DE3905276C1

DE3905276C1 -

Info

Publication number: DE3905276C1
Application number: DE3905276A
Authority: DE
Inventors: Karl Anton Dipl.-Chem. Dr. 6458 Rodenbach De Starz; Matthias Dipl.-Ing. 8752 Kleinostheim De Metzner; Wolfgang 8757 Karlstein De Weber
Original assignee: DEMETRON GESELLSCHAFT fur ELEKTRONIK-WERKSTOFFE MBH 6450 HANAU DE; Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1990-05-03
Anticipated expiration: 2009-02-22
Also published as: GB2229388B; GB9003491D0; US4962066A; GB2229388A

Description

Die Erfindung betrifft eine Lotpaste zum Befestigen von Halbleitern auf keramischen Unterlagen in einem Temperaturbereich unterhalb 380°C, bestehend aus 75 bis 90 Gew.-% eines Gemisches aus Silberpulver und einem niedrig schmelzenden Glaspulver, wobei das Gewichtsverhältnis Silber zu Glas zwischen 2 : 1 und 9 : 1 liegt, und 10 bis 25 Gew.-% eines organischen Lösungsmittels, das 1 bis 10 Gew.-% eines thermischen leicht zersetzbaren Harzes enthält.

Bei der hermetischen Gehäusung von Siliziumhalbleitern werden diese in vielen Fällen mit keramischen Unterlagen verbunden, die auch metallisiert, beispielsweise versilbert oder vergoldet sein können.

Dazu verwendet man neuerdings silbergefüllte Glaslotpasten, die aus feinverteiltem Silber- und Glaspulver bestehen, vermischt mit einem Lösungsmittel und einem thermisch zersetzbaren Harz. Diese Pasten werden auf die keramischen Unterlagen in dünner Schicht aufgebracht, der Halbleiter aufgelegt und dieses Gebilde nach der Trocknung bei ca. 100°C auf Temperaturen oberhalb 400°C erhitzt, wobei Lösungsmittel und Harz entweichen, das Glas erweicht und zusammen mit dem Silberpulver eine fest haftende Verbindung zwischen der Unterlage und dem Halbleiter herstellt

Silbergefüllte Glaslote werden heute vor allem in der Fertigung von CERDIP-Bauelementen (CERDIP = Ceramic Dual Inline Package) eingesetzt, und haben hier die bisher übliche Verbindungstechnik mittels Gold/Siliziumlot (AuSi 2-Lot) weitgehend abgelöst.

Der Trend in der Elektronikfertigung geht jedoch zu immer größeren, komplexeren und höheren integrierten Halbleiterbausteinen, die sehr temperaturempfindlich sind und die bisher notwendigen Brenntemperaturen von 400-450°C beim Bondprozeß mit Silberglaslot nicht überstehen. Bei diesen Temperaturen treten nämlich verstärkt Diffusionsprozesse auf dem Halbleiter auf, die die feinen metallischen Leiterbahnen zerstören können.

Aus der US-PS 44 01 767 ist eine Metallisierungspaste zum Befestigen von Siliziumhalbleitern auf keramischen Unterlagen bekannt, bestehend aus 25 bis 95 Gew.-% fein verteiltem Silber, 5-75 Gew.-% eines niedrig schmelzenden Glaspulvers und einem organischen Lösungsmittel, wobei ein Feststoffgehalt von 75 bis 85 Gew.-% erreicht wird. Das verwendete Glas besitzt einen Erweichungspunkt zwischen 325 und 435°C und besteht im wesentlichen aus 95 bis 96 Gew.-% Bleioxid, 0,25 bis 2,5 Gew.-% Siliziumdioxid, Rest Boroxid. Es entstammt somit der Klasse der Bleiborosilikate. Die Verbindung zwischen Siliziumhalbleitern und keramischer Unterlage erfolgt bei Brenntemperaturen zwischen 425°C und 525°C, insbesondere bei 430°C. Dabei sind Haltezeiten von 5-10 Minuten notwendig, um eine gute Haftfestigkeit zu erzielen.

In der US-PS 46 36 254 wird eine Silberglaspaste beschrieben, die neben einem speziellen Silberpulvergemisch eine Bleiboratfritte und wahlweise Silberoxidpulver enthält. Auch hier erfolgt das Verbinden des Halbleiters mit der Keramik vorzugsweise bei 430°C. Das Silberoxidpulver wird direkt zur Paste zugesetzt und dient zur Verbesserung des Ausbrandes der organischen Pastenbestandteile.

Der Nachteil der Lotpasten nach US-PS 44 01 767 und US-PS 46 36 254 besteht in den hohen Arbeitstemperaturen von ca. 430°C sowie in den langen Temperaturhaltezeiten von 5 bis 10 min., die zur Verarbeitung notwendig sind. Diese hohen Temperaturbelastungen schaden sowohl dem Halbleiter als auch den Gehäusematerialien. Im Halbleitermaterial können sie thermische Spannungen und Risse verursachen sowie Diffusionsprozesse in den metallischen Leiterbahnen in Gang setzen, die zur Zerstörung des Bausteins führen. Solche Diffusionsprozesse können insbesondere bei Halbleitern mit sehr feiner Linienstruktur ("sub-micron-Technologie") auftreten, so daß hier schonende Einbrennbedingungen absolut notwendig sind. Bei den Halbleitergehäusen, insbesondere bei sogenannten Multilayergehäusen hoher Anschlußzahl (Sidebraze packages, Leadless Ceramic chip carriers und Pin grid Arrays), führen die hohen Arbeitstemperaturen von ca. 430°C zu einer erheblichen Diffusion von Nickel aus den Nickel/Gold-Schichten der Keramik. Damit kommt es verstärkt zu Ausfällen bei der anschließenden hermetischen Versiegelung mittels Gold/Zinn-Lot.

In der US-PS 46 99 888 wird eine Silberglaspaste beschrieben, die für niedere Brenntemperaturen um 380°C geeignet ist. Diese Lotpaste enthält neben Silberpulver und Bindemittel ein spezielles Bleiborosilikatglas mit Zusätzen an Cu₂O und Fluorid. Damit wird zwar eine Erniedrigung des Glasschmelzpunktes und der Einbrenntemperatur der Lotpaste erreicht. Der Nachteil dieser Lotpaste besteht jedoch in ihrem Fluoridgehalt, außerdem ist die Brenntemperatur von 380°C noch immer zu hoch für den Einsatz bei modernen, hochintegrierten Halbleitern.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lotpaste zum Befestigen von Halbleitern auf keramischen Unterlagen in einem Temperaturbereich unterhalb 380°C zu entwickeln, bestehend aus 75 bis 90 Gew.-% eines Gemisches aus Silberpulver und einem niedrig schmelzenden Glaspulver, wobei das Gewichtsverhältnis Silber zu Glas zwischen 2 : 1 und 9 : 1 liegt, und 10 bis 25 Gew.-% eines organischen Lösungsmittels, das 1 bis 10 Gew.-% eines thermisch leicht zersetzbaren Harzes enthält, welche die Arbeitstemperatur von weniger als 380°C ohne Ver wendung von Fluoriden erreichbar macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Glaspulver eine Zusammensetzung aus

75 bis 85 Gew.-% Bleioxid (PbO)
8 bis 15 Gew.-% Boroxid (B₂O₃)
0,5 bis 10 Gew.-% Silber (I)oxid (Ag₂O)
0,5 bis 10 Gew.-% Wismut (III)oxid (Bi₂O₃)
0 bis 5 Gew.-% Siliziumdioxid (SiO₂)
0 bis 2 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃)
0 bis 2 Gew.-% Zinndioxid (SnO₂)
0 bis 2 Gew.-% Zinkoxid (ZnO)

und eine Glasübergangstemperatur (T _g) von 250 bis 300°C aufweist und das organische Lösungsmittel einen Siedebereich zwischen 140 und 280°C und eine Verdunstungszahl zwischen 100 und 5000 besitzt.

Dieses niedrigschmelzende Bleiboratglas mit Silberoxid- und Wismutoxidzusatz besitzt sehr gute Hafteigenschaften, bei Einbrenntemperaturen von 365 bis 380°C.

Das Silberpulver kann in Form von kugeligen oder plättchenförmigen Teilchen oder Gemischen davon vorliegen. Es besitzt vorteilhafterweise eine spezifische Oberfläche von 0,3 bis 1,3 m²/g und eine Klopfdichte zwischen 3,0 und 5,0 g/cm³.

Die Glaskomponente stellt die Schlüsselkomponente im Hinblick auf den Brenntemperaturbereich und die erzielbaren Haftfestigkeiten der Lotpasten dar. Es wurde gefunden, daß der kombinierte Zusatz von Wismutoxid und Silberoxid zu einem Bleiboratglas die Schmelztemperaturen dieses Glases stark absenkt. Gleichzeitig werden die Benetzungseigenschaften zu Silizium und Keramikmaterial verbessert. Die Glasübergangstemperaturen (T _g) dieser Glastypen liegen vorzugsweise im Bereich von 250°C bis 300°C.

Die Gläser werden nach konventionellen Methoden in Tiegeln erschmolzen, die Schmelze anschließend über Stahlwalzen abgegossen und die entstandenen Glasplättchen in Kugelmühlen zu einem feinen Pulver verarbeitet. Die Feinheit der eingesetzten Glaspulver liegt unter 45 µm, die Klopfdichten betragen 2,5 bis 5 g/cm³.

Neben den Komponenten Bleioxid, Boroxid, Silberoxid sowie Wismutoxid können die Gläser noch Siliziumdioxid, Aluminiumoxid, Zinndioxid und Zinkoxid enthalten. Diese Zusätze stellen jedoch keine essentiellen Bestandteile des Glases dar.

Das organische Lösungsmittel hat großen Einfluß auf die Trocknungseigenschaften der Lotpaste. Ist es zu hoch siedend und nur schwer flüchtig, benötigt man sehr lange Trocknungszeiten, um eine lunkerfreie Verbindung zwischen Halbleiter und Substrat zu erreichen. Ist es zu leicht flüchtig und niedrig siedend, können bei der Herstellung und Verarbeitung Probleme durch Eintrocknung der Paste entstehen. Der Siedebereich dieser Lösungsmittel liegt zwischen 140°C und 280°C, die Verdunstungszahl (VZ) liegt zwischen VZ=100-5000. Es hat sich gezeigt, daß bei den erfindungsgemäßen Lotpasten aromatische Kohlenwasserstoffe die notwendigen Anforderungen gut erfüllen. Diese aromatischen Kohlenwasserstoffe können noch Beimengungen von höher siedenden Alkoholen und Estern enthalten.

Zur Viskositätserhöhung wird das Lösungsmittelsystem mit einem organischen, thermisch leicht depolymerisierbaren Harz versetzt. Als organische Harze haben sich Polyacrylate, Ethylcellulosen sowie Nitrocelluloseharze am besten bewährt.

Die folgenden Beispiele sollen die erfindungsgemäßen Lotpasten und deren Anwendung näher erläutern.

1. 850 g Bleimennige (Pb₃O₄), 195 g Borsäure (B(OH)₃), 30 g Silber- (I)oxid sowie 30 g Wismutoxid (Bi₂O₃) werden innig vermischt und in einem Platintiegel bei 1100°C für 30 Minuten zu einem Glas eingeschmolzen. Nach dem Abgießen der Schmelze erhält man Glasplättchen, die in einer Keramikmühle zu einem feinen Pulver vermahlen werden. Die Zusammensetzung des Glases beträgt 83% PbO, 11% B₂O₃, 3% Ag₂O sowie 3% Bi₂O₃. Das Glaspulver wird auf eine Korngröße von kleiner 45 µm abgesiebt. Zur Bestimmung der Fließ und Benetzungseigenschaften des Glases führt man den sogenannten "Button-Flow-Test" durch. Dabei preßt man ca. 3 g des Glaspulvers zu einer Tablette, gibt diese auf ein Keramiksubstrat, erhitzt auf 400°C für 10 Minuten und mißt anschließend den Durchmesser der aufgeschmolzenen Glasprobe. Der Durchmesser der Probe dieses Glases liegt bei d=2,06 cm und belegt damit die hohe Fluidität und die guten Benetzungseigenschaften des Glases. Die Glasübergangstemperatur T _g (gemessen mit der DSC-Methode) beträgt T _g=287°C.

17 g dieses Glaspulvers werden mit 68 g feinem Silberpulver (plättchenförmig, Stampfdichte 4 g/cm³) und mit 15 g einer Harzlösung, bestehend aus 90% Testbenzin und 10% Acrylharz (Degalan LP 62/05-Fa. Degussa), vermengt und zu einer Lotpaste verarbeitet. Der Feststoffgehalt dieser Paste beträgt 85%, das Verhältnis Silber/Glas = 80 : 20.

Siliziumchips der Größe 7,5×7,5 mm (=300×300 mil) werden mit dieser Paste auf Keramiksubstrate (92% Al₂O₃) befestigt. Dabei wird die Paste mittels einer Dosierspitze auf das Keramiksubstrat aufgebracht und der Halbleiter vorsichtig in die Paste gedrückt.

Anschließend trocknet man die Anordnung für 1 Stunde bei 100°C. Sodann erfolgt ein Niedertemperatur-Einbrennprozeß in einem Banddurchlaufofen, bei dem die Halbleiter einer Spitzentemperatur von 370°C für 20 Minuten ausgesetzt sind. Nach dem Einbrand weisen die Halbleiter eine sehr gute Haftfestigkeit auf der Keramikunterlage auf.

Die Werte der Haftfestigkeit, gemessen im sogenannten "Die shear-Test" (MIL STD 883, Methode 2019.2) liegen bei ca. 50 kg und damit weit oberhalb des in der MIL STD 883-Norm geforderten Wertes.

2. Zum Vergleich wurde ein aus der US-PS 46 36 254 bekanntes Bleiboratglas der Zusammensetzung PbO×B₂O₃ (88 Gew.-% PbO, 12 Gew.-% B₂O₃) als Glaskomponente eingesetzt. Es stellt das am niedrigsten schmelzende Eutektikum des Systems Bleioxid-Boroxid dar.

Die Herstellung der Lotpaste mit diesem Glas erfolgt in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 beschrieben. Siliziumchips der Größe 7,5×7,5 mm werden wiederum mit dieser Paste auf Keramiksubstrate (92% Al₂O₃) befestigt und nach der Trocknung bei 100°C für 1 Stunde dem Niedertemperaturbrennprozeß bei 370°C für 20 Minuten ausgesetzt.

Nach dem Einbrand weisen die Halbleiter nur eine Haftfestigkeit von ca. 10 kg auf der Keramikunterlage auf ("Die shear-Test" nach MIL STD 883, Methode 2019.2). Dieser Wert liegt deutlich unter dem Wert der in Beispiel 1 beschriebenen Lotpaste.

3. 839,5 g Bleimennige (Pb₃O₄), 195 g Borsäure (B(OH)₃), 60 g Silber- (I)oxid sowie 10 g Bismutoxid (Bi₂O₃) werden innig vermischt und in einem Platintiegel bei 1100°C für 30 Minuten zu einem Glas eingeschmolzen. Nach dem Abgießen der Schmelze erhält man Glasplättchen, die in einer Keramikmühle zu einem feinen Pulver vermahlen werden. Die Zusammensetzung des Glases nach der Herstellung beträgt 82% PbO, 11% B₂O₃, 6% Ag₂O sowie 1% Bi₂O₃.

Das Glaspulver wird auf eine Korngröße von kleiner 45 micron abgesiebt. Der "Button-Flow-Test", durchgeführt wie in Beispiel 1 beschrieben, liefert für dieses Glas einen Durchmesser von d=2,08 cm. Die Glasübergangstemperatur T _g (gemessen mit der DSC-Methode) beträgt 278°C. Die Herstellung der Lotpaste mit diesem Glas erfolgt in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 beschrieben.

Siliziumchips der Größe 7,5×7,5 mm (Chiprückseite: blankes Silizium) werden mit dieser Paste auf Keramiksubstrate (92% Al₂O₃) befestigt und, nach der Trocknung bei 100°C für 1 Stunde, dem Niedertemperaturprozeß bei 370°C für 20 Minuten ausgesetzt.

Nach dem Einbrand weisen die Halbleiter eine Haftfestigkeit von ca. 58 kg im "Die shear-Test" auf. Dieser Wert liegt wiederum weit oberhalb des in der MIL STD 883-Norm geforderten Wertes.

Claims

1. Lotpaste zum Befestigen von Halbleitern auf keramischen Unterlagen in einem Temperaturbereich unterhalb 380°C, bestehend aus 75 bis 90 Gew.-% eines Gemisches aus Silberpulver und einem niedrig schmelzenden Glaspulver, wobei das Gewichtsverhältnis Silber zu Glas zwischen 2 : 1 und 9 : 1 liegt, und 10 bis 25 Gew.-% eines organischen Lösungsmittels, das 1 bis 10 Gew.-% eines thermisch leicht zersetzbaren Harzes enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Glaspulver eine Zusammensetzung aus 75-85 Gew.-% Bleioxid
8-15 Gew.-% Boroxid
0,5-10 Gew.-% Silber(I)oxid
0,5-10 Gew.-% Bismut(III)oxid
0-5 Gew.-% Siliziumdioxid
0-2 Gew.-% Aluminiumoxid
0-2 Gew.-% Zinndioxid
0-2 Gew.-% Zinkoxidund eine Glasübergangstemperatur (T _g) von 250-300°C aufweist und das organische Lösungsmittel einen Siedebereich zwischen 140 und 280°C und eine Verdunstungszahl zwischen 100 und 5000 besitzt.

2. Lotpaste nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermisch leicht zersetzbare Harz ein Polyacrylatharz ist.

3. Lotpaste nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Lösungsmittel zur Klasse der hochsiedenden Kohlenwasserstoffe gehört.