СИСТЕМА МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К ОСНОВАНИЮ КОРПУСА Российский патент 2013 года по МПК H01L21/52 

Описание патента на изобретение RU2480860C2

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий, имеющих большую площадь кристаллов, путем бесфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формир-газе и других защитных средах. Оно может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпуса силовых полупроводниковых приборов путем пайки различными, в том числе и безсвинцовыми, припоями.

Разработка способов монтажа полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов полупроводниковых изделий (ППИ) в настоящее время является актуальной задачей, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой, особенно силовой, электроники.

Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов.

Известен способ пайки /1/ полупроводникового кристалла к корпусу, по которому для увеличения площади спая между кристаллом и корпусом на основании корпуса формируют V-образные канавки глубиной 25-75 мкм, располагаемые друг от друга на расстоянии 0,25-1 мм. Основным недостатком данного способа являются непропаи в паяном шве при капиллярной пайке в конвейерной водородной печи.

Разработан способ /2/ крепления полупроводникового кристалла к корпусу, по которому между кристаллом и корпусом размещают золотую фольгу и проводят пайку при температуре образования эвтектики Si-Au. При этом перед размещением в корпусе золотой фольги ее поверхность шаржируют алмазным порошком с размером зерен, равным 2-5 мкм.

Основным недостатком данного способа является незначительное снижение теплоотвода от кристалла к корпусу, так как площадь алмазного порошка на поверхности золотой фольги составляет десятые доли процента от площади кристалла.

Известен /3/ корпус электронного прибора с каналом снятия напряжений. Для согласования температурных коэффициентов линейного расширения корпуса и кристалла между ними размещается термокомпенсатор из Мо, W или стали, плакированной медью толщиной более 0,25 мм. При этом на дне основания корпуса сформирована замкнутая трапециевидная канавка глубиной 20-40% его толщины.

Основным недостатком данной конструкции является получение паяных швов толщиной более 0,25 мм, что увеличивает тепловое сопротивление «кристалл-корпус», так как коэффициенты теплопроводности Мо, W и Si примерно одинаковые.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемого изобретения является система монтажа кристалла на основание корпуса, заключающаяся в том, что для снижения непропаев в паяном шве, повышения прочности паяного соединения, улучшения теплоотвода от кристалла к корпусу и снижения термических напряжений в системе «кристалл - паяный шов - корпус» между кремниевым кристаллом и медным корпусом помещается буферный элемент в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса, а верхняя сторона проволоки - из Мо, W или их сплавов, диаметр которых выбран из условия получения заданной толщины паяного шва.

Основным недостатком данной конструкции является недостаточно высокий теплоотвод от кристалла к корпусу, особенно при эксплуатации силовых полупроводниковых приборов, так как коэффициенты теплопроводности (λ, Вт/м·К) Si (160), Мо (162) и W (166) примерно одинаковые.

Задача, на решение которой направлено заявляемое решение - это снижение непропаев в паяном шве и улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу.

Эта задача достигается тем, что система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса, содержащая кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, при этом буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса, с целью снижения непропаев в паяном шве и улучшения теплоотвода от кристалла к корпусу в канавках основания корпуса размещены медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок, общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности, а в качестве связки алмазных зерен с проволокой использован металл или сплав, который является покрытием основания корпуса, при этом алмазные зерна выступают на 20-25 мкм над основанием корпуса, а пайка осуществлена с приложением к кристаллу ультразвуковых или низкочастотных колебаний, которые направлены вдоль канавок в корпусе.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:

на фиг.1 - фрагмент схемы сборки кристалла с основанием корпуса перед пайкой;

на фиг.2 - фрагмент схемы паяного соединения кристалла с основанием корпуса с помощью разработанной системы.

Примером использования системы монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса может служить сборка кремниевых кристаллов (коэффициент теплопроводности λ=160 Вт/м·К) к основанию медных корпусов (λ=395-402 Вт/m·K) силовых полупроводниковых приборов. На паяемую поверхность кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленочную металлизацию. Для сборки используют медные корпуса с канавками. В канавках основания корпуса размещены медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок.

Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса реализуется по схеме (фиг.1-2), содержащая основание 1 с канавками 2, в которых размещены медные проволоки 3, на поверхность которых нанесена металлическая связка 4 для закрепления на проволоках 3 алмазных зерен 5.

На выступающих над поверхностью основания корпуса алмазных зернах 5 размещена фольга припоя 6, а затем кристалл 7.

Общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности. При меньшей площади алмазных зерен (коэффициент теплопроводности алмаза около 2000 Вт/м·K) эффект передачи тепла от кристалла к корпусу будет снижаться, а большую площадь получить на проволоке технологически трудно.

В качестве металлической связки алмазных зерен с проволокой используют металл или сплав, который является покрытием основания корпуса. Например, для пайки кристаллов к корпусам на последние наносят никель химическим или гальваническим методами из фосфатных электролитов. В этом случае используемый при пайке припой, например ВПр6, при температуре пайки одинаково хорошо смачивает паяемую поверхность основания корпуса и никелевую связку алмазных зерен на медных проволоках, тем самым снижаются непропаи в паяном шве.

Диаметр медной проволоки с зернами алмаза, а следовательно, и глубина канавок в основании корпуса выбирается таким образом, чтобы при размещении проволок в канавках зерна алмазного порошка выступали на величину h=20-25 мкм над основанием корпуса.

Алмазные зерна, выступающие на величину h=20-25 мкм над основанием корпуса, при пайке способствуют разрушению оксидных пленок на припое, улучшают смачивание припоем металлической связки алмазных зерен и покрытий паяемой поверхности корпуса. При меньшей величине h снижается теплоотвод от кристалла к корпусу, а при большей величине - возможно царапание алмазными зернами металлизации кристалла в расплаве припоя, что приведет к ухудшению смачивания припоем данного участка кристалла.

При пайке корпус ППИ жестко закрепляется на монтажном столике установки пайки кристаллов, а кристалл подвергается ультразвуковым или низкочастотным колебаниям, которые направлены вдоль канавок в корпусе. Такие колебания улучшают заполнение припоем канавок с проволоками и повышают смачивание припоем основания корпуса. При колебаниях кристалла в других направлениях канавки будут способствовать появлению непропаев в паяном шве.

При кристаллизации припоя алмазные зерна расположены внутри паяного шва 8, тем самым улучшая теплоотвод от кристалла к корпусу.

На основании вышеизложенного сделано заключение, что использование предлагаемой системы монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса обеспечивает по сравнению с существующими системами следующие преимущества:

1. Снижаются непропаи в паяном шве.

2. Улучшается теплоотвод от кристалла к корпусу.

Источники информации

1. В.В.Зенин, В.Н.Беляев, Ю.Е.Сегал, Ю.Л.Фоменко / Пайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов // Петербургский журнал электроники. 2001, №2, с.65.

2. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1781732 А1, H01L 21/58. Способ крепления полупроводникового кристалла к корпусу / В.Л.Розинов, Н.А.Барановский, И.Ш.Фишель и Л.А.Лискин. - Опубл. в БИ, 1992, №46.

3. Корпус электронного прибора с каналом снятия напряжений. Electronic package with stress relief channel: Пат. 5315155 США, МКИ5 H01L 23/02/ O'Donnelly Brian E., Mravic Brian, Crane Jacob, Mahulikar Deepak; Olin Corp. - №912535; Pfzdk/ 13.07.92; Опубл. 24.05.94; НКИ 257/711.

4. Патент РФ на изобретение №2336594 (RU), H01L 21/52. Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса / В.В.Зенин, Д.И.Бокарев, А.В.Рягузов, А.Н.Кастрюлев, О.В.Хишко. Опубл. в БИ, 2008, №35.

Похожие патенты RU2480860C2

название год авторы номер документа
СИСТЕМА МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К ОСНОВАНИЮ КОРПУСА 2007
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Бокарев Дмитрий Игоревич
  • Рягузов Александр Владимирович
  • Хишко Ольга Владимировна
RU2336594C1
СПОСОБ МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛОВ БОЛЬШИХ РАЗМЕРОВ В КОРПУСА 2001
  • Зенин В.В.
  • Беляев В.Н.
  • Сегал Ю.Е.
RU2212730C2
СПОСОБ ПАЙКИ КРИСТАЛЛОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ 2009
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Бойко Владимир Иванович
  • Кочергин Александр Валерьевич
  • Спиридонов Борис Анатольевич
  • Строгонов Андрей Владимирович
RU2460168C2
СПОСОБ БЕССВИНЦОВИСТОЙ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К КОРПУСУ 2005
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Рягузов Александр Владимирович
  • Гальцев Вячеслав Петрович
  • Фоменко Юрий Леонидович
  • Бойко Владимир Иванович
  • Хишко Ольга Владимировна
RU2278444C1
СПОСОБ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К КОРПУСУ 1999
  • Сегал Ю.Е.
  • Зенин В.В.
  • Фоменко Ю.Л.
  • Спиридонов Б.А.
  • Колбенков А.А.
RU2167469C2
КОРПУС ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА 2011
  • Кожевников Владимир Андреевич
  • Бражникова Тамара Ивановна
  • Марченко Олег Васильевич
  • Пахомов Олег Николаевич
RU2477544C1
СПОСОБ ПАЙКИ КРИСТАЛЛОВ ДИСКРЕТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ К КОРПУСУ 2016
  • Давыдов Анатолий Хананилович
  • Климов Алексей Олегович
  • Кравчук Геннадий Демидович
  • Павлюк-Мороз Никита Александрович
RU2636034C1
СПОСОБ СБОРКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 1999
  • Сегал Ю.Е.
  • Зенин В.В.
  • Фоменко Ю.Л.
  • Колбенков А.А.
RU2171520C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНТАЖА КРИСТАЛЛА 2011
  • Лебедева Ольга Васильевна
  • Литвиненко Николай Петрович
  • Бейль Владимир Ильич
RU2468470C1
Способ пайки силовых полупроводниковых приборов 2016
  • Колычев Сергей Николаевич
  • Скорняков Станислав Петрович
  • Синица Анна Вячеславовна
  • Чищин Владимир Фёдорович
RU2641601C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 480 860 C2

Реферат патента 2013 года СИСТЕМА МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К ОСНОВАНИЮ КОРПУСА

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий, имеющих большую площадь кристаллов. Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса содержит кремниевый кристалл и медный корпус между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, при этом буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса. В канавках основания корпуса размещают медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок, общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности, а в качестве связки алмазных зерен с проволокой используют металл или сплав, который является покрытием основания корпуса, при этом алмазные зерна выступают на 20-25 мкм над основанием корпуса, а пайку осуществляют с приложением к кристаллу ультразвуковых или низкочастотных колебаний, которые направлены вдоль канавок в корпусе. Техническим результатом изобретения является: снижение непропаев в паяном шве и улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 480 860 C2

Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса, содержащая кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, при этом буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса, отличающаяся тем, что в канавках основания корпуса размещены медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок, общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности, а в качестве связки алмазных зерен с проволокой использован металл или сплав, который является покрытием основания корпуса, при этом алмазные зерна выступают на 20-25 мкм над основанием корпуса, а пайка осуществлена с приложением к кристаллу ультразвуковых или низкочастотных колебаний, которые направлены вдоль канавок в корпусе.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2480860C2

СИСТЕМА МОНТАЖА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К ОСНОВАНИЮ КОРПУСА 2007
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Бокарев Дмитрий Игоревич
  • Рягузов Александр Владимирович
  • Хишко Ольга Владимировна
RU2336594C1
СПОСОБ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЕВЫХ ДИСКРЕТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ К КОРПУСУ С ОБРАЗОВАНИЕМ ЭВТЕКТИКИ КРЕМНИЙ-ЗОЛОТО 2005
  • Зенин Виктор Васильевич
  • Рягузов Александр Владимирович
  • Спиридонов Борис Анатольевич
  • Хишко Ольга Владимировна
  • Шарапова Таисия Ивановна
RU2298252C2
RU 2005112328 A, 10.11.2006
Способ крепления полупроводникового кристалла к корпусу 1990
  • Розинов Вадим Львович
  • Барановский Николай Александрович
  • Фишель Илья Шмералисович
  • Лискин Лев Андреевич
SU1781732A1
US 5315155 A, 24.05.1994
US 5015803 A, 14.05.1991
US 6706562 B2, 16.03.2004
Способ обработки целлюлозных материалов, с целью тонкого измельчения или переведения в коллоидальный раствор 1923
  • Петров Г.С.
SU2005A1
KR 20010009153 A, 05.02.2001.

RU 2 480 860 C2

Авторы

Зенин Виктор Васильевич

Бойко Владимир Иванович

Кочергин Александр Валерьевич

Спиридонов Борис Анатольевич

Строгонов Андрей Владимирович

Даты

2013-04-27Публикация

2009-12-31Подача