СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО КОРПУСА МИКРОСХЕМЫ Российский патент 2024 года по МПК H01L23/08 

Изобретение относится к способам сборки микросхем в металлополимерных корпусах [H01L23/08].

Из уровня техники известно ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО, ЕГО КОРПУС и СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ [US2004238946, опубл. 02.12.2004], при этом полупроводниковый корпус, в котором размещен полупроводниковый прибор, имеет теплораспределитель, содержащий алмаз или алмазосодержащий материал, имеющий теплопроводность 350 Вт/(мК) или более, тепло распределитель полностью или частично расположен непосредственно на обратной поверхности полупроводникового устройства, металлический радиатор или металлическое излучающее ребро прикреплено к поверхности теплоотвода, обращенной от полупроводникового устройства. В указанном патенте также описан способ производства, включающий этапы покрытия полимерным клеем толщиной от 5 до 50 мкм, сушку, покрытие алмазным слоем, полимеризацию клея, горячие прессование (при температуре примерно от 70°С до 150°С). Также способ включает пайку металлом, приклеивание металлизированного теплоотвода припоем или обычными припоями для припоя, а также приклеивание обычными смоляными клеями.

Также из уровня техники известен ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОРПУС И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТВЛЕНИЯ [KR20000073632, опубл. 05.12.2000]. Полупроводниковый корпус, изготовлен из гибкого полимера, при этом, в первом контактном слое и втором контактном слое используются припои, такие как свинец, олово, висмут, индий и т. д., а второй контактный слой имеет толщину 5 мкм или более.

Наиболее близким по технической сущности является ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ СБОРКИ МИКРОСХЕМ В МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ КОРПУСАХ, [Довгяло, Д. А. Проектирование и системы автоматизированного проектирования интегральных микросхем, микроэлектроника и микросхемотехника: В 2 ч. Ч. 1. Технология микроэлектронных устройств / Д. А. Довгяло. – Новополоцк: ПГУ, 2012. – 316 с.]. В указанном источнике прописаны основные стадии технологического маршрута, а именно:

- нанесение плёнки на лицевую сторону пластины перед утонением;

- утонение пластины;

- снятие плёнки с лицевой стороны пластины после утонения;

- монтаж пластины на плёнку перед разделением на кристаллы;

- разделение пластины на кристаллы – резка алмазным диском;

- оптическая инспекция пластин после разделения на кристаллы;

- дополнительная оптическая инспекция пластин после разделения на кристаллы;

- монтаж кристалла на клей на моногокадровую выводную рамку;

- сушка клея;

- плазменная обработка выводных рамок с наклеенными кристаллами перед операцией микросварка тонкой проволокой;

- микросварка тонкой проволокой;

- оптическая инспекция;

- плазменная обработка выводных рамок с наклеенными и разваренными кристаллами перед операцией запрессовка в пластик;

- запрессовка в пластик;

- лазерная маркировка;

- просечка внешних выводов выводных рамок;

- сушка компаунда после запрессовки;

- удаление облоя механическое;

- нанесение припоя на поверхность внешних выводов, где в качестве припоя используют олово;

- обжиг/спекание припоя;

- формование внешних выводов/ вырубка из групповой выводной рамки;

- измерение по электропараметрам короткое замыкание/обрыв;

- финальная визуальная инспекция, внешний вид микросхем;

- упаковка;

- отгрузка.

Также указанные этапы технологического маршрута сборки микросхем в металлополимерных корпусах используются, в частности, при сборке микросхем K1921BK01T в металлополимерных корпусах QFP208 на технологической линии в компании Advanced Semiconductor Engineering.

Основной технической проблемой аналогов и прототипа является низкая надежность полученных корпусов из-за того, что в указанных технических решениях не используются способы удаления облоя обеспечивающие отсутствие механических повреждений на металлополимерных рамках, также не используются дополнительные антикоррозийные покрытия и припои, обеспечивающие дополнительную долговечность и износостойкость корпуса, а также длительное сохранение способности к пайке и предотвращение охрупчивания припойного покрытия.

Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом является повышение надежности металлополимерного корпуса микросхемы.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ изготовления металлополимерного корпуса микросхемы, характеризующиеся тем, что осуществляют монтаж кристалла на выводную рамку, запрессовку выводной рамки в пластик, удаление облоя, нанесение припоя на поверхность внешних выводов выводной рамки, отличающийся тем, что удаление облоя осуществляют электрохимически, для чего предварительно осуществляют электрохимическое обезжиривание выводной рамки, далее осуществляют электрохимическое удаление облоя в перемешиваемом щелочном растворе, далее осуществляют отмывку выводной рамки, перед нанесением припоя на поверхность выводной рамки наносят покрытие из гальванического никеля, для чего осуществляют щелочное обезжиривание выводных рамок, травление выводных рамок, далее наносят гальванический никель слоем толщиной от 2 до 3 мкм, гальванический никель наносят с применением сернокислого электролита и использованием катодного экрана, далее наносят покрытие олово-висмут на свежеосажденный слой гальванического никеля, толщиной 5-6 мкм.

В частности, для электрохимического удаление облоя используют щелочной раствор гидроксида калия.

В частности, перемешивание осуществляют посредством барботирования газообразным азотом.

В частности, отмывку выводной рамки осуществляют в два этапа, первоначально химическую отмывку осуществляют в растворе гидроксида калия, после чего отмывку осуществляют в деионизованной воде.

В частности, отмывку в деионизованной воде осуществляют при помощи струи под давлением.

Способ изготовления металлополимерного корпуса микросхемы, характеризующиеся тем, что включает в себя следующие этапы:

- нанесение плёнки на лицевую сторону пластины перед утонением;

- утонение пластины;

- снятие плёнки с лицевой стороны пластины после утонения;

- монтаж пластины на плёнку перед разделением на кристаллы;

- разделение пластины на кристаллы – резка алмазным диском;

- оптическая инспекция пластин после разделения на кристаллы;

- дополнительная оптическая инспекция пластин после разделения на кристаллы;

- монтаж кристалла на клей на моногокадровую выводную рамку;

- сушка клея;

- плазменная обработка выводных рамок с наклеенными кристаллами перед операцией микросварка тонкой проволокой;

- микросварка тонкой проволокой;

- оптическая инспекция;

- плазменная обработка выводных рамок с наклеенными и разваренными кристаллами перед операцией запрессовка в пластик;

- запрессовка в пластик;

- лазерная маркировка;

- просечка внешних выводов выводных рамок;

- сушка компаунда после запрессовки;

- удаление облоя электрохимическое;

- создание антикоррозийного никелевого покрытия и нанесение припоя на поверхность внешних выводов, при этом в качестве припоя используют оловянно-висмутовый припой, что предотвратит снижении хрупкости олова в составе припоя и увеличит срок хранения/годности микросхем с таким покрытием, а также сохранит способность к пайке в течении срока хранения;

- обжиг/спекание припоя;

- формование внешних выводов/ вырубка из групповой выводной рамки;

- измерение по электропараметрам короткое замыкание/обрыв;

- финальная визуальная инспекция, внешний вид микросхем;

- упаковка;

- отгрузка.

Основными отличительными особенностями заявленного способа относительно известных из уровня техники - является специфика реализации следующих этапов:

- удаление облоя электрохимическое;

- создание антикоррозийного никелевого покрытия и нанесение припоя на поверхность внешних выводов, при этом в качестве припоя используют оловянно-висмутовый припой, что предотвратит охрупчивание олова в составе припоя и увеличит срок хранения/годности микросхем с таким покрытием, а также сохранит способность к пайке в течение срока хранения.

При этом этап электрохимического удаления облоя характеризуется следующим образом.

После сборочных операций и герметизации изделий на выводных рамках молдинг компаундом на внешних поверхностях выводов остается часть компаунда (облой). Перед процессами создания антикоррозионного никелевого покрытия и нанесения припоя на поверхность выводных рамок необходимо его удаление, очистка поверхности выводных рамок от остатков молдинг компаунда. Для реализации заявленного способа сборки интегральных микросхем в металлополимерных корпусах будет применяться электрохимическое удаление облоя.

Для электрохимического удаления облоя с рамок металлополимерных корпусов используются следующие технологические подэтапы:

Первый подэтап. Выводные рамки помещают в первую ванну, в которой осуществляют электрохимическое обезжиривание рамок металлополимерных корпусов с целью размягчения, «подрастворения» и ослабления адгезии пленки облоя с материалом основы рамки. Электрохимическое обезжиривание рамок осуществляют следующим составом:

1) Натрий фосфорнокислый (Na3PO4) – (20 – 60) г/л.;

2) Натрий углекислый (Na2СO3) – (10 – 40) г/л.

Интервал рабочих плотностей тока ~2,0-3,0 А/дм², рабочая температура электролита Т=55-80 °С.

Второй подэтап. Осуществляют электрохимическое удаление облоя в щелочном растворе во второй ванне. Состав раствора:

1) Гидроксид калия (КOН) – (10 – 40) г/л.

При электролизе водного раствора гидроксида калия на катоде (которым являются сами выводные рамки) происходит выделение газообразного водорода. Воздействие пузырьков водорода способствует отрыву облоя от основы рамки. Для повышения эффективности раствор в ванне постоянно будет подвергаться перемешиванию посредством барботирования газообразным азотом.

Третий подэтап реализуют в третьей ванне, в которой осуществляют процесс химической отмывки выводных рамок в растворе гидроксида калия (КOН) - для окончательного удаления и растворения пленки облоя с поверхности выводных рамок.

Четвёртый подэтап характеризуется интенсивной отмывкой рамок в деионизованной воде в четвертой ванне. Для финишного удаления облоя и отмывки выводных рамок от растворов химических реагентов применяется обработка рамок распыленной струей деионизованной воды под давлением.

Этапы создания антикоррозийного никелевого покрытия и нанесения припоя на поверхность внешних выводов характеризуются следующим образом.

Для антикоррозионной защиты выводов изделий в металлополимерных корпусах предлагается использовать технологию гальванического осаждения никеля с последующим гальваническим покрытием олово-висмут. Покрытия гальванического никеля характеризуются такими функциональными свойствами как высокой равномерностью, большой твердостью, значительной коррозионной стойкостью и износостойкостью. Слой гальванического никеля является барьерным слоем, что предотвращает диффузию материала основы рамки металлополимерных корпусов. Покрытие гальванического никеля характеризуются хорошей адгезией (сцеплением) с материалом основы выводной рамки (медные сплавы, такие как С7025 Cu3NiSiMg и C194 Cu2,5FePZn).

Характеристичными и достаточными толщинами покрытия гальванического никеля являются значения - 2,0-3,0 мкм.

Для предварительной подготовки поверхности выводных рамок металлополимерных корпусов после удаления облоя используют следующие технологические операции:

На первом подэтапе в первой ванне осуществляют щелочное обезжиривание рамок металлополимерных корпусов с целью удалению следов органических пленок в растворе следующего состава:

1) Натрий фосфорнокислый (Na3PO4) – 50 г/л;

2) Натрий углекислый (Na2СO3) – 20 г/л;

3) Поверхностно-активное вещество ОП-10– 2 г/л.

На втором подэтапе во второй ванне осуществляют травление рамок металлополимерных корпусов с целью удаления окислов на медной поверхности выводов в растворе смеси кислот следующего состава:

1) Уксусная кислота (СН3СООН);

2) Серная кислота (H2SO4);

3) Лимонная кислота ((HOOCCH2)2C(OH)COOH);

4) Перекись водорода (Н2О2).

На третьем подэтапе в третьей ванне осуществляют процесс нанесения гальванического никеля, для чего используют технологию с применением сернокислого электролита следующего состава:

1) Никель сернокислый (NiSO4) – (200 – 250) г/л;

2) Кислота борная (H3BO3) – (25 – 35) г/л;

3) Натрий хлористый (NaCl) – (10 – 15) г/л.

Интервал рабочих плотностей (зависит от геометрических форм и толщины деталей выводных рамок) – 0,7-1,1 А/дм².

Технологической особенностью гальванического никелирования рамок металлополимерных корпусов является использование специального катодного экрана. Данный экран загружается в электролит вместе с деталями (являются катодом) и «отводит» часть тока, обеспечивая сплошность и равномерность токовых полей в объеме электролитической ванны, что будет обуславливать более равномерное распределение толщины никеля как в пределах одной рамки, так и в пределах всей загрузки в целом.

На очередном технологическом подэтапе покрытие олово-висмут наносят на свежеосажденный слой гальванического никеля, что исключает дополнительные химические обработки (обезжиривание и травление) металлополимерных рамок. Покрытие олово-висмут характеризуется следующими функциональными свойствами: пластичность, нейтральность к агрессивным средам, отличная паяемость и смачиваемость припоями, рабочей температурой вплоть до +250 °С. Элементы изделий, защищенные финишным покрытием олово-висмут, отлично поддаются различным видам обработки: пайка, штамповка, резка, вытяжка, прессовка.

Характеристичными и достаточными толщинами покрытия олово-висмут будут являться ~5,0-6,0 мкм.

Таким образом на четвертом подэтапе в четвертой ванне покрытие олово-висмут наносят на свежеосажденный слой гальванического никеля. При этом предварительно формируется ванна с электролитом на основе серной кислоты следующего состава:

1) Олово сернокислое (SnSO4) – (40 – 60) г/л;

2) Кислота серная (H2SO4) – (90 – 110) г/л;

3) Висмут сернокислый (Bi2(SO4)3 – (0,3 – 1,5) г/л;

4) Поверхностно-активное вещество ОП-7 – (8 – 10) г/л.

Интервал рабочих плотностей (зависит от толщины деталей) – 0,2-1,0 А/дм². Для исключения образования иглообразных и нитевидных наростов покрытия на деталях с тонкими элементами конструкции возможно применение технологического решения как уменьшение значений рабочей плотности тока до значений 0,07 А/дм². Большие значения рабочей плотности тока приводят к потемнению покрытия и возникновению неравномерности осадка. Соотношение площади катода (рамки металлополимерных корпусов) к площади анода будет от (1:1) до (2:1). Гальваническое покрытие олово-висмут будет иметь серый цвет, содержание висмута в покрытии будет от 0,5% до 1,5%.

Технологической особенностью данного процесса является не разрывное осаждение одного покрытия (олово-висмут) за другим (гальванический никель). То есть, детали после никелирования проходят отмывку в деионизованной воде и сразу направляются на гальваническое осаждение олово-висмут. Осаждение по свежесформованной поверхности никеля покрытия олово-висмут исключает дополнительные стадии обезжиривания и травления, что обеспечивает минимальное время контакта рамок металлополимерных корпусов с растворами химических реагентов.

Обоснование границ интервалов используемых диапазонов.

Характеристичными и достаточными толщинами покрытия гальванического никеля являются 2,0-3,0 мкм. Меньшее значение толщины приводит к неудовлетворительной коррозионной защите основного материала рамки, а более толстый слой Ni приводит к нарушению адгезии с основой.

Интервал рабочих плотностей (зависит от геометрических форм и толщины деталей выводных рамок) – 0,7-1,1 А/дм². Меньшее значение рабочей плотности тока будет обуславливать большую длительность гальванического осаждения никеля. Большее значение будет приводить к неравномерности толщины слоя. Рабочие температуры электролита Т=28-32 °С.

Характеристичными и достаточными толщинами покрытия олово-висмут будут являться 5,0-6,0 мкм. Меньшего значения толщины припойного покрытия будет недостаточно для сохранения способности к пайке изделий в металлополимерных корпусах после испытаний термостарением, большее же значение толщины припойного покрытия может привести к образованию коротких замыканий между выводами при пайке на печатные платы.

Заявленный технический результат – повышение надежности металлополимерного корпуса микросхемы, достигается за счет того, что в заявленном способе используют электрохимическое удаление облоя, что обеспечивает отсутствие механических повреждений на металлополимерных рамках, а также обеспечивает равномерность обработки по всей площади поверхности выводов за счет используемого тока.

Также заявленный технический результат достигается за счет того, что используется антикоррозийное никелевое покрытие и покрытие олово-висмут, которое имеет ряд технологических преимуществ перед оловянным покрытием (используемом в решении прототипа). Добавка висмута препятствует аллотропному переходу модификации белого олова в модификацию серого олова, что определяет долговечность и износостойкость покрытия. В отличие от чистого оловянного покрытия, покрытие олово-висмут (за счет постоянной смачиваемости) сохраняет неизменную способность к пайке в течение длительного времени. Добавка висмута в покрытие предотвращает самопроизвольное образование нитевидных кристаллов (характерных для деталей с тонкими элементами конструкций) оловянного покрытия, которые способны приводить к коротким замыканиям во время эксплуатации изделия (микросхемы и полупроводниковые приборы в металлополимерных корпусах).

Пример достижения технического результата.

При проведении серий испытаний сравнивались показатели надежности корпусов QFP208, при сборке микросхем K1921BK01T. В первой серии испытаний использовались корпуса, полученные с механическим удалением облоя, с использованием припоя в виде олова. Во второй серии испытаний использовались корпуса, полученные с помощью электрохимического удаления облоя, а также с использованием никелевого покрытия и оловянно-висмутового припоя.

В качестве показателя надежности использовалась среднее время наработки до отказа.

По результатам испытаний среднее время наработки до отказа в нормальных условиях эксплуатации во второй серии испытаний было увеличено на 37% по сравнению с первой серией испытаний.

Также по результатам испытаний среднее время наработки до отказа в условиях эксплуатации с повышенной температурой (на 300°С относительно нормальной) во второй серии испытаний было увеличено на 48% по сравнению с первой серией испытаний.

Таким образом подтвердился заявленный технический результат.

Использование: для изготовления металлополимерного корпуса микросхемы. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления металлополимерного корпуса микросхемы содержит монтаж кристалла на выводную рамку, запрессовку выводной рамки в пластик, удаление облоя, нанесение припоя на поверхность внешних выводов выводной рамки, при этом удаление облоя осуществляют электрохимически, для чего предварительно осуществляют электрохимическое обезжиривание выводной рамки, далее осуществляют электрохимическое удаление облоя в перемешиваемом щелочном растворе, далее осуществляют отмывку выводной рамки, перед нанесением припоя на поверхность выводной рамки наносят покрытие из гальванического никеля, для чего осуществляют щелочное обезжиривание выводных рамок, травление выводных рамок, далее наносят гальванический никель слоем толщиной от 2 до 3 мкм, гальванический никель наносят с применением сернокислого электролита и использованием катодного экрана, далее наносят покрытие олово-висмут на свежеосажденный слой гальванического никеля толщиной 5-6 мкм. Технический результат: обеспечение возможности повышения надежности металлополимерного корпуса микросхемы. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления металлополимерного корпуса микросхемы, характеризующийся тем, что осуществляют монтаж кристалла на выводную рамку, запрессовку выводной рамки в пластик, удаление облоя, нанесение припоя на поверхность внешних выводов выводной рамки, отличающийся тем, что удаление облоя осуществляют электрохимически, для чего предварительно осуществляют электрохимическое обезжиривание выводной рамки, далее осуществляют электрохимическое удаление облоя в перемешиваемом щелочном растворе, далее осуществляют отмывку выводной рамки, перед нанесением припоя на поверхность выводной рамки наносят покрытие из гальванического никеля, для чего осуществляют щелочное обезжиривание выводных рамок, травление выводных рамок, далее наносят гальванический никель слоем толщиной от 2 до 3 мкм, гальванический никель наносят с применением сернокислого электролита и использованием катодного экрана, далее наносят покрытие олово-висмут на свежеосажденный слой гальванического никеля толщиной 5-6 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для электрохимического удаления облоя используют щелочной раствор гидроксида калия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание осуществляют посредством барботирования азотом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отмывку выводной рамки осуществляют в два этапа, первоначально химическую отмывку осуществляют в растворе гидроксида калия, после чего отмывку осуществляют в деионизованной воде.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что отмывку в деионизованной воде осуществляют при помощи струи под давлением.