ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩАЯ КЛЕЕВАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ МОНТАЖА КРИСТАЛЛОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Российский патент 1997 года по МПК H01L23/29 

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов и интегральных микросхем и, в частности, к технологии создания клеевых электропроводящих композиций.

Известна электропроводящая клеевая композиция для монтажа кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, содержащая в качестве полимерного связующего эпоксидную смолу, а в качестве тепло-, электропроводящего наполнителя смесь порошков из кремния, никеля, углерода, титана и др.

Однако по причине того, что эпоксидная смола как связующее при повышенных температурах обладает низкоэластичными свойствами, т.е. неспособна к большим обратимым деформациям растяжения, пластичность клеевого шва остается низкой, вследствие чего снижается прочностные свойства шва-соединения кристалла с корпусом, появляются трещины, являющиеся геттерами паров воды, что отрицательно влияет на величину тепло- и электропроводности омического контакта к кристаллу и к корпусу при посадке кристаллов. Удельное электрическое сопротивление известной клеевой композиции составляет 750-1000 Ом•cм, а теплопроводность не превышает 0,2 Вт/м•К. Это свидетельствует о плохих тепло- и электрофизических характеристиках шва-соединения, поскольку клеевой шов-соединение с такими тепло- и электрофизическими характеристиками не обеспечивает в условиях коммутации напряжений и токов отвод тепловой мощности выделяемой кристаллом, особенно при необходимой устойчивости к сменам более 10⁴ циклов нагрева и охлаждения корпуса до 125 и 25^oC. Безусловно, что это приводит к снижению ресурса наработки микросхем на отказ, а в результате, к снижению надежности изделий. Эти факторы ограничивают использование известной клеевой композиции при монтаже СБИС с повышенной надежностью.

Цель изобретения повышение надежности изделий за счет улучшения омического контакта кристалла с металлизированной контактной площадкой корпуса и улучшение теплоотвода путем увеличения электро- и теплопроводности и прочности на растяжение клеевой композиции.

Цель достигается тем, что электропроводящая клеевая композиция для монтажа кристаллов интегральных микросхем, содержащая полимерное связующее в виде раствора в этаноле фенольной резольной полученной с аммиаком смолы и раствора в бутилацетате бутадиеннитрильного каучука, взятых в соотношении мас. ч 100 и 230-270 и имеющих вязкость по ВЗ-1 не менее 13 с, порошка никеля карбонильного с размером частиц до 10 мкм и порошка циркония с размером частиц до 10 мкм, в качестве тепло- и электропроводящего наполнителя содержит смесь порошков меди, хрома, никеля карбонильного и циркония с размером частиц до 10 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.

Порошок никеля карбонильного с размером частиц до 10 мкм 0,1-0,2
Порошок циркония с размером частиц до 10 мкм 0,15-0,30
Порошок хрома с размером частиц до 10 мкм 0,35-0,75
Порошок меди с размером частиц до 10 мкм 98,75-99,4
в количестве (мас.) 26-50 в полимерном связующем, содержащем раствор в этаноле фенольной резольной полученной с аммиаком смолы и раствор в бутилацетате бутадиеннитрильного каучука, взятых в соотношении в мас. ч. 100 к 230-270 и имеющие вязкость по ВЗ-1 не менее 13 с.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что электропроводящая клеевая композиция для монтажа кристаллов интегральных микросхем с заявляемыми или аналогичными признаками на момент подачи заявки известны не были, что обеспечивает соответствие заявляемого технического решения критериям изобретения.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Когда клеевая композиция в качестве тепло- и электропроводящего наполнителя содержит смесь порошков меди, хрома, никеля карбонильного и циркония с размером частиц до 10 мкм при указанном соотношении компонентов, достигаются следующие положительные эффекты:
при смешивании компонентов в указанной пропорции получается однородная смесь порошков в полимерном связующем;
полимерное связующее, содержащее раствор в этаноле фенольной резольной, полученной с аммиаком смолы и раствор в бутилацетате бутадиеннитрильного каучука, взятые в соотношении в мас.ч. 100 к 230-270 и имеющие вязкость по ВЗ-1 не менее 13 с, при введении предлагаемого количества смеси порошков из меди, хрома, никеля карбонильного и циркония обеспечивает клеевой композиции хорошую текучесть, смачиваемость и сцепление с кристаллом и кристаллодержателем (металлизированной контактной площадкой корпуса);
наличие меди и циркония в составе клеевой композиции обеспечивает ей высокую электро- и теплопроводность, прочность на растяжение,пластичность;
наличие никеля карбонильного и хрома обеспечивает сближение коэффициентов термического расширения корпуса, клеевого шва-соединения и кристалла, высокую устойчивость клеевой композиции к растрескиванию, ее высокую пластичность и хорошую адгезию к металлизированой контактной площадке корпуса вплоть до температуры 200^oC;
совокупное действие меди, циркония, никеля карбонильного и хрома совместно с полимерным связующим обеспечивает клеевую композицию демпферным эффектом, гасящим механические напряжения, возникающие при термоциклических воздействиях на загерметизированные микросхемы; таким образом, существенно повышается надежность микросхем уже только от этого фактора;
главный эффект совокупного действия меди, циркония, никеля карбонильного и хрома совместно с полимерным связующим это высокая стойкость сборки к термоциклическим нагрузкам, подавлению механических напряжений в сборке, возникающих при термоциклах, в результате, подавлению растрескивания шва-соединения и предотвращение отслаивания кристалла от металлизированной контактной площадки корпуса, стойкость клеевой композиции к окислению, что обеспечивает ей высокую стабильность тепло- и электропроводности;
тепло- и электропроводный наполнитель на основе меди, циркония, никеля карбонильного и хрома при указанных пропорциях в полимерном связующем в виде раствора в этаноле фенольной резольной полученной с аммиаком смолы и раствора в бутилацетате бутадиеннитрильного каучука, взятых в соотношении мас.ч. 100 к 230-270 и имеющих вязкость по ВЗ-1 не менее 13 с, обеспечивает клеевой композиции удельное электрическое сопротивление 2,0-2,2 Ом•cм, теплопроводность 3,4-3,6 Вт/м•К и прочность на растяжение 55-60 кГ/мм², что, в свою очередь, обеспечивает однородное протекание тока через контакт кристалл-металлизированная площадка корпуса и хороший теплоотвод от кристалла.

Вследствие этого предлагаемая клеевая композиция обеспечивает низкоомный омический контакт кристалла к металлизированной контактной площадке корпуса как кристаллодержатель, хороший теплоотвод от кристалла и повышенную прочность сборки (посадки) кристалла на электропроводящую клеевую композицию. В результате этих положительных факторов существенно повышается надежность интегральных микросхем.

Выбранные массовые проценты каждого отдельного компонента порошковой смеси, а именно порошка никеля карбонильного 0,1-0,2 мас. порошка циркония 0,15-0,30 мас. порошка хрома 0,35-0,75 мас. порошка меди 98,75-99,4 мас. и содержание этой смеси в количестве 26-50 мас. в полимерном связующем это то их содержание по отношению друг к другу, а смеси порошков по отношению к полимерному связующему, которое позволяет обеспечить удельное электрическое сопротивление клеевого шва-соединения 2,0-2,2 Ом•см, теплопроводность 3,4-3,6 Вт/м•К и прочность на растяжение 55-60 кГ/мм², тем самым обеспечить однородное протекание тока через омический контакт и хороший теплоотвод от кристалла, обеспечив высокую надежность микросхем в жестких условиях эксплуатации.

Оптимальное содержание порошка никеля карбонильного в порошковой смеси по предлагаемой электропроводящей клеевой композиции для монтажа кристаллов интегральных микросхем находится в пределах 0,1-0,2 мас. Содержание никеля карбонильного меньше чем 0,1 мас. приводит к изменению коэффициента термического расширения клеевого шва-соединения и к заметному различию с коэффициентом термического расширения корпуса, а также к снижению стойкости клеевого шва-соединения, к окислению и ухудшению адгезии как к кристаллу, так и к кристаллодержателю. При увеличении содержания никеля карбонильного больше 0,2 мас. ухудшаются пластичность клеевого шва-соединения и адгезия клеевой композиции к соединяемым элементам, усиливается различие в коэффициентах термического расширения.

Оптимальное содержание порошка циркония в порошковой смеси по предлагаемой электропроводящей композиции находится в пределах 0,15-0,30 мас. Содержание циркония меньше чем 0,15 мас. вызывает снижение прочности на растяжение, а также ухудшение термо- и электростабильности клеевой композиции при повышенной температуре (≥150^oC). При увеличении содержания циркония больше чем 0,30 мас. ухудшаются теплопроводность, пластичность и прочность на растяжение клеевого шва-соединения.

Оптимальное содержание порошка хрома в порошковой смеси находится в пределах 0,35-0,75 мас. Содержание хрома меньше чем 0,35 мас. приводит к изменению коэффициента термического расширения, к снижению устойчивости клеевого шва-соединения, к окислению и к ухудшению пластичности клеевого шва. При увеличении содержания хрома больше 0,75 мас. ухудшаются адгезия клеевой композиции, тепло- и электропроводность, пластичность.

Оптимальное содержание порошка меди в порошковой смеси по предлагаемой клеевой композиции находится в пределах 98,75-99,4 мас. Содержание меди меньше чем 98,75 мас. вызывает ухудшение электро- и теплопроводности. При увеличении содержания меди больше 99,4 мас. нарушается сближение коэффициентов термического расширения по отношению к кристаллу и кристаллодержателю, усиливается возможность окисления клеевой композиции при монтаже.

Оптимальное содержание смеси порошков в клеевой композиции находится в пределах 26-50 мас. Содержание смеси порошков меньше чем 26 мас. приводит к снижению, причем резкому, электро- и теплопроводности. При увеличении содержания смеси порошков больше чем 50 мас. не обеспечивается пластичность клеевого шва-соединения, а также адгезия к кристаллу и кристаллодержателю из-за появляющегося различия в коэффициентах термического расширения между клеевой композицией, кристаллом и кристаллодержателем.

Пример конкретной реализации электропроводящей клеевой композиции.

Электропроводящую клеевую композицию для монтажа кристаллов интегральных микросхем готовили на основе полимерного связующего, содержащего раствор в этаноле фенольной резольно полученной с аммиаком смолы и раствор в бутилацетате бутадиеннитрильного каучука, взятые в соотношении в мас.ч. 100 к 230-270 и имеющие вязкость по ВЗ-1 не менее 13 с, т.е. на основе стандартного электроизоляционного клея ВК-32-200 ОСТ 110303-86, содержащего в своем составе лак ФЛ-5111 ТУ 16-503.035-75 и продукт N 3 ТУ 38-105761-83 на 100 мас.ч. основного компонента, мас.ч.

Лака ФЛ-5111 100
Продукт N 3 230-270
и смеси из порошков с размером частиц до 10 мкм никеля карбонильного, циркония, хрома и меди, выбранных при следующем соотношении мас. (табл.1).

Порошок сначала просеивали через сита с размером отверстий 10 мкм. После взвешивания указанных порошков в соответствии с необходимым составом порошковой смеси готовили порошковую смесь путем тщательного перемешивания указанных количества порошков в ультразвуковом барабане. После этого взвешивалось необходимое количество порошковой смеси, которая вводилась в соответствующее количество клея ВК-32-200 и тщательно перемешивалась с использованием смесителя, растирателя и 2-х осевого перемещающегося выталкивателя. Готовили пять групп по пять составов в группе клеевой композиции (табл.2).

На каждом из пяти составов каждой группы осуществлялся монтаж кристаллов микросхем КР 565 РК5. Для сравнения параллельно использовали состав клеевой композиции, выполненной по прототипу [3] Технологический процесс монтажа осуществляли в следующей последовательности.

Готовый состав клеевой композиции заливали в дозатор установки ЭМ-4085 и наносили способом выдавливания на кристаллодержатель из сплава 42Н в зоне монтажа кристалла.

Для монтажа использовали кристаллы БИС КР 565 РК5. На непланарную сторону полупроводниковых пластин с изготовленными СБИС КР 565 РК5 после ее химической очистки методом травления наносили слой нихрома толщиной 0,30 мкм и слой никеля толщиной 0,70 мкм методом термического испарения в вакууме до резки пластин. После дисковой резки пластин на установке ЭМ-225 и их ломки на отдельные кристаллы последние укладывали в кассету и устанавливали в установку автоматического монтажа кристаллов ЭМ-4085. Присоединение кремниевого кристалла к основанию корпуса на клеевую композицию осуществляли при температуре (25-150^oC), времени посадки 1,5-2 с и давлении на посадочный инструмент 0,05-0,09 кг/мм². Сушку клеевой композиции после посадки кристалла на кристаллодержатель осуществляли в два этапа: первый этап - температура сушки 25^oC при времени 2 ч, второй этап температура сушки 180^oC, время 1,5-2,0 ч.

После получения межсоединений золотой проволокой диаметром 30 мкм 3 л 999,9 ТУ 48-1-353-87 на автоматических установках ЭМ-4060 между кристаллом и выводной рамкой производилась герметизация ИМС КР 565 РУ5 в пластмассовый корпус методом трансферного литья, вырубка приборов из рамки, горячее лужение припоем ПОС-61 внешних выводов. Всего было изготовлено 40 тыс. кристаллов ИМС КР 565 РУ5.

Надежность интегральных микросхем оценивалась по наработке микросхем на отказ при токовой тренировке при 200^oC (ускоренные испытания). Отказ микросхем во время ускоренных испытаний на принудительный отказ предпочтительнее, чем отказ после установки микросхем в системах аппаратуры. Так как в основе отказов микросхем, посаженных на клеевую композицию, лежат химические и физические процессы, протекание которых ускоряется при повышении температуры, токовую тренировку осуществляли при температуре 200^oC. Ток в данном случае является эффективной ускоряющей нагрузкой. Каждые 50 ч испытания прерывались и проводился контроль электрических характеристик ИМС, вплоть до полного отказа микросхем при максимально возможном времени испытаний.

На части микросхем испытывалась прочность клеевого шва-соединения на растяжение до полного разрыва. Оценивались также удельное электрическое сопротивление и теплопроводность клеевой композиции, процент выхода годных микросхем.

Полученные результаты сведены в табл.3. Как видно из приведенных результатов, электропроводящая клеевая композиция, содержащая в своем составе порошковую смесь из никеля карбонильного, циркония, хрома и меди, полученную при смешении этих порошков при уровнях состава ниже и выше заявляемых, а также порошковой смеси в полимерном связующем ниже и выше заявляемых уровней приводит к ухудшению электро- и теплопроводности клеевой композиции, уменьшению наработки на отказ, т.е. к снижению надежности интегральных микросхем и снижению процента выхода годных.

Наилучшие результаты получены при использовании заявляемых уровней состава порошковой смеси из никеля карбонильного, циркония, хрома и меди и при использовании заявляемых уровней этой смеси в полимерном связующем.

Предлагаемая электропроводящая клеевая композиция для монтажа кристаллов интегральных микросхем позволяет осуществить посадку кристаллов на клей, обеспечив высокую надежность, увеличив время наработки на отказ при испытаниях при токовой тренировке при температуре 200^oС более 750 ч, а процент выхода годных до 98,6% благодаря хорошим электро- и теплопроводности клеевой композиции.

Кроме того, применение заявляемой электропроводящей клеевой композиции позволяет создать высококачественный электропроводящий клей, без применения драгоценных металлов (золото, серебро, платина).

Реализация заявляемой электропроводящей клеевой композиции для монтажа кристаллов интегральных микросхем в сравнении с прототипом позволяет повысить в 1,5 раза наработку на отказ, причем при более высокой температуре 200^oС, а процент выхода до 98,6%
К общественно-полезным преимуществам заявляемого технического решения следует отности улучшение физических параметров клеевой композиции, экономию драгоценных металлов, исключение токсичных наполнителей, повышение надежности изделий и в жестких условиях эксплуатации.

Использование: электронная техника. Сущность изобретения: создание клеевой композиции с высокими электро- и теплопроводящими характеристиками путем выбора состава порошковой смеси из никеля карбонильного, циркония, хрома и меди и ее количества в полимерном связующем. 2 табл.

Электропроводящая клеевая композиция для монтажа кристаллов интегральных микросхем, содержащая полимерное связующее в виде раствора в этаноле фенольной резольной, полученной с аммиаком смолы и раствора в бутилацетате бутадиеннитрильного каучука, взятых в соотношении мас.ч. 100 к 230 270 и имеющих вязкость по ВЗ-1 не менее 13 с, и наполнитель в виде порошков никеля карбонильного и циркония с размерами частиц до 10 мкм, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности изделий за счет улучшения омического контакта кристалла с металлизированной контактной площадкой корпуса и улучшения теплоотвода путем увеличения электропроводности, теплопроводности и прочности на растяжение клеевой композиции, в наполнитель дополнительно введены порошки меди и хрома с размером частиц до 10 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.

Порошок никеля карбонильного 0,1 0,2
Порошок циркония 0,15 0,30
Порошок хрома 0,35 0,75
Порошок меди 98,75 99,4
а количество наполнителя в электропроводящей клеевой композиции выбрано равным 26 50 мас.