Способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПРИСОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЕВОГО КРИСТАЛЛА К КРИСТАЛЛОДЕРЖАТЕЛЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Солодуха Виталий Алекандрович Керенцев Анатолий Федорович Соловьев Ярослав Александрович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) Способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, при котором осуществляют пайку к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены адгезионный слой титана толщиной от 0,07 до 0,15 мкм, слой никеля или никель-ванадия толщиной от 0,3 до 1,0 мкм и слой серебра толщиной от 0,5 до 1,0 мкм,причем перед присоединением кристалла на кристаллодержатель наносят дозу припоя ПСрОСу-8 или ПСр-2,5, при этом отношение массы дозы припоя к произведению площади кристалла, плотности припоя и необходимой толщины паяного соединения составляет от 1,0 до 1,96. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии автоматизированной сборки изделий силовой микроэлектроники (ИСМЭ) с использованием бессвинцовой технологии. Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора (ПП) 1, включающий пайку таблеткой припоя из сплава ПСр 2,5 в среде водорода или в вакууме к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой нанесен слой никеля, на слой никеля нанесено электролитическое покрытие из сплава никель - олово. 12022 1 2009.06.30 Однако данный способ характеризуется следующими недостатками. Нанесение электролитического покрытия никель-олово усложняет технологию изготовления кристаллов ПП. Для пайки кристалла требуется специальная оснастка, обеспечивающая совмещение кристалла ПП, таблетки припоя и кристаллодержателя ПП, кроме того, использование таблетки припоя обусловливает плохое качество пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя, что приводит к низкому выходу годных ИСМЭ. Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП 2, включающий пайку при температуре 300-320 С к кристаллодержателю кристалла,полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены слои хрома, никеля, олова и серебра. В данном способе не требуется специальной оснастки, обеспечивающей совмещение кристалла ПП, таблетки припоя и кристаллодержателя ПП, что улучшает качество пайки. Однако из-за сложной технологии нанесения слоев металлов на обратную сторону кремниевой пластины данный способ также характеризуется сложностью технологии изготовления кристаллов ПП. Кроме того, толщина паяного соединения ограничивается толщиной нанесенных слоев олова и серебра, которой недостаточно для обеспечения качественной пайки, а состав образующегося припоя и, соответственно, его свойства имеют плохую воспроизводимость, поскольку сильно зависят от отношения толщины слоев олова и серебра. Поэтому в данном способе также наблюдается плохое качество пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП, приводящее к низкому выходу годных ИСМЭ. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 3, при котором осуществляют пайку к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены адгезионный слой титана толщиной от 0,07 до 0,15 мкм, слой никеля или никель - ванадия толщиной от 0,3 до 1,0 мкм, слой серебра, слой олова и верхний слой серебра. В данном способе увеличена суммарная толщина многослойной структуры сереброолово-серебро, а также ограничено отношение толщины слоя олова к сумме толщин слоев серебра. Это позволяет увеличить толщину паяного соединения и улучшить воспроизводимость состава припоя, что, в свою очередь, обусловливает улучшение качества пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП и повышение выхода годных ИСМЭ. Однако и в данном способе на обратную сторону кремниевой пластины наносится многослойная структура, что усложняет технологию изготовления кристалла ПП. Кроме того, в данном способе состав и металлургические свойства образующегося припоя оловосеребро характеризуются низкой воспроизводимостью, поскольку определяются отношением толщины слоя олова к суммарной толщине слоев серебра, изменяющегося в диапазоне от 3,9 до 14,2. Это, в свою очередь, обусловливает недостаточное качество пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП и низкий выход годных ИСМЭ. Предложенное изобретение решает задачу улучшения качества пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, повышения выхода годных ИСМЭ, а также упрощения технологии изготовления кристалла полупроводникового прибора, так как не требуется наносить многослойную припоеобразующую композицию на обратную сторону кристалла. Поставленная задача решается тем, что в способе присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, при котором осуществляют пайку к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины,на обратную сторону которой последовательно нанесены адгезионный слой титана толщиной от 0,07 до 0,15 мкм, слой никеля или никель-ванадия толщиной от 0,3 до 1,0 мкм и слой серебра толщиной от 0,5 до 1,0 мкм, причем перед присоединением кристалла на кристаллодержатель наносят дозу припоя, ПСрОСу-8 или ПСр-2,5, при этом отношение 2 12022 1 2009.06.30 массы дозы припоя к произведению площади кристалла, плотности припоя и необходимой толщины паяного соединения составляет от 1,0 до 1,96. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что перед присоединением кристалла на кристаллодержатель наносят дозу припоя, ПСрО-Су-8 или ПСр-2,5, при этом отношение массы дозы припоя к произведению площади кристалла, плотности припоя и необходимой толщины паяного соединения составляет от 1,0 до 1,96. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Дозирование припоя на кристаллодержатель перед присоединением кристалла упрощает технологию изготовления кристалла полупроводникового прибора за счет исключения трудоемкого процесса нанесения многослойной структуры, образующей припой. При этом присоединение кристалла к кристаллодержателю ПП также может проводиться на автоматизированном оборудовании, что, в отличие от пайки таблеткой припоя, улучшает технико-экономические показатели техпроцесса сборки. Кроме того, использование серебросодержащих припоев марок ПСрОСу-8 или ПСр-2,5 гарантирует воспроизводимость их металлургических свойств и состава в пределах 0,5 , что улучшает устойчивость технологического процесса, а значит, улучшает качество пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП, повышает выход годных ИСМЭ, а также упрощает технологию изготовления кристалла полупроводникового прибора, так как не требуется наносить многослойную припоеобразующую композицию на обратную сторону кристалла. Выбор отношения массы дозы припоя к произведению площади кристалла и плотности припоя из диапазона (1,0-1,96), где- необходимая толщина паяного соединения,объясняется следующим образом. Нижний предел указанного отношения соответствует паяному соединению, имеющему площадь растекания, равную площади кристалла. Если отношение массы дозы припоя к произведению площади кристалла будет менее 1,0, то площадь растекания дозы припоя будет меньше площади кристалла и/ или толщина паяного соединения будет меньше необходимой, что обусловит ухудшение качества пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП и снижение выхода годных ИСМЭ. Верхний предел отношения массы дозы припоя к произведению площади кристалла и плотности припоя соответствует случаю стимуляции растекания припоя вибрационной пайкой - принудительными возвратно-поступательными движениями кристалла параллельно плоскости кристаллодержателя в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно конечного положения кристалла с амплитудой 20 от протяженности каждого из его габаритных размеров. В данном случае площадь растекания припоя составит 1,96 от площади кристалла. Если отношение массы дозы припоя к произведению площади кристалла и плотности припоя будет больше 1,96, то площадь растекания будет избыточной и/или толщина паяного соединения будет больше необходимой, что обусловит повышенный расход припоя и является экономически нецелесообразным. Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен кристалл полупроводникового прибора после присоединения к кристаллодержателю. Предложенный способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора может использоваться для изготовления таких изделий, как диоды, биполярные и ДМОП-транзисторы, интегральные схемы. В качестве примера показано его использование для изготовления КП 723 (площадь кристалла 0,26 см 2), собираемого в корпус КТ-28. После формирования активной структуры кристалла (1) на обратную сторону последовательно наносятся слои титана (2) толщиной от 0,07 до 0,15 мкм, никеля или никель-ванадия (3) толщиной от 0,3до 1,0 мкм и серебра (4) толщиной от 0,5 до 1,0 мкм на установке Магна-2 М. После функционального контроля пластин и разбраковки кристаллов по электрическим параметрам производится наклейка пластин на адгезионный носитель спутника на установке ЭМ 2008, сквозное разделение пластин на кристаллы на установке ЭМ 2005. Присоединение кристаллов к кристаллодержателю медной выводной 3 12022 1 2009.06.30 рамки (5) осуществляли на установке ЭМ-4085-14 М. Толщина паяного соединения составляла 30 мкм. Массу дозы припоя (6) контролировали микровзвешиванием весами аналитическими ВЛР- 200 рамки выводной до и после ее нанесения. Затем производили разварку выводов, герметизацию, вырубку и разбраковку транзисторов по электрическим параметрам. Экспериментальные результаты исследования качества сборки кристаллов и выхода годных транзисторов в зависимости от температуры подогрева кристаллодержателя и массы дозы припоя представлены в таблице. Сопоставление данных по качеству сборки транзисторов в зависимости от температуры подогрева кристаллодержателя и массы дозы припоя Упрощение технологии металлизации обратной стороны(отсутствует припоеобразующая композиция) да да да да да да да да Отношение массы дозы припоя к произведению площади кристалла и плотности припоя на обратной стороне припоеобразующая композиция плохое плохое хорошее хорошее хорошее хорошее хорошее хорошее удовлетворительное удовлетворительное- контроль качества напайки кристаллов на основание корпуса проводился несколькими методами визуальным осмотром под микроскопом МБС-9 путем контроля растекания припоя по периметру кристалла (критерием годности считали растекание припоя более чем на 3/4 периметра кристалла, отсутствие в паяном шве по периметру кристалла пор, щелей, непропаев) методом неразрушающего контроля паяного соединения с помощью рентгенотелевизионного микроскопа МТР-7 на предмет отсутствия под кристаллом несплошностей, пористости, неоднородностей пайки (критерий годности - площадь дефектов в паяном соединении под кристаллом не должна превышать 10 площади кристалла) 4 12022 1 2009.06.30 методом разрушающего контроля путем отделения нагретого кристалла от слоя припоя с последующим визуальным контролем под микроскопом МБС-9 состояния поверхности припоя и эффективной площади взаимодействия припоя с кристаллом (критерием годности также считали отсутствие локальных непропаев). 2- измерение теплового сопротивления переход - корпус тпк заключается в косвенном определении приращения температуры по изменению прямого падения напряжения пр 0- на имеющемся в структуре транзистора переходе сток-исток до и после разогрева транзистора рассеиваемой мощностью. Для исследуемого транзистора КП 723 предварительно получена усредненная зависимость термочувствительного параметра от температуры п и определен температурный коэффициентизменения прямого падения напряжения на переходе сток-исток, как тангенс угла наклона градуировочной кривой к оси температур. Измерение теплового сопротивления проводилось на установке СИС-24 в следующих режимах 10,10,2,2 мВ/ С измерительный ток изм 1 изм 210 мА задержка измерения 2-0,0006 с время действия разогревающего тока - 0,2 с. 3- выход годных определялся по 100 приборам каждого варианта с учетом контроля качества присоединения кристалла и измеренного значения теплового сопротивления тпк(допустимое значение теплового сопротивления тпк 0,95 С/Вт). Из таблицы видно, что оптимальное отношение массы дозы к произведению площади кристалла и плотности припоя составляет (1,0-1,96). При отношении массы дозы к произведению площади кристалла и плотности припоя менее 1,0 наблюдается плохое качество пайки и низкий выход годных транзисторов. При отношении массы дозы к произведению площади кристалла и плотности припоя более 1,96 не наблюдается дальнейших улучшений. Кроме того, из таблицы видно, что в оптимальном диапазоне отношений массы дозы припоя к произведению площади кристалла и плотности припоя поставленная задача решается для различных заявляемых марок припоя. Как видно из таблицы, предлагаемый способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора позволяет решить следующие задачи улучшение качества пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, в результате чего тепловое сопротивление снижается в 8 раз повышение выхода годных ИСМЭ в 1,12 раз упрощение технологии изготовления кристалла полупроводникового прибора, так как не требуется наносить многослойную припоеобразующую композицию на обратную сторону кристалла. Таким образом, предлагаемый способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора улучшает качество пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю ПП, повышает выход годных ИСМЭ, а также упрощает технологию изготовления кристалла полупроводникового прибора, так как не требуется наносить многослойную припоеобразующую композицию на обратную сторону кристалла. Источники информации 1. Патент РФ 2167469 МПК Н 01 21/58, 2001. 2. Патент РФ 2173913, МПК Н 01 21/58, 2001. 3. Патент РБ 8759, МПК Н 01 21/58, 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5