Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Материалы для сборки ППИ на основе широкозонных полупроводников 11
1.1. СВЧ транзисторы на основе нитрида галлия 11
1.1.1. Нитрид галлия в производстве полупроводниковых изделий 11
1.1.2. СВЧ транзисторы на основе нитрида галлия 14
1.1.3. Металлизация кристаллов GaN для сборки СВЧ транзисторов 16
1.2. Карбид кремния в производстве полупроводниковых изделий 17
1.2.1. Диоды Шоттки на основе SiC 18
1.2.2. Корпуса для диодов Шоттки на основе SiC 20
1.2.3. Покрытия кристаллов карбида кремния и корпусов для сборки полупроводниковых приборов 21
1.2.4. Особенности сборки силовых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния 24
1.3. Методы, приборы и оборудование, используемые для проведения экспериментов 26
Выводы и постановка задач для исследований и разработок 27
Глава 2. Монтаж кристаллов и внутренних выводов в СВЧ транзисторах на основе нитрида галлия 29
2.1. Пайка кристаллов с образованием эвтектики Si-Au 29
2.2. Корпуса для мощных СВЧ транзисторов 31
2.3. Припой 80Au20Sn для пайки кристаллов СВЧ транзисторов 39
2.3.1. Исследование смачиваемости и растекания припоя 80Au20Sn по паяемой поверхности позолоченных корпусов КТ-81С и КТ-55С-1 41
2.4. Пайка кристаллов GaN с использованием припоя 80Au20Sn 52
2.5. Конструкции инструментов для ТЗС золотой проволокой 58
2.6. Выбор оптимальных режимов термозвуковой сварки золотой проволоки с золотой металлизацией кристалла 61
2.7. Формирование внутренних соединений в СВЧ транзисторах на основе GaN 65
2.8. Исследование электрических параметров транзисторов ПП9139А1 66
2.9. Оценка качества напайки кристаллов транзисторов измерением теплового сопротивления «кристалл-корпус» 70
Выводы 72
Глава 3. Монтаж кристаллов и внутренних выводов в полупроводниковых приборах на основе карбида кремния 74
3.1. Монтаж кристаллов в силовых полупроводниковых приборах на основе карбида кремния 74
3.2. Сварка внутренних выводов в силовых полупроводниковых приборах 75
3.3. Монтаж кристаллов и внутренних выводов в силовых полупроводниковых приборах на основе карбида кремния 76
3.4. Сборка силовых полупроводниковых приборов на основе SiC в радиационностойких корпусах 80
3.4.1 Предлагаемая конструкция корпуса на основе алюминия 84
3.5. Исследование коррозионной стойкости алюминиевой металлизации кристаллов и корпусов полупроводниковых изделий 86
Выводы 91
Глава 4. Практическое применение результатов исследований в производстве полупроводниковых изделий микроэлектроники 93
4.1. Медная металлизация с никелевым соединительным слоем в производстве полупроводниковых приборов 93
4.2. Исследование микротвердости медной металлизации с никелевым соединительным слоем 97
4.3. Выбор режимов приварки Au проволоки к металлизации Cu-Ni расщепленным электродом 99
4.4. Приборы на основе GaN в изделиях оптоэлектроники 101
4.4.1. Волоконно-оптическая система передачи информации со спектральным уплотнением 102
Выводы 104
Заключение 105
Литература 107
Приложение : Акт об использовании результатов диссертации на предприятии микроэлектроники 1
- Нитрид галлия в производстве полупроводниковых изделий
- Исследование электрических параметров транзисторов ПП9139А1
- Сборка силовых полупроводниковых приборов на основе SiC в радиационностойких корпусах
- Медная металлизация с никелевым соединительным слоем в производстве полупроводниковых приборов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время потенциальные возможности кремниевой технологии в производстве силовых и мощных СВЧ полупроводниковых изделий (ППИ) практически полностью реализованы. Дальнейшая миниатюризация, повышение надежности, удельной мощности, экономичности, рабочих частот СВЧ аппаратуры требует использования новых полупроводниковых материалов, характеризующихся большой шириной запрещенной зоны и высокой подвижностью зарядов. Такими свойствами обладают карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).
Одним из самых перспективных оптоэлектронных материалов является GaN. Структуры на основе GaN перспективны не только в оптоэлектронике, но и для разработки компонентной базы силовой и СВЧ-электроники – диодов Шоттки и СВЧ транзисторов.
Электрические параметры полупроводниковых приборов на основе GaN стимулируют ведущие мировые компании разрабатывать и совершенствовать технологию производства ППИ на его основе. GaN ППИ применяются в высокочастотных усилителях мощности L- и S-диапазонов частот, базовых станциях сотовой связи, наземных станциях спутниковой связи, импульсных источниках питания, DC/DC преобразователях, электроприводах, интеллектуальных сетях электропитания Smart Grid. Применение GaN ППИ актуально в электронике военного и гражданского назначения.
Для изготовления ППИ на основе GaN и SiC необходимы новые способы и технологии сборки с учетом работы приборов при высоких температурах. В связи с этим требуется разработка новых покрытий кристаллов и корпусов под сборку, выбор высокотемпературных припоев и материалов внутренних выводов, корпусов. Следует помнить, что покрытия под сборку должны обеспечивать не только качественные соединения кристалла с основанием корпуса и внутренними выводами, но и обладать высокой теплопроводностью.
Диссертация выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника» ВГТУ по договору о научно-техническом сотрудничестве с АО «Научно-исследовательский институт электронной техники» и ГБ 2013.34 «Проектирование и разработка технологии изготовления изделий микроэлектроники» № гос. рег. 01201367435.
Цель и задачи работы. Целью работы является решение научно-технической задачи по влиянию конструктивно-технологических факторов на сборку приборов на основе широкозонных полупроводников (SiC и GaN).
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработка технологии сборки мощных СВЧ транзисторов с кристаллами GaN в корпуса КТ-81С и КТ-55С-1.
-
Оптимизация режимов термозвуковой сварки золотой проволоки с золотой металлизацией на GaN кристаллах мощных СВЧ транзисторов.
3. Оценка качества напайки GaN кристаллов транзисторов измерением
теплового сопротивления «кристалл-корпус» (Rt).
4. Выбор оптимального способа и технологии монтажа кристаллов SiC.
5. Анализ коррозионной стойкости алюминиевой металлизации, наноси
мой на соединяемые поверхности для пайки силовых полупроводниковых при
боров (СПП) на основе SiC.
-
Разработка технологии монтажа внутренних соединений с использованием ленточных выводов в СПП на основе SiC.
-
Разработка новой конструкции корпуса и технологии сборки радиаци-онностойких СПП на основе SiC, работающих при температурах до 350 С.
-
Выбор способа и технологии сварки золотой проволоки с Cu-Ni металлизацией на контактных площадках кристаллов.
Методы исследований.
Исследования металлизации на контактных площадках кристаллов и корпусов проводились на электронном микроанализаторе типа JED-2300 Analysis Station и на рентгено-флюоресцентном толщиномере X-STRATA 980.
Напайка кристаллов транзисторов осуществлялась на автоматизированной высокоточной сборочно-монтажной установке Palomar 3500-III.
Разварка внутренних выводов СВЧ транзисторов золотой проволокой проводилась на установке Delvotec 5630.
Оценка прочности проволочных соединений осуществлялась на установке контроля прочности сварных соединений Delvotec 5600C.
Тепловое сопротивление транзисторов измерялось на программно-аппаратном стенде, оснащенном инфракрасным тепловизором Thermacam SC655.
Измерения параметров транзисторов проводились на автоматизированном стенде контроля параметров СВЧ транзисторов с переменными импедан-сами источника и нагрузки с использованием программного обеспечения Maury ATS.
Измерения микротвердости проводились на цифровом твердомере KB 30S с использованием пирамиды Кнупа.
Для формирования соединений золотой проволоки к Cu-Ni металлизации расщепленным электродом использовалась установка УМС-1К.
Научная новизна работы. В результате проведенных исследований и разработок получены новые научные и технические результаты:
1. Разработана технология сборки GaN мощных СВЧ транзисторов
(напайка кристаллов и монтаж внутренних выводов) в корпуса КТ-81С
и КТ-55С-1, проведена оценка качества сборочных операций.
-
Предложена новая технология монтажа внутренних соединений с использованием ленточных выводов в СПП на основе SiC.
-
Предложена новая конструкция корпуса и технология сборки радиаци-онностойких СПП на основе SiC, работающих при температурах до 350 С.
-
Показано, что использование метода сварки «расщепленным» электродом обеспечивает качественное соединение золотой проволоки с Cu-Ni металлизацией на контактных площадках кристаллов.
Реализация результатов работы, практическая значимость.
1. Разработана технология сборки СВЧ транзисторов на основе GaN в
корпусах КТ-81С и КТ-55С-1.
-
Определены оптимальные режимы термозвуковой сварки золотой проволоки диаметром 40 мкм с золотой металлизацией кристалла: Q=45 сН, W=55 условных единиц; опт=40 мс. Среднее значение прочности соединений, сформированных на данных режимах, составляет 33 сН.
-
Установлено, что при качественной напайке кристаллов GaN транзисторов типа ПП9139А1 тепловое сопротивление «кристалл-корпус» Rt имеет значение 2,3 – 2,6 С/Вт.
-
На основе анализа существующих способов монтажа кристаллов SiC на основания корпусов СПП рекомендуется проводить пайку на эвтектику Al-Zn с температурой плавления 382 С.
5. Предложена технология пайки внутренних соединений с использова
нием алюминиевых ленточных выводов с цинковым покрытием в СПП на ос
нове SiC.
На способ получен патент на полезную модель № 159970. Заявл. 14.05.2015; опубл. 27.02.2016. Бюл. № 6.
6. Разработана новая конструкция и технология сборки радиационностой-
ких СПП на основе SiC, отличающаяся от существующих тем, что корпус,
внутренние выводы и крышка корпуса выполнены из радиационностойкого ма
териала (алюминия). Соединения между элементами прибора представляют со
бой эвтектику Al-Zn.
7. С целью повышения коррозионной стойкости алюминиевой металлизации
рекомендуется использовать термическое напыление на соединяемые поверхности
для пайки радиационностойких СПП на основе SiC.
8. На основе экспериментальных исследований установлено, что для
формирования качественных соединений золотой проволоки с металлизацией
Cu-Ni на кристаллах оптимальным способом является сварка «расщепленным»
электродом.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Технология сборки СВЧ транзисторов с кристаллами GaN в корпусах КТ-81С и КТ-55С-1.
-
Выбранные режимы термозвуковой сварки золотой проволоки диаметром 40 мкм с золотой металлизацией на GaN кристаллах СВЧ транзисторов.
-
Новая конструкция корпуса и технология сборки радиационностойких СПП на основе SiC, работающих при температурах до 350 С.
-
Режимы сварки «расщепленным» электродом, обеспечивающие качественные соединения золотой проволоки с медной металлизацией, покрытой никелевым соединительным слоем на кристаллах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических семинарах: Международной научно-практической конференции «Комплексные проблемы техносферной безопасности» (Воронеж, 2014); научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов, магистрантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2014–2016); X mezinarodni vdecko - prakticka konference «Aplikovane vdecke novinky - 2014» (Прага, 2014); XVIII Международной научно-практической конференции «Современные тенденции развития науки и технологий» (Белгород, 2016); Международной научной конференции «Высокие технологии и инновации в науке» (Санкт-Петербург, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента РФ на изобретение, 1 заявка на изобретение. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1 – 3, 7 – 18] – анализ покрытий, конструкций и способов сборки ППИ на основе GaN и SiC, [2 – 4, 6 – 20] – разработка технологий сборки ППИ на основе GaN и SiC, [20] – исследования свариваемости Au проволоки с Cu-Ni металлизацией, [1 – 20] – обсуждение полученных результатов и подготовка работ к печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 112 наименований и акта использо-
вания результатов диссертации на предприятии микроэлектроники. Работа изложена на 121 странице, содержит 57 рисунков и 14 таблиц.
Экспериментальная часть диссертации выполнялась на кафедре «Полупроводниковая электроника и наноэлектроника» ВГТУ и на предприятии АО «Научно-исследовательский институт электронной техники».
Нитрид галлия в производстве полупроводниковых изделий
Одним из самых перспективных оптоэлектронных материалов является GaN. Структуры на основе GaN перспективны не только в оптоэлектронике, но и для разработки компонентной базы силовой и СВЧ-электроники – диодов Шоттки и СВЧ транзисторов [1].
Нитрид галлия – это широкозонный полупроводниковый материал, использующийся в силовой СВЧ и оптоэлектронике. Этот материал характеризуется широкой запрещенной зоной, высокой подвижностью электронов, механической прочностью, низкой чувствительностью к ионизирующему излучению.
При комнатной температуре GaN обладает структурой вюрцита. Структура цинковой обманки может наблюдаться в тонких пленках GaN [2, 3]. Основные свойства GaN в сравнении с кремнием, арсенидом галлия, карбидом кремния, алмазом приведены в таблице 1.1 [4].
В настоящее время разработка и совершенствование технологии ППИ на основе GaN является одним из самых приоритетных направлений развития полупроводниковой электроники.
В начале 1990-х гг. появились первые эффективные гетероструктуры для транзисторов. Ведущие мировые компании, занимающиеся разработкой и производством ППИ на основе Si и GaAs, начали формировать программы по развитию технологии производства на основе GaN. Первыми фирмами, представившими свои коммерческие продукты, были Cree, RFHIC, Nitronex, Euduna, затем к ним присоединились NXP, Toshiba, RFMD и другие [5].
GaN-приборы успешно вытесняют кремниевые LDMOS-транзисторы и транзисторы на основе GaAs. Они применяются в базовых станциях сотовой связи, кабельном телевещании, системах спутниковой связи и т.д. [6]. По сравнению с транзисторами на GaAs, GaN-транзисторы могут работать в более широкой полосе частот, обеспечивают более высокий КПД стока. Такие транзисторы сохраняют работоспособность при высоких температурах и рабочем напряжении [7 – 9]. За счет большого входного и выходного сопротивлений, высокой рабочей температуры, радиационной стойкости, линейности твердотельные усилители на основе GaN позволят исключить использование традиционных ламп бегущей волны в аппаратуре космического назначения [10]. В отличие от усилителей на GaAs, GaN-усилители позволяют поднять напряжение питания с 10 В до 20 – 80 В. Их высокая устойчивость к воздействию входной мощности позволяет исключить устройства защиты, традиционные для усилителей на GaAs [11, 12].
К современным активным фазированным решеткам самолетного и корабельного базирования предъявляются повышенные требования к надежности, КПД, уровню интеграции широкополосности, выходной мощности. Применение GaN-транзисторов на подложках из SiC является лучшим решением для таких задач [13].
Подложки для GaN. Основными методами выращивания гетероструктур являются молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) и газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений (МОГФЭ). При МПЭ напыление ростовых материалов проводят в условиях сверхвысокого вакуума. В качестве источников материалов выступают тигели с шихтой, расположенные на значительном расстоянии от подложки. Подложка нагревается до высокой температуры.
При МОГФЭ эпитаксиальный рост происходит в реакторе, этот процесс не требует высокого вакуума. При МОГФЭ плотность дислокаций получается значительно меньше, чем при использовании МПЭ за счет более высокой температуры подложки [14]. Параметры подложек для выращивания GaN приведены в таблице 1.2 [2].
Наиболее коммерчески доступным материалом подложки для выращивания эпитаксиального слоя GaN и последующих слоев является сапфир, но в таких гетероструктурах образуется большое количество дислокаций несоответствия. Для мощных ППИ необходимы подложки, обеспечивающие хороший отвод тепла. В качестве такой подложки выступает SiC. Этот материал обладает высокой теплопроводностью и большим кристаллическим сродством к материалам III-N, что способствует минимизации механических напряжений на границе подложки и эпитаксиальной пленки. Для производства недорогих ППИ развивается технология применения Si-подложек, что позволяет использовать стандартное оборудование для КМОП-технологии. Перспективны также «квазиподложки» - это относительно толстые слои GаN или AlN, которые эпитаксиально наносят на сапфир или даже отдельно от него [14].
Исследование электрических параметров транзисторов ПП9139А1
Для получения положительных результатов в области разработки топологии транзисторных кристаллов и технологии сборки были проведены измерения электрических параметров мощных СВЧ GaN транзисторов. Измерения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности, коэффициента полезного действия стока транзисторов ПП9139А1 проводились на частотах 2 ГГц, 2,9 ГГц и 4 ГГц при рабочем напряжении питания 28 В в непрерывном режиме. В качестве измерительного оборудования использовался автоматизированный стенд контроля параметров СВЧ транзисторов с переменными импедансами источника и нагрузки под управлением программного обеспечения Maury ATS. Измеренные характеристики представлены в таблице 2.10.
Электрические параметры разработанных транзисторов измерялись на установке фирмы Agilent. Выходная и проходная характеристики транзистора ПП9139А1 приведены на рисунке 2.30.
Зависимости входной, выходной и проходной емкостей от напряжения сток-исток для транзисторов типа ПП9139А1 приведены на рисунке 2.31.
Ток насыщения (IНАС) для транзистора ПП9139А1 при напряжении сток-исток UСИ = 10 В и напряжении затвор-исток UЗИ = 2 В составляет порядка 15,3 А. Напряжение отсечки для транзистора ПП9139А1 при UСИ=10 В составляет минус 2,8 В.
Типовые зависимости коэффициента усиления по мощности и коэффициента полезного действия стока от выходной мощности для транзисторов типа ПП9139А1 приведены на рисунках 2.32, 2.33 и 2.34.
Выходная мощность транзистора ПП9139А1 Pвых на частоте 2 ГГц при уровне компрессии коэффициента усиления Kур на 1 дБ составляет 64,3 Вт. При выходной мощности 50 Вт коэффициент усиления по мощности составляет 17 дБ, коэффициент полезного действия стока – 65,2 % в непрерывном режиме работы.
Выходная мощность транзистора ПП9139А1 Pвых на частоте 2,9 ГГц при уровне компрессии коэффициента усиления Kур на 1 дБ составляет 58,7 Вт. При выходной мощности 50 Вт коэффициент усиления по мощности составляет 14,2 дБ, коэффициент полезного действия стока – 69 % в непрерывном режиме работы.
Выходная мощность транзистора ПП9139А1 Pвых на частоте 4 ГГц при уровне компрессии коэффициента усиления Kур на 1 дБ составляет 38,7 Вт. При выходной мощности 50 Вт коэффициент усиления по мощности составляет 11,2 дБ, коэффициент полезного действия стока - 58,7 % в непрерывном режиме работы.
Анализ данных таблиц 2.4 и 2.10 показал, что электрические параметры изготовленных GaN-транзисторов (выходная мощность Pвых,, Вт, коэффициент полезного действия с, % и коэффициент усиления по мощности Кyp, дБ) соответствуют требованиям технического задания.
Сборка силовых полупроводниковых приборов на основе SiC в радиационностойких корпусах
Устойчивость ППИ к воздействию проникающей радиации в значительной степени зависит от материалов кристаллов, корпусов, внутренних выводов и технологии сборочных операций. Обеспечение высоких показателей эксплуатационной надежности приборов и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в целом в условиях радиационных воздействий постоянно находится в центре внимания разработчиков РЭА.
В результате поглощения энергии сверхжесткого рентгеновского излучения происходит разогрев ППИ и возникают следующие основные дефекты: разрушение конструкции ППИ в результате расплавления прокладок, выполненных из тяжелых металлов (золото, свинец, олово и др.), обрыв внутренних выводов от траверс. Возможны нарушения прочности из-за термомеханических напряжений в результате неравномерного разогрева [94].
Поэтому при сборке особенно СПП для формирования межсоединений используют металлы с атомным номером не выше, чем у кремния. С этой точки зрения наиболее стойким к радиации является алюминий. В производстве СПП для внутреннего монтажа используется большая номенклатура многослойных металлических лент [95]. Основным недостатком этих материалов является недостаточная радиационная стойкость.
Вопросы обеспечения эксплуатационной надежности ППИ и РЭА в целом в условиях радиационных воздействий (электронов, протонов, тяжелых заряженных частиц, рентгеновского и гамма-излучения) являются весьма актуальными. Повышение их радиационной стойкости решается следующими методами [96]: технологическими, конструктивными, схемотехническими и с помощью моделирования радиационных эффектов (на стадии проектирования ППИ).
Авторы работы [96] отмечают, что при использовании стандартных материалов (алюминий и его сплавы) конструкционной защиты космических аппаратов (КА) уровни радиационных воздействий являются достаточно высокими. Поэтому используют локальную защиту для наиболее уязвимых элементов, в основном, кристаллов и внутренних соединений кристаллов с траверсами корпуса. Локальная защита представляет собой дополнительный экран для предохранения только критичных узлов и элементов аппаратуры. Хотя авторы вышеприведенной статьи и утверждают, что локальная защита не приводит к серьезному увеличению массы или габаритов блоков КА. Перспективным является направление создания новых типов корпусов, в конструкции которых входят экраны радиационной защиты.
Одним из основных приемов радиационной защиты является подбор материалов соответствующей толщины. Например, для уменьшения энергии электронов до 1,6 – 1,8 МэВ на ускорителе ЭЛУ-4 между мишенью и окном вывода электронов устанавливалась алюминиевая пластина толщиной 5 мм. Экраны на основе керамики Al2O3 могут обеспечить требуемый уровень защиты ППИ при толщинах более 3 мм, а экраны из сплава 29 НК – более 1,5 мм.
На рисунке 3.6 представлены различные конструкции корпусов для защиты ИМС.
Для сборки диодных сборок Шоттки на основе SiC используются корпуса, монтируемые в отверстия на печатной плате и корпуса для поверхностного монтажа. В настоящее время широко применяются металлокерамические корпуса КТ-93 (SMD-0,5) и КТ-94 (SMD-1) с ободком, которые монтируются на поверхность печатной платы. Материал монтажной и выводных площадок – псевдосплав вольфрама и меди, благодаря которому обеспечивается низкое активное сопротивление и высокая теплопроводность. Монтажная площадка для посадки кристалла одновременно является наружной выводной площадкой корпуса.
Корпус состоит из основания и крышки. Все открытые металлизированные поверхности и металлические части основания корпуса имеют антикоррозионное покрытие.
Медная металлизация с никелевым соединительным слоем в производстве полупроводниковых приборов
Переход к медным межсоединениям в условиях миниатюризации ППИ, в частности, в сверхбольших интегральных схемах (СБИС) с элементами субмикронных размеров, затруднен из-за диффузионной подвижности Cu в различных материалах. Этот фактор вынуждает окружать медные межсоединения со всех сторон диффузионно-барьерным слоем (ДБС).
В случае применения медных токоведущих слоев (ТВС) наличие ДБС требуется не только в области контактного окна, но и на маскирующем SiO2, поскольку медь быстро диффундирует через него даже при низких температурах. Медь на воздухе покрывается оксидной пленкой, которая существенно влияет на качество сборочных операций при формировании внутренних соединений к кристаллу. Поэтому после нанесения медной металлизации ее защищают покрытием (соединительным слоем) определенной толщины.
В качестве материалов соединительного слоя можно использовать золото, серебро или никель. Наиболее перспективным как с экономической, так и с технологической стороны является никелевое покрытие.
В статье [102] проведены исследования свойств медной металлизации ТВС кремниевых кристаллов. Основным недостатком формирования сварных соединений к никелевому соединительному слою на контактных площадках кристаллов с медными соединениями является использование алюминиевой проволоки.
Внутренние соединения в ППИ представляют собой перемычку между контактной площадкой кристалла и траверсой корпуса. Применение алюминиевой проволоки приводит к снижению надежности ППИ в целом при использовании корпусов с золотым покрытием. Соединения Al-Au являются термодинамически неустойчивыми из-за образования в контактах этих металлов
Последние появляются уже в процессе формирования сварного соединения как при УЗС, так и при ТЗС и продолжают расти при повышенной температуре в процессе технологических обработок и эксплуатации приборов. Основным механизмом отказа микросварных соединений Al-Au является нарушение механической целости данных соединений, что обусловлено формированием пустот и микротрещин в контакте вследствие эффекта Киркендалла.
В статье [102] экспериментально установлены оптимальные режимы УЗС алюминиевой проволоки диаметром 50 мкм с никелевым соединительным слоем. Прочность соединений на отрыв стабильная и изменяется от 20 до 27 сН, при этом разрушение на всех образцах происходит по «шейке» (участку перехода проволоки в сварное соединение).
Это связано с состоянием поверхностных слоев металлизации Cu-Ni на кристалле. Органические загрязнения и естественные оксидные пленки на поверхности соединяемых деталей как при пайке, так и сварке существенно влияют на процесс образования и развития физического контакта в зоне соединения.
Одним из методов подготовки поверхности Cu-Ni металлизации к микросварке выводов является получение на контактной площадке кристалла микрорельефа с малой высотой микронеровностей. Известно, что структура и морфология поверхности исходного кристалла и его металлизация претерпевают существенные изменения на разных технологических операциях изготовления кристаллов.
Разработан [103] способ приварки золотой проволоки к серебряному соединительному слою на контактных площадках кристаллов с медными соединениями. Известно, что основной трудностью сборочных операций по серебряному покрытию является наличие сульфидной пленки Ag2S на поверхности. Сборка ППИ по серебряным покрытиям требует тщательной подготовки соединяемых деталей.
Образование Ag2S сопровождается потемнением поверхности серебра и увеличением электрического сопротивления. При низких температурах пленки Ag2S фактически становятся электроизоляционными. Кроме того, соединения системы золото-серебро склонны к электромиграции из-за неограниченной взаимной растворимости. Это приводит к нарушению соединений золотых проводников с серебряным покрытием вследствие полного растворения серебра в контакте. Более того, на серебряном покрытии при определенных условиях (повышенная влажность и нагрев) вырастают тонкие копьевидные кристаллы («усы»), способные приводить к короткому замыканию близлежащих цепей или размыканию цепей при пониженных температурах.
Данные факторы снижают качество приварки золотой проволоки к серебряному соединительному слою на контактных площадках кристаллов с медными соединениями и надежность ППИ при эксплуатации.
Кроме того, использование гальванического серебрения для формирования соединительного слоя требует последующей отмывки, что повышает себестоимость производства ППИ.
С целью повышения качества соединений золотую проволоку целесообразно приваривать к Ni соединительному слою. Сварка золотой проволоки к Ni-соединительному слою на контактных площадках кристаллов с медными соединениями реализуется следующим образом. На кремниевых пластинах с кристаллами по известной полупроводниковой технологии формируют пленку SiO2. Затем на пленку SiO2 напыляют пленки ванадия (адгезионный слой), меди и никеля. В отличие от исследований, проведенных в работе [102], напыление пленок ванадия толщиной 0,5 мкм (3 минуты), меди толщиной 1,5 мкм (40 минут) и никеля толщиной 0,3 мкм (3 минуты) осуществляли в одном технологическом цикле при температуре 320 С с целью исключения последующего отжига. При этом диффузия меди через никелевое покрытие происходит в процессе формирования металлизации.
Рентгеноспектральный анализ химического состава металлизации Cu-Ni после напыления при температуре 320 С показал следующие результаты: Cu (78,207 %), Ni (21,793 %). Следует отметить, что золото образует непрерывный ряд твердых растворов с Ni и Cu в виде двойных систем. Например, при взаимодействии золота с Ni (при ТЗС) образуются фазы Au3Ni, AuNi и AuNi3. При этом скорость диффузии Ni в золото гораздо ниже, чем у других переходных металлов подгруппы железа.