СПОСОБ БЕССВИНЦОВОЙ КОНТАКТНО-РЕАКТИВНОЙ ПАЙКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА К КОРПУСУ С ОБРАЗОВАНИЕМ ЭВТЕКТИКИ Al-Zn
LEAD-FREE METHOD OF CONTACT-REACTION SOLDERING SEMICONDUCTOR CHIP TO HOUSING WITH FORMATION OF Al-Zn EUTECTIC

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий (ППИ) и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем бессвинцовой пайки.
В связи с действием директивы Европейского Союза RoHS (Restriction of Hazardous Substances), которая ограничивает использование свинца в новом электрическом и электронном оборудовании, разработка способов сборки полупроводниковых изделий методом пайки припоями без свинца в настоящее время является основной экологической проблемой микроэлектроники.
Существуют различные способы бессвинцовой пайки кристаллов к основаниям корпусов. Например, известен способ [1] монтажа полупроводниковых кристаллов больших размеров в корпуса, по которому на алюминий на паяемой стороне кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают из условия получения необходимой толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк-олово.
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость операции нанесения цинка (как напылением, так и гальваническим и химическим методами).
Известен способ [2] 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).
Основной недостаток данного способа - высокая трудоемкость изготовления ППИ, заключающаяся в изготовлении сплава ЦАГ и нанесении его на монтажную площадку корпуса методом электрического взрыва фольги, что требует использования специального дорогостоящего оборудования.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ [3] бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу, включающий нанесение алюминия и олова на паяемые поверхности соответственно кристалла и корпуса. При сборке между кристаллом и корпусом размещают фольгу из цинка. Пайка осуществляется в водороде или формир-газе при температуре 382-419°С (температура плавления цинка составляет 419°С). Нагрев при данной температуре способствует образованию 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 предельно допустимая температура нагрева (до 200°С) некоторых типов ППИ при их эксплуатации, что недопустимо для приборов, работающих при более высоких температурах, например диодов Шоттки на основе карбида кремния.
Основной целью разработанного способа является: снижение трудоемкости изготовления и повышение предельно допустимой температуры нагрева ППИ при их эксплуатации.
Эта цель достигается тем, что в способе бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу с образованием эвтектики Al-Zn, включающем нанесение алюминия и олова на паяемые поверхности соответственно кристалла и корпуса и размещение между кристаллом и корпусом фольги из цинка и пайку к основанию корпуса, с целью снижения трудоемкости изготовления и повышения предельно допустимой температуры нагрева ППИ при их эксплуатации, на основание корпуса наносят алюминиевую металлизацию, между кристаллом и корпусом размещают фольгу припоя состава 20Zn/80Sn (вес.%), а пайку проводят в защитной среде при температуре 420-430°С.
Пайка при данной температуре способствует образованию эвтектических соединений Al-Zn (температура эвтектики 382°С) как со стороны кристалла, так и корпуса.
Олово, входящее в состав припоя при данной температуре пайки, практически не взаимодействует с алюминиевой металлизацией кристалла и корпуса, так как растворимость олова в алюминии составляет около 0,1 вес.%. По известным данным для сплавов алюминий-олово растворимость алюминия в олове в твердом состоянии до сих пор точно не определена.
Нагрев при пайке в интервале температур 420-430°С способствует лучшему смачиванию припоем паяемых алюминиевых пленок кристалла и основания корпуса. Нагрев при температуре выше 430°С может вызвать необратимые процессы в структуре кристалла.
Примером бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу с образованием эвтектики Al-Zn может служить сборка полевых транзисторов в корпус КТ-43В. На паяемую поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленку алюминия.
Медная выводная рамка корпуса КТ-43В на 10 кадров по известной технологии покрывается гальваническим алюминием. Выводные рамки фиксируют в кассете, а на основания корпусов в ориентированном положении размещают фольгу припоя состава 20Zn/80Sn (вес.%) заданного размера и кристалл.
Проведены эксперименты по напайке кристаллов полевых транзисторов на основания корпусов КТ-43В в формир-газе на установке ЭМ-4085-14М при температуре 420-430°С. При данной температуре происходит контактно-реактивное взаимодействие цинка, входящего в состав припоя, с алюминиевой металлизацией кристалла и корпуса с образованием эвтектики Al-Zn (382°C).
После пайки оценивалась прочность соединений на сдвиг (согласно ГОСТ В 28146-89), а также проведен анализ паяных швов по рентгенограммам и по шлифам. Установлено, что качество паяных соединений кристаллов с основанием корпусов соответствует требованиям, предъявляемым к сборке силовых полупроводниковых приборов.
Данное паяное соединение повышает (до 382°С) предельно допустимую температуру нагрева ППИ при эксплуатации. Это особенно важно для силовых полупроводниковых 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 с образованием эвтектики Al-Zn обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: снижает трудоемкость изготовления и повышает предельно допустимую температуру нагрева ППИ при их эксплуатации.
Источники информации
1. Патент RU 2212730 С2, H01L 21/52. Способ монтажа полупроводниковых кристаллов больших размеров в корпуса / Зенин В.В. (RU), Беляев В.Н. (RU), Сегал Ю.Е. (RU). Опубл. 20.09.2003. Бюл. №26. 3 с.
2. 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.
3. Патент RU 2313156 C1, H01L 21/52. Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу / Зенин В.В. (RU), Бокарев Д.И. (RU), Рягузов А.В. (RU), Кастрюлев А.Н. (RU), Хишко О.В. (RU). Опубл. 20.12.2007. Бюл. №35. 4 с.