СПОСОБ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К КОРПУСУ Российский патент 2001 года по МПК H01L21/58 

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов путем безфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формиргазе и др. Оно может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпуса полупроводниковых приборов путем пайки припоями на основе свинца.

Разработка надежных способов монтажа полупроводниковых кристаллов к корпусам изделий электронной техники - это актуальная задача, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники.

Существуют различные способы пайки полупроводникового кристалла к корпусу.

Известен способ пайки полупроводникового кристалла к подложке, по которому небольшое количество припоя размещается рядом с кристаллом, расположенным на участке подложки, где он будет припаян. При температуре пайки расплавленный припой смачивает края кристалла и за счет капиллярного эффекта заполняет зазор между кристаллом и подложкой /1/.

К недостаткам указанного способа следует отнести температуру нагрева при пайке значительно выше температуры плавления припоя с целью разрушения оксидной пленки припоя и обеспечения его капиллярного течения. Кроме того, при пайке кристаллов больших размеров, особенно в изделиях силовой электроники, невозможно получить площадь спая, равную площади кристалла. Из-за неполного смачивания соединяемых поверхностей в паяном шве образуются непропаи, которые снижают мощность рассеивания приборов.

Известен способ изготовления полупроводникового прибора, по которому к подложке присоединяют кристалл с помощью припоя, который расплавляется между подложкой и полупроводниковым кристаллом /2/. При этом над подложкой устанавливают кожух, который соединен с устройством для понижения давления. С помощью кожуха над нагревателем, на который устанавливают подложку, создают пониженное давление и заполняют кожух газообразным азотом или водородом.

Основным недостатком данного способа является достаточно высокая трудоемкость изготовления полупроводниковых приборов.

Наиболее близким заявляемому способу по технической сущности является способ /3/ пайки полупроводникового кристалла, по которому на никелированный слой коллекторной поверхности кристалла наносят припой в виде сплава состава Sn_xPb_1-x, где 0,02 ≅ x ≅ 0,2, а после травления кристалл отжигают в атмосфере водорода при температуре Т_отж ≥ Т_ликв(х) + 60 - 70^oC, где Т_ликв(х) - температура ликвидуса припоя соответствующего состава, в течение не менее 30 мин.

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость изготовления полупроводниковых изделий, заключающаяся в сложном технологическом процессе нанесения на кристалл сплава состава Sn_xPb_1-x, включающий горячее лужение в ванне, травление сплава и последующий отжиг в водороде. Это требует использования специальной оснастки для защиты поверхности кристалла со структурами. Кроме того, паяные соединения кристалла с корпусом с использованием данного сплава имеют невысокую температурную и коррозионную стойкость, что ограничивает использование данного припоя в мощных полупроводниковых приборах, особенно в изделиях силовой электроники. Более того, смачиваемость и растекание припоев по Sn-Pb - покрытиям ухудшаются с течением времени хранения перед пайкой.

Задачей заявляемого решения является:
- упрощение технологического процесса нанесения покрытия на паяемую поверхность кристалла;
- улучшение смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла;
- повышение температурной и коррозионной стойкости паяных швов.

Технические результаты достигаются тем, что на слой никеля на коллекторной стороне кристалла наносят электролитическое покрытие из сплава никель-олово, содержащего 30-50% Ni, из фторхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20 между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме.

Примером пайки полупроводникового кристалла к корпусу может служить сборка диода Шоттки.

На коллекторную сторону полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии последовательно наносят следующие пленки: алюминия - 0,2 мкм, титана - 0,2-0,4 мкм и никеля - 0,4 мкм. Затем на пленку никеля для пайки наносят электролитический сплав никель-олово, содержащий 30-50% Ni, толщиной 7-10 мкм из фторхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20. Электроосаждение сплава Ni-Sn проводят из электролита состава (г/л): NiCl₂ - 200, SnCl₂ - 40, NH₄F - 60, ОС-20 - 5. Введение во фторхлоридный электролит органической добавки ОС-20 позволяет получать качественно другие покрытия из сплава Ni-Sn, не блестящие, а серебристо-белые. Добавка ОС-20 в состав покрытия Ni-Sn играет роль поверхностно-активного вещества, а при температуре пайки выполняет в некоторой степени функцию флюса и тем самым способствует лучшему смачиванию и растеканию припоя. Температура электролита составляет 50^oC. В качестве анода используется сплав никель-олово, содержащий 30-50% Ni.

Корпус TO-220 диодов Шоттки фиксируют в кассете. На площадках для пайки кристаллов размещают фольгу из припоя ПСр2,5 размером, равную площади кристалла. В ориентированном положении на припой устанавливают кристалл. Пайка осуществляется в вакууме или водородной среде при температуре 320 - 350^oC в течение 10 мин.

Были проведены исследования по влиянию термообработки на качество облуживаемости покрытий из сплава Ni-Sn. Образцы с гальванопокрытиями выдерживали в термошкафу КТСМ при температуре 175^oC в течение 4 часов, при 150^oC - в течение 7 часов и при 125^oC - в течение 14 часов. Последующее облуживание припоем ПОС-61 со спирто-канифольным флюсом показало 100%-ную облуживаемость покрытий для всех указанных режимов. Установлено, что покрытие сплавом Ni-Sn сохраняет 100%-ную паяемость после хранения образцов при комнатной температуре в течение 5 лет.

Исследования коррозионно-электрохимического поведения покрытий из сплава Ni-Sn в 3% растворе NaCl путем снятия анодных потенциодинамических кривых (10 мВ/с) с автоматической записью на потенциометре КСП показали, что при введении во фторидхлоридный электролит 5 г/л эмульгатора ОС-20 способствует поляризации сплава Ni-Sn. Например, при I_k = 2/0 А/дм² смещение потенциала ΔE в отрицательную область составляет 0,11 В.

Анодные потенциодинамические кривые для покрытий из сплава Ni-Sn, снятые в растворе хлорида натрия, т.е. в присутствии Cl^--ионов активаторов коррозии, показали, что потенциал пробоя составляет для покрытий из сплава Ni-Sn 0,4 В. Это подтверждает достаточно высокую коррозионную стойкость покрытия сплавом Ni-Sn.

Таким образом, использование предлагаемого способа пайки полупроводникового кристалла к корпусу обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Упрощает технологический процесс нанесения покрытия на паяемую поверхность кристалла.

2. Улучшает смачивание и растекание припоя по паяемой поверхности кристалла.

3. Повышает температурную и коррозионную стойкость паяных швов.

Все эти факторы позволяют снизить трудоемкость изготовления полупроводниковых изделий.

Источники информации
1. Патент EP (ЕПВ) A1 N 0316026, кл. 6 H 01 L 21/00, оп. 17.05.89.

2. Патент Японии A2 1-50536, H 01 L 21/52, оп. 27.02.89.

3. Патент RU 2042232 C1, H 01 L 21/00. Способ пайки полупроводникового кристалла / Альтман H.P. (UZ), Лившиц Д.Л. (UZ), Шмиткин О.М. (UZ), Кандов A.M. (KZ), Каплан А.А. (UZ). Опубл. 20.08.95, Бюл. N 23. - 4 с.

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов путем безфлюсовой пайки и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпуса полупроводниковых приборов путем пайки припоями на основе свинца. Технический результат изобретения заключается в упрощении технологического процесса нанесения покрытия на паяемую поверхность кристалла, улучшении смачивания и растекания припоя на паяемой поверхности кристалла, повышении температурной и коррозионной стойкости паяных швов. Сущность: способ включает покрытие слоем никеля коллекторной стороны кристалла сплавом и пайку. На слой никеля на коллекторной стороне кристалла наносят электролитическое покрытие из сплава никель-олово, содержащего 30-50% Ni, из фторхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20, между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме.

Способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу, включающий покрытие слоя никеля на коллекторной стороне кристалла сплавом и пайку, отличающийся тем, что на слой никеля на коллекторной стороне кристалла наносят электролитическое покрытие из сплава никель-олово, содержащего 30 - 50% Ni, из фторхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20, между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме.