Использование псевдосплава золото-кремний при монтаже кристаллов мощных СВЧ-транзисторов

УДК 621.382

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПСЕВДОСПЛАВА ЗОЛОТО-КРЕМНИЙ ПРИ МОНТАЖЕ КРИСТАЛЛОВ МОЩНЫХ СВЧ-ТРАНЗИСТОРОВ

Т.И. Бражникова, О.В. Марченко, В.А. Кожевников, А.Е. Бормонтов

Предложен новый способ монтажа кристаллов мощных СВЧ-транзисторов. Технический эффект предлагаемого способа монтажа кристаллов - обеспечение равномерного распределения теплового поля, снижение теплового и электрического сопротивления, повышение теплофизических характеристик приборов и их надежности

Ключевые слова: мощный СВЧ-транзистор, монтаж

Важнейшими условиями качественного группового монтажа кремниевых кристаллов на позолоченную поверхность корпуса является обеспечение однородности паяного шва (эвтектического слоя Аи^) и отсутствие микропор по всей поверхности соединения кристалл-корпус. Проблема состоит в том, что при последовательном монтаже кристаллов транзисторной сборки «первый» и «последний» кристаллы находятся в неравных физико-технологических режимах. В то время когда на «последнем» кристалле образуется эвтектический слой, на площадке «первого» кристалла могут образовываться поры и пустоты, а также включения интерметаллидов в эвтектическом слое, нарушающие соответственно его сплошность и однородность. Следствием тепловой неоднородности всей транзисторной сборки является увеличение теплового сопротивления кристалл-корпус и, как следствие, локальной или полной деградации транзисторной структуры.

Задача совершенствования метода монтажа кристаллов представляется особенно актуальной в производстве СВЧ транзисторов большой мощности, где используется несколько кристаллов в одной транзисторной сборке.

В многокристальной сборке выполнение условия однородности и сплошности паяного шва может быть эффективно решено в случае обеспечения высокой интенсивности реакции образования эвтектического сплава, так как в течение времени монтажа последующего кристалла в предыдущем кристалле за счет окислительно-восстановительных процессов в эвтектике происходят необратимые изменения. Вследствие этого могут образовываться микропустоты и преципитаты. Указанная неоднородность оказывает отрицательное влияние на равномерное распределение тепла по структуре транзисторной сборки. Достаточно одному или несколь-

Бражникова Тамара Ивановна - НИИЭТ, ведущий инженер, тел. 8-906-673-38-68

Марченко Олег Васильевич - НИИЭТ, нач. лаборатории, тел. 8-904-214-03-07

Кожевников Владимир Андреевич - НИИЭТ, канд. техн. наук, нач. отдела, тел. 8-920-211-62-65 Бормонтов Александр Евгеньевич - НИИЭТ, канд. физ.-мат. наук, инженер, тел. 8-920-410-42-45

кристаллов, золото-кремний

ким кристаллам работать в режиме перегрева, как возникают «горячие» пятна, приводящие к увеличению теплового сопротивления и, как следствие, к снижению надежности транзисторов (рис.1).

Рис. 1. Фрагмент типичной картины распределения тепловых полей с образованием «горячих» пятен при обычном монтаже кристаллов

Известны способы монтажа кристаллов методом контактно-реактивной пайки, в которых используются прокладки из эвтектического сплава Аи^ [1] или золотой фольги [2], или комбинированные прокладки из золотой фольги с выступающей на ней в центре полоской сплава Аи^ [3].

Общим недостатком указанных способов является отсутствие однородности и равномерности эвтектического слоя [4], низкая интенсивность процесса образования сплава, высокая трудоемкость необходимых технологических процессов, связанная с выполнением дополнительных операций изготовления прокладок, их обработки и укладки на поверхность корпуса, а также необходимостью разработки и обеспечения дополнительной технологической оснастки.

Известны также другие способы монтажа методом контактно-реактивной пайки Аи^, основанные на предварительном нанесении активного слоя на обратную сторону пластины с транзисторными структурами. В качестве активного слоя может быть золото [4] или аморфный кремний [5], нанесенные методом вакуумного напыления. Нанесение золота осуществляется на подслой никеля, который предварительно вжигается при температуре порядка 400 °С [6] и является адгезионным слоем. Способ монтажа кристаллов, при котором обратная

сторона покрыта слоем золота, наряду с большим расходом драгметалла, использованием дорогостоящего оборудования и достаточно большой толщиной золотой пленки 1 мкм, обладает еще рядом существенных недостатков. Под воздействием температуры, во-первых, образуются интерметаллические соединения в виде силицидов никеля, во-вторых, происходит диффузия кремния по границам зерен золота на поверхность с образованием пленки двуокиси кремния.

Способ монтажа кремниевых кристаллов на позолоченную поверхность корпуса, при котором на обратную сторону пластин с кристаллами наносится тонкий слой аморфного кремния, свободен от недостатков, рассмотренных выше [6]. При его использовании удается повысить скорость образования эвтектического сплава, его однородность и сплошность со стороны реактивных поверхностей кристалла и корпуса. Однако, использование аморфного кремния, обладающего высоким удельным сопротивлением, в качестве активного слоя может приводить к ложному забракованию транзисторных структур при контроле электропараметров на пластине.

Цель работы - обеспечение равномерного распределения теплового поля мощных СВЧ многокристальных транзисторов, снижение теплового и электрического сопротивления и, следовательно, повышение теплофизических характеристик приборов и их надежности.

Для достижения указанной цели предлагается на обратную сторону кремниевой пластины с транзисторными структурами наносить тонкий слой псевдосплавного покрытия, состоящего из аморфного кремния и золота, причем концентрация золота определяется и задается конструкцией составной мишени золото-кремний магнетронной установки (рис. 2).

Рис. 2. Вид составной мишени золото-кремний, предназначенной для нанесения пленок на установке «Оратория-5». 1 - медное водоохлаждаемое основание, 2 -кремниевое кольцо, 3 - золотой сектор. Диаметр мишени -18 см

Состав мишени был подобран экспериментальным путем. Напыление слоя псевдосплава зо-

лото-кремний производилось методом вакуумного напыления на установке магнетронного распыления «Оратория-5» в среде аргона. При напылении формируется аморфная пленка кремния, в которой атомы золота равномерно распределены по всему объему пленки. Поэтому уже в самый начальный момент температурного воздействия атомы золота взаимодействуют с атомами аморфного кремния, многократно усиливая интенсивность образования жидкой фазы эвтектического сплава, который равномерно «смачивает» всю поверхность кристалла. Это происходит благодаря стойкости аморфного кремния к окислению и его высокой реакционной активности по отношению к золоту. Затем, на второй стадии образования паяного шва в потоке жидкой фазы начинается взаимно-объемное растворение монокристаллического кремния кристалла и золотого покрытия посадочной площадки корпуса. Данный процесс характеризуется высокой степенью интенсивности и равномерным фронтом плавления, а паяный шов не имеет микропустот и посторонних включений.

После разделения пластины на кристаллы, производится их монтаж на позолоченную площадку корпуса при температуре 430±10 °С. При напайке используется режим вибрации и давления как элемент притирки двух поверхностей и прижима.

Способ монтажа с использованием псевдосплавного покрытия Au-Si на обратной стороне кристалла (пластины с транзисторными структурами) имеет значительные преимущества по сравнению с ранее применяемыми методами эвтектической пайки кристаллов как по физико-технологическим параметрам, так и благодаря своей технологической простоте, воспроизводимости и экономичности процесса.

Экспериментально установлено, что при содержании золота в пленке аморфного кремния менее 10 % уменьшается эффект реактивно-взрывного характера образования жидкой фазы эвтектического сплава. Содержание золота более 50 % нецелесообразно, так как в пленке возникают механические напряжения, локальные области образования двуокиси кремния, уменьшается адгезия к кремнию. Таким образом, содержание золота в пленке аморфного кремния должно составлять 10 -50 %.

Для подтверждения эффективности разработанного метода монтажа кристаллов были сформированы 3 выборки транзисторов 2П826АС по 10 шт. из каждой партии, изготовленных с применением технологии напыления на обратную сторону кристалла пленок золота, аморфного кремния и псевдосплава золото-кремний. Транзисторная сборка (рис. 3) состоит из четырех кристаллов размером 3,6x5,8 мм, смонтированных на металлизированное керамическое основание из керамики ВеО.

Тепловое сопротивление транзисторов определялось на программно-аппаратном комплексе, состоящем из ИК-камеры ThermaCAM SC3000 и программного обеспечения ThermaCAM Researcher

Pro. Соответствующие значения теплового сопротивления собранных транзисторов из трех выборок приведены в таблице. Распределение тепловых полей при монтаже кристаллов с использованием псевдосплава золото-кремний приведено на рис. 4.

Рис. 3. Вид незагерметизированного транзистора 2П826АС. 1 - фланец, 2 - керамическое основание, 3 -кремниевые кристаллы

тепловое сопротивление и, надежность транзисторов.

тем самым, повысить

Рис. 4. Фрагмент типичной картины однородного распределения тепловых полей при монтаже кристаллов с использованием псевдосплава золото-кремний

Влияние способа монтажа кристаллов на тепловое сопротивление транзистора

Способ монтажа кристаллов Усредненное значение теплового сопротивления транзисторов 2П826АС,°С/Вт

Покрытие обратной стороны кристалла золотом толщиной 1 мкм 0,34

Покрытие обратной стороны кристалла аморфным кремнием толщиной 0,1 мкм 0,25

Покрытие обратной стороны кристалла псевдосплавом золото-кремний толщиной 0,1 мкм 0,19

Экспериментальная проверка показала, что предложенный способ монтажа кристаллов с нанесенным слоем золото-кремний на обратной стороне позволяет уменьшить удельное сопротивление контактного слоя и обеспечить надежный контакт пластины с электродным столиком зондового устройства при контроле электропараметров, создать условия максимальной скорости образования эвтектического паяного шва, существенно снизить

Литература

1. Патент США №5188982, МКИ5 H01L 21/52. Способ присоединения полупроводникового кристалла к корпусу. / Huang Chin-Ching.- Опубликован 23.02.1993 г.

2. Патент США №5089439, МКИ5 H01L 23/6. Монтаж кремниевых кристаллов с большими размерами на покрытую золотом поверхность / Lippey Barret. -Опубликован 18.02.1992 г.

3. Патент США №5037778, МКИ5 H01L 21/603. Монтаж кристалла с использованием Au-прокладки, плакированной эвтектическим сплавом Au-Si. / Stark James, Whitcomb Michael J. - Опубликован 06.08.1991 г.

4. Мазур, А.И. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов [Текст] / А.И. Мазур, В.П. Алехин, М.Х. Шоршоров. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

5. Пат. 2347297 Российская федерация, С1 H01L 21/52. Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность [Текст] / Асессоров В.В., Бражникова Т.И., Велигура Г.А., Кожевников В.А.; заявитель и патентообладатель ОАО «НИИЭТ». -№ 2007119690; заявл. 28.05.2007; опубл. 20.02.2009,-Бюл. № 5.

6. Готра, З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. [Текст] / З.Ю. Готра. - М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.

ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж

USAGE OF PSEUDOALLOY BASED ON THE GOLD-SILICON FOR THE PROCESS OF ATTACHING A DIE OF POWER MICROWAVE TRANSISTORS

ТЛ. Brazhnikova, О.^ Marchenko, VA. Kozhevnikov, А.Е. Bormontov

A new method of power microwave transistors die attaching is proposed. Technical effect of the proposed method of the die attaching is provsion of uniform distribution of the thermal field, reduction of thermal and electrical resistance, increase of the thermalphysic characteristics of devices and their reliability

Key words: power microwave transistor, die attach, gold-silicon