JPS5832088A - Silver-filled glass - Google Patents

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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

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。[Detailed description of the invention] FIELD OF THE INVENTION This invention relates generally to silver-metalization.

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銀−充填ガラス組成物に関する
。More particularly, the present invention relates to silver-filled glass compositions used specifically to bond silicon semiconductor devices to substrates.

銀−金属化組成物の起源は装飾エナメル化にあったが、
厚膜・・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。初期の研究者の注意は、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。いｈゆる”スコッチテーゾテスト１
が初期の接着力の基準であった。Ｋｎｏｘ　　の米国特
許第２．３１．！；　、！；１０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
金属に対しては不十分であった。Ｈｏｆｆｍａｎの米国
特許第３．１Ｌｔ≠０．７１２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。Although the origin of silver-metallized compositions was in decorative enamelling,
Thick film: It was used early on for applications in hybrid electric circuit mechanisms. Early researchers' attention, however, was focused on designing compositions that strongly adhered to ceramic substrates. Ih Yuru” Scotch Teso Test 1
was the initial standard for adhesion. Knox U.S. Pat. No. 2.31. ! ;、! No. 10 discloses a lead borosilicate glass containing a high content of bismuth oxide. This has been used extensively for silver but has been insufficient for other precious metals. Hoffman, US Pat. No. 3.1Lt≠0.712, discloses the addition of vanadium and copper oxides to improve the adhesion, solderability and conductivity of precious metal metallization compositions. There is. These compositions have been used as conductors rather than as media for bonding devices such as silicon integrated circuits to substrates.

この部類にあっては、金−ペースのインキもしくは予備
成形物が、良好々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
。In this category, gold-based inks or preforms have been the most popular given the advantages of low temperature gold-silicon eutectic mixtures to achieve good bonding. Although considerable efforts have been made to reduce the amount of gold required to form such bonds, its high cost does not allow its use in all possible applications.

銀−金糸には低温相はなく、これは固溶体の連続相であ
り、かつ銀−珪素系は共融点を有するが高温（ｇｏｏ℃
以上）である。従って５銀全ベースとする系は実際に鍋
それ自体が殆どもしくは１つ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。There is no low temperature phase in the silver-gold thread, it is a continuous phase of solid solution, and the silver-silicon system has a eutectic point but a high temperature (goo
above). Therefore, a system based entirely on 5-silver must actually utilize a fundamentally different bonding mechanism in which little or no involvement is involved in the pot itself.

かくして、珪素ダイ金銀金属化表面に付着させるために
金の予備成形物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わ、他方では固−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。Thus, when using a gold preform to adhere to a silicon die gold-silver metallized surface, the bonding mechanism is on the one hand gold-silicon eutectic formation and on the other hand solid-liquid diffusion; Glass plays a major role in bond strength. Since this is weaker than the metallurgical bond, the thermal conductivity as well as the electrical conductivity are lower than the predetermined values.

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。Pure glass bonds have also been used for this purpose, but as expected, without conductive elements both conductivities are impaired.

この用途において、銀ポリイミド組成物も知られている
。しかし、配合し州る銀の量が制限され、かつ特殊彦加
工が必要とされる（大量生産のためには、加工の均一性
が重要なコスト決定の要因となる）。最も大きなポリイ
ミド、もしくは任意の有機結合剤系の欠点はこれらがセ
ルディツプス（Ｃｅｒｄｉｐｓ　）などのように気密パ
ッケージとし得ないことである。というのは、これらは
吸湿性であシ、脱ガスできず、かつ一般的にはこれらパ
ッケージを形成する際に必要とされる高温に耐え得ない
からである。Silver polyimide compositions are also known for this use. However, the amount of silver that can be blended is limited, and special processing is required (for mass production, uniformity of processing is an important factor in determining costs). The biggest disadvantage of polyimide, or any organic binder system, is that they cannot be packaged airtight like Cerdips and the like. This is because they are hygroscopic, cannot degas, and generally cannot withstand the high temperatures required in forming these packages.

本発明は珪素ダイと基質との間に、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銀−充填ガラ
スを提供するものであり、該銀−充填ガラスは調節し得
る熱並びに電気伝導度を有　□し、かつ気密パッケージ
状態で使用することができる。The present invention provides a silver-filled glass that provides a strong bond between a silicon die and a substrate, whether or not the substrate is metallized, and the silver-filled glass is heat-adjustable. It also has good electrical conductivity and can be used in an airtight package.

本発明の一般的な目的は、珪素グイを基質に結合するた
めの改良された媒体を提供することにある。A general object of the present invention is to provide an improved medium for bonding silicon guineas to substrates.

本発明の他の目的は、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。Another object of the present invention is to metallize silicon or the like under normal processing conditions. It is an object of the present invention to provide a silver-filled glass that can be used to form a strong bond with a metal substrate.

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、気密パッケージ状態での用途に適した前
記銀−充填ガラスを提供することにある。Yet another object of the present invention is a silver-filled glass for bonding a silicon guinea with a substrate, which is less expensive than gold-based systems and has higher conductivity and bonding than other silver or non-metallic systems. The object of the present invention is to provide a silver-filled glass having high strength and suitable for use in a hermetic package.

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、本発明の新規な特徴は
、特に特許請求の範囲に関連して指摘されるであろう。Various other objects and advantages of the invention will become apparent from the following description of the embodiments. The novel features of the invention will also be pointed out with particular reference to the claims.

本発明において使用する銀粉末を選ぶに際し、球状並び
にフレーク状粉末両者が良好に機能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。幾人かの研究者は銀導体
としてフレーク状のものを特定したが、これは結合媒体
というよりもむしろ電流搬送用１ワイヤー１としてであ
ったことは興味あることである。In selecting the silver powder to be used in the present invention, it has been found that both spherical and flake powders work well. However, flake powders are glossier and give a higher metallic appearance finish. It is interesting that some researchers have identified flakes as silver conductors, but as current carrying wires 1 rather than as coupling media.

本発明にとって満足な銀は、０．７〜／　ｍ’／　９　
　の範囲内の表面積と１２３−．２．７６９／ｃｃのタ
ッグ密度（粉末の密度）とを有するものである。Silver that is satisfactory for the present invention is from 0.7 to / m'/9
surface area within the range of 123-. It has a tag density (powder density) of 2.769/cc.

ガラスは第２に重要な成分であり、これはダイ−接着温
度、グ、２　ｊ−４ｊ　０℃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温度３．２３；℃を有
し、かつ以下の組成を有する：ＺｎＯＯ，／　ｊ−ＯＪ
Ｏ％ ５ｉｎ２０．、！ｊ〜ノ、ｊ％ ８ｏ　　　　　残部 　３ 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
ミナツヤ−ミル内で粉砕され、フリット化される： 表面積　　　　　０．３〜０．Ａ　ｍ’／′９タップ密
度　　　　　２１ｇ〜３尾９７ｃｃ一般的に、３２３−
１７２３　℃の範囲内の軟化点および約／３ｐｐｍ／℃
以下の、好ましくはｇ〜／３ｐｐｍ／℃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。例えば、
ガラスは前記規準を満たす主な成分として酸化鉛よりも
むしろ酸化ビスマスと混合することができる。池方、こ
のようなガラスはいずれも、珪素に対する親和性のため
に、ナトリウムを含まないものであるべきである。The glass is the second important component and it is essential that it has a low melting point so that it is in a molten state at the die-attach temperature, 0°C. A selected preferred glass meeting this requirement has a softening temperature of 3.23 °C and has the following composition: ZnOO,/j-OJ
O% 5in20. ,! j%, j% 8o balance 3 This glass is ground and fritted in a high purity alumina polish mill to meet the following specifications: Surface area 0.3-0. A m'/'9 Tap density 21g ~ 3 tails 97cc Generally, 323-
Softening point in the range of 1723°C and approximately /3ppm/°C
Glasses with coefficients of thermal expansion below, preferably in the range from g to /3 ppm/°C can be used. for example,
Glass can be mixed with bismuth oxide rather than lead oxide as the main component meeting the above criteria. Ikekata, any such glass should be sodium-free because of its affinity for silicon.

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３２！；℃でなければならない。軟化
点が≠Ｊｊ℃よりも高い場合、ダイ接着温度においてガ
ラスは十分に流体とはならない。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子０％）、３−ロ
ールミルで粉砕して７〜ｇμの粒径（Ｆ、Ｏ，Ｇ、）と
する。The softening point is at least 32 to ensure that all organic matter is incinerated! ; Must be ℃. If the softening point is higher than ≠Jj°C, the glass will not be sufficiently fluid at the die attach temperature. The glass is then mixed with a solvent as described below (0% solid molecules) and ground in a 3-roll mill to a particle size of 7 to gμ (F, O, G,).

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。この
場合選ばれた溶剤は エチルメタクリレート　　　　７２％ テルピネオール　　　　　　ｆど％ を含む。Those skilled in the art will appreciate that the choice of solvent is not critical and that a variety of suitable solvents may be used. The solvent selected in this case contains 72% ethyl methacrylate and 72% terpineol.

次いで１．２！ニア！；−ど０：；２０の限界内にはい
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７Ｊ−−４才％となるように調節して、４
−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１０−４３％の範囲
内の固形分含有率であることが好ましい。Then 1.2! near! Silver is added to the glass paste at a predetermined silver to glass ratio discussed below, such that it falls within the limits of 0:20. Add more solvent to adjust the (total) solids percentage to 7J--4%,
- be used as a paint or ink. Since rheological problems occur outside this range, a solids content within the range of 10-43% is generally preferred.

ペーストの用途は本質的に従来と同じである。The application of the paste is essentially the same as before.

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Ｌ＜は仕切られた
領域にペーストを適用する。点状に適用する場合は、該
点の大きさはダイよりも約２ｊ％大きい。ダイ接着は、
５０℃の乾燥炉により空気中で７５分間、次いでグ３０
℃で７５分間燃焼することにより行われる。試験のため
に、・！ツケーゾを４’３０〜ｊ、２Ｊ　１：の範囲内
の模擬（パツケージ）シールサイクルに付す。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−ｓｔａｇｅ　）振動結合法を利
用することもできる。The paste is applied to delimited areas, either dots or squares on metallized or intact film (ceramic) substrates depending on the application. When applied in the form of a dot, the size of the dot is about 2j% larger than the die. Die bonding is
Drying oven at 50°C for 75 minutes in air, then drying for 30 minutes
This is done by burning for 75 minutes at ℃. For the exam! The tube is subjected to a simulated (package) seal cycle within the range of 4'30~j, 2J1:. Additionally, the die may be bonded by conventional scrubbing techniques or may utilize hot-stage vibrational bonding techniques.

本発明の驚嘆すべき利点は、結合の機械的強度が銅含量
に比例することである。標準的ブツシュテスト（ｐｕｓ
ｈ　ｔｅｓｔ　）　（Ｍｌｌ、　５ｐｅｃ、　ｌｌ３Ｆ
３．方法２θ／９．／　）によれば銀ｊｊ−ＩＯ％の範
囲に対し２．２乙ｒ〜乙、ど０グに２（ｊ〜／ｊ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
性も銀の含有量によって改良される。下限において、伝
、導度は市販のエポキ／系のもの、例えばＥＰＯ−ＴＥ
ＫＰ−１０に匹敵する値であり、かつ上限においてはそ
の約−倍の値である。A surprising advantage of the invention is that the mechanical strength of the bond is proportional to the copper content. Standard bush test (pus
h test ) (Mll, 5pec, ll3F
3. Method 2θ/9. / ), it was found that the range of silver jj - IO% is 2.2 otr to ot, and 2 to 0g (j to /j pounds). As expected, the electrical conductivity is also improved by the silver content. At the lower limit, conductivity is determined by commercially available epoxy/based materials, such as EPO-TE.
This value is comparable to that of KP-10, and at the upper limit, it is approximately twice that value.

銀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２５〜４ｔｏ％の範囲の銀について達成される。Problems can arise regarding the utility of low silver, high glass compositions related to the increase in both bond strength and conductivity with silver content. The answer to this generally depends on the intended use. More specifically, very good bonding is achieved for silver in the range of 25-4 to% when bonded by die or mechanical scrubbing means.

ある程度までダイをインキ（またはペースト）中に沈め
たいような状況の下では、高銀含有量であることが好ま
しい。極めて高い含有率の上限（例えば７５〜ｇｏ％）
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。ｇＯ％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。High silver content is preferred in situations where it is desired to submerge the die in the ink (or paste) to some extent. Upper limit of extremely high content (e.g. 75~go%)
In , tests have shown that the ink can be applied to the neat substrate and the support can be bonded by ultrasound with good results. It would generally be undesirable to use more than gO% silver. This is because the adhesive force begins to decrease. Thus,
There are various possibilities, including omitting certain processing steps, for example by gluing the lead frame and die together.

１ 本明細書で記載し、かつ本発明の説明のために示された
部分、工程、材料並びＶζ部品の配列における種々の変
更が当業名には呵■止であるか、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。1. Various changes in the parts, steps, materials, and arrangement of Vζ parts described herein and illustrated for the purpose of explaining the invention may be obvious to those skilled in the art or may be claimed as such. It should be understood that the scope of the present invention falls within the scope of the invention.

２2

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）　、２０−♂０％の微粉化銀ニア！；−，２０％
の低融点の微粉化ガラスフリット；適当な有機溶剤を含
み、銀−充填ガラス金属波−スト中の固体の割合が約７
ｊ〜ｇｊ受である、銀−充填ガラス金属化４−スト。(1) , 20-♂0% micronized silver near! ;-,20%
low melting point micronized glass frit; containing a suitable organic solvent, the proportion of solids in the silver-filled glass metal corrugated frit is about 7
Silver-filled glass metallized 4-strike, j to gj. （２）銀が表面積０．７〜／、θｌｌ１ｊ／９およびタ
ップ密度ノ、２３−〜λ、７！；９／ｃｃ　　を有する
、特許請求の範囲第（１）項記載の金属化ペースト。(2) Silver has a surface area of 0.7~/, θll1j/9 and a tap density of 23−~λ, 7! ;9/cc. （３）前記ガラスフリットが３２Ｊ−４，２３℃の範囲
の軟化温度およびｇ〜／３ｐｐｍ／℃の範囲の熱膨張係
数を有する、特許請求の範囲第（１）項記載の金属化ペ
ースト。(3) A metallized paste according to claim 1, wherein the glass frit has a softening temperature in the range 32J-4.23C and a coefficient of thermal expansion in the range g~/3ppm/C. （４）前記ガラスフリットが０．３〜０、乙♂／９　の
範囲内の表面積および２ｇ〜３．６９　／　ｃｃ　　の
範囲内のタップ密度を有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。(4) The glass frit has a surface area in the range of 0.3 to 0.0, O♂/9 and a tap density in the range of 2 to 3.69/cc. ) Metallized paste described in section 2. （５）前記ガラスフリットが本質的Ｋ ＰｂＯ９Ｊ−−７ｊ％ ＺｎＯＯ，／　３；−０，，２０％ ５Ｉ０２０．．２５〜２Ｊ％ Ｂ２Ｏ３残部 からなることを特徴とする特許ａ青求の範囲第（１）項
記載の金属化ペースト。(5) The glass frit is essentially KPbO9J--7j% ZnOO,/3;-0,,20% 5I020. ．． The metallized paste according to item (1) of the scope of Patent A Qingyuu, characterized in that it consists of 25 to 2 J% B2O3 balance. （６）前記有機溶剤が エチルメタクリレート　　　　７．２％テルピネオール
　　　　　　ｇｇ％ からなることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記
載の金属化ペースト。(6) The metallized paste according to claim (1), wherein the organic solvent consists of ethyl methacrylate 7.2% terpineol gg%. （７）　　、２ｊ　−Ｉ　０％の、０．７〜／、Ｏｍ’
／９ｏ表面積およびｊ、、２．５′〜ノ、７３９／ｃｃ
　　のタップ密度を肩する微粉化銀ニア！−２０％の、
軟化点範囲３．２．ｔ−１，２、！ｔ　１：を有する微
粉化ガラススリット；および銀−充填ガラス金属化波−
スト中の固体含蓄？ニア！−４３％とするのに十分な鼠
の適当な有機溶剤とを含む、珪素半導体装置をセ之ミッ
ク基質に結合させるのに使用する銀−充填ガラス金属化
に一スト。(7) , 2j -I 0%, 0.7~/, Om'
/9o surface area and j, , 2.5′~ノ, 739/cc
Finely powdered silver with a tap density of ! -20% of
Softening point range 3.2. t-1, 2,! t 1: micronized glass slit; and silver-filled glass metallized wave-
Solid connotation in strike? near! - 43% of a suitable organic solvent and a silver-filled glass metallization used to bond silicon semiconductor devices to a ceramic substrate.