Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов
METHOD FOR NON-DAMAGING SURFACE MOUNTING OF SILICON CRYSTALS AND A3B5 TYPE CRYSTALS BY USING SHS FOIL DEPOSITED IN FORM OF METALLIZING MULTILAYER NANOSTRUCTURED COATING ON SURFACE OF THESE CRYSTALS

Изобретение относится к области производства электроники последнего поколения, а именно к способам соединения МОП-компонентной базы на основе кристаллов типа А3В5 с помощью реакционных многослойных фольг, и может найти применение в производстве силовой электроники, приемопередающего оборудования, работающего в 5G и 6G диапазонах, при поверхностном монтаже СВЧ-устройств, печатных плат и электронных кристаллических компонентов.
В уровне техники известно применение кремния и А3В5 соединений, в частности Si, GaAs, SiC, GaN, при производстве различных кристаллических микросхем, МЭМС устройств, MOSFET-компонентной базы. Среди А3В5 материалов выделяют несколько типов, характеризующихся различными физическими свойствами, определяющими, в свою очередь, особенности изготовления из них элементов техники (особенности соединения компонентной базы на основе этих материалов), а также особенности использования таких элементов.
В настоящее время существует несколько способов соединения кристаллов для получения конструктивных элементов устройств: пайка на бессвинцовые припои, вакуумная пайка на эвтектику, монтаж кристаллов с притиркой и монтаж на адгезив (в частности, на органические клея). Однако ни один из вышеперечисленных способов не гарантирует отсутствия повреждений чувствительного кристалла при получении такого элемента устройства.
Из уровня техники известен способ соединения полупроводниковых кристаллов, в частности на базе GaAs и GaN, к корпусу (патент RU2636034 на изобретение «Способ пайки кристаллов дискретных полупроводниковых приборов к корпусу», дата приор. 25.05.2016, опубл. 20.11.2017, B23K 1/20). Для соединения материалов припой расплавляют; жидкое состояние припоя достигается относительно долгим и высокотемпературным воздействием на него (например, помещением кристалла в печь). Это, в свою очередь, приводит к нагреву соединяемых материалов, повреждению кристаллической структуры керамического элемента и, как следствие, к утрате его электрофизических свойств (образование микротрещин во внутренней структуре кристалла приводит к появлению дополнительных потенциальных барьеров для носителей заряда, что в свою очередь приводит к утрате необходимых полупроводниковых свойств). На практике во избежание нежелательного нагрева соединяемых поверхностей в процессе пайки область пайки дополнительно охлаждают между повторяющимися этапами нагрева припоя, что значительно увеличивает время соединения материалов. Кроме того, прочность соединения материалов и качество полученного изделия (работоспособность интегральной микросхемы на основе кристаллической компонентной базы) зависят, в частности, от количества, соединяющего из материала (припоя): недостаток припоя снижает прочность соединения, а излишек – качество собранного изделия. Прочность соединения материалов определяется также силой их прижима при соединении: малое усилие прижима снижает прочность соединения, а чрезмерное усилие прижима увеличивает риск разрушения соединяемых деталей, риск их смещения друг относительно друга и вытекание припоя. При традиционной пайке отмеривание точного количества припоя весьма затруднительно, а варьирование усилия прижима при неоптимальном количестве припоя неэффективно. В дополнение к вышеперечисленному к недостаткам относится также необходимость проведения вспомогательных операций, таких как предварительная очистка соединяемых поверхностей от пленки, образующейся вследствие реакции металлизированной поверхности кристалла и кислорода и/или серы в атмосферном воздухе, и посточистка от использованных флюсов (это увеличивает время соединения материалов).
3
Известен способ соединения кристаллов с корпусом методом вибрационной пайки (патент RU2510545 «Способ вибрационной пайки кристаллов безкорпусных транзисторов» дата приор. 01.10.2012, опубл. 27.03.2014, H01L21/50). Указанный способ заключается в проведении предварительных расчетов и далее экспериментов по определению значений параметров технологического процесса вибрационной пайки кристаллов и выбору этих значений, соответствующих наиболее качественному присоединению кристаллов с минимальным количеством пор, пустот и непропаев. Благодаря предложенному способу увеличивается качество монтажа кристаллов за счет снижения пористости паяного шва вследствие увеличения точности оценки частоты вибрации. Однако, данный способ, как и схожие с ним способы и методы, обладает недостатками, являющимися классическими для вибрационной пайки, в частности: значительные затраты по потреблению электроэнергии при мощности печей до 25 кВт и по расходу водорода (до 3 м/ч); высокая трудоемкость процесса и большая занимаемая производственная площадь; не обеспечивается высокая точность и воспроизводимость монтажа кристаллов, требуемая в соответствии с ISO 9000, что делает эту технологию непригодной для экспортоориентированной продукции. Кроме того, существенным технологическим недостатком является образование зоны локальной деформации на не планарной стороне кристалла, вызванной воздействием металлической иглы механизма съема кристаллов с адгезионного носителя. Последнее приводит к наличию остаточных термически напряжений в кристалле, что в лучшем случае вызывает отклонения параметров кристалла от заявленных значений, а в худшем приводит к образованию микротрещин в кристалле.
Известен способ пайки кристаллов на золото содержащие припои (US 2005/021214.0 «Semiconductor chip mounting substrate, a method of producing the same, and a method of mounting asemiconductor chip» дата приор. 14.02.2005, опубл. 29.09.2005, H01L 23/48). Данный способ позволяет провести поверхностный монтаж полупроводниковых кристаллов на припой Au-Sn. Такой способ позволяет получить паяное соединение с высокой электропроводностью. При этом существенным недостатком данного способа является образование дополнительных напряжений кристалла в результате рассогласования коэффициентов температурного расширения кристаллов с припоем. Это в последствии приводит к образованию пор и микротрещин.
Известны способы крепления кристаллов и керамики с помощью проводящего клея (патент US8305680B2 «Stable mounting of non-linear optical cristal» дата приор. 11.08.2010, опубл. 6.11.2012, HOIS 3/10, патент RU2491684 на изобретение «Многослойная керамическая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом и способ ее получения», дата приор. 27.04.1992, опубл. 20.08.1995, B23K 1/00). Указанные способы не обеспечивают достаточной электропроводности собранного изделия в целом. Кроме того, разность коэффициентов температурного расширения самого кристаллического элемента, скрепляющей прослойки (клея) и ответного основания приводит к разрушению (растрескиванию) собранного изделия в процессе эксплуатации, что ограничивает возможности его использования в частных случаях.
Альтернативным способом соединения кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5  с платой и/или с корпусом является способ с использованием реакционных фольговых материалов, в которых возможно протекание быстрого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (далее – «СВС-реакция»), что позволяет их использовать как источник регулируемого тепла.
о
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ соединения различных материалов, в том числе компонентов микроэлектронных устройств, при котором используют многослойную реакционную фольгу (заявка WO2009/133105Al на изобретение «Method for producing a hermetically sealed, electrical feedthrough using exotermic nanofilm», приор. 28.04.2008, опубл. 28.04.2009, HOlL21/60). Способ включает в себя образование электропроводящего паяного соединения электронного компонента и корпуса или крышки корпуса и корпуса. Соединение получается путем размещения экзотермической многослойной нанофольги в корпус, фиксации соединяемых поверхностей друг относительно друга, запуск реакции лазером. При этом должно обеспечиваться обязательное условие реализации данного способа: техническая возможность инициации экзотермической реакции в нанопленке. Такая возможность определяется конструкцией корпуса. Так же по данному способу необходимо обеспечение возможности инициации экзотермической реакции в нанопленке при температурах окружающей среды выше 140С.
Способ включает размещение многослойной реакционной фольги толщиной от 50 мкм до 1 см с предварительно нанесенным на нее припоем между соединяемыми поверхностями, прижим указанных поверхностей и инициирование реакции в фольге посредством прикладывания к фольге кратковременного энергетического импульса. При этом слои фольги выполнены из металлов или сплавов металлов, выбранных из группы: алюминий, никель, медь, титан, цирконий, гафний.
Однако известное техническое решение, выбранное в качестве прототипа для заявленного способа, не обеспечивает получение прочного соединения кремниевых кристаллов и кристаллов типа А3В5 с металлическими материалами при сохранении их функциональных свойств по следующим причинам. Указанная толщина и химический состав используемой многослойной реакционной фольги обусловливают наличие значительного объема запасенной энергии в ней и, соответственно, выделения большого количества тепла при инициировании СВС-реакции в ней. Процесс соединения кристаллов, которые, как известно, являются крайне чувствительными к нагреву, с металлическими материалами требует контролирования количества выделяемого тепла с учетом типа кристалла, его толщины и необходимых эксплуатационных характеристик готового изделия (соединенных материалов). Однако качественный состав фольги в способе-прототипе не позволяет снизить количество выделяемого тепла до допустимого значения. Например, фольга толщиной 80 мкм, состоящая из 2000 чередующихся слоев алюминия и никеля, каждый из которых имеет толщину 2 нм, с добавлением 1% молибдена, 0,5% серебра, 1,5% индия, дает очень большой выход энергии, что неприемлемо для соединения тонких кристаллов типа А3В5 (они разрушаются). С другой стороны, применение фольги из менее энергоемких материалов, например, фольги, состоящей из 900 чередующихся слоев алюминия и оксида железа, где толщина каждого слоя алюминия составляет 1,5 нм, а толщина каждого слоя оксида железа – 2,5 нм, с добавлением 1% молибдена, 0,7% серебра, 1% индия, не обеспечивает достаточного расплавления припоя и, следовательно, получения прочного соединения. Кроме того, отсутствие согласованности усилия прижима, характеристик используемой фольги и пропоя не позволяет получить прочное соединение, способное с распайкой (разъединению) без разрушения кристаллов (без потери их функциональных свойств).
Технической проблемой заявляемого изобретения является создание способа, обеспечивающего быстрое и прочное соединение кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 металлизированными материалами с сохранением функциональных свойств как самих кристаллов кремния или кристаллов А3В5, так и итоговой электронной сборки на их базе, при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5.
о
Решение поставленной проблемы достигается за счет заявляемого способа поверхностного монтажа кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 металлизированными материалами, при котором на кристалл методом вакуумного напыления, в частности методом вакуумного магнетронного напыления, наносится многослойная металлизация, состоящая из чередующихся нанослоев пар металлов, способных к экзотермической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После металлизации кристалл извлекают из вакуумной камеры и размещают на поверхности электронной платы и/или в корпусную микросборку. Поверхность электронной платы и/или в корпусной микросборки, предназначенной для размещения кристалла, должна быть предварительно металлизирована легкоплавким металлом (температуры плавления не выше 180С), способным обеспечить хорошую смачиваемость поверхности многослойной наноструктуры, нанесенной на кристалл на первом этапе заявляемого способа. После размещения металлизированного кристалла на площадку и фиксации поверхностей друг относительно друга в слое наноструктурированной металлизации инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Это приводит к фронтообразному выделению тепла достаточного для расплавления металлизации площадки, смачивания поверхностей и как следствие к неповреждающему, прочному, электропроводящему креплению кристалла к поверхности.
2
Толщины многослойной металлизации кристалла составляют 30-100 мкм, слои которой выполнены толщиной 2-20 нм из металлов, выбранных из группы: никель, алюминий, медь, ниобий, кобальт, титан, молибден, тантал, углерод, кремний, бор, азот. На поверхность кристалла перед нанесением металлизации в которой возможна СВС реакция, наносят адгезионный слой толщиной от 30 до 120 нм из хорошо адгезирующегося в процессе нанесения и последующей пайке металла (например, серебро, золото, медь); металлизация площадки для установки кристалла производится толщиной 2-15 мкм; фиксация поверхности кристалла производится с усилием 0,3-1,2 кг/см. В частных вариантах реализации изобретения перед прижимом кристалла предварительно выполняют нагрев его поверхности, в частности до температуры не выше температуры Кюри материала, кристалла кремня или кристаллов типа А3В5; перед нанесением многослойной металлизации на кристалл предварительно наносят адгезионное покрытие; металлизацию поверхности площадки осуществляют механико-термическим способом, гальваническим способом, химическим осаждением или методом вакуумного напыления.
Авторами экспериментально установлено, что заявленные диапазоны характеристик используемой многослойной наноструктурированной металлизации и режимов способа являются оптимальными для получения прочного соединения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 с металлическим материалами без потери функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5.
Достижение технического результата, обеспечиваемого при осуществлении заявленного способа, обусловлено следующим. Применение многослойной наноструктурированной металлизации заявленного состава и толщины в форме экзотермического материала с возможностью протекания в нем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при ее активации энергетическим импульсом обеспечивает быстрое выделение запасенной энергии в объеме, обеспечивающем достаточную степень расплавления припоя различной толщины в максимально короткий срок, что исключает излишний нагрев кристаллов. Это в сочетании с усилием прижима позволяет получить наиболее приемлемые для соединения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 параметры процесса, варьирование которых, в свою очередь, обусловливает получение быстрого и прочного соединения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 различной толщины с сохранением их функциональных свойств. Нанесение припоя заявленной толщины обеспечивает возможность распайки соединения в случае необходимости без разрушения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5.
Предварительный нагрев поверхностей соединяемых материалов, в частности, до температуры, не выше температуры Кюри кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 и температуры припоя металлизирующего площадку под кристалл, позволяет уменьшить градиент перепада температуры на границе раздела «кристалл-металлизация–площадка», что значительно снижает количество механических напряжений в соединяемых материалах и, следовательно, приводит к существенному повышению качества получаемого соединения. Нанесение многослойной наноструктурированной металлизации вкупе с предварительно нанесенным на кристалл адгезионным покрытием обеспечивает прочное сцепление металлизации с поверхностью кристалла, а также нивелирует возможную разницу коэффициентов температурного напряжения при соединении элементов. Это способствует получению качественного соединения материалов, с низкой пористостью, отсутствием непропаев. Кроме того, такой подход обеспечивает отсутствие структурных повреждений как поверхности кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5, так и повреждения внутренней структуры. Нанесение припоя на поверхность площадок под кристалл заявляемым способом, включающим механико-термический способ, гальванический способ, химическое осаждение или метод вакуумного напыления, позволяет получить тонкий равномерный слой, что также способствует получению прочного соединения материалов с сохранением их функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристаллов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема соединения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 с металлическими материалами по заявленному способу, где 1 – кристалл кремния или кристалл типа А3В5, 2 – многослойное наноструктурированное покрытие с возможностью протекания СВС реакции; 3 – нанесённое припойное покрытие на площадку под кристалл; 4 – медный проводник; 5 – диэлектрик; 6 – основа платы; 7 – внешний радиатор; 8 – элемент инициации СВС; 9 – направление силы, фиксирующей кристалл; 10 – направление основного потока тепла; T1 – температура кристалла; Т2 – температура корпуса кристалла; Т3 – температура платы; Т4 – температура окружающей среды. Совокупно элементы 4, 5 и 6 образуют плату.
На фиг. 2 – схема строения одного из вариантов используемого многослойного наноструктурированного экзотермического покрытия кристаллов, где 10 – многослойное наноструктурированное покрытие с возможностью протекания в нём СВС-реакции, состоящее из N пар слоёв толщиной от 2 до 20 нм каждый; 11 – адгезионный слой толщиной от 30 нм до 120 нм, например, Cu-Cr-Al; 12 – кристалл кремния или кристалл типа А3В5, например, нитрид галлия GaN.
На фиг. 3 и 5 – микрофотографии пластинчатых многослойных наноструктурированных покрытий, в которых возможно протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, совпадающих с 1-ым видом СВС-материала (таблица №1 и №2).
На фиг. 4 представлен EDX спектр, отражающий химический состав материала 1-го вида СВС-материала до протекания реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;
На фиг. 6-10 представлены EDX спектры, отражающие химический состав полученного соединения после СВС реакции.
Фиг. 3, 4, 5-10 – получены на СЭМ микроскопе LYRA компании TESCAN.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, представленными в таблицах 1 и 2, в которых соединение кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 с металлическими материалами осуществлялось по описанной выше схеме на механической установке, включающей основание с соответствующими разметкой и оснасткой для позиционирования элементов из кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5, прижимным грузом и средством запуска СВС-реакции. В качестве средства запуска СВС-реакции в многослойном металлическом покрытии кристаллов был использован метод локального выведения этих материалов из состояния термодинамического равновесия посредством кратковременного электрического импульса, сгенерированного источником постоянного тока и пропущенная через малый участок материала (напряжение 6-12 В). Кроме того, для каждого из представленных в таблице видов СВС-материалов были использованы альтернативные способы инициации СВС процесса: 1) жало паяльника, обеспечивающие кратковременное точечное касание малого участка СВС-материала (температура жала 350-600°C); 2) лазер, кратковременно и точечно воздействующий на участок СВС-материала (длина волны 0,3-10 мкм, мощность 1-100 Вт/мин). Для всех методов инициации СВС реакции в многослойном металлическом СВС-материале, наносимом на поверхность кристаллов, параметры, отраженные в таблицах №1 и №2, оставались неизменными.
В качестве кристаллов, на которых производилась металлизация методом вакуумного магнетронного напыления, а именно создание многослойной наноструктурированной фольги в которой возможно протекание СВС реакции использовали GaAs, GaAs(Si), GaAs(Zn), GaP, InAs, InSb, GaSb - следующих типоразмеров:
- диск, толщина 350 мкм, диаметр 40 мм;
- диск, толщина 420 мкм, диаметр 40 мм;
- цилиндр, высота 300 мкм, диаметр 50,8 мм;
- цилиндр, высота 400 мкм, диаметр 76,2 мм.
Приведенные в примерах типоразмеры кристаллов не ограничивают возможность применения заявленного способа для материалов иных типоразмеров.
На образцы площадок на плате наносился припой на основе серебра ПСр40 2-10 мкм механико-термическим методом с отклонением толщины припоя от заданных значений не более 10%. Образцы №№ 2, 5, 8 предварительно (до нанесения на них СВС многослойного покрытия) были покрыты адгезионным покрытием на основе хрома, меди и алюминия толщиной 0,1 мкм.
°
При использовании образцов фольги №№ 1, 3, 7, 10 перед прижимом соединяемых поверхностей осуществляли их нагрев до температуры не выше температуры Кюри соответствующих материалов и не выше температуры плавления СВС-покрытия. Так для образцов №№ 1, 7 температура предварительного нагрева составляла 100С, а для образцов №№ 3, 10 – 124 °С.
2
Прижим соединяемых поверхностей осуществляли посредством установки прижимных грузов соответствующей массы на пакет соединяемых элементов (длительность не более 1 минуты) силой 0,3-1,2 кг/см.
Параметры используемых материалов и режимов способа представлены в таблице 1.
-3
2
-2
Оценка сохранения функциональных свойств, соединенных с помощью заявляемого способа кристаллов производилась посредством комплекса аппаратуры.  Тип проводимости (p/n) кристаллов определялся прибором PN-100 (Диполь) методом измерения поверхностного фотонапряжения (SPV-Surface Photovoltage), возникающего в исследуемом образце. Определение концентрации (n (см)) и подвижности носителей заряда (µ (м/(В·с))) в образцах определялся распространенным способом: из эффекта Холла методом Ван дер Пау. Определение плотности дислокаций ρ (см) в кристаллах определялось при помощи электронного микроскопа ЭМВ–100Б. Оценка прочностных характеристик образцов, выполненных по заявляемому способу соединений производилась на разрывной машине WPM Masch 2168, тип ФМ-250, путем измерения нескольких ключевых прочностных показателей: временное сопротивление разрыву (испытания в течении 50 часов) σв (кгс/мм2); предел прочности паяного шва на растяжение σр (Мпа); модуль упругости E (ГПа); предел прочности паяного соединения на срез τср(Мпа); Модуль сдвига G (ГПа), Коэффициент Пуассона μ.
Свойства полученных образцов представлены в таблице 2.
Приведенные в таблице 2 параметры кристаллов соответствуют значениям параметров кристаллов, заявленных производителем. Таким образом, образцы, полученные с помощью заявляемого способа, не изменяет физические свойства кристаллов А3В5.  Приведенные в таблицах 1, 2 данные подтверждают, что заявляемый способ позволяет получить прочное соединение кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 за максимально короткое время (1-2 мкс) без потери функциональных свойств таких материалов (измеренные параметры соответствуют ГОСТ 12370-80, ГОСТ Р 57438-2017 и ГОСТ Р 8.945-2018, а также нормативной документации большинства потребителей).
Все образцы соединений были испытаны на возможность их распайки без разрушения структуры кристалла. Для этого каждое паяное соединение подвергалось нагреву до температуры выше температуры начала плавления адгезионного покрытия кристалла. Разъединенные таким образом кристаллы не повреждаются, не теряют своих функциональных свойств и могут быть использованы повторно.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает достаточно быстрое получение прочного соединения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 с платой и/или с корпусом с сохранением функциональных свойств кристаллических элементов при возможности распайки соединения в случае необходимости без разрушения структуры кристалла.
Таблица 1 – Используемые материалы и режимы способа
Таблица 2. Свойства полученных образцов