KR900006013B1 - 은 충전 유리 금속화 페이스트 - Google Patents

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내용 없음.

Description

은 충전 유리 금속화 페이스트

본 발명에 의하여 세라믹 기판상에 접착된 규소 다이의 횡단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 기판 12 : 다이

14 : 은 충전 유리

본 발명은 일반적으로 은 금속화(silver metallization)에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 특히 기판에 규소 반도체 장치의 접착에 적합한 은 충전 유리 조성물에 관한 것이다.

은 금속화 조성물의 기원은 장식 에나멜에 있지만, 일찍이 두꺼운 피막의 혼성 회로소자에 사용되어 왔다. 그러나, 초기의 연구자들의 관심은 세라믹 기판상에 강하게 접착되는 조성물의 디자인에 집중되어 왔었다. 소위, "스카치 테이프 시험(scotch tape test)"이라는 것이 초기의 접착 표준이 되었다. 녹스(knox)의 미합중국 특허 제2,385,580호에는 널리 은에 사용되는 붕소규산납 유리중에 높은 비율로 산화 비스무스를 함유하는 것에 대하여 상설되어 있지만, 다른 귀금속에는 만족스럽지 못하였다. 호프만(Hoffman)의 미합중국 특허 제3,440,182호에는, 일반적으로 귀금속 금속화 조성물의 접착력, 납땜성 및 전도성을 향상시키는 비나듐과 구리산화물의 첨가에 대하여 상설되어 있다. 이러한 조성물은 기판상에 규소집적 회로와 같은 장치를 부착하기 위한 매체로서 보다는 오히려 전도체로서 사용되었다.

후자의 범주에 있어서는, 금-베이스의 잉크 혹은 프리폼(freforms)이, 좋은 결합력을 얻기 위한 저온의 금-규소 공정(共晶)의 잇점을 고려하면 가장 일반적인 것이다. 이와같은 결합의 형성에 사용되는 금의 양을 줄이기 위한 다대한 노력이 기울어져 왔지만, 그 비용은 가능한 곳마다의 그 사용에 있어서 경감되지 못하고 있다. 전자산업에 있어서 기밀 패키지(package)로 부터의 금의 제거에 대하여 수년간에 걸쳐 다대한 노력이 기울어져 왔다. 금을 제거하는 한층 더 어려운 한 분야가 후면의 저저항 접촉의 필요성으로 인한 MOS 기술분야이다. 지금으로는, 금은 여전히 이 분야의 선택된 재료이다.

플라스틱 패키지 분야에서는, 금의 필요성이 와이어 결합금과 웨이퍼(wafer) 후면에의 증착금을 제외하고는 거의 제거 되었다. 프레임상의 금 및 금 프리폼은 이와같은 패키지중에 은 플래이크(flake)를 충전시킨 에폭시 및 폴리이미드 수지를 사용하는 것에 의하여 배제되었다.

은 충전 폴리이미드는 기밀 패키지에 있어서의 다이의 부착용으로 사용되어 왔다. 폴리이미드의 최종적인 가교의 문제 및 밀봉시에 발생하는 탄산가스와 물 때문에, 이것은 상당한 양으로는 생산되지 못하여 왔다.

연속상의 고용체인 은-금계에서는 저온상은 없으며, 단지 고온(800

이상)에서 공정(共晶)을 지닌다. 그래서, 은을 베이스로하는 계는, 특히 은이 본질적으로 거의 또는 전혀 작용하지 않는 근본적으로 상위한 결합반응을 채택하여야만 한다.

따라서, 규소다이를 은 금속화 표면에 부착시키기 위하여 금 프리폼을 사용하는 경우에는, 결합 기구는 한편으로는 금-규소 공정(共晶)이고, 다른 한편으로는 고체-액체 확산이며, 유리가 결합 강도에 있어서 주역할을 한다. 이것은 야금학적 결합보다 약하므로, 그 열전도도 및 전기 전도도는 소망치보다도 낮다.

순수한 유리 결합도 또한, 이 분야에서 사용되지만, 이와 같은 전도성 원소 없이는 전도성이 기대하는 바와같이 충분하지 못하다.

은 폴리이미드 조성물에 관해서는, 배합될 수 있는 은의 양은 제한되며, 특수 공정이 필요하다(대량 생산을 위하여는, 가공의 균일성이 중요한 비용 결정 요소이다). 폴리이미드 또는 다른 임의의 유기적 결합계의 가장큰 결함은, 그것이 세르 딥(Cerdips)과 같은 용접밀폐 패키지에 사용될 수 없으며, 그 이유는 흡섭성이 있고, 가스를 배출시킬 수 없으며, 일반적으로 이 패키지의 조립에 사용되는 고온에서 견딜 수 없기 때문이다.

본 발명의 규소 다이와 기판과의 사이에, 이 기판이 금속화되든 안되든간에 관계없이, 강력한 결합을 부여하는 은 충전 유리를 제공하며, 이 은 충전 유리는 조절가능한 열 및 전기 전도도를 갖으며, 기밀 패키지에 사용될 수 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 규소다이를 기판에 결합시키기 위한 개선된 매체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 한 목적은 통상적인 공정 조건하에서, 규소다이와 금속화되거나 또는 그 상태 그대로의 기판과의 사이에 강한 결합력을 부여하는 은-충전 유리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 한 목적은, 규소다이와 기판을 결합시키기위한 은 충전 유리에 있어서, 금-베이스계보다도 저렴하며 다른 은 혹은 비금속계 보다도 높은 전도성 및 결합력을 갖고 있고, 기밀 패키지에 사용하기에 적합한 은 충전 유리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 한 목적은 납땜 대용물로서 유용하며, 커패시터 칩(capacitor chip)을 기판에 결합시키기에 유용한 은 충전 유리를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 한 목적은 접착성에 있어서 금-규소 공정(共晶) 결합과 같은 정도로 양호하며, 또한 열적 유도 응력에 있어서는 공정(共晶) 결합보다도 낮은, 알루미나 기판에의 규소 다이의 결합용 은 충전 유리를 제공하는 것이다. 본 발명의 여러 다른 목적과 잇점은 다음 실시예에 따른 설명과 더불어 명백하게 될 것이며, 또한, 신규한 특징은 청구범위와 관련하여 지적될 것이다.

본 발명에 사용될 은 분말의 선택에 있어서 구형 및 플래이크 분말 양자가 양호하게 기능하기는 하지만, 플래이크 분말쪽이 광택이 좋고, 보다 더 금속과 같은 외관의 마무리를 부여한다. 어떤 종전의 연구자들은 은 도체용으로 플래이크를 특정화하고 있으나, 그것은 결합 매체라기 보다는 오히려 통전 와이어용이며, 이 경우 전도성은 길이를 따라서라기 보다는 두께를 통한다는 점에서 흥미가 있다.

본 발명용으로 만족스런 은은, 0.2-1㎡/gm의 범위의 표면적과 2.2-2.8g/cc의 탭(tap)밀도를 지닌 것이다. 유리는 두 번째 주요성분이며, 다이(die) 부착 온도 425-450℃에서 용융되도록 저용융점 일 것이 필수적이다. 이러한 조건을 만족시키는 선택된 바람직한 유리는 325℃의 연화 온도를 지니며, 하기의 조성을 갖는다.

0.5% 이하의 소량의 ZnO는 유해하지는 않으나, 그것이 규소를 부식시키기 때문에 나트륨의 존재는 완전히 제거되어야 한다고 알려져 있다. 산화 비스무스도 또한 저용융점 유리에 결합될 수 있으나 산화 납보다 분쇄하기가 어렵고, 조성 절차에 사용되는 백금을 부식시키게 된다. 이와같이 비스무스를 납대신 사용하는 것은 권할만하지 않다.

유리는 고순도의 알루미나 용기속에서, 다음 규격에 부합되도록 분쇄된다.

표면적 : 0.3-0.6㎡/gm

탭밀도 : 2.8-3.6g/cc

일반적으로 325-425℃ 범위의 연화점과 13ppm/

이하, 바람직하게는, 8-13ppm/℃의 범위의 열팽창 계수를 지니는 유리가 사용될 수 있다.

연화점은 모든 유기체를 소각시키는 것을 보장할 수 있도록 적어도 325℃이어야 한다. 연화점이 425℃보다 높으면, 유리는 다이 부착 온도에서 충분한 유동성을 지니지 못하게 된다. 이어서, 유리를 아래에 설명된 매개물(vehicle)(80% 고체)과 혼합하고, 3-롤 분쇄기로 7-8 미크론의 입경(F.O.G)으로 분쇄한다.

이 분야에서의 숙련자들은, 매개물의 선택이 중요하지 않고 다양한 적절한 매개물이 쉽게 이용될 수 있다는 것을 알고 있다. 물론, 지정된 온도에서 완전연소가 이루어져야만 한다. 이 경우, 선택된 매개물은,

로 구성된다. 그 다음, 은은 아래에 거론되는 바와같은 바람직한 은 : 유리의 비율로 유리 페이스트에 첨가되지만, 25:75-96:5의 한계내이다. 그 다음, 매개물을 더욱 첨가하여 75-85%의 범위내로 (전)고체가 조절된다. 이 범위 밖에서는, 레올로지(rheology)상의 문제가 일어나기 쉬우며, 80-83%의 고체 함량을 지니는 것이 일반적으로 양호하다. 이 수준에서, 전형적으로 TF 스핀들을 갖는 브류크필드 RVT 점도계로 20rpm과 25℃에서 측정할 때 20-22kcps의 점도를 지닌다.

본질적으로 페이스트의 사용은 통상적인 것이다. 용도에 따라서, 금속화 되거나 혹은 원상태의 피막(세라믹) 기판상에 점, 사각 또는 차폐된 영역내에 페이스트가 도포되며, 기계적 분배, 스크린 인쇄 또는 스탬프 법등이 사용가능하다. 만약 그것이 점상으로 도포된다면, 그점의 크기는 다이보다 약 25% 더 크다. 다이는 습한 페이스트의 중심에 놓여서 압력을 가함으로써 "고정"되어 부착되고, 그결과, 이 페이스트는 다이의 측면위로 약 절반정도 올라오고 그 다이아래 얇은 막을 형성한다. 오븐 안에서의 건조는 20-40분 동안 50-75℃로 실시된다. 유기물의 소각은 피크온도 325-450℃에서 2-3분간, 사이클시간 15-20분으로 실시된다.

첨부 도면에서, 기판(10)은 다이(12)가 은 충전 유리(14)의 층으로 그곳에 부착된 상태로 도시되며, 이 은 충전 유리는 "고정(setting)"중 그 단부주위를 흘러올라온다. 시험 목적으로, 패키지를 430-525℃의 온도 범위내에서 모의(패키지) 밀봉 사이클로 처리하였다(430℃에서 15분간). 다른 방안으로는, 다이를 잘알려진 스크러빙(scrubbing)법에 의해 부착시키거나, 또는 고온진동접착법(hpt-stage vibratory bonding)을 이용할 수 있다.

본 발명의 놀라운 면은, 결합의 기계적 강도가 은 함량에 비례한다는 것이다. 표준 압입 시험(Mil. Spec. 883B, 방법 2019.1)을 사용하면, 은의 30-95%의 범위에 대하여 5-17 파운드의 범위가 기록된다.

예상되는 바와같이, 은의 함량에 따라 전기 전도성이 향상된다. 하단부에서의 저향률은 시중 상품인 에폭시(25-35μ ohm.cm), 예를들어, EPO-TEKP=10에 비교되며, 이것은 높은 은 농도에서 5-10μohm.cm로 저하된다.

기판이 금속화된 경우, 허용가능한 접착은, 은:유리 비율이 25:75-95:5에서 얻어진다. 알루미나 그 자체로는 50:50-90:10 사이의 비율로 유지하는 것이 바람직하다. "허용가능한"이라는 것은, 본 발명에 있어서 4.2 파운드의 밀스팩(mil spec) 이상으로 정의된다는 것을 주의해야만 한다.

접착강도와 전도성의 양자는 은함량에 따라 향상되는 문제와 관련하여, 저-은, 고-유리 조성물의 이용에 관한 문제점이 야기될 수 있다. 일반적으로 그 해답은 의도하는 용도에 좌우된다. 더욱 상세하게는, 다이가 기계적인 스크러빙법에 의해 부착되는 경우, 25-40%의 은함량으로 극히 양호한 부착상태를 얻을 수 있다. 어느정도 그 다이를 잉크속으로 침전시키는 것이 요구되는 상황에서는, 보다 높은 은 비율이 바람직하다. 매우 높은 은함량의 상한(예를들면, 75-95%)에 있어서는, 잉크가 기판 그 자체에 적용될 수 있고, 칩이 초음파로 결합되어 양호한 결과를 나타낸다는 것이 시험결과 얻어졌다. 90%은 함량이상이 되면 부착력이 저하되기 시작한다. 이와같이, 예를들면, 동시에 납 프레임과 다이를 접착함으로써 어떤 공정을 생략하는 것을 포함한 다양한 가능성이 있다.

다른 베이스 금속을 은의 일부 대신으로 하는 것이 가능하지만 일반적인 경우 접착력은 떨어지고, 저항성은 그 대체물에 따라 증가한다. 특히 10%까지의 니켈, 60%까지의 주석 또 20%까지의 구리로 대체될 수 있으며, 허용가능한 접착 강도를 얻을 수가 있지만, 단, 금속:유리의 비율이 80:20에서 질소가 아니라 공기중에서 소성시킨다(질소중에서의 소성은 산화납을 감소시키고 유리를 붕괴시킨다).

본 발명의 중요한 면은, 현재 사용중인 대형 집적회로에 용융되는 것이다. 더욱 상세하게는, 금-규소 공정은 부스러지기 쉬운 전자금속(intermetallic)이며, 어떤 결합물질은 그 다이와 기판의 상이한 열팽창계수를 수용해야만 한다는 것이 알려져 있다. 이것은 작은 칩에는 현저한 문제가 안되지만, VLSIC 범위에서는 밀봉 싸이클 온도가 열응력에 의한 결합 결함과 칩크랙을 야기시킨다. 본 발명의 조성물은 용융되기 보다는 연화되기 때문에, 열충격시험(밀 스펙 표준 883B, 조건 A)에서 나타나는 바와같이 그와 같은 열응력을 피할 수 있다.

마지막으로, 귀금속, 특히 금을 은 대신 사용하는 것이 바람직한 경우, 본 발명을 적용시키는 것에 대한 문제가 있다. 이러한 수단에 의해서, 어떤 이익도 생기지 않는다는 것을 알았다. 더욱 상세하게는, 표준적 금 페이스트를, 금:은 비율이 10:90-80:20이 되도록 본 발명의 80:20의 은:유리 페이스트와 혼합하였다. 칩에 대한 접착의 전도성은 금함량의 증가에 따라 증가경향을 보이나, 그 결과는 결정적이지 못하며, 그와 같은 대체에 대한 비용적 타당성은 전혀 없었다. 게다가, 그 결합의 전단강도는 어떠한 수준에서도 수용될 수는 있지만, 높은 금함량에서는 저하되는 경향이 있었다. 금-규소 공정(共晶)은 관찰되지 않았으며, 추측컨대, 금-은-규소 3성분 상도의 특성에 기인하는 듯하다. 따라서, 은 대신 금을 대체하는 것에 의하여, 본 발명의 상당한 경제성을 희생시킬만한 명백한 이유가 하등 없었다.

본 발명의 중요한 또하나의 응용은 기판에 칩 커패시터를 접착하는데 있다. 예를들면, 120×90×35 밀 커패시터(mil capacitor)를 본 발명의 은 충전 유리의 5-7 밀 패드(mil pad)에 "고정(set)"시키고, 전술한 바와같이 건조시키고 연소시켰다. 전단 강도는 13.8 파운드이었고, 측면 주위에 양호한 전기적 접속이 달성되었다. 혼성 회로 제조에 있어서, 이것은 중요한 파생 효과를 지닌다. 즉, 회로칩과 커패시터가 양호한 경합과 함께 단일 싸이클로 부착, 건조 및 소성되어 양호한 결합을 만든다. 게다가, 후속공정 또는 조작이 종래의 납땜 페이스트를 용융시키는 온도에서 수행될 수 있다.

본 발명의 또다른 용융은 납땜의 대체물로서이다. 더욱 상세하게는, 바람직한 80:20의 은:유리 및 80-85% 고체 함량에서, 본 발명의 조성물은 소성 사이클을 통하여, 납땜될 장치는 보호유지하는 한편, 납땜의 이동은 가능하게 한다.

본 발명의 성질을 설명하기 위하여 기재하고 도시한 부분들의 배열, 소재, 단계 및 상세한 사항들에 관한 다양한 변경이 해당분야의 숙련자에게 있어서는 가능한 것이나, 이것도 특허청구의 범위에 규정된 본 발명의 원리 및 범위에 포함된다는 것을 이해해야만 한다.

Claims (17)

1. 미세 분말화 20-95%, 저융점이 미세 분말화 유리 프리트(frit) 80-5% 적당한 유기 매개물(vehicle)로 구성되며, 고체 함유율이 75-85%의 범위인 은 충전 유리 금속화 페이스트(metallizing paste).
2. 제1항에 있어서, 유리 프리트가

   

   로 이루어지는 은 충전 유리 금속화 페이스트.
3. 제1항에 있어서, 은의 10%까지의 양이 니켈로 대체되는 은 충전 유리 금속화 페이스트.
4. 제1항에 있어서, 은의 60%까지의 양이 주석으로 대체되는 은 충전 유리 금속화 페이스트.
5. 제1항에 있어서, 은의 20%까지의 양이 구리로 대체되는 은 충전 유리 금속화 페이스트.
6. 제1항에 있어서, 은의 일부가 다른 종류의 귀금속으로 대체되는 은 충전 유리 금속화 페이스트.
7. 제6항에 있어서, 다른 종류의 귀금속이 금인 은 충전 유리 금속화 페이스트.
8. 0.7-1.0㎡/g의 표면적 및 2.25-2.75g/cc인 탭(tap) 밀도를 갖는 미세 분말화 은 25-95% 325℃-425℃ 범위의 연화점을 갖는 미세 분말화 유리 프리트 75-5%, 그리고 고체 함유율을 75-85%로 하기에 충분한 양의 적당한 유기 매개물로 구성되는, 규소 반도체 장치의 세라믹 기판에 대한 접착에 적합한 은 충전 금속화 페이스트.
9. 세라믹 기판과 이 세라믹 기판에 은 충전 유리로 구성되는 접착제에 의하여 부착되는 규소 반도체 장치로 구성되는 전자 조립체(assembly).
10. 제9항에 있어서, 은 충전 유리가 25-95%의 은을 함유하며, 이 유리의 연화점이 325-425℃의 범위인 전자 조립체.
11. 제10항에 있어서, 유리가

    

    로 이루어지는 전자 조립체.
12. 제9항에 있어서, 기판과 접착제 사이에 도전성 금속화층을 추가로 포함시킨 전자 조립체.
13. 유리의 연화점이 325℃-425℃의 범위이고, 은:유리의 비율이 25:75-95:5의 범위를 갖는 은 충전유리 금속화 조성물을 기판에 도포하고, 압력을 가하여 상기의 금속화 조성물중에 규소다이를 고정(setting)하여 조립체를 형성시키며, 상기의 조립체를 건조시키고, 425℃-525℃ 범위내의 정점 온도에서 상기의 조립체를 소성시키는 것으로 구성되는, 규소 다이를 세라믹 기판에 접착시키는 방법.
14. 제13항에 있어서, 금속화 조성물이 75-85%의 고체 함량을 갖으며, 잔부가 적당한 유기 매개물인 접착 방법.
15. 제13항에 있어서, 유리가 약 95%의 PbO를 함유하는, 접착 방법.
16. 제13항에 있어서, 금속화 조성물중 은:유리의 비율이 약 80:20인, 접착 방법.
17. 제13항에 있어서, 유리가

    

    로 이루어지는, 접착 방법.

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