DE69115408T2 - Keramische Packungen und keramische Leiterplatte - Google Patents

Keramische Packungen und keramische Leiterplatte

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Takao Soma
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NGK Insulators Ltd
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Keramikpackungen aus Siliziumnitrid-Sinterkörper mit großer Wärmeleitfähigkeit, zur Aufnahme eines Halbleiterchips; die Keramikpackungen gemäß vorliegender Erfindung zeigen hohe Wärmeabfuhr, und sie können als verschiedene Keramikpackungstypen angewandt werden, wie z.B. Stiffgitteranordnungs Keramikpackungstypen, Chipträger-Keramikpackungstypen, Cer-Dip Keramikpackungstypen, Cer-Quad-Keramikpackungstypen und flache Keramikpackungstypen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Keramik für eine Verdrahtungsplatte mit hoher Wärmeabfuhr.
  • In letzter Zeit sind elektrische Schaltungen auf einem Halbleiterchip in sehr großem Maßstab in hohem Maße integriert, und die Vorgänge in solchen elektronischen Schaltkreisen bzw. Schaltungen laufen mit sehr hoher Geschwindigkeit ab. Die Wärmemenge, die in einem Halbleiterchip erzeugt wird, wenn die auf dem Halbleiterchip ausgebildeten elektronischen Schaltungen in Betrieb sind, scheint mehr und mehr zuzunehmen. Insbesondere bei Halbleiterchips des bipolaren Schaltungstyps besteht eine solche Tendenz. Daher sind Keramikpackungen und Keramik- Verdrahtungsplatten aus einem Material erforderlich, das die im Halbleiterchip erzeugte Wärme gut abstrahlen kann, d.h. einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit.
  • Bisher finden zur Aufnahme solcher Halbleiterchips, die große Wärmemengen erzeugen, Keramikpackungen aus Tonerde weitverbreitet Verwendung, weil Tonerdekeramik als Material der Packungen verläßlicher ist als Kunstharz und eine bessere Wärmeabfuhr aufweist als Kunstharz.
  • Fig. 12 ist eine schematische Ansicht, die einen bekannten Stiftgitteranordnungs Keramikpackungstyp aus Tonerdekeramik zeigt. Auf der Stiftgitteranordnungs Keramikpackung 81 ist ein Halbleiterchip 82 montiert; eine Metalleiterverdrahtung ist innerhalb der Packung 81 angeordnet; und eine Vielzahl von Metallstiffen 83 ist so ausgebildet, daß sie an beiden Seiten der Packung 81 als Anschlüsse zum Anschließen des Halbleiterchips 82 an die äußeren Schaltungen ausgerichtet sind. Weiters ist auch ein Chipträgerpackungstyp aus Tonerdekeramik wohlbekannt, bei der Metalanschlußdrähte anstelle der Metallstifte 83 verwendet werden.
  • jedoch reicht die Wärmeabfuhr der Tonerdekeramikpackung nicht aus, um die große Wärmemenge abzustrahlen, die im darin aufgenommenen Halbleiterchip erzeugt wird, und demgemäß besteht dringender Bedarf für eine Packung, die eine große Wärmeabfuhr aufweist, zur Aufnahme eines Halbleiterchips. Weiters stimmt ein Wärmeausdehnungskoeffizient der aus Tonerdekeramik bestehenden Packung nicht mit jenem von Silizium überein, das als Material des Halbleiterchips verwendet wird; daher bestehen insofern Probleme, als im Chip manchmal Wärmespannung verursacht und der Chip durch die so verursachte Wärmespannung zerstört wird.
  • Um derartige Probleme zu lösen, hat man damit begonnen, Aluminiumnitridkeramik, die eine bessere Wärmeleitfähigkeit hat und deren Wärmeausdehnungskoeffizient mit jenem von Silizium übereinstimmt, als Material der Keramikpackungen zu verwenden. Jedoch ist die Aluminiumnitridkeramik nicht gegen Schädigungen durch Alkali und Wasser beständig. Weiters hat man damit begonnen, Mullitkeramik, deren Wärmeausdehnungskoeffizient mit jenem von Silizium übereinstimmt, als Material der Keramikpackung zu verwenden. jedoch reicht die Wärmeleitfähigkeit von Mullitkeramik nicht aus, sodaß eine Keramikpackung aus Mullit die im darin aufgenommenen Halbleiterchip erzeugte Wärme nicht effizient abstrahlen kann.
  • Um diese Probleme zu lösen, hat man damit begonnen, Keramikpackungen zu verwenden, die eine Wärmeabstrahlplatte und ein Verdrahtungsplatte umfassen. Die Konstruktion solcher Packungen ist in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Bei diesen Packungen wird ein Keramikmaterial mit großer Wärmeabfuhr für die Wärmeabstrahlplatte 1 verwendet, auf der der Halbleiterchip montiert ist, um die im Halbleiterchip erzeugte Wärme abzustrahlen; und Tonerdekeramik oder Mullitkeramik wird für die Verdrahtungsplatte 4 verwendet.
  • Tonerdekeramik oder Mullitkeramik wird industriell bzw. gewerblich in großen Mengen verwendet, und die Kosten sind daher gering. Weiters bestehen dahingehend Vorteile, daß Tonerdekeramikprodukte oder Mullitkeramikprodukte bei einer niedrigen Sintertemperatur hergestellt werden können und ein herkömmlicherweise eingesetztes Verfahren zur Herstellung von Tonerde- oder Mullitkeramikpackungen unverändert übernommen werden kann. Wenn Signale mit hoher Geschwindigkeit durch die Verdrahtungsschaltung übertragen werden oder wenn ein Widerstand einer Stromzufuhrschaltung klein sein muß, wird für die Verdrahtung ein Leiter mit kleinem Leitwiderstand, d.h. ein Metall der Ag-Reihe, Cu-Reihe oder Au-Reihe, für die Verdrahtung verwendet. Daher ist es erforderlich, für die Verdrahtungsplatte Keramikmaterialien zu verwenden, die bei einer niedrigen Temperatur von weniger als 1100ºC, d.h. einer Temperatur unterhalb der Schmelzpunkte dieser Metalle, gesintert werden können.
  • Weiters wird eine Packung vorgeschlagen, die eine Verdrahtungsplatte umfaßt, bei der ein Isoliermaterial aus Polyimidharz besteht und durch Photolithographieren eines darauf durch Sputtern, Ablagern oder Beschichten ausgebildeten dünnen Films ein Leitermuster gebildet wird; und eine Wärmeabstrahlplatte, die aus Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid besteht, dem BeO zugegeben ist.
  • Um die Wärmeabstrahlplatte und das eine Drahtverteilung in ihrem Inneren enthaltende Platte zu kontaktieren, werden Glas, Au, Cu oder ein aktiviertes Metall verwendet, das durch Zugeben von Ti oder Zr in eine Au-Legierung oder in eine Cu-Legierung hergestellt wird oder manchmal werden Leiter, die zum Zweck elektrischer Verbindung auf den jeweiligen Platten ausgebildet sind, durch ein Metallot oder durch Sintern einer zwischen den Leitern befindlichen Metallpaste miteinander verbunden. Wenn als Isoliermaterial der Verdrahtungsplatte jedoch Tonerdekeramik verwendet wird, würde, da der Wärmeausdehnungskoeffizient der Tonerdekeramik mit jenem des Siliziumkarbids, dem BeO zugegeben ist, und mit jenem des als Isoliermaterial der wärmeabstrah enden Platte verwendeten Aluminiumnitrids nicht übereinstimmt, in den Kontaktabschnitten dieser Platten aufgrund von Wärmespannung ein Riß verursacht. In einem solchen Fall ist es erforderlich, einen Keramikrahmen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten zu bilden, der zwischen jenen der beiden Platten liegt.
  • Aluminiumnitrid, das als Isoliermaterial der wärmeabstrahlenden Platte verwendet wird, ist gegen Schäden von Umgebungen wie z.B. Wasser und Alkali nicht beständig, sodaß die Zuverlässigkeit der Packung insgesamt beeinträchtigt wird. Weiters besteht bei Siliziumnitrid auch insofern ein Problem, als die von ihm ausgehaltene Spannung gering ist, weil eine Isoliereigenschaft nur an Korngrenzenbereichen im Siliziumnitridkörper besteht.
  • Weiters ist zur Aufnahme eines Halbleiterchips auch eine Cer-Dip-, Cer-Quad- oder flache Packungstype wohlbekannt. Der Aufbau der Packung dieses Typs wird in Fig. 4 gezeigt. Die Packung umfaßt eine Keramikbasis 13 und eine auf einer Keramikbasis 13 angeordnete Keramikkappe 14, und diese berühren einander, sodaß ein Halbleiterchip 11 durch ein Verbindungs- bzw. Klebmittel, wie Glas oder Kunstharz, abgedichtet und durch eine leitende Schicht 12 aus Au bedeckt wird. Es ist ein Metalleiterrahmen 17 vorgesehen, der zum elektrischen Verbinden des Halbleiterchips 11 mit den äußeren Schaltungen dient.
  • jedoch besteht bei der Verwendung von Tonerde als Material für eine derartige Packungstype, da die Bruchzähigkeit von Tonerde gering ist, die Gefahr, daß Kanten der Packung abbrechen. Weiters ist anzumerken, daß es solche Probleme gibt, wie daß die Wärmeabfuhr von Tonerde nicht ausreicht, um die im in der Packung aufgenommenen Halbleiterchip erzeugte Wärme abzustrahlen, und daß der Wärmeausdehnungskoeffizient von Tonerde nicht mit jenem von Silizium übereinstimmt, wie oben angeführt. Man hat damit begonnen, Aluminiumnitrid oder Siliziumkarbid, dem eine geringe Menge an BeO zugegeben wird, als Material für die Packung dieses Typs zu verwenden.
  • Aluminiumnitridkeramik hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mit jenem von Silizium übereinstimmt, ist aber nicht gegen Schädigung durch Wasser und Alkali beständig, wie oben erwähnt. Siliziumkarbidkeramik, der eine geringe Menge an BeO zugegeben wird, weist nur an den Korngrenzen eine Isoliereigenschaif auf, und die durch Siliziumkarbidkeramik ausgehaltene Spannung ist gering. Weiters wird die Dichte der Siliziumkarbidkeramik nicht durch allgemeines Sintern, sondern durch Heißpreßsintern auf einen hohen Wert gebracht; auf diese Weise werden die Verfahrenskosten zur Herstellung von Packungen aus Siliziumkarbidkeramik sehr hoch.
  • Bisher wurde als Material für die Keramik-Verdrahtungsplatte weitverbreitet Tonerdekeramik verwendet, weil die Basisplatte aus Tonerdekeramik im Vergleich zu der aus Kunstharz hergestellten Platte über hohe Zuverlässigkeit und hohe Wärmeabfuhr verfügt. ledoch hat die Tonerdekeramikplatte gegenüber der aus Kunstharz bestehenden Platte eine geringere praktische Festigkeit; außerdem reicht die Wärmeabfuhr nicht aus, um die Wärme abzustrahlen, die im Halbleiterchip erzeugt wird, in dem eine große Anzahl von Schaltungen in hohem Maße integriert ist.
  • Um die Wärmeabfuhr der Platte zu verbessern, hat man damit begonnen, als Material für die Platte Aluminiumnitridkeramik, die über eine höhere Wärmeleitfähigkeit verfügt, und Siliziumkarbid, dem eine geringe Menge an BeO zugegeben wird, zu verwenden.
  • Jedoch ist Aluminiumnitridkeramik, wie oben erwähnt, gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung, wie z.B. Wasser und Alkali, nicht beständig; außerdem besteht, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminiumnitridkeramik sich von jenem von Metall stark unterscheidet, die Gefahr, daß Kontaktbereiche der Keramikbasisplatte zum Kontaktieren von Metallstiffen oder Metalleitungsdrähten damit aufgrund von Spannungen, die in der Platte aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten erzeugt werden, brechen.
  • Wenn Siliziumkarbid verwendet wird, dem eine kleine Menge an BeO zugegeben ist, besteht zusätzlich zu den obengenannten Problemen mit Siliziumkarbid, wonach das Siliziumkarbid nicht gegen durch elektrische Spannung hervorgerufene Schäden beständig ist und die Verfahrenskosten für die Herstellung einer Platte aus Siliziumkarbid steigen, weil Heißpreßsintern erforderlich ist, damit es hohe Dichte erlangt, weiters ein Problem mit den elektrischen Eigenschaften, daß etwa eine Dielektrizitätskonstante groß ist, d.h. etwa 40 beträgt.
  • Die US-A4,780,572 offenbart das Montieren eines Halbleiterchips in einer Glaskeramik und zielt darauf ab, Probleme durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Chip und der Keramik zu überwinden.
  • Der Zweck der Erfindung gemäß vorliegender Anemldung besteht darin, eine Keramikpackung zur Aufnahme eines Halbleiterchips bereitzustellen, bei der die Wärmeabfuhr verbessert ist.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine einen Halbleiterchip enthaltende Keramikpackung bereit, wie in Anspruch 1 dargelegt.
  • Wie wohlbekannt ist, verfügt Siliziumnitrid über starke Isoliereigenschaften und über hervorragende Beständigkeit gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung, wie z.B. durch Wasser und Alkali. Weiters liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumnitrid über jenem von Silizium, d.h. er beträgt 3-4 ppm/ºC im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten von Tonerde, nämlich 6-7 ppm/ºC im. Daher wird die Zuverlässigkeit der Packung, in der eine Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid verwendet wird, mit einem Halbleiterchip darin verbessert.
  • Bei der Keramikpackung gemäß vorliegender Erfindung ist es, da für die Verdrahtungsplatte Siliziumnitridkeramik-Sinterkörper verwendet wird, möglich, eine Keramikpackung mit einer Verdrahtungsplatte bereitzustellen, die gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung beständig ist und die im montierten Halbleiterchip erzeugte Wärme gut abstrahlen kann und über hohe mechanische Festigkeit und hervorragende elektrische Eigenschaften verfügt.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Keramikverdrahtungsplatte bereit, wie in Anspruch 7 dargelegt.
  • Gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht die Platte zum Montieren des Halbleiterchips aus Siliziumnitrid-Sinterkörper, der nicht mehr als 0,3 Gew.-% oder weniger Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid, enthält. Nach dem Sintern ist der Sinterkörper dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Korngrenzen von Siliziumnitrid pro 10 µm Länge 20 oder weniger beträgt, wenn entlang einer in einem willkürlichen Schnitt des Siliziumnitridkörpers gezogenen geraden Linie gemessen wird. Im allgemeinen wird beim Sintern des Siliziumnitridkörpers ein Sinteradditiv zugegeben, um während des Sinterns des Körpers eine flüssige Phase im Körper auszubilden. Typischerweise wird als das Sinteradditiv ein Seltenerdelementoxid, ein Erdalkalimetall- oder ein anderes Metalloxid verwendet. Manchmal werden Molybdän- oder Wolframmetall, -oxid oder Verbindungen daraus als spezielle Additive für die Keramikpackung zugegeben, um den Sinterkörper zu färben.
  • Für die vorliegende Erfindung kann ein Siliziumnitrid-Sinterkörper mit jeder beliebigen Zusammensetzung eingesetzt werden, solange die im Körper enthaltene Aluminiummenge unter der obengenannten Grenze liegt. Denn die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers wird je nach der im Körper enthaltenen Aluminiummenge bestimmt.
  • Der für die erfindungsgemäße Packung verwendete Siliziumnitrid-Sinterkörper weist eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 40 W/mK, typischerweise 100 W/mK auf. Da die Wärmeleitfähigkeit ausreichend höher ist als jene von Tonerde, d.h. 20 W/mK, können Packungen mit hoher Wärmeabfuhr erhalten werden. Wenn der Siliziumnitridsinterkörper, der mehr als 0,3 Cew.-% oder weniger Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid enthält, verwendet wird, würde das die Wärmeleitfähigkeit des Keramikkörpers der Packung beeinträchtigen, und dann können die aus einem solchen Keramikkörper hergestellten Packungen die im darin montierten Halbleiterchip erzeugte Wärme nicht ausreichend abstrahlen.
  • Weiters verfügt das in der erfindungsgemäßen Packung verwendete Siliziumnitrid über hervorragende Beständigkeit gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung, sodaß es kein Problem wie z.B. die Minderung der Zuverlässigkeit der Packung gibt. Darüberhinaus ist die Beständigkeit des Siliziumnitrids gegenüber elektrischer Spannung sehr hoch.
  • Die Keramikpackung gemäß vorliegender Erfindung umfaßt eine Keramikkappe. Es kann möglich sein, als Material der Keramikkappe billige Keramik, wie z.B. eine Tonerdeserien-Keramik, Mullitserien-Keramik und Glaskeramik, zu verwenden, die Wärmeleitfähigkeiten dieser Keramikmaterialien sind nicht sehr hoch, aber da der Halbleiterchip nicht direkt auf der Keramikkappe montiert ist und die Kappe dann die Wärmeabfuhr der Packung nicht verteilt, können für die Keramikkappe billige Keramikmaterialien verwendet werden. Das gleiche Siliziumnitrid, wie für die Verdrahtungsplatte verwendet, kann natürlich auch für die Keramikkappe verwendet werden. Um jedoch die Zuverlässigkeit der Packung hoch zu halten, ist es viel besser, für die Keramikkappe Mullittypkeramik oder Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2-5 ppm/ºC zu verwenden, weil deren Wärmeausdehnungskoeffizienten beinahe mit jenem des Siliziumnitrids zusammenfallen, das für die Verdrahtungstafel verwendet wird. Wenn als Material der Keramikkappe Tonerdeserien-Keramik verwendet wird, ist es wünschenswert, die Kappe durch Glas an die Basisplatte zu kleben, das einen zwischen jenem des Siliziumnitrid- Sinterkörpers gemäß vorliegender Erfindung und jenem der Tonerdeserien-Keramik liegenden Wärmeausdhenungskoeffizienten aufweist; oder aber es ist wünschenswert, einen Dämpfungsrahmen anzuordnen, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient ebenfalls zwischen jenem der Basisplatte und jenem der Kappe liegt.
  • Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird als Material der Verdrahtungsplatte polykristallines Siliziumnitrid verwendet. Wie wohlbekannt ist, verfügt Siliziumnitrid über hohe Festigkeit und hervorragende Beständigkeit gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung. Weiters wird, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziumnitrid jenem von Silizium näher ist als jenem von Tonerde, die Zuverlässigkeit der Basisplatte beim Montieren des Halbleiterchips darauf hoch. Die Zusammensetzung des allgemeinen Siliziumnitrids wird jedoch unter Berücksichtigung der mechanischen Festigkeit bei hoher Temperatur bestimmt; und die Wärmeleitfähigkeit eines solchen Siliziumnitrids ist ebenso gering wie jene von Tonerdekeramik. Daher kann keine Platte mit hoher Wärmeabfuhr erhalten werden.
  • Wie oben angeführt, bestehen bei der Basisplatte für die Verdrahtungsplatte gemäß vorliegender Erfindung Isolierschichten der Platte aus polykristallinem Siliziumnitridkörper, bei dem die Anzahl der Korngrenzen von Siliziumnitrid pro 10 µm Länge nicht mehr als 20 beträgt, und aus polykristallinem Siliziumnitridkörper, der nicht mehr als 0,3 Gew.-% oder weniger Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid, enthält; Leiter aus Metall, wie z.B. Wolfram, Molybdän und Zirkonium können gleichzeitig an der Oberfläche oder innerhalb des polykristall inen Siliziumnitridkörpers ausgebildet werden, wenn die Platte gesintert wird. Oder aber die Leiter bestehen aus Nitrid oder Bond von Metallen wie z.B. Zirkonium Tantal oder Vanadium, die ebenfalls gleichzeitig mit dem Sintern der Platte ausgebildet werden können. Es sollte angemerkt werden, daß die Leiter aus dickem Metallfilm aus Ag, Au oder Cu, dünnem Metallfilm, der durch Sputtern, Ablagern oder Metallplattierung gebildet wird, oder einer Legierung der Metalle Molybdän und Mangan gebildet werden können.
  • Im Fall der Ausbildung der Leiter aus Wolfram oder Molybdänmetall gleichzeitig mit dem Sintern des polykristallinen Siliziumnitridkörpers der Platte reagiert manchmal ein Teil des Wolfram- oder Molybdänmetalls mit dem Siliziumnitrid bei einer hohen Sintertemperatur von über 1800ºC, was dazu führt, daß das Metall zu einem Silizid wird. Insbesondere besteht die Tendenz, daß eine solche Reaktion an der Grenzfläche zwischen den Leitern und der Platte hervorgerufen wird, aber da der Widerstand des Silizids geringer ist als jener des Wolfram- oder des Molybdänmetalls, treten keine Probleme auf.
  • Bei der Platte aus Siliziumnitrid gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird die Wärmeabfuhr der Platte wesentlich verbessert, da die Wärmeleiffähigkeit des Siliziumnitrids mehr als 40W/mK, typischerweise 100 W/mK, beträgt, was ausreichend größer ist als jene von Tonerde, nämlich 20 W/mK. Weiters weist das Siliziumnitrid mit großer Festigkeit hervorragende Beständigkeit gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung auf, und sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist beinahe der gleiche wie jener von Silizium; weiters verfügt das Siliziumnitrid mit einem kleinen Dielektrizitätskoeffizienten von 6-8, das ist weniger als jener von Tonerde mit 9- 10, über hervorragende elektrische Isoliereigenschaften. Daher ist es möglich, eine Keramikverdrahtungsplatte mit hervorragenden Eigenschaften zu erhalten, indem man das Siliziumnitrid mit den obengenannten Leitern kombiniert.
  • Darüberhinaus ist es möglich, eine Verdrahtungsplatte mit einer Verbundstruktur mit noch besseren Eigenschaften zu erhalten, indem man eine Platte aus dem Siliziumnitrid und eine andere Basisplatte aus anderem Material kombiniert, beispielsweise kann es, um die in der Platte ausgebildete Verdrahtung so auszubilden, daß sie sich zur Durchübertragung elektrischer Signale mit hoher Geschwindigkeit eignet, möglich sein, die Platte aus einem anderen Material auszubilden und sie dann mit der Basisplatte aus Siliziumnitrid zu kombinieren. Das heißt, als das Material der anderen Platte wird ein Material mit einem kleineren Dielektrizitätskoeffizienten als jenem von Siliziumnitrid verwendet, das fähig ist, das elektrische Signal mit hoher Geschwindigkeit zu übertragen, oder ein Material, das zur Bildung von Leitern aus einem Material mit geringem Leitwiderstand, wie z.B. Ag und Au, fähig ist, das sich zur Übertragung der elektrischen Signale mit hoher Geschwindigkeit eignet; und dann wird die andere Platte mit der Platte aus Siliziumnitrid kombiniert. Die Platte aus Siliziumnitrid wird als Stromzufuhrschaltung verwendet.
  • Auf diese Weise ergibt es sich, um die Verdrahtungsplatte für die Stromzufuhrschaltung aus Siliziumnitrid mit der Verdrahtungsplatte aus dem anderen unterschiedlichen Material entsprechend der gewünschten Verwendung zu kombinieren, die hervorragende Wärmeabfuhr von Siliziumnitrid, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl von Polykristallkorngrenzen von Siliziumnitrid pro 10 µm Länge nicht größer als 20 ist, wenn entlang einer in einem willkürlichen Schnitt des Siliziumnitridkörpers gezogenen geraden Linie gemessen wird, und es nicht mehr als 0,3 Gew.-% Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid, enthält, mit den Eigenschaften des anderen Materials zu kombinieren; und so verstärkt die Kombination die Wirkung der Erfindung.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer ersten Ausführungsform einer Keramikpackung zeigt.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer zweiten Ausführungsform einer Keramikpackung darstellt.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer dritten Ausführungsform einer Keramikpackung veranschaulicht.
  • Fig. 4 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer weiteren Ausführungsform einer Keramikpackung darstellt.
  • Fig. 5 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer weiteren Ausführungsform einer Keramikpackung zeigt;
  • Fig. 6 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer ersten Ausführungsform einer Basisplatte für die Drahtverteilung veranschaulicht;
  • Fig. 7 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer zweiten Ausführungsform einer Basisplatte für die Drahtverteilung darstellt;
  • Fig. 8 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer dritten Ausführungsform einer Basisplatte für die Drahtverteilung darstellt;
  • Fig. 9 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer vierten Ausführungsform einer Basisplatte für die Drahtverteilung zeigt;
  • Fig. 10 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer fünften Ausführungsform einer Basisplatte für die Drahtverteilung zeigt;
  • Fig. 11 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer sechsten Ausführungsform einer Basisplatte für die Drahtverteilung veranschaulicht; und
  • Fig. 12 ist eine Querschnittansicht, die die Konstruktion einer herkömmlichen Keramikpackung darstellt.
  • Die Fig. 1 bis 3 sind Querschnittansichten, die jeweils Konstruktionen von Ausführungsformen von Keramikpackungen gemäß der Erfindung der vorliegenden Anmeldung darstellen. Bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform umfaßt der Stiftgitter-Keramikpackungstyp eine Wärmeabstrahlplatte 1 aus Siliziumnitrid, die dadurch gekennzeichnet ist, daß im Siliziumnitrid die Anzahl der Polykristallkorngrenzen pro 10 µm Länge entlang einer in einem willkürlichen Schnitt des Siliziumnitridkörpers der Platte 1 gezogenen geraden Linie nicht größer als 20 ist und ein Siliziumnitridrohmaterial nicht mehr als 0,3 Gew.-% Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid, enthält. Auf der Siliziumnitridplatte 1 ist ein Halbleiterchip 3 mittels einer Gold(Au)-Plattierungsschicht 2 montiert. Die Keramikpackung umfaßt weiters eine Verdrahtungsplatte 4 aus Mullit. Die Platte 4 umfaßt Leiter 5, die über Verbindungsdrähte 6 an den Halbleiterchip 3 angeschlossen sind, sowie eine Vielzahl von Metallstiffen 7 zur Verwendung bei Anschlüssen zum Anschließen des Halbleiterchips 3 an äußere Schaltungen. Zwischen der Wärmeabstrahlplatte 1 und der Verdrahtungsplatte 4 ist eine aktivierte Metallschicht 8 angeordnet, um sie miteinander zu verbinden; und eine Kappe 9 ist über beide Kanten der Basisplatte 4 angeordnet, um den Halbleiterchip 3 innerhalb eines konkaven Abschnitts der Packung abzudichten.
  • Fig. 2 zeigt einen Chipträger-Keramikpackungstyp, bei dem anstelle von Metallstiften 7 des in Fig. 1 gezeigten Stiftgitter-Keramikpackungstyp Metal leiter 10 angeordnet sind.
  • Bei einer in Fig. 3 gezeigten Keramikpackung besteht die Verdrahtungsplatte 4 aus Polyimidserien-Harz; und innerhalb der Platte 4 sind mehrere dünne Verdrahtungsschichten aus Gold (Au) vorgesehen. Bei der in Fig. 3 gezeigten Packung sind leitende Anschlußflächen 11 vorgesehen, um den Halbleiterchip 3 an äußere Schaltungen anzuschließen.
  • Die Fig. 4 und 5 sind Querschnittansichten, die Ausführungsformen des Cer-Dip- Keramikpackungstyps gemäß vorliegender Erfindung darstellen. Jeder der Cer-Dip- Keramikpackungenstypen umfaßt eine Keramikplatte 13 mit den vorbestimmten Eigenschaften; auf der Platte 13 ist ein Halbleiterchip 11 mittels leitender Schicht 12 aus Gold (Au) montiert. Jede Packung umfaßt eine Keramikkappe 14, die auf der Platte 13 durch ein Verbindungs- bzw. Klebemittel aus Harz angeordnet ist, um den Halbleiterchip 11 in einem Abschnitt (in Fig. 4 konkav) der Platte 13 abzudichten, sowie einen Metalleiterrahmen 17, der in Sandwichanordnung zwischen der Kappe 14 und der Platte 13 angeordnet ist. An den Metalleiterrahmen 17 sind Verbindungdrähte 16 angeschlossen, um den Halbleiterchip 11 elektrisch an die äußeren Schaltungen anzuschließen.
  • Die Fig. 6 bis 8 sind Querschnittansichten, die Ausführungsformen der Verdrahtungsplatte gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Bei diesen Ausführungsformen besteht eine Drahtverteilungsschaltung aus Siliziumnitridisolierschichten 31, die aus grünen Bahnschichten gebildet sind, sowie aus Metalleitern 32 aus Wolfram. Metallstifte 33 sind durch Ag-Lot 34 als äußere Anschlüsse auf einem leitenden Abschnitt einer der Oberflächen der Platte ausgebildet.
  • Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist ein leitender Abschnitt der anderen Fläche der Platte 31 mit Ni-Plattierung 35 und Au-Plattierung 36 bedeckt, und der Halbleiterchip 37 ist durch Drahtverbindungen 38 an die Au-Plattierung 36 angeschlossen. Andererseits ist bei der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform eine Cr/Cu- Sputterschicht 39 auf einer der Oberflächen der Platte 31 als leitender Abschnitt ausgebildet. Weiters sind bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform auf der Platte 31 eine dicke leitende Schicht 40 aus Ag-Metall, Au-Metall oder Cu-Metall und ein Widerstand 41 vorgesehen, um eine dicke Filmschaltung zu bilden.
  • Fig. 9 ist eine Querschnittansicht, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei dieser Ausführungsform wird die Platte aus Siliziumnitrid für einen Stiftgitteranordnungs-Keramikpackungstyp zur Aufnahme eines Halbleiterchips 52 eingesetzt; eine Isolierschicht 51, innerhalb welcher die Platte eine Metalldrahtverteilung umfaßt, ist angeordnet, und eine Vielzahl Metallstifte 53 ist auf der Isolierschicht 51 angeordnet, um den Halbleiterchip 52 elektrisch an die äußeren Schaltungen anzuschließen; in einem konkaven Abschnitt der Isolierschicht 51 ist ein Halbleiterchip 52 montiert.
  • Die Fig. 10 und 11 sind Querschnittansichten, die andere Ausführungsformen einer Verbundtypverdrahtungsplatte darstellen. Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform besteht die Platte aus zwei Schichten; eine erste Schicht umfaßt die Isolierschicht 31 aus Siliziumnitrid und Metalleiter 32 aus Wolfram, die in der Isolierschicht 3lausgebildet sind; und eine zweite Schicht umfaßt eine Keramikschicht 61 aus Cordieritserien- Keramik und einen Metalleiter 62 aus Kupfer. Es sollte angemerkt werden, daß die Keramikschicht 61 aus Cordieritserien-Keramik bei einer niedrigen Temperatur gesintert werden kann. Ein Halbleiterchip 37 ist im konkaven Abschnitt der Verbundtyp- Basisplatte angeordnet; und der Chip 37 ist durch Verbindungsdraht 38 am Metalleiter 62 angeschlossen. Es sollte angemerkt werden, daß der Halbleiterchip 37 durch eine Kappe 63 abgedichtet ist. Auf der Verbundtypplatte sind Metalleitungsdrähte 64 vorgesehen, um den Halbleiterchip 37 elektrisch an die äußere Schaltung anzuschließen.
  • Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform umfaßt die Platte ebenfalls zwei Schichten, die eine Verbundtypverdrahtungsplatte darstellen. Eine erste Schicht umfaßt die Isolierschicht 31 aus Siliziumnitrid und Metalleiter 32 sowie die in Fig. 10 gezeigte Ausführungsform, und eine zweite Schicht umfaßt die Isolierschichten 71 aus Polyimidserie-Harz und Metalleiter 72 aus einer dünnen Goldschicht.
  • Nachstehend werden tatsächliche Beispiele für das Verfahren zur Herstellung der Wärmeabstrahlplatte der Keramikpackung zur Aufnahme eines Halbleiterchips oder der Basisplatte für die Verdrahtung gemäß vorliegender Erfindung erläutert.
    • Beispiel 1
  • In Beispiel 1 wurden 15 Arten von Proben hergestellt, wie in nachstehend angeführter Tabelle 1 gezeigt. Die in Tabelle 1 gezeigten Seltenerdelementoxide wurden jeder von 15 Siliziumnitridpulver-Proben als Sinteradditive zugegeben. Dem Pulver wurde Wasser zugegeben, und das Siliziumnitridpulver und die Sinteradditive wurden naß in einem Tiegel aus Kunstharz mit Hilfe von Siliziumnitridmedium vermischt, um eine Aufschlämmung zu erhalten. Es sollte darauf verwiesen werden, daß die in den Siliziumnitridpulverproben enthaltenen Al&sub2;O&sub3;-Mengen jeweils unterschiedlich sind. Die so erhaltene Aufschlämmung wurde getrocknet und mit einem Sprühtrockner granuliert. Das granulierte Pulver wurde durch eine Trockenpresse mit Hilfe einer Form in eine vorbestimmte Gestalt gebracht. Der so geformte Körper wurde unter einer Stickstoffatmosphäre mit 9,5 bar bei einer Temperatur von 1750-1950ºC 1-10 Stunden lang gesintert, wie in Tabelle 1 gezeigt.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des so erhaltenen Sinterkörpers wurde mit einem Laserblitzverfahren gemessen; und die Anzahl der Korngrenzen im Siliziumnitrid pro 10 µm Länge wurde entlang einer in einem willkürlichen Schnitt des Sinterkörpers gezogenen geraden Linie gemessen. Die Anzahl der Korngrenzen im Siliziumnitrid wurde wie folgt gemessen. Zunächst wurde ein Photo einer Feinstruktur des willkürlichen Schnitts des Siliziumnitrid-Sinterkörpers von einem Rasterelektronenmikroskop mit einer Vergrößerung gemacht, bei der die Korngrenzen von Si&sub3;N&sub4; einzeln identifiziert werden können. Als nächstes wurde auf dem Photo eine gerade Linie gezogen, um die Anzahl der Korngrenzen zu zählen, die entlang der geraden Linie übertraten. Eine gerade Linie wurde über mehrere Photos kontinuierlich gezogen, bis die Anzahl der Korngrenzen 1000 überstieg, und es wurde die Gesamtdistanz L (µm) der geraden Linie bestimmt, die erforderlich war, um 1000 Korngrenzen zu zählen. Dann wurde die Anzahl der Korngrenzen pro 10 µm durch Berechnen der Formel (1000/L) x 10 ermittelt. Beispielsweise beträgt die Anzahl der Korngrenzen pro 10 µm 20, wenn eine gerade Linie mit 500 µm erforderlich ist, um 1000 Korngrenzen zu zählen.
  • Die im Sinterkörper enthaltene Al&sub2;O&sub3;-Menge wurde durch Fluoroskopie gemessen. Die gemessenen Mengen werden in Tabelle 1 gezeigt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient betrug unter Berücksichtigung aller in Tabelle 1 gezeigten Proben etwa 24 ppm/ºC.
  • Der so erhaltene Sinterkörper wurde für eine in Fig. 1 gezeigte Wärmeabstrahlplatte der Keramikpackung zum Beinhalten eines Halbleiterchips eingesetzt. Es wurde die Verdrahtungsplatte aus Mullitkeramik verwendet, bei der Leiter aus Wolfram ausgebildet sind. Die Wärmeabstrahlplatte und die Basisplatte wurden durch ein aktiviertes Metall aus Ag-Lot verbunden, dem eine kleine Menge Ti zugegeben wurde. In den so erhaltenen Packungen wurden jeweils tatsächlich Halbleiterchips montiert, und die Chips wurden in Betrieb gesetzt, was zur Erzeugung von Wärme in jedem Chip führte; und die Packungen wurden an der Luft mit einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s abgekühlt; dann wurde der Wärmedurchlaßwiderstand einer jeden Packung gemessen. Das Ergebnis wird in Tabelle 1 gezeigt. Zum Vergleich wurde eine Wärmeabstrah platte aus Tonerde hergestellt; deren Wärmedurch laßwiderstand betrug 22ºC/W.
  • Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid eine bessere Wärmeabfuhrseigenschaff aufweist als Tonerde; und es geht daraus hervor, daß die Wärmeabstrahlplatte, die aus Siliziumnitrid besteht, dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl der Korngrenzen von Siliziumnitrid pro gerader Linie mit 10 µm 20 oder kleiner ist und die in der Platte enthaltene Al&sub2;O&sub3;-Menge 0,3 Gew.-% oder geringer ist, insbesondere als Wärmeabstrahlplatte über bessere Eigenschaften verfügt. Der Grund dafür ist, daß, wenn die Anzahl der Korngrenzen pro gerader Linie mit 10 µm größer als ist, die Wärmeverteilung um die Korngrenzen groß wird, sodaß die Wärmeleitfähigkeit gering wird. Es wird angenommen, daß, wenn die Al&sub2;O&sub3;-Menge mehr als 0,3 Gew.-% beträgt, das im Sinterkörper enthaltene Al&sub2;O&sub3; in die Korngrenzen von Siliziumnitrid geschmolzen wird, was zu einer Verringerung der Wärmeleitfähigkeit der Korngrenzen des Siliziumnitrids führt. Tabelle 1 Seltenerdelementoxid Sinterbedingung, Temperatur, Zeit Wärmeleitfähigkeit Anzahl der Körner Wärmedurchlaßwiderstand der Packung
    • Beispiel2
  • Eine Aufschlämmung wurde auf solche Weise hergestellt, daß ein Pulvergemisch, das ein Material einer Platte ist, das bei niedriger Temperatur gesintert werden kann, 90 Gew.-% Glaspulver mit einer Cordieritserien-Zusammensetzung und 10 Gew.-% Tonerdepulver, organisches Acrylbindemittel, Plastifiziermittel, Toluol und alkoholisches Lösungsmittel in einem aus Tonerde bestehenden Tiegel mit Hilfe von Tonerdekugeln gemischt wurden. Weiters wurde nach einem Rakelverfahren aus der Aufschlämmung ein grünes Band mit einer Dicke von 0,3 mm gebildet.
  • Weiters wurden ein organisches Acrvlbindemittel und ein organisches Lösungsmittel der Terpineolreihe unter Verwendung von drei Walzen gemischt, um eine leitende Paste zum Drucken von Leitern auf den grünen Bändern zu erhalten. Dann wurden Leitdrahtverteilungsmuster der Paste auf die grünen Bänder gedruckt. Die grünen Bänder, auf denen die leitenden Muster gedruckt waren, wurden aufeinandergestapelt; die aufeinandergestapelten grünen Bänder wurden auf eine Platte aus Siliziumnitrid gelegt, die auf die gleiche Weise wie im oben erläuterten ersten Beispiel hergestellt wurde; und die Platte und die grünen Bänder wurden bei einer Temperatur von 100ºC unter einem Druck von 100 kglcm² gepreßt, um sie einstückig auszubilden. Jeder der zwischen den grünen Bändern gebildeten Leiter wurde über Durchgangslöcher miteinander verbunden, die durch Stanzen durch die grünen Bänder ausgebildet wurden. Der so erhaltene integrierte Körper wurde an der Luft bei einer Temperatur von 900ºC gesintert. Als Ergebnis konnten die Packungen erhalten werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Jede Packung umfaßte eine bei niedriger Temperatur gesinterte Verdrahtungsplatte und eine Platte aus Siliziumnitrid. Die Metalleitdrähte sind durch ein Lot aus einer Au-Sn-Legierung mit den Packungen verbunden.
    • Beispiel 3
  • Die Packungen, wie in Fig. 3 gezeigt, wurden auf solche Weise erhalten, daß auf der Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid eine Verdrahtungsplatte aus lichtempfindlichem Kunstharz der Polyimidserie angeordnet war; in der Verdrahtungsplatte wurde unter Verwendung von durch Sputtern gebildeten dünnen Au-Schichten eine mehrschichtige Drahtverteilungsschaltung ausgebildet. Die auf und in der Platte ausgebildeten leitenden Muster wurden durch mittels Photholitographie ausgebildete Löcher miteinander verbunden.
    • Beispiel 4
  • Es wurden 15 Proben Siliziumnitrid hergestellt, die sich in der ihnen zugegebenen Menge an Al&sub2;O&sub3; unterschieden. In Tabelle 2 gezeigte Seltenerdelementoxide wurden jeder Probe aus Siliziumnitridpulver als Sinteradditive zugegeben; Wasser wurde zugegeben, und dann wurden das Siliziumnitridpulver und die Sinteradditive miteinander naß in einem aus Kunstharz bestehenden Tiegel mit Hilfe von Medium aus Siliziumnitrid vermischt; als Ergebnis wurden Aufschlämmungen erhalten. Die so erhaltenen Aufschlämmungen wurden mit Hilfe des Sprühtrockners getrocknet und granuliert. Das granulierte Pulver wurde durch die Trockenpresse mit Hilfe einer Form in eine vorbestimmte Gestalt gebracht. Die so geformten Körper wurden unter einer Stickstoffatmosphäre mit 9,5 bar einer Temperatur von 1750-1950ºC 1-10 Stunden lang gesintert, wie in Tabelle 2 gezeigt, um Keramikbasen und Keramikkappen zu erhalten.
  • Die Wärmeleitfähigkeiten der so erhaltenen Keramikbasen und Keramikkappen wurden mit dem Laserblitzverfahren gemessen; und die Anzahl der Korngrenzen im Siliziumnitrid pro 10 µm Länge einer in einem willkürlichen Schnitt gezogenen geraden Linie der Keramikbasen und Keramikkappen wurde auf die gleiche Weise erhalten wie in Beispiel 1.
  • Die Al&sub2;O&sub3;-Menge wurde durch Fluoroskopie gemessen. Die gemessenen Mengen werden in Tabelle 2 gezeigt. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten betrugen für alle in Tabelle 2 gezeigten Proben etwa 24 ppm/ºC.
  • Packungen mit 160 Stiften zur Aufnahme eines Halbleiterchips, wie in Fig. 4 gezeigt, wurden unter Verwendung der erhaltenen Keramikbasen und Keramikkappen hergestellt. Halbleiterchips wurden tatsächlich in den Packungen montiert und in Betrieb genommen, um sie zu erwärmen. Dann wurden die Packungen in Luft mit einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s abgekühlt, um den Wärmedurchlaßwiderstand der Packungen zu messen. Das Ergebnis wird in Tabelle 2 gezeigt. Zum Vergleich wurde eine Packung hergestellt, bei der die Basis und die Kappe aus Tonerde bestanden; und ihr Wärmedurchlaßwiderstand betrug 27ºC/W. Tabelle 2 Seltenerdelementoxid Sinterbedingung, Temperatur, Zeit Wärmeleitfähigkeit Anzahl der Körner Wärmedurchlaßwiderstand
    • Beispiel 5
  • Packungen mit 120 Stiften, deren Strukturen in Fig. 5 gezeigt werden, wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 hergestellt. Halbleiterchips wurden tatsächlich in den Packungen montiert und in Betrieb genommen, um sie aufzuwärmen. Dann wurden die Packungen in Luft mit einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s abgekühlt, um den Wärmedurchlaßwiderstand der Packungen zu messen. Das Ergebnis wird in Tabelle 3 gezeigt. Zum Vergleich wurde eine Packung hergestellt, bei der die Basis und die Kappe aus Tonerde bestanden, mit einer in Fig. 5 dargestellten Struktur; und ihr Wärmedurchlaßwiderstand betrug 24ºC/W. Tabelle 2 Seltenerdelementoxid Sinterbedingung, Temperatur, Zeit Wärmeleitfähigkeit Anzahl der Körner Wärmedurchlaßwiderstand
  • Die Tabellen 2 und 3 beweisen, daß die Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid im Vergleich zur Wärmeabstrahlplatte aus Tonerde hervorragende Wärmeabfuhrseigenschaften aufweist; und sie beweisen, daß die Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid-Sinterkörper, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl an Korngrenzen im Siliziumnitrid pro gerader Linie von 10 µm 20 oder weniger beträgt und die in der Platte enthaltene Al&sub2;O&sub3;-Menge 0,3 Gew.-% oder weniger beträgt, insbesondere als Wärmeabstrah 1 platte besonders hervorragende Eigenschaften aufweist. Der Grund dafür ist, daß, wenn die Anzahl der Korngrenzen pro gerader Linie von 10 µm mehr als 20 beträgt, die Wärmeverteilung um die Korngrenzen groß wird, sodaß die Wärmeleitfähigkeit gering wird. Es wird angenommen, daß, wenn die im Sinterkörper enthaltene Al&sub2;O&sub3;-Menge größer als 0,3 Gew.-% ist, das Al&sub2;O&sub3; in die Siliziumnitridkorngrenzen geschmolzen wird, was zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit der Korngrenzen des Siliziumnitrids führt.
    • Beispiel 6
  • Eine Aufschlämmung wurde auf eine solche Weise hergestellt, daß ein Pulvergemisch aus einer vorbestimmten Menge Sil iziumnitridpulver, einer vorbestimmten Menge Yttriumoxidpulver und 0,2 Gew.-% Tonerde, organischem Acrylbindemittel, Plastifiziermittel, Toluoi und alkoholischem Lösungsmittel mit Hilfe von Kugeln aus Siliziumnitrid miteinander in einem Tiegel aus Kunstharz vermischt wurden. Weiters wurden nach einem Rakelverfahren aus der Aufschlämmung grüne Bänder mit einer Dicke von 0,1 mm - 0,3 mm hergestellt.
  • Weiters wurden ein organisches Acrvlbindemittel und ein organisches Lösungsmittel der Terpineolreihe unter Verwendung von drei Walzen gemischt, um eine leitende Paste zur Verwendung bei gedruckten Leitern zu erhalten. Mit Hilfe der so erhaltenen Paste wurden Leitdrahtverteilungsmuster und Erdungsschichten auf die grünen Bänder gedruckt. Die grünen Bänder, auf denen die Muster gedruckt waren, wurden aufeinandergestapelt; und die aufeinandergestapelten grünen Bänder wurden bei einer Temperatur von 100ºC unter einem Druck von 100 kg/cm² gepreßt, um sie einstückig zu machen. Das Anschließen eines jeden auf den grünen Bändern ausgebildeten Leiters erfolgte, indem durch Stanzen Durchgangslöcher gebildet wurden.
  • Die so erhaltenen integrierten grünen Bänder wurden unter einer Stickstoffatmosphäre mit einem Druck von 9,5 bar bei einer Temperatur von 1850ºC 4 Stunden lang gesintert. Dann wurden mit Lot Metallstifte auf dem Sinterkörper angeordnet, nachdem Nickelplattierung an der Oberfläche des Körpers durchgeführt worden war. Dann wird auf den auf der Oberfläche des Körpers und auf den Oberflächen der Metallstiffe ausgebildeten Leitern Goldplattierung durchgeführt. Als Ergebnis konnte die in Fig. 6 gezeigte Packung erhalten werden.
    • Beispiel 7
  • Eine Platte wurde auf die gleiche Weise gesintert, wie in Beispiel 6 erklärt, aber es gab kein Leitermuster auf einer der Oberflächen der gesinterten Basisplatte, mit Ausnahme von Verbindungsabschnitten zum Verbinden der auf der Platte ausgebildeten Leitermuster mit Metallanschlüssen der äußeren Schaltungen. An den an der anderen Fläche der Platte ausgebildeten Leitern wurde eine Nickelplattierung vorgenommen, und auf der Nickelpiattierung wurden mit Hilfe von Ag-Lot Metallstiffe angeordnet. Beide Oberflächen der Basisplatte wurden dann durch Schwabbeln bearbeitet. Weiters wurden auf den bearbeiteten Oberflächen durch Sputtern dünne Filme aus Cr/Cu ausgebildet, und die Leitermuster wurden durch Photolithographie ausgebildet. Weiters wurden an den Oberflächen der Metallstifte und der dünnen Filmmuster Nickeiplattierung und Goldplattierung durchgeführt. Als Ergebnis konnte die in Fig. 7 erhaltene Verdrahtungsplatte erhalten werden.
    • Beispiel 8
  • Die grünen Bänder wurden auf die gleiche Weise hergestellt, wie in Beispiel 6 erklärt; diese grünen Bänder wurden aufeinandergestapelt, sodaß sie eine vorbestimmte Dicke ergaben. Das so erhaltene aufeinandergestapelte grüne Band wurde gesintert, um eine Keramik-Verdrahtungsplatte zu erhalten. Nach dem Schwabbeln beider Oberflächen der Keramikplatte wurden auf die Oberflächen mit Hilfe leitender Paste der Ag-Serie, Au- Typ- und Cu-Serie nach einem allgemeinen Siebdruckverfahren Leitermuster aus dickem Film gedruckt. Dann wurde die Platte wieder in einer vorbestimmten Sinteratmosphäre und mit einer vorbestimmten Sintertemperatur gesintert. Als Ergebnis wurde die in Fig. 8 gezeigte Basisplatte erhalten.
    • Beispiel 9
  • Stiftgitteranordnungspackungen mit 120 Stiften, wie in Fig. 9 dargestellt, wurden wie in Beispiel 6 hergestellt. Die verwendeten Sinteradditive und Sinterbedingungen werden in Tabelle 4 gezeigt. Die Keramikkörper wurden unter einer Stickstoffatmosphäre mit 9,5 bar gesintert. Die Anzahl der Korngrenzen im in den Packungen enthaltenen Siliziumnitrid wurde berechnet, indem die Anzahl der Siliziumnitrid-Korngrenzen pro 10 µm Länge entlang einer in einem willkürlichen Schnitt einer jeden Packung gezogenen geraden Linie gezählt wurde. Die Anzahl der Korngrenzen im Siliziumnitrid pro 10 µm Länge in jeder Packung wurde auffolgende Weise gemessen. Zunächst wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop ein Photo einer Feinstruktur des willkürlichen Schnitts der Siliziumnitridpackung mit einer Vergrößerung gemacht, bei der die Korngrenzen von Si&sub3;N&sub4; einzeln identifiziert werden können. Als nächstes wurde auf dem Photo eine gerade Linie gezogen, um die Anzahl der Korngrenzen zu zählen, die entlang der geraden Linie überquert werden. Die gerade Linie wurde kontinuierlich über mehrere Photos gezogen, bis die Anzahl der Korngrenzen 1000 überstieg, und es wurde die Gesamtdistanz L (µm) der geraden Linie ermittelt, die erforderlich ist, um 1000 Korngrenzen zu zählen. Dann wurde die Anzahl der Korngrenzen pro 10 µm ermittelt, indem die Formel (1000/L) x 10 berechnet wurde. Beispielsweise beträgt die Anzahl der Korngrenzen pro 10 µm 20, wenn eine gerade Linie mit einer Länge von 500 µm erforderlich ist, um 1000 Korngrenzen zu zählen. Bei allen Proben mit Ausnahme von Nr.6 wurde nur ein β-Typ-Siliziumnitrid ermittelt. In Probe Nr.6 wurde eine kleine Menge eines α-Typ-Siliziumnitrids ermittelt. Die Menge an Al&sub2;O&sub3; wurde durch Fluoroskopie gemessen. Die in den Proben enthaltenen gemessenen Al&sub2;O&sub3;- Mengen werden in Tabelle 4 gezeigt. Die in Tabelle 4 gezeigte Wärmeleitfähigkeit wurde nach dem Laserblitzverfahren in bezug auf Siliziumnitrid-Polykristallkörper gemessen, die unter den gleichen Sinterbedingungen gesintert wurden, wie in Tabelle 4 gezeigt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient betrug für alle in Tabelle 4 gezeigte Proben etwa 24 ppm/ºC.
  • Bei der so erhaltenen Packung wurden tatsächlich Halbleiterchips montiert, und die Chips wurden in Betrieb genommen, um Wärme zu erzeugen; die Packungen wurden dann an Luft mit einer Windgeschwindigkeit von 4 m/s abgekühlt; und dann wurde der Wärmedurchlaßwiderstand der Packungen gemessen. Das Ergebnis wird in Tabelle 4 gezeigt. Zum Vergleich wurde eine Wärmeabstrahlplatte aus Tonerde hergestellt; ihr Wärmedurchlaßwiderstand betrug 22ºC/W. Tabelle 2 Seltenerdelementoxid Sinterbedingung, Temperatur, Zeit Wärmeleitfähigkeit Anzahl der Körner Wärmedurchlaßwiderstand Anmerkung:* bedeutet Vergleichsbeispiel
  • Aus Tabelle 4 geht hervor, daß die Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid im Vergleich zur Wärmeabstrahlplatte aus Tonerde über hervorragende Wärmeabfuhr verfügt; und es geht daraus hervor, daß die Wärmeabstrahlplatte aus Siliziumnitrid dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl der Siliziumnitridkorngrenzen pro gerader Linie von 10 µm 20 oder weniger beträgt und die in der Platte enthaltene Al&sub2;O&sub3;-Menge 0,3 Gew.- % oder weniger beträgt, und insbesondere bessere Eigenschaften als eine Wärmeabstrahlplatte aufweist. Der Grund dafür besteht darin, daß, wenn die Anzahl der Korngrenzen pro gerader Linie von 10 µm größer als 20 ist, die Wärmeverteilung um die Korngrenzen groß wird, sodaß die Wärmeleitfähigkeit der Platte klein wird. Es wird angenommen, daß, wenn die Menge an Al&sub2;O&sub3; mehr als 0,3 Gew.-% beträgt, das im Sinterkörper enthaltene Al&sub2;O&sub3; in den Korngrenzen von Siliziumnitrid geschmolzen wird, was zu einer Abnahme der Wärmeleitfähigkeit der Korngrenzen des Siliziumnitrids führt.
    • Beispiel 10
  • Eine Aufschlämmung wurde auf die Weise hergestellt, daß Mischpulver, bei dem es sich um ein Material einer Platte handelt, das bei niedriger Temperatur gesintert werden kann, nämlich 90 Gew.-% Glaspulver mit einer Cordieritserien-Zusammensetzung und 10 Gew.-% Tonerdepulver, organisches Acrylbindemittel, Plastifiziermittel, Toluol und alkoholisches Lösungsmittel, in einem Tiegel aus Tonerde mit Hilfe von Kugeln aus Tonerde gemischt wurden. Weiters wurde aus der Aufschlämmung nach einem Rakelverfahren ein grünes Band mit einer Dicke von 0,3 mm ausgebildet.
  • Weiters wurden ein organisches Acrylbindemittel und ein organisches Lösungsmittel der Terpineolreihe unter Verwendung von drei Walzen gemischt, um eine leitende Paste zum Drucken von Leitern auf die grünen Bänder zu erhalten. Dann wurden Leitdrahtverteilungsmuster der Paste auf die grünen Bänder gedruckt. Die grünen Bänder, auf die die leitenden Muster gedruckt waren, wurden aufeinandergestapelt; und die aufeinandergestapelten grünen Bänder wurden auf einer Basisplatte aus Siliziumnitrid angeordnet, die auf die gleiche Weise hergestellt wurde, wie oben in Beispiel 6 erklärt; und die Basisplatte und die grünen Bänder wurden bei einer Temperatur von 100ºC unter einem Druck von 100 kg/cm² gepreßt, um sie einstückig zu machen. Die zwischen den grünen Bändern ausgebildeten Leiter wurden jeweils über Durchgangslöcher miteinander verbunden, die durch Stanzen durch die grünen Bänder ausgebildet wurden. Der so erhaltene integrierte Körper wurde an der Luft bei einer Temperatur von 900ºC gesintert. Als Ergebnis konnten die in Fig. 10 gezeigten Packungen erhalten werden. Jede Packung umfaßt eine Verdrahtungsplatte, die bei niedriger Temperatur gesintert wurde, und eine Platte aus Siliziumnitrid. Die Metalleitungsdrähte wurden durch ein Lot aus einer Au-Sn-Legierung an die Packung angeschlossen.
    • Beispiel 11
  • Die Packung mit einer Verbundstruktur, wie in Fig. 11 gezeigt, wurde auf eine solche Weise erhalten, daß auf einer ersten Verdrahtungsplatte aus Siliziumnitrid, die nach dem gleichen Verfahren hergestellt wurde, wie in Beispiel 7 erklärt, eine zweite Verdrahtungsplatte aus lichtempfindlichem Polyimidharz angeordnet wurde. In der zweiten Platte wurde unter Verwendung dünner Au-Schichten, die durch Sputtern ausgebildet wurden, eine mehrschichtige Drahtverteilungsschaltung ausgebildet. Die leitenden Muster, die aus der mehrschichtigen Drahtverteilungsschaltung bestanden, wurden durch mittels Photolithographie gebildete Löcher miteinander verbunden.
  • Wie oben im Detail erklärt, kann gemäß der ersten und zweiten Erfindung der vorliegenden Anmeldung, da die Wärmeabstrahlplatte oder die Verdrahtungsplatte aus Siliziumnitrid besteht, vorzugsweise aus Siliziumnitrid, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Siliziumnitrid Aluminium mit 0,3 Gew.-% oder weniger, berechnet als Aluminiumoxid, enthält, und 20 oder weniger Korngrenzen pro 10 µm gerader Linie enthält, die Wärmeabfuhr der Platte oder der Wärmeabstrahlplatte verbessert werden. So können durch Anordnen einer solchen Basisplatte oder einer solchen Wärmeabstrahlplatte in den Keramikpackungen Packungen mit verbesserter Wärmeabfuhr erhalten werden.
  • Weiters kann gemäß der dritten Erfindung, da die Verdrahtungsplatte aus Siliziumnitrid- Polykristallkörper besteht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl der Korngrenzen pro 10 µm gerader Linie 20 oder weniger beträgt, und daß die im Siliziumnitrid enthaltene Aluminiummenge 0,3 Gew.-% oder weniger, berechnet als Aluminiumoxid, beträgt, die Keramik-Verdrahtungsplatte mit hoher Zuverlässigkeit und hervorragender Festigkeit und hoher Zähigkeit erhalten werden.
  • Die Eigenschaften der Keramikpackung und der Platte gemäß vorliegender Erfindung werden nachstehend detaillierter erklärt.
  • Bei der als Material der Packung oder der Platte verwendeten Siliziumnitrid-Keramik beträgt die Anzahl der Korngrenzen von Polykristallsiliziumnitrid pro 10 µm gerader Linie 20 oder weniger, und vorzugsweise beträgt die darin enthaltene Aluminiummenge 0,3 Gew.-% oder weniger, als Aluminiumoxid berechnet. Weiters wird, wenn das Polykristall-Siliziumnitrid gesintert wird, das Sinteradditiv im allgemeinen zugegeben, um eine flüssige Phase im Polykristall-Siliziumnitrid zu bilden, während der Körper gesintert wird. Typischerweise werden Oxide der Seltenerdelementreihe, Metalloxide der Erdalkalireihe oder anderes Metalloxid als Sinteradditive zugegeben. Weiters werden als spezielles Additiv zum Färben der Packung zum Beinhalten eines Halbleiterchips manchmal Molybdänmetall-, Wolfram, ihre Oxide oder Mmolybdänmetall- oder Wolframverbindung zugegeben.
  • Für die vorliegende Erfindung kann Siliziumnitridsinterkörper mit jeder beliebigen Zusammensetzung eingesetzt werden, solange Polykristall-Anzahl im Siliziumnitrid und die im Körper enthaltene Aluminiummenge geringer ist als die obengenannten Grenzen. Denn die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers ist abhängig von der im Körper enthaltenen Aluminiummenge. Wenn das Siliziumnitrid, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anzahl der Korngrenzen geringer ist als die obige Grenze und die Aluminiummenge ebenfalls geringer ist als die obengenannte Grenze unter vorbestimmten Sinterbedingungen gesintert wird, kann der Polykristal Isi Iiziumnitrid- Sinterkörper mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 40 W/mK erhalten werden. Die Packung und die Platte des so erhaltenen Sinterkörpers weisen im Vergleich zur Packung und Platte aus Tonerde hervorragende Wärmeabfuhr auf. Wenn Siliziumnitrid verwendet wird, bei dem 20 oder mehr Korngrenzen im Siliziumnitrid pro 10 µm gerader Linie vorliegen, würde sich die Wärmeleitfähigkeit der Keramik aus einem solchen Siliziumnitrid verschlechtern, sodaß sich die Wärmeabfuhr der Packung und Basisplatte aus einer solchen Keramik ebenfalls verschlechtern würde.
  • Es ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Packung und die Platte aus Siliziumnitrid-Polykristallkörper gemäß vorliegender Erfindung sehr fest sind.
  • Die herkömmliche Packung und Basisplatte aus Tonerde haben eine Festigkeit. in Querrichtung von etwa 30 kg/mm², aber die praktische Festigkeit ist aufgrund der Sprödigkeit der Keramik geringer als bei der Packung und Basisplatte aus Kunstharz.
  • Jedoch weisen die Packung und Platte aus Siliziumnitrid gemäß vorliegender Erfindung eine Festigkeit in Querrichtung von mehr als 30 kg/mm² und eine Bruchlast von 5MPam1/2. Das heißt, die Packung und Platte gemäß vorliegender Erfindung sind im Vergleich zur herkömmlichen Tonerdepackung und Tonerdeplatte bezüglich Sprödigkeit stark verbessert.
  • Weiters besteht bei der herkömmlichen Packung und Platte aus Aluminiumnitrid das Problem, daß die Montageabschnitte des Körpers zum Montieren von Metallstiften oder Metalleitungsdrähten aufgrund von Spannungen, die durch einen Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminumnitrid und Metall verursacht werden, zum Brechen neigen. Jedoch gibt es bei der Packung und Basisplatte gemäß vorliegender Erfindung kein Problem, weil die Siliziumnitridkeramik gute Bruchbeständigkeit und Zähigkeit aufweist.
  • Weiters besteht ein wichtiges Merkmal darin, daß die Packung und Basisplatte gemäß vorliegender Erfindung gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung beständig sind.
  • Die Packung und Keramikplatte aus Keramik verfügt über die Eigenschaft, daß sie gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung, wie Wasser, im Vergleich zur Packung und Basisplatte aus Kunstharz hervorragende Beständigkeit aufweist, und so beispielsweise die Tonerde-Packung und Tonerde-Basisplatte so beurteilt werden, daß ihre Zuverlässigkeit sehr hoch ist. Jedoch verfügen die Packung und die Platte aus Aluminiumnitrid, die hohe Wärmeabfuhr aufweisen, nicht über hervorragende Beständigkeit gegen Beeinträchtigung durch Wasser und Alkali, und daher ist die Zuverlässigkeit der Packung und der Platte nicht so hoch. Im Gegensatz dazu stellt das Material der Packung und Basisplatte gemäß vorliegender Erfindung guten Schutz gegen Beeinträchtigung durch die Umgebung, wie z.B. Wasser und Alkali, dar, sodaß es kein Problem wie bei Aluminiumnitrid gibt.
  • Durch die obengenannten Bedingungen charakterisiertes Siliziumnitrid weist hervorragende elektrische Isoliereigenschaften auf. Daher besteht nicht das Problem, daß die ausgehaltene Spannung wie bei herkömmlichen Packungen und Basisplatten aus Siliziumkarbid gering ist. Der Dielektrizitätskoeffizient des gemäß vorliegender Erfindung verwendeten Siliziumnitridmaterials beträgt etwa 6-8, das ist weniger als bei Tonerde mit 9-10, bei Aluminiumnitrid mit 8-9 und bei Siliziumkarbid mit 40. Daher können die Packung und die Platte gemäß vorliegender Erfindung als elektrisches Element zum Übertragen von Signalen mit hoher Geschwindigkeit und im Hochfreqenzband eingesetzt werden, weil die Signalübertragungsverzögerungszeitspanne bei der Packung und Platte gemäß vorliegender Erfindung klein wird.

Claims (8)

1. Einen Halbleiterchip enthaltende Keramikpackung, umfassend:
eine wärmeabstrahlende Platte (1;13;31;51) aus Siliziumnitrid, auf der der Halbleiterchip (3;11;37;41;52) montiert ist; und
eine Verdrahtung für den Chip in Form einer Verdrahtungsplatte (4;31;51) oder eines Leiterrahmens (17) zum Übertragen von elektrischen Signalen und für die Stromzufuhr zum Chip; worin im Siliziumnitrid die Anzahl an Korngrenzen in einer in einem willkürlichen Schnitt davon gezogenen geraden Linie 20 oder weniger pro 10 µm beträgt, und das Siliziumnitrid 0,3 Gew.-% oder weniger Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid, enthält.
2. Keramikpackung nach Anspruch 1, die eine Verdrahtungsplatte aufweist, die ein Isoliermaterial aus Mullitkeramik umfaßt.
3. Keramikpackung nach Anspruch 1 oder 2, die eine Verdrahtungsplatte aufweist, die ein Isoliermaterial aus Sinterkeramik und elektrische Leiter aus Ag, Cu oder Au umfaßt.
4. Keramikpackung nach Anspruch 1, die eine Verdrahtungsplatte aufweist, die ein Isoliermaterial aus Polyimidharz umfaßt.
5. Keramikpackung nach Anspruch 1, die eine Keramikkappe (14) aufweist, welche die wärmeabstrahlende Platte (13) abdeckt und mit Glas oder Harz damit verbunden ist, um den Halbleiterchip in der Packung abzudichten; und bei der ein Leiterrahmen (17) zwischen der wärmeabstrahlenden Platte und der Keramikkappe angeordnet ist.
6. Keramikpackung nach Anspruch 1, worin die wärmeabstrahlende Platte und die Verdrahtungsplatte zu einem aus dem Siliziumnitrid gebildeten Körper (31,51) kombiniert sind.
7. Keramik-Verdrahtungspiatte (31;51) zur Verwendung bei einer Keramikpackung für einen Halbleiterchip, umfassend in einem Keramikkörper eingebettete Verdrahtungselemente, worin die als Material für den Körper verwendete Keramik aus Polykristallsiliziumnitrid besteht, die Anzahl an Korngrenzen des Polykristallkörpers 20 oder weniger pro 10 µm einer in einem willkürlichen Schnitt des Körpers gezogenenen geraden Linie beträgt, und das Siliziumnitrid 0,3 Gew.-% oder weniger Aluminium, berechnet als Aluminiumoxid, enthält.
8. Keramik-Verdrahtungsplatte nach Anspruch 7, die eine Verbundstruktur aufweist, die den Körper aus Polykristall-Siliziumnitrid, sowie eine zweite Platte umfaßt, die aus einem Material besteht, dessen Zusammensetzung sich von jener des Körpers aus Polykristall-Siliziumn itrid unterscheidet.
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