5.5.2. Пайка кристаллов ппи на основания корпусов с образованием эвтектики Sn-Zn

Известен способ пайки полупроводниковых кристаллов к корпусу, по которому на паяемую поверхность кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают из условия получения необходимой толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк-олово. Недостатком этого способа является низкая коррозионная стойкость цинкового покрытия во влажном воздухе и в атмосфере промышленного города.

Кроме того, цинк во влажном воздухе покрывается пленкой, состоящей из карбоната цинка, что ухудшает смачиваемость цинкового покрытия оловом с течением времени хранения перед пайкой. Более того, солевые пленки попадая в паяный шов, повышают вероятность непропаев, особенно при пайке кристаллов с размерами более 44 мм, что способствует увеличению теплового и электрического сопротивления контакта полупроводникового кристалла с корпусом.

Авторы предлагают на пленке цинка формировать оловянно-висмутовое покрытие толщиной около 1 мкм с содержанием висмута 0,4-0,9 %.

При соответствующих режимах электролиза покрытие сплавом Sn-Bi получают с мелкозернистой структурой и пониженной твердостью. В зависимости от состава электролита данные сплавы могут осаждаться в виде матовых или блестящих осадков. Электролиты с добавкой ОС-20 или двумя добавками ДДДМ и ОС-20 позволяют получать светлые, мелкозернистые, плотные покрытия.

Коррозионная стойкость покрытий сплавом Sn-Bi зависит от состава, толщины, структуры и пористости осадков. Большей коррозионной стойкостью обладают покрытия с содержанием висмута 0,4-0,9 %.

Пайка осуществляется в водороде или вакууме на оптимальных режимах. При нагреве происходит смачивание оловом паяемой поверхности кристалла, а при кристаллизации расплава цинк-олово-висмут образуется паяный шов с уменьшенной площадью непропаев.

Использование предлагаемого способа бессвинцовой пайки полупроводникового кристалла к корпусу обеспечивает по сравнению с существующими способами следующими преимущества: исключается использование свинца при пайке; повышается коррозионная стойкость покрытий паяемой поверхности кристалла; улучшается смачиваемость оловом поверхности кристалла при температуре пайки; повышается надежность ППИ за счет уменьшения площади непропаев в паяном шве.

5.5.2.1. Возможные варианты пайки кристаллов на эвтектику Sn-Zn

На рис. 5.5 представлены схемы сборки и пайки кристаллов.

Рис. 5.5. Схема бессвинцовой пайки кристалла к корпусу: 1 – Al (2 мкм); 2 – Zn (4 мкм); 3 – Sn (46 мкм); 4 – Ni (3-4 мкм); 5 – Cu (корпус)

Рис. 5.6. Схема бессвинцовой пайки кристалла к корпусу: 1 – Al (2 мкм); 2 – Zn (4 мкм); 3 – Bi (1-2 мкм); 4 – Sn (46 мкм); 5 – Ni (3-4 мкм); 6 – Cu (корпус)

Рис. 5.7. Схема бессвинцовой пайки кристалла к корпусу: 1 – Al (2 мкм); 2 – Ti (0,15 мкм); 3 – Ni (0,02 мкм); 4 – Ni-Sn с ОС-20 (6 мкм); 5 – Припой (50 мкм); 6 – Ni (3-4 мкм); 7 – Cu (корпус)

5.5.3. Металлическая система для монтажа полупроводникового кристалла к корпусу

Разработка способов монтажа полупроводниковых кристаллов большой площади к основаниям корпусов ППИ – это актуальная задача, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники. Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов. Способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу, по которому между кристаллом и корпусом размещают фольгу припоя, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме.

К недостаткам данного способа следует отнести неизбежность образования пустот и непропаев в паяном шве, особенно при пайке кристаллов большой площади, что уменьшает прочность паяного соединения. Кроме того, паяный шов, формируемый с использованием фольги припоя большой толщины, ухудшает теплоотвод от кристалла к корпусу.

Разработан корпус электронного прибора с каналом снятия напряжений. Для согласования температурных коэффициентов линейного расширения корпуса и кристалла между ними размещается термокомпенсатор из Mo, W или стали, плакированной медью, толщиной более 0,25 мм. При этом на дне основания корпуса сформирована замкнутая трапециевидная канавка глубиной 20-40 % его толщины.

Недостатком данной конструкции является получение паяных швов толщиной более 0,25 мм, что ухудшает теплоотвод от кристалла к корпусу. Кроме того, замкнутая канавка способствует появлению непропаев в паяном шве из-за нарушения капиллярного течения припоя при пайке.

За рубежом применяется металлическая система для монтажа полупроводникового кристалла на основание корпуса, заключающаяся в том, для преодоления несогласованности материалов кристалла и основания корпуса по величине их ТКЛР в полость помещается буферный элемент (термокомпенсатор) в виде прямоугольной пластинки из Mo, W или их сплавов с Cu, покрытой слоем Ni или Со. Элемент монтируется в полость пайкой или сваркой, а кристалл крепится на нем стеклоадгезивом с Ag-наполнителем.

Основным недостатком данной конструкции сявляется повышение трудоемкости производства ППИ, связанных с креплением термокомпенсатора. Кроме того, прямоугольная форма термокомпенсатора ухудшает затекание расплавленного припоя, что приводит к появлению пустот. Более того, однородный материал термокомпенсатора не позволяет существенно снизить термические напряжения в системе кристалл – паяный шов – корпус.

Нами разработан способ монтажа кристаллов большой площади, схема сборки представлена на рис. 5.8.

а) б)

Рис. 5.8. Схема сборки ППИ: а – перед пайкой; б – после пайки

Монтаж полупроводникового кристалла к корпусу с использованием металлической системы (рис. 5.8) реализуется по схеме, содержащей основание 1 с канавками 2 в виде равнобочных трапеций, в которые вставляется нижняя сторона сетки, имеющая проволоки 3. На верхнюю сторону сетки из проволок 4, диаметр которых определяет заданную толщину паяного шва, размещают навеску припоя 5, а затем кристалл 6.

Сетка изготовлена из различных материалов. Например, для монтажа кремниевых кристаллов на основание медных корпусов, нижняя сторона сетки представляет собой набор проволок 3 из меди, а верхняя сторона – проволоки 4 из Mo, W или их сплавов. При этом диаметр проволок 4 выбирают из условия получения заданной толщины паяного шва.

Фиксация кристаллов относительно корпусов осуществляется в прецизионных кассетах.

В процессе нагрева до температуры пайки припой заполняет ячейки сетки и канавки основания корпуса с образованием паяного шва 7 одинаковой толщины по всей площади кристалла.

Так как проволоки нижней стороны сетки вставляются в канавки, имеющие форму равнобочных трапеций, то существенно повышаются площадь и прочность паяного шва. Снижение остаточных напряжений в системе кристалл – паяный шов – корпус осуществляется за счет того, что буферный элемент выполнен в виде сетки из металлов с коэффициентами термического расширения идентичными корпусу и кристаллу.

Улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу, достигается формированием паяного шва определенной толщины.

Форма канавки в виде равнобочной трапеции с размером в верхней части равном 1,2d, в нижней – 1,0d при глубине 1,0d, где d – диаметр проволоки нижней стороны сетки (рис. 5.8) способствует полному заполнению канавки припоем и обеспечивает равномерность толщины паяного шва по всей площади с кристаллом (рис. 5.8, б)

Глубина канавки, равная 1,0 диаметру проволоки исключает коробление верхней стороны сетки и способствует получению паяного шва заданной толщины.

Ширина канавки в нижней части, равная 1,0 диаметру проволоки нижней стороны сетки обеспечивает центрирование сетки как в процессе сборки, так и при пайке.

Ширина канавки в верхней части равная 1,2 диаметру проволоки нижней стороны сетки способствует смачиванию пропоем всей поверхности проволоки и полному заполнению канавок основания корпуса припоем (рис. 5.8, б).

При термоциклировании напряжения сдвига в основном будут максимальными в местах пересечения проволок, что позволит свести к минимуму термические напряжения в кристалле.

Таким образом, использование предлагаемой металлической системы для монтажа полупроводникового кристалла к корпусу обеспечивает следующие преимущества: снижение непропаев в паяном шве; повышение прочности паяного соединения; улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу; снижение термических напряжений в системе кристалл – паяный шов – корпус.