СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСА МИКРОСХЕМЫ
FABRICATION OF IC CASE

Изобретение относится к технологии производства приборов электронной техники, а именно к изготовлению металлокерамических и металлостеклянных корпусов интегральных микросхем, некоторых видов полупроводниковых приборов, металлокерамических плат и других аналогичных изделий, в частности к способам нанесения покрытий.
Известен способ нанесения электрохимических покрытий в барабане, выполненном в форме перфорированного многогранника из токонепроводящего материала со съемными гранями, пазами и токоподводом, отличающийся тем, что, с целью получения селективного покрытия, каждая грань барабана выполнена в виде многоместной кассеты, а токоподвод выполнен в виде пластины с закрепленными на ней струнами, и, что кассета выполнена в виде ячеек со сквозными отверстиями в местах преимущественного осаждения покрытия на деталях. [1] (Челноков Е.И. и др. Авторское свидетельство СССР №943334 от 24.10.1980, кл. C25D 17/20). Несмотря на то что при таком электрохимическом покрытии золото наносится на металлические поверхности корпуса селективно, т.е. на монтажных и контактных металлических площадках для припайки кристалла микросхемы золото-кремниевым припоем и для присоединения проволочных выводов кристалла к контактным площадкам толщина покрытия существенно больше (3-6 мкм), чем на внешних металлических выводах (2-3 мкм), недостатком способа является недостаточно большое снижение расхода золота.
Использование корпусов с тонким (0,1-0,2 мкм) золотым покрытием позволяет снизить затраты на их изготовление и уменьшить цену на корпус примерно в 5 раз, а расход золота - в 20 раз. [2] (Владимир Ланин, Виктор Емельянов «Снижение толщины золотых покрытий при изготовлении интегральных схем», Ж. Технологии в электронной промышленности, №7'2008). Тонкие химические слои золотого покрытия обеспечивают создание качественных сварных соединений алюминиевой проволокой методом УЗ-сварки в диапазоне существующих режимов. Динамика изменения прочности межсоединений при воздействии технологических факторов и испытаний такая же, как и у корпусов с покрытием толщиной 3-6 мкм. Присоединение кристаллов методом приклейки позволяет исключить термоудар на кристалл и корпус, в 2 раза снижает величину механических напряжений в системе «кристалл - дно корпуса». Замена золотого покрытия на корпусах ИС на Ni-B для 14-выводных микросхем неадекватна с точки зрения надежности микросхем в длительном процессе их эксплуатации, так как не исключается вероятность отказов ИС, связанных с разрушением сварных соединений на траверсе. Однако, как показала практика, тонкие химические слои золотого покрытия на сегодня так и не нашли применения в серийном производстве корпусов ИС ввиду того же принципиального недостатка, что и на корпусах ИС с Ni-В, поскольку снижается процент выхода годных на операции сборки ИС, но, главное, не исключается вероятность отказов ИС, связанных с разрушением сварных соединений на траверсе в процессе эксплуатации.
Известно иммерсионное золочение контактных площадок печатных плат. [3] (А. Медведев, Ю. Набатов, П. Семенов, С. Шкундина. Иммерсионное золочение под пайку. Ж. Технология в электронной промышленности, №2, 2010). Само покрытие представляет собой композицию из меди контактной площадки, подслоя химически осажденного никеля и иммерсионно осажденного золота. Тонкий слой золота толщиной 0,05-0,1 мкм несет единственную функцию - защитить никель от окисления для последующей пайки. При пайке оно быстро растворяется в припое, при этом обнажается свежая поверхность никеля для смачивания припоем. Именно подобную функцию несет золотое покрытие на внешних выводах корпусов ИС при монтаже на печатную плату. Однако в последнее время все чаще можно слышать нарекания по поводу иммерсионного покрытия золотом контактных площадок печатных плат, что ставит под вопрос реальность заимствования опыта снижения толщины золотого покрытия применительно к выводам корпусов ИС с 2-3 мкм до 0,05-0,1 мкм. Потеря смачиваемости или непрочные паяные соединения становятся общеизвестными пороками иммерсионного золочения. Это явление знакомо всем под названием «черный никель» (black nikel) или «черная контактная площадка» (black pad).
Покрытие «никель-золото» исключительно высокой коррозионной стойкости представлено в одноименной статье [4] (Олаф Курц (Olaf Kurtz), Флоренс Лагорс-Брок (Florence Lagorce-Broc), Михаэль Данкер (Michael Danker), Роберт Рютер (Robert Ruther), Юрген Бартельмес (Jurgen Barthelmes). Перевод: Евгений Чезганов. «Покрытие «никель-золото» исключительно высокой коррозионной стойкости», Ж. Технологии в электронной промышленности, №4'2011). В статье описан техпроцесс, обеспечивающий осаждение слоя золота толщиной всего 0,3 мкм, когда покрытие осаждают на оптимальной комбинации покрытия «никель/никель-фосфор». Такое сочетание материалов выдерживает испытание в азотной кислоте и при этом обеспечивает высокую коррозионную стойкость. В противоположность чистому никелю, покрытие никель-фосфором демонстрирует высокую степень коррозионной устойчивости и износостойкости, однако имеет и недостатки - низкую скорость осаждения и худшую пластичность слоя.
Достаточно близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления корпуса является «Способ изготовления корпуса микросхемы» [5] (Агафонов О.Н., патент РФ №2034368 от 30.04.1995, кл.: H01L 23/48), включающий изготовление металлокерамического основания с монтажным и контактными металлическими площадками, сборку и пайку основания с металлическими деталями корпуса, нанесение слоя никеля и золота на металлические поверхности, отличающийся тем, что, с целью сокращения расхода золота за счет сокращения площади его нанесения, перед нанесением слоя золота корпус размещают в среде полимерного порошка и нагревают металлические детали корпуса до образования защитной полимерной пленки электромагнитным полем, глубина проникновения которого в металлические детали равна или меньше их поперечных относительно магнитных силовых линий размеров. Однако и этот способ не внедрен в практику производства корпусов ИС ввиду недостаточной технологической воспроизводимости процесса, а также ввиду его высокой трудоемкости относительно существующего традиционного техпроцесса.
Технической задачей изобретения является сокращение расхода золота за счет снижения толщины золотого покрытия до 0,1-0,5 мкм по всей металлической поверхности корпуса микросхемы с одновременным повышением плотности покрытия, его коррозионной стойкости, проводимости и термических характеристик. Указанные свойства покрытий необходимо обеспечивать как для выполнения сборки микросхем при воздействии технологических факторов, так и для последующей эксплуатации в электронной аппаратуре с целью повышения стойкости микросхем от воздействия неблагоприятных внешних факторов.
Для достижения указанной технической задачи в заявленном способе предусмотрено введение дополнительного медно-никелевого подслоя перед нанесением золотого покрытия. Получение подслоя обеспечивается путем нанесения медного покрытия поверх никелевого покрытия и их последующего спекания в защитной или восстановительной газовой атмосфере с образованием плотного медно-никелевого покрытия.
Для расширения конструктивно-технологических возможностей способа проводят нанесение второго никелевого слоя поверх медно-никелевого подслоя перед нанесением золотого покрытия, в том числе в различных вариантах покрытий состава «никель», «никель-фосфор» и/или «никель-бор».
Для расширения конструктивно-технологических возможностей при достижении технической задачи в условиях гальванического способа нанесения, покрытия, дополнительно к названным способам, могут быть получены селективным (разнотолщинным) методом, в специальной экранирующей корпуса от анодов оснастке с отверстиями в местах преимущественного нанесения золотого и других покрытий. То есть над монтажным колодцем для посадки и пайки кристалла и на траверсах для разварки выводов от кристалла.
Технико-экономическая эффективность использования изобретения заключается в повышении эффективности на операциях сборки микросхем, в повышении надежности микросхем в процессе эксплуатации в электронной аппаратуре, а также в существенной экономии золота в производстве корпусов интегральных микросхем.
Пример реализации способа
В качестве образцов используют основания металлостеклянных или металлокерамических корпусов ИС.
3
Изделия с внешними выводами после их термообработки обезжиривают в моющем растворе, промывают в ванне с проточной горячей (75-90°C) водой и в ванне с деионизованной водой. Потом изделия декапируют 2-3 мин в соляной кислоте с удельным весом 1,13…1.19 г/см, после чего их промывают в холодной проточной и в деионизованной водах.
Затем изделия помещают в раствор никелирования, содержащий:
- никель сернокислый: 180…240 г/л,
- натрий хлористый: 3…15 г/л,
- кислоту борную: 20…30 г/л,
- натрий сернокислый: 50…100 г/л,
- магний сернокислый: 30…50 г/л,
2
и обрабатывают 60-80 мин при pH=5,2…5,8 раствора, при плотности тока 0,4…0,8 А/дм и при соотношении площади анода к площади катода не менее чем 1: 1.
После никелирования изделия промывают в холодной проточной воде и в ванне с горячей (75-90°C) проточной водой и в трех ваннах с горячей (75-90°C) деионизованной водой.
Далее без перерыва никелированные изделия помещают в раствор меднения, содержащий специальные добавки БСД или БСД-2 при широком диапазоне концентрации остальных компонентов:
- медь сернокислая: 60…220 г/л,
- кислота серная: 60…200 г/л,
- натрий хлористый: 40…80 мг/л
2
и обрабатывают в растворе 60-80 мин при плотности тока 1…1.5 А/дм.
После меднения изделия промывают в холодной проточной воде и в ванне с горячей проточной водой и в трех ваннах с горячей (75-90°C) деионизованной водой и сушат в сушильном шкафу 15-20 мин при температуре 65±5°C.
Высушенные изделия далее помещают (затаривают) на керамические подставки (кассеты) и термообрабатывают в восстановительной газовой среде (в водороде) в печи проходного типа «БЛОК-М» при температуре 870-890°C (3-5 мин), т.е. при скорости движения цепной ленты 10-12 см/мин.
Термообработанные изделия никелируют в прежнем растворе и по прежним режимам.
После чего без перерыва проводят золочение в течение 3-5 мин в цитратном электролите следующего состава:
- калия дицианоаурат: 10…14 г/л,
- кислота лимонная: 15…25 г/л,
- калий лимоннокислый трехзамещенный 75…80 г/л и при следующих режимах:
- водородный показатель раствора pH=4,8…5.5,
2
- катодная плотность тока: 0,3…0,4 А/дм,
- температура 60…80°C,
- соотношение анодной и катодной поверхностей должно быть в пределах 1…2:1.
После золочения изделия промывают в шести ваннах улавливания, моют в холодной проточной воде и затем в горячей (75-90°C) проточной воде. Промывают в трех ваннах с горячей деионизованной воде и в трех ведрах со спирто-ацетонной смесью (1 часть спирта и 7 частей ацетона) с последующей сушкой в сушильной камере в течение 15-20 мин при температуре 65±5°C.