DE3804810A1 - Halbleiter-bauelement - Google Patents

Halbleiter-bauelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Plättchenbondmaterial, das zum Befestigen eines Halbleiterplättchens, etwa eines IS-Plättchens, auf einem Kontaktfleck, also dem Teil eines Systemträgers, auf dem das Halbleiterplättchen angeordnet ist, dient.
Bisher werden als Materialien zum Plättchenbonden hauptsächlich Kunstharze eingesetzt, die durch Zugabe eines Silber-, Silika- oder Aluminiumoxidfüllstoffs u. dgl. zu einem Epoxid- oder Polyimidharz gebildet werden, wodurch die Materialeigenschaften im Hinblick auf elektrische Leitfähigkeit, Wärmeübertragungseigenschaften, mechanische Eigenschaften u. dgl. verbessert werden.
Bei Anwendung eines solchen Harzmaterials zum Plättchenbonden ist es jedoch erstens notwendig, das Material bei hoher Temperatur von 150-400°C auszuhärten. Zweitens wird in einem anschließenden Drahtbondverfahren dieses Material dem Drahtbonden bei einer hohen Temperatur von 250-350°C unterzogen.
Da die vorgenannten Verfahren, insbesondere das zweitgenannte Verfahren, eine Verarbeitung bei hoher Temperatur beinhalten, erfahren die zum Plättchenbonden verwendeten Harzmaterialien eine wärmebedingte Verschlechterung, und die dabei auftretenden Zersetzungsgase u. dgl. beeinflussen die Zuverlässigkeit des Halbleiter-Bauelements nachteilig. Somit müssen die zum Plättchenbonden verwendeten Harzmaterialien eine sehr hohe Wärmebeständigkeit haben, damit solche nachteiligen Auswirkungen vermieden werden können.
Wenn als Material zum Plättchenbonden ein Polyimidharz verwendet wird, gibt es kein spezielles Problem in dieser Hinsicht, da sein Molekülbau starr ist und es sehr hohe Wärmebeständigkeit aufweist. Bei einem Epoxidharz muß dieses Problem jedoch dadurch gelöst werden, daß man ein Epoxidharz verwendet, dessen Glasübergangstemperatur T g bei wenigstens 100°C oder höher liegt. Somit ist ein eines dieser Harze verwendendes Plättchenbondmaterial bei Raumtemperatur hart, und dieser harte Zustand der Harze bleibt bis zu einem Temperaturbereich nahe den Glasübergangstemperaturen T g der Materialien erhalten. Speziell im Fall des Polyimidharzes bleibt der harte Zustand bis zu einer hohen Temperatur von ca. 300-400°C erhalten.
Wenn der Systemträger, an dem das Plättchen befestigt ist, nach dem Plättchen- oder Drahtbonden bei hoher Temperatur wieder auf Raumtemperatur abkühlt, gibt es bei Einsatz eines derartigen Materials Fälle, in denen sich das Plättchen aufgrund eines Bimetall-Effekts zu konvexer Form verbiegt. Diese Erscheinung des Verbiegens oder Verwerfens ist der Tatsache zuzuschreiben, daß, weil die Wärmedehnungszahl des Systemträgers höher als diejenige des Plättchens ist, im Fall eines konventionellen harten Plättchenbondmaterials die thermisch bedingte Schrumpfung des Systemträgers direkt auf das Plättchen übertragen wird. Diese Erscheinung tritt insbesondere dann sehr stark auf, wenn der Systemträger aus einem Werkstoff auf Kupferbasis besteht.
Wenn also das Plättchen eine Verformung erfährt, treten in einer Passivierungsschicht od. dgl. auf der Plättchenoberfläche feine Risse auf, was zu großen Problemen hinsichtlich der Betriebszuverlässigkeit des Halbleiter-Bauelements führt. Speziell bei großen Plättchen und dementsprechend starkem Verbiegen bricht das Plättchen, so daß das Halbleiter- Bauelement nicht verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung eines hochzuverlässigen Halbleiter-Bauelements, bei dem die durch Verbiegen des Plättchens auftretenden Probleme im wesentlichen beseitigt sind, wodurch der vorstehend beschriebene Nachteil des Standes der Technik überwunden wird.
Das Halbleiter-Bauelement nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Trägerkörper, ein Halbleiterelement und ein Plättchenbondmaterial zum Befestigen des Halbleiterelements auf dem Trägerkörper, wobei dieses Material bei Raumtemperatur gummiähnlich ist und sehr hohe Wärmebeständigkeit aufweist.
Da bei der Erfindung als Plättchenbondmaterial ein Harz eingesetzt wird, das bei Raumtemperatur gummiähnlich ist, sehr hohe Wärmebeständigkeit aufweist und dessen Glasübergangstemperatur bei 0°C oder darunter liegt, wird die thermisch bedingte Schrumpfung des Systemträgers nicht direkt auf das Plättchen übertragen. Es ist also möglich, ein hochzuverlässiges Halbleiter-Bauelement zu erhalten, bei dem die Probleme hinsichtlich eines Verbiegens bzw. Verwerfens des Plättchens überwunden sind.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Die Zeichnung ist eine Querschnittsansicht eines IS-Plättchens, das auf einem Systemträger befestigt ist, wobei das Plättchenbondmaterial nach der Erfindung eingesetzt wird.
Als Harzmaterial zum Plättchenbonden für ein Halbleiter- Bauelement wird ein härtbares Harz bevorzugt, und zwar insbesondere ein Silikonharz, ein Harz auf Fluorbasis (Elastomer) oder ein Phosphazenharz. Eine charakteristische Formel des Phosphazenharzes ist wie folgt:
wobei R1 und R2 Substituenten sind.
Da im vorliegenden Fall ein Elastomeres eingesetzt wird, das bei Raumtemperatur gummiähnlich ist, sehr gute Wärmebeständigkeit aufweist, und eine Glasübergangstemperatur von 0°C oder niedriger hat, ist auch im Fall eines Systemträgers auf Kupferbasis, der einer besonders starken thermisch bedingten Ausdehnung und Schrumpfung unterliegt, der Verbiegungsgrad des Plättchens sehr gering, selbst wenn dieses nach Beendigung der Hochtemperaturbehandlung beim Härten des Plättchenbondmaterials während des Plättchen- oder Drahtbondverfahrens auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Da dieses Material also nicht zu einer Beschädigung einer Passivierungsschicht od. dgl. führt und sehr hohe Wärmebeständigkeit aufweist, führt das aus der thermisch bedingten Zersetzung des Materials resultierende Gas zu praktisch keiner Beschädigung des Plättchenoberflächen oder des Systemträgers, und zwar auch nicht während des Drahtbondens bei hoher Temperatur.
Es ist also möglich, ein Halbleiter-Bauelement hoher Güte zu erhalten, das in bezug auf Wärmebeständigkeit, Wasserbeständigkeit u. dgl. sowie auch in der praktischen Anwendung problemfrei ist.
Ebenso wie bei einem konventionellen Material können auch bei dem hier verwendeten Harzmaterial zum Plättchenbonden erforderlichenfalls die zum Einstellen physikalischer Eigenschaften dienenden Mittel eingesetzt werden, die bei einer konventionellen Epoxid- oder Polyimidharzzusammensetzung eingesetzt werden, z. B. Härtemittel oder Härtekatalysatoren, Füllstoffe wie Silber-, Silika- und Aluminiumoxidpulver, Haftmittel zur Verbesserung der Hafteigenschaft einer Zwischenfläche sowie ultrafeine Silikapulver zur Einstellung der Viskosität und Thixotropie, wodurch die elektrischen und mechanischen Eigenschaften sowie die Verarbeitungseigenschaften des Harzmaterials zum Plättchenbonden einstellbar sind.
Die folgenden Arbeits- und Vergleichsbeispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Die Messung der Plättchenverbindung, die Auswertung des äußeren Erscheinungsbildes der Plättchen sowie eine Rißprüfung unter Druck der Halbleiter-Bauelemente, die bei 121°C unter 2,02 bar (2 atm) ohne Temperaturwechselbeanspruchung geformt wurden, wurden in bezug auf die Beispiele des Halbleiter-Bauelements nach der Erfindung (wobei Beispiel 1 ein Silikonharz und Beispiel 2 ein Polyphosphazenharz als Plättchenbondmaterial einsetzt) und auf Plättchenbondmaterialien auf Epoxidharz- und Polyimidharzbasis (Vergleichsbeispiele 1 und 2) durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle aufgeführt. Dort ist in den oberen Reihen das Ausmaß der Plättchenverbiegung h (µm) und das Aussehen der Plättchen angegeben, wie sie bei Raumtemperatur bestimmt wurden, nachdem die Proben unter bestimmten Härtungsbedingungen ausgehärtet worden waren; in den unteren Reihen sind die Ergebnisse aufgeführt, die erhalten wurden, nachdem die Proben 50 Temperaturwechselbeanspruchungen mit einem Einheitszyklus von 150°C × 30 min bis -65°C × 30 min unterzogen worden waren. Das Zeichen * bezeichnet eine Probe, bei der aufgrund von Abblättern und Rißbildung des Plättchens der Verbiegungsgrad abnahm und die Verbiegeerscheinung verringert war; das Zeichen ○ in der Spalte "äußere Erscheinung" bedeutet, daß kein Abblättern erfolgte; das Zeichen ∆ deutet auf ein geringes Abblättern hin; und das Zeichen × deutet auf starkes Abblättern oder Rißbildung des Plättchens hin. Das Zeichen × in der Spalte "Rißprüfung unter Druck" bedeutet eine Probe, deren Ausschußrate nach Ablauf von 500 h 30% oder mehr betrug, während das Zeichen ○ eine Probe bedeutet, deren Ausschußrate 30% oder niedriger war. Ferner wurden die bei der Messung des Verbiegungsgrads und der Auswertung der äußeren Erscheinung verwendeten Plättchen durch Zuschneiden von rohen Halbleiterscheiben auf vorgegebene Maße mit einer Dicke von 0,4 mm erhalten.
Die einzige Figur zeigt ferner einen Querschnitt durch ein IS-Plättchen 3, das an einem Systemträger 1 mit einem Plättchenbondmaterial 2 nach der Erfindung befestigt ist.
Aus den in der Tabelle aufgeführten Ergebnissen ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Halbleiter-Bauelement nach der Erfindung nur einen sehr geringen Verbiegungsgrad nach dem Plättchenbonden aufweist, so daß die Passivierungsschicht auf der Plättchenoberfläche nicht beschädigt wird, und insbesondere ergibt sich keine nachteilige Auswirkung auf die Wasserbeständigkeit nach dem Formen. Dadurch wird die Zuverlässigkeit des Halbleiter-Bauelements erheblich verbessert.
Tabelle

Claims (10)

1. Halbleiter-Bauelement, gekennzeichnet durch einen Trägerkörper; ein Halbleiterelement; und ein Plättchenbondmaterial zur Befestigung des Halbleiterelements auf dem Trägerkörper, wobei dieses Material bei Raumtemperatur gummiartig ist und sehr gute Wärmebeständigkeit hat.
2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbondmaterial eine Glasübergangstemperatur von 0°C oder niedriger hat.
3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbondmaterial aus wenigstens einem Harz besteht, das eines der Silikonharze, Fluorharze oder Phosphazenharze ist.
4. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper ein Systemträger ist.
5. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement ein IS-Plättchen ist.
6. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbondmaterial ein Härtemittel enthält.
7. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbondmaterial einen Füllstoff enthält.
8. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Füllstoff vorgesehen ist, der Silber-, Silika- oder Aluminiumpulver ist.
9. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbondmaterial ein Haftmittel enthält, das die Hafteigenschaften einer Zwischenfläche verbessert.
10. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchenbondmaterial ultrafeines Silikapulver zur Einstellung von Viskosität und Thixotropie enthält.
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