JPS5873904A - 銀充填ガラス - Google Patents

銀充填ガラス

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JPS5873904A
JPS5873904A JP57132939A JP13293982A JPS5873904A JP S5873904 A JPS5873904 A JP S5873904A JP 57132939 A JP57132939 A JP 57132939A JP 13293982 A JP13293982 A JP 13293982A JP S5873904 A JPS5873904 A JP S5873904A
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glass
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レイモンド・エル・テイ−ツ
マイケル・フイ−ザ−ビイ
ピ−タ−・ケイ・マ−ギツツ
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JIYONSON MASHII Inc
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般的にいえば銀−金属化に係る。
更に詳しくいえば、本発明は特に珪素半導体装置を基質
に結合するのに使用する釧−充填ガラス組成物に関する
。
釧−金属化組成物の起源は装飾エナメル化にあったが、
厚膜ノ・イブリッド電気回路機構における用途として早
くから使用されていた。初期の研究者の関心は、しかし
ながら、強力にセラミック基質に接着する組成物の設計
に集中されていた。（・わゆる“スコッチテーゾテスト
”が初期の接着力の基準であった。にｎｏｘ　　の米国
特許第２３ざｓ、ｓｇ。
号には、硼珪酸鉛ガラス中に高含有率で酸化ビスマスを
含むものが開示されている。これは銀に対して広範に使
用されているが他の貴金属に対してはモ斥分であった。
Ｈｏ　ｆ　ｆｍａｎの米国特許第３、　＋　＋　０．　
／　ｇ　２号には、貴金属金属化組成物の接着力、はん
だ付は適性および伝導性を改善するためにバナジウム並
びに銅酸化物を添加することが開示されている。これら
組成物は珪素一体化回路などの装置を基質に接着するた
めの媒体としてというよりもむしろ伝導体として使用さ
れていた。
この部類にあっては、金−ペースのインキもしくはブレ
フオームが、良好な結合を達成するために低温金−珪素
共融混合物の利点を考慮すれば、最も一般的であった。
かかる結合の形成に要する金の量を減じるためにかなり
の努力が払われたにもかかわらず、その高価であること
は可能なあらゆる用途に使用することを可能としていな
い。
電子工業における気密パッケージから金を排除するため
に長年に亘り多大な努力がなされていた。
金を排除するための一層困難な１つの問題はＭＳＯ技術
にみられ、これは背面低抵抗接触を有さなければならな
いという要求に基（ものであり、今においても尚、金暎
このような用途において選ばれた材料である。
プラスチックパッケージは：、全結合ワイヤーおよびウ
ェーファー背面に蒸□着された金を除き、金に対する要
求を殆ど排除した。フレーム上の金および金プレフォー
ムはこのような）ぐツケー、ジ中に銀フレークを充填し
たニブキシおよびポリアミド樹脂を使用することにより
排除された。
銀−充填Ｉリイミドは気密ｉ’ｌ？ツケージにおけるグ
イ付着用に使用されている。ポリアミドの最終的な架橋
の問題並びに密封中に発生するＣ０２およびＨ２Ｏのた
めに、釧−充ｔ！ｉｔｆリアミドはそれ程犬量には生産
されなかった。
鋼−金糸には低温相はなく、これは固溶体の連続相であ
り、かつ釧−珪素系は共融点を有するが高温（ｇ００℃
以上）である。従って、銀をペースとする系は実際に釧
それ自体が殆どもしくはまったく関与しないような基本
的に異った結合機構を利用しなければならない。
か（して、珪素グイを銀金異化表面に付着させるために
金のゾ、レフオームを使用する場合には、結合機構は一
方では金−珪素共融混合物形成であり、他方では一：１
：＝液拡散であって、ガラスが結合強度の主要な役割を
演じる。これは冶金学的結合よりも弱いので、熱伝導度
並びに電気伝導度は所定の値よりも低い。
この目的で純ガラス結合も使用されているが、予想され
るように伝導性元素なしでは前記両伝導度は損われる。
釧ポリイミド組成物に関しては、配合し得る銀の量は制
限され、かつ特殊な加工が必要とされる（大量生産のた
めには、加工の均一性が重要な価格決定因子となる）。
ポリイミドもしくは他の任意の有機結合系の最大の欠点
はセルデッブス（Ｃｅｒｄｉｐｓ）などの気密／４’ツ
ケージにおいて使用することができないことである。な
んとなれば、これらは吸湿性で、脱ガス不可能、かつこ
のような２やツケージの組立てにおいて使用される高温
度には耐え得ないからである。
本発明は珪素グイと基質との間に、該基質が金属化され
ていようといまいと、強力な結合を与える鋏−充填ガラ
スを提供するものであり、該欽−充填ガラスは調節し得
る熱並びに電気伝導度を有し、かつ気密・ぐツケージ状
態で使用することができる。
本発明の一般的な目的は、珪素ダイな基質に結合するた
めの改良された媒体を提供することにある。
本発明の仙の目的は、通常の加工条件下で、珪素グイと
金属化されたもしくはそのままの基質との間に強力な結
合を形成するために使用される銀−充填ガラスを提供す
ることである。
本発明の更に別の目的は、珪素グイと基質とを結合する
ための銀−充填ガラスであって、金−ペース系よりも安
価で、他の銀もしくは非金属系よりも高い伝導性並びに
結合力を有し、気密・やツケージ状態での用途に適した
前記欽−充！ガラスを提供することにある。
更に他の本発明の目的は、バンダー基質として並びに基
質に対してコンデンサーチップを結合するのに有用な鋼
−充填ガラスを提供することにあるＯ 本発明の他の目的は、接着性において金−珪素共融混合
物と同程度に良好で、かつ熱誘起応力において該共融混
合物よりも低い、アルミナ基質と珪素ダイとを結合する
ための釧−充填ガラスを提供するととである。
本発明の他の種々の目的並びに利点は以下の実施態様の
記載から明らかとなろう。また、本発明の新親な特徴は
、特に特許請求の範囲に関連して指摘されるであろう。
本発明において使用する鋼粉末を選ぶに際し、球状並び
にフレーク状粉末両者が良好に機部することがわかった
。しかしフレーク状粉末の方が光沢よく、かつ一層高い
金属様外観の仕上りを与える。愚人かの研究者は銅導体
としてフレーク状のものを特定したｈミ、これは結合媒
体というよりもむしろ電流搬送用６ワイヤー”としてで
あったことは興味あることである。ここで、伝導性は長
さに沿ってではなく、厚さに対してのものである。
本発明にとって満足な鋼は、０．２〜／φの範囲内の表
面積と２０．２〜２０ｇη稙のタッグ密度（粉末の密度
）とを有するものモへある。
１：。
ガラスは第２に重要な成分モあり、これはダイ−接着温
度、’１２！；−１Ｉ３０℃において溶融状態であるよ
うに低融点を有することが必須である。
この要件を満たす選ばれた好ましいガラスは軟化淵１　
、？　２　、！ｔ　℃を有し、かつ以下の組成を有する
：ＰｂＯｑ、５−−９６％ Ｓ　ｉ　Ｏ２０−２３−２，５％ ８２°３　　　　残部 少量（０，５％以下）のＺｎＯは有害ではないが、珪素
を侵食するのでナトリウムの存在は完全に避けるべきで
あることがわかった。酸化ビスマスも低−融点ガラスに
配合し得るが、酸化鉛よりも混線が困難であり、かつ処
方物処理において使用するプラチナを侵食する恐れがあ
る。かくして、鉛をビスマスに代えることは避けるべき
である。
このガラスは以下のような規格に合うように高純度アル
ミナジャー、ミ、ル内で、粉暮され、フリット化される
： 表面積　　０．３〜θ、６Ｃｆ タップ密度、”・・　　　コ６ｇ〜３．乙にヒ一般的に
、３２λ〜’Ｉ　２　ｋ　’Ｃの範囲内の軟化点および
約／　３　ｐｐｒｒｙ’Ｃ以下の、好ましくはｇ〜／３
ｐｐＩｖ″Ｃの範囲の熱膨張係数を有するガラスを使用
することができる。
軟化点は、すべての有機物が焼却されることを保証する
ために少なくとも３２５　’Ｃでなければならない。軟
化点が１１２！；℃よりも高〜・場合、ダイ接着温度に
おいてガラスは十分に流体とはならな（・。次に、ガラ
スを以下に記載するような溶剤と混合しく固形分ｇθ％
）、３−ロールミルで粉砕して７〜ｇμの粒径（Ｆ、Ｏ
，Ｇ、）　　とする。
当業者には、溶剤の選択が臨界的でないこと、および種
々の適当な溶剤を使用し得ることが理解されよう。勿論
、焼却は所定の温度下で行わねばならない。この場合、
選ばれた溶剤は エチルメタクリレート　　　　　／Ｊ％テルピネオール
（Ｔｅｒｐｉｎｅｏｌ）　　　ｇ　ｇ　％を含む。
次いで、２ｇ　：　７！；−９！；　：　！；の限界内
には〜・るような、以下に議論する所定の銀ニガラス比
で、銀をガラスペーストに添加する。溶剤を更に加えて
（全）固形物の割合が７５−８５％となるように調節し
て、ペーストまたはインキとする。この範囲外ではレオ
ロジーに係る問題を生じるので、一般にはｇθ〜ｇ３％
の範囲内の固形分含有率であることが好ましい。この濃
度において、典型的ニ、イーストはＴＦスピンドルを有
するＢｒｏｏｋｆｉｅｌｄ　　ＲＶ　Ｔ粘度計を使用し
、２ｇ℃にて、λθＲＰＭで測定した粘度コθ〜−コＫ
ｃｐｓ　　を有する。
ペーストの用途は本質的に従来と同じである。
用途に応じて金属化されたもしくはそのままのフィルム
（セラミック）基質上の点、正方形もしくは仕切られた
領域にペーストを適用する。機械分配、スクリーン印刷
もしくはスタンプ法などすべて利用し得る。点状に適用
する場合・は、数点の大きさはダイよりも約２Ｓ％大き
い。このダイはこれを湿ったペーストの中央に雪き、か
つこれを加圧することＫより“固定１して付着され、そ
の結果ペーストは該ダイの側方に流れ出て約半分程盛り
上り、薄いフィルムをダイ下方に残す。オーブン内、で
の乾燥は３０〜７３℃にて一〇〜ｌＩＯ分間行われる。
有機物の焼却はピーク温度３．２５〜１Ｉｓｏ℃にて２
〜３分間、サイクル時間／Ｓ〜、２０分で行われる。添
付図において、基質１０は釧−充填ガラス１４の層で基
質に付着されたダイ１２と共に示されている。該ガラス
１４は１固定”中にダイ端部から流れでている。テスト
する目的で、ノヤツケージを３ｑθ〜Ｓ２り℃の範囲で
の模擬（パッケージ）密封サイクルに付したＣ１１．３
０℃にて７３分）。更に、該ダイは公知のスクラビング
法によって接着することができ、また熱時（ｈｏｔ−ｓ
ｔａｇｅ）振動結合法を利用することもできる。
本発明の驚くべき利点は、結合の機械的強度が銀含量に
比例することである。標準的ブツシュテスト（ｐｕｓｈ
　ｔｅｓｔ）（Ｍｉｌ、５ｐｅｃ、ざｇ３Ｂ＊方法２０
　／　ｑ、／　）によれば銀３０〜デ５％の範囲に対し
約２．２６ｇ〜７．７　／　／　Ｋｒ　（５〜／クポン
ド）であることがわかった。予想されるように、電気伝
導性も鋼の含有量によって改良される。下限において、
抵抗率は市販のエポキシ系のもの（２Ｓ〜３３μＯｈ品
・ｃｒｒＬ）、例えばＥＰＯ−ＴＥにＰ−１０に匹敵す
る値であり、かつ高い銀濃度の下ではこれはＳ〜１０μ
ｏｈｍ−傭に低下する。
基質が金属化された場合、許容される結合はΦ Ａｔニガラス比、２５　：　７ｊ〜Ｉｓ−：５の範囲に
て達成される。そのままのアルミナについては、Ｓｏ：
Ｓθ〜９０　：　１０の範囲に保つことが好ましい。
“許容−される”とは本発明においてミルスペック（Ｍ
目、５ｐｅｃ、）約／、９０５　Ｋ９（１１，，２，ポ
／ド）以上とも定義し得ることに注意すべきである。
鋼の含有率に伴う結合強度および伝導性両者の増大に関
連して、低銀、高ガラス組成物の利用性に関する問題が
生じる可能性がある。これに対する解答は、一般に意図
する用途に依存する。更に詳しくいえば、ダイか機械的
スクラビング手段によって接着される場合、極めて良好
な結合が２ｓ〜ｌＩＯ％の範囲の銀について達成される
。ある程度までダイをインキ（またはイースト）中に沈
めたいような状＆゛の下では、高調含有量であることが
好ましい。＝戊て高い含有率の上限（例えば７ｇ−９，
ｔ％）においては、テストはインキがそのままの基質に
適用することができ、かつ支持体が、良好なる結果で、
超音波により結合し得ることを示している。９０％以上
の銀を使用することは一般には望まれないであろう。な
んとなれば、接着力は減少しはじめるからである。かく
して、例えば鉛のフレームとダイとを同時に接着するな
どによりある加工工程を省略することを含めて、様々な
可能性がある。
釧の一部を他の基礎金属で置換することが可能であるが
、一般に接着力は低下し、かつ抵抗率はかかる置換に伴
って増大する。特に、１０％までのＮｉ、Ａ　０％まで
のＳｎ　　および約２０％ま′“でのＣｕで置換でき、
許容される結合強度を得ることができる。ただし、焼成
は窒素零囲気ではなく空気中で、配合された金属ニガラ
ス比ざθ：２ｏにおいて行われる（窒素中での焼成は酸
化鉛を減少させ、かつガラスを崩壊する）。
本発明の重要な局面は、最近使用されてきているより大
きな一体化回路に対する適用性である。
更に詳しくいえば、金−珪素共融混合物は弱い金属間結
合物であり、あらゆる結合材料がダイと基質との異った
゛熱膨張率をもたらすに違いないことは公知である。こ
れは小さなチップに関してはさ程大きな問題ではないが
、ＶＬＳＩＣ範囲にあっては密封サイクル温度は熱応力
に基く結合欠損とチップ割れとの両者を引き起こす。本
発明の組成物はメルトよりも軟質であるから、熱衝撃試
験（Ｍｉ　ｌ　、５ｌ）ｅｃ、　　標準ｇｇ３Ｆ３　＃
条件Ａ）によって示されるように、かかる熱応力が避け
られる。
最後に、釧の一部を貴金属特に金に賛えることが望まし
いような場合に、本発明を適用し得るか否かの問題が生
ずる。しかし、このような手段によっては何の利点も得
られないことがわかった。
更に詳しくは、標準的金ペーストを７０／ｑθ〜ざ０／
、２θの範囲のＡｕ　：　Ａｔ　’比の本発明のペース
ト−（Ａｔニガラス比ｇＯ：２０＞と混合した。チップ
に対する接着剤の伝導度は金の含量が高くなるに従って
増大する傾向を示しく結果は決定的ではない）、かつか
かる置換に対する価格的妥当性はまったくなかった。更
に、接着剤の剪断力はより高い金含有率において低下す
る傾向にあるが、どんな濃度でも使用し得る。金−珪素
共融現象はまったくみられなかった。これはたぶん＾ｕ
−ＡＰ−３ｉ　　三成分相図の特徴に基くものであろう
。従って、金を鋼に交換することによる本発明の大きな
経済性を犠牲にする明白な理由は何もない。
本発明の更に重要な応用はチップコンデンサと基質とを
結合することである。例えば、約０３Ｏ３×θ、、２２
９×０．０ｇｇ９ｃｍ（／２０ｘ９０ｘ３！；ミル）の
コンデンサを本発明の銀−充填ガラスのノ母ツド〔約０
．／　２７〜０．／　’７　ｇ籠（Ｓ〜７ミル）〕中に
取付け、乾燥しかつ前述の如く焼成する。剪断力は約Ａ
、、２Ａ　ＯＫｆ　（／　Ｊ、ｇポンド）であり、良好
な電気的接続が側部近傍で達成された。ノ・イブリッド
回路製造について、これは重要な分岐を有している。即
ち、回路チップおよびコンデンサは単一サイクルにおい
て接着され、乾燥され、かつ１゜ 焼成されて良好な結合を有する□。更に、後の加工もし
くは操作は従来のノ・ンダに一ストが溶融する温度下で
実施することができる。
本発明の他の応用は、ハンダの代用としての使用である
。詳しくいえば、好ましいざ０：　２　ＯＡｔニガラス
比並びにざθ〜ｇ５％固体含有率において、本発明の組
成物は焼成サイクルを介して、ノ・ンダさるべき装置を
保持し、一方ハンダは移動を可能とする。
本明細書で記軟し、かつ本発明の訣明のために示された
部分、工程、材料並びに部品の配列における種々の変更
が当業者には可能であるが、これらも特許請求の範囲に
規定した本発明の範囲に含まれるものと理解すべきであ
る。
【図面の簡単な説明】
図は本発明に従って、セラミック基質上に結合された珪
素ダイの断面図を示す。 ノ。 図面の浄領内容に変更なし） 第１頁の続き 優先権主張　０１９８２年３月８日■米国（ＵＳ）■３
５５７１９ ０発　明　者　ピータ−・ケイ・マーギツツアメリカ合
衆国カリフォルニア 州９２０２１エルカジョン・グラニー ト・ヒルズ・ドライヴ１８５０

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 （１）　　２０−９５　％の微粉化銀、ざ０〜５％の低
    融点、微粉化ガラス７リツト、適当な有機ビヒクルを含
    有し、存在する固体の含有率が約７５〜ｇ３％であるこ
    とを特徴とする、銀−充填ガラス金属化ペースト。 （２）　　前記ガラス７リツトが本質的にｐｂｏ　　　
    　９　！；〜１〕 、ｓ　ｏ　２　　　　ｏ、２３〜２５％日２ｏ３　　残
    部 からなることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
    載の金属化（−スト。 （３）　　前記銀の７０％までの量がニッケルで置換さ
    れた、“特許請求の範囲第（１）項記載の金属化に一部
    　ト　。 （４）前記銀の６０％までの量がスズにより置換された
    ことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の金属
    化ペースト。 （５）、２０％までの前記銀が銅で置換されたことを特
    徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の金属化（−ス
    ト。 （６）前記銀の一部を他の貴金属で置換することを特徴
    とする特許請求の範囲第（１）項記載の金属化ペースト
    。 （力　前記能の貴金属が金であることを特徴とする特許
    請求の範囲第（６）項記載の金属化ペースト。 （８）表面積θ７〜ｌθｄ／９およびタップ密度、！、
    、！、！−−２．７！；ｌ）／ｃｃを有する微粉化銀、
    ！、５−〜９Ｓ％、３２５〜’１２！；Ｃの範囲の軟化
    点を有する微粉化ガラス７リツト７５−３％、および固
    体含有率を７３〜ｇ、５％とするのに十分な量の適当な
    有機ビヒクル を含有することを特徴とする、珪素半導体装置をセラミ
    ック基質に接着するために使用する、銀−充填ガラス金
    属化ペースト。 （９）セラミック基質および 該セラミック基質に接着剤によって付着された珪素半導
    体装置 を含み、該接着剤が銀−充填ガラスであることを特徴と
    する、電子アセンブリ。 ００　　前記銀−充填ガラスが２５−９５％の銀を含み
    、かつ該ガラスの軟化点が３２．ｊ　−１２５１：’の
    範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲第（９）項
    記載の電子アセンブリ。 ０υ　前記ガラスが本質的に ＰｂＯｑ＆　ＮｑＡ％ ５１０２　　　　θＳ−ユＳ％ Ｂ２Ｏ５残　　部 からなることを特徴とする特許請求の範囲第０ω項記載
    の電子アセンブリ。 αり　更に前記基質と前記接着剤との間に導電性金属化
    層−を含むことを特徴とする特許請求の範囲第（９）項
    記載の電子アセンブリ。 ０３　　銀−充填ガラス金属化層ゝ・酸物をセラミック
    基質上に適用し、ただし該ガ喪スは軟化点範囲３２　！
    ；−４’λ５Ｃを有し、かつ銀ニガラス比、２！；ニア
    に、〜９５：５の範囲を有する、田力を掛けて前記金属
    化組成物中に珪素ダイを固定してアセンブリを形成し、 該アセンブリを乾燥し、 ｌｌ２ｇ〜、ｔ、０Ｃの範囲内にあるピーク温度にて該
    アセンブリを焼成する、 工程を含む、珪素ダイをセラミック基質に結合する方法
    。 αａ　前記金属化組成物が固体含有率７３−ｇ！ｒ％を
    有し、かつ残部が適当な有機ビヒクルであることを特徴
    とする特許請求の範囲第０項記載の方法。 ａ９　　前記ガラスが約ｑＳ％のＰｂＯを含む、特許請
    求の範囲第α漕項記載の方法。 Ｏｅ　　前記金属化組成物中の銀ニガラス比が約ｇ。 ＝−〇である。ことを特徴とする特許請求の範囲第ａＳ
    項記載の方法。 ０η　前記ガラス″□が本質的に ・　） ＰｂＯ９３ＮｑＡ％ ＆ｏ２　　　　　θ５　Ｎ２．　！；％Ｂ２Ｏ５残部 からなることを特徴とする特許請求の範囲第（１３）項
    記載の方法。
JP57132939A 1981-08-03 1982-07-29 銀充填ガラス Pending JPS5873904A (ja)

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