СПОСОБ МОНТАЖА КРЕМНИЕВЫХ КРИСТАЛЛОВ НА ПОКРЫТУЮ ЗОЛОТОМ ПОВЕРХНОСТЬ
METHOD FOR SILICONE CHIPS MOUNTING TO GOLD-PLATED SURFACE

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и предназначено для присоединения полупроводникового кристалла к позолоченному корпусу методом контактно-реактивной пайки с образованием эвтектического сплава Au-Si при производстве транзисторов и интегральных микросхем.
Задача совершенствования метода монтажа кристаллов представляется особенно актуальной в производстве СВЧ транзисторов большой мощности, где используется несколько кристаллов больших размеров в одной сборке, так как основным требованием сборки транзисторов является обеспечение минимального теплового сопротивления, которое напрямую зависит от качества эвтектического паяного шва.
Главными условиями качественного монтажа кремниевых кристаллов на позолоченную поверхность корпуса является однородность паяного шва (эвтектического слоя Au-Si) и отсутствие микропор по всей поверхности соединения кристалл-корпус. Наличие пор и пустот, а также включения интерметаллидов в эвтектическом слое, нарушающие соответственно его сплошность и однородность, приводят к увеличению теплового сопротивления кристалл-корпус и, как следствие, локальной или полной деградации транзисторной структуры. В многокристальной сборке для выполнения условий однородности и сплошности паяного шва всех кристаллов необходима высокая интенсивность реакции образования эвтектического сплава, так как в течение времени при монтаже последующего кристалла в предыдущем в эвтектике происходят необратимые изменения за счет окислительно-восстановительных процессов, вследствие чего образуются микропустоты и преципитаты. Все это оказывает отрицательное влияние на равномерное распределение тепла: один или несколько кристаллов или полностью перегреваются, или возникают «горячие» пятна, что приводит к увеличению теплового сопротивления и, как следствие, к снижению надежности транзисторов как в процессе производства, так и в процессе эксплуатации (фиг. 1).
Известны способы монтажа кристаллов методом контактно-реактивной пайки, в которых используются прокладки из эвтектического сплава Au-Si [1] или золотой фольги [2], или комбинированной прокладки из золотой фольги с выступающей на ней в центре полоской сплава Au-Si [3].
Общим недостатком указанных способов являются отсутствие однородности и равномерности эвтектического слоя [4], низкая интенсивность процесса образования сплава, высокая трудоемкость необходимых технологических процессов, связанных с выполнением дополнительных операций изготовления прокладок, их обработки и укладки на поверхность корпуса, а также необходимости разработки и обеспечения дополнительной технологической оснастки.
Известны также другие способы монтажа методом контактно-реактивной пайки Au-Si, 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°C [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. Двуокись кремния является устойчивым химическим соединением и замедляет реакцию образования эвтектического сплава.
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 в качестве активного слоя, обладающего высоким удельным сопротивлением, может приводить к ложному забракованию транзисторных структур при контроле электропараметров на пластине.
Технический эффект предлагаемого изобретения - обеспечение равномерного распределения теплового поля мощных СВЧ многокристальных транзисторов, снижение теплового и электрического сопротивления и, следовательно, повышение теплофизических характеристик приборов и их надежности.
Данный технический эффект достигается тем, что на обратную сторону кремниевой пластины с транзисторными структурами наносится тонкий слой псевдосплавного покрытия, состоящего из аморфного кремния и золота, причем концентрация определяется и задается конструкцией составной мишени золото-кремний. При нанесении 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.
Способ монтажа с использованием псевдосплавного покрытия Au-Si на обратной стороне пластины с транзисторными структурами (кристалла) 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.
Монтаж кремниевых кристаллов осуществляется следующим образом: на тыльную сторону пластины с транзисторными структурами наносится псевдосплавный слой Au-Si методом вакуумного напыления на установке магнетронного распыления типа 01НИ-7-006 в среде аргона с использованием составной мишени из золота и кремния, закрепленной на медном основании. Режимы нанесения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Наименование параметров нанесения псевдосплавногослоя Au-Si
Значение параметра
Предварительный вакуум
5×10<sup>-4</sup> Па
Давление в рабочей камере во время распыления
(6-7)×10<sup>-3</sup> Па
Предварительный отжиг пластин
200-250°C
Давление аргона в магнетроне
(6-7)×10<sup>-1</sup> Па
Скорость нанесения пленки Au-Si
(0,7-1) нм/с
Толщина пленки Au-Si
(20-200) нм
Содержание золота в пленке Au-Si
(10-50) вес %;
Удельное сопротивление пленки Au-Si
400-600 мкОм×см
Затем, после разделения пластины на кристаллы, производится их монтаж на позолоченную площадку корпуса при температуре 430±10°C. При напайке используется режим вибрации и давления как элемент притирки двух поверхностей и прижима.
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.
На фиг. 1-3 приведены микрофотографии тепловых полей, полученные на микропирометре с высоким разрешением, для различных способов монтажа кристаллов мощных ВЧ транзисторов 2П826АС. В таблице 2 соответствующие значения теплового сопротивления.
Таблица 2
Способ монтажа кристаллов
Значение теплового сопротивления транзисторов, °C/Вт
Покрытие тыльной стороны Au
0,34
Покрытие тыльной стороны аморф. Si
0,25
Покрытие тыльной стороны Au-Si
0,19
Экспериментальная проверка показала, что предложенный способ монтажа кристаллов с псевдосплавным слоем Au-Si на тыльной стороне позволяет уменьшить удельное сопротивление пленки и обеспечить надежный контакт пластины с электродным столиком зондового устройства при контроле электропараметров, создать условия максимальной скорости образования эвтектического паяного шва, его однородности и сплошности, существенно снизить тепловое сопротивление и, тем самым, повысить надежность транзисторов.
Источники информации
5
1. Пат. 5188982 США, МКИ Η01L 21/52. Способ присоединения полупроводникового кристалла к корпусу. / Huang Chin-Ching. Опубл. 23.02.93.
5
2. Пат. 5089439 США, МКИ Η01L 23/6. Монтаж кремниевых кристаллов с большими размерами на покрытую золотом поверхность. / Lippey Barret Опубл. 18.02.92.
5
3. Пат. 5037778 США, МКИ Η01L 21/603. Монтаж кристалла с использованием Au-прокладки, плакированной эвтектическим сплавом Au-Si. / Stark James, Whitcomb Michael т. Опубл. 06.08.91.
4. А.И. Мазур, В.П. Алехин, М.Х. Шоршоров. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.
5. Пат. 2347297 РФ, C1 H01L 21/52. Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность. / Асессоров В.В., Бражникова Т.И., Велигура Г.А., Кожевников В.А. (РФ), Опубл. 20.02.2009, Бюл. №5.
6. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.