Способ пайки силовых полупроводниковых приборов
METHOD OF POWERED SEMICONDUCTOR DEVICES WELDING

Настоящее изобретение относится к области полупроводниковой электронной техники и может быть использовано в технологии пайки многокристальных силовых полупроводниковых приборов.
Преимущественно изобретение предназначено для изготовления мощных кремниевых ограничителей напряжения - методом пайки элементов конструкции в восстановительной или инертной среде.
Уже известен «Способ пайки изделий из стали, меди и/или медных сплавов серебросодержащими припоями» [1]. Известный способ включает сборку изделий с использованием серебросодержащего припоя, по которому между металлическими деталями помещается прокладка серебросодержащего припоя; кассета помещается в специальную печь, в которой проводится пайка - в определенном режиме, соответствующем температуре плавления припоя, и в определенной, инертной или восстановительной атмосфере, как правило в среде водорода.
Также известен "Способ пайки полупроводниковых приборов" [2], по которому производят укладку (загрузку) выводов, припоя и полупроводниковых кристаллов в приспособление (кассету). Пайку проводят, пропуская через выводы и р-п-переход полупроводникового кристалла импульсы тока в прямом направлении относительно р-п-перехода.
Как на наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату, можно указать на способ пайки полупроводниковых приборов, описанный в [3], по которому при серийном выпуске изделий электронной техники используются специальные кассеты, в цилиндрические "гнезда" которых помещаются детали полупроводниковых приборов и прокладки припоя, по которому, для фиксации (центровки) колец припоя на торцах стеклянных баллонов корпусов приборов, применяются специальные элементы в виде штырей с конической рабочей частью.
Недостаток известных способов пайки полупроводниковых приборов - отсутствие достаточных условий центровки всех спаиваемых деталей сборки из-за наличия определенного, достаточно большого для удобства загрузки в кассеты деталей сборок и выгрузки сборок после пайки, допуска внутреннего диаметра цилиндрических отверстий в планке кассеты для загрузки деталей относительно внешних размеров (диаметров, диагоналей) деталей. Следствие этого - рассовмещение (сдвиг) спаянных деталей друг относительно друга из-за сотрясений (колебаний кассеты) при загрузке деталей сборок в кассету или загрузке кассеты в печь для пайки, приводящее либо просто к увеличению габарита паяной сборки сверх допустимого предела, либо, в случае последующей герметизации сборки, например, в пластмассу, к недопустимому утонению пластмассовой оболочки (герметизация полупроводниковых приборов в пластмассовых корпусах) в отдельных местах сборки.
В последнем случае в местах чрезмерного утонения пластмассовой "стенки" корпуса полупроводникового прибора, формируемого прессованием сборок под давлением расплавленной пластмассой в специальных прессформах, возможно образование трещин, т.е. разгерметизация полупроводникового прибора. Например, при воздействии на прибор мощного импульса тока, даже с величиной амплитуды, не превышающей допустимую по соответствующим техническим условиям на прибор, вследствие возникающего при этом теплового удара. Что и наблюдается, в частности, для отдельных экземпляров полупроводниковых ограничителей напряжения в пластмассовых корпусах при испытании их на устойчивость к импульсным перегрузкам. А также при испытаниях этих приборов на устойчивость к термоударам.
С другой стороны, ужесточение допуска на внутренний диаметр отверстий для загрузки деталей сборки в металлические кассеты, с целью улучшения их центровки, приводит к механическим повреждениям паяных сборок при их извлечении из металлических кассет - сколам углов полупроводниковых кристаллов, выступающих в результате непроизвольных смещений кристаллов относительно теплоотводящих дисков и припойных прокладок при загрузке деталей сборок в кассету или загрузке кассеты в печь для пайки, и соприкасающихся со стенками отверстий в кассете. И, как следствие, катастрофическому ухудшению электрических параметров, в частности повышению обратных токов (токов утечки), т.е. к браку полупроводниковых приборов. Проблема извлечения сборок полупроводниковых приборов из кассет без повреждения кристаллов усугубляется по мере увеличения высоты сборок, например, в случае многокристальных сборок силовых полупроводниковых приборов.
На фиг. 1 представлена схема загрузки деталей сборки полупроводникового прибора в кассету для пайки с идеальной центровкой загруженных деталей - кристаллов, поз. 1, теплоотводов (радиаторов), поз. 2, припойных прокладок, поз. 3, выводов, поз. 4
На фиг. 2 представлена схема загрузки деталей сборки в кассету, помещенную в печь для пайки, с реальной центровкой (расцентровкой) деталей.
На фиг. 3 представлен многокристальный полупроводниковый прибор (ограничитель напряжения) в пластмассовом корпусе, изготовленный на основе сборки по схеме фиг. 2, с чрезмерным утонением толщины "стенки" пластмассового корпуса.
Целью настоящего изобретения является повышение степени центровки элементов паяемой сборки многокристальных полупроводниковых приборов и предотвращение механических повреждений кристаллов паяных сборок при их выгрузке из кассеты после пайки.
Указанная цель достигается тем, что предложен способ пайки многокристальных полупроводниковых приборов с вспомогательной (технологической) стеклянной втулкой, в соответствии с которым в отверстия кассет для пайки полупроводниковых приборов предварительно загружаются стеклянные втулки, величина внешнего диаметра которых имеет произвольный допуск относительно величины диаметра отверстий, а величина их внутреннего диаметра приближается (минимальный допуск) к величине габаритов загружаемых деталей сборки (фиг. 4). Затем в стеклянные втулки загружаются детали сборки полупроводниковых приборов. Тем самым ограничивается смещение элементов конструкции полупроводниковых приборов при их загрузке в кассеты и при загрузке кассет в печь для пайки, т.е. обеспечиваются качественная центровка деталей сборки и предотвращение механического повреждения кристаллов сборок при их выгрузке после пайки из кассеты (фиг. 5). Последнее обусловлено незначительной силой трения паяных сборок о стекло. И даже если извлечение сборки из стеклянной втулки окажется затруднительным, втулка может быть разрушена специальным приспособлением без ущерба для кристаллов сборки.
На фиг. 4 представлена схема загрузки деталей сборки полупроводникового прибора в кассету для пайки с идеальной центровкой загруженных деталей - кристаллов - поз. 1, металлических теплоотводов - поз. 2, припойных прокладок - поз. 3, выводов - поз. 4, обеспеченной применением вспомогательной стеклянной втулки - поз. 5.
На фиг. 5 представлен многокристальный полупроводниковый прибор (ограничитель напряжения) в пластмассовом корпусе, изготовленный на основе способа сборки по схеме фиг. 4, с идеальной центровкой деталей и отсутствием недопустимого утонения толщины "стенки" пластмассового корпуса.
Пример
Двух-, четырех- и шестикристальные сборки кремниевых ограничителей напряжения: полупроводниковые кристаллы шестигранной формы; теплоотводы - диски медные толщиной ~400 мкм, покрытые слоем серебра толщиной ~5 мкм; выводы медные, также покрытые слоем серебра толщиной ~5 мкм; припойные прокладки - припой ПСр2,5 толщиной ~50 мкм, паяли в водородной печи. Для загрузки деталей сборок использовались многоместные металлические кассеты как с применением технологических стеклянных втулок, так и без таковых. Процесс пайки проводился в конвейерной водородной печи при температуре ~380°С.
Паяные сборки ограничителей напряжения проходили контроль внешнего вида, в частности измерение диаметра и измерение обратного тока (Iобр) при обратном напряжении (Uобр), равном значению 0,9 от напряжения пробоя (Uпроб) р-п-структур кристаллов: Uобр=0,9Uпроб. Соответствие диаметра паяных сборок требованиям конструктивного чертежа - критерий качества центровки деталей сборки. Сохранение величины обратного тока (Iобр), р-п-структур кристаллов (сборок) на уровне технологической нормы после проведения пайки сборок и извлечения их из кассет - критерий предотвращения механических повреждений кристаллов сборок.
Получены следующие результаты.
На части (~30%) сборок, паяных в кассете без стеклянных втулок, размер диаметра после пайки превысил допустимую технологическую норму, т.е. требования конструктивного чертежа. Значения максимальных диаметров всех (100%) сборок, паяных с использованием стеклянных втулок, соответствовали требованиям конструктивного чертежа.
Результаты по проценту выхода годных сборок по критерию соответствия электрического параметра Iобр технологической норме представлены в таблице:
Таким образом, предлагаемый способ пайки обеспечивает высокую степень (качество) центровки элементов сборки многокристальных полупроводниковых приборов, а также предотвращает механические повреждения кристаллов сборок. И, тем самым, значительно повышает, по сравнению с существующими способами пайки, качество и процент выхода годных полупроводниковых приборов.
Литература
1. Лопатина Е.С., Симунова С.С., Трегубов В.А., Баталова Е.И. Патент на изобретение №2511722. Способ пайки изделий из стали, меди и/или медных сплавов серебросодержащими припоями. Опубл. 10.04.2014.
2. Россошинский А.А., Кислицын В.И., Мусин А.Г., Петров Л.А., Утробин Ю.Б., Шамыгин А.И., Афанасов Н.В. Патент на изобретение №63201. Способ пайки полупроводниковых приборов. Опубл. 05.11.1978.
3. Шатохин П.Е., Лукашевич В.Ф., Плешаков В.И., Тереня В.И. Патент на изобретение №61119105. Кассета для установки колец припоя на торцы баллонов полупроводниковых приборов. Опубл. 15.10.1984.