Металлизация полупроводникового прибора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Ануфриев Дмитрий Леонидович Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Соловьев Ярослав Александрович Керенцев Анатолий Федорович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) 1. Металлизация полупроводникового прибора, содержащая последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла, слой никеля, слой серебра и слой олова, отличающаяся тем, что адгезионный слой металла выполнен из титана или хрома, а значения толщины слоев олова и серебра определены из 2. Металлизация полупроводникового прибора, содержащая последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла, слой никеля, нижний слой серебра, слой олова и верхний слой серебра, причем значения толщины равно от 3,9 до слоев олова и серебра определены из условий, что отношение 12 14,2, где- толщина слоя олова, 1 - толщина нижнего слоя серебра, 2 - толщина верхнего слоя серебра, а сумма ( 12 ) равна от 5 до 15 мкм, отличающаяся тем, что адгезионный слой металла выполнен из титана или хрома, а толщины нижнего и верхнего слоев серебра равныучетом технологического допуска. 10417 1 2008.04.30 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к металлизации обратной стороны кристаллов силовых полупроводниковых приборов и интегральных схем,и может быть использовано в изделиях силовой микроэлектроники (ИСМЭ). Известна металлизация полупроводникового прибора 1, содержащая последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла,слой никеля и слой серебра. Однако данная металлизация отличается низким качеством из-за плохого качества пайки, обусловленного недостаточным смачиванием и растеканием оловянно-свинцового припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя. Для сборки кристаллов ИСМЭ с данной металлизацией необходим сложный технологический процесс, поскольку требуется специальная оснастка, обеспечивающая совмещение полупроводникового кристалла, таблетки припоя и кристаллодержателя полупроводникового прибора, что обусловливает низкий выход годных ИСМЭ. Кроме того, при пайке кристаллов с данной металлизацией используется свинец, характеризующийся высокой токсичностью, что ухудшает экологическую чистоту технологического процесса производства ИСМЭ. Известна металлизация полупроводникового прибора 2, содержащая последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла слой гальванического никеля и слой сплава олово-свинец. Данная металлизация позволяет упростить технологический процесс пайки кристалла к кристаллодержателю за счет исключения припойной таблетки и специальной оснастки. Однако данная металлизация также отличается низким качеством из-за плохого качества пайки, связанного с неравномерным растеканием припоя по паяемой поверхности кристаллодержателя. Использование при создании данной металлизации методов гальваники и горячего лужения обусловливает низкий выход годных ИСМЭ. Кроме того, в данной металлизации используется свинец, что также ухудшает экологическую чистоту технологического процесса производства ИСМЭ. Известна металлизация полупроводникового прибора 3, содержащая последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла и слой цинка. В данной металлизации частично решена проблема экологической чистоты технологического процесса производства ИСМЭ благодаря замене свинца при пайке кристалла на менее токсичный металл - цинк. Однако и данная металлизация отличается низким качеством из-за плохого качества пайки кристаллов к корпусу, обусловленного окислением поверхности слоя цинка. Кроме того, поскольку для пайки кристалла с данной металлизацией на поверхности кристаллодержателя формируется слой олова, толщина которого выбирается из условия необходимости получения сплава олово-цинк эвтектического состава(8 и 92) при температуре 420-430 С в течение 3 мин, то усложняется процесс сборки. Также из-за сравнительно низкой температуры плавления эвтектики цинк-олово(200 С) при сборке кристаллов ИСМЭ с данной металлизацией наблюдается низкий выход годных, обусловленный их смещением при разварке выводов термокомпрессионной сваркой (ТКС), производимой с подогревом кристалла до температуры более 250 С. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является металлизация полупроводникового прибора 4, содержащая последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла, слой никеля, нижний слой серебра, слой олова и верхний слой серебра, причем значения толщины слоев олова и серебра равно от 3,9 до 14,2, где- толщина определены из условий, что отношение 12 слоя олова, 1 - толщина нижнего слоя серебра, 2 - толщина верхнего слоя серебра, а сумма (12) равна от 5 до 15 мкм. При пайке кристаллов с данной металлизацией также не используется свинец, а значит, решена проблема экологической чистоты производства ИСМЭ. Однако в данной ме 2 10417 1 2008.04.30 таллизации регламентировано только отношение толщины слоя олова к сумме толщин слоев серебра. Поэтому возможна ситуация, когда основная масса серебра будет сосредоточена в верхнем слое, на температуру нанесения которого наложены жесткие ограничения. Это обусловливает неоднородное распределение компонентов по толщине паяного шва. Таким образом, металлизация-прототип отличается низким качеством, поскольку обусловливает низкий выход годных ИСМЭ, плохое качество пайки кристаллов к кристаллодержателю полупроводникового прибора. Предложенное изобретение решает задачу повышения качества металлизации, улучшения качества пайки кремниевого кристалла с данной металлизацией к кристаллодержателю с применением бессвинцовой технологии, повышения выхода годных ИСМЭ. Поставленная задача решается тем, что в металлизации полупроводникового прибора,содержащей последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла, слой никеля, слой серебра и слой олова, адгезионный слой металла выполнен из титана или хрома, а значения толщины слоев олова и серебра опреде лены из условий, что отношениеравно от 3,9 до 14,2, где- толщина слоя олова,- толщина слоя серебра, а сумма равна от 5 до 15 мкм в металлизации полупроводникового прибора, содержащей последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла адгезионный слой металла, слой никеля, нижний слой серебра,слой олова и верхний слой серебра, причем значения толщины слоев олова и серебра оп ределены из условий, что отношение равно от 3,9 до 14,2, где- толщина 12 слоя олова, 1 - толщина нижнего слоя серебра, 2 - толщина верхнего слоя серебра, а сумма (12) равна от 5 до 15 мкм, адгезионный слой металла выполнен из титана или хрома, а толщины нижнего и верхнего слоев серебра равны с учетом технологического допуска. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что адгезионный слой металла выполнен из титана или хрома, а значения толщины слоев олова и серебра определены из условий, что отношениеравно от 3,9 до 14,2, где- толщина слоя олова, - толщина слоя серебра, а сумма равна от 5 до 15 мкм адгезионный слой металла выполнен из титана или хрома, а толщины нижнего и верхнего слоев серебра равны с учетом технологического допуска. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Согласно диаграмме состояния бинарной системы серебро-олово 5, температура ее плавления лежит в диапазоне от 221 (при содержании серебра 3,8 ат. ) до 961,9 С (температура плавления чистого серебра). Следовательно, изменяя соотношение толщин многослойной структуры сереброолово, можно управлять концентрацией компонентов в образующемся припое оловосеребро, а значит, и температурой его плавления в зависимости от конкретных требований технологического процесса сборки. С другой стороны, для получения качественного присоединения кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора и достижения высокого выхода годных приборов необходимо обеспечить полное и равномерное растекание припоя по паяемой поверхности кремниевого кристалла и кристаллодержателя во время присоединения, а также согласовать их термические коэффициенты линейного расширения (ТКЛР), что достигается сравнительно толстым буферным слоем припоя между кристаллом и кристаллодержателем полупроводникового прибора. Это позволяет избежать пустот в паяном соединении, разлома кристаллов после пайки и снизить тепловое сопротивление переход - корпус полупроводниковых приборов. 10417 1 2008.04.30 Наличие слоев многослойной структуры серебро-олово суммарной толщиной 5-15 мкм позволяет обеспечить высокое качество заявляемой металлизации благодаря полному и равномерному растеканию припоя по паяемой поверхности кремниевого кристалла и кристаллодержателя во время присоединения, а также согласованию их ТКЛР за счет создания относительно толстой буферной прослойки из оловянно-серебряного припоя при пайке кристалла ИСМЭ с данной металлизацией к кристаллодержателю. Оловянносеребряный припой образуется из многослойной структуры серебро-олово во время пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора при температуре процесса, определяемой соотношением их толщин, за счет перемешивания слоев. Толщина слоя оловаи серебравыбирается исходя из условий получения необходимой толщины паяного шва и образования сплава олово-серебро требуемого состава, что в результате дает возможность управления температурой плавления оловянно-серебряного припоя. Если суммарная толщина слоев многослойной структуры серебро-олово менее 5 мкм, то это приводит к ухудшению качества пайки кристаллов с заявляемой металлизацией и снижению выхода годных из-за возрастания количества кристаллов, имеющих пустоты (поры) в паяном соединении, трещины после пайки вследствие локальных напряжений из-за разности ТКЛР кремниевого кристалла и кристаллодержателя. При суммарной толщине слоев многослойной структуры серебро-олово более 15 мкм не происходит дальнейшего улучшения качества присоединения кремниевого кристалла к подложкодержателю полупроводникового прибора, поскольку излишки расплавленного припоя выдавливаются из-под кристалла, что экономически нецелесообразно. Для обеспечения качества сборки ИСМЭ необходимо, чтобы температура плавления припоя превышала температуру подогрева кристалла при выполнении разварки выводов. Так, если разварка выводов производится методом ТКС, для реализации которого оптимальным интервалом температур нагрева кристалла является 280-295 С 6, то соответственно необходимо обеспечить температуру плавления оловянно-серебряного припоя не ниже 300 С. С другой стороны, температура присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора должна быть ниже 450 С, чтобы исключить деградацию активной структуры полупроводникового прибора вследствие процессов взаимной диффузии и твердофазных реакций ее элементов. В свою очередь,температура плавления многослойной структуры серебро-олово должна быть ниже температуры пайки кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора как минимум на 40-50 С, чтобы обеспечить равномерное смачивание и растекание припоя по поверхности кристалла и кристаллодержателя, т.е. не выше 400 С. Данному интервалу температур плавления удовлетворяет соотношение /3,9-14,2, что будет соответствовать сплаву 1-, где 71-91 вес.5. Если соотношение / будет больше 14,2, а значит, температура плавления многослойной структуры серебро-олово будет ниже 300 С, то произойдет снижение выхода годных ИСМЭ из-за смещения кристалла относительно кристаллодержателя во время разварки выводов. При соотношении толщин/3,9 температура плавления многослойной структуры серебро-олово будет выше 400 С, что приведет к ухудшению качества пайки и снижению выхода годных ИСМЭ из-за плохого смачивания и растекания припоя по поверхности кристалла и кристаллодержателя. Формирование слоя серебра в заявляемом устройстве поверх слоя никеля в отличие от металлизации устройства-прототипа, где основная масса серебра сосредоточена на поверхности слоя олова, позволяет повысить качество металлизации благодаря улучшенному смачиванию и растеканию припоя по поверхности кристалла, улучшить качество пайки и повысить выход годных ИСМЭ, поскольку слой серебра смачивается оловом лучше, чем слой никеля. При формировании верхнего и нижнего слоев серебра равной толщины позволяет получить более равномерное распределение серебра по толщине слоя припоя, поскольку перемешивание слоев во время присоединения кристалла к кристаллодержателю будет происходить по двум границам раздела. При этом наилучшая равномерность распределе 4 10417 1 2008.04.30 ния серебра по толщине слоя припоя будет достигнута при равенстве толщин нижнего и верхнего слоев серебра, что способствует улучшению качества пайки кристалла к кристаллодержателю и повышению выхода годных ИСМЭ. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5, где на фиг. 1 показана металлизация полупроводникового прибора в соответствии с устройством-прототипом, на фиг. 2 - металлизация полупроводникового прибора в соответствии с заявляемым устройством по п. 1 формулы, на фиг. 3 - металлизация полупроводникового прибора в соответствии с заявляемым устройством по п. 2 формулы, на фиг. 4 - кремниевый кристалл после присоединения к кристаллодержателю полупроводникового прибора, на фиг. 5 показана зависимость тем пературы плавления многослойной структуры серебро-олово-серебро от соотношения.Заявляемая металлизация полупроводникового прибора может быть изготовлена следующим образом. После формирования активной структуры полупроводникового прибора на обратную сторону кремниевой пластины наносятся в едином вакуумном технологическом цикле на установке вакуумного напыления Магна 2 М адгезионный слой титана или хрома, слои никеля или никеля с ванадием и серебра. Затем электроннолучевым испарением на установке Оратория 9 в едином вакуумном технологическом цикле производится последовательное нанесение слоев олова и серебра. Монтаж кристаллов с данной металлизацией в корпус осуществляется автоматом посадки ЭМ 4085 на медную выводную рамку. В процессе монтажа кристаллов происходит перемешивание слоев многослойной структуры серебро-олово-серебро. Работает заявляемое устройство следующим образом. Слой титана (2) (фиг. 2) обеспечивает адгезию металлизации к обратной стороне кристалла полупроводникового прибора (1). Способный к пайке слой никеля или никеля с ванадием (3) расположен непосредственно на адгезионном слое (2) и обеспечивает смачивание обратной стороны кристалла полупроводникового прибора (1) оловянно-серебряным припоем (4) (фиг. 4), образующимся из многослойной структуры серебро (4) - олово (5) (фиг. 2) (серебро (4) - олово (5) - серебро (6)(фиг. 2. Слой серебра (4) (фиг. 2) также обеспечивает защиту слоя никеля или никеля с ванадием (3) от окисления и улучшает его смачивание. Во время пайки кристалла (1)(фиг. 4) к кристаллодержателю (5) слои многослойной структуры серебро-олово (сереброолово-серебро) перемешиваются и образуют оловянно-серебряный припой (4), при температуре пайки, определяемой соотношением толщин многослойной структуры (фиг. 5). В таблице представлены сравнительные данные по сборке транзисторов КТ 8170 для различного состава и различной суммарной толщины слоев многослойной структуры серебро-олово и серебро-олово-серебро. Как видно из табл. 1, оптимальным является диапазон суммарной толщины слоев многослойной структуры серебро-олово 5-15 мкм. При суммарной толщине слоев сереброолово менее 5 мкм не достигается высокого качества металлизации и хорошего качества пайки кремниевого кристалла из-за малой толщины паяного шва, пустот (пор) в паяном соединении, трещин после пайки вследствие локальных напряжений из-за разности ТКЛР кремниевого кристалла и кристаллодержателя. При суммарной толщине слоев сереброолово более 15 мкм дальнейшего улучшения качества присоединения кремниевого кристалла к подложкодержателю полупроводникового прибора не происходит. Из табл. 1 также видно, что многослойная структура серебро-олово-серебро при равенстве верхнего и нижнего слоев серебра в пределах технологического допуска имеет преимущества по сравнению с устройством-прототипом, где верхний слой серебра в несколько раз толще нижнего. Также из табл. 1 видно, что не существует принципиальной разницы в выборе материала адгезионного слоя металла, поскольку положительные результаты достигаются как с адгезионным слоем из титана, так и из хрома. В табл. 2 представлены данные по качеству сборки транзисторов в зависимости от соотношения толщин слоев многослойной структуры серебро-олово. 10417 1 2008.04.30 Таблица 1 Сравнительные данные по качеству присоединения кристаллов и выходу годных транзисторов в корпусе ТО-126 при различном составе и суммарной толщине слоев Мате- Толщина слоев Сумриал многослойной марная Качествоадгеструктуры толщи- напайки п/п зионна кристалного 12 слоев,лов 1 слоя мкм Выход Выход годгодных ных по элекТП-К 4,после трическим С/Вт ТКС 2, параметрам 3,брака после термоударов 5- качество пайки определялось по 10 приборам каждого варианта методом сдвига кристалла до разрушения. Критериями качества паяного соединения считались отсутствие пор и пустот в припое, наличие не менее 90 остатков кристалла после разрушения паяного соединения 2- выход годных определялся визуальным контролем после операции ТКС на 100 приборах каждого варианта 3- выход годных по электрическим параметрам определялся после про хождения полного технологического цикла сборочных операций 4- тепловое сопротивление переход-корпус определялось методом измерения температуры перегрева перехода эмиттер-база после воздействия одиночного импульса греющей мощности в следующих режимах мощность греющего импульса и 30 Вт,коэффициент Кт 2,0 мВ/ С, длительность греющего импульса и 15 мс, время задержки измерительного импульса зд 400 мкс, ток эмиттера при подаче измерительного импульса эизм 50 мА 5-брака после термоударов определялся после 100 термоциклов (-196 С 175 С) по количеству отказавших приборов. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Таблица 2 Сравнительные данные по качеству сборки транзисторов в зависимости от соотношения толщин слоев многослойной структуры серебро-олово Выход год- Выход годных поСоотношениеТП-К,ных после электрическим Примечаниеп /п С/Вт ТКС,параметрам,1 3,0 78 67 4,2 2 3,9 98 92 2,710 мкм 3 10 99 93 2,6 4 14,2 97 90 2,7 5 17,0 63 42 2,9 Как видно из табл. 2, оптимальным интервалом соотношения толщин слоев сереброолово / является 3,9-14,2. При величине соотношения / более 14,2 наблюдается резкое увеличение смещенных кристаллов после ТКС, так как температура плавления образующегося при присоединении кристалла к кристаллодержателю припоя олово-серебро становится ниже, чем температура подогрева кристалла во время разварки выводов ТКС,что приводит к смещению кристалла относительно кристаллодержателя и снижению вы 6 10417 1 2008.04.30 хода годных. При величине соотношения / меньше чем 3,9 наблюдается ухудшение качества пайки кристалла к кристаллодержателю и поскольку температура плавления образующегося при присоединении кристалла к кристаллодержателю припоя олово-серебро становится слишком высокой и не обеспечивается равномерное смачивание и растекание припоя по поверхности кристаллодержателя. Анализ табл. 1 и 2 показывает, что предлагаемая металлизация полупроводникового прибора в сравнении с прототипом отличается более высоким качеством, поскольку позволяет улучшить качество напайки кристаллов, снизить тепловое сопротивление переход-корпус на 10-18 и увеличить выход годных ИСМЭ более чем на 11-12 . Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить задачу повышения качества металлизации, улучшения качества пайки кремниевого кристалла с данной металлизацией к кристаллодержателю с применением бессвинцовой технологии, повышения выхода годных ИСМЭ. Источники информации 1. Патент 4139908, МПК Н 01 23/532, 1993. 2. Патент 2042232, МПК Н 01 21/00, 1995. 3. Патент 2212730, МПК Н 01 21/52, 2003. 4. Заявкаа 20040398, МПК Н 01 21/58, 2004. 5. Диаграммы состояния двойных металлических систем Справочник. В 3-х т. Т. 1. / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М. Машиностроение, 1996. 6. Онегин Е.Е., Зенькович В.А., Битно Л.Г. Автоматическая сборка ИС. - Мн. Вышэйшая школа, 1990. - 383 с. Фиг. 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.