Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Бессвинцовые технологии пайки кремниевых кристаллов ПЛИ 10
1.1. Конструктивно-технологические критерии выбора бессвинцовых припоев 10
1.2. Покрытия паяемых поверхностей под пайку бессвинцовыми припоями 12
1.3. Анализ способов и технологий напайки кристаллов бессвинцовыми сплавами 15
1.4. Способы оценки качества паяных соединений ПЛИ 22
1.5. Тепловое сопротивление кристалл-корпус как параметр оценки качества напайки кристаллов и надежности НИИ 23
1.6. Отбраковочные испытания ПЛИ 26
1.7. Методы, приборы и оборудование, используемые для проведения экспериментов 28
Выводы и постановка задач для исследования и разработок 29
ГЛАВА 2. Разработка и исследование новых бессвинцовых припоев 30
2.1. Анализ существующих бессвинцовых припоев 30
2.2. Разработка новых составов бессвинцовых припоев 34
2.3. Оценка смачивания и растекания новых бессвинцовых припоев по паяемым поверхностям кристалла и корпуса 44
2.4. Исследование технологических свойств сплава 88,6Sn/1034Bi/l,0Sb(Bec.%) 56
Выводы 59
ГЛАВА 3. Влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на параметры СПП 61
3.1. Методы, приборы и оборудование, используемые для проведения экспериментов 61
3.2. Влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и КТ-43В на электрические параметры транзисторов 2П767В 64
3.3. Влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и*КТ-43В на RT кр-к транзисторов 2П767В 73
Выводы 77
ГЛАВА 4. Разработка новых способов напайки кристаллов на основания корпусов СПП с применением бессвинцовых сплавов 79
4.1. Способ пайки кристаллов с использованием локального нагрева 79
4.2. Способ присоединения кристаллов к корпусам с образованием эвтектики Si-Au 84
4.3. Способ присоединения кристаллов к корпусам с образованием эвтектик Sn-Zn и Al-Zn 87
4.4. Способ пайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса бессвинцовым припоем 90
4.5. Разработка способа пайки кристаллов с образованием эвтектики Al-Zn 92
4.5.1. Исследование свойств алюминиевой металлизации корпусов СПП, полученной гальваническим осаждением 93
4.5.2. Исследование качества паяных соединений кристаллов с образованием эвтектики Al-Zn 97
4.6. Пайка полупроводниковых кристаллов со столбиковыми выводами методом «flip-chip» с использованием бессвинцовых припоев 104
4.7. Разработка способа контроля предельно допустимой температуры нагрева ППИ 105
Выводы 110
Основные результаты и выводы 112
Литература 114
- Тепловое сопротивление кристалл-корпус как параметр оценки качества напайки кристаллов и надежности НИИ
- Исследование технологических свойств сплава 88,6Sn/1034Bi/l,0Sb(Bec.%)
- Влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и КТ-43В на электрические параметры транзисторов 2П767В
- Способ пайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса бессвинцовым припоем
Введение к работе
Актуальность темы. Директива Европейского Союза по экологической безопасности RoHS (Restriction of use of Certain Hazardous Substances) ограничивает использование свинца в новом электрическом и электронном оборудовании с 1 июля 2006 года Уже к концу 2001 года было выдано более ста патентов на сплавы различных составов для замены свинцовых припоев Каждый припой обладает своим сочетанием свойств, что затрудняет окончательный выбор
В нашей стране и за рубежом в последние годы опубликовано много материалов, посвященных способам и технологиям пайки с использованием бессвинцовых припоев, в том числе в производстве изделий микроэлектроники, среди которых особое место занимают работы Л Ануфриева, А Вотинцева, В Григорьева, В Емельянова, А Колпакова, А Медведева, С Флоренцева, К Seeling, D Suraski и др.
Следует отметить, что из множества бессвинцовых припоев, рекомендованных для сборки полупроводниковых изделий (ППИ), отсутствуют сведения о технологических свойствах припоев (смачиваемости и растекании по паяемым поверхностям кристалла и основания корпуса), имеется недостаточно данных об использовании их в реальных технологиях сборки ППИ
Существующая реальность на рынке импортных электронных компонентов и активная деятельность изготовителей компонентов по переходу на бессвинцовые технологии заставляют предприятия-производители ППИ принимать срочные меры по внедрению в производство данных технологий При разработке новых способов и бессвинцовых технологий пайки необходимо учитывать традиционно сложившиеся подходы и методики конструирования и технологии производства ППИ Поэтому вопросы пайки кристаллов силовых полупроводниковых приборов (СПП) с применением бессвинцовых сплавов являются актуальными как в научном, так и в прикладном плане
Диссертация выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в рамках госбюджетной программы ГБ-04 34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, А3В5 и др ), приборов и технологии их изготовления», номер гос регистрации 0120 0412888
Цель и задачи работы. Целью работы является решение научно-технической задачи по оценке влияния марки припоя, способов и режимов пайки кристаллов с применением бессвинцовых сплавов на качество паяных соединений кристалл-корпус и на параметры СПП (на примере транзистора 2П767В)
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи
-анализ существующих способов и технологий пайки кристаллов ППИ бессвинцовыми сплавами,
разработка и изготовление новых бессвинцовых припоев;
оценка смачивания и растекания новых бессвинцовых припоев по паяемым поверхностям кристалла и корпуса,
исследование влияния марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов к основаниям корпусов ТО-220 и КТ-43В на электрические параметры и тепловое сопротивление кристалл-корпус (Rt*p-k) транзисторов 2П767В после сборки, термоциклирования и 10000 энергоциклов,
-разработка способа пайки полупроводникового кристалла с использованием локального нагрева;
- разработка новых способов пайки кремниевых кристаллов к осно
ваниям корпусов СПП;
-разработка нового способа контроля предельно допустимой температуры нагрева ППИ
Методы исследований. Пайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов проводилась в конвейерной водородной печи 105А-72М и в формир-газе (смесь газов Н2 и N2 в соотношении 15 85) на установке ЭМ-4085-14М.
Контроль качества напайки кристаллов с основаниями корпусов осуществлялся методами рентгеновской дефектоскопии на установке типа РУП-150/300 с использованием пленки Р5. Для оценки теплового сопротивления транзисторов в различных корпусах использовался измерительный стенд ОМ 006 307
При выполнении экспериментов использовались электронный микроанализ и металлография.
Научная новизна работы. Получены следующие новые научные и технические результаты
І.Для пайки кристаллов разработан состав бессвинцового припоя 87,O-89,0Sn/9,O-ll,0Bi/O,8-l,2Sb (вес %), обеспечивающий при пайке кристаллов к основаниям корпусов СПП в формир-газе площадь паяного шва более 95 % от площади кристалла.
2 Разработан способ пайки полупроводникового кристалла с использованием локального нагрева, отличающийся тем, что нагрев проводят импульсом тока через расщепленный электрод, а давление на кристалл осуществляют потоком защитного газа
3. Разработан способ контактно-реактивной пайки кристаллов к основаниям корпусов с образованием эвтектики Al-Zn, заключающийся в том, что на паяемые поверхности кристалла и основания корпуса наносят алюминиевую металлизацию, а между кристаллом и корпусом размещают фольгу припоя 20Zn/80Sn (вес %)
Реализация результатов работы, практическая значимость.
1 Разработан и апробирован на операции сборки СПП бессвинцо-
вый припой состава 87,0-89,0Sn/9,O-l l,0Bi/0,8-l,2Sb (вес %) с температурой плавления 230 — 240 С
На припой подана заявка на изобретение
-
Исследовано влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и КТ-43В на электрические параметры и тепловое сопротивление кристалл-корпус (Rj кр-к) транзисторов 2П767В после сборки, термоциклирования и 10000 энергоциклов
-
Разработан новый способ пайки полупроводниковых кристаллов, который можно использовать при изготовлении не только СПП, но и при сборке печатных плат и силовых модулей
На способ подготовлена заявка на изобретение
4 Разработан способ пайки кристаллов к основаниям корпусов через
золотую прокладку с образованием эвтектики Si-Au, позволяющий повы
сить качество соединения кристалла с корпусом
На способ получен патент РФ на изобретение № 2298252 Опубл 27 04 2007 Бюл № 12
5 Предложен новый способ бессвинцовой контактно-реактивной
пайки кристаллов к основаниям корпусов с образованием эвтектик Al-Zn и
Zn-Sn
На способ получен патент РФ на изобретение № 2313156 Опубл 20 12.2007 Бюл № 35
6 Разработан способ пайки кристаллов к основаниям корпусов с об
разованием эвтектики Sn-Zn, позволяющий повысить смачиваемость цин
кового покрытия оловом и увеличить время хранения кристаллов перед
пайкой
На способ получен патент РФ на изобретение № 2278444 Опубл 20 06.2006 Бюл № 17
7 Разработан способ контактно-реактивной пайки кристаллов к ос
нованиям корпусов с образованием эвтектики Al-Zn при температуре 382 С
На способ подготовлена заявка на изобретение
8 На этапе разработки новых СПП предложен способ контроля пре
дельно допустимой температуры нагрева приборов
Основные результаты, выносимые на защиту.
-
Бессвинцовый припой состава 87,0-89,0Sn/9,0-ll,0Bi/0,8-l,2Sb (вес %) с температурой плавления 230 - 240 С
-
Способ пайки полупроводникового кристалла с использованием локального нагрева
-
Способ контактно-реактивной пайки кристаллов к основаниям корпусов с образованием эвтектики Al-Zn при температуре 382 С
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических семинарах Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2003-2005), II Всероссийской конференции «ФАГРАН-2004» «Физико-
химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» (Воронеж, 2004), XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 2006), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2007), конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (Воронеж, 2004 - 2007)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 патента РФ на изобретения В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [2, 13] - анализ существующих способов контроля температуры нагрева ППИ, [3] - анализ существующих способов пайки кристаллов методом «flip-chip», [4 - 6, 8 -10, 12] - поиск и разработка новых способов пайки кристаллов с применением бессвинцовых сплавов, [7, 11] - литературный обзор по покрытиям, анализ экспериментальных данных, [2 - 13] - обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 127 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 147 страницах, содержит 57 рисунков и 7 таблиц
Экспериментальная часть диссертации выполнялась на кафедре «Полупроводниковая электроника» ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на предприятиях ЗАО «ВЗПП - Микрон», ОАО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - Сборка»
Автор выражает благодарность сотрудникам КТБ ОАО «ВЗПП - С» за оказание помощи в проведении экспериментов
Тепловое сопротивление кристалл-корпус как параметр оценки качества напайки кристаллов и надежности НИИ
Тепловое сопротивление (RTKP-K) полупроводникового прибора определяется как отношение разности эффективной температуры перехода (Тп) и температуры основания корпуса (Тк) в контролируемой точке к рассеиваемой мощности (Р) прибора в установившемся тепловом режиме, когда измеряемая температура не изменяется по отношению к окружающей среде.
Разработан [52] экспресс-метод измерения теплового сопротивления переход-корпус СПП в корпусном исполнении, при котором полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды, измеряют в процессе нагревания значение его температурного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле.
Для упрощения и повышения точности определения теплового сопротивления транзистора Дарлингтона разработан способ [53], заключающийся в выборе термочувствительного параметра и диапазона времени его измерения. В качестве термочувствительного параметра используется напряжение коллектор-эмиттер транзистора, а время его измерения после отключения греющей мощности определяется временем выключения транзистора и тепловой постоянной транзисторной структуры.
С целью уменьшения времени измерения, снижения затрат при реализации способа и повышения эффективности технологического процесса контроля способ [52] усовершенствован следующим образом [51]. На интервале нагревания дополнительно измеряют температуру основания корпуса Тк прибора в выбранной точке, запоминают эти значения, получая их зависимости от времени. Затем прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении температуры Тк заданного значения и в режиме естественного охлаждения подают на кристалл, короткие измерительные импульсы тока с заданной амплитудой и скважностью, не влияющие на тепловое равновесие прибора. После этого измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая зависимости Un(t) и Tn(t) уже на интервале охлаждения. Длительность интервала охлаждения выбирают из условия выполнения соотношения t » Зт, где т - наибольшая тепловая постоянная конструкции прибора. Зная момент динамического равновесия на интервале нагрева, по полученным зависимостям вычисляют тепловое сопротивление переход-корпус в заданной точке.
Допустимая максимальная температура эксплуатации многих кремниевых ПЛИ колеблется от 125 до 175 С. Повышенные температуры могут повредить элементы гибридной схемы, а также вызвать кратковременное или длительное изменение ее параметров [54]. Конструктор микроэлектронных устройств, а также и потребитель должны знать повышенную предельную температуру ППИ, которая зависит от конструкции корпуса и способов отвода тепла от приборов [55, 56].
Одномерное стационарное уравнение теплопроводности связывает скорость распространения потока тепла с коэффициентом теплопроводности К, площадью поперечного сечения потока тепла А и температурным градиентом AT/АХ следующим образом [54]:
Р = К-А-ДТ/ДХ. (1.1) Так как ДТ — разность между начальной и конечной температурами, то можно записать: ДТ = 0-Р, (1.2) где 0 = ДХ/К-А - называется тепловым сопротивлением. Большое значение при проектировании ППИ имеет моделирование тепловых режимов. В работах [57, 58] излагаются методы расчета температурных полей на различных конструктивных уровнях элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА): микросхемы и микросборки, ячейки на печатных платах, блоки.
Типичные значения предельных температур (Ттах, С) некоторых типов транзисторов приведены в табл. 1.3 [59].
Для оценки устойчивости электронных компонентов к воздействию перепадов температуры существуют два1 основных метода [60]: 1 - активное термоциклирование, при котором нагрев элемента происходит за счет его собственного тепловыделения в процессе коммутации тока, а снижение температуры обеспечивается системой охлаждения; 2 — пассивное термоциклирование, при котором градиент температуры создается за счет помещения элемента в климатические камеры с высокой и низкой температурой.
Термоциклы, т.е. попеременный нагрев и охлаждение, являются ускоренными испытаниями и хорошо выявляют относительно малые негерметичности корпуса. В этом случае влага, проникая в негерметичные объемы, вызывает увеличение токов утечки и коррозию [61].
Диапазон изменений температуры при термоциклах (как правило, используются диапазоны 0... +55 С; -65... +125 С; -65... +150 С и др.), количество термоциклов, длительность пребывания при крайних температурах, скорость изменения температуры выбираются разными (в зависимости от типов ПЛИ). Термоциклы могут вызывать растрескивание кристаллов, отделение кристалла от подложки (корпуса), обрыв внутренних соединений. Испытания термоциклами могут рассматриваться как ускоренные при соответствующем выборе диапазона изменения температуры и скорости нагрева.
Известно, что надежность СПП определяется, главным образом, их те-плоэлектрическим состоянием, которое зависит от качества присоединения кристалла к основанию корпуса. Образование пустот, микротрещин, сколов (скрытых дефектов) приводит к появлению участков под кристаллом с аномально высоким тепловым сопротивлением [62, 63].
В отбраковочные испытания ПЛИ обязательно входит их тренировка на выходном контроле завода-изготовителя. Воздействие температурой, напряжением и мощностью при тренировке ускоряет ранние отказы ПЛИ, что сокращает число отказов ПЛИ при эксплуатации РЭА [64].
Следует отметить, что в условиях непрерывного усложнения современной РЭА многие потребители ПЛИ считают применение тренировок на входном контроле, особенно ИС, важнейшим средством повышения качества и надежности РЭА [10, 65, 66].
В реальных условиях эксплуатации 1И Шв составе РЭА чаще всего работают периодически, т.е. подвергаются внезапной подаче электрического режима, а затем внезапному его выключению. Поэтому широко используется при электротренировке прерывистый режим, т.е. циклическое изменение электрических воздействий «включено-выключено», названный авторами работы [67] режимом энергоциклирования:
Впервые практическое применение энергоциклирование получило при изготовлении мощных транзисторов в пластмассовых корпусах и в настоящее время оно широко используется в производстве ПЛИ при анализе качества пайки кристаллов. Некачественная пайка кристалла при многократных включениях и выключениях будет выявляться при этом виде тренировки [68]. На мощных транзисторах перепад температуры перехода, соответствующий режимам включения и выключения, будет более 100 С.
Исследование технологических свойств сплава 88,6Sn/1034Bi/l,0Sb(Bec.%)
Существуют различные бессвинцовые припои для пайки изделий микроэлектроники [6, 13 - 17].
Известен бессвинцовый припой марки ВПрб состава (83-86Sn/7,5-8,5Ag/6-8Sb) с температурой плавления (235 — 250) С [81]. Недостатком данного припоя является наличие серебра, что увеличивает стоимость припоя и ПЛИ в целом. Кроме того, содержание сурьмы в,таком количестве повышает хрупкость паяного соединения при низких температурах.
В электронной промышленности при изготовлении изделий микроэлектроники из многочисленных бессвинцовых припоев рекомендуется использовать припой состава 95,5Sn/3,8Ag/0,7Cu с температурой плавления 217 С [13, 72]. К недостаткам данного припоя следует отнести наличие серебра. Более того, низкая температура плавления ограничивает его использование в СПП.
Широко применяется на операции пайки ПЛИ припой эвтектического состава, 58Bi/42Sn (вес.%) [75, 80]. Основным недостатком данного припоя является низкая температура плавления (139 С) и, соответственно, температура пайки, что исключает применение его при пайке кристаллов СПП. Кроме того, припои с высоким содержанием висмута имеют низкую пластичность.
Задача, на решение которой направлена разработка нового состава припоя это — снижение стоимости припоя и ПЛИ в целом; улучшение технологических свойств припоя; повышение надежности СПП.
Эта задача достигается тем, что в бессвинцовый припой, содержащий олово и висмут, введена сурьма при следующем соотношении компонентов припоя, в вес.%: олово - 88,6; висмут- 10,4; сурьма- 1,0. Предварительно проведены исследования на смачивание и растекание припоя по паяемым поверхностям кристалла и корпуса в различных средах: в вакууме, водороде и формир-газе (рис. 2.17).
Паяемость покрытий анализировали по растеканию припоя согласно методу, изложенному в п. 2.3.
Исследования показали, что смачивание и растекание припоя по паяемым поверхностям кристалла и корпуса хорошее (Кр составляет 1,10-1,15) во всех средах. Это свидетельствует о высоких технологических свойствах припоя.
Содержание в припое (вес.%): 88,6 олова обеспечивает высокий коэффициент теплопроводности и хорошую смачиваемость паяемых покрытий кристалла и основания корпуса; 10,4 висмута повышает температуру плавления припоя до 230 - 240 С; 1,0 сурьмы улучшает сопротивление сплава термической усталости.
Примером использования бессвинцового припоя для пайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса может служить сборка полевого транзистора типа 2П767В. На паяемую поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии наносили пленочную металлизацию Tii+Ni-Ag. Для сборки использовались медные корпуса типов ТО-220 и КТ-43В с покрытием химическим никелем.
Пайка кристаллов к основаниям корпусов ТО-220 проводилась в конвейерной водородной печи 105А-72М при температуре в зоне пайки 300 ± 5 и 390 ± 5 С в течение 3 — 4,5 мин (в зависимости от скорости движения кассеты с собранными приборами). Пайку кристаллов к основаниям корпусов КТ-43В осуществляли в формир-газе на установке ЭМ-4085-14М при температуре в зоне пайки 300 ± 5 С и 390 ± 5 С в течение 5 — 10 с.
Исследования качества напайки кристаллов на основания корпусов осуществлялись методами рентгеновской дефектоскопии и по поперечным шлифам паяных соединений.
Экспериментально установлено, что припайке кристаллов к основаниям корпусов СПП в формир-газе площадь паяного шва составляет более 95 % от площади кристалла.
1. Проведен анализ бессвинцовых припоев, используемых при пайке кристаллов ПЛИ. Установлено, что из множества бессвинцовых припоев, рекомендованных для сборки ПЛИ, нет данных об использовании их в реальных технологиях сборки ППИ. Кроме того, отсутствуют сведения о технологических свойствах припоев (смачиваемости и растекании по паяемым поверхностям кристалла и основания корпуса).
2. На основе анализа свойств металлов, из которых могут быть изго товлены бессвинцовые припои, и диаграмм состояний двойных систем Al-Zn, Sn-Zn, Sn-Bi, Sn-Sb, Bi-Sb, применительно к пайке кремниевых кристаллов к основаниям корпусов, были разработаны и изготовлены три типа бессвин цовых припоев: 93,3Sn/l,4Ag/5,3Bi; 88,6Sn/10,4Bi/l,0Sb; 89,0Sn/5,3Bi/0,2Sb/ 5,5Zn. Проведен рентгеноспектральный микроанализ данных припоев с целью подтверждения процентного содержания исходных металлов и наличия в них примесей.
3. Проведена оценка смачивания и растекания разработанных бессвин цовых припоев по серебряным покрытиям кристаллов и никелевым покрыти ям корпусов при температурах пайки кристаллов в различных средах: водо роде, формир-газе и вакууме. Исследования показали, что лучшими парамет рами паяемости данных покрытий обладает припой состава 88,6Sn/10,4Bi/l,0Sb (вес.%).
Содержание в припое (вес.%): 88,6 олова обеспечивает высокий коэффициент теплопроводности и хорошую смачиваемость паяемых покрытий кристалла и основания корпуса; 10,4 висмута повышает температуру плавления припоя до 230 - 240 С; 1,0 сурьмы улучшает сопротивление сплава термической усталости.
4. Экспериментально установлено, что при пайке кристаллов к основа ниям корпусов СПИ в формир-газе с использованием припоя состава 88,6Sn/10,4Bi/l,0Sb (вес.%) площадь паяного шва составляет более 95 % от площади кристалла.
Влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и КТ-43В на электрические параметры транзисторов 2П767В
На транзисторах после проведения сборки, термоциклирования и энергоциклов замерялись следующие электрические параметры: сопротивление сток-исток в открытом состоянии (RCH.OTK)3 пороговое напряжение (изи.пор)3 постоянное прямое напряжение диода (UHC)3 пробивное напряжение диода (иси).
При испытании на воздействие изменения температуры среды (термо-циклирование) температура в камере тепла 125 ± 5 С, в камере холода - минус 60 ± 3 С, количество циклов - 5. Время воздействия температуры в каждой из камер для каждого цикла - 30 мин. Время переноса из камеры в камеру не более 2 мин.
Испытания на устойчивость к энергоциклам проводились согласно ГОСТ В 28146-89 на режиме ток истока Іи = 3 А.
Интегральные распределения приборов по измеряемым параметрам представлены нарис. 3.3-3.10.
Как видно из графиков (рис. 3.3 — 3.10), способы и режимы напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и КТ-43В практически не влияют на электрические параметры транзисторов 2П767В. Все исследуемые приборы (после сборки, термоциклирования и 10000 энергоциклов) имеют электрические параметры в пределах допустимых значений (согласно ТУ). Некоторое изменение электрических параметров связано, по-видимому, с процессами, происходящими в кристалле.
Анализ результатов измерений электрических параметров данных транзисторов показал, что электрические параметры нельзя однозначно использовать при оценке качества напайки кристаллов на основания корпусов. В производстве ПЛИ (особенно СПП) одним из основных параметров оценки качества напайки кристалла на основание корпуса является определение теплового СОПрОТИВЛеНИЯ КрИСТаЛЛ-КОрпуС (Дткр-к) 3.3. Влияние марки припоя, способов и режимов напайки кристаллов на основания корпусов ТО-220 и КТ-43В на RT кр.к транзисторов 2П767В
ДЛЯ Определения ТеПЛОВОГО СОПрОТИВЛеНИЯ КрИСТаЛЛ-КОрпуС (RTKP-K) монтаж кристаллов транзисторов 2П767В к основаниям корпусов ТО-220 и КТ-43В осуществляли различными способами (пайка в водороде и формир-газе) с использованием четырех типов припоев: 1 - ВПрб; 2 - 87,0-89,0Sn/ 9,0-1 l,0Bi/0,8-l,2Sb; 3 - 95,5Sn/ 3,8Ag/0,7Cu; 4 - ПОС10 + 1 % Ag.
Интегральные распределения приборов по параметру тепловое сопротивление кристалл-корпус представлены на рис. 3.11—3.13. при различных способах напайки кристаллов с использованием припоя 87,0-89,0Sn/9,0-ll,0Bi/0,8-l,2Sb (300 С): 1 - в формир-газе на основания корпусов КТ-43В (после сборки и термоциклирования); 2 - в формир-газе на основания корпусов КТ-43В (после 10000 энергоциклов); 3 - в водороде на основания корпусов ТО-220 (после сборки и термоциклирования); 4 — в водороде на основания корпусов ТО-220 (после 10000 энергоциклов)
Экспериментально установлено, что RTKP-К транзисторов, собранных с использованием четырех типов припоев, соответствуют нормам ТУ (рис. 3.11-3.13).
Установлено, что приборы, изготовленные с использованием разработанного припоя, по всем параметрам соответствуют нормам ТУ. Среднее значение теплового сопротивления кристалл-корпус составило 0,84 С/Вт после сборки и 1,04 С/Вт после 10000 энергоциклов для транзисторов в корпусе ТО-220; 0,59 С/Вт после сборки и 0,64 С/Вт после 10000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-43В. Незначительное увеличение теплового сопротивления кристалл-корпус (RTKP-K) после 10000 энергоциклов свидетельствует о пластичности паяных соединений, что повышает надежность СПП в целом. Рентгенограммы и поперечные сечения паяных соединений кристаллов транзисторов 2П767В с основаниями корпусов ТО-220 и КТ-43В представлены в приложении 1.
На рис. 11 и 12 (приложение 1) приведены рентгенограммы и поперечные сечения паяных соединений кристалла транзистора 2П767В с основанием корпуса КТ-43В с использованием припоя 87,0-89,0Sn/9,0-ll,0Bi/0,8-l,2Sb (вес.%). Анализ рентгенограмм и поперечных сечений паяных соединений данной группы приборов показал, что использование разработанного припоя обеспечивает при пайке кристаллов к основаниям корпусов в фор-мир-газе площадь паяного шва более 95 % от площади кристалла.
Исследования паяных соединений кристалл-корпус транзисторов 2П767В показали, что качество паяных соединений СПП, а в целом и надежность приборов, в большей степени зависят от типов корпусов приборов и от способа пайки. Рекомендуется пайку осуществлять с использованием притирки кристалла к основанию корпуса вчзащитной среде, например, формир-газе.
Способ пайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса бессвинцовым припоем
Известен способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу, по которому на слой никеля, нанесенного на паяемую сторону кристалла, наносят электролитическое покрытие из сплава никель-олово, содержащего 30 50 % Ni, из фторхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20, между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр 2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме [90]. Недостатком данного способа является использование при пайке припоя, содержащего 92 % РЬ.
Известен способ [33] пайки полупроводниковых кристаллов к корпусу, по которому на паяемую поверхность кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают из условия получения необходимой толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк-олово. Недостатком этого способа является низкая коррозионная стойкость цинкового покрытия во влажном воздухе и в атмосфере промышленного города. Цинк во влажном воздухе покрывается пленкой, состоящей из карбоната цинка, что ухудшает смачиваемость цинкового покрытия оловом с течением времени хранения перед пайкой. Солевые пленки попадая в паяный шов, повышают вероятность непропаев, особенно при пайке кристаллов с размерами более 4x4 мм , что способствует увеличению теплового и электрического сопротивления контакта полупроводникового кристалла с корпусом.
Разработан способ пайки бессвинцовым припоем полупроводникового кристалла к корпусу [36], заключающийся в нанесении цинка на паяемую поверхность крдсталла и пайку к основанию корпуса, покрытому оловом.
Примером пайки бессвинцовыми припоями полупроводникового кристалла к корпусу может служить сборка транзисторов типа 2П769В в корпус ТО-220. На паяемую поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленки алюминия и цинка. На пленке цинка формируют оловянно-висмутовое покрытие заданной толщины с содержанием висмута 0,4 - 0,9 %.
При соответствующих режимах электролиза покрытие сплавом Sn-Bi получают с мелкозернистой структурой и пониженной твердостью. В зави 92
симости от состава электролита данные сплавы могут осаждаться в виде матовых или блестящих осадков. Электролиты с добавкой ОС-20 или двумя добавками ДДДМ и ОС-20 позволяют получать светлые, мелкозернистые, плотные покрытия.
Коррозионная стойкость покрытий сплавом Sn-Bi зависит от состава, толщины, структуры и пористости осадков. Большей коррозионной стойкостью обладают покрытия с содержанием висмута 0,4 — 0,9 %.
Медная выводная рамка корпуса типа ТО-220 на 10 кадров по известной технологии покрывается химическим никелем, а на основание корпуса в месте пайки, кристаллов наносят слой олова. Выводные рамки фиксируют в кассете, а на основания корпусов в ориентированном положении устанавливают кристалл.
Пайка осуществляется в водороде или вакууме на оптимальных режимах. При нагреве происходит смачивание оловом паяемой поверхности кристалла, а при кристаллизации расплава цинк-олово-висмут образуется паяный шов с уменьшенной площадью непропаев.
Таким образом, с целью исключения использования свинца при пайке, повышения коррозионной стойкости покрытия паяемой поверхности кристалла, улучшения смачиваемости оловом поверхности кристалла при температуре пайки, повышения надежности полупроводниковых приборов за счет уменьшения площади непропаев в паяном шве, на пленку цинка дополнительно наносят оловянно-висмутовое покрытие с содержанием висмута 0,4 -0,9 %.
В технологии производства ПЛИ в качестве технологических покрытий корпусов широко используется золото, серебро, никель и его сплавы. Важнейшей задачей полупроводниковой микроэлектроники является экономия золота или даже его замена на другие металлы и сплавы. При этом разработка способов и технологий монтажа микросоединений в ПЛИ должны приниматься с учетом максимального использования существующих в отрасли технологий и оборудования.
В производстве многих ПЛИ используется металлизация корпусов никелем и его сплавами. С целью повышения температурной стойкости покрытий применяют сплав Ni-B. Кроме этих покрытий используют алюминиевую металлизацию, которую получают различными методами: вакуумным алю-минированием или алюминиевой плакировкой, которые пригодны только для пластмассовых и металлостеклянных корпусов, поэтому не решают проблему замены золота на корпусах приборов повышенной надежности.
В технологии изготовления- микросхем типа КР1008ВЖ1 была рассмотрена возможность замены на траверсах золотого покрытия на алюминиевое, полученного электрохимическом способом из п-ксилольного электролита, что позволило уменьшить стоимость данных изделий в 2,5 — 3 раза [92].
В данном разделе рассмотрены особенности гальванического алюми-нирования корпусов, влияние поверхностно-активных веществ на микроструктуру алюминиевых покрытий.
Одним из способов получения алюминиевой металлизации является электролитическое алюминирование.
Особенностью электроосаждения алюминия является то, что он не может быть выделен путем электролиза водных растворов в виду того, что стандартный электродный потенциал алюминия (Е = —1,66 В) намного отрица 94
тельнее потенциала выделения; водорода из воды (Е = -0,41 В): Поэтому в качестве растворителей используют органические апротонные,. например, толуол или ксилол, которые не содержат подвижных атомов водорода..Эти растворители имеют высокую электрохимическую устойчивость и не восстанавливаются до потенциалов — (3 — 3,5) В; а их анодное окисление близко к 1,0 - 1,5; В1 Основными растворяемыми компонентами в этих электролитах являются ионы металлов, а также органические и неорганические соединения обладающие вьісокойірастворимостьющ электропроводностью.
Для практического применения іразработано достаточно большое число электролитов; алюминирования. Однако, как показали- исследования [93: — 101], не все электролиты могут быть использованы дляюсаждения алюминия: Из числа разработанных электролитов можно; выделить следующие группы, нашедшие практическое применение: эфирно-гидридные [93",. 94], алюмоор-ганические:[95; 96], этилбромидные [97], алкилбензольные: [98;: 99]; и алкилг бензольные с четвертичными аммониевыми соединениями;[100Г01]..
Из анализа; литературных данных по? электролитам, алюминирования? можно заключить, что все:онш неустойчивы, аалюминиевые покрытия, осаждаемые; в узком диапазоне катодной плотности тока, имеют, недостаточную адгезию к: основе: и неудовлетворительную структуру. Процесс: электролиза: затруднен использованием; инертной- атмосферы и закрытых электролизеров,. поскольку при контакте электролитов с атмосферной влагой они: разлагаются; а в некоторых случаях становятся взрывоопасными. Кроме того, отмывка деталей, покрытых алюминием; после электролиза:осуществляетсяJ в органических растворителях. Все эти факторы ограничивают использование электролитов алюминированиягвпрбмышленноммасштабё. :
Наиболее стабильные: результаты получены? при электроосаждении алюминия из алкилбензольных электролитов: Перспективными следует считать ксилольные [102], при этом можно использовать как отдельные изомеры ксилола [103]; так и их смесь [104]. С целью улучшения структуры покрытий в электролиты алюминирова-ния вводят различные поверхностно-активные вещества (ПАВ) [105]. Установлено [106, 107] влияние некоторых органических добавок (парафина, 4,4-диамино-3,3 -диметоксидифенилметан (ДДДМ) и др.) на коррозионную стойкость алюминиевых покрытий. При введении этих добавок существенно улучшается микроструктура алюминиевых покрытий (рис. 4.4). Видно, что из электролита без добавок покрытия осаждаются с большим числом сквозных пор. Наиболее мелкокристаллические покрытия осаждаются из электролита с ДДДМ. Анодное поведение алюминия, полученного из ксилольных электролитов, в присутствии этих добавок имеет свои особенности и зависит от их концентрации в электролите. Например, введение 0,5 г/л ДДДМ повышает ток пассивации и сдвигает Епр до -0,74 В (т = 20 мин) [108]. При дальнейшем увеличении продолжительности электролиза резко возрастают токи пассива-ции и полной пассивации, а это приводит к увеличению ікор до 200 мкА/см (Ест = -0,76 В) при ік = 1,0 А/дм2 и т = 30 мин.
