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 в инертной среде таблеткой припоя к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением пластины, на обратную сторону которой нанесен металлический слой.Однако данный способ отличается сложностью технологического процесса сборки,поскольку требует специальной оснастки, обеспечивающей совмещение полупроводникового кристалла, таблетки припоя и кристаллодержателя полупроводникового прибора, а также невысоким выходом годных приборов и низким качеством пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя.Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 2, включающий пайку в среде водорода или в вакууме таблеткой припоя из сплава ПСр 2,5 к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением пластины, обратная сторона которой покрывается 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, а также низким выходом годных приборов и невысоким качеством пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя.Известен способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора 3, включающий пайку прокладкой из металлического припоя к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением пластины, на обратную сторону которой нанесены слои металла титан-никель-серебро.Однако данный способ тоже отличается сложностью технологического процесса, невысоким выходом годных приборов и низким качеством пайки из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ 4, включающий пайку оловянно-свинцовой припойной прокладкой к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены слои металла хром-никель.Однако и данный способ отличается сложностью технологического процесса сборки,невысоким качеством пайки кристаллов к кристаллодержателю и низким процентом вь 1 хода из-за недостаточного смачивания и растекания припоя по паяемой поверхности кристалла и кристаллодержателя.Предложенное изобретение решает задачу упрощения технологического процесса сборки ИСМЭ, повышения выхода годных, улучшения качества пайки кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора.Поставленная задача решается тем, что способ присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора включает пайку к кристаллодержателю кристалла, полученного разделением кремниевой пластины, на обратную сторону которой последовательно нанесены слои титана толщиной (0,07-0,15 мкм), никеля и многослойная структура олово-свинец-олово, образующая припой, при этом нижний слой олова нанесен при температуре 200-250 С, а слой свинца и верхний слой олова толщиной(0,1-1,0) мкм - при температуре менее 150 С, причем отношение толщины слоя свинца брь к сумме толщин нижнего слоя олова 65,11 и верхнего слоя олова (1511 составляет (4,4-12,3), асумма толщин с 1 рь, бы, 152 составляет (5-15) МКМ, слой никеля содержит ванадий в количестве 7-8 мас. .Использование идентичной или сходной последовательности операций для решаемой задачи не обнаружено.Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Анализ отказов полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) показывает, что в способах-аналогах и прототипе основными причинами отказов являются высокое тепловое сопротивление переход - корпус, разлом кристалла полупроводникового прибора или ИС после сборочных операций, что обуславливается недостаточным растеканием припоя по паяемой поверхности кремниевого кристалла и кристаллодержателя, приводящим к образованию пустот(пор) в паяном соединении, а также недостаточным согласованием термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) кремниевого кристалла и кристаллодержателя. Последовательное нанесение на обратную сторону кремниевой пластины слоев титана и никеля делает возможным ее смачивание оловосодержащими припоями. Толщина слоя титана в диапазоне (0,07-0,15) мкм является оптимальной, т.к. обеспечивает надежную адгезию к обратной стороне кремниевой пластины. При толщине слоя титана менее 0,07 мкм происходит снижение выхода годных на сборке из-за его отслоения от обратной стороны кремниевого кристалла. Увеличение толщины слоя титана более 0,15 мкм не дает дальнейших улучшений, т.е. экономически нецелесообразно.Последовательное нанесение слоев многослойной структуры олово-свинец-олово суммарной толщиной (5-15) мкм позволяет упростить технологический процесс сборки. Поскольку сборку в этом случае можно осуществлять на высокопроизводительном сборочном оборудовании без применения припойных прокладок, специальной технологической оснастки и восстановительной среды. При этом удается 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 демпферной прослойки из оловянно-свинцового припоя. Оловянно-свинцовый припой образуется из многослойной структуры олово-свинец-олово во время присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора при температуре процесса, определяемой соотношением ее толщин, за счет перемешивания ее слоев. Толщины слоев олово-свинец-олово выбирают исходя из условий получения необходимой толщины паяного шва и образования сплава олово-свинец требуемого состава, что в результате дает возможность управления температурой плавления многослойной структуры. Если суммарная толщина слоев многослойной структуры олово-свинец-олово 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 многослойной структуры олово-свинец-олово более 15 мкм не происходит дальнейшего улучшения качества присоединения кремниевого кристалла к подложкодержателю полупроводникового прибора, поскольку излишки расплавленного припоя выдавливаются изпод кристалла, что экономически нецелесообразно.Нижний слой олова необходим для хорошей адгезии многослойной структуры к слою никеля, которая достигается за счет его смачивания оловом во время процесса нанесения многослойной структуры.Слой свинца в многослойной структуре необходим для формирования оловянносвинцового припоя во время присоединения кремниевого кристалла к кристаллодержателю полупроводникового прибора, т.к. олово в чистом виде непригодно к использованию в качестве припоя.Верхний слой олова в многослойной структуре толщиной (0,1-1,0) мкм обеспечивает защиту нижележащего слоя свинца от окисления на воздухе во время межоперационногохранения пластин, а также первичное смачивание поверхности кристаллодержателя во время присоединения кремниевого кристалла. Верхний слой олова толщиной менее 0,1 МКМ не обеспечивает достаточной защиты от окисления нижележащего слоя свинца, что приводит К ухудшению смачиваемости кристаллодержателя при посадке и снижению выхода годных. При толщине верхнего слоя олова более 1,0 мкм также происходит уменьшение выхода годных на сборочных операциях. Это обусловлено следующим эффектом. При нанесении электронно-лучевым испарением слоя олова быстро растет температура кремниевой пластины за счет конденсации паров олова на ее поверхности, а также от теплового излучения испарителя. При этом температура кремниевой пластины при нанесении верхнего слоя олова становится более 150 С, что обусловливает образование жидкой фазы на границе раздела свинец-олово, которая, растекаясь по поверхности пластины, приводит к неоднородной толщине многослойной структуры олово-свинец-олово, что, в свою очередь, резко снижает выход годных при резке пластин на кристаллы из-за неполного их разделения в местах утолщения многослойной структуры олово-свинец-олово и делает невозможным пайку кристаллов на высокопроизводительном оборудовании.Нанесение нижнего слоя олова при температуре 200-250 С позволяет добиться хорошей адгезии многослойной структуры к слою никеля, которая достигается за счет его смачивания оловом, имеющим температуру плавления 232 С. В случае нанесения нижнего слоя олова многослойной структуры при температуре менее 200 С не удается добиться хорошей адгезии его к слою никеля. При температуре нанесения нижнего слоя олова многослойной структуры более 250 С на поверхности никеля образуется жидкая фаза олова,которая, растекаясь по поверхности пластины, приводит к неоднородной толщине нижнего слоя олова многослойной структуры по площади пластины. В интервале температур нанесения нижнего слоя олова многослойной структуры 200-250 С в случае образования жидкой фазы олова она еще удерживается на поверхности никеля за счет сил поверхностного натяжения.Нанесение слоя свинца и верхнего слоя олова при температуре менее 150 С позволяет избежать образования жидкой фазы в многослойной структуре, т.к. температура эвтектики олово-свинец составляет 183,3 С. В случае образования жидкой фазы в многослойной структуре происходит ее растекание по поверхности пластины, что приводит к неоднородной толщине многослойной структуры по площади пластины.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 на 15-20 С. Так, если разварка выводов производится методом термокомпрессионной сварки(ТКС), для проведения которой оптимальная температура подогрева кристалла находится в интервале 280-295 С 1, то, соответственно, необходимо обеспечить температуру плавления многослойной структуры 295-315 С. Данному интервалу температур плавления удовлетворяет соотношение С 1 рь/151 152) 4,4-12,3, что будет соответствовать сплаву ЗЦХРЬЫ, где х 5,0-12,7 мас. 5. Если соотношение С 1 РЬ/(С 15 П 1 451,2) будет меньше 4,4, а значит, температура плавления многослойной структуры олово-свинец-олово будет ниже 295 С, то будет наблюдаться смещение кристалла относительно кристаллодержателя во время разварки выводов, что приведет к забракованию полупроводникового прибора. При соотношении толщин С 1 РЬ/(С 15 П 1 152) 12,3 не достигается дальнейших улучшений, поскольку припой из многослойной структуры олово-свинец-олово по своим свойствам будет близок к свойствам чистого свинца.Сущность изобретения поясняется фиг. 1-3, где на фиг. 1 изображена зависимость температуры плавления многослойной структуры олово-свинец-олово от соотношения брь/(бзп 1 152), на фиг. 2 - кремниевый кристалл с нанесенными слоями титана, никеля и многослойной структуры олово-свинец-олово, 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, интегральные микросхемы. 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 последовательно наносят слои титана (2) и никеля(3) в едином вакуумном технологическом цикле, толщиной (0,07-0,15) мкм и (0,4-0,6) мкм соответственно. Нанесение слоев титана (2) и никеля (3) может производиться электроннолучевь 1 м испарением на установке УВН РЭ.Э-60. Слой никеля также может содержать ванадий в количестве 7-8 мас. , в таком случае нанесение слоев титана и никеля (3) производится магнетронным распылением на установке Магна 2 М. Затем электронно-лучевым испарением на установке Оратория 9 последовательно наносят многослойную структуру олово (4) - свинец (5) - олово (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) с серебряным покрытием осуществляется при помощи установки ЭМ 4085 в автоматическом режиме. При этом из многослойной структуры олово (4) - свинец (5) - олово (6) (фиг. 2) образуется оловянно-свинцовый припой (4) (фиг. 3) После операции присоединения кристаллов производится разварка выводов, герметизация, вырубка выводов и разбраковка транзисторов по электрическим параметрам.Как показали экспериментальные исследования, простота сборки, выход годных и электрические параметры транзисторов, определяемые качеством пайки кристалла к кристаллодержателю, изготовленных согласно предложенному способу, существенно лучще по сравнению с прототипом. В табл. 1 представлены сравнительные данные по сборке транзисторов в зависимости от толщины слоя титана.СРЗВНИТЕЛЬНЪПЕ ДЗННЬПЕ ПО ВЬПХОДУ ГОДНЬПХ И ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ СООрКИ ТРЗНЗИСТОРОВ В ЗЗВИСИМОСТИ ОТ ТОЛЩИНЬП СЛОЯ титанаНеобходимость припойной Примечание прокладкиТолщина слоя Т 1, мкм Выход годных , С 15 ц 1 дгь 15 п 2 8 МКМ,(1511 0,5 мкм,дРь/(дзгп (1512) 5,8, требуется,- не требуется- процент выхода годных определялся по 100 приборам каждого варианта на операции присоединения кристалла.Как видно из табл. 1, диапазон толщин слоя титана (0,07-0,15) мкм является оптимальным. При толщине слоя титана менее 0,07 мкм процент выхода годных резко падает из-за плохой адгезии слоев металла к обратной стороне кремниевой пластины. При толщине слоя титана более 0,15 мкм происходит некоторое снижение выхода годных из-за роста механических напряжений в многослойной металлизации титан-никель-оловосвинец-олово, приводящих к ухудшению адгезии.