DE69824522T2 - Leitende Paste mit hoher Wärmeleitfähigkeit und diese enthaltende elektronische Teile - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine leitfähige Paste, die verwendet wird, um ein Heizelement wie ein einen Chip, der ein elektronisches Teil bildet, mit einem Radiator wie einem Leiterrahmen zu verkleben und auf ein elektronisches Teil wie ein Halbleiterbauelement, welches mit einem Chip unter Verwendung dieser leitfähigen Paste verklebt ist.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Herkömmlich wird Hartlötmittel hauptsächlich verwendet, um einen Chip, welcher ein elektronisches Teil wie etwa ein Halbleiterbauelement bildet, auf einer Metallplatte wie einem Leiterrahmen anzukleben und zu befestigen. Ein als Befestigungsmaterial verwendetes Hartlötmittel (ein sich verbrauchendes Befestigungsmaterial) weist allgemein eine eutektische Legierung wie etwa Au-Sn (Gold-Zinn) oder Au-Sb (Gold-Antimon) auf. Solch ein Hartlötmittel kann im Chip erzeugte Hitze effektiv zu der Metallplatte ableiten, wodurch elektronische Teile erzeugt werden können, die eine exzellente Wärmeableitungsfähigkeit haben.
  • Aufgrund seines hohen Schmelzpunktes muss das Hartlötmittel beim Befestigen des Chips auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden. Wenn der Chip einen Halbleiter wie etwa Galliumarsenid mit einer geringen Hitzeresistenz aufweist, können dadurch dessen Eigenschaften verschlechtert oder sogar zerstört werden. Aufgrund des Unterschieds des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Hartlötmittel und dem Chip kann zusätzlich eine Spannung nach der Befestigung auftreten, die zu Verwerfungen oder Rissen führt. Daneben ist es wahrscheinlich, dass bei Verwendung von Hartlötmittel Freiräume zwischen dem Chip und der Metallplatte während der Befestigung verbleiben. Ferner muss, um eine geeignete Befestigung zu erzielen, ein Hartlötmittel, das Gold enthält, verwendet werden, was sehr teuer ist. Daneben sind, um eine Befestigung ohne verbleibende Freiräume zu erreichen, Fähigkeiten erforderlich, um den Chip geeignet zu plazieren und festzudrücken, so dass es schwierig ist, die Befestigung mit Hartlötmittel zu automatisieren.
  • So hat Hartlötmittel viele Probleme, aber es wird aufgrund seiner hohen thermischen Leitfähigkeit immer noch für elektronische Teile verwendet, die wahrscheinlich sehr heiß werden.
  • Versuche wurden unternommen, eine Silberpaste bestehend aus Silber(Ag)-Pulver, einem wärmehärtenden Harz und einem Lösemittel anstelle des Hartlötmittels zu verwenden. Diese Silberpaste kann nach Befestigung und Aushärten aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit von Silber Hitze geeignet transportieren, führt jedoch kaum zu einer thermischen Beeinträchtigung des Chips während der Befestigung aufgrund der relativ geringen Aushärttemperatur des Mischharzes. Zusätzlich dient die Mischung des Harzes dazu, Spannung zu verringern und die Kosten sind aufgrund der geringeren Preise der Mischung aus Silber und Harz verglichen mit Gold relativ gering. Ferner kann die Menge des hinzugefügten Viskositätssteuermittels (Lösemittel) angepasst werden, um die Viskosität oder Thixotropie zu steuern und die Handhabung der Silberpaste ist einfach, so dass eine festgelegte Menge der Paste mittels Drucküberzugs, Einspritzen oder Auftropfen auf eine Befestigungsoberfläche, aufgebracht werden kann, um die geeignete Befestigung des Chips zu erlauben, wodurch die Realisierung einer Automatisierung erleichtert wird.
  • In einer solchen Silberpaste enthaltenes Silberpulver enthält schuppenförmige Partikel. Silberpulver aus schuppenförmigen Partikeln trägt zur Verbesserung der Ausbreitungsfähigkeit der Paste bei, wodurch die Anwendung auf die Befestigungsoberfläche erleichtert wird. Da das Silberpulver dazu dient, die Aushärtgeschwindigkeit des Silbers innerhalb der Paste zu verringern und die Rührschritte der Paste während der Herstellung vor der Benutzung, wodurch die Benutzbarkeit während der Vorbereitung oder Befestigung verbessert wird und eine homogene Paste geliefert wird, um eine geeignete Befestigung zu ermöglichen. Ferner dient es dazu, die Scherfestigkeit nach der Befestigung zu erhöhen, um ein Abheben der Paste gegen eine externe horizontale Kraft zu verhindern.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Solch eine Silberpaste hat jedoch eine geringere thermische Leitfähigkeit (einen höheren Wärmewiderstand) als das Hartlötmittel nach Befestigung und Aushärten, so dass die elektronischen Teile, die durch dessen Verwendung erhalten werden, eine geringe Wärmeableitfähigkeit haben. Dies rührt von der geringen Anzahl von Kontakten unter den Silberpartikeln her, was in einer kleinen Kontaktfläche oder der Orientierung der schuppenförmigen Silberpartikel und zu einer Variation der Qualität führt.
  • Allgemein kann, um die Wärmeleitfähigkeit der Silberpaste nach Befestigung und Aushärten zu erhöhen (den Wärmewiderstand zu verringern), die Menge des Silberpulvers in der Paste erhöht werden. Zu viel Silberpulver verringert jedoch die Menge des Harzes, welches eine Hafteigenschaft hat, wodurch die Haftfähigkeit der Silberpaste verschlechtert wird. Zusätzlich erhöht eine Zunahme des Silberpulvers in der Mischung die Viskosität der Silberpaste, wodurch es erforderlich wird, eine große Menge an Lösemittel einzumischen. Dann kann nach dem Anhaften und Aushärten das Lösemittel in der Silberpastenschicht (Haftschicht) verbleiben oder Hohlräume können darin auftreten, wodurch Eigenschaften wie die thermische und elektrische Leitfähigkeit und die Verlässlichkeit des elektronischen Teils verschlechtert wird.
  • Japanische Patentpublikationen beschreiben die folgenden beiden Techniken als Techniken zur Verbesserung der Silberpaste.
  • Die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 62-79635 beschreibt eine Silberpaste enthaltend Metallkugeln größer als die Silberpartikel. Insbesondere werden Cu-Kugeln mit einer Partikelgröße von 50 bis 200 μm in die Silberpaste gemischt, die Silberpartikel einer Partikelgröße von 1 bis 3 μm enthält. Die Anmeldung sagt aus, dass 10 bis 50 vol.-% der Metallkugeln (Cu-Kugeln) effektiv in eine Silberpaste enthaltend 80 bis 90 Gew.-% Silberpartikel gemischt werden können, nachdem das Lösemittel sich verflüchtigt hat (ausgehärtet ist). Sie gibt an, dass die Einmischung der Metallkugeln die Variation der thermischen Leitfähigkeit beseitigt, während der Wärmewiderstand von 90 auf 85°C/W verringert wird.
  • Die Silberpaste enthält jedoch 10 bis 50 vol.-% Metallkugeln (Cu-Kugeln) einer großen Partikelgröße von 50 bis 200 μm, so dass, wenn diese Paste zum Ankleben verwendet wird, die Silberpastenschicht (die Klebeschicht) nach Anhaften und Aushärten dick wird. Es ist klar, dass bei dieser Größe der Metallkugeln die Dicke der Klebeschicht mehrere 100 μm oder mehr beträgt. Da die Dicke der Leiterrahmen oder Chips kontinuierlich auf ungefähr 200 μm reduziert wird, steht eine Zunahme der Dicke der Klebeschicht der jüngsten Nachfrage für reduzierte Verpackungsgrößen und reduzierte Schichtdicken entgegen. Zusätzlich sagt diese Anmeldung aus, dass die Metallkugeln eine Variation der thermischen Leitfähigkeit verhindern und diese verbessern, sie beschreibt jedoch nicht die elektrische Leitfähigkeit. Es kann angenommen werden, dass die elektrische Leitfähigkeit abnimmt, da eine Zunahme der Partikelgröße allgemein die Anzahl von Kontakten unter den Partikeln und so die Kontaktfläche verringert.
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 7-201896 beschreibt eine Silberpaste, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aus Silberpulver, einem wärmehärtenden Harz und einem Viskositätssteuermittel besteht und dadurch, dass das Silberpulver aus schuppenförmigem Silberpulver besteht, welchem Silberpulver mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 bis 10 μm hinzugefügt ist. Diese Anmeldung gibt an, dass die durchschnittliche Partikelgröße des schuppenförmigen Silberpulvers vorzugsweise zwischen 4 und 10 μm beträgt und dass die Menge des hinzugefügten Silberpulvers zwischen 5 und 50 Gew.-% der Gesamtmenge des Silberpulvers beträgt.
  • Die Probleme, die diese Anmeldung für die Silberpaste lösen will, sind im Folgenden angegeben. Aufgrund der großen Menge des schuppenförmigen Silberpulvers hat das derzeitig verwendete Bindemittel (Silberpaste) eine verringerte Haftkraft und wird wahrscheinlich an der Haftfläche zerstört und kann nicht gleichmäßig hergestellt werden. In Hohlräumen enthaltene Feuchtigkeit in einer sich verflüchtigenden Haftschicht oder einem Steuermittel (Lösemittel), die in der Schicht verbleiben, können zu einem Haftverlust während des Einkapselungsvorganges oder der Gehäusebefestigung führen, was zu Gehäuserissen führt. Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 7-201896 versucht diese Probleme zu lösen.
  • Die Effekte dieser Silberpaste werden wie folgt beschrieben. Diese Erfindung (die obige Silberpaste) ersetzt einen Teil des schuppenförmigen Ag-Pulvers durch größeres kugelförmiges Ag-Pulver als ein Verfahren zur Lösung der obigen Probleme. Das heißt, das gegenwärtig verwendete Befestigungsmaterial enthält eine so große Menge schuppenförmigen Ag-Pulvers wie möglich, um seine Ableitungskapazität zu verbessern und aufgrund seiner großen Fläche pro Gewichtseinheit trägt das schuppenförmige Ag-Pulver merklich zur Erhöhung der Viskosität bei. Zusätzlich wird eine erhöhte Menge des Viskositätssteuermittels (Lösemittels) zur Regulierung der Viskosität hinzugefügt. Weiterhin verringert sich aufgrund der reduzierten Verbindungsfläche des wärmehärtenden Harzes mit der Klebefläche die Haftkraft. Wenn daher ein Teil des schuppenförmigen Ag-Pulvers durch größeres sphärisches Ag-Pulver ersetzt wird, kann die Viskosität nicht erhöht werden und der Verbindungsbereich des wärmehärtenden Harzes an der Klebefläche wird erhöht, um die Haftkraft (Klebekraft) zu verbessern.
  • Die Silberpaste hat jedoch den Zweck, die Viskosität und Klebekraft wie oben beschrieben zu verbessern. Diese Anmeldung gibt jedoch keinen Hinweis zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit. Da eine Zunahme der Partikelgröße allgemein die Anzahl der Kontakte unter den Partikeln und damit die Kontaktfläche verringert, kann weiterhin bei der obigen Silberpaste, die größere sphärische Ag-Partikel enthält, nicht erwartet werden, dass die thermische Leitfähigkeit nach Aufkleben und Aushärten oder die Wärmeableitfähigkeit der elektronischen Teile, die mit Verwendung dieser Paste hergestellt wurden, verbessert sind. Zusätzlich beschreibt diese Anmeldung nicht die elektrische Leitfähigkeit der Silberpaste und da eine Zunahme der Partikelgröße allgemein die Anzahl der Kontakte unter den Partikeln und damit die Kontaktfläche verringert, kann ebensowenig erwartet werden, dass die obige Silberpaste enthaltend das größere sphärische Ag-Pulver die elektrische Leitfähigkeit verbessert wie die thermische Leitfähigkeit. Ferner ist aufgrund der Verwendung des größeren kugelförmigen Ag-Pulvers in der Silberpaste die Verringerung der Schichtdicken beschränkt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine leitfähige Paste zu liefern, die eine praktisch ausreichende Verbindungsstärke und Pastenviskosität aufweist, hohe thermische und elektrische Leitfähigkeiten nach Ankleben und Aushärten liefert und es ermöglicht, dass die Klebeschicht dünner ausgebildet wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Teil vorzuschlagen, das unter Verwendung dieser leitfähigen Paste hergestellt ist und eine hohe Wärmeableitfähigkeit und exzellente elektrische Charakteristika aufweist.
  • Aus der JP 01-165 654 A und Patent Abstracts of Japan, Vol. 13, Nr. 431 ist eine leitfähige Paste bekannt, die exzellente Leitfähigkeit und Klebeeigenschaften aufweist, durch Bereitstellung einer Silberpulvermischung mit einem Epoxidharz, einem Aushärtmittel, einem Aushärtbeschleuniger und einem Lösemittel. Die Silberpulvermischung umfasst 100 Gewichtsanteile schuppiges Silberpulver, 5 bis 70 Gewichtsanteile sphärisches Silberpulver einer mittleren Partikelgröße von 0,1 bis 2 μm und 5 bis 70 Gewichtsanteile dendritisches Silberpulver.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch verschiedene Anstrengungen zur Erreichung dieser Ziele haben die Erfinder die vorliegende Erfindung fertiggestellt.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine leitfähige Paste gemäß Anspruch 1, ein elektrisches Bauelement gemäß Anspruch 6 und ein Halbleiter-Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 7.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterpackung, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektrischen Teils bildet.
  • 2 ist eine erläuternde Zeichnung eines Verfahrens zur Befestigung des erfindungsgemäßen elektrischen Teils.
  • 3 ist ein Foto, das die Zeichnung ersetzt, die den Zustand nach dem Verfahren zur Befestigung des erfindungsgemäßen elektronischen Teils zeigt.
  • 4 ist eine SEM-Fotografie (rasterelektronenmikroskopische Fotografie, die die Zeichnung ersetzt) eines Klebeschichtabschnitts des erfindungsgemäßen elektronischen Teils.
  • 5 ist eine SEM-Fotografie (die die Zeichnung ersetzt) eines Klebeschichtabschnitts des erfindungsgemäßen elektronischen Teils.
  • 6 ist eine SEM-Fotografie (die die Zeichnung ersetzt) eines Klebeschichtabschnitts eines herkömmlichen elektronischen Teils.
  • 7 zeigt die Ergebnisse eine Zuverlässigkeitstests einer Halbleiterpackung, die das erfindungsgemäße elektronische Teil bildet. 7a zeigt den thermischen Widerstand und 7b die relative Variation eines Drain-Stroms.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden im Detail erläutert.
  • Das Material der für die erfindungsgemäße leitfähige Paste verwendeten leitfähigen Partikel P ist nicht eingeschränkt, solange sie elektrisch und thermisch leitfähig sind. Das Material umfasst beispielsweise Gold (Au), Silber (Ag), Kupfer (Cu) oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Materialien umfasst. Unter diesen sind leitfähige Partikel, bestehend aus Silber bevorzugt.
  • Die Ag-Partikel in einer Ag-Paste, die eine typische leitfähige Paste ist, haben eine mittlere Partikelgröße zwischen ungefähr 4 und 10 μm und sind wie Schuppen geformt. In einer anderen Ag-Paste, enthaltend sphärische Ag-Partikel, beträgt die Partikelgröße der sphärischen Ag-Partikel mindestens zwischen 1 und 3 μm.
  • Die erfindungsgemäße leitfähige Paste ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Mischung leitfähiger Partikel der obigen Partikelgröße und kleineren feinen sphärischen leitfähigen Partikeln Ps besteht. Die durchschnittliche Partikelgröße der feinen sphärischen Partikel liegt bevorzugt zwischen 0,05 und 1 μm und insbesondere zwischen 0,1 und 0,5 μm. Ferner ist die Partikelgröße vorzugsweise zwischen 0,05 und 1 μm und insbesondere zwischen 0,08 und 0,6 μm. Das Verhältnis der feinen sphärischen Partikel zu den größeren leitfähigen Partikeln liegt vorzugsweise zwischen 1 : 200 und 1 : 2, insbesondere zwischen 1 : 100 und 1 : 2 und noch bevorzugter zwischen 1 : 50 und 1 : 4. Der Begriff "Größe", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf eine Partikelgröße für sphärische Partikel oder die Länge der Partikelebene in Längsrichtung der schuppenförmigen Partikel. Wenn diese Paste für die Herstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Teils, beispielsweise eines Halbleiterbauelements angewandt wird und wenn die Größe der feinen sphärischen leitfähigen Partikel oberhalb des obigen Bereichs liegt, kann dies die Effekte dieser Erfindung wie die Verbesserung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten der Schicht der leitfähigen Paste nach Ankleben und Aushärten verringern. Unterhalb des obigen Bereichs kann jedoch die Viskosität der Paste zu hoch sein und die Herstellungskosten der feinen kugelförmigen leitfähigen Partikel können zunehmen, was zu höheren Kosten der Endprodukte führt.
  • Die Menge der in die erfindungsgemäße leitfähige Paste eingemischten feinen kugelförmigen leitfähigen Partikel beträgt vorzugsweise zwischen 20 und 90 Gew.-% der Gesamtmenge der leitfähigen Partikel, insbesondere zwischen 25 und 80 Gew.-%. Wenn diese Paste auf die Herstellung eines elektronischen Teils, beispielsweise eines Halbleiterbauelements, angewandt wird und die Mischungsmenge ist oberhalb des obigen Bereichs, kann dies die Viskosität der Paste zu stark erhöhen, die thermische Leitfähigkeit nach Ankleben und Verfestigen verändern oder die Klebestärke nach Ankleben und Aushärten verringern. Unterhalb des obigen Bereichs können jedoch die erfindungsgemäßen Effekte wie die Verbesserung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten einer leitfähigen Pastenschicht nach Ankleben und Aushärten verschlechtert sein oder variieren.
  • Die Form der leitfähigen Partikel größer als die feinen kugelförmigen leitfähigen Partikel in der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste ist nicht besonders beschränkt, jedoch können beispielsweise schuppenförmige oder kugelförmige Partikel oder deren Mischung verwendet werden. Unter diesen sind schuppenförmige Partikel bevorzugt.
  • Die Menge aller in die erfindungsgemäße leitfähige Paste eingemischten Partikel wird wie erforderlich gewählt, um die thermische oder elektrische Leitfähigkeit oder die Klebeeigenschaften der Paste nach Ankleben und Aushärten nicht zu beeinträchtigen. Um die thermische und elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, kann die Menge der eingemischten leitfähigen Partikel erhöht werden, jedoch verringert dies die relative Menge des Harzes mit Klebeeigenschaften, wodurch, wie später beschrieben wird, die Klebekraft verringert wird. So wird abhängig von dem Typ und der Verwendung des elektronischen Teils die Mischmenge wie erforderlich gewählt unter Berücksichtigung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit und der Klebeeigenschaften.
  • Das in der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste enthaltene aushärtbare Harz ist nicht besonders eingeschränkt, solange es nicht die thermische oder elektrische Leitfähigkeit der Paste nach Ankleben und Aushärten beeinträchtigt und solange es die beiden Teile zusammenhält, wenn es ausgehärtet ist. Normalerweise wird ein wärmehärtendes Harz wie ein Epoxidharz verwendet. Ein Aushärtmittel oder Härtungsbeschleuniger kann in das Harz eingemischt sein. Die Zusammensetzung des aushärtbaren Harzes in der Paste ist nicht spezifisch eingeschränkt, solange sie nicht die thermische oder elektrische Leitfähigkeit der Paste nach dem Verkleben und Aushärten beeinträchtigt und solange sie nicht die Klebeeigenschaften verschlechtert. Sie wird auf die gleiche Weise geeignet gewählt wie die Zusammensetzung aller leitfähigen Partikel, die oben beschrieben ist.
  • Das in der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste enthaltene Viskositätssteuermittel ist nicht spezifisch beschränkt, solange es den obigen aushärtbaren Harz löst, um so die Viskosität der Paste zu verringern. Die Menge des eingemischten Viskositätssteuermittels wird wie erforderlich gewählt in Abhängigkeit von der Viskosität der Paste, die sich mit der Menge der leitfähigen Partikeln in der leitfähigen Paste, der Partikelgröße oder -form der Partikel verändert. Die Mischmenge ist jedoch vorzugsweise minimiert, um das Auftreten von Hohlräumen und das Verbleiben von Lösemittel in der Paste nach dem Verkleben und Aushärten zu vermeiden, wie oben beschrieben wurde.
  • Nun wird ein elektronisches Teil beschrieben, das unter Verwendung der oben beschrieben erfindungsgemäßen leitfähigen Paste hergestellt wird.
  • Das erfindungsgemäße elektronische Teil benötigt eine Wärmeableitfähigkeit und weist ein Heizelement und einen Radiator (Wärmeabgabeelement) auf, welche mittels einer Klebeschicht miteinander verklebt und aneinander fixiert sind. Das elektronische Teil ist dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeschicht aus einer Mischung aus wenigstens leitfähigen Partikeln und einem Harz besteht und dadurch, dass die leitfähigen Partikeln derart gemischt sind, dass leitfähige Partikel einer kleineren Partikelgröße zwischen leitfähigen Partikeln einer größeren Partikelgröße eingebettet sind. Aufgrund einer hohen thermischen Leitfähigkeit trotz des Bestehens einer elektrischen Leitfähigkeit verbessert eine solche Klebeschicht die Abstrahlfähigkeit und so die elektrischen Charakteristika und die Stabilität des elektrischen Teils. Dies rührt daher, dass die Mischung der kleineren Partikel zwischen den größeren Partikeln die Anzahl von Kontakten unter den Partikeln und so die Kontaktfläche erhöht, wodurch die Anzahl von Wärme- und elektrischen Leitfähigkeitswegen von der Oberseite zur Unterseite der Klebeschicht zunimmt. Da weiterhin einige der herkömmlichen größeren Partikel durch kleinere Partikel ersetzt werden, kann die Dicke der Klebeschicht verringert werden, wodurch die Dicke des Films des elektronischen Teils und so der thermische und elektrische Widerstand verringert wird.
  • In der Klebeschicht des erfindungsgemäßen elektrischen Teils mit diesen Effekten ist die mittlere Partikelgröße der leitfähigen Partikel einer kleineren Partikelgröße vorzugsweise zwischen 0,05 und 1 μm. Weiterhin ist die Mischrate der leitfähigen Partikel einer kleineren Partikelgröße relativ zu allen leitfähigen Partikeln in der Klebeschicht vorzugsweise zwischen 20 und 90 Gew.-% und insbesondere zwischen 20 und 80 Gew.-%. Die leitfähigen Partikel einer größeren Partikelgröße in der Klebeschicht können wie Schuppen oder Kugeln geformt sein oder eine Mischung aus beiden bilden. Darunter sind schuppenförmige Partikel bevorzugt.
  • Um eine solche Klebeschicht zu bilden, wird vorzugsweise die erfindungsgemäße leitfähige Paste verwendet. Wenn die erfindungsgemäße leitfähige Paste verwendet wird, sind die Abmessungen der leitfähigen Partikel einer größeren und einer kleineren Partikelgröße in der Klebeschicht in dem erfindungsgemäßen Teil beinahe gleich den Größen der größeren leitfähigen Partikel und der feinen kugelförmigen leitfähigen Partikel der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste.
  • Aufgrund ihrer kleinen Partikelgröße können die feinen kugelförmigen leitfähigen Partikel in der erfindungsgemäßen Paste aufgrund der zum Aushärten des Harzes in der Paste verwendeten Wärme gesintert werden, so dass die Formen und Abmessungen der in der Klebeschicht ausgebildeten leitfähigen Partikel geringfügig sich von denjenigen der leitfähigen Paste unterscheiden können.
  • Das erfindungsgemäße elektronische Teil, welches eine Wärmeableitungsfähigkeit erfordert, weist beispielsweise eine Halbleiterpackung mit einem auf einem Leiterrahmen aufgebrachten Halbleiterchip, eine Abstrahlplatte oder Leiterplatte auf. Die Größe einer solchen Halbleiterpackung und die Schichtdicken in der Packung werden kontinuierlich verringert, um einen Aufbau hoher Dichte zu erreichen, und die erfindungsgemäße leitfähige Paste ist optimal für die Herstellung nicht nur herkömmlicher relativ großer Packungen, sondern auch kleinerer mit dünneren Schichten.
  • Die anderen Anwendungen der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste umfassen Verbindungen zwischen Elektroden in Chip-Kondensatoren oder -Widerständen, Plasmabildschirm-Elektroden oder Heizelementen in Thermoköpfen.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterpackung, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Teils darstellt. Ein Halbleiterchip 3 mit einer mit Gold beschichteten Klebeoberfläche wird auf die Oberseite eines Leiterrahmens, dessen Oberfläche mit Gold beschichtet ist, mittels einer erfindungsgemäßen Klebeschicht 2 verklebt und fixiert, welche Klebeschicht aus einer Silberpaste besteht. Elektrodenabschnitte des Halbleiterchips und Leiter des Leiterrahmens 1 werden mit Verbindungsdrähten miteinander verbunden. Der Halbleiterchip und die Verbindungsdrähte werden mit Gussharz 5 und 6 abgedichtet, um von externen Spannungen, Feuchtigkeit oder Verschmutzung geschützt zu sein. Obwohl die Form des Teils des Leiterrahmens 1, der sich außerhalb des Harzes befindet, nicht dargestellt ist, erstrecken sich die Leiter, die zur Verbindung zu einer Leiterplatte verwendet werden, nach außerhalb des Leiterrahmens 1. Ferner kann auf das Gussharz 6 verzichtet werden, um einen Halbleiterchip aufzubringen, der eine größere Wärmemenge erzeugen kann, um eine Halbleiterpackung zu erhalten, deren Leiterrahmen 1 als Abstrahlplatte freiliegt.
  • Ein Schritt der Befestigung einer solchen Halbleiterpackung (Kleben und Fixieren des Halbleiterchips 3 auf der Oberseite des Leiterrahmens 1) wird wie folgt ausgeführt.
  • Zunächst wird, wie in 2A gezeigt, der Leiterrahmen 1 mit der Goldschicht 10 auf ihrer Oberseite auf einem Heizgerät 7 angeordnet und vorgeheizt. Eine festgelegte Menge der leitfähigen Paste 8 wird durch eine Düse 9 auf den Leiterrahmen 1 getropft.
  • Dann wird, wie in 2B gezeigt ist, der Halbleiterchip 3 mit einer goldbeschichteten Schicht 12 mittels einer Zange 11 über eine Vakuumöffnung 13 angesaugt und über dem Leiterrahmen positioniert. Der Halbleiterchip 3 wird dann auf die auf den Leiterrahmen 1 aufgetropfte leitfähige Paste 8 aufgesetzt.
  • Anschließend wird, wie in 3C gezeigt ist, der auf der Halbleiterpaste aufgelegte Halbleiterchip sanft von oben angepresst, um so geeignet mit der Paste zu verkleben, woraufhin die Zange zurückgezogen wird. Die Paste wird dann aufgeheizt, um das Lösemittel zu verflüchtigen, während das Harz aushärtet, um den Befestigungsprozess zu beenden. Die Heiztemperatur muss ausreichend sein, um das Lösemittel genügend zu verflüchtigen, so dass das Harz aushärtet und ist nicht besonders eingeschränkt, solange der Halbleiterchip nicht beeinträchtigt wird. Nach dem Aushärten kann das Harz bei einer festgelegten Temperatur ausgeheilt werden.
  • Aufgrund ihrer kleinen Partikelgröße haben die in die erfindungsgemäße leitfähige Paste gemischten feinen kugelförmigen Partikel eine geringe Sintertemperatur. Daher werden die leitfähigen Teile während des Heizschrittes leicht gesintert, wodurch die Ausbildung von Wärme- oder Elektronenleitwegen erleichtert wird, wodurch verglichen mit herkömmlichen leitfähigen Pasten die thermische oder elektrische Leitfähigkeit verbessert wird. Ferner beseitigt die Erfindung die Notwendigkeit für ein Ausheilen, das erforderlich ist, wenn eine herkömmliche Paste verwendet wird, wodurch die Herstellungszeit verringert wird.
  • 3 zeigt einen Halbleiterchip nach der Montage in Seitenansicht (ein Foto, das die Zeichnung ersetzt). Die leitfähige Paste umfasst eine Mischung aus schuppenförmigen Ag-Pulver und feinem kugelförmigem Ag-Pulver gemäß dieser Erfindung.
  • Der erfindungsgemäße Strahler ist nicht auf die Abstrahlplatte oder Leiterplatte beschränkt, solange sie es erlaubt, dass der darauf montierte Chip Wärme ableitet.
  • Die Erfindung wird im Folgenden noch detaillierter unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben, in der sie auf die Herstellung einer Halbleiterpackung angewandt wird, auf welchen Aspekt die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
  • Als erfindungsgemäße leitfähige Paste wurde eine Ag-Paste hergestellt, die Ag-Pulver mit einer Mischung aus kugelförmigem Ag-Pulver mit einer Mischung aus schuppenförmigem Ag-Pulver von 1 × 2 μm und 0,2 μm Dicke und feinem kugelförmigem Ag-Pulver einer Partikelgröße zwischen 0,1 und 0,5 μm, Epoxidharz und ein Lösemittel enthielt. Die Menge des eingemischten feinen kugelförmigen Ag-Pulvers war 25, 50, 75 bzw. 90 Gew.-% allen Ag-Pulvers und eine Ag-Paste enthaltend 0 Gew.-% des feinen kugelförmigen Ag-Pulvers (enthaltend nur schuppenförmiges Ag-Pulver) wurde auch als Vergleichsbeispiel hergestellt. Zusätzlich war die Gesamtmenge des in die Ag-Paste gemischten Ag-Pulvers so gewählt, dass der Anteil des Ag-Pulvers in der Ag-Paste nach dem Aushärten 85 Gew.-% betragen würde.
  • Diese Ag-Pasten wurden verwendet, um die in 1 gezeigte Halbleiterpackung herzustellen. Ein Galliumarsenid- oder Si-Chip, der mit Gold auf seiner Klebeoberfläche beschichtet war und Abmessungen 0,5 × 0,4 mm und 160 μm Dicke (s) aufwies und ein Leiterrahmen aufweisend Kupfer oder 42-Legierung mit Goldbeschichtung mit einer Dicke (r) von 110 μm wurde verwendet, um eine Halbleiterpackung herzustellen, bei der die Klebeschicht 2 eine Dicke (b) von 5 μm hatte, wobei das Gussharz 5 eine Dicke (h2) von 0,6 mm hatte und die Packung eine Dicke (h1) von 0,9 mm und eine Breite (w) von 2 mm hatte. Der Chip wurde wie in 2 gezeigt montiert.
  • Die in der Packung erhaltene Klebeschicht wurde bezüglich thermischen Widerstandes und Verbindungsstärke vermessen und die Packung wurde bezüglich Verlässlichkeit untersucht. Die Klebeschicht wurde auch unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) untersucht. Bezüglich der Verbindungsstärke wurde ein 2 mm2 Glas an den goldbeschichteten Leiterrahmen unter Verwendung der Ag-Paste angeklebt und eine externe Kraft auf das Glas in einer Richtung parallel zu der Klebefläche angewandt und die Verbindungsstärke bezieht sich auf die externe Kraft, die angewandt wurde, wenn das Glas abgehoben wurde.
  • Die in Tabelle 1 gezeigten Ergebnisse geben an, dass die unter Verwendung der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste gebildete Klebeschicht aufgrund der Einmischung eines kugelförmigen Ag-Pulvers einen deutlich verringerten thermischen Widerstand hat. Die in Tabelle 1 gezeigten thermischen Widerstandswerte sind als Bereiche gezeigt und diese Werte geben durch Herstellung und Untersuchung mehrerer Proben erhaltene Maximal- und Minimalwerte an. Die Differenz zwischen den Maximal- und Minimalwerten des Wärmewiderstandes, d. h. die Dispersion des Wärmewiderstands, ist eindeutig klein. Zum Vergleich wurde der Wärmewiderstand eines Hartlötmittels (Au-Sn) zu 20,4 (°C/W) gemessen. Es ist klar, dass der Wärmewiderstandswert mit der Art der Packung variiert.
  • Ausführungsbeispiel 4, bei dem der Anteil des feinen kugelförmigen Ag-Pulvers 90% war, hatte eine große Dispersion des thermischen Widerstandes und eine größere Viskosität und geringere Verbindungsstärke als Ausführungsbeispiel 1 (Inhalt des feinen kugelförmigen Ag-Pulvers: 50 Gew.-%), wie in Tabelle 2 gezeigt ist. So ist bei dem Herstellungsprozess der Halbleiterpackung unter Verwendung des Auftropfens der Paste durch eine Düse der Inhalt des feinen kugelförmigen Ag-Pulvers vorzugsweise 90% oder weniger und insbesondere 80% oder weniger. Auch mit 90 Gew.-% feinem kugelförmigem Ag-Pulver können durch Veränderung des Viskositätssteuermittels oder Verwendung eines Druckbeschichtungsverfahrens die Nachteile beseitigt werden und die Dispersion des thermischen Widerstandes kann verringert werden. Weiterhin ist aufgrund der mit 25 Gew.-% des feinen kugelförmigen Ag-Pulvers erhaltenen geringen Dispersion die Untergrenze des Anteils dieses Pulvers vorzugsweise 20 Gew.-% und insbesondere 25 Gew.-% oder mehr. Tabelle 1
    Figure 00160001
    • Dispersion des thermischen Widerstandes
    Differenz zwischen Maximal- und Minimalwerten des thermischen Widerstandes
  • Tabelle 2
    Figure 00160002
  • Die 4 und 5 zeigen SEM-Fotografien der Klebeschichten in den gemäß Ausführungsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Halbleiterpackungen. 6 zeigt ein SEM-Foto der Klebeschicht in einer gemäß dem Vergleichsbeispiel erhaltenen Halbleiterpackung. Die weißen bandförmigen Abschnitte an der Oberseite und Unterseite der Fotografien zeigen die Au-Beschichtungen. Der Bereich zwischen den beiden Au-Beschichtungen ist eine Klebeschicht, wobei der weiße Abschnitt Ag-Partikel zeigt, während der schwarze Abschnitt 1 Harz zeigt. Die feinen Ag-Partikel sind leicht gesintert.
  • Wie aus den 4 und 5 deutlich wird, sind in der Klebeschicht der erfindungsgemäßen Halbleiterpackung die feinen Ag-Partikel beinahe gleichmäßig zwischen die größeren schuppenförmigen Ag-Partikel gemischt und der Harzanteil ist klein. Andererseits ist, wie in 6 gezeigt ist, bei der Klebeschicht enthaltend nur schuppenförmige Ag-Partikel die Verteilung und Orientierung der Partikel nicht gleichmäßig und der Harzanteil ist groß. Die leitfähige Paste gemäß der vorliegenden Erfindung verringert die Dispersion des thermischen Widerstandes der Klebeschicht, da die feinen leitfähigen Partikel zwischen das schuppenförmige Ag-Pulver gemischt sind, um die Verteilung und Orientierung der schuppenförmigen Partikel gleichmäßig zu machen, während gleichzeitig die Kontaktwahrscheinlichkeit zwischen den Partikeln zunimmt.
  • 7 zeigt die Ergebnisse des Zuverlässigkeitstests der unter Verwendung der Ag-Paste gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellten Halbleiterpackung. 7a zeigt die Messergebnisse des thermischen Widerstandes (Rth) von 20 Proben, die bei einer Temperatur von 150°C für 1000 Stunden vor dem Beginn des Tests gehalten wurden (relativer Wert; ΔRth). 7b zeigt die relative Veränderung (ΔIDSS) eines beobachteten Drain-Stroms, wenn die gleichen 20 Proben verwendet wurden, um einen Temperaturzyklus von –65° über 25°C bis 150°C (ein Zyklus dauert ungefähr 70 Minuten) 500 mal zu wiederholen. Der Drain-Strom wurde gemessen, wenn die Gate- und Drain-Spannung des FET-Chips auf 0 V bzw. 1,5 V eingestellt wurden. In jedem Test fiel die Variation jedes Wertes innerhalb ±10% des Ursprungswertes, was angibt, dass die erfindungsgemäße Halbleiterpackung eine stabile Abstrahlfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit) und elektronische Charakteristika hat und so praktisch ausreichend zuverlässig ist.
  • Wie oben beschrieben kann die vorliegende Erfindung eine leitfähige Paste liefern, die eine praktisch ausreichende Verbindungsstärke und Pastenviskosität liefert, eine hohe thermische Leitfähigkeit (einen niedrigen thermischen Widerstand) nach Ankleben und Aushärten zeigt und eine dünn ausgebildete Klebeschicht erlaubt. Zusätzlich verhindert die erfindungsgemäße leitfähige Paste eine Veränderung des thermischen Widerstandes (thermischen Leitfähigkeit) nach Ankleben und Aushärten und weist eine genügende elektrische Leitfähigkeit auf.
  • So kann die erfindungsgemäße leitfähige Paste geeignet auf die Produktion eines elektronischen Teils angewandt werden, das leicht Hitze erzeugt und das Hitze unterworfen ist, insbesondere ein elektronisches Teil, auf dem ein Halbleiterchip wie ein Stromversorgungselement montiert ist.
  • Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße leitfähige Paste die Ausbildung einer dünnen Klebeschicht, wodurch die Schichtdicken und die Größe der elektronischen Teile verringert werden kann. Die thermische Leitfähigkeit nach dem Ankleben und Aushärten der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste ist immer noch geringer als diejenige von Hartlötmittel, wurde jedoch bis auf einen Wert nahe diesem verbessert und herkömmliches Hartlötmittel erfordert eine bestimmte Dicke der Klebeschicht (zwischen 12 und 16 μm für Au-Sn), was zu einer Beschränkung der Verringerung der Schichtdicken und der Größe der elektronischen Teile führt. So ist die erfindungsgemäße leitfähige Paste insbesondere effektiv für elektronische Teile, für die herkömmliches Hartlötmittel verwendet werden muss aufgrund der Leichtigkeit der Wärmeerzeugung und der Hitzebeanspruchung und die eine Verringerung der Schichtdicken und Abmessungen erfordern.
  • Ein unter Verwendung der erfindungsgemäßen leitfähigen Paste zur Verklebung und Fixierung hergestelltes elektronisches Teil hat eine exzellente Wärmeabstrahlkapazität aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der Klebeschicht. Zusätzlich hat die Klebeschicht aufgrund der ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit exzellente elektrische Charakteristika. Daneben liefert die Klebeschicht aufgrund ihrer kleinen Dicke hohe thermische und elektrische Leitfähigkeiten, die eine Verringerung der Schichtdicken und Abmessungen des elektronischen Teils ermöglichen. Ferner ist das erfindungsgemäße elektronische Teil aufgrund der praktisch ausreichenden Klebestärke genügend zuverlässig.

Claims (8)

  1. Thermisch und elektrisch leitfähige Paste, aufweisend: einen ersten Typ leitfähiger Partikel (P) bestehend aus schuppenförmigen Partikeln, einen zweiten Typ leitfähiger Partikel (Ps) bestehend aus kugelförmigen Partikeln, ein härtbares Harz, wobei das Verhältnis der Partikelgröße des ersten Typs leitfähiger Partikel (P) zu der Partikelgröße des zweiten Typs leitfähiger Partikel (Ps) zwischen 200 : 1 und 2 : 1 ist.
  2. Leitfähige Paste nach Anspruch 1, wobei die Partikelgröße des zweiten Typs der leitfähigen Partikel zwischen 0,05 μm und 1 μm, insbesondere zwischen 0,1 μm und 0,5 μm liegt.
  3. Leitfähige Paste nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikelgröße des ersten Typs leitfähiger Partikel zwischen 4 μm und 10 μm liegt.
  4. Leitfähige Paste nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Partikelgröße des ersten Typs leitfähiger Partikel zwischen 1 μm und 3 μm liegt.
  5. Leitfähige Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Mischungsrate des zweiten Typs der leitfähigen Partikel relativ zu allen leitfähigen Partikeln zwischen 20 und 90 Gewichtsprozent liegt.
  6. Leitfähige Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Material der leitfähigen Partikel gewählt ist aus Gold, Silber, Kupfer und einer Legierung enthaltend wenigstens eines dieser Materialien.
  7. Elektrogerät aufweisend ein Heizelement (3) und einen Strahler (1), die mittels einer Klebeschicht verklebt und miteinander fixiert sind, welche Klebeschicht eine leitfähige Paste nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements aufweisend die Schritte: – Bereitstellung einer Leiterplatte (1), – Auftragen einer leitfähigen Paste (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Oberseite der Leiterplatte, – Aufsetzen eines Halbleiter-Chips (3) auf die leitfähige Paste (8), und – Heizen der leitfähigen Paste (8), wobei der härtbare Harz gehärtet und die leitfähigen Partikel gesintert werden.
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