WO1986003056A1 - Process for encapsulating microelectronic circuits with organic components - Google Patents

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WO1986003056A1
WO1986003056A1 PCT/DE1985/000473 DE8500473W WO8603056A1 WO 1986003056 A1 WO1986003056 A1 WO 1986003056A1 DE 8500473 W DE8500473 W DE 8500473W WO 8603056 A1 WO8603056 A1 WO 8603056A1
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Werner MÖLLER
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Messerschmitt-Bölkow-Blohm Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for encapsulating microelectronic circuits with organic components, a getter being included to accommodate corrosive gases in the interior.
  • the desiccants known from electronics for example from DE-OS 31 12 564, or the molecular sieves based on zeolite, the use of which is known, for example, from EP-AI 0113 282, absorb only the moisture and give it when heating, ie under critical circuit conditions, again.
  • the getter material is dispersed as a fine-grained powder in a gas-permeable, inert silicone rubber.
  • Fig. 2 is a differential thermal analysis diagram for silicone gel without getter material
  • Fig. 3 is a differential thermal analysis diagram for
  • Fig. 4 is a differential thermal analysis diagram for silicone gel with BaAl in air with moisture
  • Fig. 5 is a differential thermal analysis diagram for S Siiliilkon gel with BaAl- in moistened Urage- 4 exercise.
  • 1a to 1d show the basic structure of a circuit encapsulated by the method according to the invention.
  • La adheres to a substrate S, which suitably consists of AL U 3 , for example with Si-N.
  • Passivated microelectronic component B which is electrically connected to the conductor tracks LB in a known manner with bond wires D, which consist of gold or other highly conductive metal.
  • Module B and the bond wires are located within a soft plastic layer G, which consists of silicone gel with BaAl 4 filling. This is covered with a film F, which contains a metal layer.
  • the whole is encapsulated with epoxy resin H with SiO 2 filling.
  • the soft plastic layer G serves on the one hand for mechanical padding of the components and bond wires, but on the other hand also as a carrier for the getter material. For this reason, it consists of a substance of the type described in the introduction and specified in more detail in the exemplary embodiments.
  • Figures la to ld show known structures with rigid housings.
  • FIG. 1b it is a widely used plastic or ceramic housing and in the embodiments according to FIGS. 1c to 1d it is metal or ceramic housing.
  • the two halves of the housing according to FIG. 1b are connected, for example, with glass GL. 1c and 1d are welded or soldered; the welds are with SN and the solder joints with L. All of these structures have in common that the empty interior, which is available per se, is at least partially filled with the getter material according to the invention.
  • the vertical axis represents the heat in mcal / sec. Temperatures in ° K are entered on the abscissa.
  • a linear curve means that the heat flow is constant and that there is no reaction or conversion heat, sagging means that heat is released in this area, e.g. by reaction of the getter with the moisture.
  • the getter is vulcanized for 1 - 2 hours at room temperature or in about 5 minutes at 100 °.
  • Example 3 The Sil-Gel-604 components A and B are mixed in a ratio of 15: 1. Otherwise, the conditions are as in Example 1. As a result of the hardener deficit, the getter remains more gas-permeable and sticky. It acts as a dust getter or for trapping disruptive particles.
  • Example 3
  • Sil-Gel-604 Sil-Gel 600 and 601, which are vulcanized by heat, are used, so that the getter is already activated.
  • similar products of different provenance can also be used, e.g. the types of DOW CORNING:

Description

Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronikschaltun¬ gen mit organischen Komponenten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronikschaltungen mit organischen Kompo¬ nenten, wobei zur Aufnahme von korrodierenden Gasen im Innenraum ein Getter miteingeschlossen wird.
Aufgrund der an derartige Elemente zu stellenden prak¬ tischen Anforderungen werden hochzuverlässige elektro¬ nische Schaltungen durch hermetisches Verschweißen oder Verlöten mit einem Metall- oder Keramikgehäuse gegen Umwelteinflüsse, Feuchtigkeit, CO,, SO- u.a. korro¬ sive 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 ther¬ mischer 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 Silikon¬ harzen bzw. Elastomeren mit einer geringen Gasbildung gerechnet werden. Es handelt sich dabei aufgrund von Gasanalysen zumeist um H_0, CO,, CO, NH3 und or¬ ganische Säuren, die bei Leistungshybriden unter Span¬ nung nicht nur an Aluminium-Leiterbahnen und -Bonddräh¬ ten zur elektrolytischen Korrosion und damit zum Aus¬ fall der Schaltungen führen. Der hierbei entstehende Wasserstoff sowie Restsauerstoff verstärken die Korro¬ sion, so daß diese Gase entfernt werden sollten. Bei Kleinleistungshybriden schlagen sich die Gase teil¬ weise als Feuchte nieder und verursachen zusätzlich un¬ ter Spannung Elektrolyse. Die Alterungs- bzw. Spaltpro¬ dukte- lassen sieht trotz eingehender Bemühungen verfah¬ renstechnisch, z.B. Evakuieren, N_-Spülung, Trocknung nur bedingt verhindern. Die in der Elektronik verwende¬ ten z.B. aus der DE-OS 31 12 564 bekannten Trockenmit¬ tel, oder die Molekularsiebe auf Zeolith-Basis, deren Anwendung z.B. aus EP-AI 0113 282 bekannt ist, absor¬ bieren nur die Feuchtigkeit und geben sie beim Erwär¬ men, d.h. unter kritischen Schaltungsbedingungen, wie¬ der ab.
Ferner wird z.B. in der EP-A2 0 025 647 vorgeschlagen, teilweise vernetzten Silikonkautschuk allein als Getter bzw. Staubfänger für Staubpartikel zu verwenden, der selbstverständlich nicht als Gasgetter wirkt und Feuch¬ tigkeit 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 Elektronen¬ strahlröhren zur Absorption von korrosiven Gasen und von Feuchtigkeitsspuren entwickelt. Bevorzugt verwendet man hierfür Erdalkali- und Zirkonmetall- und Zirkonhy- drid-Stangen, die verdampft werden und sich in der Wär¬ me entsprechend dem Barium in folgenden Reaktionen mit den entstehenden Spaltgasen mehr oder weniger stark um¬ setzen. 2 Ba + H O = Ba H + Ba O
5 Ba + 2 CO = Ba C + 4 Ba O
3 Ba + CO - Ba C, + 2 Ba O
2 Ba + 2 NH3 = Ba H. + Ba (NH )
2 Ba + 2 R-COOH = Ba (R-COO + Ba H
Ba + H2 = Ba H2
Auch für die in Elektronik-Schaltungen verwendeten or¬ ganischen Stoffe bzw. entstehenden Spaltgase erscheinen zunächst feinstkörnige Ba AI Getter besonders geeig¬ net, weil sie gegenüber Kovar bzw. Chromnickelstahl in¬ different und gegenüber Stickstoff relativ stabil sind, aber alle übrigen Gase absorbieren bzw. chemisorbieren. Allerdings ist ein Verdampfen des Getters in Kleinge¬ häusen schwierig.
Es ist das Ziel der Erfindung, Verfahren und zu ihrer Durchführung geeignete Materialien zu schaffen, die es ermöglichen, auch bei kleinen, einzukapselnden Elektro¬ nik-Schaltungen zuverlässig die korrodierenden Gase und störende Feuchtigkeit mit einem Getter unschädlich zu machen.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Gettermaterial als feinstkörniges Pulver in einem gas¬ durchlässigen, inerten Silikonkautschuk dispergiert wird.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht also darin, hochaktive, aber unkritisch verarbeitbare Getter in feinster Verteilung in einem gasdurchlässigen, indiffe¬ renten (gegenüber Getter, Gas und Schaltung), hochrei¬ nen Träger zu dispergieren. Untersuchungen ergaben, daß - IX -
Barium-Aluminium-Legierungen einerseits und dünnflüssi¬ ge, sehr reine, thermisch beständige, schwach addi- tionsvernetzende Zweikomponenten-Silikongele anderer¬ seits diesen Anforderungen genügen und sich beliebig mischen lassen. Differentialthermoanalytisch (DSC2) ließ sich keine Reaktion nachweisen, wenn keine Feuch¬ tigkeit einwirken konnte. Erst in der Wärme setzt eine langsame, durch die Diffusionsgeschwindigkeit bestimmte Reaktion ein, so daß erst beim Einschweißen und im Be¬ trieb das Getter aktiviert wird.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den ünter- ansprüchen und aus der Beschreibung, in der anhand der Figur ein Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Es zeigen
Fig. la bis d den Aufbau von verschiedenen Formen der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingekap¬ selten Schaltungen,
Fig. 2 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel ohne Gettermaterial
Fig. 3 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für
Silikon-Gel mit BaAl 4- an Luft
Fig. 4 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für Silikon-Gel mit BaAl an Luft mit Feuchtigkeit
Fig. 5 ein differentialthermoanalytisches Diagramm für S Siilliilkon-Gel mit BaAl- in angefeuchteter Urage- 4 bung. Die Fig. la bis ld zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingekapsel¬ ten Schaltung. Bei Fig. la haftet auf einem Substrat S, das zweckmäßig aus AL U 3 besteht, ein beispielswei¬ se mit Si-N. passivierter mikroelektronischer Bau¬ stein 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 BaAl4-Füllung besteht. Diese ist mit einer Folie F abgedeckt, die eine Metallschicht enthält. Schlie߬ lich ist das Ganze mit Epoxidharz H mit Si0_-Füllung eingekapselt.
Die weiche Kunststoffschicht G dient einerseits zur me¬ chanischen Polsterung der Bausteine und Bond-Drähte, andererseits aber auch als Träger für das Gettermateri¬ al. 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. lb bis ld).
Die Fig. la bis ld zeigen bekannte Aufbauten mit star¬ ren Gehäusen. Dabei handelt es sich nach Fig. lb um ein weit verbreitetes Plastik- bzw. Keramikgehäuse und bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1c bis ld um Me¬ tall- bzw. Keramikgehäuse. Die beiden Hälften des Ge¬ häuses nach Fig. lb sind beispielsweise mit Glas GL verbunden. Die Gehäuse nach Fig. 1c und ld sind ver¬ schweißt bzw. verlötet; die Schweißnähte sind mit SN und die Lötstellen mit L bezeichnet. Allen diesen Auf¬ bauten ist gemeinsam, daß der an sich vorhandene leere Innenraum mit dem erfindungsgemäßen Gettermaterial we¬ nigstens teilweise gefüllt ist.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen differentialthermoanalyti- sche Diagramme für Silikon-Gel als Trägermaterial und BaAl. als Gettermaterial. Sämtliche Thermoanalysen sind bei ΔT/Δt = Konst und vergleichbaren Proben¬ mengen und Bedingungen erstellt.
Bezüglich der Interpretation der Diagramme ist auszu¬ führen, daß die vertikale Achse die Wärmetönung in mcal/sec darstellt. Auf der Abszisse sind Temperaturen in °K eingetragen. Eine linear verlaufende Kurve bedeu¬ tet, daß der Wärmefluß konstant ist und keine Reak- tions- _oder Umwandlungswärme auftritt, Durchhänge be¬ deuten, daß in diesem Bereich Wärme frei wird, z.B. durch Reaktion des Getters mit der Feuchte.
Fig. 2 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia¬ gramm für Silikon-Gel ohne Gettermaterial. Eine Wärme¬ tönung ist nicht erkennbar.
Fig. 3 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia¬ gramm für Silikon-Gel mit BaAl an Luft. Eine leicht« Wärmetönung ist praktisch nicht zu erkennen.
Fig. 4 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia¬ gramm für Silikon-Gel mit BaAl. an Luft mit Feuchtig¬ keit. Die Wärmetönung im Bereich von 380 °K bis 440 °K ist gut erkennbar. Fig. 5 zeigt ein differentialthermoanalytisches Dia- gramm für Silikon-Gel mit BaAl in angefeuchteter Um¬ gebung. Die Wärmetönung im Bereich von 380 °K bis 440 °K ist stark ausgeprägt.
Bei den Versuchen nach Fig. 4 und 5 wurde eine frische Mischung verwendet.
Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele beschrie¬ ben.
Beispiel 1:
1 g Sil-Gel-604 (Hersteller: Wacker) mit den Komponen¬ ten A und B Verhältnis 9 : 1 sowie 3 g Barium-Alumi¬ nium-Legierung in einer mittleren Korngröße von X <.40 μm werden unter trockenem Stickstoffström gemischt, unter 10 Torr bei 23 ± 3° 5 Minuten entgast und sofort verwendet. Der Gehäusedeckel wird dünn, ca. 5 - 10 mg/cm 2, 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 Verhält¬ nis 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. 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 BaAl. wird Zirkonmetall- und Zirkonhydrid- pulver feinkörnig verwendet. Das ergibt noch stabilere Gasgetter.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verkapselung von Mikroelektronik¬ schaltungen mit organischen Komponenten, wobei zur Auf¬ nahme von korrodierenden Gasen im Innenraum ein Getter miteingeschlossen wird, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß das Gettermaterial als feinst- körniges Pulver in einem gasdurchlässigen, inerten Si¬ likonkautschuk dispergiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Innenraum der zu verkapselnden Schaltung mit dem das Gettermaterial ent¬ haltenden Silikonkautschuk vollständig aufgefüllt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Silikonkautschuk mit dem Gettermaterial unter Ausschluß von Feuchtigkeit vernetzt, gelagert und verschweißt wird.
4. Verkapseltes Mikroelektronik-Element mit einem Getter zur Aufnahme von korrodierenden Gasen , da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Getter¬ material als feinstkörniges Pulver in einem gasdurch¬ lässigen, inerten Silikonkautschuk dispergiert ist.
5. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach An¬ spruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Innenraum des Elementes vollständig mit dem das Gettermaterial enthaltenden Silikonkautschuk aufgefüllt ist.
6. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach An¬ spruch 4 oder 5, dadurch g e k e n n z e i c h ¬ e t , daß das Gettermaterial eine reaktive Erdalka¬ limetall-Aluminium-Legierung ist.
7. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach An¬ spruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Gettermaterial aus BaAl 4. besteht.
8. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach An¬ spruch 6 oder 7, dadurch g e k e n n z e i c h ¬ n e t , daß die Korngröße des Gettermaterials zwischen 0.1 und 100 μ , vorzugsweise zwischen 5 und 50 μ liegt.
9. Verkapseltes Mikroelektronik-Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß das Gettermaterial in einem weitgehend ionenfreien (Konzentration < 50 ppm) , schwach vernetzbaren, gegenüber BaAl und den Schal¬ tungskomponenten indifferenten Silikonkautschuk mit ho¬ hem Gaspermeationskoeffizienten, vorzugsweise einem Si¬ likongel, dispergiert ist.
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