Способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора

Изобретение относится К электронной технике, а более конкретно К технологии изготовления силовых полупроводниковых приборов и интегральных схем, и может быть использовано в изделиях силовой микроэлектроники (ИСМЭ).Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 1, включающий пайку к кристаллодержателю в инертной среде таблеткой содержащего свинец припоя кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратной стороне которой сформирован металлический слой.Однако данный способ отличается сложностью технологического процесса сборки,поскольку требует специальной оснастки, обеспечивающей совмещение полупроводникового кристалла, таблетки припоя и кристаллодержателя полупроводникового прибора, что обуславливает невысокий выход годных приборов и низкое качество пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя. Кроме того, данный способ является неэкологичным из-за использования свинца в технологическом процессе.Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 2, включающий пайку к кристаллодержателю таблеткой содержащего свинец припоя в среде водорода или в вакууме кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, обратная сторона которой покрыта слоем никеля, а на слой никеля нанесено электролитическое покрытие из сплава никель-олово.Однако данный способ также отличается сложностью технологического процесса сборки, поскольку требует специальной оснастки, обеспечивающей совмещение полупроводникового кристалла, таблетки припоя и кристаллодержателя полупроводникового прибора, что обуславливает низкий выход годных приборов и низкое качество пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя. Данный способ также является неэкологичным, поскольку в технологическом процессе должен быть использован свинец.Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 3, включающий пайку к кристаллодержателю прокладкой из металлического припоя, содержащего свинец, кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой нанесены слои металла титан-никельсеребро.Однако и данный способ тоже отличается невысоким выходом годных приборов и низким качеством пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя. В данном способе также используется свинец, поэтому и этот способ является неэкологичным.Наиболее близким техническим рещением к предлагаемому является способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 4,включающий пайку к кристаллодержателю при температуре 300-320 С кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены адгезионный слой хрома и слои металла никель-олово-серебро.В данном способе не используется свинец, поэтому в нем рещена проблема экологичности. Однако поскольку пайка кристалла к кристаллодержателю производится при температуре 300-320 С, а согласно диаграмме состояния олово-серебро 5 температура плавления данной бинарной системы лежит в диапазоне от 221 С (эвтектический сплав олово-серебро с содержанием серебра 3,8 ат. ) до 961,9 С (температура плавления чистого серебра), т.е. пайка кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора в способе-прототипе может быть осуществлена в очень узком диапазоне концентрации серебра в образующемся припое олово-серебро. Поскольку ограничение на концентрацию серебра в образующемся припое не указано, то фактически выхода годных при присоединении кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора будет низкий. Так как если серебра в образующемся припое олово-серебро будет более 12,5 ат. , топайки кристалла К кристаллодержателю в интервале температур 300-320 С не Произойдет вообще. С целью получения высокого процента выхода на сборочных операциях в способе-прототипе должно выполняться два условия температура плавления припоя должна быть меньше 300 С, и в тоже время оптимальная температура подогрева кристалла во время разварки выводов методом термокомпрессии составляет 280-295 С, а значит, с этой точки зрения, во избежание смещения кристалла относительно кристаллодержателя полупроводникового прибора при осуществлении разварки выводов температура плавления должна быть больше 300 С. Таким образом указанные условия в способе-прототипе вообще противоречат друг другу, т.е. способ-прототип также не обеспечивает высокого выхода годных на последующих сборочных операциях, а именно разварки выводов. Также в способе-прототипе все слои металлов наносятся на обратную сторону кремниевой пластины при одной температуре процесса. Известно, что для обеспечения адгезии металлических слоев к поверхности кремния необходимо осуществлять процесс нанесения при температуре 200-400 С 6, а поскольку температура плавления сплава олово-серебро эвтектического состава составляет всего лишь 221 С, то в способе-прототипе существует вероятность образования жидкой фазы и образования капель сплава олово-серебро во время нанесения металлических слоев на обратную сторону кремниевой пластины, это приведет к неравномерной толщине всей металлизации обратной стороны, что делает невозможным дальнейшее использование пластин на последующих операциях - проверке функционирования и разделения пластин на кристаллы. Поскольку ограничения на температуру нанесения металлических слоев олова и серебра в способе-прототипе не указаны,то фактически имеет место еще одна причина снижения выхода годных приборов. Кроме того, после пайки кристалла к кристаллодержателю в способе-прототипе имеет место неравномерное распределение серебра по толщине образовавшегося припоя, а именно наблюдается снижение содержания серебра в припое от наружной к внутренней границе припоя, и, как следствие, возможно смещение кристаллов при разварке выводов и снижение выхода годных приборов. Таким образом, способ-прототип отличается низким качеством пайки кристаллов к кристаллодержателю и невысоким процентом выхода годных приборов, неравномерным распределением серебра по толщине слоя припоя.Предложенное изобретение решает задачу повышения выхода годных приборов, улучшения качества пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора с применением бессвинцовой технологии, улучшения равномерности распределения серебра по толщине слоя припоя.Поставленная задача решается тем, что в способе присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, включающем пайку к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены адгезионный слой титана толщиной (0,070,15) мкм, слой никеля толщиной (0,3-0,8) мкм, нижний слой серебра, слой олова и верхний слой серебра, при этом слой олова и верхний слой серебра наносят при температуре кремниевой пластины не более 220 С, причем отношение толщины слоя олова 15 к сумме толщин нижнего слоя серебра бАд и верхнего слоя серебра с 1 А 2 составляет (3,9-14,2), а сумма толщин 15, бАд, (1 Ад составляет (5-15) мкм, слой никеля содержит ванадий в количестве 7-8 мас. .Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Согласно диаграмме состояния бинарной системы серебро-олово 5 температура ее плавления лежит в диапазоне от 221 С (при содержании серебра 3,8 ат. ) до 961,9 С (температура плавления чистого серебра). Следовательно, изменяя соотношение толщин многослойной структуры серебро-олово-серебро, можно управлять концентрацией компонентов в образующемся припое олово-серебро, 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 при ВУ 8759 С 12006.12.30бора 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 коэффициенть 1 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.Нанесение многослойной структуры серебро-олово-серебро суммарной толщиной 515 мкм позволяет обеспечить полное и равномерное растекание припоя по паяемой поверхности кремниевого кристалла и кристаллодержателя во время присоединения, а также согласовать их ТКЛР за счет создания относительно толстой буферной прослойки из оловянно-серебряного припоя при пайке кристалла полупроводникового прибора к кристаллодержателю. Оловянно-серебряный припой образуется из многослойной структуры серебро-олово-серебро во время присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора при температуре процесса, определяемой соотношением их толщин, за счет перемешивания слоев. Толщина слоя олова 45,1 и сумма толщин нижнего и верхнего слоя серебра 1 Ад 1 и (мд выбираются 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 серебро-олово-серебро менее 5 мкм, то это приводит к возрастанию 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 серебро-олово-серебро 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.С целью обеспечения качества выполнения дальнейших сборочных операций, в частности разварки выводов полупроводникового прибора, необходимо чтобы температура плавления припоя превышала температуру подогрева кристалла во время разварки. Так,если разварка выводов производится методом термокомпрессионной сварки (ТКС), для проведения которой оптимальным интервалом температур нагрева кристалла является 280-295 С 1, 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 металлизации олово-серебро 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 15/(1 Ад 1 (1149) 3,9-14,2 что будет соответствовать сплаву ЗЦХАН, где х 71-91 вес. 5. Если соотношение 15 /(1 Ад 1 бАд) будет больше 14,2, а значит температура плавления многослойной структуры сереброолово-серебро будет ниже 300 С, то произойдет смещение кристалла относительно кристаллодержателя во время разварки выводов, что приведет к забраковке полупроводникового прибора. При соотношении толщин 15 /(1 А быд) 3,9 температура плавления многослойной структуры серебро-олово-серебро будет выше 400 С, что приведет к ухудшению смачивания и растекания припоя по поверхности кристалла и кристаллодержателя и снижению выхода.Нанесение слоя олова и верхнего слоя серебра при температуре кремниевой пластины не более 220 С позволяет избежать перехода границы раздела серебро-олово и олово 4серебро в жидкую фазу, поскольку температура плавления эвтектики олово-серебро составляет 221 С 5. При температуре кремниевой пластины во время нанесения слоя олова более 220 С происходит плавление границы раздела серебро-олово и образование капель сплава олово-серебро, что приводит К неравномерности толщины слоев олова и серебра, а значит К снижению выхода годных из-за невозможности выполнения функционального контроля кристаллов на пластине и качественного разделения пластин на кристаллы. При нанесении верхнего слоя серебра при температуре кремниевой пластины более 220 С также происходит плавление границы раздела олово-серебро и образование капель сплава олово-серебро, что аналогично приводит к неравномерности толщины слоев олова и серебра, а значит к снижению выхода годных из-за невозможности выполнения функционального контроля кристаллов на пластине и качественного разделения пластин на кристаллы.Чередование слоев серебро-олово-серебро позволяет получить более равномерное распределение серебра по толщине слоя припоя по сравнению со способом-прототипом, поскольку перемешивание слоев во время присоединения кристалла к кристаллодержателю будет происходить по двум границам раздела. При этом наилучшая равномерность распределения серебра по толщине слоя припоя будет достигнута при равенстве толщин нижнего и верхнего слоев серебра.Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где на фиг.1 изображена зависимость температуры плавления многослойной структуры серебро-олово-серебро от соотнощения 15/(1 А 1 4,482), на фиг. 2 - кремниевый кристалл с нанесенными адгезионным слоем, а также слоями никеля и многослойной структуры серебро-олово-серебро, на фиг. 3 - кремниевый кристалл после присоединения к кристаллодержателю полупроводникового прибора.Предложенный способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора используется для изготовления ИСМЭ, таких как диоды,биполярные транзисторы, вертикальные МОЗРЕТ-транзисторы, ИС. В качестве примера показано его применение для изготовления биполярного п-р-п транзистора КТ 8170, собираемого в корпус ТО-126. После формирования структуры кристалла (1) (фиг. 2) на обратную сторону производится последовательное нанесение адгезионного слоя металла титана (2) - толщиной 0,07-0,15 мкм, а также слоев никеля (3) толщиной 0,3-0,8 мкм и серебра (4) в едином вакуумном технологическом цикле. Нанесение слоев титана (2), никеля (3) и серебра (4) может производиться электроннолучевым испарением на установке УВН РЭ.Э-60. Слой никеля (3) также может содержать ванадий в количестве 7-8 вес. ,в таком случае нанесение слоев титана (2), никеля (3) и серебра (4) производится магнетронным распылением на установке Магна 2 М. Затем электроннолучевым испарением на установке УВН РЭ.Э-6 О производится последовательное нанесение слоев олова (5) и серебра (6). После проведения функционального контроля пластин и разбраковки кристаллов по электрическим параметрам производится наклейка пластин обратной стороной на адгезионный носитель спутника на установке ЭМ 2008. Затем производится сквозное разделение пластин на кристаллы на установке ЭМ 2005. Присоединение кристалла (1)(фиг. 3) к кристаллодержателю медной выводной рамки (5) осуществляется при помощи установки ЭМ 4085 в автоматическом режиме. При этом из слоев серебро (4) - олово (5) серебро (5) (фиг. 2) образуется оловянно-серебряный припой (4) (фиг. 3). После операции присоединения кристаллов производится разварка выводов, герметизация, вырубка вь 1 водов и разбраковка транзисторов по электрическим параметрам.Экспериментальные исследования показали, что качество пайки кристалла к кристаллодержателю и выход годных транзисторов, изготовленных согласно предложенному способу, существенно лучще по сравнению с прототипом. В табл. 1 представлены сравнительные данные по сборке транзисторов для различного состава и различной суммарной толщины слоев серебро-олово-серебро.