Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

"ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ"

Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова

Выпускная квалификационная работа - магистерская диссертация

на тему: "Исследование технологии монтажа кристаллов MOS/DMOS-транзисторов сплавами Au-Si/Ag-Pb в никелированные и позолоченные корпуса"

по направлению 11.04.04 "Электроника и наноэлектроника"

Выполнил: студент образовательной программы

магистратуры "Инжиниринг в электронике"

Ичетовкин Максим Иванович

Научный руководитель: д.т.н., проф.

Д.В. Быков

Москва - 2018

Оглавление

• Аннотации
• Введение
• 1. Аналитический обзор
• 1.1 Основные требования к монтажу кристаллов MOS-транзисторов
• 1.2 Пайка эвтектическим сплавом золото-кремний
• 1.3 Пайка припоями из сплавов металлов
• 1.3.1 Пайка свинцовыми припоями
• 1.3.2 Бессвинцовые припои и их свойства
• 1.4 Монтаж на токопроводящую клеевую композицию
• 1.5 Подготовка поверхности
• 1.5.1 Металлизация обратной стороны
• 1.5.2 Обработка пластин перед пайкой
• 1.6 Постановка задачи
• 2. Экспериментальная часть
• 2.1 Технологическое оборудование и режимы
• 2.2 Исследование пайки кремниевых кристаллов в золоченые корпуса с помощью эвтектики золото-кремний
• 2.2.1 Исследование образования эвтектического сплава на металлизированной обратной стороне кристалла
• 2.2.2 Эксперименты пайки кремниевых кристаллов в золоченые корпуса с помощью эвтектики кремний-золото
• 2.3 Пайка в корпусах с золотым покрытием (КТ-94) и никелевым покрытием (КТ-97)
• 2.3.1 Пайка эвтектическим сплавом золото-кремний
• 2.3.2 Пайка кристаллов припоем ПСр-2,5
• Выводы
• Список использованных источников

Аннотация

Цель настоящей работы состояла в исследовании технологии монтажа кристаллов MOS/DMOS-транзисторов сплавами Au-Si/Ag-Pb в никелированные и позолоченные корпуса. Было проведено исследование двух типов пайки: эвтектикой Au-Si, а также припоем свинцово-серебряным ПСр-2.5.

С целью улучшения качества пайки эвтектическим сплавом была применена операция предварительной очистки слоя окисла с обратной стороны кремниевой пластины при помощи ионной бомбардировки аргоном, а также нанесение металлизации: 0.01 мкм титана и 0.1 мкм золота. Далее производилось гальваническое осаждение золота толщиной 4-7 мкм.

Благодаря взаимной диффузии кремния кристалла, золота корпуса и золота металлизации обратной стороны кристалла, процесс образования эвтектического сплава проходил во всей площади поверхности кристалла. Показано, что исключить образование пустот между корпусом и кристаллом прибора, а также снизить тепловое сопротивление (Rt) между ними возможно, благодаря металлизации обратной стороны кремниевой пластины и применению предварительной очистки обратной стороны. В результате получили среднее Rt = 0.48°С/Вт при площади кристалла 42мм ². Перед пайкой свинцово-серебряным припоем также была произведена очистка с дальнейшей металлизацией обратной стороны пластины покрытием Ti-Ni (0.1 Ti и 0.1 Ni).

Выявлено, что для пайки припоем ПСр-2.5 целесообразней использовать никелированные корпуса, а не позолоченные, так как это позволяет получить меньшее Rt. Это связанно с тем, что возможно превышение концентрации золота в расплаве над концентрацией исходных примесей припоя, так как во время пайки при температуре 320 ^оС происходит растравление золотого покрытия корпуса в припое ПСР-2.5 (при концентрации золота 15.2 ат. % образование эвтектики свинец-золото происходит при температуре 212.5^оС). В результате, при кристаллизации припоя появляются дополнительные интерметаллиды, что приводит к уменьшению удельной теплопроводности припоя до 11,5 Вт/м·К. В результате получили среднее Rt = 0.48°С/Вт для никелированного корпуса, а для позолоченного 0,66°С/Вт при площади кристалла 42мм ².



Abstract

The purpose of this work was to investigate the die bonding technology of MOS/DMOS transistors with Au-Si / Ag-Pb alloys in nickel-plated and gold-plated packages. Two types of bonding were investigated: Au-Si eutectic, and lead-silver solder PSr-2.5.

To improve the quality of bonding by a eutectic alloy the operation of preliminary purification of the oxide layer from the back surface of the silicon wafer by ion bombardment with argon was applied. In addition, metallization was used: 0.01 мm of titanium and 0.1 мm of gold. Then, cathodic electrodeposition of gold 4-7 мm in thickness was carried out.

Due to the interdiffusion of a silicon die and gold of a package and gold of a backside die metallization the process of formation of the eutectic alloy passed through the entire surface area of the silicon die. It is shown that it is possible to eliminate the formation of voids between the package and the die of the device, and to reduce the thermal resistance (Rt) between them, due to the metallization of the back side of the silicon wafer and the use of preliminary purification of the back side of it. As a result, we obtained an average Rt = 0.48 ° C / W with a die area of 42 mm². Before soldering with lead-silver solder, a preliminary purification was carried out and further metallization of the back side of the wafer with Ti-Ni coating (0.1 Ti and 0.1 Ni) was made.

It has been revealed that for soldering with PSr-2.5 solder, it is more expedient to use nickel-plated packages, rather than gold-plated packages, since it allows to obtain a smaller Rt. This is due to the fact that it is possible to exceed the concentration of gold in the melt above the concentration of the initial impurities of the solder, since during soldering at a temperature of 320 ° C, the gold coating of the package in the PSr-2.5 solder occurs (at a gold concentration of 15.2 at. %, the formation of a lead-gold eutectic occurs at a temperature of 212.5 ° C). As a result, additional intermetallides appear during the crystallization of the solder, which leads to a decrease in the thermoconductivity of the solder up to 11.5 W / m · K. As a result, the average Rt = 0.48 ° C / W for a nickel-plated case was obtained, and 0.66 ° C / W for a gold-plated at a crystal area of 42 mm².



Введение

Кристаллы, в которых уже сформирована готовая структура прибора, необходимо монтировать в корпуса для присоединения выводов и для обеспечения защиты кристалла от внешней среды, при этом должно быть обеспечено прочное механическое соединение надежный электрический контакт и теплоотвод.

Существуют следующие методы монтажа кристаллов: пайка эвтектикой или припоями, приклеивание, посадка на токопроводящую композицию. Все они служат для обеспечения высокой механической прочности, а также надежности соединений при термоциклировании и механических нагрузках, малого теплового и электрического сопротивления, наименьшего механического воздействия на кристалл и отсутствия загрязнений.

Для кристаллов с большой рассеиваемой мощностью (>0.5Вт) требуется токопроводящий контакт с небольшим тепловым и электрическим сопротивлением. Для этого применяют монтаж пайкой.

Для кристаллов небольшой мощности сопротивление контакта оказывает незначительное влияние на работу прибора, поэтому возможно приклеивать кристалл на токопроводящую композицию [1].

В данной ВКР было исследованы два вида технологий припаивания кристаллов, содержащих транзисторы большой мощности: пайка эвтектическим сплавом золото-кремний и пайка припоем ПСр-2,5. В работе акцент был сделан на эвтектическую пайку и пайку припоем, т.к. были использованы большие мощные MOS/DMOS транзисторы, для которых очень важен хороший теплоотвод, т.к. токопроводящий клей не сможет эффективно отвести тепло, а более легкоплавкие припои не обеспечивают надежность работы приборов при больших мощностях и при термоциклировании.

1. Аналитический обзор

1.1 Основные требования к монтажу кристаллов MOS-транзисторов

Мощные металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOS-транзистор) в силу уникальных характеристик по сравнению с биполярными транзисторами, а именно наносекундной скорости переключения, высоких рабочих напряжений и температур, больших токов и значительной мощности, получают все более широкое применение в силовой электронике. Это сопровождается непрерывным повышением требований к качеству и надежности. Надежность во многом зависит от того, насколько управляем технологический процесс, что в свою очередь связано с воспроизводимостью отдельных технологических операций в непрерывном процессе производства [2]. Управляемость процессом становится целенаправленной, если известна зависимость значений выходных параметров изделий от их значений на отдельных операциях.

Известно, что даже малые отклонения от оптимального технологического процесса могут привести в процессе производства и при длительном хранении к существенным изменениям значений выходных электрических параметров. Чтобы избежать этого, для оптимизации технологического процесса применяют активные методы исследования и контроля. Важнейшую роль в формировании качества MOS-транзистора на стадии сборки играет операция монтажа кристаллов в корпус. Наличие высоких температур в процессе монтажа кристаллов и значительное различие в ТКЛР используемых материалов обуславливают возникновение термических напряжений в кристалле, как в процессе сборки, так и в процессе эксплуатации, особенно при термоциклических воздействиях. Формирование неоднородностей в эвтектическом слое под кристаллом (несплошности эвтектики, микротрещины и т.п.) приводит к изменению теплоэлектрического состояния прибора [2, 3]. Скорость деградационных процессов экспоненциально возрастает при увеличении температуры и локализуется в областях микронеоднородностей на границе раздела "кристалл - кристаллодержатель", вызывая перегрев активной структуры и ухудшение электрических параметров транзисторов. Поэтому в производстве MOS-транзистора актуальной задачей является проведение исследований технологических операций сборки с последующей оптимизацией параметров процессов, обеспечивающих высокую надежность изделий.

На надежность мощных транзисторов в процессе эксплуатации оказывает наибольшее влияние теплоэлектрическое характеристики соединения корпуса и кристалла. На стадии формирования соединения вероятно образование скрытных деффектов (пустот, микротрещин, сколов), что и приводит к формированию областей под кристаллами, тепловое сопротивление которых значительно превышает норму [1].

Если дефекты не находятся в высоконагруженной области кристалла транзистора и их площадь не велика по отношению к площади кристалла, то для основной части приборов уровень теплового сопротивления будет невысокий.

Но при продолжительной работе в условиях высоких перепадов температур высок риск выхода из строя этих приборов вследствие увеличения микротрещин вплоть до активной структуры.

На величину остаточных термических напряжений во многом влияет качество присоединения кристаллов на припой.

1.2 Пайка эвтектическим сплавом золото-кремний

Один из традиционных методов пайки кремниевых кристаллов к корпусу транзистора - пайка эвтектическим золото-кремниевым сплавом.

Процесс эвтектической пайки представляет собой приведение в контакт кремниевого кристалла и золотой контактной площадки при температуре, чуть выше температуры формирования эвтектики. В результате взаимодействия кремния с золотом образуется эвтектический сплав. Перемещение кристалла по поверхности контактной площадки позволяет ускорить образование жидкого сплава. Для кристаллов большой площади используют спалав Au-Sn-Si, температура плавления которого 280°С.

Рисунок 1. Схема монтажа кристалла в корпус: 1 - инструмент; 2 - кристалл; 3 - корпус; 4 - эвтектический сплав; 5 - рабочий стол с подогревом

Такой состав, при концентрации кремния 0.1 весового процента образует эвтектический сплав с включениями золота, что дает возможность дополнительному количеству кремния раствориться в сплаве. Это позволяет получить жидкую фазу припоя при температуре, равной температуре образования эвтектики, а это крайне важно для кристаллов, не стойким к высоким температурам [5, 6, 7].

Температура плавления эвтектики золото-кремний равна 363^оС, она значительно ниже температуры плавления каждого из составляющих материалов: золота 1063^оС и кремния 1412^оС. Эвтектический сплав содержит 19 ат. % (3 масс. %) кремния и 81 ат. % (97 масс. %) золота. Это соответствует соотношению исходных объемов кремния и золота примерно 1:4. Растворимость этих элементов друг в друге в твердом состоянии невелика. При их контакте и при повышении температуры до температуры образования эвтектики благодаря взаимной диффузии образуется жидкий сплав эвтектического состава, что ускоряет диффузию элементов [8, 9].

При монтаже кристалла контактно-реактивной пайкой на основание корпуса между соединяемыми материалами (алюминий-германий, золото-германий, золото-кремний) в результате контактного плавления при приложении нагрузки и температуры происходит образование эвтектики соответствующей структуры, которая имеет высокую активность, хорошо смачивает твердые поверхности и при кристаллизации обеспечивает качественное соединение [10].

Для разрушения оксидных пленок на соединяемых поверхностях и ускорения образования эвтектического сплава производят механическое перемещение кристалла относительно корпуса. Это достигается введением в зону контакта присоединяемых элементов низкочастотных вибраций в соответствии с рисунком 1. Для повышения интенсивности процесса монтажа в зону, где образуется соединение вносят механические колебания частоты от нескольких герц до 60 кГц. Оптимальные режимы присоединения кристаллов к золоченой поверхности: температура (390-420) °С, время 3 с, давление на кристалл - 8 кПа [4].

Величина нагрева при контактно-реактивной пайке (400-430) °С, усилие сжатия (0,5-1) Н (зависит от площади кристалла). Увеличением удельного давления до 100 Н/мм ² и температур пайки до (440-450) °С можно получить время монтажа менее 1 с для кристаллов размером до 3Ч3 мм и в пределах (1-3) с - для кристаллов больших размеров. Схема монтажа показана на рисунке 1.

При монтаже кристаллов корпус прибора нагревают до температуры, превышающей температуру эвтектики. Кристалл прижимается инструментом к основанию с определенным давлением и "притирается" колебаниями заданной траектории (по кругу, квадрату, эллипсу и т. д.) в соответствии с рисунком 2.



Рисунок 2. Траектория движения кристалла в процессе монтажа: а) по кругу; б) по эллипсу; в) по квадрату; г) по восьмерке

Колебания активируют эвтектическую реакцию за счет разрушения оксидов, вовлечения большего количества материала покрытия с монтажной площадки, более равномерного и плотного заполнения микронеровностей и лучшего смачивания их поверхностей. Для кристаллов с линейным размером более 1 мм амплитуда задаваемых колебаний обычно переменная: начальная большая, а конечная маленькая (рисунок 3). Это позволяет повысить точность монтажа. После окончания колебаний кристаллы фиксируются в одном положении.

Рисунок 3. Амплитуда колебаний кристалла в процессе пайки

Установлена зависимость качества пайки от подготовки монтажной поверхности кристалла и наличия остатков клея после снятия кристалла с адгезионного носителя. Сравнительные испытания для шлифованных, полированных и химически полированных кристаллов показывают, что более высокое качество монтажа обеспечивается после химической полировки (свыше 90 % эвтектики), незначительно уступает механическая полировка (около 87 % эвтектики), а после шлифовки образуется примерно 80 % эвтектики. Такая зависимость характеризует эвтектическую пайку кристаллов площадью более 4 мм ². При уменьшении площади кристаллов до (1-1,5) мм ² качество присоединительной поверхности кристалла заметного влияния не оказывает. При монтаже указанных групп кристаллов в идентичных условиях образование эвтектики у химически полированных идет значительно быстрее, чем у шлифованных. Например, для кристаллов с площадью 8 мм ² разница по времени составляет (1,5-2,0) с. В отличие от контактно-реактивной пайки, эвтектический сплав (обычно в виде таблетки) вводится в качестве припоя между кристаллом и монтажной площадкой корпуса. В данном случае следует учитывать возможность образования пор в плоскости раздела между кристаллом и монтажной площадкой, из-за которых надежность приборов при их длительной эксплуатации может снизиться. Припойный сплав должен иметь высокую прочность, тепло- и электропроводность, а также обладать стабильными химическими и физическими свойствами во времени и при различных температурах.

Пайка должна быть высокотехнологичной и легковоспроизводимой, не приводить к общему и локальному перегреву кристалла, а также температурным напряжениям на его поверхности. При хорошей воспроизводимости процесса возможно получение гарантированного качества и высокого процента выхода годных приборов. Для этого эвтектический сплав должен химически реагировать и хорошо смачивать поверхность, как кристалла, так и монтажной площадки. Эвтектическая структура устанавливает связь между поверхностями и придает соединению необходимые свойства. Однако равномерное смачивание припойным сплавом соединяемых поверхностей еще не гарантирует создания эвтектической структуры во всей зоне раздела [10, 11].

Качественное присоединение кремниевого кристалла к корпусу зависит от создания когерентной (согласованно протекающей во времени) структуры в зоне раздела кристалл-корпус. Если реакция не проходит, структура не образуется, и появляются раковинки. Однако добавление даже небольшого количества кремния к эвтектической структуре значительно повышает точку плавления любого обогащенного кремнием сплава. Фактически увеличение температуры настолько велико, что схема на кремниевом кристалле во время пайки может быть повреждена. Кроме того, поверхности кристалла и подложки не должны содержать примесей или оксидов, органических остатков и следов загрязнения растворами после обработки. Процесс присоединения кристалла предпочтительно осуществлять в инертной среде, например, в азоте. При несоблюдении этих условий будут образовываться раковинки, следствие которых - плохая адгезия [10].

Эвтектический сплав золото-кремний имеет ряд достоинств: он обладает низкой температурой плавления, хорошей текучестью и смачиваемостью, стойкий к окислению, в паяном соединении не создает больших остаточных напряжений, образующиеся вследствие разницы температурных коэффициентов расширения соединяемых материалов, и, главное, обладает высокой удельной теплопроводностью (190-285) Вт/м·^оС [8, 12]. Помимо этого, жидкий эвтектический сплав между соединяемыми поверхностями увеличивает сглаживание различных неровностей.

Кроме упомянутых достоинств, пайке эвтектикой присущи некоторые недостатки. Установлено, что для данного процесса сборки выход годных снижался в основном из-за отслаивания кристаллов в следствии неравномерного образования эвтектики по площади кристалла [13].

Свидетельством плохой смачиваемости припоем золотой поверхности корпуса и кристалла или же недостаточно высокой температуры пайки является не растёкшийся припой. Результатом этого может стать низкая прочность паяного соединения, а также его высокое тепловое сопротивление.

Плохая смачиваемость поверхности кристалла кремния может быть обусловлена наличием слоя его окисла на поверхности [14]. При толщине остаточного оксида кремния более 5 нм и температуре пайки (400-500) °С кремний не может диффундировать с золотом в требуемом количестве [13]. В результате он может отслаиваться, так как площадь области образования эвтектики недостаточно велика.

В работе [5] было установлено, что для достижения требуемого теплового сопротивления необходимо толщина припоя не менее 20 мкм в соответствии с рисунком 4. Тепловой поток распределяется равномерно, так как при высоком уровне вибрации, структура припоя под кристаллом однородна.

В работе [13] было показано, что достаточно наращивать гальванически 9 мкм золота.

Рисунок 4. Зависимость переходного теплового сопротивления кристалл - корпус Rt от толщины припоя [5]

1.3 Пайка припоями из сплавов металлов

Пайка - это метод создания электрического и теплового контакта между элементами. Процесс пайки предусматривает дополнительный материал между навесными элементами и контактными площадками - припой. Дополнительные слои увеличивают сопротивление контакта. По этому параметру пайка занимает последнее место среди других видов соединений. Технология пайки основывается на плавлении припоя. Температура плавления зависит от функционального назначения соединения, начиная от высокой температуры для конструктивных элементов, кончая низкой - для высокочувствительных транзисторов и т.п. Температура плавления регулируется подбором металлов и их соотношения в припое (сплаве).

1.3.1 Пайка свинцовыми припоями

Основными компонентами традиционных низко- и среднетемпературных припоев являются олово и свинец. Эвтектика свинец - олово соответствует массовой доле олова 61,9 % (Рисунок 5).

Рисунок 5. Диаграмма состояний сплава свинец - олово

На этом соотношении основан припой ПОС-61. Серебро, сурьма, кадмий и висмут добавляются в качестве присадки, что придает специальные свойства. Например, кадмий, висмут уменьшают температуру затвердевания и плавления припоя, а сурьма и серебро повышают её. Серебро увеличивает прочность за счет уменьшения окисления олова. Сурьма обладает этим же эффектом, однако наряду с увеличением прочности соединения, она делает его более хрупким, а растекаемость по меди ухудшается [15]. Увеличение процента содержания олова в припое увеличивает его механическую прочность, но при этом растет и его цена, так как олово примерно в 20 раз дороже свинца.

В результате нагревания на несколько градусов выше температуры плавления припоя слоистой структуры "металл основания - припой - металл вывода навесного элемента" формируется диффузионная зона. Именно она является связующим звеном соединения.

Среди различных способов пайки широко распространен традиционный способ пайки с помощью свинцово-серебряного припоя ПСр-2,5, в состав которого входит также 2,5 % серебра и 5,5 % олова. Температура начала плавления припоя ПСр-2,5 составляет (295-300) °С, поэтому пайку им осуществляют при температуре кристалла около 320^оС [16]. Преимущества припоя ПСр-2,5 заключаются в дешевизне припоя (из-за отсутствия золота) и высокой производительности процесса пайки, обеспечиваемой групповой обработкой одновременно большого количества приборов. В то же время такие припои на основе свинца, обычно применяемые для монтажа кристаллов, имеют недостаток [3, 17]: интенсивное растворение золота (покрытия корпуса), как в жидкой фазе при пайке, так и в твердой фазе при эксплуатации. Этот недостаток должен проявиться при сравнении результатов пайки кристаллов кремния в корпусах с разным покрытием: золотым и никелевым.

Для улучшения смачиваемости обратной стороны кремниевого кристалла расплавленным припоем в данной работе применили металлизацию обратной стороны, как это делалось в работах [17-19].

1.3.2 Бессвинцовые припои и их свойства

Главными преимуществами таких типов припоев (за исключением экологических) являются более высокие эксплуатационные характеристики. Но есть ряд причин, ограничивающих такой тип припоев в промышленном применении. Дело в том, что более высокая температура пайки, необходимая для бессвинцового типа припоев, предполагает применение более сложного паяльного оборудования, так как приходится поддерживать более узкий диапазон термопрофиля.

Принципиально, кроме температуры, бессвинцовая технология пайки практически ничем не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии пайки.

Но некоторые операции технологического процесса потребуют изменений. К примеру, на характеристики припойной пасты могут оказать влияние новые типы флюсов и припоев. Возможно изменение таких характеристик паст, как срок хранения и службы, текучесть, а это в свою очередь потребует изменений в режимах оплавления и конструкции оснастки.

Воздействие более высоких температур пайки могут привести к вспучиванию корпусов, растрескиванию кристаллов и нарушению функционирования схем [20, 24, 25].

Чтобы оценить влияние увеличения времени и температуры пайки потребуется переаттестация существующей технологии пайки.

Бессвинцовые паяльные пасты, а именно сплав золото/олово наиболее широко применяется в изделиях, которые при производстве подвергаются воздействию повышенных температур (более 150 °С), в случаях, когда необходима высокая прочность на отрыв кристаллов, высокая коррозионная стойкость, либо в изделиях, технологический процесс сборки которых предусматривает поэтапное температурное воздействие. В последнем случае, использование сплава золото/олово позволяет предотвратить разрушение или деформацию паяного соединения кристалла с подложкой при последующих процессах производства микроэлектронного изделия, сборки печатного узла.

Необходимо учесть ряд факторов при переводе производства изделий на бессвинцовую технологию пайки. Припой выбирают с учетом особенности конструкции устройства, его топологии и предполагаемых условий его эксплуатации. Кроме того, важно учесть температуру плавления припоя и устойчивость монтируемых компонентов к этой температуре, а также надёжность таких паянных соединений.

1.4 Монтаж на токопроводящую клеевую композицию

Для монтажа кристаллов на токопроводящий клей необходимо предварительно сформировать систему металлизации на непланарной поверхности кристалла. Поскольку в этом случае элементы системы металлизации на непланарной стороне кристалла не участвуют в образовании эвтектики, то для опытных образцов применена металлизация Ti-Ni-Ag, широко используемая в производстве MOS-транзисторов в пластмассовом корпусе в соответствии с рисунком 6 [13].

Рисунок 6. Структура соединения токопроводящей клеевой композицией: 1 - Si; 2 - Ti (0,03-0,05) мкм; 3 - Ni 0,5 мкм; 4 - Ag 0,6 мкм; 5 - клей; 6 - подложка

Для монтажа кристаллов применена токопроводящая клеевая композиция на основе эпоксидной смолы с наполнителем в виде мелкодисперсного серебряного порошка и содержанием растворителя 10 %. Время отверждения клея на потоке во время приклеивания - 1 минута.

Типовые свойства неотвержденного адгезива: содержание серебра - 81 %, вязкость при температуре 25 °С - 32 000, срок хранения при температуре 40 °С - 6 месяцев. Типовые свойства отвержденного адгезива: температура стеклования - 78 °С, коэффициент линейного теплового расширения б = 57 дюйм/°С, теплопроводность - 1,3·10-2 Вт/см·°С; разрушающее напряжение клеевого соединения при сдвиге - 70 МПа, удельное объемное электрическое сопротивление (3-6) 10-6 Ом/см, рабочая температура - 250 °С.

Кроме того, не только тип наполнителя, но и его концентрация влияет на свойства электропроводящих клеев, повышение которой увеличивает электропроводность клея. Однако применение большого количества наполнителя приводит к ухудшению механических свойств.

Рисунок 7. Присоединение кристаллов с помощью клеевой композиции: 1 - рамка; 2 - капля клея; 3 - металлический наконечник; 4 - металлический наконечник; 5 - клеевая композиция; 6-поршень; 7 - планшайба

Клеевая композиция поставляется в пневмошприце, поэтому для ее использования необходимо применять пневмодозатор на рисунке 7. Отмечено влияние дозы клея на непланарной поверхности кристаллов на процент брака по внешнему виду в соответствии с рисунком 7 [13].



1.5 Подготовка поверхности

Подготовка поверхности имеет большое значение, т.к. при хорошей обработке поверхности (в нашем случае обратной стороны) мы улучшаем качество паяного соединения и облегчаем процесс пайки. В подготовку поверхности входит: отмывка пластин с кристаллами от загрязнений (органических, механических), обработка ионным пучком перед нанесением металлизации, которая позволяет удалить слой окисла.

1.5.1 Металлизация обратной стороны

Металлизацию обратной стороны Ti-Ni применяли в работах [10-12]. Осаждение металлизации Ti-Ni осуществлялось в установке 01 НИ-7-015 непрерывного действия с магистральной системой распыления при следующих режимах: давление в камере менее 6·10-5 Па, ток нагрева - 3,5 А, мощность магнетрона для титана - 2 кВт, мощность магнетрона для никеля равна 3кВт, при скорости линии - 100 мм в минуту. После формирования Ti-Ni выполнялось осаждение припоя в установке электронно-лучевого испарения в вакууме. Напыление проводилось тремя слоями: I слой Sn - 2 мкм, II слой Pb - 7 мкм, III слой Sn - 1 мкм. Режимы напыления: температура - 280°С, напряжение - 6кВ; ток - 0,5А, время: напыление первого слоя Sn - 240 с, Pb-Sn - 480 с, второго слоя Sn - 120 с.

Наличие тонкого слоя припоя на непланарной поверхности определяет необходимость использования сквозного разделения пластин на кристаллы на автомате ЭМ-2005 с использованием адгезивного носителя ЛС-1А. Напайка кристаллов выполнялась на установке ЭМ-4105. Режимы пайки: температура Т = (250-320) °С, нагрузка на инструмент Р = 0,7 Н, амплитуда колебаний инструмента Ax, y = (1-15) ед. В процессе напайки кристаллов важно получить полное соединение по всей площади кристалла без пор, пустот и непропаев. Это достигалось выбором оптимальной температуры и амплитуды вибрации в плоскости x, y. В данной работе использовали другие два вида металлизации Ti-Ni-Au или Ti-Ni, соответствующие двум видам корпусов, сравниваемых в данной работе.

1.5.2 Обработка пластин перед пайкой

От смачиваемости поверхности основного металла расплавленным припоем зависит стойкость к коррозии, прочность и другие важнейшие свойства паянного соединения. В процессе смачивания происходит сближение атомов металлов на расстояние <100нм и в поверхностном слое взаимодействующих металлов образуются связи.

При растекании припоя идет взаимодействие основного металла с жидкой фазой припоя, что проявляется в диффузии металла и его растворении. На скорость и глубину этих процессов влияет природа взаимодействующих металлов, температура, скорость и время нагрева, напряжения в основном металле. Диффузионные процессы, возникающие при пайке, способствуют увеличению прочности соединений, но эрозия основного металла расплавленным припоем, а также появление интерметаллидов оказывают отрицательное воздействие, так как приводят к хрупкости паянного соединения (рисунок 8).

Рисунок 8. Строение паяного шва (а) и изменение прочности паяных соединений в зависимости от ширины диффузионной зоны

В результате химического взаимодействия двух металлов может возникнуть интерметаллическое соединение Mg₂Sb, обладающее гораздо большей температурой плавления (рисунок 9). Интерметаллические соединения теряют пластические свойства унитарных металлов, становятся хрупкими. Интерметаллические соединения в паяном или сварном шве существенно уменьшают надежность контакта. Проводимость интерметаллидов меньше, т.к. часть свободных электронов идет на формирование анионов сурьмы Sb (5 группа).

Рисунок 9. Диаграмма состояния химического соединения Mg2Sb

Процесс подготовки включает в себя удаление загрязнений органического и минерального происхождения, а также удаление оксидных пленок. Препятствующие смачиванию расплавленным припоем пленки удаляют механическими или же химическими (травлением, обезжириванием) способами.

1.6 Постановка задачи

Исходя из проведенного аналитического обзора и задач предприятия, основными задачами для ВКР являются:

- Исследование технологии сборки мощных MOS/DMOS-транзисторов в корпусах с золотым и никелевым покрытием.

- Разработка технологии монтажа мощных MOS/DMOS -транзисторов в металлокерамические корпуса с целью снижения теплового сопротивления транзисторов и увеличения выхода годных.

Требуется:

- Оценить роль предварительной металлизации обратной стороны кремниевой пластины, содержащей кристаллы транзисторов.

- Разработать технологический процесс пайки кристаллов эвтектическим сплавом золото-кремний в позолоченный корпус КТ-94.

- Разработать технологический процесс пайки тех же кристаллов припоем ПСр-2,5 в позолоченный корпус КТ-94 и в никелированный корпус КТ-97 и выявить особенности таких процессов.



2. Экспериментальная часть

2.1 Технологическое оборудование и режимы

Нанесение металлизации проводили на установке Kurt J. Lesker PVD250 (рисунок 10). Испарение металлов производилось электронным лучом: титана из вольфрамового тигля, а золота из графитового тигля. Расстояние от испарителя до подложек было 515 мм. Подложки во время нанесения были нагреты до 300 ^оС. Скорость нанесения поддерживалась постоянной с помощью кварцевого датчика скорости нанесения и толщины пленки. Испарение останавливалось по достижении заданной толщины пленки. Особенности процесса будут описаны ниже.

Рисунок 10. Установка Kurt J. Lesker PVD 250

Отжигали подложки в потоке азота в печи для быстрого отжига UniTemp GmbH RTP-1200-100. Длительность отжига была 300 с при различных температурах в диапазоне (380-450) ^оС. После каждого отжига образцов оценивались результаты термообработки по поверхностному сопротивлению металлизации, цвету и матовости ее поверхности, оцениваемых на глаз, и морфологии поверхности металлизации, оцениваемой с помощью лазерного микроскопа 3D Measuring Laser Microscope OLS4000.

Разделение кремниевой пластины на кристаллы осуществляли на установке proVectus ADT (advanced dicing technologies) 7100.

Рисунок 11. Установка proVectus ADT 7100

Пайку кристаллов в корпусе вели в двух установках. Первая это программируемая печь модели SST-5100. Эта вакуумная печь обеспечивает откачку, нагнетание, продувку и вытяжку при давлении от 50 мтор до 2,7 атм. Используемые инертные среды - азот и формиргаз (95 % азота и 5 % водорода). Внешний вид установки показан на рисунке 13.

Рисунок 12. Внешний вид установки SST-5100: 1 - Сенсорный дисплей, на котором видим систему управления печи; 2 - Ручка для открытия/закрытия крышки камеры установки; 3 - Панель управления; 4 - Кнопка экстренного отключения

Рисунок 13. Рабочий температурный профиль (а) и профиль давления (б), используемые в типичном процессе в печи SST 5100

Программное обеспечение позволяет осуществлять изменение температуры деталей, ее выдержку, охлаждение и повышение давления в любой момент во время проведения процесса. ПИД контроллер обеспечивает изменение с точностью в один градус и повторяемостью во всем температурном диапазоне печи (100-450) °С. На рисунке 13 отображены рабочий температурный профиль и профиль давления, используемые в типичном процессе в печи SST 5100.

Программа для автоматического процесса пайки состоит из следующих этапов:

1) Откачка воздуха из камеры, создания вакуума для очистки атмосферы в рабочей зоне.

2) Продувка камеры азотом.

3) Нагрев камеры до температуры ниже температуры плавления припоя (300 ^оС).

4) Выключение продувки азотом.

5) Выдержка около двух минут в температуре до плавления припоя.

6) Напуск формиргаза и включение вытяжки.

7) Нагрев до температуры плавления припоя.

8) Выдержка две минуты.

9) Выключение формиргаза и вытяжки.

10) Перед окончанием выдержки создание вакуума для удаления пустот в преформе.

11) Выключение нагревателя и откачки.

12) Напуск азота до давления 2,7 атм.

13) Включение вытяжки.

14) Охлаждение в азотной среде.

15) Выключение азота и вытяжки.

Вторая установка для пайки кристаллов в корпусе - это установка монтажа кристаллов ЭМ-4075А (Рисунок 14). Она предназначена для присоединения полупроводниковых кристаллов при сборке приборов методом вибрационной эвтектической пайки в ручном режиме.

Установка включает в себя:

- Головку присоединения кристаллов.

- Нагреваемый рабочий стол для закрепления корпуса прибора, с температурой нагрева от 50 до 450 °С ±10 °С.

- Предметный столик с зеркальной подложкой, на который укладываются кристаллы.

- Вибрационную головка присоединения кристаллов с нагревательным инструментом, с температурой нагрева рабочего инструмента (50-250) °С ±25 °С.

- Микроскоп с увеличением от 4,6 до 100 крат и полем зрения соответственно от 39 до 2,4 мм, фокусным расстоянием 90 мм.

- Световой визир для совмещения инструмента с кристаллом.

Захват кристаллов осуществляется инструментом с вакуумом с предметного столика или многорядной ячеистой кассеты. Корпуса или подложки устанавливаются в рабочую зону нагреваемого стола дискретно.

Рисунок 14. Настольная установка для эвтектического монтажа кристаллов ЭМ-4075А

Процесс присоединения кристаллов методом пайки заключается в нагреве соединяемых элементов до температуры образования жидкой фазы соединяемых материалов (кремний, германий, золото, припой) с последующим наложением колебаний в горизонтальной плоскости при помощи эксцентрикового привода и создания усилия сжатия соединяемых элементов. При недостаточной толщине металлизации монтажной площадки для выполнения качественной пайки используют промежуточную прокладку из соответствующего материала, которая может быть присоединена к монтажной площадке непосредственно на установке (прокладка предварительно укладывается на тот же предметный столик, рядом с кристаллами или на отдельный предметный столик и захватывается вакуумом, как и кристаллы).

Для микросварки выводов использовали систему Orthodyne 3600Plus, которая представляет собой установку с одиночной головкой для клиновой ультразвуковой микросварки проволочных выводов в большой рабочей зоне. Система предназначена для микросварки выводов из толстой алюминиевой проволоки диаметром от 100 до 500 мкм (от 4 до 20 мил).

Основной модуль включает в себя сварочную головку, движущуюся систему, систему визуального контроля, ограждение рабочей зоны, микроскоп, цветной ЖКИ монитор, панель управления, клавиатуру, панель разъемов и шкаф электронного оборудования (рисунком 15).

Рисунок 15. Установка Orthodyne 3600Plus для микросварки проволочных выводов

Внутри корпуса движущейся системы расположены два сервопривода, перемещающие сварочную головку вдоль четырех осей. Устройство для размотки проволоки большого диаметра предназначено для размотки проволоки диаметром от 100 до 500 мкм. Оно оборудовано микропроцессором, который работает под управлением контроллера сварочной системы.

На установке для микросварки проволочных выводов Orthodyne 3600Plus могут устанавливаться сварочные головы разных модификаций: с передним и задним вырезом, с системой активного формирования петли (ALC) и без нее. В нашем случае использовалась сварочная голова с передним вырезом и системой ALC.

Используются три режима сварки. Сварка деталей в автоматическом режиме осуществляется под управлением технологических программ. Автоматический режим обычно используется для сварки в сборочных линиях. Сварка в ручном режиме предназначена для сварки одиночных проволочных выводов без рабочей программы и распознавания образов. Оператор управляет сварочной установкой в реальном времени с помощью трекбола и клавиш панели управления. Пробная сварка в режиме создания технологических программ предназначена для создания, изменения и проверки технологических программ, которые впоследствии используются для автоматической сварки. кристалл транзистор золото припой

Для контроля качества пайки использовали рентгеновскую установку высокого разрешения типа Micromex DXR 180*B фирмы General Electric, на которой получали рентгенограммы изготовленных образцов. Применимость метода проверяли на примере корпусов транзисторов КТ-57 с впаянными в них кристаллами транзисторов 2Т-866 и 2П-762. Монтаж кристаллов проводили по обычной технологии: пайка через золотую прокладку толщиной 20 мкм без металлизации обратной стороны кристалла. Полученные рентгенограммы были сопоставлены с измеренными значениями теплового сопротивления тех же образцов. Результаты показаны на рисунке 16. Сопоставление показало, что визуальная оценка качества пайки по рентгенограмме согласуется с измеренным значением теплового сопротивления: чем больше пустот в пайке (светлых площадей на рентгенограмме), тем выше тепловое сопротивление.

Рисунок 16. Рентгенограммы корпусов транзисторов с впаянными в них кристаллами транзисторов (а) 2Т-866 и (б) 2П-762 и соответствующее им тепловое сопротивление в °С/Вт

Другой способ контроля качества пайки кристалла - использование акустического ультразвукового микроскопа. Полученные при монтаже в корпус прибора образцы с пайкой кристаллов через прокладку из эвтектического сплава толщиной 20 мкм исследовались при помощи акустического микроскопа D9500 (рисунок 17). Пайка прошла успешно в режиме: при температуре 450°С, с качественным прижимом и притиркой. Однако при анализе полученного соединения на акустическом микроскопе D9500 было выявлено, что в образцах имеются неоднородности. Белый цвет означает пустоту (непропай), его процентное соотношение приведено в таблице 1.

Таблица 1. Толщины слоя гальванического золота в полученных образцах

№ образца на рисунке 17	Золотая прокладка, 20 мкм	Толщины слоя золота, мкм	Пустоты, % (визуальная оценка)
1	Есть	4	2
2	Есть	2	5
3	Нет	2	20
4	Нет	1,7	30

Рисунок 17. Микрофотографии образцов. Акустический микроскоп D9500 (увеличение х 20)

Прямые измерения теплового сопротивления паяного соединения проводили на установке БКВП 411189044.

Рисунок 18. Установка для измерения теплового сопротивления БКВП 411189044

2.2 Исследование пайки кремниевых кристаллов в золоченые корпуса с помощью эвтектики золото-кремний

2.2.1 Исследование образования эвтектического сплава на металлизированной обратной стороне кристалла

В этом разделе в качестве образцов были использованы кремниевые пластины диаметром 76 мм и толщиной 200 мкм, полированные с обратной стороны. Подготовка обратной стороны кремниевой пластины, заключалась в следующем: пластину кремния тщательно отмывали, и на обратную сторону пластины в электроннолучевой установке наносили последовательно пленку титана толщиной 0,01 мкм и пленку золота толщиной 0,1 мкм. Напыление проводилось при температуре 300 °С. Перед напылением титана непосредственно в вакуумной камере пластину очищали от слоя окисла с помощью бомбардировки пучком аргона в течение 5 минут и нанесение пленки титана вели, не прекращая бомбардировки ионами аргона.

Здесь толщина титана должна быть одновременно достаточной для обеспечения адгезии золота, но не мешать образованию эвтектики. Иначе, образование фазы Au-Si на первой стадии будет затруднено из-за присутствия барьера в виде толстого слоя Ti. То, что выбранная толщина отвечала этим двум противоречивым требованиям, проверили следующим экспериментом. После напыления покрытия титан-золото были проведены измерения поверхностного сопротивления. После этих измерений пластину отожгли при 450 °С в азотной среде в течение 5 минут, с предварительной откачкой воздуха и других газов из камеры печи. Были проведены повторные измерения поверхностного сопротивления, результаты приведены в таблице 2.

По результатам видно, что произошло резкое увеличение поверхностного сопротивления (в 18-24 раза). Это связано с тем, что произошло взаимодействие между кремнием и золотом с образованием их эвтектического сплава. Такая эвтектическая реакция произошла, невзирая на наличие подслоя титана, который растворился в пленке эвтектического сплава.

Таблица 2. Результаты измерения поверхностного сопротивления покрытия титан-золото до и после отжига при 450 °С в азотной среде в течение 5 минут

Точка измерения	Поверхностное сопротивление, Ом·кв.
	До отжига	После отжига
1	0,4ч0,41	6,9ч7,2
2	0,51ч0,56	12,21
3	0,61ч0,57	13,8ч13,42

Одновременно произошло изменение внешнего вида покрытия: его цвет изменился от золотого до слабо лимонного, и увеличилась шероховатость в соответствии с рисунком 19. Если исходная шероховатость пленки золота на полированной пластине кремния была 0,004-0,007 мкм, то после отжига она увеличилась до 0,7-0,8 мкм. Видно, что поверхность неровная, но голой поверхности кремния нет, и отслаиваний не было, что говорит о хорошей адгезии покрытия.

Прямое подтверждение образование эвтектического сплава получили рентгеноструктурным анализом. Результаты показали, что на рентгенограммах образца с золотым покрытием до отжига имелись максимумы, соответствующие золоту, которые исчезли после отжига 5 мин при 450 ^оС. Это говорит о полном превращении пленки золота в слой эвтектического сплава.

Таким образом, в нашей ситуации при толщине подслоя титана 0,01 мкм он не помешал взаимной диффузией атомов кремния и золота и образованию эвтектики. Этому не помешал и слой окисла, так как его в значительной степени удалили предварительной очисткой поверхности кремниевой подложки от окисла пучком ионов аргона в той же вакуумной камере, непосредственно перед нанесением титана.

а)

б)

Рисунок 19. Внешний вид покрытия Ti-Au до (а) и после отжига (б) (увеличение 2137)

2.2.2 Эксперименты пайки кремниевых кристаллов в золоченые корпуса с помощью эвтектики кремний-золото

В этом разделе были использованы пластины кремниевые бракованные (для отработки эксперимента). Такие кремниевые пластины содержали кристаллы приборов 2Т-866.

Влияние толщины припоя под кристаллом на тепловое сопротивление пайки было рассмотрено в работе [4]. Исходя из этих данных, необходимо как минимум 20 мкм припоя. Для его образования необходимо 80 об. % золота, то есть 16 мкм. Из них золотое покрытие 7 мкм есть на корпусе, поэтому гальваникой надо наращивать примерно 9 мкм.

В нашей работе на полученное покрытие наращивали гальваникой золото до толщины 4-7,3 мкм (таблица 3). Такие толщины были выбраны, чтобы с учетом слоя золота на корпусе прибора, образовался слой эвтектики оптимальной величины. На таких пластинах при нагреве до ~ 400 ^оС (при этом температура нагревателя 450 ^оС) образуется эвтектика по всей ее площади. Таким способом решается проблема смачиваемости кремниевого кристалла. Применение флюса здесь не нужно, так нет окисленной поверхности кремния.

Таблица 3. Параметры образцов и режимы пайки. Погрешность измерения толщины 7 %. Образцы представляют собой кристаллы транзистора 2Т-866, их размер 4·6 мм 2, корпус КТ-57

№ образца	Толщина слоя золота, мкм	Количество циклов вибраций	Наличие золотой прокладки
1	4,3	1	+
2	4,3	1	+
3	4,3	1	-
4	4,3	2	+
5	4,3	2	+
6	7,3	1	+
7	7,3	1	+
8	7,3	1	-
9	7,3	2	+
10	7,3	2	+
11	4,3	2	-
12	7,3	2	-

В наших экспериментах также оценивался вопрос о влиянии количества циклов вибраций инструмента во время пайки (таблица 4). Дело в том, что в технологии пайки кристаллов в корпус прибора без металлизации обратной стороны кристалла для удаления окисла, ускорения образования жидкого сплава и заполнения возможных пустот, кристалл перемещают по поверхности контактной площадки [5, 27]. Это достигается введением в зону контакта присоединяемых элементов низкочастотных вибраций, то есть механических колебаний вдоль соединяемых поверхностей. При посадке кристалла на эвтектику Au-Si, образующуюся в процессе пайки взаимным растворением материала кристалла и золотого покрытия при 400-420 °С, вибрация ускоряет разрушение оксидной пленки на кремнии [5]. Такие методы интенсификации процесса пайки имеют определенные недостатки: при низкочастотной вибрации затруднен процесс разрушения оксидных и адсорбированных пленок, а применение УЗ-колебаний требует тщательного контроля параметров (времени, давления и амплитуды колебаний), чтобы исключить возникновение механических напряжений в кристалле. В нашем случае роль вибраций может быть не столь важна, так уже устранен окисел на поверхности кремния.

Действительно, эксперимент показал, в соответствии с рисунком 20, что при пайке с прокладкой количество циклов вибраций не имеет значения (сравни образцы №1, 2 и 5 при толщине гальванического золота 4,3 мкм) и (сравни образцы №6, 7 и 10 при толщине гальванического золота 7,3 мкм). Из этих же рентгеновских фотографий видно, что при пайке с прокладкой толщина гальванического золота в диапазоне (4,3-7,3) мкм не влияет на результат пайки.

Рисунок 20. Образец №1: слой золота 4,3 мкм, 1 цикл вибраций с прокладкой

Рисунок 21. Образец №2: слой золота 4,3 мкм, 1 цикл вибраций с прокладкой

Рисунок 22. Образец №5: слой золота 4,3 мкм, 2 цикла вибраций с прокладкой

Рисунок 23. Образец №6: слой золота 7,3 мкм, 1 цикл вибраций с прокладкой

Рисунок 24. Образец №7: слой золота 7,3 мкм, 1 цикл вибраций с прокладкой

Рисунок 25. Образец №10: слой золота 7,3 мкм, 2 цикла вибраций с прокладкой

Рисунок 26. Образец №3: слой золота 4,3 мкм, 1 цикл вибраций без прокладки

В то же время при пайке без прокладки два цикла вибраций хуже, чем один.

Рисунок 27. Образец №11: слой золота 4,3 мкм, 2 цикла вибраций без прокладки

Рисунок 28. Образец №8: слой золота 7,3 мкм, 1 цикл вибраций без прокладки

Это верно, как для толщины гальванического золота 4,3 мкм (сравни образцы №3 и 11), так и для толщины гальванического золота 7,3 мкм (сравни образцы №8 и 12).

Рисунок 29. Образец №12: слой золота 7,3 мкм, 2 цикла вибраций без прокладки

Важный вывод, который можно сделать после экспериментов с пайкой кристаллов с одним циклом вибраций, заключается в том, что наличие прокладки не улучшает качества пайки. Сравни: образцы №1, 2 и 3 для толщины гальванического золота 4,3 мкм и образцы №6, 7 и 8 для толщины гальванического золота 7,3 мкм. Поэтому кристаллы с металлизированной обратной стороной целесообразно паять без прокладки.



Рисунок 30. Образец №3: слой золота 4,3 мкм, 1 цикл вибраций без прокладки

Рисунок 31. Образец №8: слой золота 7,3 мкм, 1 цикл вибраций без прокладки

Выводы, на основе вышеприведенных рентгеновских фотографий:

- При пайке кристаллов с одним циклом вибраций наличие прокладки не улучшает качества пайки. Сравни: образцы №1, 2 и 3 для толщины гальванического золота 4,3 мкм и образцы №6, 7 и 8 для толщины гальванического золота 7,3 мкм. Поэтому кристаллы с металлизированной обратной стороной целесообразно паять без прокладки.

...