СПОСОБ ПАЙКИ КРИСТАЛЛОВ ДИСКРЕТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ К КОРПУСУ
TECHNIQUE OF DISCRETE SEMICONDUCTOR CRYSTALS BRAZING TO CASE

Изобретение относится к электронной технике, а именно к способу монтажа кристалла полупроводникового прибора методом бесфлюсовой пайки, и может быть использовано при сборке кристаллов в корпуса силовых и усилительных приборов путем пайки. Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов путем бесфлюсовой пайки в защитной среде таких газов, как водород, аргон, азот, формиргаз и др. Оно может быть использовано при сборке кристаллов в корпуса полупроводниковых приборов путем пайки преформами припоя.
Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к корпусу.
В электронной промышленности при изготовлении полупроводниковых изделий широко применяется способ пайки эвтектическими сплавами [1], заключающийся в том, что сплавы в виде преформ припоя размещают между кристаллом и корпусом. Для активации соединяемых поверхностей, состоящей в разрушении оксидных пленок, эвтектическую пайку выполняют с вибрационным или ультразвуковым воздействием на кристалл.
Известен способ пайки полупроводникового кристалла к подложке, по которому небольшое количество припоя размещается рядом с кристаллом, расположенным на участке подложки, где он будет припаян. При температуре пайки расплавленный припой смачивает края кристалла и за счет капиллярного эффекта заполняет зазор между кристаллом и подложкой [2].
Известен способ изготовления полупроводникового прибора, по которому к подложке присоединяют кристалл с помощью припоя, который расплавляется между подложкой и полупроводниковым кристаллом [3]. При этом над подложкой устанавливают кожух, который соединен с устройством для понижения давления. С помощью кожуха над нагревателем, на который устанавливают подложку, создают пониженное давление и заполняют кожух газообразным азотом или водородом.
Однако все эти способы не предполагают предварительное облуживание и контроль качества облуживания паяемых поверхностей, что в конечном счете влияет на надежность соединения и тепловое сопротивление соединения кристалл-корпус и проявляется в снижении срока службы приборов и уменьшении выходной рассеиваемой мощности кристаллов.
При напайке кристаллов к корпусу необходимо, во-первых, обеспечивать, чтобы тепловое сопротивление, вносимое переходными слоями, было минимальным, и, во-вторых, не допускать появления под кристаллом участков, через которые поток тепла был бы затруднен.
Задачами заявляемого решения являются: совершенствование технологического процесса соединения кристалла и корпуса, улучшение смачивания припоем паяемой поверхности кристалла и корпуса, получение качественного надежного паяного соединения без пустот и оксидных включений, улучшение теплоотвода и повышение выходной рассеиваемой мощности кристалла.
Сущность: способ включает предварительное облуживание нижней металлизированной поверхности кристалла и корпуса в расплавленном припое, перемещение кристалла, его прижим к полированной зеркальной неметаллизированной поверхности и выдержку при охлаждении, поднятие и перемещение кристалла к месту предполагаемого соединения, прижим кристалла к основанию и его притирку. Пайка проводится в среде защитной атмосферы.
Техническим результатом изобретения является совершенствование технологического процесса соединения кристалла и корпуса, улучшение смачивания припоем паяемых поверхностей кристалла и корпуса, получение качественного паяного соединения без пустот и оксидных включений, улучшение теплоотвода и повышение выходной рассеиваемой мощности кристалла.
Технические результаты достигаются тем, что в способе сборки полупроводниковых приборов, предусматривающем пайку кристаллов к корпусам, проводится предварительное облуживание нижней металлизированной поверхности кристалла, его дальнейшее перемещение устройством захвата на полированную зеркальную неметаллизированную поверхность, выдержку при охлаждении до застывания припоя, последующий нагрев, отрыв кристалла и визуальный контроль облуженной поверхности. Поверхность при этом является равномерно облуженной и блестящей.
Примером пайки полупроводникового кристалла к корпусу может служить сборка СВЧ мощного GaN транзистора.
Нарезаются преформы из Au80Sn20. Затем они расплавляются на позолоченной металлизированной поверхности поликоровой платы и на самом предполагаемом месте соединения кристалла с корпусом. Кристалл механически захватывается инструментом с клейкой поверхности. Затем происходит перемещение кристалла к расплавленной ванне припоя, его опускание и прижим. Далее производится механическая притирка в течение 10 с ультразвуком либо механическими перемещениями кристалла по поверхности смаченного припоем напыленного золота. Далее кристалл, не поднимая, перемещают на неметаллизированную зеркальную полированную поверхность поликоровой платы и выключают нагрев. Проводится охлаждение, затем происходит подъем кристалла. Припой не может смачивать поверхность, так как она не металлизированная, следовательно, при отрыве кристалл не скалывают. Кристалл перемещается к месту контроля, установленному на термостоле; производится визуальный контроль облуживания поверхности кристалла. Припой должен располагаться равномерно, по всей поверхности, и иметь блестящий оттенок, повторяющий поликоровую поверхность (равномерно распределенный припой, имеющий гладкую блестящую поверхность, обеспечивает надежное соединение с поверхностью основания). В конце сборки кристалл размещают над облуженной поверхностью корпуса и прижимают с определенным усилием и, если необходимо, проводят притирку, но как показывают опыты, при таком способе сборки притирка даже не обязательна.
Корпус для установки СВЧ мощного GaN транзистора фиксируют прижимным устройством на термостоле. На площадках для облуживания и пайки кристаллов размещают фольгу из припоя Au80Sn20 размером, равным площади кристалла. В ориентированном положении на припой устанавливают кристалл. Облуживание кристалла и корпуса, а также дальнейшая пайка осуществляются при температуре 300-320°С.
Для испытаний была проведена сборка 16 выходных усилителей мощности (ВУМ).
Были проведены рентгенографические исследования. Анализ снимков показал, что площадь непропаев в среднем составляла не более 3%.
Приборы быстро настраивались для работы на требуемой полосе частот, а среднее увеличение выходной рассеиваемой мощности, благодаря уменьшению теплового сопротивления, составило более чем 25% по сравнению с приборами, собранными традиционными способами.
На основании вышеизложенного сделано заключение, что использование предлагаемого способа сборки полупроводниковых приборов обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества.
1) Производится предварительное облуживание кристалла.
2) Производится прижим кристалла к полированной зеркальной неметализированной поверхности и выдержка в охлажденном состоянии, что позволяет получить блестящую ровную поверхность припоя и равномерное расположение облуженного кристалла на корпусе при посадке.
3) Возможность осуществлять контроль качества облуживания путем неразрушающего снятия кристалла после пайки и дальнейшего визуального анализа площади пропайки.
Все эти факторы, как видно из опытов, позволяют улучшить электрические и тепловые характеристики приборов, что в итоге повысит срок их эксплуатации.
Источники информации
1) Минскер Ф.Е. Справочник сборщика микросхем. - М.: Высш. шк., 1992. - С. 70.
2) Патент ЕР (ЕПВ) №0316026 А1, кл. 6 Н01L 21/00, опубл. 17.05.89.
3) Патент Японии №1-50536 А2, Н01L 21/52, опубл. 27.02.89.