DE3442132C2 - - Google Patents

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DE3442132C2
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Werner Dipl.-Chem. Dr. 7900 Ulm De Moeller
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Description

Die Erfindung betrifft ein verkapseltes Mikroelektronik-Element mit Gehäuse, in dessen Innenraum ein Getter als feinstkörniges Pulver mit einer Korngröße zwischen 0,1 µm und 100 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 µm in einem gasdurchlässigen, inerten Silikonkautschuk dispergiert ist.
Aufgrund der an derartige Elemente zu stellenden praktischen Anforde­ rungen werden hochzuverlässige elektronische Schaltungen durch hermeti­ sches Verschweißen oder Verlöten mit einem Metall- oder Keramikgehäuse gegen Umwelteinflüsse, Feuchtigkeit, Co2, SO2 u. a. korrosive Stoffe geschützt. Andererseits werden mehr und mehr organische Stoffe zum Passivieren, Die-Bonden und als Abdeckung gegen mechanische Schocks beim Aufbau der Elektronik-Schaltungen eingesetzt. Jedoch muß bei thermischer Belastung, wie sie in Leistungshybriden und z. T. in geringerem Umfang bei Kleinstsignalschaltkreisen auftritt, auch bei in der Mikroelektronik bewährten thermisch stabilen Epoxid-, Polyurethan- und Silikonharzen bzw. Elastomeren mit einer geringen Gasbildung gerechnet werden. Es handelt sich dabei aufgrund von Gasanalysen zumeist um H2O, CO2, CO, NH3 und organische Säuren, die bei Leistungshybriden unter Spannung nicht nur an Aluminium-Leiterbahnen und -Bonddrähten zur elektrolyti­ schen Korrosion und damit zum Ausfall der Schaltungen führen. Der hierbei entstehende Wasserstoff sowie Restsauerstoff verstärken die Korrosion, so daß diese Gase entfernt werden sollten.
Bei Kleinleistungshybriden schlagen sich die Gase teilweise als Feuchte nieder und verursachen zusätzlich unter Spannung Elektrolyse. Die Alterungs- bzw. Spaltprodukte lassen sich trotz eingehender Bemühungen verfahrenstechnisch, z. B. Evakuieren, N2-Spülung, Trocknung nur bedingt verhindern.
Aus der gattungsbildenden Schrift CH-PS 4 45 648 ist es bekannt, als Getter Erdalkalioxide oder Zeolithe in Pulverform mit einer Korngröße von 0,1 bis 100 µm, die u. a. in gasdurchlässigen, inerten Silokonkautschuk dispergiert sind, zu verwenden. Diese reagieren aber nur bedingt mit korrosiven Gasen wie NH3, CO2 und H2O.
Die Verwendungsmöglichkeit von Barium-Aluminium-Legierungen als Gettermaterialien ist beispielsweise Römpp's Chemielexikon, 7. Auflage (1973), Seite 1275 zu entnehmen. Derartige hochaktive Getter wurden für Elektronenstrahlröhren zur Absorption von korrosiven Gasen und von Feuchtigkeitsspuren entwickelt. Aus der US-PS 30 07 089 ist es bekannt, in Transistorgehäusen Legierungen von Erdalkalimetallen, wie Kalium, Natrium, Lithium, Barium als metallische Gettermaterialien unterzubringen; diese sind aber in einer kompakten Schicht mit entsprechend geringer aktiver Oberfläche einge­ bracht. Das gleiche gilt für die Quecksilber-Aluminium-Verbindung nach der DE-AS 10 57 694.
Es ist das Ziel der Erfindung, auch bei kleinen, einzukapselnden Elektronik-Schaltungen zuverlässig die korrodierenden Gase und störende Feuchtigkeit mit einem besonders aktivem Getter unschädlich zu machen und dabei uner­ wünschte Reaktionen mit den in solchen Schaltungen verwendeten Materia­ lien zu vermeiden.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das dispergierte Gettermaterial eine BaAl4-Legierung ist, deren Korngröße wie dem Stand der Technik zwischen 0.1 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 µm liegt.
Im Vergleich zu den aus der CH-PS 4 45 648 bekannten Erdalkalioxiden reagiert das Bariumaluminid nach der Gleichung
BaAl4 + 7 H2O = BaO + 2 Al2O3 + 7 H2
wesentlich schärfer, quantitativ stärker und irreversibel mit Feuchtig­ keit und kann nicht im kritischen, warmen Betriebsbereich wie z. B. Zeolithe Wasser abspalten. Zudem setzt sich Erdalkalioxid mit dem bei Epoxidharzen üblichen Anhydridhärter hinsichtlich Härtung und Getterwir­ kung um. Außerdem reagieren die Oxide nur bedingt mit korrosiven Gasen wie NH3, CO2 und H2O.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht also darin, BaAl4 als einen hochaktiven, aber unkritisch verarbeitbaren Getter einzusetzen, der sich in feinster Verteilung in einem gasdurchlässigen, gegenüber Getter, Gas und Schaltung inerten, hochreinen Träger aus Silikonkautschuk dispergieren läßt. Untersuchungen ergaben, daß Barium-Aluminium-Legierungen einerseits und dünnflüssige, sehr reine, thermisch beständige, schwach additionsvernetzte Zweikom­ ponenten-Silikongele andererseits diesen Anforderungen genügen und sich beliebig mischen lassen. Differentialthermoanalytisch ließ sich keine Reaktion nachweisen, wenn keine Feuchtigkeit einwirken konnte. Erst in der Wärme setzt eine langsame, durch die Diffusionsgeschwindig­ keit bestimmte Reaktion ein, so daß erst beim Einschweißen und im Betrieb das Getter aktiviert wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel erläutert wird. Es zeigen
Fig. 1a bis d den Aufbau von verschiedenen Formen von eingekap­ selten Schaltungen,
Fig. 2 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel ohne Gettermaterial,
Fig. 3 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl4 an Luft,
Fig. 4 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl4 an Luft mit Feuchtigkeit,
Fig. 5 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl4 in angefeuchteter Umge­ bung.
Die Fig. 1a bis 1d zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer eingekapsel­ ten Schaltung. Bei Fig. 1a haftet auf einem Substrat S, das zweckmäßig aus Al2O3 besteht, ein beispielswei­ se mit Si3N4 passivierter mikroelektronischer Bau­ stein B, der in bekannter Weise mit Bonddrähten D, die aus Gold oder anderem hochleitfähigem Metall bestehen, mit den Leiterbahnen LB elektrisch verbunden ist. Der Baustein B und die Bonddrähte befinden sich innerhalb einer weichen Kunststoffschicht G, die aus Silikon-Gel mit BaAl4-Füllung besteht. Diese ist mit einer Folie F abgedeckt, die eine Metallschicht enthält. Schließ­ lich ist das Ganze mit Epoxidharz H mit SiO2-Füllung eingekapselt.
Die weiche Kunststoffschicht G dient einerseits zur me­ chanischen Polsterung der Bausteine und Bond-Drähte, andererseits aber auch als Träger für das Gettermateri­ al. Aus diesem Grunde besteht sie aus einem Stoff der eingangs beschriebenen und in den Ausführungsbeispielen näher spezifizierten Art.
Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Gehäusen aus starrem Material verwendet werden kann (Fig. 1b bis 1d).
Die Fig. 1b bis 1d zeigen bekannte Aufbauten mit star­ ren Gehäusen. Dabei handelt es sich nach Fig. 1b um ein weit verbreitetes Plastik- bzw. Keramikgehäuse und bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1c bis 1d um Me­ tall- bzw. Keramikgehäuse. Die beiden Hälften des Ge­ häuses nach Fig. 1b sind beispielsweise mit Glas GL verbunden. Die Gehäuse nach Fig. 1c und 1d sind ver­ schweißt bzw. verlötet; die Schweißnähte sind mit SN und die Lötstellen mit L bezeichnet. Allen diesen Auf­ bauten ist gemeinsam, daß der an sich vorhandene leere Innenraum mit dem erfindungsgemäßen Gettermaterial we­ nigstens teilweise gefüllt ist.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen differentialthermoanalyti­ sche Diagramme für Silikon-Gel als Trägermaterial und BaAl4 als Gettermaterial. Sämtliche Thermoanalysen sind bei konstantem Temperaturanstieg (Δ T/Δ t = Konst) und vergleichbaren Proben­ mengen und Bedingungen erstellt.
Bezüglich der Interpretation der Diagramme ist auszu­ führen, daß die vertikale Achse die Wärmetönung der endothermen Vernetzungsreaktion in mcal/sec darstellt. Auf der Abszisse sind Temperaturen in °K eingetragen. Eine linear verlaufende Kurve bedeu­ tet, daß der Wärmefluß konstant ist. Durchhänge be­ deuten, daß in diesem Bereich Reaktionswärme durch Reaktion des Getters mit der Feuchte frei wird.
Fig. 2 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia­ gramm für Silikon-Gel ohne Gettermaterial. Eine Wärme­ tönung ist nicht erkennbar.
Fig. 3 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia­ gramm für Silikon-Gel mit BaAl4 an Luft. Eine leichte Wärmetönung ist praktisch nicht zu erkennen.
Fig. 4 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia­ gramm für Silikon-Gel mit BaAl4 an Luft mit Feuchtig­ keit. Die Wärmetönung im Bereich von 380°K bis 440°K ist gut erkennbar.
Fig. 5 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia­ gramm für Silikon-Gel mit BaAl4 in angefeuchteter Um­ gebung. Die Wärmetönung im Bereich von 380°K bis 440 °K ist stark ausgeprägt.
Bei den Versuchen nach Fig. 4 und 5 wurde eine frische Mischung verwendet.

Claims (2)

1. Verkapseltes Mikroelektronik-Element mit Gehäuse, in dessen Innenraum ein Getter als feinstkörni­ ges Pulver mit einer Korngröße zwischen 0.1 und 100 µm, vorzugsweise zwischen 5 und 50 µm in einem gasdurchlässigen, inerten Silikonkautschuk disper­ giert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermate­ rial BaAl4 ist.
2. Mikroelektronik-Element nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gettermaterial in einem weitgehend ionenfreien, insbesondere in einem eine Ionenkonzentration unter 50 ppm aufweisendem, schwach vernetzbaren, gegenüber BaAl4 und den Schaltungskomponenten indifferenten Silikonkautschuk mit hohem Gaspermeationskoeffizienten, vorzugsweise einem Silikongel, dispergiert ist.
DE19843442132 1984-11-17 1984-11-17 Verfahren zur verkapselung von mikroelektronikschaltungen mit organischen komponenten Granted DE3442132A1 (de)

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