3565

Продолжение таблицы 1.4

Окончание таблицы 1.4

2. Пайка кристаллов и плат к корпусам

Крепление кристаллов полупроводниковых приборов и ИС к основанию корпуса должно обеспечивать хорошую механическую прочность, отвод тепла, а также стойкость к ударам и вибрациям. Выбор метода зависит, прежде всего, от материалов соединяемых деталей.

В полупроводниковой промышленности применяют следующие способы крепления кристалла на основание корпуса или на подложку: пайка припоями, пайка эвтектическими сплавами, сплавление, приклепывание токопроводящими и нетокопроводящими клеями, крепление кристаллов с помощью легкоплавких или тугоплавких стекол.

Выбор способа монтажа кристаллов зависит от конструктивных особенностей прибора, его электрических и тепловых характеристик, типа корпуса и других показателей.

2.1. Пайка кристаллов полупроводниковых приборов и ИС к контактным площадкам корпусов

Монтаж кристаллов пайкой широко применяется в технологии производства ИЭТ. Наибольшее распространение при монтаже кристаллов в корпуса или на держатели получили эвтектические припои золото – кремний и золото – германий. Однако при сборке кристаллов больших размеров появляются проблемы, связанные как с увеличением размеров соединения, так и невоз-

можностью обеспечить высокое качество и надежность монтажа с помощью традиционных процессов присоединения кристаллов.

С целью замены золота при пайке кристаллов проводился поиск других типов покрытий и припоев. В частности, хорошо зарекомендовали себя покрытия корпусов из никеля и его сплавов, а в качестве припоев сплавы на основе эвтектики олово – свинец. Коллекторная сторона кристаллов при этом должна иметь металлизацию, хорошо смачиваемую мягким припоем. Для этой цели используются пленки серебра, никеля и гальванически осажденный слой никель – олово (олово – висмут).

Следует отметить, что получение сплава Sn

–Bi с содержанием Bi от 1 до 1,5 % сопряжено с определенными трудностями, связанными с нестабильностью электролита, т. к. соли Bi входящие в состав электролита, подвергаются гидролизу. Результатом этого является разложение электролита, что требует частой его смены. Кроме того, соли Bi являются дефицитными, а металлический висмут токсичен.

Для улучшения смачивания припоем паяемых поверхностей полупроводникового кристалла и корпуса, повышения температурной и коррозионной стойкости паяных контактов рекомендуется наносить на коллекторную поверхность кристалла электролитическое покрытие Ni

–Sn (30 – 50 % Ni) из фторидхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20. Введе-

ние во фторидхлоридный электролит органической добавки ОС-20 позволяет получать качественно другие покрытия из сплава Ni – Sn, не блестящие, а се- ребристо-белые. Добавка ОС-20 в состав покрытия Ni

–Sn играет роль поверхностно-активного вещества, а при температуре пайки выполняет в некоторой степени функцию флюса и тем самым способствует лучшему смачиванию и растеканию припоя.

Транзисторы обычно собираются в корпусах, герметизируемых пластмассой, или в металлостеклянных корпусах со штырьковыми выводами. Размеры кристаллов составляют 0,7 0,7 мм и более, которые, в основном, определяют и технологию сборки.

Для транзисторов малой и средней мощности наиболее широко используются конструкции корпусов типа КТ-26 и КТ-27, которые имеют узкую полосу плакировки золотом, захватывающую по ширине посадочное место под пайку кристаллов и часть траверс под приварку внутренних выводов. Посадка кристаллов в эти корпуса ведется обычно контактно-реактивной пайкой.

В настоящее время в целях экономии золота широко внедряется в производство изделий в корпусах КТ-26 и КТ-27 материал ФМФА и ему подобные с алюминиевой полосой плакировки вместо золота. Для контакт- но-реактивной пайки кремниевых кристаллов на полосу алюминиевой плакировки могут быть выбраны относительно низкотемпературные эвтектические соединения на основе алюминия – германия и алюми-

23

ния – цинка.

Перед сборкой кристаллы (в составе пластины) должны пройти операции нанесения на коллекторную сторону пластины материалов, участвующих в пайке: слоя алюминия с последующим вжиганием и слоя германия или цинка. Толщина наносимых материалов зависит от размеров присоединенных кристаллов и может быть рассчитана соответственно эвтектическому составу и уточнена эмпирически. Вполне удовлетворительные результаты получены, например, при толщине слоя германия около 3 мкм, нанесенного методом вакуумного напыления на подслой алюминия толщиной 1 мкм, напыленного на коллекторную сторону кремниевой пластины с размерами кристаллов 0,7 0,7 мм.

Пайка кремниевых кристаллов транзисторов с использованием эвтектики алюминий – германий и алюминий – цинк уже нашла применение в серийном производстве именно в корпусах типа КТ-26 и КТ-27. При этом внедрение способа сборки не потребовало значительного изменения технологического процесса сборки и замены используемого ранее оборудования.

Для сборки мощных транзисторов чаще всего используется корпус типа КТ-28, посадка кристаллов в который возможна на мягкий припой с применением флюса или без него в восстановительной среде. Пайка кристаллов с применением флюса используется в серийном производстве, однако предполагает последующее проведение

24

отмывок от флюса, который может отрицательно повлиять на параметры прибора и снизить надежность сборочных узлов. Поэтому, в целях исключения дополнительной операции (отмывки) и поддержания надежности на требуемом уровне, целесообразно проводить бесфлюсовую пайку кристаллов в восстановительной или защитной среде.

Качество пайки во многом зависит от места расположения припоя перед пайкой. Возможно традиционное расположение прокладки припоя непосредственно под кристаллом, однако в процессе пайки оксидные пленки и загрязнения на поверхности прокладки при расплавлении остаются в зоне шва, что ухудшает смачиваемость припоем поверхности кристалла и корпуса, нарушает сплошность шва, а это, в свою очередь, приводит к ухудшению теплопроводности шва и снижению надежности транзистора.

Этого недостатка лишен способ сборки приборов, в котором использован капиллярный эффект заполнения зазора припоем в процессе пайки кристалла. Перед пайкой в непосредственном касании одной из боковых граней кристалла располагается навеска припоя ПОС-61 (рис. 2.1). Детали фиксируются относительно корпуса специальной кассетой. Кассету со сборками помещают в конвейерную водородную печь, где при температуре 390 – 420 ºС происходит расплавление припоя, который за счет капиллярных сил заполняет микрозазор между коллекторной стороной кристалла и никелированным корпусом, смачивает эти поверхности и при кристаллизации образуется качественный паяный шов. Характерной осо-

бенностью этого процесса является то, что оксидные пленки и загрязнения остаются за пределами паяного шва – в месте первоначального расположения навески припоя.

Рис. 2.1. Схема напайки кристалла на никелированное основание с использованием капиллярного эффекта: 1 – навеска припоя; 2 – кристалл; 3 – основание

Изменение температуры нагрева кассеты со сборками в канале конвейерной печи от скорости движения ленты показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Зависимость температуры нагрева кассеты со сборками в канале конвейерной печи от времени при скорости движения ленты 13 см/мин

Способ сборки приборов с применением капиллярного эффекта широко используется в мас-

совом производстве мощных транзисторов. Возможно применение другого способа сборки

изделий в восстановительной среде, не требующего нанесения на коллекторную сторону кристалла никакой металлизации: пайка кремниевого кристалла может быть реализована с использованием никелевых (или медных) пористых сред. Для пайки в этом случае применяется свинец с добавкой нескольких процентов олова (ПОС-2). Однако предложенное расположение деталей при пайке (рис. 2.3) не обеспечит выведения оксидных пленок и других включений, находящихся на припойной прокладке. Это может привести к ухудшению сплошности шва. Кроме того, детали не фиксируются между собой и сборка должна обеспечиваться специальной кассетой.

Этих недостатков лишен способ сборки, заключающийся в том, что в основании корпуса (рис. 2.4) формируют прямоугольное углубление, в котором размещают фильтрующий – легирующий элемент (пористую никелевую прокладку, на которую укладывают припойную прокладку в виде рамки). При этом внешние стороны рамки равны размерам углубления в корпусе, а размеры отверстия соответствуют площади кристалла. Припойные рамки обычно штампуются из фольги заданной толщины припоя ПОС-2. В отверстия припойной рамки размещают кристалл. Затем приборы, собранные указанным способом, помещают в конвейерную водородную печь. В процессе пайки при температуре 390 10 ºС припойная рамка расплавляется и пропитывает никелевую пористую прокладку, при этом происходит очистка припоя от

26

оксидных пленок и других загрязнений, легирование припоя никелем при фильтрации расплава через пористую прокладку. Очищенный и легированный припой, взаимодействуя с кремнием, формирует качественный паяный шов кристалл – корпус.

Рис. 2.3. Пайка кристалла с использованием пористых сред: 1 – кристалл; 2 – пористая среда в виде прокладки; 3 – припой; 4 – основание корпуса

Рис. 2.4. Пайка кристалла на основании корпуса с углублением: 1 – пористая никелевая прокладка; 2 – припойная прокладка; 3 – кристалл; 4

– основание корпуса

Определение размеров навески припоя проводится расчетным путем с учетом пористости фильтрующего элемента, его размером и уточня-

27

ется экспериментальными исследованиями. Описанный способ сборки испытан в серийном производстве

ипозволяет обеспечить по сравнению с существующими способами ориентированную загрузку кристаллов и их фиксацию относительно корпуса до начала процесса пайки. Применение кассеты, которая необходима только для обеспечения давления на кристалл в процессе пайки, упрощает сборку и повышает качество, а, следовательно, и процент выхода годных транзисторов.

Металлостеклянные корпуса транзисторов со штырьковыми выводами типа КТ-1, КТ-2, КТ-3 и другие широко используются в электронной технике

ихорошо известны специалистам. Эти корпуса имеют общие особенности конструкции: внешние выводы их перпендикулярны основанию корпуса или фланцу и соединены с ним через стеклоизоляторы металлостеклянным спаем. Концы выводов выведены внутрь корпуса и являются его траверсами.

Транзисторы малой и средней мощности отличаются малыми размерами кристаллов (ориентиро-

вочно от 0,3 0,3 до 1,2 1,2 мм). Манипулирование такими кристаллами, сборка их в кассеты затруднена в связи с их малостью. Преимущественно используемый способ посадки кристаллов в такие корпуса – контактно-реактивная пайка.

В электронной промышленности применяются варианты конструкций, содержащие золоченые детали, несущие функциональную нагрузку при сборке, например, компенсаторов (диски из ковара или молибдена), покрытых золотом. На такой компенсатор

контактно-реактивной пайкой присоединяется кристалл. Затем компенсатор с кристаллом с помощью мягкого припоя паяется в корпус транзистора, покрытый никелем. Такие конструкции используются в серийном производстве транзисторов средней и большой мощности. Следует помнить, что наличие дополнительной детали компенсатора – приводит к увеличению трудоемкости сборки, снижению надежности изделия за счет появления в конструкции дополнительного паяного шва с низкой термостойкостью (золото – мягкий припой). Эти недостатки отсутствуют в конструкции корпуса, предусматривающей локальное золочение участков под пайку кристаллов и присоединение выводов.

Рассматриваемые методы сборки приборов с использованием локального золочения корпусов могут использоваться в серийном производстве. НО будущее корпусов со штырьковыми выводами в наиболее перспективном алюминиевом покрытии, которое позволяет на применяемом оборудовании при незначительном изменении режимов пайки обеспечить сборку транзисторов, исключив при этом из конструкции пару металлов с низкой надежностью (алюминий – золото). Присоединение внутренних выводов к алюминиевой металлизации возможно термокомпрессионной, ультразвуковой и термозвуковой микросваркой.

Мощные транзисторы в металлостеклянных корпусах содержат золото в виде покрытий кол-

– размер отпечатка клея должен быть больше размера кристалла не менее чем на 0,15 мм на каждой стороне.

Посадку кристалла можно осуществлять на установке ЭМ-438М. Перед посадкой на керамическую подложку кристаллодержатель предварительно нагревается в течение 30 с при температуре 100 10 °С. Для всех типоразмеров кристаллов время присоединения составляло 0,6 с, время вибрации – 0,2 с, причем вибрация включается через 0,1 с, после опускания инструмента. Затем осуществляется полимеризация готового клеевого соединения в следующих ре-

Таблица 2.1

Оптимальные режимы дозирования клея ВК-32- 200 и присоединения кристаллов

При термокомпрессионной разварке выводов на кристалл, посаженный на клей ВК-32-200, прочность клеевого соединения снижается всего на 50 %, т. е. не ниже прочности, требуемой технологическим процессом.

Максимальная прочность клеевого соединения будет в том случае, если вся его поверхность будет полностью смочена клеящим веществом. На практике полностью заполнить клеем все неровности поверхности не удается. Этому препятствует воздух, уплотняемый в замкнутом пространстве в неровностях: его давление уравновешивается внешним давлением, что препятствует проникновению клея в глубь неровностей.

Глубину заполнения клеем неровностей поверхности, имеющих коническую форму, можно определить по формуле

где Н – средняя глубина норы; Р – внешнее давление;

РH – начальное давление воздуха в порах; – поверхностное натяжение на межфазной границе клей – воздух.

2.3. Пайка стеклом