Остаточные механические напряжения в кристаллах при эвтектической пайке Si-Au

С увеличением размеров кристаллов серьезную проблему при монтаже эвтектической пайки представляют остаточные механические напряжения (ОМН), возникающие в кристалле и элементах конструкции корпуса из-за различия коэффициентов термического напряжения соединяемых материалов. ОМН при определенных условиях могут привести к механическому разрушению кристалла и эвтектического соединения Si-Au.

Предложен способ снижения ОМН в кристаллах путем повышения податливости паяного шва соединения за счет локальной металлизации монтажной площадки металлокерамических корпусов. Для экспериментов монтаж кристаллов проводили на керамические подложки с размерами 38´20´0,7 мм, изготовленные из керамики ВК94-1, со сплошной и локально металлизированной монтажными площадками с размерами 10´10 мм. Толщина золотого покрытия монтажной площадки корпусов (3-4)·10^–3 мм. При локальной металлизации на монтажных площадках выполнялась ортогональная сетка неметаллизированных полос шириной 0,25 мм с шагом 1,7´1,7 мм; 1,37´1,37 мм; 1,15´1,15 мм и 0,74´0,74 мм.

Пайку кристаллов проводили на установке УПК-1 с применением золотой прокладки (ПЗл999,9) толщиной 0,016 мм в размер кристалла. Режимы пайки: температура 420±20 ºС с предварительным подогревом подложек до 100-120 ºС, время – 8 с, сжимающее усилие на кристалл – 0,1 Н. Качество пайки оценивалось по площади смачивания обратной стороны кристаллов.

Хорошее смачивание (90-100 %) площади кристалла имели образцы, полученные при пайке кристаллов на подложки с шагом сетки 1,37´1,37 и 1,15´1,15 мм.

Значения максимальных ОМН (в центре кристалла) при пайке кристаллов на различные монтажные площадки подложки приведены в табл. 5.13.

 

Табл. 5.13. Остаточные механические напряжения в кристаллах при пайке на различные монтажные площадки

Металлизация монтажной площадки	Максимальные ОМН, МПа
	кристалл 2,99´5,38 мм	кристалл 4´4 мм	кристалл 3,32´7,16 мм	кристалл 5,1´5,1 мм
Сплошная	–51,3±13,9	–73,2±12,3	–56,8±7,7	–60,8±12,3
Локальная (шаг сетки 1,15´1,15 мм)	–37,5±5,6	–51,5±5,4	–33,1±11,5	–36,7±9,1

 

Из табл. 5.13 видно, что ОМН на поверхности кристалла являются сжимающими и возрастают от краев к центру. Локальная металлизация монтажных площадок металлокерамических корпусов способствует снижению ОМН в кристалле на 20-30 %.

 

 

5.5.1.4. Новый способ подготовки золотой прокладки к пайке

Применяется способ крепления полупроводникового кристалла к корпусу через золотую прокладку, которую предварительно шаржируют алмазным порошком с размером зерен 2-5 мкм. Давление на кристалл при пайке составляет 0,05-0,1 Н.

Для пайки кристаллов большой площади через золотую прокладку рекомендуется производить притирание элементов при температуре около 400 ºС. Особенностью данного способа является то, что в центре прокладки на стороне, обращенной к монтируемому кристаллу, проходит полоса выступающего слоя толщиной 5 мкм из сплава Si-Au, занимающая более 70 % площади кристалла.

Оксид золота при взаимодействии с HCl диспропорционирует с образованием комплекса и свободного золота по реакции

Au₂O + 8HCl = 2H[AuCl₄] + 4Au + 3H₂O,

что не способствует повышению качества очистки поверхности.

Для повышения качества соединения кристалла с корпусом, снижения трудоемкости сборочных операций, улучшения качества очистки золотой фольги и экологии производства рекомендуется фольгу перед пайкой отжигать в вакууме при температуре 160-250 °С или в водороде в стандартных условиях (температура 25 °С, атмосферное давление 101 КПа).

Оксиды золота – твердые, амфотерные, не взаимодействующие с водой вещества, свободная энергия Гиббса D  составляет 78,7 кДж/моль. При 155 °С Au₂O₃ переходит в Au₂O.

Водородное восстановление золота из оксидов происходит по реакции

                        Au₂O₂ + 3H₂ = 2Au + 3H₂O

DG°_{реакции}=3D –D =3(–228,6)–78,7=–764,5 кДж,

т. е. DG°<0.

                    AuO(OH) + 3/2H₂O = Au + H₂O

DG°_{реакции}=2D –D =2(–228,6)+350=–107,2 кДж,

т. е. DG°<0.

Т. к. свободная энергия Гиббса DG°<0, то восстановление золота из оксидов может протекать в стандартных условиях.

Температура разложения (диссоциации) оксидов золота Au₂O₃ составляет 155-160 °С, а Au₂O – 250 °С. Наибольший эффект восстановления золота из оксидов достигается путем отжига золотой фольги или деталей ППИ с золотым покрытием в вакууме при температуре 160-250 °С.

Таким образом, использование предлагаемого способа присоединения кристаллов кремниевых дискретных ППИ и ИС к корпусу с образованием эвтектики кремний – золото обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: повышение качества соединения кристалла с корпусом; снижение трудоемкости сборочных операций; повышение качества очистки золотой фольги; улучшение экологии производства.

 

 

5.5.2. Пайка кристаллов ППИ на основания корпусов с образованием эвтектики Sn-Zn

Известен способ 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.

Кроме того, цинк во влажном воздухе покрывается пленкой, состоящей из карбоната цинка, что ухудшает смачиваемость цинкового покрытия оловом с течением времени хранения перед пайкой. Более того, солевые пленки попадая в паяный шов, повышают вероятность непропаев, особенно при пайке кристаллов с размерами более 4´4 мм, что способствует увеличению теплового и электрического сопротивления контакта полупроводникового кристалла с корпусом.

Авторы предлагают на пленке цинка формировать оловянно-висмутовое покрытие толщиной около 1 мкм с содержанием висмута 0,4-0,9 %.

При соответствующих режимах электролиза покрытие сплавом Sn-Bi получают с мелкозернистой структурой и пониженной твердостью. В зависимости 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 %.

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.

Использование предлагаемого способа бессвинцовой пайки полупроводникового кристалла к корпусу обеспечивает по сравнению с существующими способами следующими преимущества: исключается использование свинца при пайке; повышается коррозионная стойкость покрытий паяемой поверхности кристалла; улучшается смачиваемость оловом поверхности кристалла при температуре пайки; повышается надежность ППИ за счет уменьшения площади непропаев в паяном шве.

 

 

5.5.2.1. Возможные варианты пайки кристаллов на эвтектику Sn-Zn

На рис. 5.5 представлены схемы сборки и пайки кристаллов.

 

Рис. 5.5. Схема бессвинцовой пайки кристалла к корпусу: 1 – Al (2 мкм); 2 – Zn (4 мкм); 3 – Sn (46 мкм); 4 – Ni (3-4 мкм); 5 – Cu (корпус)

 

 

Рис. 5.6. Схема бессвинцовой пайки кристалла к корпусу: 1 – Al (2 мкм); 2 – Zn (4 мкм); 3 – Bi (1-2 мкм); 4 – Sn (46 мкм); 5 – Ni (3-4 мкм); 6 – Cu (корпус)

 

Рис. 5.7. Схема бессвинцовой пайки кристалла к корпусу: 1 – Al (2 мкм); 2 – Ti (0,15 мкм); 3 – Ni (0,02 мкм); 4 – Ni-Sn с ОС-20 (6 мкм); 5 – Припой (50 мкм); 6 – Ni (3-4 мкм); 7 – Cu (корпус)