxide substrate to which the semiconductor wafer is applied by means of a eutectic gold-silicon alloy, on the other hand, there is an extension of about 4.0 x-10 "mm. The difference between the various dimensions is thus about 0.5 χ 10 ~ mm, which is relatively small. In this case, only relatively small mechanical stresses are transferred to the semiconductor wafer during operation. The production of aluminum substrates or other ceramic substrates is

972 ooi 3098 5 1/0 760972 ooi 3098 5 1/0 760

- 3- 23157H- 3 - 23157H

jedoch mit sehr hohen Kosten verbunden. Die Verfahrensschritte bei der Herstellung solcher Substrate bestehen im Sintern des ungebrannten Materials, Schleifen und Sägen von Hohlräumen sowie Polieren der Oberflächen. Diese Vorgänge sind sehr aufwendig und zeitraubend. Die Kosten für die fertiggestellte Anordnung betragen daher etwa das 5-fache der Kosten des Halbleiterplättchens selbst.however, associated with very high costs. The procedural steps In making such substrates consist of sintering the unfired material, grinding and sawing cavities as well Polishing the surfaces. These processes are very complex and time-consuming. The cost of the completed arrangement are therefore about 5 times the cost of the die self.

Wenn es die Eigenschaften des Materials zulassen, kann anstelle eines keramischen Substrats ein solches aus Plastik verwendet werden. Diese Substrate sind einfach und mit niedrigen Kosten herzustellen. Die Fig. 3 zeigt ein Plastiksubstrat 8 mit einem eingesetzten Kupferstück 7, das als Wärmesenke dient. Die Herstellungskosten für eine solche Einkapselung betragen etwa 50% der Kosten für das Halbleiterplättchen. Es tritt hier jedoch das Problem auf, das die als Wärmesenke benutzten Metalle einen erheblich größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen als Silizium. Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß Kupfer einen Koeffizienten von 17 χ 10 /0C aufweist, der somit mehr als doppelt so groß ist wie derjenige von Silizium. Die Kupferunterlage unter einem Halbleiterplättchen von 6 mm Kantenlänge erfährt somit bei einer Temperaturzunahme um 80 °c eineIf the properties of the material permit, a plastic substrate can be used instead of a ceramic substrate. These substrates are easy and inexpensive to manufacture. 3 shows a plastic substrate 8 with an inserted copper piece 7 which serves as a heat sink. The manufacturing cost of such an encapsulation is about 50% of the cost of the semiconductor die. The problem arises here, however, that the metals used as heat sinks have a considerably greater coefficient of thermal expansion than silicon. From the above table it is evident that copper has a coefficient of 17 χ 10/0 C, which thus is more than twice as large as that of silicon. The copper substrate under a semiconductor wafer with an edge length of 6 mm thus experiences a temperature increase of 80 ° C.

_3
Ausdehnung von etwa 8,6 χ 10 mm. Die Differenz der Ausdehnungen von Kupfer und Silizium beträgt somit im vorliegenden Beispiel etwa 5,1 χ 10~ mm. Diese Differenz ist somit 10 χ größer als diejenige bei der Verwendung eines Substrats aus Aluminiumoxyd. Die dabei auftretenden mechanischen Spannungen können ausreichen, um die Verbindung zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Substrat zu zerstören. In diesem Fall wird die Wärmeabfuhr zum Substrat erheblich reduziert, wodurch ein Ausfall des Halbleiterplättchens im Betrieb unvermeidlich wird. Die Möglichkeit eines solchen Schadens wächst mit der Größe der Halbleiterplättchen, da die Differenz der Ausdehnung linear mit dieser zunimmt, sowie mit der Schaltkreisdichte im Halbleiterplättchen, da von dieser die erzeugte Wärme im Betrieb abhängt.
_3
Expansion of about 8.6 χ 10 mm. The difference between the dimensions of copper and silicon is thus about 5.1 χ 10 ~ mm in the present example. This difference is thus 10 greater than that when using a substrate made of aluminum oxide. The mechanical stresses that occur in the process can be sufficient to destroy the connection between the semiconductor wafer and the substrate. In this case, the heat dissipation to the substrate is considerably reduced, as a result of which failure of the semiconductor wafer during operation becomes inevitable. The possibility of such damage increases with the size of the semiconductor wafer, since the difference in expansion increases linearly with it, as well as with the circuit density in the semiconductor wafer, since the heat generated during operation depends on this.

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Das Problem der Befestigung von Halbleiterplättchen mit relativ großer Ausdehnung auf einem Substrat mit unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wurden bisher so gelöst, daß ein Bindemittel mit möglichst geringem Temperaturausdehnungskoeffizienten verwendet wurde. Beispielsweise wurde ein Bindemittel mit geringer Temperaturausdehnung aus einem harzartigen' Lack und einem fein verteilten inerten organischen Füllstoff, der einen negativen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt, gebildet. Der benutzte Füllstoff war Lithiumaluminiumsilikat, das beispielsweise mit einem aromatischen Polyamid gemischt wurde. Versuche haben gezeigt, daß Bindemittel, die Lithiumaluminiumsilikat enthalten, einen geringen Widerstand gegen Feuchtigkeit, die Tendenz zur Ausscheidung von Verunreinigungen sowie eine Instabilität der Dielektrizitätskonstanten und des Verlustfaktors aufweisen. Die sich über längere Zeit erstreckenden Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Lithiumaluminiumsilikat enthaltenden Bindemittels können durch die Ionenbeweglichkeit der Lithiumionen im Gitter erklärt werden. Hierbei werden LeersteIlenvim Gitter gebildet, über die Wasser eindringen kann. Messungen in der Umgebung zeigten einen großen Anstieg des pH-Wertes, was auf ein Auslaugen von ionischen Verunreinigungen hindeutet. Solche Verunreinigungen aus einem Bindemittel für ein Halbleiterplättchen, das Feldeffekttransistoren enthält, können eine Umkehr der Oberflächenladung des' Halbleiterplättchens bewirken und somit die elektrischen Eigenschaften der Feldeffekttransistoren beeinträchtigen.The problem of securing semiconductor wafers with a relatively large expansion on a substrate with different thermal expansion coefficients has been solved so far by using a binder with the lowest possible thermal expansion coefficient. For example, a binder with low thermal expansion was formed from a resinous lacquer and a finely divided inert organic filler which has a negative coefficient of thermal expansion. The filler used was lithium aluminum silicate mixed with, for example, an aromatic polyamide. Experiments have shown that binders containing lithium aluminum silicate have a low resistance to moisture, a tendency to precipitate impurities and an instability of the dielectric constant and the dissipation factor. The changes in the physical properties of the lithium aluminum silicate-containing binder, which extend over a long period of time, can be explained by the ion mobility of the lithium ions in the lattice. Void spaces v are formed in the grid, through which water can penetrate. Measurements in the area showed a large increase in pH, indicating leaching of ionic contaminants. Such impurities from a binder for a semiconductor wafer which contains field effect transistors can cause a reversal of the surface charge of the semiconductor wafer and thus impair the electrical properties of the field effect transistors.

Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mikrominiaturisierte Schaltungsanordnung, bei der ein Halbleiterplättchen mit Hilfe eines Bindemittels auf einem Substrat befestigt ist, anzugeben, bei der eine zuverlässige Bindung zwischen dem Halbleiterplättchen und dem Substrat gewährleistet ist, auch wenn die beiden miteinander verbundenen Teile aus Materialien mit erheblich unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten bestehen. Auch soll die Bindung bei längeren Beanspruchungen in ihren chemischen, elektrischen und mechanischen EigenschaftenIt is therefore the object of the present invention to provide a microminiaturized Circuit arrangement in which a semiconductor wafer is attached to a substrate with the aid of a bonding agent is to be specified, in which a reliable bond between the semiconductor wafer and the substrate is ensured, too when the two interconnected parts are made of materials with significantly different coefficients of thermal expansion exist. The bond should also be used in their chemical, electrical and mechanical properties

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stabil bleiben. Diese Aufgabe wird bei der genannten Schaltungsanordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Bindemittel ein Epoxydharz und ein Härtemittel aus aromatischen Diaminen, die im angenähert stöchiometrischen Verhältnis miteinander vermischt sind, sowie einen feinverteilten anorganischen Füllstoff, dessen Anteil zwischen 50 und 80 Gewichtsprozent des Bindemittels beträgt, enthält. Vorzugsweise enthalten das Härtemittel 55 bis 75% Metaphenylendiamin und 45 bis 25% Methylendianilin sowie das Bindemittel ein Epoxydharz aus der Gruppe bestehend aus dem Diglycidylather von Bisphenol A oder Glycidyläther von Novolakharz und einen Füllstoff aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxyd, Kieselerde oder Zirkoniumorthosilikat.stay stable. This task is performed with the circuit arrangement mentioned solved according to the invention in that the binder is an epoxy resin and a hardener made of aromatic diamines, which are mixed together in an approximately stoichiometric ratio, as well as a finely divided inorganic filler, the proportion of which is between 50 and 80 percent by weight of the binder. Preferably contain the hardening agent 55 to 75% metaphenylenediamine and 45 to 25% methylenedianiline and the binder an epoxy resin from the group consisting from the diglycidyl ether of bisphenol A or glycidyl ether of novolak resin and a filler selected from the group consisting of aluminum oxide, silica or zirconium orthosilicate.

Das Substrat kann aus Plastik, Keramik oder Metall bestehen. Das Bindemittel zeigt auch bei lange andauernden Beanspruchungen keine Änderung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften. Infolge seiner mechanischen Nachgiebigkeit kann es bei unterschiedlich großen Ausdehungen der miteinander verbundenen Teile das Auftreten mechanischer Spannungen weitgehend vermeiden. The substrate can be made of plastic, ceramic or metal. The binder shows even with long-term stresses no change in physical or chemical properties. Due to its mechanical compliance, it can Avoid the occurrence of mechanical stress as far as possible when the interconnected parts expand differently.

Beispiel 1; Es wurde eine Analyse der physikalischen Eigenschaften des vorliegenden Bindemittels durchgeführt. Proben des Bindemittels wurden wie folgt hergestellt: 100 Teile des Diglycidy läthers von Bisphenol A mit einer Viskosität von 13.000 bis 15.0OO Centipoise, einer Epoxydäguivalenz von 185 +5, einem Chloridionengehalt (hydrolisierbar) von 0,03 und einem Natriumionengehalt von weniger als einem auf eine Million Teile wurden hergestellt. Mit diesem Harzgemisch wurden 22 Teile einer eutektischen Mischung, die aus 60% Metaphenylendiamin und 40% Methylendianilin bestand und einen Eisenionengehalt von weniger als 0,4 auf eine Million Teile sowie einen Natriumionengehalt von ebenfalls weniger als 0,4 auf eine Million Teile aufwies, vermischt. Nach gründlichem Mischen des Harzes und des Härtemittels wurde ein feinverteilter Füllstoff aus Aluminiumoxyd zugesetzt, dessen Anteil 70 Gewichtsprozent des gesamten Bindemittels betrug. Example 1; An analysis of the physical properties of the present binder was carried out. Samples of the binder were prepared as follows: 100 parts of the diglycidyl ether of bisphenol A having a viscosity of 13,000 to 15,0OO centipoise, an epoxy equivalency of 185 +5, a chloride ion content (hydrolyzable) of 0.03 and a sodium ion content of less than one a million parts were made. 22 parts of a eutectic mixture consisting of 60% metaphenylenediamine and 40% methylenedianiline and an iron ion content of less than 0.4 per million parts and a sodium ion content of also less than 0.4 per million parts were mixed with this resin mixture . After the resin and hardener had been thoroughly mixed, a finely divided aluminum oxide filler was added, making up 70 percent by weight of the total binder.

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konstante nach 1000 Stunden bei 85 0C und 85 % relativerconstant after 1000 hours at 85 ° C. and 85% more relative

- - 6- 23157H- - 6- 23157H

Bei der spektographischen Analyse zeigte sich, daß das Aluminiumoxyd einen totalen anorganischen Rest von weniger als IOauf 1 Million Teile, Natriumionen von weniger als 3 auf 1 Million Teile sowie Eisenionen von weniger als 2 auf 1 Million Teile besaß. Das Bindemittel wurde in eine Anzahl von Proben aufgeteilt und für eine Stunde bei 85 0C sowie eine weitere Stunde bei 150 0C ausgehärtet. Das so erhaltene Bindemittel zeigte die folgenden Eigenschaften: ^ -The spectographic analysis showed that the alumina had a total inorganic balance of less than 10 to 1 million parts, sodium ions of less than 3 to 1 million parts, and iron ions of less than 2 to 1 million parts. The binder was divided into a number of samples and cured at 85 ° C. for one hour and at 150 ° C. for a further hour. The binder obtained in this way showed the following properties: ^ -

a) Gewichtsverlust nach 2000 Stunden bei 150 °C: 0,16 %a) Weight loss after 2000 hours at 150 ° C: 0.16%

b) Gewichtsverlust nach 2000 Stunden bei 125 0C: 0,05 %b) Weight loss after 2000 hours at 125 ° C.: 0.05%

c) Thermischer Ausdehnungskoeffizient von 55 C bis 154 C: 2,6 χ 10"5/°C.c) Thermal expansion coefficient from 55 C to 154 C: 2.6 χ 10 " 5 / ° C.

d) Dielektrizitätskonstante: ursprünglich 5,68. Dielektrizitätskonstante nachd) Dielectric constant: originally 5.68. Dielectric constant after

Feuchte: 6,01.Moisture: 6.01.

—2—2

e) Verlustfaktor: ursprünglich 1,85 χ 10 „e) Loss factor: originally 1.85 χ 10 "

Verlustfaktor nach 1000 Stunden bei 85 0C und 85% relativer Feuchte: 2,67 χ 10~2.Loss factor after 1000 hours at 85 0 C and 85% relative humidity: 2.67 χ 10 ~ 2 .

6 26 2

f) Zugspannung: 996 χ 10 ^yn/em .f) Tensile stress: 996 χ 10 ^ yn / em.

g) Rockwell-Härte: 107.g) Rockwell hardness: 107.

h) Thermische gravimetrische Analyse: Stabil bis 330 0C.h) Thermal gravimetric analysis: Stable up to 330 0 C.

i) Differentielle thermische Analyse: keine Reaktion -bis 340 C.i) Differential thermal analysis: no reaction - up to 340 C.

Es wurde die Haftfestigkeit des beschriebenen Bindemittels mit der der bekannten eutektischen Gold-Siliziumlegierung bei einer Verbindung zwischen einem Siliziumplättchen und einem keramischen Substrat verglichen,It was the adhesive strength of the binder described with that of the known eutectic gold-silicon alloy with a connection between a silicon plate and a ceramic one Substrate compared,

Test 1: Eine erste Gruppe von quadratischen Siliziumplättchen mit einer Kantenlänge von 2,5 mm wurde mit Hilfe einer eutektischen Gold-Siliziumlegierung auf ein Substrat aus Aluminiumoxyd aufgebracht. Eine zweite Gruppe derartiger Siliziumplättchen wurde mit Hilfe des vorliegenden Bindemittels auf einem Aluminiumoxyd-Substrat befestigt. An jedem Halbleiterplättchen wurde ein Stift angebracht, um eine Zugspannung auf die Ver- Test 1: A first group of square silicon platelets with an edge length of 2.5 mm was applied to a substrate made of aluminum oxide with the aid of a eutectic gold-silicon alloy. A second group of such silicon wafers was attached to an alumina substrate using the present binder. A pin was attached to each die to apply tensile stress to the

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bindung ausüben zu können. Die Prüfung ergab mit dem vorliegenden Bindemittel eine mittlere Haftfestigkeit von 11,19 kg, während die mittlere Haftfestigkeit bei der eutektischen Gold-Siliziumlegierung 8,11 kg betrug. Die Haftfestigkeit bei dem im vorliegenden Beispiel beschriebenen Bindemittel ist somit größer als die der bekannten eutektischen Gold-Siliziumlegierung.to be able to exercise a bond. The test with the present binder showed an average adhesive strength of 11.19 kg, while the mean bond strength for the eutectic gold-silicon alloy was 8.11 kg. The adhesive strength at the The binder described in the present example is thus larger than that of the known eutectic gold-silicon alloy.

Test 2; Die Fähigkeit des Bindemittels, bei infolge von Temperaturänderungen auftretenden unterschiedlichen Ausdehnungen des Halbleiterplättchens und des Substrats die Entstehung mechanischer Spannungen weitgehend zu verhindern, wurde im folgenden Versuch untersucht. Eine erste Gruppe von quadratischen SiIiziumplättchen mit einer Kantenlänge von 3,8 mm wurde auf ein Substrat aus NovovLakharz mit einem linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten von 14,4 χ 10~ /0C mit Hilfe des vorliegenden Bindemittels aufgebracht. Eine zweite Gruppe von Siliziumplättchen gleicher Größe wurde mit dem gleichen Bindemittel auf einem Kupfersubstrat befestigt. Eine dritte Gruppe schließlich von quadratischen Siliziumplättchen mit einer Kantenlänge von 7,0 mm wurde mit dem vorliegenden Bindemittel sowohl auf Substrate aus Novolakharz, Kupfer und Aluminium aufgebracht. Alle Proben wurden in eine Heizkammer eingebracht, deren Temperatur während einer Stunde jeweils 3 Zyklen durchlief. Während eines Zyklus wurde die Temperatur auf -40 C und auf +150 C für jeweils 10 Min. eingestellt. Der übergang zwischen diesen beiden Temperaturwerten erfolgte innerhalb von 2 see. Die erste Gruppe der Halbleiterplättchen auf dem Substrat aus Novolakharz durchlief 9.200 Zyklen, ohne daß Sprünge oder ein Abblättern auftraten. Die volle Haftfestigkeit blieb somit während des ganzen Versuches erhalten. Die zweite Gruppe der Halbleiterplättchen auf dem Kupfersubstrat wurde 4.200 Zyklen ausgesetzt, ohne daß sich Sprünge oder ein Abblättern ergaben. Auch hier blieb also die Haftfestigkeit unvermindert erhalten. Die dritte Gruppe mit den größeren Halbleiterplättchen wurden 1.300 Zyklen ausgesetzt. Für die drei verschiedenen Substrate konnten keine Sprünge oder ein Abblättern festgestellt werden. Auch hier trat eine Venninde- Test 2; The ability of the binder to largely prevent the development of mechanical stresses in the event of different expansions of the semiconductor wafer and the substrate as a result of temperature changes was investigated in the following experiment. A first group of square silicon platelets with an edge length of 3.8 mm was applied to a substrate made of Novov lak resin with a linear temperature expansion coefficient of 14.4 10 ~ / 0 C with the aid of the present binder. A second group of silicon wafers of the same size was attached to a copper substrate with the same binder. Finally, a third group of square silicon wafers with an edge length of 7.0 mm was applied to substrates made of novolak resin, copper and aluminum using the present binder. All samples were placed in a heating chamber, the temperature of which was cycled 3 times for one hour. During one cycle, the temperature was set to -40 ° C. and +150 ° C. for 10 minutes each time. The transition between these two temperature values took place within 2 seconds. The first group of wafers on the novolak resin substrate passed 9,200 cycles without cracking or peeling. The full adhesive strength was thus retained during the entire test. The second group of die on the copper substrate was subjected to 4,200 cycles without cracking or peeling. Here too, the adhesive strength remained undiminished. The third group with the larger wafers were exposed to 1,300 cycles. No cracks or peeling were found for the three different substrates. Here, too, a Venninde

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rung der Haftfestigkeit nicht ein.does not affect the adhesive strength.

Bei den bekannten Bindemitteln, die den gleichen Temperaturbeanspruchungen ausgesetzt wurden, traten im Durchschnitt nach weniger als 500 Std. Fehler auf. Es bestehen verschiedene Fehlermöglichkeiten. So kann ein Bruch innerhalb des Bindemittels, zwischen dem Bindemittel und dem Halbleiterplättchen oder dem Substrat oder innerhalb des Halbleiterplättchens auftreten, wodurch sich Unterbrechungen innerhalb der Leiterzüge auf dem Halbleiterplättchen ergeben können. Die Fähigkeit des im Beispiel 1 beschriebenen Bindemittels, den beträchtlichen Temperaturschwankungen ohne Schaden zu widerstehen, beruht vermutlich auf seiner mechanischen Nachgiebigkeit. Diese Eigenschaft ergab sich überraschend, da es allgemein bekannt ist, daß, wenn ein Füllstoff wie hochreines Aluminiumoxyd einem Epoxyd beigegegeben wird, der Elastizitätsmodul erhöht wird (siehe z.B. Lee and Neville: Handbook of Epoxy Resins, S. 13 und 14) . Ein höherer Elastizitätsmodul bedeutet, daß das Material starrer wird und damit weniger in der Lage ist, die zwischen verschiedenen Materialien auftretenden Unterschiede in der Ausdehnung bei Temperaturänderungen zu absorbieren. Bei einem starren Medium treten nach einer größeren Anzahl von durchlaufenen Temperaturzyklen Sprünge und Risse auf, die zur Zerstörung der Halbleiterbauelemente führen. Das im Test 2 verwendete Bindemittel zeigte bei Temperaturschwankungen eine mehr als 20-mal· größere Zuverlässigkeit als die bisher bekannten Bindemittel. Eine Theorie für den erhöhten Widerstand gegen das Auftreten von Sprüngen besteht darin, daß in dem Material bei Beanspruchung ein Fließvörgang stattfindet, der die unterschiedlichen Ausdehnungen ohne die Bildung hoher mechanischer Spannungen kompensiert. Durch diese Eigenschaft ist das im Beispiel 1 erläuterte Bindemittel höchst vorteilhaft bei der Befestigung von Siliziumplättchen auf den verschiedensten Substraten zu verwenden. Diese Eigenschaft des Bindemittels war nicht vorhersehbar.In the case of the known binders, which are subject to the same temperature loads were exposed, errors occurred on average after less than 500 hours. There are various possible errors. For example, a break can occur within the binder, between the binder and the semiconductor die or the Substrate or occur within the semiconductor die, whereby there may be interruptions within the conductor tracks on the semiconductor wafer. The ability of the example 1 described binder, the considerable temperature fluctuations to withstand without damage is believed to be due to its mechanical compliance. This attribute surprisingly, as it is well known that when a filler such as high purity alumina is added to an epoxy, the modulus of elasticity is increased (see e.g. Lee and Neville: Handbook of Epoxy Resins, pp. 13 and 14). A higher one Modulus of elasticity means that the material becomes more rigid and is therefore less able to move between different materials occurring differences in the expansion with temperature changes to absorb. In the case of a rigid medium, temperature cycles occur after a large number of passed through Cracks and cracks leading to the destruction of the semiconductor components to lead. The binder used in test 2 showed more than 20 times greater reliability with temperature fluctuations than the previously known binders. There is a theory for the increased resistance to the occurrence of cracks in the fact that a flow process takes place in the material when stressed, the different expansions without the Compensates for the formation of high mechanical stresses. This property makes the binder explained in Example 1 extremely high advantageous when attaching silicon wafers to the to use a wide variety of substrates. This property of the binder was not foreseeable.

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Die Auswahl der Bestandteile des Bindemittels gewährleistet, daß eine Verunreinigung der anderen Teile der Schaltungsanordnung nicht auftritt. Solche Verunreinigungen können durch einen Angriff auf die Metallisierung die Funktion der integrierten Schaltungen beeinträchtigen sowie physikalische Instabilitäten in der Halbleiteranordnung hervorrufen. Die bekannten organischen Materialien, die bei der Einkapselung von integrierten Schaltungen verwendet werden, lassen bei länger andauernden Beanspruchungen ionische Verunreinigungen austreten, beispielsweise Natrium, Silizium und hydroIisierbare Chloride, die die Zuverlässigkeit der Einkapselung herabsetzen. Die Fähigkeit des vorliegenden Bindemittels, solchen Verunreinigungen auch unter länger andauernden Beanspruchungen zu widerstehen, wird im folgenden Test 3 gezeigt.The selection of the constituents of the binder ensures that there is no contamination of the other parts of the circuitry does not occur. Such impurities can impair the function of the built-in by attacking the metallization Affect circuits and cause physical instabilities in the semiconductor device. The well-known organic Materials that are used in the encapsulation of integrated circuits can withstand prolonged exposure Ionic impurities escape, for example sodium, silicon and hydroIisable chlorides, which the Reduce the reliability of the encapsulation. The ability of the present binder to also take such impurities To withstand prolonged stresses is shown in the following test 3.

Test 3; Es wurde ein Versuch bei erhöhter Temperatur und erhöhter Feuchtigkeit an Halbleiterplättchen vorgenommen, die 44 Anschlußstellen enthielten, die durch einen Lötmittelfluß in bekannter Weise mit einem Leitungsrahmen verbunden wurden. Es war das Ziel des Versuchs, ein'e Korrosion und Zerstörung der elektrischen Verbindungen durch Eintauchen in das Bindemittel hervorzurufen. 25 an ihren Leitungsrahmen befestigte Halbleiterplättchen wurden mit dem Bindemittel nach Beispiel 1 eingekapselt. Alle elektrischen Kontakte wurden vor dem Versuch untersucht. Ein fehlerhafter Kontakt wurde jeweils dann angenommen, wenn entweder eine Unterbrechung im elektrischen Kreise oder eine Widerstandserhöhung von 200 Milliohm am betreffenden Anschluß stattfand. Die Schaltungsanordnungen wurden anschließend in eine Klimakammer gebracht, in der sie einer Temperatur von 85 C und einer relativen Feuchte von 85% ausgesetzt waren. Zwischen die Kontakte und das Halbleitersubstrat wurde eine rückwärts gerichtete Vorspannung von 40 V angelegt. Nach 2000 Stunden wurden die Anordnungen aus der Klimakammer genommen und untersucht, wobei sich zeigte, daß sämtliche Anschlüsse in einwandfreiem Zustand waren und bei keinem der 1100 überprüften Anschlüsse eine merklich Widerstandserhöhung auftrat. Die Test 3; An elevated temperature and elevated humidity test was conducted on semiconductor dies containing 44 pads which were connected to a lead frame by a flow of solder in a known manner. The aim of the attempt was to cause corrosion and destruction of the electrical connections by immersion in the binder. 25 semiconductor wafers attached to their lead frames were encapsulated with the binder according to Example 1. All electrical contacts were examined prior to the experiment. A faulty contact was always assumed if there was either an interruption in the electrical circuit or an increase in resistance of 200 milliohms at the relevant connection. The circuit arrangements were then placed in a climatic chamber in which they were exposed to a temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 85%. A reverse bias of 40 V was applied between the contacts and the semiconductor substrate. After 2000 hours, the arrangements were removed from the climatic chamber and examined, it being shown that all connections were in perfect condition and that none of the 1100 connections that were checked showed a noticeable increase in resistance. the

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- ίο - 231 57H- ίο - 231 57H

metallurgische Untersuchung der Kontakte ergab, daß keine wesentliche Reaktion zwischen der Anschlußmetallisierung oder dem Lötmittel und dem Bindemittel stattgefunden hatte. Dieser Versuch zeigte, daß das beschriebene Bindemittel eine ausgezeichnete Langzeitstabilität seiner elektrischen und chemischen Eigenschaften besitzt.metallurgical examination of the contacts revealed that no significant Reaction between the terminal metallization or the solder and the binder had taken place. This experiment showed that the binder described was excellent Has long-term stability of its electrical and chemical properties.

Das im Beispiel 1 beschriebene Bindemittel läßt in seiner Zusammensetzung gewisse Abweichungen zu, ohne daß seine vorteilhaften Eigenschaften, d.h. die mechanische Nachgiebigkeit, die hohe Haftfestigkeit, die gute thermische Leitfähigkeit und die Stabilität der elektrischen und chemischen Eigenschaften, geändert werden. Die relativen Anteile von Metaphenylendiamin können zwischen 55 und 75% und die relativen Anteile.von Methylendianilin zwischen 45 und 25% variiert werden. Eine übermäßige Kristallisierung des Härtemittels und eine Sprödigkeit des sich ergebenden ausgehärteten Harzsystems treten außerhalb dieses Zusammensetzungsbereiches auf. Der relative An- ' teil des aus aromatischen Diaminen bestehenden Härtemittels kann zwischen 20 und 24 Teilen auf 100 Teile des Diglycidyläthers von Bisphenol A geändert werden. Als Füllstoff kann entweder Aluminiumoxyd, Kieselerde oder Zxrkoniumorthosilikat gewählt werden, wobei die Teilchengröße im Bereich zwischen 6 und 12 pm liegen sollte. Der Anteil des anorganischen Füllstoffes kann im Bereich zwischen 50 und 80 Gewichtsprozent des gesamten Bindemittels liegen.The binder described in Example 1 allows certain deviations in its composition without changing its advantageous properties, ie the mechanical flexibility, the high adhesive strength, the good thermal conductivity and the stability of the electrical and chemical properties. The relative proportions of metaphenylenediamine can be varied between 55 and 75% and the relative proportions of methylenedianiline between 45 and 25%. Excessive crystallization of the hardener and brittleness of the resulting cured resin system occur outside of this compositional range. The relative proportion of the hardening agent consisting of aromatic diamines can be changed between 20 and 24 parts to 100 parts of the diglycidyl ether of bisphenol A. Either aluminum oxide, silica or zinc orthosilicate can be selected as filler, the particle size should be in the range between 6 and 12 μm . The proportion of the inorganic filler can be in the range between 50 and 80 percent by weight of the total binder.

Bei der Verwendung von Epoxydharzsystemen für die Einkapselung von integrierten Halbleiterschaltungen sollte die Benutzung von Anhydriden als Härtemittel vermieden werden, da sie die Neigung besitzen, bei erhöhter Temperatur und Feuchtigkeit säurehaltige Gruppen zu bilden. Diese Gruppen reagieren mit den metallischen Teilen der Einkapselung und verursachen dadurch elektrisch Kurzschlüsse. Aromatische Diamine enthaltende Härtemittel haben sich für die Einkapselung von integrierten Schaltungen als geeigneter erwiesen, da sie einen besseren Lösungs-When using epoxy resin systems for encapsulation of integrated semiconductor circuits, the use of anhydrides as hardening agents should be avoided as they cause the Have a tendency to form acidic groups at elevated temperature and humidity. These groups respond with the metallic parts of the encapsulation and thereby cause electrical short circuits. Hardening agents containing aromatic diamines have proven to be more suitable for the encapsulation of integrated circuits, as they provide a better solution

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widerstand, eine bessere Temperaturstabilität und die Fähigkeit, schneller auszuhärten, besitzen. Ein weiterer Vorteil ist die Abwesenheit von restlichen säurehaltigen Gruppen nach dem Härtevorgang und damit die Bildung von stabilen ausgehärteten Materialien. Es wurde jedoch gefunden, daß nur der Diglyeidylather von Bisphenol A und der Glycidylather von Novolakharz in gewünschter Weise mit dem aus aromatischen Diaminen bestehenden Härtemittel zusammenwirken.resistance, better temperature stability and the ability to to harden faster, own. Another advantage is the absence of residual acidic groups after the hardening process and thus the formation of stable hardened materials. However, it has been found that only the diglyeidyl ether of bisphenol A and the glycidyl ether of novolak resin in cooperate in a desired manner with the hardening agent consisting of aromatic diamines.

Beispiel 2: Es wird in diesem Beispiel die Zusammensetzung eines weiteren mechanisch nachgiebigen Bindemittels angegeben. Auf 100 Teile des Glycidyläthers von Novolakharz mit einer Epoxydäquivalenz zwischen 175 und 180 werden zwischen 24 und 25 Teile der eutektischen*Mischung von Metaphenylendiamin und Methylendianilin gegeben. Nach gründlicher Mischung dieses Harzsystems werden 7O Gewichtsprozent eines fein verteilten Füllstoffes aus Aluminiumoxyd hinzugefügt. Es erfolgt dann ein Aushärten für eine Stunde bei 85 C sowie eine weitere Stunde bei 150 °C. Man erhält ein Bindemittel, dessen mechanische Nachgiebigkeit gleich der des im Beispiel 1 beschriebenen Bindemittels ist. Dieses Bindemittel ist somit ebenfalls geeignet zur Befestigung von Siliziumplättchen auf Substraten, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient von dem des Siliziums in erheblichem Maße abweichen kann. Example 2: In this example, the composition of a further mechanically compliant binder is given. For every 100 parts of the glycidyl ether of novolak resin with an epoxy equivalent between 175 and 180, between 24 and 25 parts of the eutectic * mixture of metaphenylenediamine and methylenedianiline are added. After thoroughly mixing this resin system, 70 percent by weight of a finely divided aluminum oxide filler is added. It then cures for one hour at 85 ° C and another hour at 150 ° C. A binder is obtained whose mechanical flexibility is the same as that of the binder described in Example 1. This binding agent is therefore also suitable for fastening silicon wafers to substrates, the coefficient of thermal expansion of which can differ considerably from that of silicon.

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Claims (6)

PA-TENTAN-S P RÜ C HE PA - TEN TAN-S P RÜ C HE ί 1. ) Mikrominiaturisierte Schaltungsanordnung, bei der ein ^~^^ Halbleiterplättchen mit Hilfe eines Bindemittels auf einem Substrat befestigt ist? dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein Epoxydharz und ein Härtemittel aus aromatischen Diaminen, die im angenähert stöchiometrischen Verhältnis miteinander vermischt sind, sowie einen fein verteilten anorganischen Füllstoff, dessen Anteil zwischen 50 und 80 Gewichtsprozent des Bindemittels beträgt, enthält. ί 1.) Microminiaturized circuit arrangement in which a ^ ~ ^^ semiconductor wafer is attached to a substrate with the help of a binding agent? characterized in that the binder contains an epoxy resin and a hardening agent made from aromatic diamines, which are mixed together in an approximately stoichiometric ratio, and a finely divided inorganic filler, the proportion of which is between 50 and 80 percent by weight of the binder. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Härtemittel 55 bis 75% Metaphenylendiamin und 45 bis 25% Methylendianilin enthält.2. Circuit arrangement according to claim. 1, characterized in that that the hardener contains 55 to 75% metaphenylenediamine and 45 to 25% methylenedianiline. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2S dadurch gekennzeichnet , daß das Bindemittel ein Epoxydharz aus der Gruppe bestehend aus dem Diglycidyläther von Bisphenol A oder Glycidylather von Hovolakhars enthält.3. Circuit arrangement according to claim 1 or 2 S, characterized in that the binder contains an epoxy resin from the group consisting of the diglycidyl ether of bisphenol A or glycidyl ether of Hovolakars. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,-4. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 3, - dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel einen Füllstoff aus der Gruppe bestehend aus Äluminiumoscyd Kieselerde oder Zirkoniumorthosilikat enthält»characterized in that the binding agent contains a filler from the group consisting of aluminum osmium " silica or zirconium orthosilicate" 5. Schaltungsanordnung nach eimern der Ansprüche I bis 4a dadurch gekennzeichnet, daß- das Bindemittel 20 bis.24 Teile einer ©mtektlsoSiea Mischung aus Metaphenylenöiamin" und Methylentdianilia auf 100 Teile" Diglycidylather von Bisphenol A sowi© einea anorganischen Füllstoff aus
Äluminiumoxydi Kieselerde oder Sirkonimmorthosilikat" mit 50 bis 80■Gewichtsproaent äes Bindemittels enthält,
5. Circuit arrangement according to buckets of claims I to 4 a, characterized in that the binder 20 to 24 parts of a © mtektlsoSiea mixture of Metaphenylenöiamin " and Methylentdianilia to 100 parts" diglycidyl ether of bisphenol A as well as © einea inorganic filler
Äluminiumoxydi silica or Sirkonimmorthosilikat "with 50 to 80 ■ Gewichtsproa ent äes binder contains
«972 001 3098S1/01S«972 001 3098S1 / 01S
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel 24 bis 25 Teile einer eutektischen Mischung aus Metaphenylendiamin und Methylendianilxn auf 100 Teile Glycidyläther von
Novolakharz mit einer Epoxydäquivalenz von 175 bis sowie einen anorganischen Füllstoff mit 50 bis 80 Gewichtsprozent des Bindemittels enthält.
6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the binder 24 to 25 parts of a eutectic mixture of metaphenylenediamine and methylenedianilxn to 100 parts of glycidyl ether
Novolak resin with an epoxy equivalent of 175 bis and an inorganic filler with 50 to 80 percent by weight of the binder.
WA 972 °01 309851/0760 WA 972 ° 01 309851/0760 Le e rs.e i teLe e rs.e i te
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