Пайка кристаллов к основаниям корпусов ППИ

Существуют различные способы монтажа полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов. Качество пайки кристалла с основанием корпуса во многом зависит от месторасположения припоя перед пайкой. Возможно традиционное размещение прокладки припоя непосредственно под кристаллом, однако в процессе пайки оксидные пленки и загрязнения на поверхности прокладки при расплавлении остаются в зоне шва, что ухудшает смачиваемость припоем поверхности кристалла и основания корпуса, нарушает сплошность шва, а это, в свою очередь, приводит к ухудшению теплопроводности шва и снижению надежности ППИ.

Для улучшения смачивания припоем паяемой поверхности кристалла и основания корпуса широко используется капиллярный эффект заполнения зазора припоем в процессе пайки кристалла. Перед пайкой в непосредственном касании одной из боковых граней кристалла располагается навеска припоя в виде одного или двух шариков (в зависимости от пощади кристалла). Детали фиксируются относительно корпуса специальной кассетой. Кассету со сборками помещают в водородную печь, где при температуре пайки происходит расплавление припоя, который под действием капиллярных сил заполняет зазор между кристаллом и корпусом, смачивает паяемые поверхности, и при кристаллизации образуя паяный шов. Характерной особенностью этого процесса является то, что оксидные пленки и загрязнения остаются за пределами паяного шва – в месте первоначального расположения навески припоя.

Основным недостатком данного способа является высокая температура нагрева, которая значительно выше температуры плавления припоя. Это необходимо для разрушения оксидной пленки припоя и обеспечения его капиллярного течения. Кроме того, при пайке кристаллов больших размеров, особенно в ППИ для силовой электроники, невозможно получить площадь спая, равную площади кристалла. Из-за неполного смачивания соединяемых поверхностей в паяном шве образуются непропаи (в основном на участке кристалла противоположном месту расположения навески припоя).

Для увеличения площади спая между кристаллом и корпусом на верхней плоскости корпуса формируют V-образные канавки глубиной 25-75 мкм, располагаемые друг от друга на расстоянии 0,25-1 мкм. В случае использования корпусов с канавками необходимо при пайке корпус или кристалл подвергать воздействию ультразвуковых или низкочастотных колебаний. Механические колебания должны быть направлены вдоль канавок. В противном случае при пайке кристаллов больших размеров V-образные канавки являются очагами непропаев.

При пайке кристаллов размером менее 3×3 мм используют как ультразвуковые, так и низкочастотные колебания, а при пайке кристаллов больших размеров применяются в основном низкочастотные колебания с амплитудой до 0,5-0,8 мм.

Для контактно-реактивной низкотемпературной пайки бессвинцовыми припоями фирма Resma (Freiberg, Германия) выпускает пасту на основе композиционного припоя. В комбинации порошков нескольких припоев с реактивной присадкой при расплавлении протекают реакции, ускоряющие процесс пайки. При охлаждении в паяном шве возникает структура дисперсионного упрочнения с высокими термическими и механическими характеристиками.

Применяется способ монтажа кристаллов БИС с использованием припоя на основе цинка, по которому на паяемую сторону кристалла напыляют алюминий толщиной 0,7-1,2 мкм, а затем проводят пайку к корпусу, покрытому припоем цинк-алюминий-германий (ЦАГ).

Недостатком данного способа является высокая трудоемкость изготовления ППИ, заключающаяся в изготовлении сплава ЦАГ и нанесении его на монтажную площадку методом электрического взрыва фольги. Это требует наличия специального дорогостоящего оборудования. Кроме того, при посадке кристаллов на сплав ЦАГ необходимо создавать наименьшее удельное давление кристалла на расплав и выполнять траектории движения кристалла в виде восьмерки для разрушения поверхностной оксидной пленки. Соблюдение этих требований особенно необходимо для кристаллов с размерами, превышающими 4´4 мм, так как с ростом площади кристалла увеличивается вероятность непропаев и оксидных включений. Более того, смачиваемость и растекание припоя ЦАГ по алюминиевой металлизации кристалла ухудшаются с течением времени хранения перед пайкой.

Для пайки полупроводниковых кристаллов СПП с использованием бессвинцовых припоев разработан способ, при котором на алюминий на паяемой стороне кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают исходя из заданной толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк – олово (рис. 5.4). Пайка осуществляется в защитной среде при температуре несколько выше температуры образования эвтектического сплава Zn-Sn. При этом площадь спая равна площади кристалла.

 

Рис. 5.4. Диаграмма состояния сплавов системы цинк – олово (Zn-Sn)

 

Например, для получения паяного шва толщиной 50 мкм необходимо наносить Zn толщиной 4 мкм и Sn – 46 мкм.

Известен способ пайки полупроводниковых кристаллов СПП с использованием бессвинцовых припоев. Сущность способа пайки заключается в том, что на алюминий на паяемой стороне кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают исходя из заданной толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк – олово.

При решении вопроса о надежности паяных соединений, наряду с выбором оптимальных способов и режимов пайки, необходимо учитывать состав и свойства паяемых покрытий. Анализ покрытий паяемых поверхностей кристаллов и оснований корпусов показал, что для пайки бессвинцовыми припоями в первую очередь целесообразно провести исследования следующих покрытий: цинковое, никелевое, никель – олово, серебряное, оловянное, цинк – олово и олово – висмут.

 

 

5.5.1. Пайка кристаллов ППИ на основания корпусов с образованием эвтектики Si-Au

Контактно-реактивная пайка широко используется на сборочных операциях ППИ. Контактно-реактивной или контактно-реакционной, называется такая пайка, при которой между соединяемыми металлами в результате контактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизующийся с образованием паяного соединения.

Одним из методом монтажа кремниевых кристаллов на основания корпусов является контактно-реактивная пайка на основе эвтектики Si-Au, в этом случае на основание корпуса или посадочного места на плате наносят золотое покрытие толщиной не менее 2,5 мкм. Меньшая толщина приводит к уменьшению эвтектического спая, а также к тому, что на границе эвтектики с материалом корпуса (например, ковара) появляются интерметаллические соединения железа и кобальта.

Оптимальным является соединение Si-Au толщиной 5-7 мкм эвтектического равномерного спая с содержанием кремния 2,4-2,8 % и площадью эвтектики под кристаллом не менее 70 %.

 

 

Свойства золота

Температура плавления золота 1063 °С. Кристаллическая структура – Г.Ц.К. При комнатной температуре у Au σ_в = 120 МПа, δ = 50 %, ψ = 94 %, Н В 18. Свойства Au чистотой 99,9 % привелены в табл. 5.11.

С повышением температуры временное сопротивление золота монотонно уменьшается:

Т, °С             17   200 400 600 800

σ_в, МПа        134 110 90   50   25

 

Табл. 5.11. Свойства золота чистотой 99,9 % при 20 °С

Золото	σв, МПа	δ, %	НВ
Литое	127	30	33
Деформированное (ε = 60 %)	225	4	58
Отожженное	134	45	25

 

Для выбора способов и режимов пайки и сварки ППИ необходимо учитывать взаимодействие золота с металлами:

1. Полная взаимная растворимость золота и элементов (Pd, Ni, Cu, Ag, Pt);

2. Полная взаимная нерастворимость золота и элементов (Si);

3. Ограниченная растворимость золота в элементах (Zn, Cd, Pb, Al);

4. Ограниченная растворимость элементов в золоте (In, Sn);

5. Ограниченная растворимость золота и элементов (P, S, Cl, N, O, B и др.).

 

 

Подготовка золотой фольги и позолоченных корпусов ППИ к сборочным операциям

Известно влияние обработки золотых пленок корпусов ППИ лазерным излучением неодимового ОКГ на механическую прочность и воспроизводимость качества ультразвуковой микросварки алюминиевой проволокой. Повышение качества микросварных соединений происходит за счет десорбции органических загрязнений и естественной оксидной пленки с поверхности золотого покрытия. Оптимальная мощность лазерной обработки золотых пленой q = (1,85-2,75)·10⁴ Вт/см² позволяет существенно стабилизировать процесс микросварки и улучшить параметры соединений Al-Au.

Органические загрязнения и естественные оксидные пленки на поверхности соединяемых деталей как при пайке, так и при сварке существенно влияют на процесс образования и развития физического контакта в зоне соединения. Одним из методов подготовки позолоченных деталей к сборочным операциям является комплексное воздействие ультрафиолетового излучения с плотностью потока 1,2·10^–2 Вт/см² на длине волны 0,2537 мкм и озона (расход кислорода – 0,8 л/мин) на поверхность золотых пленок. При облучении ультрафиолетовым излучением и озоном золотых пленок в течение 6 ч толщина поверхностных органических пленок уменьшается с 1,2 до 0,4 нм.

Присоединение кристаллов кремниевых дискретных ППИ и ИС к корпусу может осуществляться следующим способом: размещают золотую фольгу между кристаллом и корпусом и соединяют их пайкой с образованием эвтектики золото – кремний. При этом поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при определенном режиме.

Основным недостатком данного способа является использование химического травления в растворе соляной кислоты. После этого золотая фольга подвергается промывке, а затем сушке при определенных режимах. Данная технология ухудшает экологию производства и не обеспечивает высокого качества очистки поверхности, т. к. у кислородных соединений золота преобладает кислотный характер, поэтому, например, пленка AuO(OH) практически не реагирует с разбавленными кислотами.

При пайке кристаллов площадью свыше 9 мм² между контактирующими поверхностями возникают локальные области непропаев. Данное явление приводит к неравномерности в распределении электрического тока по площади контакта, способствует увеличению теплового сопротивления соединения и, как следствие, к снижению надежности приборов в целом. Образование локальных участков непроплавления происходит в результате формирования на поверхности золотой фольги естественной оксидной пленки золота толщиной несколько десятков ангстрем. Оксидная пленка препятствует образованию физического контакта между соединяемыми поверхностями при пайке.

Для улучшения смачивания паяемой стороны кристалла на нее наносят золотое покрытие с подслоем из никеля, которое вжигают перед пайкой при температуре 400-420 °С. При пайке кристаллов больших размеров в зазор дополнительно вводят фольгу из золота толщиной около 20 мкм.

Режимы контактно-реактивной пайки полупроводниковых приборов и ИС с образованием эвтектики Si-Au приведены в табл. 5.12.

 

Табл. 5.12. Режимы контактно-реактивной пайки

№ вар.	Au покрытие, мкм		Температура пайки, °С	Время притирки, с	Частота колебаний, Гц
	на кристалле	на корпусе
1	Без покрытия	3-9	410-450	1-5	1-50 или 20-60
2	Au (1-2 мкм) с подслоем Ni (0,03 мкм)	3	430-450	2-3	1-4

 

Для активации соединяемых поверхностей, заключающейся в разрушении оксидных пленок, контактно-реактивную пайку выполняют также с ультразвуковым воздействием (амплитуда 0,05-0,8 мм) на кристалл, в результате чего кристалл получает возвратно-поступательное движение в горизонтальной плоскости и как бы притирается к корпусу, происходит контактное плавление кремния и золота, жидкий сплав перемешивается и процесс соединения кристалла с корпусом ускоряется. Жидкая фаза способствует диспергированию (измельчению) оксидных пленок и их удалению из зоны контакта.

В установках контактно-реактивной пайки столик, на котором подогреваются ножки (держатели), обычно нагревают до температуры 410±10 °C. Оптимальным считается усилие 0,05-0,07 Н, прикладываемой к инструменту для контактно-реактивной пайки. Увеличение усилия приводит к образованию сколов и трещин в кристаллах.

Известны данные анализа качества посадки кристаллов ИС на эвтектику золото – кремний. В качестве подложки использовались золоченая лента и корпуса ИС. Средняя толщина золотого покрытия составляла 2,5 мкм. Для анализа качества соединений использовался рентгенотелевизионный микроскоп и металлография. На границе эвтектики с коваровым основанием обнаружены интерметаллические соединения, образованные железом и кобальтом. На некоторых участках происходит внедрение этого сплава в эвтектику, что способствует ее охрупчиванию, а со временем разрушению соединения.

Повышение качества контакта между кремниевым кристаллом и позолоченной поверхностью корпуса ППИ достигается за счет использования микрорельефа в виде линии глубиной 0,8-1,0 мкм на обратной поверхности кристалла. С помощью такого рельефа при пайке происходит разрушение пленки естественного оксида на поверхности золота, что способствует уменьшению локальных непроплавленных областей при формировании эвтектики кремний – золото.

Для снижения в 1,5 раза теплового сопротивления кристалл – основание корпуса разработан способ монтажа кристаллов ИС больших размеров в керамический корпус пайкой с применением прокладки из эвтектического сплава золото – кремний. Площадь прокладки составляет 75-80 % от площади кристалла и помещается в нагретый корпус. Высокое качество спая обеспечивается многоступенчатым нагревом корпуса при температуре 80-421 ºС, выдержкой сборки на позиции монтажа кристалла при температуре 490 ºС с последующим пятиступенчатым охлаждением.