11.2. Монтаж кристаллов в корпусах эвтектическими припоями или клеями

Операция монтажа кристаллов в корпуса — наиболее ответ­ственная в технологическом процессе сборки ИМС, так как обес­печивает требуемое расположение кристалла, прочное механи­ческое соединение, надежный электрический контакт и хоро­ший теплоотвод. Для присоединения кристаллов применяют пайку эвтектическими низкотемпературными припоями или то-копроводящими и изолирующими клеями.

При эвтектической пайке приводят в соприкосновение золо­тую контактную площадку кристаллодержателя и кремниевый кристалл при температуре, немного превышающей температуру образования эвтектики. Кремний кристалла, взаимодействуя с золотом, образует эвтектический сплав. Для ускорения образо­вания жидкого сплава кристалл перемещают по поверхности контактной площадки.

Контактно-реактивная пайка пригодна для присоедине­ния к корпусу кристаллов небольшой площади. Для больших кристаллов применяют эвтектический сплав Au - Sn - Si с температурой плавления 280 °С. Особенности данного сплава заключаются в том, что при 0,1 весовых % Si образует эвтекти­ческий сплав с золотом с отдельными включениями золота, ко­торые позволяют растворяться в сплаве дополнительному коли­честву кремния. Тем самым достигается образование жидкой фазы припоя при температуре, соответствующей образованию эвтектики, что особенно важно для кристаллов, не выдерживаю­щих высоких температур.

Существенное влияние на характеристики соединения ока­зывает состояние поверхности и толщина золотого покрытия корпуса. Установлено, что для образования качественного со­единения требуемая толщина золотого покрытия составляет 6— 9 мкм. При малых размерах кристалла, менее 0,7x0,7 мм тол­щину покрытия можно уменьшить. При недостаточной толщи­не золотого покрытия или для ускорения процесса образования соединения между кристаллом и корпусом может помещаться таблетка из эвтектического сплава или прокладка из эвтектики кремний-золото.

Для интенсификации процесса образования соединения в зону образования соединения вводят механические колебания с час­тотой от нескольких Гц до (40—60) кГц. Оптимальные режимы присоединения кристалла кремния размером 1x1 мм к золоче­ной поверхности: температура 390-420 °С, время 3-5 с., давле­ние на кристалл (29,43-49,05)^.10³ Н/м².

Основным недостатком контактно-реактивной пайки эвтек­тикой золото—кремний является значительный расход золота. Поэтому вместо золотой прокладки используют сплав 75% Аu, 25 % Sn, 1-2 % Bi или сплавы, не содержащие драгоценных металлов, которые плавятся при 355-410 °С и эффективно сма­чивают кремний при температуре пайки 390-410 °С. Одним из таких сплавов является Zn—Al—Ge. Этот сплав предварительно наносят на подложку в виде пятна диаметром 4,5 мм и толщи­ной 10 мкм методом электрического взрыва фольги. Прочность присоединения кристаллов увеличивается в 2-4 раза за счет более высокой адгезии к керамике этого сплава по сравнению с эвтектикой золото—кремний, а остаточные напряжения в крис­таллах уменьшаются после пайки на 10—15 % й уменьшаются на 20—25 % после термоциклирования, при этом прочность со­единения кристалла и корпуса не уменьшается.

Монтаж кристаллов в корпуса с помощью клеев получил широкое распространение при сборке приборов, что объясняется рядом преимуществ клеевых соединений. Склеиванием соеди­няют разнородные материалы, включая тугоплавкие и хрупкие, электропроводящие и диэлектрики. Свойства и структура мате­риалов при склеивании не изменяются, швы получаются герме­тичные с равномерно распределенными остаточными напряже­ниями, при этом их величина в ряде случаев намного меньше напряжений, возникающих при пайке. Технология склеивания проста, не трудоемка и производительна, легко поддается авто­матизации. К недостаткам клеевых соединений следует отнес­ти сравнительно низкую стойкость при повышенных температу­рах, пониженную прочность при неравномерном отрыве, необхо­димость применения давления, дефицитность, а также токсич­ность составляющих клеевых композиций, газовыделение. Дру­гим недостатком клеев является выделение различных летучих соединений и влаги. Так, сорбция влаги клеевыми материалами

приводит к увеличению влажности в корпусах приборов при повышенных температурах, поэтому их выбор должен осуще­ствляться с учетом заданных значений влажности. Выделения летучих соединений из клеевых материалов оказывают влия­ние на содержание влаги в герметичных корпусах, на качество микросварных соединений, на электрофизические характеристи­ки кристаллов.

Для монтажа кристаллов применяют эпоксидные, акрило­вые, анаэробные, силиконовые клеи, цианакрилаты, клеи со спе­циальными свойствами: электроизолирующие и теплопровод­ные клеи. Для посадки кристаллов в корпус широко применяет­ся клей ВК-32-200, который представляет собой смесь лака ФЛ-511-1 (раствор фенолформальдегидной смолы в этиловом спирте) и пластификатора (синтетическая резиновая смесь на основе синтетического бутадиеннитрильного каучука в бутила-цетате), который обеспечивает большую эластичность.

Соединения токопроводящими клеями позволяют получить надежный электрический контакт на различных подложках. В качестве основы для токопроводящих клеев используют эпок­сидные, полиимидные, силиконовые, полиамидоимидные смолы. Эпоксидные смолы являются лучшими в силу того, что они име­ют большую адгезию к соединяемым материалам, стойки к дей­ствию растворителей и химикатов, а процесс их отверждения может протекать с большой скоростью. В качестве наполните­ля в электропроводящих композициях чаще всего используют тонкие и ультратонкие порошки серебра, никеля, меди, золота, графита. Минимальное электрическое сопротивление клея зави­сит от дисперсности токопроводящих наполнителей. Высокая дисперсность наполнителя обеспечивает большое число контак­тов между токопроводящими частицами, создавая тем самым условия для беспрепятственного протекания электрического тока. Оптимальные размеры частиц составляют для сажевых 0,05 мкм, для графитовых 2—2,0 мкм, для металлических 2—7 мкм. Свой­ства двухкомпонентных электропроводящих клеев с металли­ческим наполнителем и эпоксидной смолой, разработанные американскими фирмами, приведены в табл. 11.2. Жизнеспо­собность клеев 45-60 минут, отверждение за 48 часов при 25 °С или за 2 часа при 150 °С.

Для расчета остаточных напряжений, возникающих при ох­лаждении кристалла полупроводника размером L, приклеенного слоем клея толщиной X, до температуры Т, предложено уравне­ние:

(11.2)

где К - безразмерная константа, зависящая от формы и числа граней кристалла; Е_a - модуль упругости при растяжении адгезива при тем­пературе 520 К, Е₈ - модуль упругости подложки при температуре 298 К, а_з, а_st - коэффициенты линейного расширения подложки и кристалла соответственно, град^-1.

Согласно этому уравнению величина остаточных напряже­ний прямо пропорциональна корню квадратному из отношения L/X, т.е. возрастает по мере увеличения размера кристалла и снижается с увеличением толщины клеевого шва. Поэтому при монтаже кристаллов больших размеров рекомендуется наносить клей толщиной не менее 25 мкм.

Для сохранения требуемой толщины слоя клея в процессе отверждения и снижения возникающих при этом остаточных напряжений в композицию клея, содержащего 60-75 % по мас­се порошка серебра, добавляют 1-4 % стеклянных шариков раз­мером 20-25 мкм.