DE3442132A1 - Verfahren zur verkapselung von mikroelektronikschaltungen mit organischen komponenten - Google Patents

Verfahren zur verkapselung von mikroelektronikschaltungen mit organischen komponenten

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DE3442132A1 DE19843442132 DE3442132A DE3442132A1 DE 3442132 A1 DE3442132 A1 DE 3442132A1 DE 19843442132 DE19843442132 DE 19843442132 DE 3442132 A DE3442132 A DE 3442132A DE 3442132 A1 DE3442132 A1 DE 3442132A1
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Description

16.11.84, 0104A MBB J Hum/th
9638 Patentabteilung
Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronikschaltungen mit organischen Komponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronikschaltungen mit organischen Komponenten, wobei zur Aufnahme von korrodierenden Gasen im Innenraum ein Getter miteingeschlossen wird.
Aufgrund der an derartige Elemente zu stellenden praktischen Anforderungen werden hochzuverlässige elektronische Schaltungen durch hermetisches Verschweißen oder
ϊj Verlöten mit einem Metall- oder Keramikgehäuse gegen
.ν- .-Timwelt-e-inf lüsse. Feuchtigkeit, CO ,SO u.a. korrosive Stoffe geschützt. Andererseits werden mehr und . mehr organische Stoffe zum"'Passivieren, Die-Bonden und als Abdeckung gegen mechanische Schocks beim Aufbau der Elektronik-Schaltungen eingesetzt. Jedoch muß bei thermischer Belastung, wie sie in Leistungshybriden und z.T. in geringerem Umfang bei Kleinsignalschaltkreisen auftritt, auch bei in der Mikroelektronik bewährten thermisch stabilen Epoxid-, Polyurethan- und Silikonharzen bzw. Elastomeren mit einer geringen Gasbildung gerechnet werden. Es handelt sich dabei aufgrund von Gasanalysen zumeist um HO, CO , CO, NH und organische Säuren, die bei Leistungshybriden unter Spannung nicht nur an Aluminium-Leiterbahnen und -Bonddrähten zur elektrolytischen Korrosion und damit zum Ausfall der Schaltungen führen. Der hierbei entstehende Wasserstoff sowie Restsauerstoff verstärken die Korrosion, so daß diese Gase entfernt werden sollten.
/-ί 16.11.84
MBB
Patentabteilung
16.11.84, 0104A
Hura/th 9638
Bei Kleinleistungshybriden schlagen sich die Gase teilweise als Feuchte nieder und verursachen zusätzlich unter Spannung Elektrolyse. Die Alterungs- bzw. Spaltprodukte lassen sieht trotz eingehender Bemühungen verfahrenstechnisch, z.B. Evakuieren, N -Spülung, Trocknung nur bedingt verhindern. Die in der Elektronik verwendeten z.B. aus der DE-OS 31 12 564 bekannten Trockenmittel, oder die Molekularsiebe auf Zeolith-Basis, deren Anwendung z.B. aus EP-Al 0113 282 bekannt ist, absorbieren nur die Feuchtigkeit und geben sie beim Erwärmen, d.h. unter kritischen Schaltungsbedingungen, wieder ab.
Ferner wird z.B. in der EP-A2 0 025 647 vorgeschlagen, "j teilweise vernetzten Silikonkautschuk allein als Getter .bzM-.-.iStaubfanger für St-au-bpar-tifce1! zu vexwenÜHenV^dBr -selbstverständlich nicht als-- Gasge-t-ter wirkt und-Feuchtigkeit nicht absorbiert.
Geeigneter sind hochaktive Gettermaterialien, die durch Verdampfen oberflächenreich verteilt werden und alle reaktiven Gase irreversibel abfangen, ggf. das Vakuum stabil halten und eine Gasreaktion verhindern.
Derartige hochaktive Getter wurden für Elektronenstrahlröhren zur Absorption von korrosiven Gasen und von Feuchtigkeitsspuren entwickelt. Bevorzugt verwendet man hierfür Erdalkali- und Zirkonmetall- und Zirkonhydrid-Stangen, die verdampft werden und sich in der Wärme entsprechend dem Barium in folgenden Reaktionen mit den entstehenden Spaltgasen mehr oder weniger stark umsetzen.
MBB
Patentabteilung
16.11.84, 0104A
Hum/th
9638
2 Ba + HO
5 Ba + 2 CO2
3 Ba + CO
2 Ba + 2 NH3
2 Ba + 2 R-COOH
Ba + H„
- Ba H2
= Ba C2
= Ba C2
- Ba H2
= Ba (R-COO)
= Ba H0
+ Ba O + 4 Ba O + 2 Ba O + Ba (NH2) + Ba H„
10
Auch für die in Elektronik-Schaltungen verwendeten organischen Stoffe bzw. entstehenden Spaltgase erscheinen zunächst feinstkörnige Ba Al Getter besonders geeignet,, weil sie gegenüber Kovar bzw. Chromnickelstahl indifferent und gegenüber Stickstoff relativ stabil sind, aber alle übrigen Gase absorbieren bzw. cheraisorbieren. Allerdings ist ein Verdampfen des Getters in hausen schwierig.
20
E.s. ±s,t. das-rZiel der Erfindung, Verfahren und- zu ihrer -Durchführung- geeignete Materialien;zu -schaff eny die es ermöglichen, auch bei kleinen, einzukapselnden Elektronik-Schaltungen zuverlässig die korrodierenden Gase und störende Feuchtigkeit mit einem Getter unschädlich zu machen.
2 3
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Gettermaterial als feinstkörniges Pulver in einem gasdurchlässigen, inerten Silikonkautschuk dispergiert wird.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht also darin, hochaktive, aber unkritisch verarbeitbare Getter in feinster Verteilung in einem gasdurchlässigen, indifferenten (gegenüber Getter, Gas und Schaltung), hochreinen Träger zu dispergieren. Untersuchungen ergaben, daß
9638 Patentabteilung
16.11.84, 0104A Huiti/th
Barium-Aluminium-Legierungen einerseits und dünnflüssige, sehr reine, thermisch beständige, schwach additionsvernetzende Zweikomponenten-Silikongele andererseits diesen Anforderungen genügen und sich beliebig mischen lassen. Differentialthermoanalytisch (DSC2) ließ sich keine Reaktion nachweisen, wenn keine Feuchtigkeit einwirken konnte. Erst in der Wärme setzt eine langsame, durch die Diffusionsgeschwindigkeit bestimmte Reaktion ein, so daß erst beim Einschweißen und im Betrieb das Getter aktiviert wird.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung, in der anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel erläutert wirtf-
Es zeigen
Fig. la bis d den Aufbau von verschiedenen Formen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingekapselten Schaltungen,
Fig. 2 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel ohne Gettermaterial
Fig. 3 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl an Luft
Fig. 4 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für
Silikon-Gel mit BaAl an Luft mit Feuchtigkeit
Fig. 5 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silik
bung.
Silikon-Gel mit BaAl in angefeuchteter Umge-
•β" 16.11.84,
\JMBB
9638 Patentabteilung
16.11.84, 0104A Hum/th
Die Fig. la bis Id zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingekapselten Schaltung. Bei Fig. la haftet auf einem Substrat S, das zweckmäßig aus AL2O3 besteht, ein beispielsweise mit Si3N4 passivierter mikroelektronischer Baustein B, der in bekannter Weise mit Bonddrähten D, die aus Gold oder anderem hochleitfähigem Metall bestehen, mit den Leiterbahnen LB elektrisch verbunden ist. Der Baustein B und die Bonddrähte befinden sich innerhalb einer weichen Kunststoffschicht G, die aus Silikon-Gel mit BaAl -Füllung besteht. Diese ist mit einer Folie F abgedeckt, die eine Metallschicht enthält. Schließlich ist das ι
eingekapselt.
lieh ist das Ganze mit Epoxidharz H mit SiO -Füllung
15
Die weiche Kunststoffschicht G dient einerseits zur mechanischen Polsterung der Bausteine und Bond-Drähte, andererseits aber auch als Träger für das Gettermaterial. Aus diesem Grunde besteht sie aus einem Stoff der eingangs beschriebenen und in den Ausführungsbeispielen näher spezifizierten Art.
Es versteht sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Gehäusen aus starrem Material verwendet werden kann (Fig. Ib bis Id).
Die Fig. la bis Id zeigen bekannte Aufbauten mit starren Gehäusen. Dabei handelt es sich nach Fig. Ib um ein weit verbreitetes Plastik- bzw. Keramikgehäuse und bei den Ausführungsformen nach den Fig. Ic bis Id um Metall- bzw. Keramikgehäuse. Die beiden Hälften des Gehäuses nach Fig. Ib sind beispielsweise mit Glas GL verbunden. Die Gehäuse nach Fig. Ic und Id sind verschweißt bzw. verlötet; die Schweißnähte sind mit SN
35
16.11.84, 0104A MBB O Hum/th
9638 Patentabteilung
und die Lötstellen mit L bezeichnet. Allen diesen Aufbauten ist gemeinsam, daß der an sich vorhandene leere Innenraum mit dem erfindungsgemäßen Gettermaterial wenigstens teilweise gefüllt ist.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen differentialthermoanalytische Diagramme für Silikon-Gel als Trägermaterial und BaAl als Gettermaterial. Sämtliche Thermoanalysen sind bei ΔΤ/At = Konst und vergleichbaren Probenmengen und Bedingungen erstellt.
Bezüglich der Interpretation der Diagramme ist auszuführen, daß die vertikale Achse die Wärmetönung in mcal/sec darstellt. Auf der Abszisse sind Temperaturen in 0K eingetragen. Eine linear verlaufende Kurve bedeutet, daß der Wärmefluß konstant ist und keine Reaktions- oder Umwandlungswärme auftritt, Durchhänge bedeuten, daß in diesem Bereich Wärme frei wird, z.B. durch Reaktion des Getters mit der Feuchte.
Fig. 2 zeigt ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel ohne Gettermaterial. Eine Wärmetönung ist nicht erkennbar.
Fig. 3 zeigt ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl an Luft. Eine leichte Wärmetönung ist praktisch nicht zu erkennen.
Fig. 4 zeigt ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl an Luft mit Feuchtigkeit. Die Wärmetönung im Bereich von 380 0K bis 440 0K ist gut erkennbar.
MBB
Patentabteilung
16.11.84, 0104A
Hum/th 9638
Fig. 5 zeigt ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl. in angefeuchteter Umgebung. Die Wärmetönung im Bereich von 380 0K bis 440 0K ist stark ausgeprägt.
Bei den Versuchen nach Fig. 4 und 5 wurde eine frische Mischung verwendet.
Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele beschrieben.
Beispiel 1:
1 g Sil-Gel-604 (Hersteller: Wacker) mit den Komponenten A und B Verhältnis 9 : 1 sowie 3 g Barium-Aluminium-Legierung in einer mittleren Korngröße von X~ <. 40 um werden unter trockenem Stickstoffstrom gemischt, unter 10 Torr bei 23 ± 3° 5 Minuten entgast und sofort verwendet. Der Gehäusedeckel wird dünn, ca. 5 10 mg/cm , mit der Getterpaste eingestrichen. In ca. 1-2 Stunden bei Raumtemperatur bzw. in ca. 5 Minuten bei 100° ist das Getter haftfest vulkanisiert.
Beispiel 2:
Die Sil-Gel-604-Komponenten A und B werden im Verhältnis 15 : 1 gemischt. Im übrigen sind die Bedingungen wie bei Beispiel 1. Infolge des Härterunterschusses bleibt das Getter gasdurchlässiger und klebriger. Es wirkt als Staubgetter bzw. zum Abfangen von störenden Teilchen.
MBB Af) Huro/th
9638 Patentabteilung
16.11.84, 0104A
Beispiel 3:
Anstelle von Sil-Gel-604 wird Sil-Gel 600 und 601, die in der Wärme vulkanisiert werden, verwendet, so daß das Getter schon aktiviert ist. Selbstverständlich können auch ähnliche Produkte anderer Provenienz eingesetzt werden, z.B. die Typen von DOW CORNING:
R-4-3117
XR-90-714 (721) Ql-9205 (AI-9214) Q3-6527 A und B
Anstelle BaAl4 wird Zirkonmetall- und Zirkonhydrid-
pulver feinkörnig verwendet. Das ergibt noch stabilere Gasgetter.
'φ
- Leerseite -

Claims (9)

  1. 3A42132
    Patentabteilung
    16.11.84, 0104A
    1^— 1 Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronikschaltungen mit organischen Komponenten
    Patentansprüche
    10
    20
    25
    30
    J. Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronikschaltungen mit organischen Komponenten, wobei zur Aufnahme von korrodierenden Gasen im Innenraum ein Getter miteingeschlossen wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Gettermaterial als feinstkörniges Pulver in einem gasdurchlässigen, inerten Silikonkautschuk dispergiert wii.d.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch u e i; c η η. ζ e I ο a net , ddß der innenrauip. der zu verkapselnden Schaltung mit dem "das Gettermaterial enthaltenden Silikonkautschuk vollständig aufgefüllt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Silikonkautschuk mit dem Gettermaterial unter Ausschluß von Feuchtigkeit vernetzt, gelagert und verschweißt wird.
  4. 4. Verkapseltes Mikroelektronik-Element mit einem Getter zur Aufnahme von korrodierenden Gasen , dadurch gekennzeichnet , daß das Gettermaterial als feinstkörniges Pulver in einem gasdurchlässigen, inerten Silikonkautschuk dispergiert ist.
    35
    MBB
    3U2132
    16.11.84, 0104A Hura/th
    9638 Patentabteilung
  5. 5. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Innenraum des Elementes vollständig mit dem das Gettermaterial enthaltenden Silikonkautschuk aufgefüllt ist.
  6. 6. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial eine reaktive Erdalkalimetall-Aluminium-Legierung ist.
  7. 7. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Gettermaterial aus BaAl besteht.
    1 5
  8. 8. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach An spruch « oder 7.· dadurch gekennzeichnet., daß die Korngröße des Getterraaterials zwischen 0.1 und 100 μ , vorzugsweise zwischen 5 und 50 μ liegt.
  9. 9. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Gettermaterial in einem weitgehend ionenfreien (Konzentration < 50 ppm), schwach vernetzbaren, gegenüber BaAl und den Schaltungskomponenten indifferenten Silikonkautschuk mit ho-" hem Gaspermeationskoeffizienten, vorzugsweise einem Silikongel, dispergiert ist.
    30
    35
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