способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу с образованием эвтектики кремний-золото

Формула изобретения

Способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу с образованием эвтектики кремний-золото, включающий размещение золотой фольги между кристаллом и основанием корпуса и соединение их пайкой, отличающийся тем, что фольгу перед пайкой отжигают в вакууме при температуре 160-250°С или в водороде при температуре 25°С и атмосферном давлении 101 кПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС), включающему пайку кремниевого кристалла к основанию корпуса с образованием эвтектики золото - кремний.

В электронной технике при изготовлении полупроводниковых приборов и ИС широко применяется способ контактно-реактивной пайки на основе эвтектики Si-Au /1/. При этом на основание корпуса наносят золотое покрытие толщиной не менее 2,5 мкм. Оптимальным является соединение Si-Au толщиной 5-7 мкм эвтектического равномерного спая с содержанием кремния 2,4 - 2,8% и площади эвтектики под кристаллом не менее 70%.

Основным недостатком данного способа является то, что малая толщина паяного соединения особенно для кристаллов площадью свыше 9 мм² не обеспечивает высокого качества соединения кристалла с корпусом при жестких режимах функционирования, например при эксплуатации силовых полупроводниковых приборов.

Известен /2/ способ монтажа Si-кристаллов больших размеров на позолоченные основания корпусов с использованием сетки из золотых проволочек диаметром 20 мкм.

Основным недостатком данного способа является то, что наличие оксидных пленок на поверхности сетки способствует образованию участков непроплавления между контактирующими поверхностями. Кроме того, данным способом невозможно получить паяные швы толщиной 20-30 мкм. Более того, при сборке полупроводниковых изделий с использованием сетки из проволочек микронных размеров возникают определенные трудности, приводящие к повышению трудоемкости сборочных операций.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу /3/, при котором размещают золотую фольгу между кристаллом и корпусом и соединяют их пайкой с образованием эвтектики золото - кремний. При этом поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при определенном режиме.

Основным недостатком данного способа является использование химического травления, после которого золотую фольгу подвергают промывке, а затем сушке. Данный способ ухудшает экологическую ситуацию. Кроме того, повышается трудоемкость выпускаемых полупроводниковых изделий при использовании данной технологии. Более того, данный способ не обеспечивает высокого качества очистки поверхности, т.к. у кислородных соединений золота преобладает кислотный характер, поэтому AuO(ОН) практически не реагирует с разбавленными кислотами.

Кроме того, оксид золота при взаимодействии с HCl диспропорционирует с образованием комплекса и свободного золота по реакции

3Au₂О+8HCl=2H[AuCl₄ ]+4Au+3Н₂О,

что не способствует повышению качества очистки поверхности.

Задачами заявляемого решения являются повышение качества соединения кристалла с корпусом; снижение трудоемкости сборочных операций; повышение качества очистки золотой фольги; улучшение экологической ситуации.

Технические результаты достигаются тем, что фольгу перед пайкой отжигают в вакууме при температуре 160-250°С или в водороде при температуре 25°С и атмосферном давлении 101 кПа.

Способ осуществляется следующим образом.

Для проведения экспериментальных исследований пайку кристаллов размером 4×4×0,46 мм осуществляли с применением промежуточной золотой прокладки (ПЗл 999,9) толщиной 0,016 мм в размер кристалла на керамические подложки с золотым покрытием толщиной 3 мкм монтажных площадок. Температура пайки составляла 420±20°С с предварительным подогревом подложек до 100-120°С, время пайки 8 с, усилие на инструменте 0,1 Н. Контроль качества пайки (% пустот) осуществлялся методом рентгеновской дефектоскопии на установке РУП-150/300 с использованием пленки Р5, а также визуальным осмотром внешнего вида отпаянных кристаллов после измерений.

Для оценки влияния состояния поверхности золотой фольги на качество эвтектической пайки Si-Au использовали три группы образцов. Образцы первой группы перед пайкой не обрабатывались, второй группы отжигались в вакууме при температуре 160-250°С, а третьей - в водороде при температуре 25°С и атмосферном давлении 101 кПа.

Анализ рентгенограмм паяных соединений и внешнего вида отпаянных кристаллов показал следующие результаты: у образцов первой группы смачивание (% пустот) составило 80-90% площади кристалла, второй и третьей групп - 90-98%.

Исследования показали, что наиболее эффективным способом присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу с образованием эвтектики кремний - золото является способ, при котором фольгу перед пайкой отжигают в вакууме при температуре 160-250°С или в водороде при температуре 25°С и атмосферном давлении 101 кПа.

Повышение качественных паяных соединений у образцов второй и третьей групп объясняется физико-химическими процессами, протекающими на поверхности золотой фольги.

Оксиды золота - твердые, амфотерные, не взаимодействующие с водой вещества. С ростом степени окисления термическая устойчивость оксидов падает.

Известно, что свободная энергия Гиббса составляет 78,7 кДж/моль. При 155°С Au ₂O₃ переходит в Au ₂О.

Температура разложения (диссоциации) оксидов золота Au₂О₃ составляет 155-160°С, а Au₂O - 250°С. Наиболее качественно данный процесс протекает в вакууме.

Водородное восстановление золота из оксидов происходит по реакции

Au₂О₃+3Н ₂=2Au+3Н₂О

т.е. G°<0

AuO(OH)+3/2Н₂=Au+2Н ₂O

т.е. G°<0.

Т.к. свободная энергия Гиббса G°<0, то восстановление золота из оксидов протекает при температуре 25°С и атмосферном давлении 101 кПа.

Таким образом, использование предлагаемого способа присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу с образованием эвтектики кремний - золото обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:

1. Повышение качества соединения кристалла с корпусом;

2. Снижение трудоемкости сборочных операций;

3. Повышение качества очистки золотой фольги;

4. Улучшение экологической ситуации.

Источники информации

1. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1991. 424 с.

2. Патент №5089439 (США), МКИ⁵ Н01L 23/6. Монтаж кремниевых кристаллов с большими размерами на покрытую золотом поверхность. Заявл. 02.02.90. Опубл. 18.02.92.

3. Патент РФ на изобретение №2033659 (RU), Н01L 21/52. Способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу / В.В.Полехов, С.Л.Лебедев, В.И.Сарычев (RU). - Опубл. 20.04.95. Бюл. №11.