БЕССВИНЦОВЫЙ ПРИПОЙ Российский патент 2009 года по МПК B23K35/26 C22C13/02 

Изобретение относится к области пайки с использованием бессвинцовых припоев и может быть использовано в микроэлектронике, в частности для пайки кремниевых кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов.

Директива Европейского Союза RoHS (Restriction of Hazardous Substances) ограничивает использование шести экологически опасных материалов, в том числе и свинца, в новом электрическом и электронном оборудовании с 1 июля 2006 года. Свинец (Pb) - один из опаснейших материалов, использование которых регулируется RoHS.

Разработка бессвинцовых припоев и использование их на сборочных операциях в настоящее время является основной экологической проблемой микроэлектроники. На решение этой актуальной задачи направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники.

Существуют различные бессвинцовые припои для пайки изделий микроэлектроники.

Известен бессвинцовый припой марки ВПр6 состава ((83-86)Sn/(7,5-8,5)Ag/(6-8)Sb) с температурой плавления (235-250)°С [1]. Недостатком данного припоя является наличие серебра, что увеличивает стоимость припоя и полупроводниковых приборов в целом. Кроме того, содержание сурьмы в таком количестве повышает хрупкость паяного соединения при низких температурах.

В электронной промышленности при изготовлении изделий микроэлектроники из многочисленных бессвинцовых припоев рекомендуется использовать припой состава 95,5 Sn/3,8 Ag/0,7 Cu с температурой плавления 217°С [2]. К недостаткам данного припоя следует отнести наличие серебра. Более того, низкая температура плавления ограничивает его использование в силовых полупроводниковых приборах.

Наиболее близким к заявляемому припою является припой эвтектического состава 58 Bi/42 Sn (вес.%) [3]. Основным недостатком данного припоя является низкая температура плавления (139°С) и, соответственно, температура пайки, что исключает применение его при пайке кристаллов силовых полупроводниковых приборов. Кроме того, припои с высоким содержанием висмута имеют низкую пластичность.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, - это снижение стоимости припоя и полупроводниковых приборов в целом; улучшение технологических свойств припоя; повышение надежности силовых полупроводниковых приборов.

Эта задача достигается тем, что в бессвинцовый припой, содержащий олово и висмут, введена сурьма при следующем соотношении компонентов припоя, вес.%: олово - 87,0-89,0; висмут - 9,0-11,0; сурьма - 0,8-1,2.

Примером использования бессвинцового припоя для пайки полупроводникового кристалла к основанию корпуса может служить сборка полевого транзистора типа 2П767В. На паяемую поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленочную металлизацию Ti-Ti+Ni-Ag. Для сборки использовались медные корпуса типов КТ-28-2 и КТ-43В (ГОСТ 18472-88) с покрытием химическим никелем.

Для испытаний было отобрано по 20 кристаллов из одной пластины.

Предварительно проведены исследования на смачивание и растекание припоя по паяемым поверхностям кристалла и корпуса в различных средах: в вакууме, водороде и формир-газе.

Паяемость покрытий анализировали по растеканию припоя согласно методу, изложенному в ГОСТ 9.302-79. По данному ГОСТу навеска припоя имеет следующие размеры: диаметр 8 мм и толщину 0,3 мм. Коэффициент растекания припоя определяли по формуле:

,

где S_p - площадь, занятая припоем после расплавления и растекания, мм;

S₀ - площадь, занятая дозой припоя в исходном состоянии, мм².

Исследования показали, что смачивание и растекание припоя по паяемым поверхностям кристалла и корпуса хорошее (К_p составляет 1,10-1,15) во всех средах. Это свидетельствует о высоких технологических свойствах припоя.

Пайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов КТ-28-2 проводилась в конвейерной водородной печи 105А-72М. Температура в зоне пайки поддерживалась в пределах 300±5°С в течение 3-4,5 мин (в зависимости от скорости движения кассеты с собранными приборами). Для пайки кристаллов к основаниям корпусов КТ-43В в формир-газе использовалась установка ЭМ-4085-14М, которая позволяет осуществлять полную автоматизацию всех операций, включая подачу корпусов, выбор годных кристаллов с полупроводниковой пластины и присоединение кристаллов. Температура в зоне пайки поддерживалась в пределах 300±5°С в течение 5-10 с.

Для контроля теплового сопротивления транзисторов в различных корпусах использовался измерительный стенд ОМ.006.307.

Исследования качества пайки кристаллов к основаниям корпусов осуществлялись методами рентгеновской дефектоскопии на установке типа РУП-150/300 с использованием пленки Р5. Для изготовления поперечных сечений паяных соединений кристалла с основанием корпуса использовалась специальное приспособление. Металлографические исследования шлифов паяных соединений осуществлялись на микроскопе Neophot 21.

Проведены измерения электрических параметров приборов, изготовленных с использованием предлагаемого припоя, а также определено тепловое сопротивление кристалл-корпус (R_Tкp-к). Анализ качества паяных соединений осуществлялся методом рентгеновской дефектоскопии и по перечным шлифам. Данные исследования проводились после сборки, термоциклирования и 6500 энергоциклов. Установлено, что приборы, изготовленные с использованием предлагаемого припоя, по всем параметрам соответствуют нормам ТУ. Среднее значение теплового сопротивления кристалл-корпус составило 0,84°С/Вт после сборки и 1,04°С/Вт после 10000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-28-2; 0,59°С/Вт после сборки и 0,64°С/Вт после 10000 энергоциклов для транзисторов в корпусе КТ-43В. Незначительное увеличение теплового сопротивления кристалл-корпус (R_Ткp-к) после 10000 энергоциклов свидетельствует о пластичности паяных соединений, что повышает надежность силовых полупроводниковых приборов в целом.

Содержание в припое, вес.%: 87,0-89,0 олова обеспечивают высокий коэффициент теплопроводности и хорошую смачиваемость паяемых покрытий кристалла и основания корпуса; 9,0-11,0 висмута повышает температуру плавления припоя до 220-230°С; 0,8-1,2 сурьмы улучшает стойкость паяных соединений при термоциклировании.

Таким образом, использование предлагаемого бессвинцового припоя для пайки кремниевых кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов обеспечивает по сравнению с существующими припоями следующие преимущества:

1. Снижает стоимость припоя и полупроводниковых приборов в целом.

2. Улучшает технологические свойства припоя.

3. Повышает надежность силовых полупроводниковых приборов.

Источники информации

1. Краткий справочник паяльщика / И.Е.Петрунин, И.Ю.Маркова, Л.Л.Гржимальский и др.; Под общ. ред. И.Е.Петрунина. - М.: Машиностроение, 1991. 64 с.

2. Макушин М. «Зеленое законодательство» Европы: от RoHS до REACH // Электроника: Наука. Технология. Бизнес, 2006. №6. С.115.

3. Манко Г. Пайка и припои: перевод с нем. / Г.Манко. М.: Машиностроение, 1968. 135 с.

Изобретение может быть использовано в микроэлектронике, в частности для пайки кремниевых кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов. Припой содержит компоненты в следующем соотношении, вес.%: олово 87,0-89,0; висмут 9,0-11,0; сурьма 0,8-1,2. Припой обладает хорошими технологическими свойствами, в частности, он имеет высокий коэффициент теплопроводности и хорошую смачиваемость паяемых покрытий кристалла и основания корпуса, а также обеспечивает повышение надежности силовых полупроводниковых приборов за счет увеличения стойкости паяных соединений при термоциклировании.

Бессвинцовый припой для пайки изделий микроэлектроники, содержащий олово и висмут, отличающийся тем, что в его состав введена сурьма при следующем соотношении компонентов припоя, вес.%:
Олово 87,0 - 89,0 Висмут 9,0-11,0 Сурьма 0,8-1,2