СПОСОБ БЕССВИНЦОВОЙ КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОЙ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К КОРПУСУ
METHOD FOR LEAD-FREE CONTACT-REACTION SOLDERING SEMICONDUCTOR CHIPS TO HOUSING

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий (ППИ) и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем бессвинцовой пайки.
С 1 июля 2006 г. действует директива Европейского Союза RoHS (Restriction of Hazardous Substances), ограничивающая использование шести экологически опасных материалов, в том числе свинца, в новом электрическом и электронном оборудовании. Поэтому разработка бессвинцовых припоев и способов сборки полупроводниковых изделий методом пайки припоями без свинца в настоящее время является основной экологической проблемой микроэлектроники.
Существуют различные способы пайки кристаллов к основаниям корпусов ППИ.
Известен [1] способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу, по которому на слой никеля, нанесенного на паяемую сторону кристалла, наносят электролитическое покрытие из сплава никель-олово, между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме.
Основным недостатком данного способа является использование при пайке припоя, содержащего 92% Pb.
3
Известен [2] способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу с образованием эвтектики кремний-золото, по которому между кристаллом и основанием корпуса размещают золотую фольгу. При этом фольгу перед пайкой отжигают в вакууме при температуре 160-250°С или в водороде при температуре 25°С и атмосферном давлении 101 кПа. Температура пайки составляет 420±20°С с предварительным подогревом корпусов до 100-120°С, время пайки 8 с, усилие на инструмент 0,1 Н для кристаллов размеров 4×4×0,46 мм.
Недостатком данного способа является высокая себестоимость производимых ППИ в связи с использованием золотой фольги.
Известен способ [3] бессвинцовой пайки полупроводникового кристалла к корпусу, включающий нанесение цинка на паяемую поверхность кристалла с последующим нанесением на пленку цинка оловянно-висмутового покрытия с содержанием висмута 0,4-0,9%. Пайка кристалла осуществляется на основание корпуса, покрытое оловом.
Недостатком данного способа является нанесение цинка и Sn-Bi покрытия на паяемую поверхность кристалла, что усложняет технологию сборки ППИ за счет дополнительной защиты лицевой стороны кристаллов (в составе пластины).
В электронной промышленности при изготовлении ППИ применяется способ [4] монтажа БИС с использованием припоя на основе цинка, по которому на паяемую поверхность кристалла напыляют алюминий, а затем проводят пайку к корпусу, покрытому припоем цинк-алюминий-германий (ЦАГ).
К недостатку данного способа следует отнести высокую трудоемкость изготовления ППИ, заключающуюся в изготовлении сплава ЦАГ и нанесении его на монтажную площадку корпуса методом электрического взрыва фольги, что требует использования специального дорогостоящего оборудования. Кроме того, при пайке кристалла на сплав ЦАГ необходимо создавать наименьшее давление кристалла на расплав и осуществлять колебания кристалла в виде восьмерки для разрушения оксидной пленки, что также требует применения установки для пайки, не выпускающейся серийно в электронной промышленности.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ [5] бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу, заключающийся в нанесении алюминия и олова на паяемые поверхности кристалла и корпуса соответственно и размещении между кристаллом и основанием корпуса фольги из цинка. При этом пайку проводят при температуре 382-419°С. Особенностью способа является то, что нагрев при данной температуре способствует образованию в паяном шве эвтектических соединений Sn-Zn со стороны корпуса (температура эвтектики 200°С) и Al-Zn со стороны кристалла (температура эвтектики 382°С).
Основным недостатком данного способа является сравнительно низкая температура нагрева ППИ при эксплуатации до 200°С, что недопустимо для приборов, работающих при более высоких температурах, например диодов Шоттки на основе карбида кремния.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение - это исключение использования свинца при пайке, снижение себестоимости производства ППИ, упрощение технологии сборки, снижение трудоемкости изготовления ППИ, повышение температуры нагрева ППИ при эксплуатации.
Эта задача достигается тем, что в способе бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу, заключающемся в нанесении алюминия и олова на паяемые поверхности соответственно кристалла и корпуса и размещении между кристаллом и корпусом фольги из цинка и пайки к основанию корпуса, с целью исключения использования свинца при пайке, снижения себестоимости производства ППИ, упрощения технологии сборки, снижения трудоемкости изготовления ППИ, повышения температуры нагрева ППИ при эксплуатации, на основание корпуса наносят алюминиевую металлизацию, а пайку проводят в защитной среде при температуре 419-440°С.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:
на фиг.1 - схема сборки кристалла с корпусом перед пайкой;
на фиг.2 - схема паяного соединения кристалла с корпусом с помощью разработанного способа.
Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу реализуется следующим образом.
На основание корпуса 1 (фиг.1) с покрытием 2 наносят гальваническим способом или напылением пленку алюминия 3. Затем на основании корпуса размещают фольгу 4 заданной толщины из цинка и полупроводниковый кристалл 6 с алюминиевой пленкой 5.
Пайка осуществляется в защитной среде (вакуум, водород или формир-газ) при температуре 419-440°С (температура плавления цинка составляет 419°С).
Нагрев при данной температуре (фиг.2) способствует образованию эвтектических соединений Al-Zn 7 (температура эвтектики 382°С) как со стороны кристалла, так и корпуса.
Нагрев при пайке в интервале температур 419-440°С способствует расплавлению цинка и лучшему смачиванию им паяемых алюминиевых пленок кристалла и корпуса. Нагрев при температуре выше 440°С может вызвать необратимые процессы в структуре кристалла.
После пайки зона паяного соединения полупроводникового кристалла с корпусом представляет собой структуру, состоящую из эвтектических соединений Al-Zn на границах с кристаллом и корпусом и чистого Zn в центре шва.
Данное паяное соединение повышает (до 382°С) температуру эксплуатации ППИ. Это особенно важно для приборов, работающих при высоких температурах, например диодов Шоттки на основе карбида кремния.
Таким образом, использование предлагаемого способа бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
1. Исключает использование свинца при пайке;
2. Снижает себестоимость производства ППИ;
3. Упрощает технологию сборки;
4. Снижает трудоемкость изготовления ППИ;
5. Повышает температуру нагрева ППИ при эксплуатации.
Источники информации
1. Патент RU 2167469 С2, H01L 21/58. Способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу / Сегал Ю.Е. (RU), Зенин В.В. (RU), Фоменко Ю.Л. (RU), Спиридонов Б.А. (RU), Колбенков А.А. (RU). Опубл. 20.05.2001. Бюл. №14. 4 с.
2. Патент RU 2298252 С2, H01L 21/58. Способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу с образованием эвтектики кремний-золото / Зенин В.В. (RU), Рягузов А.В. (RU), Спиридонов Б.А. (RU), Хишко О.В. (RU), Шарапова Т.И. (RU). Опубл. 27.04.2007. Бюл. №12. 4 с.
3. Патент RU 2278444 CI, H01L 21/52. Способ бессвинцовой пайки полупроводникового кристалла к корпусу / Зенин В.В. (RU), Рягузов А.В. (RU), Гальцев В.П. (RU), Фоменко Ю.Л. (RU), Бойко В.И. (RU), Хишко О.В. (RU). Опубл. 20.06.2006. Бюл. №17. 3 с.
4. Монтаж кристаллов БИС с использованием припоя на основе цинка / К.В.Маслова, С.О.Мохте, О.В.Панкратов и др. // Электронная промышленность.- 1989. - №6. - С.24-26.
5. Патент RU 2313156 CI, Н01L 21/52. Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу / Зенин В.В., Бокарев Д.И. (RU), Рягузов А.В. (RU), Кастрюлев А.Н. (RU), Хишко О.В. (RU). Опубл. 20.12.2007. Бюл. №35. 4 с.