Способ пайки элементов полупроводникового прибора Советский патент 1992 года по МПК H01L21/50 

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов, в частности к сборке и пайке кристаллической структуры к кристаллодержателю и выводам арматуры.

Цель изобретения - повышение качества пайки.

Сущность способа заключается в том, что используют направленный поток нагретого воздуха или инертного газа, нагрев и расход которого регулируют до получения температуры пайки, температуру нагретого газа То выбирают разной:

Тп Тк

х -т J- п I ком ,

T°-Tn + s3.t,d -VRtV Ј

где Тп - температура пайки;

Тком - температура окружающей среды;

Rt - тепловое сопротивление арматуры прибора;

D - габариты паяемого тела;

Зэфф - эффективная площадь теплообмена с газовым потоком;

Ло - теплопроводность применяемого газа;

г)- вязкость применяемого газа; р- удельная плотность применяемого газа;

V - скорость газового потока, при этом длительность пайки должна быть не менее

,

где с - удельная теплоемкость паяемой детали;

m - масса паяемой детали.

Существенность отличительных признаков, определяющих величину температуры теплового потока и длительность пайки, состоит в том, что уточняется зависимость между ингредиентами процесса теплообмена газового потока с арматурой прибора и физическими характеристиками применяемых материалов, таких как теплоемкость гаXI

CJ

чэ J

о

за, скорость (расход) газа, температура пайки, тепловое сопротивление и габариты паяемых деталей и т.д. всего обозначено 10 взаимосвязанных ингредиентов теплообмена.

Сущность теплопередачи от газового потока на арматуру прибора состоит в следующем.

Мощность теплового потока Pi от нагретого газового потока к арматуре прибора

щадью теплообмена, рассчитаем его по формуле

Rt0 -

(6)

Подставляя (б) в (4), получаем соотношение между ингредиентами теплообмена в газовом потоке:

Изобретение относится к производству полупроводниковых приборов, в частности к сборке и пайке кристаллической структуры к кристаллодержателю. Цель изобретения - повышение качества пайки. Сущность изобретения заключается в выборе температуры потока газа и времени выдержки элементов полупроводникового прибора в потоке нагретого газа. Использование данного способа обеспечивает снижение брака по внешнему виду и электропараметрам. 5 ил.

Pi

Тр-Тп Rt0

(D

где (Т0-ТП) - величина перепада температуры при теплопереносе от газового потока к арматуре;

RIO - тепловое сопротивление промежутка газовый поток - арматура.

Мощность теплового потока Рг от арматуры прибора к окружающей среде

Р2

Тп -Тк

Rt

(2)

где (Тп-Тком) - величина перепада температуры при теплопереносе по выводам арматуры к среде;

Rt - тепловое сопротивление арматуры прибора.

При длительности пайки, большей времени установления стационарного потока т. имеет место

Pi Р2.(3)

Принимая во внимание (1), (2) и (3), получаем

Rto

И)

Если тепловое сопротивление Rt является характеристикой прибора и оно известно или может быть измерено, то Rto требует специального определения.

Теплопередача от движущегося газового потока к арматуре осуществляется через пограничный слой д , образованный в результате вязкого взаимодействия газового потока с обтекаемым телом. При этом величина д может быть определена по формуле

д - D/VRT ,

(5)

где Re число Рейннольдса, равное

о РР-У Ке - .

Из предположения, что тепловое сопротивление теплопередачи от газового потока к обдуваемому телу определяется толщиной промежуточного слоя и эффективной пло 1

ЯоЗэффКг

VDJ

W

(7)

Время установления стационарного теплового потока т может быть определено по времени установления температуры кри- сталлодержателя арматуры, имеющего массу т, равной температуре пайки Тп. Это время может быть определено по формуле

г сп

где с - удельная теплоемкость материала, из которого выполнен кристаллодержатель;

АТст Тп-Тком - перепад температуры от температуры кристаллодержателя до температуры окружающей среды.

С другой стороны, параметры стационарного потока кристаллодержатель - среда Рст и АТст связаны соотношением

AT,

cm

Rt ,

г cm

где Rt тепловое сопротивление арматуры Таким образом, условием достижения стационарности теплового потока является:

40

t T cm-Rt

(8)

5

0

5

На фиг.1 приведена схема теплообмена нагретого потока газа с телом, имеющим теплообмен через выводы с окружающей средой; на фиг.2 - взаиморасположение арматуры прибора и газового потока при пайке; на фиг.З - линеаризованная завит -г

симость -2-х п от 1/vV при разных I п I ком

значениях коэффициента Ks; на фиг.4 - экспериментальная зависимость ° п 1/V при Ks 0,5; на фиг.5 - от

Тп Тком

зависимость процента брака после испытаний приборов на надежность от длительности пайки в потоке газа.

На фиг,1 и 2 обозначены газовый поток 1 со скоростью V и температурой Т0, пограничный слой 2 толщиной д , нагреваемое

телоЗ, выводы 4 теплоотвода к окружающей среде, диски 5 кристаллодержателя, кристалл 6, выводы 7 с тепловым сопротивлением Rt, сопло 8 - выход нагретого потока газа, соединительный элемент 9 гребенки и элементы 10 кассеты для пайки.

Экспериментальные результаты (фиг.З) соответствуют следующим исходным параметрам; Rt 120 град/Вт, Тком - 25°С, Тп 240-260°С, D 2 мм, а 2,7 мм. Кривые 1-4 (фиг.4) соответствуют D 1,55; 2,0; 2,2; 2,0 мм; Rt 120, 120, 120, 240 град/Вт соответственно, причем следующие значения параметров одинаковы: Тком 25°С, Тп 240-260°С, а 2,7 мм. Кривые 5 и 6 (фиг.5) соответствуют испытаниям приборов на термоциклоустойчивость и в динамическом режиме соответственно.

Пример. Способ опробован на участке изготовления диода типа КД221, КД209. Кристаллическая структура этого диода содержит диффузионный p-n-переход на глубине 90-100 мкм и имеет диаметр 2 мм, Ьк- толщина кристалла 260 ± 10 мкм. Медный кристаллодержатель имеет толщину ,6 мм и диаметр 2,0 мм, изготавливают его штамповкой одновременно с выводами, соединенными по 30 шт. на общем основании в форме гребенки. Сборку диода начинают с укрепления кристалла на держателях одной гребенки с помощью импульсов прямого тока, а затем после совмещения кристалло- держателей второй гребенки с второй стороной кристаллов ведут нагрев нагретой струей газа - азота контактных областей согласно фиг.2, последовательно перемещая гребенку мимо сопла.

Генератор горячего азота выполнен из кварцевой трубки диаметром 12±2 мм, внутри которой помещают электронагревательную спираль. Один из концов трубки выполнен в форме сопла с выходом Sc 10 мм2. С другой стороны кварцевой трубки осуществляют запуск азота при избыточном давлении, расход которого контролируется ротаметром типа РМ-1. Температура газа контролировалась у выхода сопла при помощи термопары хромель-капель. Температура газа регулировалась током через нагревательную спираль. Тепловое сопротивление арматуры составляет 120 град/Вт.

Получение высокого технологического выхода годных приборов требует воспроизводимости исполнения теплового режима пайки кристалла к кристаллодержателю. Поэтому было проведено исследование влияния различных факторов, влияющих на этот режим.

В текущем производстве для получения воспроизводимых результатов пайку кристаллов припоем ПОС-61 ведут при 240- 260°С, что на 60-80°С превышает температуру плавления этого припоя. Следовательно и при пайке кристаллов с помощью нагретого азота должна поддерживаться такая температура. При исследовании условий поддержания температуры пайки в диапазоне 240-260°С применяют припои ПОС-5 и

ПОС-10, имеющие соответствующие температуры плавления 260 и 240°С.

Опыт проводят в следующем порядке, Кристаллодержатели на гребенке облужива- ют одним из указанных припоев. При этом

толщина припоя А поддерживалась в пределах 60 + 10 мкм. Затем облуженные кри- сталлодержатели подставляют под струю нагретого азота и с помощью микроскопа типа МБС-10 наблюдают момент расплавления

припоя в зависимости от диаметра кристаллодержателя D.OTтеплового сопротивления арматуры Rt, от скорости (расхода) V и от температуры газового потока Т0.

Экспериментальная проверка физической модели теплообмена и систематизация результатов по формуле (7) проведена при следующих предположениях; S лОа, где а D/2 + 2h0 + 4Д+ пк. Площадь обдуваемой поверхности .состоящей из двух круглых кристаллодержателей и расположенного между ними кристалла (фиг.2) равна поверхности цилиндра S лОа, где а D/2 + 2ho + 4Д + Их, где D - диаметр, пк - толщина кристалла, h0 - толщина кристаллодержателя, Л - толщина припоя, а 2,7 мм.

Для оценки эффективной площади теплообмена Зэфф введен коэффициент Ks, отражающий тот факт, что струя газа не ламинарно обтекает указанную цилиндрическую поверхность, а имеет место ее отрыв. В этом случае не вся поверхность участвует в теплообмене, а только ее часть, соответствующая величине этого коэффициента:

,

При сопоставлении экспериментальных результатов с расчетами учтена темпе- ратурная зависимость физических констант азота -До/1,/, присутствующих в формуле (7) в виде комбинации:

c vT:Jtk р

Пересчет данных с комнатной температуры на среднюю температуру нагретого газа в режимах пайки 500°С дает значение

С500°С/С20°С 1,32.

С учетом изложенного и значений физических констант азота: р0 °с 1,25 кг/м3, А20°с 0,034 Вт/мтрад и о°с 1,75x10 6 Н (с/м2 формула (7) преобразуется к виду

Своо°с 4,62-10

. Г)

Ks a-RTVvD Ks-a-RtWD

Таким образом, температурный режим пайки нагретым потоком азота определяется физическими характеристиками азота, конструкторскими и тепловыми параметрами прибора D, a, Rt, скоростью потока V, но коэффициент Ks требует экспериментального определения.

Определение величины Ks проводят на основе линеаризации зависимости (9), выполненной в координатах

, разных значениях паI ftI КОМ

раметра Ks. Для этого на семейство прямых наносят соответствующие значения

и 1/лАл определяемые из экспери

То Тп

Тп - Тком

ментальных измерений зависимости Т0 от V.

Расчетные и экспериментальные данные (фиг.З) определяют при следующих параметрах прибора КД221: Rt 120 град/Вт, D 2 мм, а 2,7 мм при температуре пайки 240 и 260°С и при температуре среды 25°С. Экспериментальные значения Тп определяют по моменту расплавления припоев ПОС- 10 и ПОС-5 на кристаллодержателях при разных скоростях расхода азота,

Экспериментальные точки (фиг.З) укладываются на расчетную прямую, соответствующую значению Ks 0,5. Таким образом определен коэффициент Ks и этот метод может быть использован для его определения на арматурах разной конструкции.

На фиг.4 нанесены экспериментальные точки и расчетные прямые при Ks 0,5, но с другими значениями исходных конструктивных параметров: для 0 1,55; 2,0 и 2,2 мм, при Rt 120, 240 град/Вт при температурном режиме Тп - 180, 240, 260°С, Тком 25 С.

Хорошее соответствие экспериментальных и расчетных данных позволяет связать в единую закономерную систему технологических и конструктивных параметров с тремя физическими.

Так по исходным данным к прибору КД221 можно определить необходимую температуру потока азота при заданной скорости потока. Например, при D 2,0

10

15

20

25

30

5

40

45

50

55

мм, Rt 120 град/Вт, а 2,7 мм и при скорости потока V 40 м/с формула (9) преобразуется к виду

Т0 Тп + 1,008(Тп-ТкоМ}. (10)

Поэтому при Тп 240°С имеем Т0 455°С; при Тп 260°С имеем Т0 495°С, при скорости потока V 40 м/с температура потока азота в диапазоне от 455 до 495°С обеспечивает пайку на держателе прибора КД221 при температуре в диапазоне 240-260°С.

Проводят экспериментальную проверку ограничения к длительности пайки снизу согласно формуле (8). Для этого изготовлена партия приборов, у которых пайка ведется с разной длительностью: 0,8; 2,0; 5 с. На каждой группе этих приборов проводят испытания на надежность после их герметизации и проверки на годность при комнатной температуре. Проверку на надежность проводят двумя методами.

По одной методике приборы термо- циклируют 10 раз в диапазоне температур (-60)-125°С и при комнатной температуре проверяют на годность. По другой методике приборы подвергают переменному воздействию напряжения в обратном направлении 400 В и тока в 300 мА в прямом направлении в течение 100 ч при 85°С, затем воздействию обратного напряжения 400 В и тока в прямом направлении 700 мА в течение 400 ч при комнатной температуре. Годными считают приборы с обратным током менее 50 мкА при 400 В.

Результаты испытаний приведены на фиг.5 в виде зависимости процента брака приборов от длительности пайки.

Минимальный брак приборов после указанных испытаний устанавливается при длительности пайки более 2 с. Действительно, оценка граничной длительности по формуле (8) дает при рм 8,9 г/см3, h0 0,6 мм, Rt 120 град/Вт, См 385 Вт с-м/кг# К следующее значение г:

т cmRt c(pV)-Ri с -рм -Rt :-2ho 1,55 с.

Расчет подтверждает экспериментальные данные (фиг.5).

Изобретение было опробовано на участке изготовления приборов КД221. Температура потока азота выбрана 480°С при скорости 40 м/с. Длительность пайки составляет 2,5 с.

По сравнению с текущим производством этого прибора у опытных приборов наблюдается увеличение выхода годных на операции контроля внешнего вида на 5-7%, на операции контроля годности по электропараметрам на 2-3%. При этом упрощается наладка и уменьшается стоимость применяемого оборудования.

Уменьшение брака по внешнему виду и электропараметрам связано с исключением операции обрезки одной соединительной перемычки на гребенки сборки арматуры, поскольку отпадает необходимость пайки импульсами прямого тока, требующей удаление замыкающей электроцепь перемычки.

Формула изобретения Способ пайки элементов полупроводникового прибора, включающий сборку элементов с припоем, размещение элементов в потоке нагретого газа, выдержку до расплавления припоя и фиксацию соединения при охлаждении, отличающийся тем, что, с целью повышения качества пайки, температуру То газа и длительность т выдержки выбирают из выражений

срыг.

J

1 М I г

t L -uA П,ь

Фиг Z

То Тп +

Тп TKQM г- Q- Ло НгЗэфф УС-.

R

0

5

0

где Тп - температура пайки, °С;

Тком - температура окружающей ере- ды, °С;

АО - коэффициент теплопроводности газа Вт/м град;

г - вязкость газа, кг/м-с; р - плотность газа, кг/м ;

Rt -тепловое сопротивление элементов, град/Вт;

V - скорость потока газа, м/с;

D - диаметр элемента, м;

Зэфф Ks-S - эффективная площадь теплообмена паяемых элементов с нагретым потоком газа, м2;

S - площадь поверхности элементов, м2;

Ks - коэффициент теплообмена;

с - удельная теплоемкость элемента, Вт-с м/кг-град;

m - масса элементов, кг.

I

Т.-Т

02

fa№