Ниже приведены рентгенограммы полученных образцов.

Рисунок 32. Образец 1 с толщиной гальванического слоя 4,3 мкм

Рисунок 33. Образец 2 с толщиной гальванического слоя 7,96 мкм

Рисунок 34. Образец 3 с толщиной гальванического слоя 9,3 мкм

Рисунок 35. Образец 4 с прокладкой толщиной 20 мкм, без металлизации кристалла

Рисунок 36. Образец 5 с прокладкой толщиной 20 мкм, без металлизации кристалла

Рисунок 37. Образец 6 без прокладки и без металлизации кристалла

Из партии в 30 шт. годных кристаллов, смонтированных в корпуса КТ-94 разброс Rt по образцам с толщиной гальванического слоя золота 7,96 мкм составил (0,383-0,695) °С/Вт при среднем значении 0,483 °С/Вт. Кроме того, в корпусах КТ-94 были смонтированы с помощью золотой прокладки три годных кристалла без металлизации обратной стороны. У них были получены следующие Rt: 0,739, 0,486 и 0,658 °С/Вт при среднем значении 0,627 °С/Вт. Полученные значения говорят о том, что тепловое сопротивление возросло, и имеет место большой его разброс, то есть плохая воспроизводимость результатов.

Выводы по технологии пайки кристаллов в корпуса КТ-94 с помощью эвтектического сплава кремний-золото:

- После очистки от окисла обратной стороны пластины, нанесения на нее покрытия Ti - Au и гальванического осаждения слоя золота во время пайки образовывался эвтектический сплав, который хорошо смачивает обратную сторону пластины и золотое покрытие корпуса, благодаря чему образуется плотный слой припоя.

- Получено тепловое сопротивление в диапазоне (0,446-0,483) °С/Вт. При этом зависимости величины теплового сопротивления от толщины слоя гальванического золота в диапазоне (4,3-9,3) мкм не было выявлено.

- Без металлизации обратной стороны пластины поверхность кремния недостаточно хорошо смачивалась жидким эвтектическим сплавом, образовавшимся из прокладки этого сплава. Поэтому на рентгенограмме видны пустоты и паяный слой имеет неоднородную толщину (рисунки 35, 36; образцы 4 и 5). Это привело к значительному увеличению разброса величины теплового сопротивления, до 0,739, 0,486 и 0,658 °С/Вт при среднем значении 0,627 °С/Вт.

- В то же время металлизация обратной стороны кристалла, полученная только напылением (толщина золота только 0,1 мкм), была недостаточна для образования достаточного количества эвтектического сплава при пайке без прокладки, и поэтому не обеспечила формирование сплошного слоя припоя.

2.3.2 Пайка кристаллов припоем ПСр-2,5

Были использованы пластины с кристаллами n-типа, диаметром 100 мм и толщиной 320 мкм, полированные с обратной стороны. После стандартной отмывки, в электроннолучевой установке на их обратную сторону в одном процессе последовательно нанесли пленку титана толщиной 0,1 мкм, пленку никеля толщиной 0,1 мкм и пленку золота толщиной 0,1 мкм. Пленка никеля здесь играет роль барьера для взаимодействия кремния с золотом и серебряным припоем во время пайки. Напыление проводилось при 300°С. Перед напылением титана, пластину очистили от слоя окисла с помощью бомбардировки пучком аргона в течение 5 минут и напыление вели, не прекращая бомбардировки ионами аргона.

Посадка проводилась в корпуса КТ-94 и КТ-97 через прокладку свинцово-серебряного припоя ПСр-2,5, толщиной 100 мкм. Температура начала плавления припоя ПСр-2,5 равна 305 °С. Для пайки кристаллов в корпуса использовалась программируемая печь для пайки в вакууме или в среде азота высокого давления SST 5100 (США). Для пайки в корпусах КТ-97 с никелевым покрытием применение защитных сред обязательно, поскольку иначе их никелевое покрытие окисляется.

Перед началом пайки в вакуумной печи SST 5100 необходимо произвести подготовку корпуса, преформы и посадку кристалла в корпус изделия:

- Очистку поверхности корпуса прибора, в который будет припаян кристалл, проводили в установке плазменной очистки поверхностей Diener Pico. Очистка проводилась в среде, состоящей из 25 % аргона + 75 % кислорода в течение 12 минут.

- В корпус прибора, в зону посадки кристалла, наносили флюс-гель Indium TACFlux 010 тонким слоем по размеру преформы ПСр-2,5.

- Заранее подготовленную по размеру преформу, (длина и ширина преформы на 100 мкн больше кристалла с каждой стороны, толщина 100 мкм) протирали с обеих сторон спиртом и укладывали в место пайки.

- На поверхность преформы наносили тонкий слой флюса Indium TACFlux 010.

- Укладывали кристалл на преформу.

Подготовленное к пайке изделие помещали в камеру вакуумной печи. После закрытия крышки камеры выбирали запрограммированный нами температурный профиль пайки, и начинали процесс. Процесс пайки полностью автоматический. Выше в разделе 2.1. на рисунке 13 отображен рабочий температурный профиль и профиль давления, режима пайки серебряным припоем.

Пайка в никелированном корпусе КТ-97. На рисунке 38 приведена типичная рентгенограмма с результатами пайки припоем ПСр-2,5 в никелированном корпусе КТ-97. На рентгенограмме видно, что пустот нет и тепловой контакт обеспечен по всей площади кристалла.

Рисунок 38. Типичная рентгенограмма образцов кристаллов при пайке их в корпус КТ-97 через прокладку свинцово-серебряного припоя ПСр-2,5 толщиной 100 мкм

Из партии в 30 шт. годных кристаллов, смонтированных в корпуса КТ-97 разброс Rt по образцам, составил (0,446-0,508) °С/Вт при среднем значении 0,48 °С/Вт.

Выводы по технологии пайки кристаллов в корпуса КТ-97 с помощью сплава ПСр-2,5 в виде прокладки толщиной 100 мкм:

- После нанесения на обратную сторону покрытия Ti - Ni - Au во время пайки смачиваемость припоем обратной стороны пластины была высокой, поэтому рентген не выявляет пустот в паяном слое.

- Из партии в 30 шт. годных кристаллов, смонтированных в корпуса КТ-97, для контроля Rt были выбраны шесть образцов. Получено тепловое сопротивление (0,446-0,508) °С/Вт при среднем значении 0,48 °С/Вт, которое практически равно тепловому сопротивлению, полученному при пайке кристаллов с помощью эвтектического сплава в позолоченном корпусе КТ-94.

Пайка в позолоченном корпусе КТ-94. Ниже приведен рисунок 39 с результатами пайки припоем ПСр-2,5 в позолоченном корпусе КТ-94. Из рентгенограммы видно, что площадь пустот пренебрежимо мала, и тепловой контакт обеспечен практически по всей площади кристалла.

Рисунок 39. Типичная рентгенограмма образцов кристаллов при пайке их в корпус КТ-94 через прокладку свинцово-серебряного припоя ПСр-2,5 толщиной 100 мкм

Из партии в 30 шт. годных кристаллов, смонтированных в корпуса КТ-94, при контроле теплового сопротивления разброс Rt по этим образцам составил (0,581-0,722) °С/Вт при среднем значении 0,66 °С/Вт.

Сравнивая полученные рентгенограммы и величины теплового сопротивления образцов кристаллов в корпусе КТ-94 после пайки их эвтектикой золото-кремний и серебряным припоем, видим, что результаты при пайке эвтектическим сплавом лучше: Rt равно 0,48 вместо 0,66 °С/Вт. Однако оба результата приемлемы. То есть, благодаря хорошей смачиваемости металлизированной обратной стороны кристалла в обоих случаях получены результаты, близкие к предельно возможным.

Выводы

1) Проведены исследования по выбору конструктивно-технологического решения монтажа мощных MOS/DMOS-транзисторов в металлокерамические корпуса.

2) Показано, что предварительная металлизация обратной стороны кремниевой пластины, содержащей кристаллы транзисторов, значительно облегчает процесс пайки и снижает тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом прибора.

3) Разработан технологический процесс пайки кристаллов эвтектическим сплавом золото-кремний в позолоченный корпус КТ-94. Процесс заключается в:

a) нанесении на обратную сторону пластины до ее разделения на кристаллы покрытия титан 10 нм - золото 100 нм;

b) гальваническом осаждении пленки золота толщиной 4-9 мкм;

c) разделении на кристаллы и их припаивании к корпусу при температуре 450 ^оС;

d) проведении разварки алюминиевой проволокой выводов транзисторов;

e) проведении измерений величины теплового сопротивления. В результате получена низкая величина теплового сопротивления: (0383-0,695) °С/Вт при среднем значении 0,483 °С/Вт.

4) Разработан технологический процесс пайки тех же кристаллов припоем ПСр-2,5 в позолоченный корпус КТ-94 и в никелированный корпус КТ-97.

Процесс заключается в:

a) нанесении на обратную сторону пластины, до ее разделения на кристаллы, покрытия титан 100 нм - никель 100 нм - золото 100 нм;

b) разделении на кристаллы и их припаивании к корпусу при температуре 420 ^оС;

c) проведении разварки алюминиевой проволокой выводов транзисторов;

d) проведении измерений величины теплового сопротивления. Получена низкая величина теплового сопротивления: для корпусов КТ-97 - средняя величина 0,48 °С/Вт, и для корпусов КТ-94-0,66 °С/Вт, которые близки тепловому сопротивлению, полученному при пайке кристаллов с помощью эвтектического сплава в позолоченном корпусе КТ-94 (0,483 °С/Вт).

Список использованных источников

1. Ланин В.Л. и Ануфриев Л.П., Керенцев А.Ф. Автоматизированный монтаж кристаллов транзисторов вибрационной пайкой. - Технология в электронной промышленности, 2006, № 3.

2. Baliga B.J. Silicon RF Power MOSFETS // N. Jersey, World Scientific. 2005.

3. Керенцев А.Ф. и Ланин В.Л. Конструктивно-технологические особенности MOSFET-транзисторов. - Силовая Электроника, 2007, № 4, с. 100-104.

4. Бражникова Т.И., Марченко О. В, Кожевников В. А, Бормонов А.Е. Использование псевдосплава золото-кремний при монтаже кристаллов мощных СВЧ-транзисторов. - Вестник воронежского государственного технического университета, 2015, № 6, с. 126-128.

5. В.Л. Ланин, И.И. Рубцевич и А.Ф. Керенцев. Программно-управляемый монтаж кристаллов силовых транзисторов вибрационной пайкой в защитной атмосфере. - Технологии в электронной промышленности, 2010, № 5, с. 50-56.

6. Онегин Е.Е., Зенькович В.А., Битно Л.Г. Автоматическая сборка ИС. Минск: Высшая школа, 1990.

7. Arsalane S., Kellenberger D. Leading-edge Soft Soldering Dispensing Technology // Electronic journal Japan. 2001.

8. Maryam Abouie. Investigation of Eutectic and Solid-State Wafer Bonding of Silicon with Gold. - A thesis of Doctor of Philosophy, University of Alberta, 2014.

9. Аносов В.С., Гомзиков Д.В., Пашков М.В., Сейдман Л.А., Тычкин Р.И., Фомин В.М. Монтаж кремниевых кристаллов в позолоченных корпусах с помощью эвтектического сплава кремний-золото. Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 2016, №1.

10. В.Л. Ланин, И.И. Рубцевич и А.Ф. Керенцев Повышение надежности микроконтактных соединений радиационно-стойких мощных транзисторов. - Силовая электроника, 2010, № 3.

11. Whitaker G.C. Microelectronics. Second ed. N.Y., CRC, 2006.

12. Daniel D. Evans, Jr. and Zeger Bok. AuSi and AuSn Eutectic Die Attach Case Studies from Small (12 mil) to Large (453 mil) Die. - The 43 rd International Symposium on Microelectronics (IMAPS 2010) Proceedings, October 31 - November 4, 2010, Raleigh, North Carolina.

13. В.Л. Ланин и Л.П. Ануфриев. Сравнительная характеристика способа монтажа кристаллов MOSFET-транзисторов. - Силовая электроника, 2008, №4, с. 90-95.

14. SOBIA BUSHRA. Investigation of Wafer Level Au-Si Eutectic Bonding of Shape Memory Alloy (SMA) with Silicon. - 2011.

15. Лебедева Н., Переятенец А. "AIM" означает "цель". - Компоненты и технологии, 2004, №6, с. 168-171.

16. ГОСТ 19738-74: Припои серебряные. Марки.

17. Ланин В.Л. и Ануфриев Л.П. Монтаж кристаллов IGBT-транзисторов. - Силовая Электроника, 2009, № 2, с. 94-99.

18. Ланин В.Л. и Керенцев А.Ф. Сборка и монтаж мощных транзисторов в корпусе SMD-2. - Силовая Электроника, 2010, № 1, с. 76-79.

19. Ланин В.Л. и Керенцев А.Ф. Дефекты паяных соединений при монтаже внешних выводов транзисторов в силовых модулях. Технология электронной промышленности, 2010, № 3, с. 58-63.

20. Зенин В.В., Рягузов А., Бойко В., Гальцев В., Фоменко Ю. Припои и покрытия для бессвинцовой пайки изделий микроэлектроники. - Технологии электронной промышленности, 2005, № 5.

21. Григорьев В. Бессвинцовая технология - требование времени или прихоть законодателей от экологии. - Технологии и материалы.

22. Серегин А. Использование бессвинцовой пайки в технологии поверхностного монтажа. - Современная Электроника, 2009, № 8.

23. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3-х т. Под общей редакцией Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, Т.1. 1996.

24. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах. Справ. изд., М.: Металлургия, 1989.

25. О.В. Васьков, В.К. Кононенко, В.С. Нисс, А.С. Турцевич, И.И. Рубцевич, Я.А. Соловьев, А.Ф. Керенцев. Тепловые параметры, структура и дефектность посадки мощных полевых транзисторов. - 5-ая Международная научная конференция "Материалы и структуры современной электроники", 10-11 октября 2012 г., Минск, Беларусь, с. 27-30.

26. Нисс В.С. и др. Исследование структуры теплового сопротивления ДМОП-транзисторов неразрушающим методом ТРДС. - 2014.

27. Романова М.П. Сборка и монтаж интегральных микросхем. Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2008.

Размещено на Allbest.ru