СПОСОБ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА Российский патент 1995 года по МПК H01L21/00 

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов.

Целью изобретения является повышение качества пайки.

Согласно изобретению способ пайки полупроводникового кристалла включает покрытие слоя никеля на кристалле свинцовосодержащим припоем, травление в смеси кислот HNO₃ и HF, пайку в восстановительной атмосфере, при этом в качестве припоя используют сплав состава (0,02 ≅ х ≅ 0,2) Sn_xPb_1-x. После травления кристаллы отжигают в атмосфере водорода при температуре Т, выбранной из выражения: Т_отж. ≥ Т_ликв.(х) + (60-70^оС), где Т_ликв.(х) температура ликвидуса припоя соответствующего состава, в течение не менее 30 мин.

На фиг.1,2 и 3 представлены зависимости свойств припоя от условий пайки.

П р и м е р. Опыты проводились на кристаллах серийного прибора КД213. Этот прибор, рассчитанный на ток 10 А и рассеиваемую мощность 10 Вт, имеет температурное сопротивление R_т переход-корпус 1-1,1 град./Вт. Кристалл этого прибора представляет собой кремниевую p⁺-p-n+ структуру диаметром 8 мм, покрытую с обеих сторон слоями гальванического никеля 2 мкм и золота 2-3 мкм. Этот кристалл после механического снятия круговой фаски травится в смеси кислот (1: 1), высушивается при Т 200 ± 5^оC в течение 1 ч и защищается по торцу кремнийорганическим лаком КО-97. Для придания кристаллу свойств высокочастотности их облучают электронами. Пайка кристалла к выводам осуществляется припоем НОС-61 при Т 250-270^оС. Вместо гальванического золочения кремниевых пластин, покрытых гальваническим никелем, использовалось горячее их лужение в ванне сплавов состава Sn_xPb_1-x 0,02 ≅ x ≅ 0,2. Толщина лужения по шлифам была ≅ 10 мкм. Выбор припоя указанного состава диктовался требованием кислотостойкости при травлении кристалла с целью предохранения омических контактов от стравливания.

Эксперименты показали, что травление сплавов Sn_xPb_1-x 0,02 ≅ x ≅ 0,2 в смеси плавиковой и азотной кислот приводит к образованию на поверхности (сплавов) химически стойких соединений от темно-серого до коричневого цветов. Эти соединения при пайке не смачиваются мягкими припоями и препятствуют соединению паяемых деталей. Попытка использования как органических, так и неорганических флюсов соляная, плавиковая, ортофосфорная кислоты, хлористый цинк, аммоний, хлорное олово, галогениды и канифоль, не дали положительного результата при пайке: происходил либо развал конструкции, либо тепловое сопротивление было велико, что свидетельствовало о локальном сплавлении паяемых деталей.

Возникшее техническое противоречие кислотостойкость и отсутствие пайки при замене Au на сплав Sn_xPb_1-x решалось путем предварительного отжига кристаллов в атмосфере Н₂ при повышенных температурах.

Кристаллы отжигались в специальной кассете, фиксирующей их по периметру и оставляющей свободными контакты. Отжиг осуществлялся при Т 300 420^оС ( ± 5) в интервале от 10 мин до 1 ч. Оценка поверхности контактов проводилась визуально. Оптимальный режим отжига (Т_оптим) устанавливался по данным визуального контроля и представлял собой температуру, начиная с которой 90% поверхности контактов приобретало металлический цвет после отжига. Эти результаты сопоставлялись с данными по замеру R_т арматур после пайки.

На фиг. 1 представлены результаты замера R_т, усредненные данные по 10 приборам, от температуры предварительного отжига кристаллов (t 1 ч), покрытых сплавом Sn_0,2Pb_0,8 (Sn_20%, Pb_80%). Измерение R_тосуществлялось по стандартной методике, предусматривающей рассеяние мощности на переходе и последующий замер температуры перехода по изменению прямого падения напряжения. Из фиг. 1 следует, что, начиная с температуры ≃ 360 С значение R ,1 град/Вт, что идентично для кристаллов с покрытием.

На фиг. 2 показана зависимость от времени отжига (Т 400 ± 5^оС) для сплавов х 0,1; 0,1; 0,05 и результаты отжига для сплава х 0,1 при Т 380 ± 5^оC. Из фиг.2 следует, что значение R_т cтабилизируется, начиная с t ≥ 0,5 ч.

На фиг.3 представлена зависимость температуры Т_оптим. от состава сплава Х. Эта температура возрастает по мере роста содержания свинца в сплаве и может быть выражена формулой T_оптим ≥ Т_ликв. (х) + (60--70^оС), где Т_ликв. (х) температура ликвидуса сплава соответствующего состава, Т_ликв. (х), изображенная на фиг.3.

Таким образом, при Т ≥ Т_опт. и t≥ ч осуществляется отжиг, восстанавливающий металлический характер поверхности контактов. Совместить операции отжига и пайки арматур не удается, поскольку дефекты облучения в кристалле стабильны при Т < 360^о и облучение кристаллов приходится производить после восстанавливающего отжига перед пайкой.

Сущность изобретения: кристалл, покрытый сплавом состава Sn_xPb_1-x, где 0,02 ≅ x ≅ 0,2, перед пайкой отжигают в атмосфере H₂ при T_отм≥T_ликв(x)+(60-70^°C), где T_ликв(x) температура ликвидуса припоя соответствующего состава, в течение t ≥ 0,5 ч. 3 ил.

СПОСОБ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА, включающий покрытие слоя никеля на кристалле свинцовосодержащим припоем, травление в смеси кислот HNO₃ и HF, пайку в восстановительной атмосфере, отличающийся тем, что, с целью повышения качества пайки, в качестве припоя используют сплав состава Sn_x Pb_1-x, где 0,02 ≅ x ≅ 0,2, а после травления кристалл отжигают в атмосфере водорода при температуре T_отж ≥ T_ликв(x) + (60^oC70^o), где T_ликв (x) температура ликвидуса припоя соответствующего состава, в течение не менее 30 мин.