DE3625596A1 - Verfahren zum verbinden von oberflaechen unter verwendung von klebepasten oder nicht-trockener film-klebstoffe - Google Patents

Verfahren zum verbinden von oberflaechen unter verwendung von klebepasten oder nicht-trockener film-klebstoffe

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DE3625596A1
DE3625596A1 DE19863625596 DE3625596A DE3625596A1 DE 3625596 A1 DE3625596 A1 DE 3625596A1 DE 19863625596 DE19863625596 DE 19863625596 DE 3625596 A DE3625596 A DE 3625596A DE 3625596 A1 DE3625596 A1 DE 3625596A1
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Sumner H Wolfson
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Texas Instruments Tucson Corp
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Burr Brown Corp
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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Ein- oder Aufbringen von Klebstoffen beim Zusammenkleben oder gegenseitigen Verbinden flacher Oberflächen. Im be­ sonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren, bei dem ein Gewebevorformling oder -zuschnitt angewendet oder eingebracht wird, um eine gleichmäßigere und einheit­ lichere Verbindung zwischen zwei flachen Oberflächen zu erhalten. Im allgemeinen bestehen beim Zusammenkleben oder gegenseitigen Verbindung von Oberflächen zwei Probleme. Diese Probleme sind das Ausfließen und die Hohlraum- oder Spaltbildung. Wenn ein Klebstoff zwischen zwei zusammenzu­ klebende Oberflächen eingebracht und die Anordnung er­ hitzt oder anderweitig aktiviert wird, um den Klebstoff zu härten, wird der Klebstoff gewöhnlich weich und weniger viskos. Wenn der Klebstoff weich wird, neigt er dazu, zwischen den beiden zu verbindenden Flächen herausgepreßt zu werden. Das gewöhnlich als Auslaufen bezeichnete über­ mässige Herauspressen des Materials kann bei der Herstel­ lung eines Produktes ernste Probleme verursachen. Das Problem wird besonders gravierend, wenn eine Klemmkraft an­ gewendet wird, um den Klebstoff und die zu verbindenden Oberflächen wärend der Aushärtperiode in engem Kontakt zu halten. Das Härten kann durch Polymerisation, Imidisation, Schmelzen, Katalyse oder durch andere Mittel zum Herbei­ führen der Verbindung bewirkt werden.
Das zweite Problem , dem man beim gegenseitigen Verbinden zweier ebener Oberflächen begeget, ist das Verbleiben von Spalten in der Klebstoffschicht zwischen den Oberflächen. Dieses Problem ist allgemein als Hohlraum- oder Spaltbil­ dung bekannt. Die Spaltbildung hat die Wirkung, daß die Kontaktfläche zwischen der Klebstoffschicht und den zu verbindenden Oberflächen vermindert wird. Die Spaltbildung reduziert die Gesamt-Bindungsfestigkeit der ganzen Anord­ nung.
Die Probleme des Ausfließens und der Spaltbildung sind besonders akut beim Verbindung von elektronischen Komponen­ ten oder Teilen. Das Aufkleben von großen Würfeln auf Substrate, oder das Einkleben von Substraten in Packun­ gen bieten mit dem Auslaufen oder der Spaltbildung häufig ernste Probleme. Bei der Herstellung hybrider mikroelek­ tronischer Anordnungen ist ein die elektronische Schaltung tragendes Substrat an einer Gehäusefläche oder am Boden der Ausnehmung zu befestigen. Ein übermässiges Auslaufen während des Prozesses der Substratbefestigung kann dazu führen, daß der Klebstoff Bereiche bedeckt, die einen Drahtanschluß erhalten sollen, wodurch entweder das Teil zerstört wird oder hohe Reparaturkosten entstehen. Wenn ein die elektronische Schaltung tragendes Substrat in eine Ausnehmung oder einen Hohlraum eingeklebt werden soll, die/der größer ist als das Substrat selbst, macht das Phänomen des Auslaufens die Anwendung jeglicher Klemmkraft auf das Substrat praktisch unmöglich. Die Anwendung einer Klemmkraft auf das Substrat vermindert die Dicke des un­ ter diesem befindlichen Klebstoffes und vergrößert die Höhe, auf die der Klebstoff um das Substrat herum ansteigt. Die Höhe, auf welche der Klebstoff unter einer Klemmkraft ansteigt, entspricht dem Verhältnis des Flächeninhalts unter dem Substrat zu der freien Fläche um das Substrat herum. Dieses Verhältnis kann in der Größenordnung von 50 : 1 liegen. Das Einbringen einer Klebpaste in einen Hohl­ raum oder eine Ausnehmung mit üblichen Mitteln ist prak­ tisch unmöglich, ohne daß sich das Auslauf-Phänomen ein­ stellt, das zu einem Vorquellen und Überfließen des Kleb­ stoffes auf die Oberseite des Substrats führt. Dieses Phänomen tritt besonders in Erscheinung, wenn ein Klemm­ druck angewendet wird oder wenn die Viskistät des Kleb­ stoffes während des Härtens abnimmt.
Andererseits bewirkt die Spalt- oder Hohlraumbildung eine Abnahme der thermischen Leitfähigkeit der zusammengekleb­ ten Anordnung. Die thermische Leitfähigkeit kann so weit herabgesetzt werden, daß ein Widerstand oder ein ander­ weitiger aktiver Bauteil unter höherer Temperatur arbei­ tet, was zur Verschiebung oder zum Driften elektrischer Parameter führt. Dies ist besonders kritisch , wenn ein Widerstand oder ein aktiver elektronischer Bauteil, z. B. ein Würfel (engl.:die) auf ein Substrat geklebt oder mit diesem verbunden wird, welches dann wiederum an ein Ge­ häuse geklebt wird, und eine Klebstoffschicht mit einem erheblich großen Leerraum vorhanden ist. Das gleiche Er­ gebnis kommt natürlich zustande, wenn sich der Leerraum oder Spalt im Klebstoff zwischen dem aktiven Bauteil und dem Substrat befindet.
Demgemäß besteht ein Ziel der Erfindung darin, flache Oberflächen unter Verwendung einer Klebstofflage- oder schicht ohne die Probleme des Ausfließens oder der Spalt­ oder Hohlraum-Bildung miteinander zu verbinden oder zu­ sammenzukleben.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, das Aus­ fließen und die Hohlraumbildung beim Zusammenkleben ebener Oberflächen durch Verwendung eines Gewebe-Vorformlings oder -zuschnittes zu verhindern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein wirt­ schaftliches Verfahren zum Einkleben eines Substrats in ein keramisches Gehäuse mit Hohlraum zu schaffen, wenn das Ge­ häuse unter Verwendung eines Gold-Zinn-Lots oder von dessen Äquivalent verschlossen wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfah­ ren zum Befestigen großer Würfel an einem Substrat oder Substraten in Gehäusen mitHohlraum oder Ausnehmung (cavity packages) zu befestigen, wo als Klebstoff ein nicht­ leitendes Polyimid verwendet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht auf ein umgedreh­ tes Substrat, und
Fig. 2 eine perspektivische Explosions-Ansicht des Sub­ trats und des Keramikgehäuses.
Das in Fig. 1 dargestellte Substrat 10 hat eine Substrat­ basis 12 und eine Schicht von Polyimid-Klebstoff 14.
Die Fig. 2 zeigt die gegenseitige Beziehung zwischen dem Substrat 10 , einer Gewebe-Unterlage 20 und einem "L brace"- Keramikgehäuse 40 , das einen Hohlraumboden 30 aufweist, auf dem das Substrat 10 zu befestigen ist. Der Klebstoff 14 kann auf die Substratbasis 12 des Substrats 10 aufge­ tragen oder auf das Substrat mittels eines Standard-Sieb­ druckers aufgebracht sein, wie er gewöhnlich in der Mikro­ elektronik-Industrie zum Aufbringen von Dickfilm-Stoffen verwendet wird. Gewöhnlich wird ein festes Klebstoffmuster 14 unter Freilassung eines Randes 16 von etwa 0,5 mm um den Umfang der Substratbasis 12 herum aufgebracht. Der Rand 16 kompensiert Fehlausrichtungen der Substratbasis 12 auf den Gewebezuschnitt 20 und einen kleinen Klebstoffausfluß. Der vorzugsweise aus Glasfaser hergestellte Gewebezuschnitt 20 ist etwas größer zugeschnitten als das Klebstoffmuster 14 und so groß wie die Substratbasis 12 oder etwas kleiner als diese. Der Gewebezuschnitt kann 0,025 bis 0,05 mm dick sein und eine Fadenzahl von 60 mal 35 bis 60 mal 60 pro 2,54 cm aufweisen. Zum Zusammenbau des Gehäuses wird der Gewebezuschnitt 20 auf der Hohlraumbasis 30 des Gehäuses zentriert. Dann wird das Substrat 10 im Gehäusehohlraum 30 über dem Gewebezuschnitt 20 zentriert und zum Gehäuse gedrückt. Das Substrat 10 wird in der Ausnehmung 40 ange­ ordnet, während der Klebstoff 14 nass oder klebrig ist. Es kann eine Klemmvorrichtung verwendet werden, die eine Klemmkraft von 1,71 bis 27,39 kPa (ein Viertel bis vier Pfund pro Quadratzoll) anlegt. Die zusammengeklemmte An­ ordnung wird dann in einem üblichen Ofen für eine Stunde bei 150° C gehärtet und dann bei 250° C für dreißig Minu­ ten nachgehärtet.
Polyimid ist wegen der hohen Temperaturen, die während des Prozesses des Verschließens und Abdichtens der Packung auftreten, der Klebstoff der Wahl. Die Polyimid-Klebstof­ fe wurden bisher nicht zum Zusammenkleben verhältnismäßig großer Flächen, z. B. von Flächen, die größer sind als 1,61 cm2 (0,25 Quadratzoll), verwendet, und zwar wegen des Problems übermässiger Spalt- oder Hohlraumbildung. Gemäß der Erfindung werden die Befestigung und das Eingehäusen wirtschaftlich und mit nur sehr geringer Spalt- oder Hohl­ raumbildung durchgeführt.
Wenn überhaupt Spalte oder Hohlräume vorhanden sind, fallen sie beim vorliegenden Verfahren infolge der Verwen­ dung des Gewebezuschnitts nur in so kleiner Größe an, daß sie die Wärmeleitung von den wärmeerzeugenden Einrichtun­ gen weg nicht bedeutsam beeinträchtigen.
Der Klebstoff kann auf irgendeine passende Weise aufge­ bracht werden, z. B. durch Aufbringen eines kontrollierten Volumens von Paste, durch Auftupfen, durch Aufstempeln oder durch Verwendung eines Siebdruckers. Gewöhnlich wird der Klebstoff nur auf eine der zu verbindenden Flächen aufgebracht, aber er kann auch auf die zweite zu verbinden­ de Fläche, oder nur auf den Gewebezuschnitt, oder auf ir­ gendeine Kombination dieser drei aufgebracht werden, so lange der Klebstoff nur auf mindestens eine der beiden Flächen oder auf das Gewebe aufgetragen wird.
Unter bestimmten Umständen kann es zweckmäßig sein, einen Klebstoffilm-Vorformling in Verbindung mit einem Gewebe­ zuschnitt anstelle einer Klebstoffschicht und eines Gewebe­ zuschnitts zu verwenden. Der permeable Gewebezuschnitt wird zur Erzielung der gleichen Vorteile, die sich bei Verwendung von Klebstoffpasten einstellen, weiterverwendet. Wenn ein Klebstoffilm verwendet wird, kann dieser ein trockenes oder ein halb-trockenes Material sein, wie es im Handel erhältlich ist, aber es kann auch ein feuchtes oder klebriges Material sein. Damit können bestimmte Kleb­ stoffe, die vor dem Härten nicht getrocknet werden können, in Filmform aufgebracht werden. Solche nicht-trockenbare Klebstoffe werden jedoch im allgemeinem nicht verwendet, aber sie bieten unter der vorliegenden Erfindung zu eini­ gen Verbindungsproblemen eine praktische Lösung. Ein per­ meabler Zuschnitt kann mit dem nicht-trockenbaren Kleb­ stoff imprägniert sein und als Basis für den Klebstoff- Film dienen. Bei diesem Prozess ist das nicht imprägnier­ te permeable Gewebe dennoch wesentlich, denn es dient auch dann, wenn der Klebstoff als Vorformling aufgebracht wird, der Steuerung von Verbindungsproblemen die der Verwendung von Klebstoff generell anhaften.
Die Verwendung des permeablen Gewebes , das gewöhnlich auf etwa die Größe und Gestalt der kleineren der beiden zu verbindenden Flächen zugeschnitten wird, ist für die Er­ findung bedeutsam. Das Gewebe dient drei Hauptzwecken:
  • 1. Das Gewebe schafft eine "Dämm"-Wirkung die der Aus­ breitung des Klebstoffes Widerstand bietet und das Ausfließen entweder während der anfänglichen Anwen­ dung einer Klemmkraft oder während des Härt-Zyklus steuert oder verhindert.
  • 2. Das Gewebe verhindert die Bildung von bedeutsam großen Spalten oder Hohlräumen. Die Kombination der Oberflächenspannung des Klebstoffes, der Kapilar­ kräfte und der großen Fadenzahl verhindert den Ein­ schluß von Gasen in der Klebstoffschicht durch Schaf­ fung von Austrittskanälen für die Gase, wodurch Spal­ te oder Hohlräume,sofern überhaupt welche vorhanden sind, auf eine Größe begrenzt werden, die weitaus kleiner ist als die Öffnungen zwischen den Fäden des Gewebes.
  • 3. Das Gewebe verstärkt die Klebstoffschicht, wodurch die Festigkeit der Verbindung oder Verklebung ver­ größert wird, wobei die Gewebeverstärkung auch eine dünnere Klebstoffschicht zuläßt, die gleichmäßigen und beständige Parameter der elektrischen Leitfähig­ keit und der thermischen Leitfähigkeit garantiert.
Der bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel benutzte Klebstoff war "P60-2" von der Firma Epoxy Technology, welcher ein bei niedriger Temperatur härtendes, oxydge­ fülltes Polyimid ist. Der Klebstoff verwendet ein spe­ zielles Lösungsmittel, den P.I.-Verdünner von der Firma Epoxy Technology, der wesentlich langsamer verdampft als übliche Lösungsmittel, so daß sich die Fließeigenschaften der Polyimid-Paste während ihres Aufbringes nicht wesent­ lich ändern. An den vorstehend beschriebenen Ausführungs­ beispielen kann ein Durchschnittsfachmann vielerlei Ab­ änderungen und Abwandlungen vornehmen, ohne daß der Rahmen der Erfindung überschritten wird. So können z. B. eine Metallegierung, ein Glas oder eine Glas-Metall-Kombination als Klebstoff Verwendung finden, während ein Metallgitter oder ein perforierter Metallvorformling anstelle von Fa­ serglas benutzt werden kann.

Claims (26)

1. Verfahren zum Verbinden von Flächen, bei dem ein Klebstoff auf eine Fläche eines Gegenstandes aufge­ bracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß
auf der Fläche ein Gewebezuschnitt angebracht und die Fläche mit einer anderen Fläche eines anderen Gegenstandes in Verbindung gebracht wird,
die Flächen zusammengeklemmt werden, und
die Flächen bei einer Temperatur und über eine Zeit­ dauer, die ausreichen , um die Adhäsion der Flächen zu bewirken, ausgehärtet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Klebstoff aus der Klasse der Epoxyd- Harze und Polyimid-Harze gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Klebstoff ein pastöser oder flüs­ siger Klebstoff ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Klebstoff durch Ausgeben einer Paste von kontrollierter Menge, durch Auftupfen, Aufstem­ peln oder Aufdrucken mittels eines Siebdruckers auf­ gebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewebezuschnitt einen Galsfaser­ zuschnitt umfäßt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Glasfaserzuschnitt 0,025 bis 0,05 mm dick ist,
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Glasfaserzuschnitt eine Fadenzahl von 60×35 bis 60×60 Faden pro 2,54 cm aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewebezuschnitt mit dem Klebstoff imprägniert ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Klebstoff in solcher Weise aufge­ bracht wird, daß um den Umfang der Fläche des Gegen­ standes herum ein Rand von mindestens etwa 0,5 mm vorhanden ist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewebezuschnitt permeabel ist.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fläche eines Gegenstandes eine Fläche eines mikroelektronischen Substrats ist, das eine elektronische Schaltung trägt.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Klebstoff auf mindestens eine der beiden Flächen oder auf das Gewebe aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die andere Fläche eines anderen Gegen­ standes die Bodenfläche eines Keramikgehäuses ist.
14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die andere Fläche eines anderen Gegenstandes eine Fläche eines Metallplattformgehäuses ist.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Zusammenklemmen eine Klemmvorrichtung zum Ausüben einer Kraft auf die Flächen benutzt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klemmvorrichtung eine Kraft von mindestens 1,71 bis 27,39 kPa (einem Viertelpfund bis vier Pfund pro Quadratzoll) ausübt.
17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Aushärten die Flächen über eine Stun­ de auf 150° C gehalten werden und eine Nachhärtung über dreißig Minuten bei 250° C stattfindet.
18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Verbinden eines eine elektronische Schaltung tragenden mikroelektronischen Substrats mit einem Keramikgehäuse
  • der Klebstoff auf eine Oberfläche des mikroelek­ tronischen Substrats aufgebracht wird,
    der Gewebezuschnitt an der Oberfläche des mikro­ elektronischen Substrats angebracht wird,
    die Oberfläche des mikroelektronischen Substrats mit einem Hohlraum des Keramikgehäuses zusammenge­ fügt wird,
    das mikroelektronische Substrat mit dem Keramikge­ häuse zusammengeklemmt wird, und
    das mikroelektronische Substrat und das Keramikge­ häuse ausgehärtet werden, wobei das mikroelektro­ nische Substrat und das Keramikgehäuse über eine Stunde auf 150° C erhitzt werden und danach eine Nachhärtung über dreißig Minuten bei 250° C statt­ findet.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Klebstoff aus der Klasse der Poly­ imid-Harze und der Epoxid-Harze gewählt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewebezuschnitt einen Glasfasei­ zuschnitt umfaßt, der eine Fadenzahl von 60×35 bis 60×60 Faden pro 2,54 cm aufweist und 0,025 bis 0,05 mm dick ist.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewebezuschnitt mit dem Klebstoff imprägniert ist.
22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Klebstoff in solcher Weise aufge­ bracht wird, daß ein Rand von mindestens 0,5 mm um den Umfang des mikroelektronischen Substrats herum vorhanden ist.
23. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gewebezuschnitt permeabel ist.
24. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Klebstoff auf das mikroelektronische Substrat und/oder auf den Gewebezuschnitt und/oder auf das Kermaikgehäuse aufgebracht wird.
25. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Zusammenklemmen eine Klemmvorrich­ tung zum Ausüben einer Kraft auf das mikroelektronische Substrat und das Keramikgehäuse verwendet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klemmvorrichtung eine Kraft von mindestens 1,71 bis 27,39 kPa (einem Viertelpfund bis vier Pfund pro Quadratzoll) ausübt.
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