DE2557948A1 - Halbleitervorrichtung sowie ihr herstellungsverfahren - Google Patents

Halbleitervorrichtung sowie ihr herstellungsverfahren

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Description

  • Haibleitervorrichtung sowie ihr Herstellungsverfahren Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung sowie ihr Herstellungsverfahren.
  • Das bei den miteinander verbundenen Teilen von Halbleitervorrichtungen verwendete Lötmittel, das beispielsweise eine Zusammensetzung von Pb : Sn = 90 - 95 : 5 - 10 (Gewichtsverhältnis) aufweist, unterliegt aufgrund des Einflusses von Luftfeuchtigkeit o dgl. bei der Verwendung Uber mehrere Jahre einer allmählich fortschreitenden Korrosion. Die elektrischen Eigenschaften derartiger Haibleitervorrichtungen werden infolgedessen aufgrund der schlechten Leitfähigkeit, der Korrosion des Lötmittels sowie der leitenden Schichten o.dgl. entsprechend verschlechtert.
  • Als korrosionsschützende Filme für die Lötmittelschicht wurden bisher Silikonharze o.dgl. verwendet. Im Falle von Haibleitervorrichtungen mit korrosionsschützenden Filmen beispielsweise aus Silikonharzen tritt dennoch eine allmähliche Korrosion der Lötmittelschicht ein, wodurch entsprechend schlechte Leitfähigkeit und Korrosion der Lo~tmittelschicht sowie der leitenden Schichten o dgl. auftreten, und eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der Halbleitervorrichtung ist entsprechend unvermeidbar, da das Harz selbst hohe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit besitzt oder leicht bricht bzw. Sprünge bekommt.
  • Der Erfindung liegt entsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung anzugeben, bei der die erwähnten Mängel von Vorrichtungen nach dem Stand der Technik vermieden sind und die einen Korrosionsschutzfilm aufweist, der auf eine niedrige Temperatur von 200 0C oder darunter erwärmt werden-kann, bei der die Lötschicht keiner thermischen Ermüdung unterliegt, der ausgezeichnete Adhäsionseigenschaften gegenüber der'Lötschicht aufweist und im wesentlichen nicht durch Feuchtigkeit beeinflußt oder angegriffen wird.
  • Die Erfindung gibt eine Halbleitervorrichtung an, die im wesentlichen aus einem Halbleiterchip mit zumindest einem p-n-Übergang und einem Trägersubstrat für den Halbleiterchip besteht und eine leitende Schicht, eine zwischen dem Haibleiterchip und der leitenden Schicht des Substrats befindliche Lötschicht zur Verbindung des Halbleiterchips mit dem Substrat sowie einen auf der exponierten Oberfläche der Lo~tschicht zum Schutz der Schicht aufgebrachten Korrosionsschutzfilm aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Polyimidharz als Korrosionsschutzfilm verwendet wird.
  • Der Ausdruck ~Lötschicht' bedeutet hier und im folgenden in der Hauptsache eine zur Verbindung eines Halbleiterchips und eines Substrats verwendete Lötmittelschicht, beispielsweise eine Lötmittelschicht, die aus einem sphärischen Lötmittel besteht, das bei Haibleitervorrichtungen wie etwa bei der Verbindung von Halbleiterchips mit dem Substrat eingesetzt wird, wobei das Lötmittel zwischen dem Halbleiterchip und dem Substrat eingebracht wird.
  • Mit diesem Ausdruck können selbstverständlich auch Lötmittelschichten bezeichnet sein, die an anderen Stellen verwendet werden.
  • Hinsichtlich der Materialzusammensetzung bestehen die bei Halbleitervorrichtungen meistens verwendeten L~otmittel in der Hauptsache aus Blei und besitzen beispielsweise die Zusammensetzung Pb : Sn = 90 - 95 : 10 - 5 (Gewichtsverhältnis).
  • Die erfindungsgemäß verwendeten Polyimidharze besitzen die allgemeine Formel in der bedeuten: mit X1 = O, S, CO, S02 oder CH2 und X2 = 302 oder C(CH3)2 mit X5 = CO oder O und n einen Polymerisationsgrad von 50 - 500; die erfindungsgemäßen Polyimide sind durch Umsetzung von Diaminen mit organischen Säuredianhydriden erhältlich.
  • Als Diamine sind bekannte Diamine verwendbar, beispielsweise m-Phenylendiamin, p-Phenylendiamin, 4,4'-Diaminodiphenyläther, 4,4'-Diaminodiphenylsulfon, 4, 4'-Diaminodiphenylmethan, 4,4' -Diatninodiphenylsulfid, 4,4'-(p-Aminophenoxy)-diphenylsulfon, 4,4 -(m-,Rminophenoxy)-diphenylsulfon, 2,2-bis(p-Aminophenoxyphenyl)-propan und 2,2-bis(m-Aminophenoxyphenyl)-propan.
  • Als organische Säuredianhydride können bei spielsweise Pyromellitsäurcanhydrid odei 3,D',4,4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid o. dgl. verwendet werden.
  • Es ist günstig, die Reaktion in einem organischen Lösungsmittel wie Cresol, N-Methyl-2-pyrrolidon, Sulfolan, Hexamethylphosphoramid, X,N-Dimethylaeetamid, N, N-Dimethylformamid o.dgl. durchzuführen.
  • Erfindungsgemäß besonders bevorzugte Polyimidharze sind solche, die unter Verwendung eines Diamins der Formel mit X2 wie oben erhalten wurden. Ein Teil dieser Diamine kann dabei durch andere Diamine ersetzt werden.
  • Es wird beispielsweise so verfahren, daß eine Lösung einer Polyamidsäure in einem organischen Lösungsmittel auf die Oberfläche der Lötschicht am gebundenen Teil aufgebracht wird und die resultierende Beschichtung anschließend auf eine Temperatur von 130 - 200 0C erhitzt wird, wodurch ein aus einem Polyimid bestehender Korrosionsschutzfilm erzeugt wird; die Polyamidsäure wird dabei durch Umsetzung des Diamins mit dem organischen Säuredianhydrid bei einer Temperatur von 2 - 25 °C, vorzugsweise 5 - 10 oC erhalten.
  • Wenn ferner ein Polyimid verwendet wird, in dessen Formel R bedeutet, ist es ebenso möglich, den erwünschten Korrosionsschutzfilm durch Umsetzung des Diamins mit dem organischen Säuredianhydrid bei einer Temperatur von mindestens 1#O 0C und vorzugsweise etwa 160 cc zu erzeugen, eine Polyimidlösung in einem organischen Lösungsmittel herzustellen, die Folyimidlösung auf die Oberfläche der Lötschicht im gebundenen Teil aufzutragen und die resultierende Beschichtung anschließend zu trocknen, insbesondere durch Erwärmen auf eine Temperatur von 1#O - 200 °C.
  • Der so erhaltene erfindungsgemäße Korrosionsschutzfilm besitzt keine Poren oder Löcher, weist nur geringe Feuchtigkeitsdurchlässigkeit auf und zeichnet sich durch ausgezeichnete Adhäsionseigenschaften gegenüber der Lötschicht aus. Aus diesem Grund treten keinerlei Risse oder Sprünge auf.
  • Lötschichten mit derartigen Korrosionsschutzfilmen können entsprechend die Korrosionsbeständigkeit bemerkenswert erhöhen und die Beibehaltung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitervorrichtungen im Vergleich zu Vorrichtungen mit Lötschichten ohne Korrosionsschutzfilme erueblich verlängern.
  • Die Erfindung gfbt entsprechend eine Ttalbleitervorrichtung an, die im wesentlichen aus einem Halbleiterchip mit zumindest einem p-n-Übergang und einem Trägersubstrat für den Halbleiterchip besteht und eine leitende Schicht, eine zwischen dem llalbleiteröhip und der leitenden Schicht des Substrats befindliche Lötschicht zur Verbind des Halbleiterchips mit dem Substrat sowie einen auf der exponierten Oberfläche der Lötschicht zum Schutz der Schicht aufgebrachten Korrosionsschutzfilm aufweist, bei der ein Polyimidharz als Korrosicnsschutzfilrn dient; die erfindungs-K Korrosionsschutzfilme wrroraliOgRsusncHheuntiCOinlnmeendurch AuStragen eines lösungsmittellöslichen Polyimidharzes auf die Oberfläche der Lötschicht und anschließendes Erhitzen unter Bildung des Korrosionsschutzfilms hergestellt werden.
  • Die erfindungsgemäßen Halbleitervorri chtungen zeigen keinerlei Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften Die Erfindung wird anhand von Beispielen näher erläutert.
  • Beispiel 1 Auf die exponierte Oberfläche einer aus einem sphärischen Lötmittel (Pb : Sn = 90 : 10 (Gewichtsverhältnis)) bestehenden und zur Verbindung eines Halbleiterchips mit einem Substrat verwendeten Lötschicht wurde eine Polyamidsäurelösung (nichtflüchtige Anteile 14 , Viskosität bei 25° C 15 Poise) aufgebracht, die durch Lösungspolymerisation von 4,4'-(p-Aminophenoxy)-diphenylsulSon und 3,~t,4,4,~ Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid erhalten worden war.
  • Überschüssiges Harz wurde durch Abschleudern (Spinner) mit 5000 U/min entfernt, worauf die so gebildete Beschichtung zur Entfernung des Lösungsmittels und zur Durchführung der Dehydratations-Ringsehluß-Reaktion 16 h auf 200 0C erhitzt wurde. Auf diese Weise wurde ein Korrosionsschutzfilm von 9 /um Dicke auf der Oberfläche der Lötschicht erzeugt.
  • Auch nach mehr als 3000-stündigem Stehenlassen der so hergestellten Halbleitervorrichtung in einem Thermehygrostaten bei 80 ca und einer relativen Feuchtigkeit von 90 % wurde keinerlei Korrosion in der Lötschi ht festgestellt sowie keinerlei veränderung in den Eigenschaften der Halbleitervorriehtung beobachtet.
  • Beispiel 2 Auf die exponierte Oberfläche derselben Lötschicht wie in Beispiel 1 wurde eine Polyimidharzlösung (nichtflüchtiger Anteil 12 $, Viskosität bei 25 0C 13 Poise) aufgebracht, das aus 4,4' - (m-Aminophenoxy)-diphenylsulfon und ),D',4,4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid in Cresol synthetisiert worden war. Überschüssiges Harz wurde wiederum durch Abschleudern mit einem Spinner bei 5000 U/min entfernt, worauf die resultierende Beschichtung zur Entfernung des Lösungsmittels 5 h auf 150 cc erhitzt wurde. Auf diese Weise wurde ein Korrosionssehutzfilm von 8 /um Dicke auf der Oberfläche der Lötschicht erzeugt.
  • Auch nach mehr als eOOO-stünd-gem Stehenlassen der so erzeugten Halbleitervorrichtung in einem Thermohygrostaten bei 80 cc und einer relativen Feuchte von 90 % wurdc keinerlei Korrosion in der Lötschicht festgestellt sowie keinerlei Veränderung in den Eigenschaften der Halbleitervorrichtung beobachtet.
  • Beispiel 3 Auf die exponierte Oberfläche derselben Lötschicht wie in Beispiel 1 wurde eine Polyimidharzlösung (nichtflüchtiger Anteil 15 %, Viskosität bei 25 cc 30 Poise) aufgebracht, das durch Reaktion von 4,4 -(p-Aminophenoxy)-diphenylsulfon, Pyromellitsäureanhydrid und ),D',4,4'-Benzophenontetracarbonsäuredianhydrid in N-Methyl-2-pyrrolidon bei 150°C synthetisiert worden war. Überschüssiges Harz wurde durch Abschleudern bei 5000 U/min mit einem. Spinner entfernt, worauf die resultierende Beschichtung 1 h auf 100 cc sowie 4 h auf 150 cc erhitzt wurde.
  • Auf diese Weise wurde ein Korrosionsschutzfilm von 14 um Dicke auf der Oberfläche der Lötschicht erzeugt.
  • Auch bei 2500-stündigem Stehenlassen des so hergestellten Halbleiterelements in einem Thermohygrostaten bei 80 cc und einer relativen Feuchte von 90 ß wurden keinerlei Korrosion in der Lötschicht sowie keinerlei Veränderung der Eigenschaften der Halbleitervorrichtung festgestellt.
  • Vergleichsbeispiel 1 Die Oberfläche derselben Lötschicht wie in Beispiel 1 wurde ohne Behandlung mit einem Korrosionsschutzfilm belassen.
  • Wenn die Halbleitervorrichtung ohne Korrosionsschutzfilm in einem Thermohygrostaten bei 80 °C und einer relativen Feuchte von 90 ß belassen wurde, trat bereits nach 80 h Korrosion der Lötschicht auf, und die Halbleitervorrichtung war nicht mehr betriebsfähig.
  • Vergleichsbeispiel 2 Auf die Oberfläche der Lötschicht wie in Beispiel 1 wurde ein Silikongel der Dimetbylpolysiloxanreihe aufgebracht und 2 h bei 150°C gehärtet, wodurch eine Beschichtung von 300 /um Dicke erhalten wurde. Wenn die Halbleitervorrichtung in einem Thermohygrostaten bei 80 0c und einer relativen Feuchte von 90 ß belassen wurde, trat bereits nach u#0 h eine teilweise Korrosion der Lötschicht auf, und die Halbleitervorrichtung war nicht mehr betriebsfähig.

Claims (4)

Patentansprüche
1.8 Halbleitervorrichtung, die im wesentlichen aus einem Halbleiterchip mit zumindest einem p-n-Übergang und einem Trägersu')strat für den Halbleiterchip besteht und eine leitende Schicht, eine zwischen dem Halbleiterchip und der leitenden Schicht des Substrats befindliche Lötschicht zur Verbindung des Halbleiterchips mit dem Substrat sowie einen auf der exponiertc) ]fläche der Lötschicht zum Schutz der Schicht aufgebrachten Korrosionsschutzfilm aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Korrosionsschutzfilm aus einem Polyimidharz besteht.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Polyimidharz der Formel in der bedeuten: mit X1 = O, S, CO, C02 oder CH2 und X2 = S02 oder C(CH3)2 mit X3 = CO oder O und n einen Polymerisationsgrad von 50 - 500.
3. Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung des Imidharzes in einem organischen Lösungsmittel auf die Oberfläche der Lötschicht der Halbleitervorrichtung aufgebracht und getrocknet und die resultierende Beschichtung durch Erwärmen in einen Korrosionsschutzfilm umgewandelt wird.
4. Verwendung der llalbleitervorrichtungen nach Anspruch 1 oder 2 als korrosionsbeständige elektronische Bauteile.
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