СПОСОБ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ДИСКРЕТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ К КОРПУСУ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/52 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС), включающему присоединение кремниевого кристалла к корпусу, и может быть использовано в процессе изготовления полупроводниковых приборов и ИС.

В электронной технике при изготовлении полупроводниковых приборов известен способ сборки прибора, включающий присоединение кристалла к корпусу и предусматривающий использование в качестве плавкой контактной пластины слоя эпоксидного клея с серебряным наполнением.

Известен способ сборки полупроводникового прибора, включающий присоединение кристалла к корпусу и предусматривающий использование в качестве плавкой контактной пластины слоя полиимидного клея.

Однако этими способами нельзя достичь высокой прочности и качества соединения кристалла с корпусом при особо жестких режимах функционирования, что подразумевает наличие больших токов через соединение, высокие температуры около 200^оС, повышенные требования к тепловым характеристикам, как того требует, например, функционирование мощных полупроводниковых приборов.

Известен также способ сборки полупроводниковых приборов, включающий присоединение кремниевого кристалла к корпусу, когда в качестве плавкой контактной пластины используется тонкая золотая фольга. При температуре соединения 425 ± 5^оС золотая фольга реагирует с кремнием в результате плавления в зоне контакта, при этом образуется слой эвтектического состава Au+3,6% Si. Контактное плавление осуществляется при определенном нажиме на кристалл с одновременной подачей ультразвуковых колебаний.

Недостатками известного способа являются недостаточные качество и прочность соединения кристалла с корпусом в особо жестких режимах функционирования, как, например, для случая мощных полупроводниковых приборов, которые обладают значительными размерами кристалла. Если при малых линейных размерах кристалла, составляющих менее 2 мм, качество соединения кристалла с корпусом достаточно высокое, то при значительных линейных размерах кристалла, превышающих 2-3 мм, а значит, при соответствующих размерах золотой фольги, повторяющей размеры кристалла, особенно при квадратной их форме, между контактирующими поверхностями возникают области непроплавления локальные области, что вызывает неравномерность в распределении электрического тока по площади контакта, ведет к увеличению теплового сопротивления соединения и прибора в целом, к снижению прочности соединения и, как результат, к выходу прибора из строя, так как качество соединения низкое. Основной причиной образования областей непроплавления является образующаяся на поверхности золотой фольги естественная пленка оксида золота толщиной несколько десятков ангстрем, препятствующая началу контактного плавления "чистого" металла (золота) и полупроводника (кремния).

Целью изобретения является повышение прочности и снижение контактного теплового сопротивления соединения кристалла с корпусом за счет уменьшения локальных областей непроплавления в соединении кристалла с корпусом.

Цель достигается тем, что по способу сборки кремниевых полупроводниковых приборов и ИС, включающему размещение золотой фольги между корпусом и кремниевым кристаллом и пайку кристалла, поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при температуре 18-25^оС в течение 3-5 мин с последующей промывкой в холодной деионизованной воде при той же температуре в течение не менее 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70-80^оС в течение не менее 5 мин.

При таком режиме химической обработки поверхности фольги имеющаяся на ее поверхности пленка оксида золота толщиной несколько десятков ангстрем практически удаляется, что обеспечивает минимальное время пайки кристалла по всей его площади и исключает перегрев кристалла, при этом предотвращается ухудшение электрических параметров прибора и увеличивается выход годных (в НСl травятся только пленки оксида золота, а чистое золото не травится).

При воздействии на кристалл с усилием прижима происходит контактное плавление. В предлагаемом техническом решении масса жидкого припоя образуется в процессе контактного плавления "чистого" металла (золота) и полупроводника (кремния). При этом равномерность паяного шва и количество жидкой фазы припоя, "зарождающееся" в единицу времени, зависит от числа контактных точек первого и второго материалов. Если число контактных точек на единицу площади мало, то необходимое количество жидкой фазы припоя "зарождается" за счет плавления кристалла кремния только в этих точках, а надо чтобы плавление начиналось одновременно по всей площади.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при определенном режиме. Таким образом, заявленный способ соответствует критерию изобретения "новизна".

Известен способ получения аналогичного паяного соединения полупроводниковых приборов, обеспечивающий хорошее качество пайки, например, при напылении слоя золота (1-3 мкм) на поверхность кристалла. Однако этот способ очень трудоемок и дорог, так как требует дополнительных сложных и длительных операций, специального оборудования. При этом не удается уменьшить области непроплавления в соединении.

Известен способ получения аналогичного паяного соединения кремниевых приборов, обеспечивающий качество, при гальваническом осаждении слоя золота. Однако этот способ требует дополнительных операций и сложного оборудования. Гальванически осаждаются слои в несколько десятков микрон, 1-20 мкм. Этот способ является нетехнологичным из-за необходимости создавать защиту для лицевой стороны кристалла с уже сформированными структурами, а также создавать предварительно подслой металлизации для последующего гальванического осаждения слоя золота. Области непроплавления соединения присутствуют и при реализации этого способа.

Известен способ получения аналогичного паяного соединения, обеспечивающий хорошее качество, включающий размещение золотой фольги, на поверхность которой, обращенную к кристаллу, наносят микрорельеф в виде равномерно размещенных линий. Области непроплавления при этом практически отсутствуют. Однако этот способ является нетехнологичным из-за невоспроизводимости механической обработки фольги вручную, а также сложности ее автоматизации.

Предлагаемый способ обеспечивает получение аналогичного паяного соединения с высокой прочностью и низким контактным тепловым сопротивлением, отвечает повышенным требованиям к электрическим и тепловым характеристикам соединения, что соответствует особо жестким режимам функционирования, например функционированию мощных кремниевых приборов. Кроме того, данный способ прост, технологичен, так как хорошо воспроизводим, требует несложного оборудования и нетрудоемкого технологического процесса, а также практически устраняет области непроплавления соединения. Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже показано поперечное соединение кристалла с корпусом.

Способ осуществляется следующим образом.

Кремниевый кристалл 1 напаивается на позолоченную поверхность корпуса 2 с помощью тонкой золотой фольги 3. Поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты концентрацией 60-130 г/л при температуре 18-25^оС в течение 3-5 мин с последующей промывкой в холодной деионизованной воде при той же температуре в течение не менее 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70-80^оС в течение не менее 5 мин. Площадь фольги выбирают ту же, что и кристалла. Выбор режима травления осуществляется таким образом, чтобы очистить поверхность фольги от пленки оксида золота толщиной в десятки ангстрем для улучшения контактирования.

Сборку мощного полевого транзистора 2П920А производили в металлокерамическом корпусе. Пайку трех кристаллов осуществляли контактным плавлением с использованием золотой фольги при температуре 420 ± 5^оС в потоке аргона с помощью ультразвука на керамическое позолоченное основание из ВеО. Величину теплового сопротивления исследовали на образцах приборов 2П920А в соответствии с ОСТ 11.073073-82.

Ступенчато увеличивая ток через транзистор на величину 0,05 А, фиксировали величину тока стока, при котором начинает проявляться термоиндикатор ТИ-114, хотя бы на одном из трех кристаллов прибора 2П920А ("ток проявления"). Время выдержки прибора при заданном режиме составляло 1 мин. Результаты измерений приведены в таблице. Максимальное уменьшение теплового сопротивления прибора, составляющее 10% соответствует случаю режима травления в растворе соляной кислоты концентрацией100-110 г/л при температуре 18-25^оС в течение 4 мин с последующей промывкой в потоке холодной воды при той же температуре в течение 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70-80^оС в течение 5 мин и обусловлено максимальным улучшением качества контакта кристалла с корпусом. Сравнение площадей непроплавления в приборе 2П920А, собранного заявленным и известным способами, выявило резкое снижение площади области непроплавления при применении данного способа. Сравнение величин усилия на отрыв показало преимущество способа по сравнению с известными. Аналогичные результаты были получены при сборке кремниевых ИС.

Сущность изобретения: способ включает размещение золотой фольги между корпусом и кристаллом и пайку. Поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при температуре 18 - 25°С в течение 3 - 5 мин с последующими промывкой в холодной деионизованной воде при той же температуре в течение не менее 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70 - 80°С в течение не менее 5 мин. 1 ил., 1 табл.

СПОСОБ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ДИСКРЕТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ К КОРПУСУ, включающий размещение золотой фольги между кристаллом и корпусом и соединение их пайкой, отличающийся тем, что поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в водном растворе соляной кислоты концентрации 60-120 г/л при 18-25^oС в течение 3-5 мин с последующими промывкой в деионизованной воде при этой же температуре в течение не менее 1 мин и сушкой на воздухе при 70-80^oС в течение не менее 5 мин.