Способы монтажа кристаллов в корпус

Присоединение кристаллов полупроводниковых приборов в корпус может осуществляться разными способами [1] - [6]:

- на твердый припой с образованием эвтектики золото-кремний (Au-Si);

- на мягкий припой;

- на клей (органический или неорганический).

Выбор материала для прикрепления кристалла зависит от конкретной сферы применения и совместимости с конкретными технологиями корпусирования.

Способ присоединения кристаллов на эвтектику золото-кремниевую эвтектику Au-Si представляет собой контактно-реактивную пайку, при которой жидкая фаза образуется в результате контактно-реактивного плавления, то есть плавлением паяемых материалов (кремния и золота) в контакте между собой при температуре ниже температуры плавления наиболее легкоплавкого из них. Началом процесса служит топохимическая реакция на границе раздела твердых тел. При этом образование жидкой фазы в условиях статической нагрузки происходит в результате протекания нескольких последова­тельных процессов:

– разрушение окисных пленок, а также пленок адсор­бированных газов;

– получение физического контакта между чистыми «ювенильными» поверхностями по выступам соприкасающихся твердых тел;

– частичное смятие выступов;

– образование мостиков схватывания и дефектов тон­кой структуры в зоне контакта;

– протекание диффузии с образованием смеси стехиометрического состава, соответствующего эвтектическому;

– образование слоя жидкой эвтектики между контактируемыми поверхностями;

– кристаллизация эвтектического сплава;

– образование монолитного соединения и частичная ре­лаксация напряжений в зоне соединения как следствие нагре­ва и охлаждения.

Кристаллы небольших размеров, до (3,0´3,0) мм² можно присоединять к медному основанию, покрытому слоем серебра, через прослойку из золотой фольги. В этом случае кристалл соединяется с основанием в результате образования эв­тектики Au-Si-Ag. Результаты исследований по присоединению кристаллов мощных тран­зисторов, показывают, что при использовании заранее образованных на поверхности кристалла эвтектических слоев фронт вплавления более равномерный и однородный, чем при образовании эвтектики в результате непосредственного контакта металла с полупроводни­ком в процессе присоединения кристалла. Так, предла­гается к медному теплоотводу, покрытому слоями никеля и серебра толщиной 2 и 8 мкм соответственно, присоединять кристалл с по­мощью заранее приготовленного эвтектического сплава Au-Sb [2]. Аналогично при присоединении кристалла к медному позолоченному основанию используется сплав Au-Sn. Однако наибольшее применение находит эвтектический сплав Si-Au, который может использоваться в виде шариков, либо прокатанной фольги. Для присоединения кристалла к ножке корпуса или термокомпенсатору с помощью эвтектического сплава Si-Au обычно предварительно металлизируют поверхность кристалла. В качестве металлизационной системы используется сплав Au-Cr [4]. К каче­ству напыления металлических слоев и адгезии их к поверхности полупроводника предъявляются очень высокие требования.

В ряде случаев для обеспечения необходимых условий эвтектической пайки применяют прокладки из золотой фольги, как правило, толщиной от 16 до 20 мкм. При расчете требуемого расхода золота учиты­вают, что кристалл монтируется не на плоскую, а с неко­торой неровностью поверхность.

Исследования монтажа кристаллов на автомате ЭМ4085 показали, что эффективность образования эвтектики Au-Si достигается активацией процесса присоединения в результате принудительного движения кристаллов по криволинейной замкнутой траектории, обеспечиваемой программируемыми параметрами вибрации. При амплитуде колебаний кристалла более 250 мкм за 8 – 10 периодов колебаний происходит эффективное удаление окисных пленок и шлаков за пределы активной зоны, обеспечивая равномерную толщину эвтектики в соединении [4].

Недостатками метода присоединения кристалла на эвтектику относятся: применение золота, необходимость обдува места присоединения инертным газом для исключения окисления эвтектики, необходимость нагрева контактной площадки корпуса и повышенный уровень термических напряжений до 100 МПа в кристаллах размером более (3,0х3,0) мм². Последнее может привести к искажению свойств полупроводниковых приборов, а также образованию микротрещин в кристаллах больших размеров.

Существенное снижение термических напряжений в кристаллах и устранение разрушения кристаллов достигается в результате замены эвтектической пайки на метод пайки на мягкий припой или на клей.

Монтаж кристаллов на мягкий припой обеспечивает высокие тепло- и электропроводность соединений, механическую прочность, хорошее согласование по коэффициенту термического линейного расширения (ТКЛР). Присоединение кристаллов на мягкий припой используется в основном при производстве силовой электроники. В этом случае обеспечивается низкое тепловое сопротивление между кристаллом и держателем и, вследствие низких механических напряжений, повышается устойчивость работы изделий при циклических воздействиях температуры. Благодаря высокой теплопроводности и малой теплоемкости мягких припоев, необходимое время для плавления и получения соединения достаточно мало, что делает целесообразным выполнение этих операций на специальных установках последовательного присоединения кристаллов с высоким уровнем механизации и автоматизации.

Особую сложность представляет присоединение  кристаллов мощных изделий, так как из-за больших габаритов полупровод­никовых кристаллов в структуре полупроводника появляются высокие внутренние механические напряжения, приводящие к деформациям сдвига, трещинам между кристаллом и основанием корпуса и возрастанию теплового сопротивления. Деформацию сдвига в паяном шве можно в первом приближении определить по формуле:

                                 g = DaDT l / h,                                    (1.1)

 

где D T – разница температур контактирующих материалов;

D a – разница КТЛР контактирующих материалов;

   l – наибольшая длина кристалла;

   h – толщина паяного соединения.

Весьма сложно обеспечить получение качественного соединения без пор и пустот, поэтому ищут способы обеспечения прочного шва. Так с целью исключения раковин и пустот в процессе присоединения кристалла предлагается вести пайку в вакууме от 267 до 399 Н/м², а после расплавления припоя впускать под колпак установки воздух [7]. С целью увеличения площади спая между кристаллом и корпусом на верхней плоскости корпуса формируют V-образные канавки глубиной от 25 до 75 мкм, расположенные друг от друга на расстоянии от 0,25 до 1,0 мм. При использовании корпусов с канавками необходимо при пайке корпус или кристалл подвергать воздействию ультразвуковых или низкочастотных колебаний. При этом колебания должны быть направлены вдоль канавок. В противном случае при пайке кристаллов больших размеров V-образные канавки являются очагами непропаев [7].

Автоматизированный монтаж кристаллов на припой возможно осуществлять в среде формир-газа (N₂: H₂ = 80: 20) с использованием дозатора ленточного припоя или дозатора проволочного припоя [8]. Предварительно запрограммировав амплитуду и количество периодов колебаний, инструмент совершает вибрацию, за счет которой и происходит притир кристалла к поверхности кристаллодержателя рамки выводной при температуре от 300 °С до 390 °С. Автоматизация процесса присоединения кристаллов мощных транзисторов взамен ручных процессов, позволяет до минимума свести дефектообразование в паяном соединении за счет активации процесса монтажа путем задания специальной траектории перемещения кристалла в процессе пайки и локального капельного дозирования серебросодержащим припоем [9]. Монтаж кристаллов на клей выполняется для маломощных изделий. Клей на основе эпоксидного компаунда с серебряным наполнителем представляют собой систему без растворителя, которая исключает проблемы, связанные с сушкой. Из-за химической структуры этих клеев, выделение водяного пара в ходе процесса также не является проблемой. Как и в других технологиях с использованием пасты, клей автоматически дозируется, и кристалл присоединяется к основанию корпуса на автоматизированном оборудовании [10]. После размещения корпус нагревается до температуры отвердевания эпоксидной смолы для полимеризации эпоксидного компаунда и создания окончательного химического соединения между кремнием и выводной рамкой или подложкой.

Есть два важных ограничения при использовании эпоксидного адгезива:

 – это верхняя температура, которую материал может выдерживать до распада полимера, которая составляет примерно 200 °С для эпоксидного компаунда;

– контроль оптимальной толщины клеевого шва для обеспечения устойчивости кристалла к механическим воздействиям.

Как и в других технологиях, важно обеспечивать почти полное отсутствие пустот при присоединении кристалла с помощью контроля объема дозируемой пасты и структуры, сочетаемой с хорошим профилем температуры отверждения. Пустоты генерируются в течение процесса присоединения и являются результатом несмачиваемости, захвата воздуха, улетучивания абсорбционного газа в течении отверждения [11]. Пустоты могут быть образованы также в течение остывания после отверждения при усадке, если происходит отделение от подложки. Распределение и размеры пустот по сечению соединительного слоя определяет возможность оказывать влияние на свойства прибора. Малые спиральные и большие пустоты оказывают отрицательное влияние на механическую прочность и на теплопроводность. Меры, которые часто предпринимают для предотвращения образования пустот это – использование адгезива с низкой абсорбцией влаги, дегазацию адгезива перед отверждением, предварительный отжиг соединяемых деталей для удаления адсорбированной влаги и этап отверждения при низкой температуре, позволяющий удалять воздух и летучие вещества перед полным отверждением.

 

 

     6 Физико-механические свойства припоев для монтажа кристаллов

     В процессе производства полупроводниковых приборов широко используются в основном два класса припоев: легкоплавкие с температурой плавления < 450 °С и тугоплавкие с температурой плавления свыше 450 °С (таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Легкоплавкие припои и тугоплавкие припои

Легкоплавкие Тпл< 450 °С			Тугоплавкие Тпл>450 °С
Основной материал	Марка	ТПЛ , °С	Основной материал	Марка	ТПЛ , °С
Sn	ПОС-61	183	Ag	ПСр-50	850
Sn	ПОС-40	235	Ag	ПСр-72	779
Pb	ПОС-2	320	Au	AuNi	950
Pb	ПОС-10	299	Au	AuCu	890
Pb	ПСр-1,5	270	Al	AlCu	639
Pb	ПСр-2,5	305	Al	AlCuSi	525
Zn	ZnAl	400

 

Легкоплавкие припои применяются, как правило, для пайки кристаллов к корпусу и лужения внешних выводов, а тугоплавкие припои применяются при изготовлении корпусов [9].

      Оловянно-свинцовые припои

Из припоев на основе олова широко используются припои на основе эвтектической системы олово-свинец. Массовая доля олова в эвтектическом припое олово-свинец 61,9%. Эвтектика олово-свинец содержит 63% олова и плавит­ся при 456 К. Эвтектический припой олово-свинец представляет со­бой механическую смесь кристаллов a -твердого раствора олова в свинце и b -твердого раствора свинца в олове. С повышением доли олова в свинце до 60...70%прочность, твер­дость, модуль упругости Е припоев существенно возрастают. Припои с повышенным содержанием олова имеют также более высокие значения тепло- и электропроводности, составляющие примерно 10%от соответствующих параметров для меди [10].

С понижением темпера­туры прочность припоев на основе олова сначала возра­стает, а затем снижается. Пластичность припоев с массовой долей олова 60% и более существенно уменьшается при низких температурах. Поэтому такие припои обычно не применяют для пайки изделий, работающих при температурах ниже минус 60 °С.

Особенно сильно могут снижаться механические свойства при­поя 60% Sn, 40% Рb при пайке деталей с золотыми покрытиями. Это происходит, если массовая доля золота в припое превышает 4,0...5,0%.

Введение 6% золота в припой 60 % Sn, 40% Рb снижает пластичность припоя на 70...80%. Таким образом, массовая доля золота в эвтектическом оловянно-свинцовом припое около 4...6% является критической. Если доля золота в паяном шве после пайки меньше 4,0%, то опасность раз­упрочнения соединений сохраняется при наличии нерастворенного золотого покрытия. Разупрочнение в этом случае происходит из-за взаимной твердофазной диффузии компонентов паяного шва олова, свинца и золота при эксплуатации. Кроме того, следует учитывать, что коэффициент теплопроводности интерметаллида составляет 11,5 Вт/(м*К) при коэффициенте теплопроводно­сти золота 314 Вт/(м*К). Это может вести к росту теплового соп­ротивления соединения. Поэтому для получения надежных согласо­ванных соединений деталей с золотыми покрытиями посредством пай­ки оловянно-свинцовым припоем необходимо соблюдать следующие ус­ловия. Толщина золотого покрытия не должна превышать 1,0…1,5мкм [10]. В процессе пайки такое тонкое покрытие практически полностью растворяется. Толщина паяного шва при этом должна быть такой, чтобы массовая доля золота в нем не превышала 2,5...4,0%.

Добавка в припой 60 % Sn, 40 % Рb серебра не вызывает ухуд­шения его механических свойств. При температурах эксплуатации приборов ~70 °С и ниже медные и никелевые покрытия обладают дос­таточно хорошей совместимостью с эвтектическим оловянно-свинцо­вым припоем, т.е. растущие при таких относительно невысоких тем­пературах интерметаллидные прослойки (Ni₃Sn_4’ Cu₆Sn5+ Cu₃Sn) на границе припой - никелевое(или медное) покрытие не создают усло­вий для разупрочнения паяных согласованных соединений при эксплу­атации. Однако при использовании таких сочетаний припой - покры­тие в несогласованных по температурному коэффициенту линейного расширения соединениях, а также в соединениях приборов, которые длительное время работают при повышенных температурах (Т>85 °С), необходимо принимать во внимание достаточно активное твердофазное взаимодействие между медью (или никелем) и оловом, ведущее к снижению качества и надежности несогласованных соединений. Одной из причин снижения качества и надежности соединения является рост электрического и теплового сопротивления последнего из-за того, что фазы Сu₆ Sn₅, и Сu₃Sn имеют коэффициенты электро- и тепло­проводности в шесть-семь раз меньше, чем у меди.     

 

 

7 Нормативно-технические документы

     Отраслевой стандарт ОСТ 11 073.013-2008 ч.0

  

    Область применения

            Настоящий стандарт распространяется на микросхемы интегральные и корпуса микросхем и устанавливает основное положения методов испытаний на воздействие механических, климатических, биологических внешних воздействующих факторов и специальных сред, а также методов определения конструктивно-технологических запасов, электрических испытаний, электротермотренировок, испытаний на безотказность и сохраняемость, на стойкость к воздействию специальных факторов и импульсную электрическую прочность.

      СТП01–2010 ДИПЛОМНЫЕ ПРОЕКТЫ (РАБОТЫ)

 

Настоящий стандарт устанавливает общие требования к организации дипломного проектирования, построению, содержанию, оформлению и порядку защиты дипломных проектов (работ) в БГУИР.

Требования второго и третьего разделов распространяются на курсовые проекты (работы), типовые расчеты, рефераты и отчеты по лабораторным
работам.

Является обязательным для сотрудников и студентов (курсантов)
университета.

 

    ОСТ 11 073.013-2008 ч. 2

    Область применения:

           Настоящий стандарт устанавливает методы испытаний микросхем на воздействие повышенной и пониженной температуры среды при эксплуатации, транспортировании и хранении, повышенной влажности воздуха, повышенного и атмосферного пониженного давления, статической пыли (песка), плесневых грибов, соляного тумана и сред заполнения.

 

Заключение

В ходе преддипломной практике были изучены основные пункты дипломного проекта. Был сделан литературный обзор по теме диплома, произведен патентный поиск. Изучена также экспериментальная часть проекта,построены графики и диаграммы, исследованы способы монтажа кристаллов.