ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области производства твердотельных устройств, содержащих две соединенные между собой детали, например, полупроводниковый кристалл и его держатель в сборке и может быть использовано при изготовлении указанных устройств.
Известны две основные структуры типа «полупроводниковый кристалл, смонтированный на держателе» (см., например, С.Зи. Технология СБИС.М.: МИР, 1986. стр.330). Они содержат металлизированную металлическую или керамическую подложку, металлизированный кристалл и соединительный слой, в качестве которого в одном случае выступает твердотельный припой, состоящий чаще всего из эвтектических сплавов, а в другом случае полимерный клей. Структуру с соединительным слоем в виде твердотельного припоя получают размещением таблетки припоя между кристаллом и держателем и нагревом до температуры выше температуры расплавления припоя.
В качестве полимерного клея для монтажа полупроводникового кристалла используют эпоксидный клей с серебряным наполнителем. Недостатком конструкции с использованием клея является ограниченная область ее применения, например невозможность работы при высоких температурах, больших рабочих токах прибора, больших мощностях из-за недостаточной теплопроводности, а также в высоковакуумных приборах типа электронно-оптических преобразователей, либо в приборах с высокой поверхностной чувствительностью.
В качестве прототипа предлагаемой конструкции выбрана конструкция, в которой полупроводниковый кристалл соединен с основанием корпуса прибора кусочком фольги припойного сплава или эвтектики толщиной 30-50 мкм. (Л.А. Коледов. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. М.: «Радио и связь», 1989, стр.370-371.). При этом используют эвтектический сплав 88% Au, 12% Ge, либо сплав 98% Au, 2% Si, либо сплав 80% Au, 20% Sn.
Недостатком конструкции прототипа является ограниченная область ее применения, поскольку такая конструкция может быть использована только при соединении смачиваемых припоем материалов. Другой недостаток связан с наличием в области соединения раковин по участкам, не смоченным припоем, что снижает механическую прочность соединения и увеличивает его тепловое сопротивление. Увеличение теплового сопротивления конструкции связано также с относительно большой толщиной припойного сплава - 30-50 мкм. Кроме того, большая разница в температурных коэффициентах линейного расширения кристалла и припоя может приводить к разрушению кристалла при термоциклировании.
Технический результат, получаемый при реализации предложенной конструкции, состоит в расширении области ее применения, увеличении механической прочности соединения и снижения его теплового сопротивления.
Достижение указанного технического результата связано со следующими обстоятельствами. Наличие промежуточных адгезионных слоев, расположенных по обе стороны от среднего слоя, позволяет расширить область применения предложенной конструкции присоединении не смачиваемых припоем материалов.
Увеличение механической прочности соединения по сравнению с конструкцией прототипа связано с отсутствием раковин в области соединения, а также с высокой степенью прочности соединения адгезионных слоев с подложкой за счет образования химических связей по сравнению с физическими связями в конструкции прототипа.
Отсутствие раковин и уменьшение толщины соединительного слоя - 2-10 мкм по сравнению с 30-50 мкм в конструкции прототипа обуславливают уменьшение теплового сопротивления предложенной конструкции.
Новизна предложенной конструкции заключается в том, что, в отличие от известных аналогичных конструкций соединительный слой, расположенный между соединяемыми деталями, состоит из нечетного числа промежуточных слоев металлов или сплавов, причем средний из промежуточных слоев имеет температуру плавления ниже температуры плавления остальных слоев и его толщина находится в пределах 2…10 мкм, а промежуточные адгезионные слои, расположенные по обе стороны от среднего слоя, идентичны и их толщина более 2,5% от толщины среднего слоя.
В базовом варианте предложенная конструкция может быть реализована следующим образом.
На поверхности подлежащих соединению твердотельных объектов напыляют последовательно адгезионные слои титана, хрома или ванадия, а затем средний слой алюминия, или сплава на основе алюминия, или индия. Затем образцы прижимают друг к другу напыленными поверхностями и помещают в нагреваемый реактор. Температуру в реакторе поднимают выше температуры плавления среднего слоя. При этом материал адгезионного слоя частично растворяется в материале среднего слоя, образуя сплошную, без раковин, структуру, что подтверждается рентгенографическими исследованиями. Образцы выдерживают при указанной температуре 5-15 минут и охлаждают. Образуется структура, состоящая из нечетного числа промежуточных слоев металлов или сплавов, причем средний из промежуточных слоев имеет температуру плавления ниже температуры плавления остальных слоев, а промежуточные адгезионные слои, расположенные по обе стороны от среднего слоя, идентичны. Определение толщин промежуточных слоев, позволяющих реализовать предложенную конструкцию описано в примерах реализации.
Первый пример реализации полезной модели.
1
3
2
На фиг.1 приведена схема предложенной конструкции твердотельного устройства, где 1 - кристалл полупроводникового прибора, 2 и 4 - промежуточные слои металла, титана или хрома, напыленные на поверхности кристалла 1 и держателя 5, и 3 - средний слой, индий или алюминий. Соответствующие толщины слоев d, d и d.
2
Представленную структуру получали следующим образом. Вначале на поверхности полупроводникового прибора 1 и держателя 5 напыляли слои титана и индия. Затем детали приводили в соприкосновение, сжимали и нагревали до температуры выше температуры плавления индия (156°C). Слои индия соединяются между собой, образуя общий слой индия толщиной d, в котором растворяется часть слоя титана.
2
Толщина слоя индия определялась следующим образом. Было установлено, что для надежного соединения необходимо, чтобы толщина соединительного слоя была не менее суммарной толщины неплоскостностей соединяемых деталей. Практически, для реальных размеров соединяемых деталей эта величина не превышает 2-х мкм. Увеличение суммарной толщины слоя индия (d) более 10 мкм приводило к выдавливанию «избыточного» материала из зоны соединения.
Толщина слоя титана определялась, исходя из следующих соображений. При сплавлении титан растворяется в индии, следовательно, его толщина должна быть, по крайней мере, больше той, которая полностью растворится в индии в соответствии с диаграммой состояния двойного сплава «индий-титан». В диапазоне температур сплавления до 500°C растворимость титана в индии менее 4%. Для найденных выше толщин индия 2…10 мкм соответствующая толщина титана должна быть, следовательно, больше ½ от 5% то есть 2,5% от этой толщины и составлять 0,05…0,25 мкм.
В случае замены титана на хром ситуация с соотношением толщин хрома и индия в соответствии с диаграммой состояния «хром-индий» аналогична.
Таким образом, экспериментально было установлено, что толщина среднего слоя находится в пределах 2…10 мкм, а толщина промежуточных, адгезионных слоев в соответствии с диаграммами состояния двойных сплавов должна быть более 2.5% от толщины среднего слоя.
Второй пример реализации полезной модели.
2
Соединению подвергались две детали: поликристаллического алмаза и нитрида алюминия. Площадь соединения составляла 25×25 мм. Суммарная неплоскостность деталей была 0,8-1 мкм. На поверхности соединяемых деталей напыляли слои титана 0,1-0,4 мкм и слои алюминия толщиной от 0,5 до 5 мкм, общая толщина алюминия 2…10 мкм. Нагрев деталей в этом случае был 700-800°C. Растворимость титана в алюминии в диапазоне температур 700-800°C менее 3-х%, следовательно, и в этом случае превышения толщины титана более 2,5% от толщины среднего слоя было вполне достаточно. Во всем диапазоне толщин титана и алюминия было получено
надежное соединение поликристаллического алмаза и нитрида алюминия. Замена титана на хром приводила к аналогичному результату.
2
2
Для проверки механической прочности конструкции из спаянных пластин вырезали квадратные образцы размером 14×14 мм. К образцам приклеивали клеем <<Poxipol>> металлические цилиндрические тяги диаметром 10 мм, на которые после затвердевания клея подавали растягивающие усилия. При величине 700-720 Н/см происходил отрыв тяги от образцов, при этом соединение образцов оставалось целым.
Результаты экспериментальной проверки приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ π/π
Суммарная толщина индия, d<sub>2</sub>, мкм
Суммарная толщина алюминия, d<sub>2</sub>, мкм
Толщина титана или хрома с каждой стороны, d1, d3, мкм
Температура сплавления, °C
Качество соединения
Примечания
1
2
0,1
200
Надежное соединение
По заявленной конструкции
2
4
0,15
300
Надежное соединение
По заявленной конструкции
3
10
0,3
400
Надежное соединение
По заявленной конструкции
4
1
0,1
300
Нет соединения по всей площади
За пределами заявки
5
12
0,4
300
Выдавливание индия из зоны соединения
За пределами заявки
6
10
0.15
400
Отслаивание соединительного слоя от деталей
За пределами заявки
7
2
0,1
800
Надежное соединение
По заявленной конструкции
8
3
0,15
750
Надежное соединение
По заявленной конструкции
9
10
0,3
700
Надежное соединение
По заявленной конструкции
10
1
0,1
750
Нет соединения по всей площади
За пределами заявки
11
12
0,4
750
Выдавливание алюминия из зоны соединения
За пределами заявки
12
10
0,15
750
Отслаивание соединительного слоя от деталей
За пределами заявки