DE2450928A1 - Glaslotzusammensetzung und verwendung derselben bei einer verkapselungseinrichtung - Google Patents

Glaslotzusammensetzung und verwendung derselben bei einer verkapselungseinrichtung

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DE2450928A1
DE2450928A1 DE19742450928 DE2450928A DE2450928A1 DE 2450928 A1 DE2450928 A1 DE 2450928A1 DE 19742450928 DE19742450928 DE 19742450928 DE 2450928 A DE2450928 A DE 2450928A DE 2450928 A1 DE2450928 A1 DE 2450928A1
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glass solder
ceramic
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solder composition
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Earl Klimer Davis
Kent Wendrich Hansen
Duane Charles Silvis
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Motorola Inc
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Description

PaTENTaNWÄ-.Tc
DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH
Dipl. -Ing, Ernst Rathmann
8 Mönchen 7i, den 26. Okt. 1974
MelchlontriB· 42
MelnZelch.n: MO 1 77P-1
Motorola, Inc.
5725 East River Road
Chicago, Illinois 60631
USA · i
Glaslotzusammensetzung und Verwendung derselben bei einer Verkapselungseinrichtung
Die Erfindung betrifft Glaslotzusammensetzungen sowie Verfahren zur Verwendung derselben zur Verkapselung integrierter Schaltkreise oder anderer Festkörperanordnungen in keramischen Umhüllungen.
Viele integrierte Schaltkreis anordnungen oder andere Festkörperanordnungen werden in keramischen Umhüllungen eingekapselt oder verpackt, die aus zwei Schichten keramischen Materials bestehen, welche mittels eines Glaslots aneinander befestigt sind. Dichtungen geeigneter Stärke und Dichtigkeit wurden in der Vergangenheit durch Verwendung relativ hoher Temperaturen und'Glaslote gebildet, die bei der Abdichtung entglasten» Die Entglasung erfordert eine erhebliche
Ho/mü . Zeit-
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Zeitdauer bei einer geeigneten Temperatur, beispielsweise 15 Minuten bei 450 bis 500 C. Mit der Entglasung wurden Gläser hergestellt, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten zu denen der Keramikstücke bzw. -schichten paßten.
Zusätzlich zu der für das Abdichten mit Glas erforderlichen Zeit war beispielsweise das Montieren der integrierten Schaltung oder einer anderen Festkörpereinrichtung auf einem Leitungsrahmen und das · Montieren dieser Kombination auf einer der Keramikschichten infolge der erforderlichen durchzuführenden Drahtverbindungen zeitraubend und teuer. Die erforderliche Zeitdauer eröffnete zumindest die Möglichkeit der Bildung unerwünschter intermetallischer Verbindungen, wie beispielsweise der als Purpurpest(purple plague) bekannten Gold-Aluminium-Intermetallic-Verbindung.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, verbesserte Glaslote sowie Verfahren zur Verwendung derselben unter Ausschaltung der Nachteile bekannter Lote zu schaffen. Dabei sollen die verbesserten Glaslote nicht entglasend sein und eine erheblich reduzierte Zeit zur Bildung einer Abdichtung mit Keramikstücken erfordern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß wird eine Glaslotzusammensetzung geschaffen, die aus einer Kombination von Glaslot mit Zirkoniumsilikat mit einem prozentualen Anteil von 50 bis 62 % Glaslot und 50 bis 38 % Zirkoniumsilikat (ZrSiO.) besteht, wobei sich der Anteil des Glaslots aus folgenden Komponenten zusammensetzt: SiO ungefähr 0 bis 2 %, PbO ungefähr 60 bis 72 %, ZnO ungefähr 5 bis 10 %, PbF3 ungefähr .2 bis 10 %, CdO ungefähr 1 bis 5 %,
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3.
TiOn ungefähr 0, 5 bis 3 % und B00„ ungefähr 10 bis 14 %.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die oben angegebene erfindungsgemäße Glaslotzusammensetzung zur Erzielung einer Dichtung zwischen zwei Keramikplatten bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 500 C unter einem Druck im Bereich von 0, 7 bis
2 ■
3,5 kg pro cm und während einer Zeit zwischen 1 und 10 Sekunden verwendet.
Die Glaslotzusammensetzung, die aus einer Mischung von ein Dichtungsglas darstellenden Komponenten mit einem inerten Material besteht, welches den erwünschten Temperaturausdehnungskoeffizienten und die erwünschte Festigkeit ohne Entglasung des Dichtungsglases zur Folge hat, besitzt eine verminderte Flußcharakteristik des kombinierten Materials. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Anwendung relativ kleiner Kräfte oder Drücke auf die Keramikstücke, nachdem das Glaslot zwischen diesen angeordnet wurde, zur Bildung der erwünschten Dichtung führt, wobei die Glaslotzusammensetzung unter dem angelegten Druck so fließt, wie es zur Erzielung dieses j gewünschten Ergebnisses erforderlich ist. ■ I
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden j Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden drei Figuren. Es zeigen: ·
Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Anwendungsverfahrens;
Fig. 2 eine Schnittansicht der die Erfindung .verwendenden Vorrichtung in einem fortgeschrittenen Zustand des Betriebsablaufs und
- 3 - Fig.
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Leitungsrahmens, der bei
der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet
wird.
In den Figuren sind eine Vorrichtung und ein Aufbau gezeigt, mit denen
die neue Zusammensetzung des Dichtungsglasmaterials in erfindungsgemäßer Weise zur Verkapselung oder Verpackung integrierter Schalt- I
kreise oder anderer Halbleiteranordnungen verwendet wird. Die Vor- :
i richtung 10 enthält ein oberes Formteil 11, einen oberen Stempel 12, ]
ein unteres Formteil 13 und einen unteren Stempel 14, die in noch zu ;
beschreibender Weise zur Abdichtung von Keramikteilen, bestehend aus J
einer Grundplatte 15 und einem Deckel 16 und Leitungen 17 eines Leitung^- ·
rahmen 18, zusammenwirken. I
Bei einem Verfahrens schritt wird eine integrierte Schaltung oder ein 1
Halbleiter-Chip 19 an einer Fahne 21 befestigt (Fig. 2 und 3); die Fahne j
21 schließt eine Leitung 22 (Fig. 3) ab und ist Teil dieser Leitung, die ι
ihrerseits Teil des Leitungsrahmens ist. Drahtverbindungen 23, beispiels- -
weise aus Golddraht, sind von Kontaktstücken auf dem Halbleiter-Chip 19 '.
zu Enden von Kontaktfingern geführt, die die Leitungen 17 darstellen.
Die gestrichelte Linie 24 in Fig. 3 schließt den Teil der Kontaktfinger ein, ;
der zurückbleibt, nachdem die Verkapselung stattgefunden hat und der
übrige Teil des Leitungsrahmens in ersichtlicher Weise abgetrennt wurde.
Das Halbleiter-Chip 19 kann an der Fahne 21 und die Drahtverbindungen
23 können an dem Chip und den Kontaktfingern in einer Reihe aufeinanderfolgender Schritte befestigt bzw. angeschlossen werden, bevor die Verkapselung oder Verpackung stattfindet.
Die keramische Grundplatte 15, die typischerweise aus Tonerde (Aluminiumoxyd Al O J hergestellt sein kann, enthält auf ihrer Oberseite eine Schicht 25
der erfindungsgemäßen Dichtungsglas zusammensetzung. In ähnlicher Weise
- 4 - besitzt
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besitzt der keramische Deckel 16 auf seiner Unterseite eine Schicht 26 des erfindungsgemäßen Dichtglases. Der Deckel 16 weist eine Ausnehmung 27s auf, die sich von seiner Unterseite nach innen erstreckt und beim Abdichtungsvorgang die Metallfahne 21, das Halbleiter-Chip 19 und die Drahtverbindungen 23 aufnimmt.
Zur Durchführung des Dichtungsvorgangs wird die Grundplatte 15 mit der auf ihr befindlichen Schicht 25 aus Dichtglas in eine Öffnung 28 im unteren Formteil 13 gebracht und das Formteil mittels geeigneter Heizeinrichtungen auf eine Temperatur zwischen 400 und 500 C gehalten. Die Heizeinrichtungen können beispielsweise in den länglichen Aushöhlungen 29 angeordnet sein. Der Leitungs rahmen 18 mit dem auf der Fahne 21 befestigten Halbleiter- · Chip 19 wird mittels geeigneter Einrichtungen passend über der Grundplatte 15 angeordnet; hierfür dienen beispielsweise Zentrierzapfen 32 und diese aufnehmende Löcher 31. Das obere Keramikstück bzw. der Deckel 16 mit der auf ihm befindlichen Schicht 26 aus Dichtglas wird in einer Öffnung 33 im oberen Formteil 11 angeordnet, das ebenfalls mittels geeigneter Heizeinrichtungen in. länglichen Aushöhlungen 34 auf einer Temperatur zwischen 400° und 500°C gehalten wird.
Der untere Stempel 14 befindet sich in einer Öffnung 28, während der obere Stempel 12 in einer Öffnung 33 angeordnet ist; das obere und das untere Formteil 11 bzw. 13 werden zusammengebracht und in geeigneter Weise, beispielsweise mittels Stiften 36 am unteren Formteil 13 und diese aufnehmenden Löcher 35 im oberen Formteil zentriert. Die Keramikstücke (Grundplatte und Deckel 16) werden auf diese Weise gegen die untere bzw. obere Oberfläche der Leitungen 17 des Leitungsrahmens gehalten und können für ungefähr 5 bis 60 Sekunden bei der vorgeschriebenen Temperatur glühen. Danach
wird mittels eines nicht dargestellten Hydraulikstempels für ungefähr 1 bis 10 Sekunden auf die Stempel 12 und 14 eine Kraft ausgeübt. Diese Kraft kann beispielsweise durch Aufbringen von 0, 9 bis 9, 0 kg auf ein Keramikstück mit einer Fläche von 0, 6 χ 1,8 cm erzielt werden, wodurch sich ein Druck
- 5 - , von
. · ! - - 11 ■■ ■■*■ ■ . I ;
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2 '
von etwa 0, 7 bis 3, 5 kg pro cm ergibt. Nach Ausüben der Kraft während einer Zeit von ungefähr 1 bis 10 Sekunden werden die Formteile getrennt und das zusammengesetzte Teil gekühlt und entfernt.
,1
Die Darstellung der Keramikstücke (Grundplatte 15 und Deckel 16), des Halbleiter-Chips 19 und der Drahtverbindungen 23 zusammen mit dem Leitungsrahmen 18 in Fig. 2 entspricht dem Zeitpunkt, zu dem die Formteile zusammengesetzt wurden, um den Schritt der Kraftausübung auf die Keramikteile auszuführen. Die Formteile 11 und 13 sind daher in einer Weise dargestellt, in der sie an den Oberflächen des Leitungsrahmens 18 anliegen, während die Stempel 12 und 14 am Deckel 16 bzw. der Grundplatte 15 anliegen. · * ·
Ein kritischer Punkt der vorliegenden Erfindung ist die Zusammensetzung des Glases, das die Schichten 25 und 26 bildet und zur Erzielung einer kurzen Abdichtungszeit von 1 bis 10 Sekunden bei den angegebenen Temperaturen geeignet sein soll. Es ist notwendig, daß das Glas während des Dichtvorgangs im wesentlichen glasartig bleibt.
Das Glaslot gemäß der Erfindung enthält eine Mischung von Dichtglas bestandteilen mit Zirkon (Zirkoniumsilikat, ZrSiO.).
Die Bestandteile des Dichtglases sind in der Tabelle I nach ihrer chemischen Formel, dem Bereich ihrer Gewichtsprozente, dem bevorzugten Anteil in Gewichtsprozenten, dem Namen des Materials und dem Gewicht in Gramm für ein bestimmtes Quantum ausgewiesen.
- 6 - Tabelle I
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Gewichts
prozente
(Bereich)		 Tabelle I Verwendetes
Material		 Gewicht (g) 90,0
Chem.
Form.		 0-2 Gewichts
prozente
(bevorzugt)		 Pennsylvania Silica
Sand		 10,0 50,0 ;
SiO2 65-72 1,0 Bleiglätte (Hammond
150Y)		 650,0 20,0
PbO 70,0 Bleirot (Hammond UHP) 50, 9 10,0
5-10 Zinkoxyd (Kadox 215) 213,1
ZnO 2-10 9,0 Bleifluorid
PbF2 1-5 5,0 Cadmiumoxyd
CdO 0.5-3 2,0 Titanoxyd
TiO2 10-14 ι,ο Borsäure (H BO J
B2°3 12,0
1094, 0
Für die bevorzugte Form des Dichtglases wurden die Komponenten des Quantums in Gramm gewogen, vermischt und nach der Vermischung bei 900 C in einem Platinschmelztiegel geschmolzen. Nach dem Schmelzen wurde die Schmelze durch Rühren homogenisiert und das geschmolzene Glas zur Bildung einer Fritte in endionisiertes Wasser gegossen. Die Fritte wurde daraufhin in einer Kugelmühle während einer Zeitdauer von beispielsweise ca. zwei Stunden gemahlen und dann mittels eines 150-Maschen-Siebes (150 Maschen pro 2,54 cm) gesiebt. Die erhaltene gesiebte Fritte wurde mit Zirkon (Zirkoniumsilikat ZrSiO ) gemischt, welches durch ein 325-Maschensieb gesiebt wurde; die erhaltene Mischung wurde in einer Kugelmühle während einer gewissen Zeitdauer von beispielsweise einer Stunde gemahlen.
Die untersuchten Volumenprozente von Glas und Zirkon sind in Tabelle F ausgewiesen, wobei der prozentuale Volumentanteil von Glas von 50 bis 62 %
und
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COPY
•f.
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und derjenige von Zirkon von 50 bis 38 % variieren; die bevorzugte Mischung 'j besteht aus 56 % Glas und 44 % Zirkon.
Tabelle II
Untersuchte Volumenprozente von Glas und Zirkon einer Glas - Zirkon-Mischung
Glas 50 56 62
Zirkon 50 44 38
Die Mischung des in einer Kugelmühle gemahlenen Glases und Zirkons wurde mit einem geeigneten Binde- und Lösungsmittel oder Träger zur Bildung eines Schlammes vermischt. Der Schlamm wurde im Siebdruckverfahren auf die geeigneten Oberflächen der Keramikstücke (Grundplatte 15 und Decke 16)
ο
aufgebracht und bei ungefähr 100 C während einer geeigneten Zeitdauer von beispielsweise etwa 1 bis 2 Stunden getrocknet. Danach wurden die getrock-" neten Stücke auf etwa 300 bis 35o C für beispielsweise 15 bis 45 Minuten erhitzt, um zurückgebliebenes Lösungsmittel auszutreiben. Die Glasmischung wurde in einer Dicke zwischen 0,13 und 0, 25 mm auf die Keramikoberflächen aufgebracht. Nach Austreiben des Lösungsmittels wurden die Keramikstücke bei 460 bis 480 während einer Dauer von beispielsweise 2 bis 10 Minuten gebrannt, um das Glas zu glasieren. Danach konnten sie sich abkühlen und waren in einem Zustand für die Verwendung bei dem beschriebenen Abdichtungs· Vorgang.
Da der Leitungerahmen 18 die Fahne 21 enthält, kann das Halbleiter-Chip 19 direkt an ihm anstelle an der keramischen Grundplatte 15 befestigt werden,
- 8 - wie
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wie dies bei herkömmlichen Umhüllungen der Fall ist. Daher ermöglicht die Erfindung, die dichte Verbindung zwischen der Grundplatte 15 und dem Deckel 16 während der letzten Stufen des Zusammenfügens vorzunehmen und den Verzicht auf das Einbetten der Leitungen in die Grundplatte 15 während der Befestigung des Halbleiter-Chips, wie dies gegenwärtig getan wird.
Es wurde bereits erwähnt, daß die kritischen Merkmale der Erfindung in den Glasschichten 25 und 26 liegen. Zur Erzielung einer kurzen Dichtzeit von 1 bis 10 Sekunden, wie bereits beschrieben, ist ein Glas erforderlich, das während des Dichtungs- bzw. Verschmelz- oder VerkapselungsVorgangs im wesentlichen glasartig bleibt und sich für eine Mischung mit Zirkon eignet. Das beschriebene Glas sollte entsprechend den thermischen Differenzanalysen entglasen. Die exotherme Spitze, die der Kristallisation entspricht, ist jedoch breit und nicht groß, verglichen mit bekannten Glas- j loten. Daher ist der Kristallisätions- oder Entglasungsgrad während des I kurzen Dicht- bzw. Verschmelzvorgangs sehr klein, wenn überhaupt vorhan- J den. Es ist möglich, das erfindungsgemäße Verfahren mit einem entglasen- ' den Glas durchzuführen; zur Erzielung einer optimalen Entglasung müssen die Teile jedoch einige Minuten in der Form bei Kristallisätions- oder Entglasüngstemperatur geglüht werden oder einer nachfolgenden Behandlung unterzogen werden. Daher werden, wie bereits beschrieben, glasartige Gläser mit den keramischen Zusätzen bevorzugt.
Die physikalischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Glases sind in Tabelle III aufgeführt.
Tabelle III
Physikalische Eigenschaften des Dichtglases ohne Zirkon
Glühpunkt 1+ 309°C
Thermischer Ausdehnungs- „
koeffizient (durchschnittl. 25-250°C) 107 χ 10 /0C
Dichte 6,43 g/ccm
1+ bestimmt durch die thermische Differenzanalyse
- 9 - Der
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•4©
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Der Bruchmodul (BM) der gebrannten Proben der in Tabelle II aufgeführten Mischungen wurde gemessen und ergab sich wie folgt:
Tabelle IV (
2 i
Bruchmodul (in kg pro cm ) der Mischungen aus Dicht- [
glas und Zirkon von Tabelle II j
Material Brennbedingungen Glas-Zirkon-Mischung von Tabelle II . {
ill j
450°C, 15 Min. 0,766 0,745 0,634
Der Bruchmodul wurde unter Verwendung einer Instron-Testeinheit mit
einer Vierpunkt zuführ spannvorrichtung gemessen. Eine konstante Zuführgeschwindigkeit von 0, 05 cm pro Sekunde wurde benutzt. Stangen von ungefähr 6, 3 cm Länge und 0, 6 χ 0, 6 cm wurden trockenjgepreßt und bei der
in Tabelle IV angegebenen Temperatur gebrannt.
Das mit Zirkon zusätzen versehene Glas erwies sich als erheblich stärker
als die gegenwärtig beputzten Glaslote. Die höhere Festigkeit trägt zu einer
erhöhten Integrität der Glasdichtung bei, da höhere Beanspruchungen aus
thermischen Fluktuationen und mechanischen Schocks erforderlich sind, um
die Glas-Zirkonmischungen zu brechen^ als dies bei anderen Glasloten der
Fall ist. ' !
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der in Tabelle II aufgeführten Mischung
wurde unter Verwendung eines automatisch aufzeichnenden Dehnungsmessers
verwendet. Die Testproben bestanden aus Stangen von 2, 5 cm Länge, die j
unter den in Tabelle V aufgeführten Bedingungen- gebrannt wurden. I
- 10 - Tabelle V I
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■ ΙΊ
4i
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Tabelle V
Thermischer Ausdehnungskoeffizient {<£) der Glas-Zirkon-Mischungen von Tabelle II
oC χ 10'7/°C (25°C bis 250°C)
Mischung Hitzebehandlung gemessen
1 ' 450°C während 15 Min. 60
2 465°C während 15 Min. 61
440°C während 15 Min. 60
3 450 C während 15 Min. 68
400°C während 30 Min. 69
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Keramikstücke (Bodenplatte 15 und Decke 16) aus Tonerde betrug 64 χ 10" / C. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Glaslotmischungen und die Keramikstücke 15 und 16 thermische Koeffizienten aufweisen, die eng beeinanderliegen. Hierdurch wird eine Beanspruchung infolge einer Fehlanpassung der thermischen Ausdehnung minimalisiert, was eine Umhüllung bzw. Verpackung zur Folge hat, die mit weniger Ausfällen bzw. Fehlern größere Wärmeschwankungen übersteht.
Das beschriebene Verfahren zum Zusammenfügen von Keramikteilen mit einer sehr kurzen Zykluszeit erzielt die erwünschten Ergebnisse mittels Heißpressens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Glas-Zirkonmis chungen.
Die Vorteile des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Materialien sowie der sich daraus ergebenden Umhüllungen bzw. Verpackungen liegen in einer verbesserten elektrischen Vollständigkeit und in verminderten
. - 11 - inter-
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intermetallischen Reaktionen infolge der sehr kurzen Dicht- bzw. Verschmelzzeiten; das erfindungsgemäße Dichtverfahren eignet sich sehr gut für die Automation und hat daher niedrigere Packungskosten zur Folge. Das Glaslotmaterial ist stärker als gegenwärtig verwendete Materialien, das Glaslot besitzt einen für Keramikumhüllungen bzw, -Verpackungen ver-
besserten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ist widerstandsfähiger gegenüber chemischen Lösungen, die beim Elektroplattieren verwendet werden.
- 12 - Patentansprüche
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Claims (2)

MO177P-1240 Patentansprüche
1. Glaslotzusammensetzung, bestehend aus einer Kombination von Glaslot mit Zirkoniumsilikat, gekennzeichnet durch einen Anteil von 50 bis 62 % Glaslot und einen Anteil von 50 bis 38 % Zirkoniumsilikat (ZrSiO4), wobei die Komponenten des Glaslots in Prozenten vom Glaslotanteil sind: SiO0 ungefähr 0 bis 2 %, PbO ungefähr 65 bis 72 %, ZnO ungefähr 5 bis 10 %, PbF3 ungefähr 2 bis 10 %, CdO ungefähr 1 bis 5 %, TiO3 ungefähr 0,5 bis 3 % und B0O0 ungefähr 10 bis 14 %.
2. Glaslotzusammensetzung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende prozentuale Zusammensetzung des Glaslots: SiO0 ungefähr 1 %, PbO ungefähr 70 %, ZnO ungefähr 9 %, PbP0 ungefähr 5 %, CdO ungefähr 2 %, TiO- ungefähr 1 % und B0O0 ungefähr 12%.
3. Glaslotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch ungefähr 50 % Glaslot und ungefähr 50 % ZrSiO4.
4. Glaslotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder Z, gekennzeichnet durch ungefähr 56 % Glaslot und 44 % ZrSiO4.
5. Glaslotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch ungefähr 62 % Glaslot und 68 % ZrSiO..
6. Glaslotzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einein Verfahren zur Erzielung einer Dichtung zwischen zwei Keramikstücken bei einer Temperatur
ORIGINAL INSPECTED
5098.18/1 19S
MOl 77P-1240
im Bereich von 400 bie 500 C, unter einem Druck im Bereich vbk !' '!;!|
2 ■ '
0, 7 bie 3, 5 kg pro cm während einer Zeitdauer im Bereich von 1 bis 10 Sekunden.
'! i
OBlSlN INSPECTED 509&18/1195
L e e r s e i t e
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