DE2425626A1 - Flachgepackte verkapselte festkoerperbauelemente - Google Patents

Flachgepackte verkapselte festkoerperbauelemente

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DE2425626A1 DE19742425626 DE2425626A DE2425626A1 DE 2425626 A1 DE2425626 A1 DE 2425626A1 DE 19742425626 DE19742425626 DE 19742425626 DE 2425626 A DE2425626 A DE 2425626A DE 2425626 A1 DE2425626 A1 DE 2425626A1
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    • H01L2924/09701—Low temperature co-fired ceramic [LTCC]

Description

  • Flachgepackte verkapselte Festkörperbauelemente Die Erfindung betrifft flachgepackte, in Glaskeramik verkapselte Festkörperbauelemente, insbesondere Halbleiterbauelemente, die machanisch fest mit dem Substrat verbunden sind und die aufgrund ihrer Bauweise in mehreren Lagen als ~Multilayer" ausgeführt werden können.
  • Die Verkapselung von Halbleiterbauelementen sowie von integrierten Schaltungen zum Schutz gegen äußere Einflüsse ist hinlänglich bekannt. So wird z.B. in der DT-AS 1 279.798 eine flachgepackte integrierte Schaltung beschrieben, die nach einem Verfahren hergestellt wird, bei dem zunächst die Zuleitungen mit den Anschlußstellen der integrierten Schaltung verbunden werden, die integrierte Schaltung zwischen einer oberen und einer unteren Bedeckung mit mindestens einer Schicht aus hochschmelzendem glasartigem Material untergebracht wird und mit Ausnahme der nach außen reichenden Enden der Zuleitungen mit einer niedrigschmelzenden glasartigen Substanz umgeben wird, die nach einer Wärmebehandlung zum Zwecke des Schmelzens und Aushärtens eine vollständige Umhüllung und Verbindung zwischen den hochschmelzenden Glasteilen und der integrierten Schaltung herstellt.
  • Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer hermetisch eingeschlossenen Halbleiteranordnung bekannt (DT-AS 1 186 951), nach der der Halbleiterkörper auf einer isolierenden Fläche des Trägerplättchens mit einem isolierenden Klebstoff befestigt wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient in der gleichen Größenordnung wie derjenige des Halbleiterkörpers und der ihn tragenden Fläche liegt und der gegen die am Halbleiterkörper durchgeführten Verfahrensmaßnahmen unempfindlich ist.
  • Ein glasumhülltes Halbleiterelement ist auch aus der GB-PS 721 201 bekannt. Dort wird ein Halbleiterelement in einer glasigen Verkapselung eingehüllt, die aus Glasmasse besteht und bei der die Verbindung zwischen dem Halbleiterelement und dem Anschluß durch diese Glasmasse und einen speziellen Abdichttropfen bewirkt wird.
  • In der DT-OS 1 589 026 ist außerdem ein glasumhüllter, eine oder mehrere integrierte Schaltungen in Dünnfilmtechnik enthaltender elektrischer Baustein bekannt, bei dem ein Schaltungsfilm von einem Glasmantel umgeben ist, der von einem den Schaltungsfilm aufnehmenden Glassubstrat und zwei Glas schichten gebildet ist.
  • Neben den Glasverkapselungen sind auch Verkapselungen aus Kunststoff bekannt. Der Zweck dieser Maßnahmen ist immer derselbe: Schutz des Bauelementes bzw. der daraus hergestellten Schaltungen gegen äußere Einflüsse. Damit ergeben sich aber an die Verkapselung im Hinblick auf den Verwendungszweck des Halbleiterelementes bestimmte Anforderungen. Zum einen muß die Umhüllung, wenn sie#entsprechenden Schutz gegen äußere Einwirkungen wie Schlag oder Stoß geben soll, eine bestimmte Festigkeit besitzen. Zum anderen machen sich bei der hermetischen Abdichtung Nachteile im Hinblick auf ungünstige thermische Eigenschaften bemerkbar. Es bedarf spezieller Maßnahmen, um eine Kühlung zu bewirken. Das wiederum erfordert erheblichen konstruktiven Aufwand, der sich dann in den Kosten niederschlägt. Ein dritter wesentlicher Punkt ist die Raumerfüllung, die bei der Herstellung von sogenannten Multichip-Schaltungen eine Rolle spielt.
  • So ist zwar aus der DT-PS 1 180 067 ein Verfahren zum Kontaktieren von Halbleiteranordnungen und zum Anbringen von Zuleitungen bekannt, bei dem die einzelnen Halbleiteranordnungen in die Aussparungen von Isolierplatten versenkt werden. Die Gesamtanordnung ist damit flach, es fehlt aber der Schutz gegen äußere Einflüsse und die verbesserte Wärmeabfuhr.
  • Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Halbleiterbauelemente so zu verkapseln, daß sie durch ihren Einbau mechanisch fest mit dem Substrat verbunden sind und daß gleichzeitig eine gute Wärmeableitung gegeben ist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannte Erfindung gelöst.
  • Während Multichip-Schaltungen mit Beamlead-Elementen in der Regel auf mit Leiternetzwerken versehenen Keramiksubstraten mit der aktiven Seite nach unten aufgebondet werden, werden nach der Erfindung die Bauelemente im Keramiksubstrat mit der aktiven Seite nach oben versenkt und nach dem Herstellen einer Bondverbindung zwischen den Kontaktflächen des Bauelements und den Anschluß leitern des Keramiksubstrats in Glaskeramik eingeschmolzen, so daß eine sehr flache Schaltung entsteht, die gegen äußere Einflüsse geschützt ist und gute Wärmeableitung besitzt. Außerdem besteht die Möglichkeit, eine Gesamtanordnung in mehreren Lagen übereinander platzsparend als Multilayer auszuführen.
  • In der Fig. 1 wird ein Schnitt durch ein erfindungsgemäß verkapseltes Halbleiterbauelement gezeigt. Dabei sitzt das Halbleiterplättchen 1 mit seiner aktiven Seite 2 nach oben in dem Keramiksubstrat 4 und ist bei 6 an den Anschlüssen 3 auf die die Substratrnetallisierung 7 gebondet. Die Anschlüsse 5 und das Halbleiterplättchen 1 sind dabei in Glaskeramik 5 eingehüllt.
  • Wesentlich ist bei dem erfindungsgemäßen verkapselten Halbleiterbauteil die Verwendung von Glaskeramik als Verkapselungsmaterial. Dabei ist die Auswahl so zu treffen, daß die Glaskeramik unter 4500C schmilzt, vorzugsweise unter 3700C, und daß der Ausdehnungskoeffizient 50 - 80 ~ 10 -7 beträgt. Eine Glaskeramik, die diesen Anforderungen entspricht, besitzt die folgende Zusammensetzung: 76,5 Gew.-Teile PbO, 10 Gew.-Teile ZnO, 9 Gew.-Teile B203, 1 Gew.-Teil Al203, 1 Gew.-Teil SiO2, 1,5 Gew.-Teile Ba(N03)2 bzw.O,9 Gew.-Teile 13a0.
  • Von Bedeutung ist außerdem der Zusatz von bestimmten Mineralien wie Cordierit oder Zirkoniumsilikat, die sich in der Glaskeramik in nicht nennenswertem Maße lösen, als Füllmittel, da hierdurch eine Beschleunigung der Kristallisation und als Folge davon eine feinere Verteilung der Kriställchen erreicht wird. Das ist in doppelter Hinsicht vorteilhaft. Zum einen bleiben glasige und kristalline Bereiche erhalten, die für die Restströme von Bedeutung sind, zum anderen verleiht die fein verteilte Kristallisation der Glaskeramik höhere Festigkeit.
  • Weitere geeignete Füllstoffe sind SiO2-Modifikationen wie z.B.
  • amorphes Quarzglas, Cristobalit oder Tridymit. Sie können für sich oder gemischt mit den erstgenannten Füllstoffen verwendet werden.
  • Ein weiterer Vorteil der nach der Erfindung verkapselten Halbleiterbauelemente liegt in der guten Kühlung der aktiven Zone über die Glaskeramik, so daß sich zusätzliche Kühlvorrichtungen erübrigen.
  • Aus der besseren Abführung der Wärme folgt wiederum die Herabsetzung der Sperrschichttemperatur und eine höhere thermische Belastbarkeit des Halbleiterelementes.
  • 5 Patentansprüche 1 Fig.

Claims (5)

Patentansprüche
1. Flachgepackte verkapselte Festkörperbauelemente, bei denen das einzelne Bauelement mit seiner aktiven Seite nach oben in der Vertiefung eines mit Anschluß leitern versehenen Substrats eingelassen ist, die Kontaktflächen des Bauelements mit den Anschluß leitern in einer Ebene liegen und mit diesen durch Bonden verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausfüllen der Hohlräume und zum Bedecken der Oberfläche Glaskeramik aufgebracht wird.
2. Festkörperbauelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umhüllende Glaskeramik einen Schmelzpunkt unter 4300C besitzt und ihr Ausdehnungskoeffizient bei 50 - 80 ~ 10 7 liegt.
3. Festkörperbauelemente nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik aus 76,5 Gew.-Teilen PbO, 10 Gew.-Teilen ZnO, 9 Gew.-Teilen 3203i 1 Gew.-Teil A1203, 1 Gew.-Teil SiO2, 1,5 Gew.-Teilen Ba(N03)2bzw. 0,9 Gew.-Teilen BaO besteht.
4. Festkörperbauelemente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskeramik als Füllstoffe zugesetzt sind: niedrigdehnende Mineralien wie Cordierit oder Zirkoniumsilikat, di#e sich in der Glaskeramik nicht in nennenswertem Maß lösen, SiO2-Modifikationen wie amorphes Quarzglas, Cristobalit oder Tridymit oder Gemische der genannten Stoffe.
5. Festkörperbauelemente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrößenverteilung der Füllstoffe im Bereich von 5 um bis 100 um dergestalt ist, daß sich in der Glaskeramik eine möglichst dichte Packung der Füllstoffkörner untereinander ergibt.
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