книги из ГПНТБ / Моряков, О. С. Вакуумно-термические и термические процессы в полупроводниковом производстве учеб. пособие

где к — толщина пленки; а и Ь— соответственно длина и ширина пленки; Я — сопротивление пленки на единицу площади поверх­ ности; р — удельное сопротивление напыляемого металла.

В связи с тем, что удельное сопротивление пленочных и компакт­ ных (массивных) образцов одного и того же вещества может быть различным, используют поправочные коэффициенты. При измере­ ниях рядом с полупроводниковыми подложками помещают конт­ рольный образец — квадратную пластинку из диэлектрического материала, снабженную с двух сторон плоскими серебряными кон­ тактами, которую соединяют с измерительным блоком.

М е т о д о м в з в е ш и в а н и я определяют массу напыленного материала и подсчитывают толщину пленки по формуле

где Р\ и Р2 — соответственно масса подложки без пленки и с плен­ кой; Р —•площадь пленки; у — плотность материала.

Правильность измерений зависит не только от точности взвеши­

на предметный столик микроинтерферометра (риской вниз) и, вра­ щая столик, добиваются совмещения одной из нитей перекрестия прибора с направлением интерференционных полос, а другой—-с направлением риски. В месте перехода риски от полупроводника к слою металла полосы изгибаются.

Для определения толщины слоя необходимо измерить интервал между соседними интерференционными полосами и степень изгиба (смещения; полос. Эти операции выполняют при помощи окулярно­ го микрометра, определяя вначале положение одной интерференци­ онной полосы, а затем — положение соседней. Разность отсчетов дает искомую величину. Так же оценивают изгиб полосы. Для рас­ чета берут среднее из трех измерений.

ПО

При работе в белом свете искривление в одну интерференцион­ ную полосу соответствует высоте неровности в 0,27 мкм. Толщину напыленного слоя можно вычислить по формуле

, Ы3- Ы ь

Н = 0,27 —----- — мкм,

N 1 — Л^2

где N1 и N2 — первый и второй отсчеты при измерении интервала; Ы3 и N4 — первый и второй отсчеты при оценке величины изгиба

полосы.

При измерении толщины этим методом обычно пользуются таб­ лицами, которые разрабатывают на основе набора статистических данных.

Контрольные вопросы

1.Каково назначение пленок?

2.Какие основные методы изготовления пленок вы знаете?

3.Каков принцип изготовления пленок методом вакуумного осаждения?

4.Каков принцип изготовления пленок методом катодного распыления?

5.Каков принцип изготовления пленок методом ионноплазменного распыле­

ния?

6. Как устроена вакуумная напылительная установка?

Г Л А В А В О С Ь М А Я

ТЕРМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПАЙКЕ И ЛУЖЕНИИ

§39. Общие сведения о паяных соединениях и лужении

Впроизводстве высокочастотных (ВЧ) и особенно сверхвысоко­ частотных (СВЧ) полупроводниковых приборов широко применяют процессы пайки и лужения.

П а й к о й обычно соединяют корпусные детали: медные с мед­ ными или коваровыми, а также керамику с медью, молибденом, ни­ келем и др. Использование разнообразных материалов вызвано сложностью конструкций корпусов для приборов. Пайку применя­ ют также при производстве некоторых мощных низкочастотных (НЧ) приборов.

На рис. 67 показан корпус КТ-24 мощного СВЧ транзистора, ножка которого имеет шесть, а баллон — пять паянных соединений,

причем паяются различные пары материалов, например медь — сплав ВМ, медь — никель, сплав ВМ — керамика брокерит-9 (окись бериллия), сплав ВМ — керамика 22ХС и др.

Ножка (рис. 67, а) состоит из шестигранного фланца с винтом 1, в углубление которого впаян компенсатор 2 из сплава ВМ (воль­ ф рам -м едь), несущий на своей поверхности остальные детали, и никелевого кольца 3, припаянного к фланцу, выполненному из бес­ кислородной меди объемной штамповкой.

Массивный фланец предназначен для отвода и рассеивания теп­ ла, а компенсатор, кроме того, служит для согласования термиче-

¡1 1

ского расширения медного фланца и керамических деталей. Нике­ левое кольцо необходимо для герметичной электросварки ножки с баллоном.

На поверхности компенсатора располагаются два основания 4 из керамики 22ХС, а между ними — брокеритовые держатели: ма­ лый 10 и большой 5. Сверху на основания напаяны контактные пло-

^контактных площадках и большом держателе имеются отвер-

™Г 2 СТаН°ВКИ М6ДНЫХ ВЫВ0Д0В 7’ скрепляемых пайкой. К ма­ лому держателю припаивается никелевый вывод 8, имеющий для

¡12

лучшего контакта с металлизированной поверхностью держателя на

конце шляпку.

После изготовления ножку никелируют и золотят.

На верхний компенсатор напаивают кристалл с электронно-ды­ рочными переходами, а к контактным площадкам присоединяют электродные выводы. К малому держателю крепят кристалл с ди­ одной структурой. Верхний компенсатор также предназначен для согласования КТР кремния и керамического держателя из окиси бериллия.

Характерная особенность корпусов мощных СВЧ приборов—■ обязательная электрическая изоляция коллекторной области пере­ хода от медного фланца. Чтобы не ухудшать отвод тепла, материал изолятора должен обладать высокой теплопроводностью, для чего используют керамику из окиси бериллия.

При пайке соединений ножки применяют припой ПСр72.

Баллон (рис. 67, б) состоит из колпака 11, изолятора 12 и тру­ бок 13 и 15, также соединенных припоем ПСр72. На фланце колпа­ ка, изготовленного из ленточного ковара 29НК толщиной 0,4 мм, высажен кольцевой р'ельеф, который облегчает контактную электро­ сварку баллона с ножкой. Керамический изолятор изготовлен из керамики 22ХС или форстерита КВФ-4. В его отверстия впаяны три никелевые трубки диаметром 2 мм и одна диаметром 0,95 мм. В верхней части трубки завальцованы и запаяны; толщина слоя при­ поя около 1 мм. Зазор между изолятором и колпаком должен быть в пределах 0,05—0,1 мм.

Перед герметизацией прибора баллон надевают на выводы, сва­ ривают с ножкой, а затем обжимают трубки по выводам. Затем дважды никелируют корпус и выполняют горячее лужение трубча­ тых выводов припоем ПОС-61.

Для получения герметичных и механически прочных паяных сое­ динений, способных работать в диапазоне температур от —60° С до + 150° С, необходимо, чтобы коэффициенты термического расшире­ ния (КТР) соединяемых материалов были близки, т. е. чтобы спай был согласованным. К сожалению, подобрать подобные материалы не всегда удается и большая разница в КТР способствует созданию внутренних напряжений в изделии. Если величина напряжений пре­ вышает механическую прочность деталей, они разрушаются.

На рис. 68 показана ножка корпуса КТ-24, в конструкции кото­ рой использованы пять различных материалов, разделенных тонки­ ми прослойками припоя. Если разница в КТР для пар кремний — молибден и молибден— брокерит незначительна, то для брокерита и сплава ВМ она составляет более 20-10-7 град 10-1, что может при­ вести к растрескиванию керамики после пайки. Хотя КТР меди пре­ вышает КТР сплава ВМ почти вдвое, компенсаторы не разрушают­ ся, так как возникающие напряжения значительно меньше механи­ ческой прочности сплава. Прослойки припоя ПСр72 мало влияют на механическую прочность конструкции, так как их толщина состав­ ляет всего около 0,1 мм. Серебро — главный компонент припоя ПСр 72 имеет КТР около 200-10-7 1/град.

Л у ж е н и е необходимо для хорошего смачивания выводов при­ поем при монтаже приборов в аппаратуре. Допустимая температура нагрева выводов весьма ограничена, иначе прибор может выйти из строя. При лужении выводы обезжиривают, наносят на них флюс и погружают в расплавленный припой. Этот способ дает лучшие ре­ зультаты по сравнению с холодным (гальваническим) лужением, покрытие получается плотным, блестящим, имеет значительную толщину (10—15 мкм) и хорошую адгезию к металлу.

ние характеристик электронно-дырочных переходов за счет дли­ тельного нагрева кристаллов. Поэтому чаще используют специаль­ ные установки, например ЭМ-415, ЖКМ 1.121.001 и др. При пайке кристалла к ножке ориентируют кристалл ¡по отношению к внут­ ренним выводам ножки так, чтобы длина электродных выводов, соединяющих выводы ножки и контактные площадки кристаллов, была минимальной, что повышает надежность приборов.

§ 40. Свойства припоев

Т в е р д ые припои, применяемые для пайки деталей полупро­ водниковых приборов, имеют температуру плавления выше 500° С и должны отвечать следующим требованиям:

хорошо смачивать соединяемые металлы и растекаться по их по­ верхности;

обладать достаточно высокой прочностью и пластичностью и быть коррозионно-устойчивыми в сочетании с другими металлами; иметь температуру плавления на 50—100° С ниже температуры

плавления соединяемых металлов;

114

иметь близкие к соединяемым металлам коэффициент термиче­ ского расширения, электропроводность и теплопроводность;

обеспечивать вакуумную плотность прибора в условиях длитель­ ной эксплуатации.

Этим требованиям отвечают серебряные припои ПСр, основные физико-механические свойства которых приведены в табл. 9, а хи­ мический состав — в табл. 10.

Припои ПСр выпускают в виде полос толщиной от 0,15 до 3 мм, шириной 50—200 мм и длиной 100—400 мм, а также в виде прово­ локи диаметром от 0,3 до 5 мм. На поверхности припоя не должно быть окислов и посторонних включений, допустимы лишь цвета по­ бежалости, местные потемнения и следы зачистки.

Для получения качественных спаев и экономного расходования припоя из полос и проволоки делают заготовки: из проволоки —

кольца (на автомате или, навивая проволоку на круглую оправку и разрезая по образующей полученную спираль), а из полос штам­ пами вырубают детали различной конфигурации. Отходы при руб­ ке серебряных припоев должны быть минимальны, так как серебро подлежит строгому учету. Наиболее часто используют заготовки припоя в виде дисков, колец и прямоугольников.

Следует отметить, что при пайке медных деталей с керамически­ ми не рекомендуется применять в качестве припоя чистое серебро, которое, взаимодействуя с медью в зоне шва, дает медно-серебряную эвтектику с низкой температурой плавления (780°С). В результате медная деталь может оказаться частично разрушенной. Степень ее разрушения пропорциональна времени выдержки при высокой тем­ пературе.

Известны припои, которыми можно соединять металл с метал­ лом и керамикой и выполнять герметизацию корпусов без нежела­ тельного перегрева как металлостеклянных спаев, так и кристалла с электронно-дырочными переходами. Например, такие вещества как ртуть и галлий образуют со многими металлами мягкие сплавы, затвердевающие лишь после выдержки в течение 2—24 ч. Эти спла­ вы можно применять для холодной пайки. Полученные таким обра­ зом (при комнатной температуре) соединения в дальнейшем выдер­ живают температуру до 900° С.

При пайке детали располагают так, чтобы слой сплава находил­ ся между ними, сжимают и выдерживают до тех пор, пока сплав не затвердеет. Если сплав не взаимодействует с материалом деталей, связь получается чисто механической и прочность ее зависит от ше­ роховатости поверхностей. Такие материалы, как медь, взаимодей­ ствуют со сплавом, и спай оказывается прочнее.

Проведение пайки при более высоких температурах позволяет применять в качестве припоя разнообразные сплавы и расширить область применения холодной пайки.

Мя г к и е припои имеют температуру плавления ниже 500°С и для пайки деталей корпусов не применяются. Однако такие при­ пои, особенно на основе олова — свинца (ПОС), широко исполь­ зуют в качестве покрытия при горячем лужении выводов полупро­ водниковых приборов. Холодное — гальваническое лужение дает значительно худшие результаты.

Основные физико-механические свойства мягких припоев приве­ дены в табл. 11. Их химический состав закодирован в марке. На­ пример, припой ПОС61 содержит около 61% олова, остальное — свинец. Мягкие припои выпускаются в виде чушек, круглых и трех­ гранных прутков, проволоки, ленты, а также в виде трубок, запол­ ненных флюсом (канифолью). Круглые прутки имеют диаметр от 8 до 15 мм и длину 300 и 400 мм, проволока—'Диаметр 0,5—6 мм, лента—толщину 1—5 мм и ширину 5—10 мм. Поверхность припоя

должна быть чистой без посторонних включений, трещин и рако­ вин.

Для пайки кристаллов с переходами к позолоченным держате­ лям применяют диски или прокладки из золотой фольги. В процессе

116

Т а б л и ц а И

§41. Металлизация керамических деталей

Впроизводстве полупроводниковых приборов из керамики (миналунда М-7, форстерита КВФ-4, алюмооксидной 22ХС, оксибериллиевой брокерит-9 и стеатита) изготовляют изоляторы, кристаллодержатели и термокомпенсаторы.

Для соединения с металлом необходимо керамику предвари­ тельно металлизировать, т. е. создать на поверхности детали проч­ ное металлическое покрытие, хорошо смачиваемое припоем. После

этого процесс пайки керамики с металлом мало отличается от про­ цесса пайки металла с металлом. Процесс металлизации состоит из нанесения и вжигания покрытия.

Существует несколько составов для металлизации керамических деталей. В полупроводниковом производстве для металлизации ке­ рамики обычно применяют молибдено-марганцевую пасту, для при­ готовления которой смешивают 90% молибдена и 10% марганца с раствором нитроцеллюлозы в изоамилацетате.

Поверхности, подлежащие металлизации, должны быть ровны­ ми, соответствовать 7—8-му классам чистоты и быть очищенными от жировых и других загрязнений. Обрабатывают поверхности шли­ фовкой алмазными кругами на универсальном оборудовании. Что­ бы избежать микротрещин, керамику шлифуют при обильном ох­ лаждении.

В зависимости от размеров и конфигурации деталей, а также сложности рисунка металлизации покрытие наносят различными методами: намазкой, пульверизацией (распылением), наклейкой металлизационной пленки и шелкографией.

Намазку — наиболее простой, но наименее производительный ме­ тод выполняют кисточкой или прокатыванием деталей между вал­ ками, смоченными металлизирующей пастой.

117

Пульверизацию обычно используют при нанесении пасты на крупногабаритные детали или групповой металлизации через спе­

циальные маски.

К наклейке прибегают, когда рисунок покрытия сложен, а плос­ кости металлизации расположены в различных уровнях. В этих случаях используют металлизирующую пленку, из которой штам­ пуют соответствующие заготовки и, смазав керамику клеем, наклеивают их на деталь.

Наиболее совершенным методом металлизации является шелкография, основанная на нанесении металлизирующей пасты на ке­ рамическую деталь продавливанием через сетчатый трафарет.

Для металлизации керамики К.ВФ-4 (форстерита) применяют довольно простой солевой способ нанесения металлизирующей пас­ ты: детали окунают в специальный раствор и высушивают. Этот способ особенно удобен при металлизации труднодоступных мест, например стенок тонких отверстий. С поверхностей, не нуждаю­ щихся в металлизации, слой удаляют (после вжигания) шли­ фовкой.

Толщина металлизационного слоя до вжигания обычно состав­ ляет 30—40 мкм. После вжигания она уменьшается примерно на­ половину, вследствие спекания и диффузии металла в керамику.

Вжигание выполняют при температуре около 1400° С в атмосфе­ ре водорода в толкательной электропечи СКВ-7032 (рис. 69), на сварном столе 12 которой расположены две нагревательные каме­ ры 3. В тумбах 13 стола смонтирована система электрооборудования и приводы 15, 16 и 19 механизма толкания, а на лицевой панели 14 расположены контрольные приборы и приборы автоматической сис­ темы регулирования температуры.

Собственно печь состоит из нагревательных и загрузочных ка­ мер, электрооборудования, газовых и водяных коммуникаций.

Нагревательная камера 3 представляет собой сварной корпус с металлической крышкой, герметично привинченной через асбесто­ вую прокладку. В центре камеры расположена алундовая труба 5 (рабочий канал), на которую снаружи намотана спираль из молиб­ деновой проволоки диаметром 1,5 мм, защищенная обмазкой из ог­ неупорной глины. Труба располагается на двух опорах; простран­ ство вокруг нее заполнено высокоглиноземистой шамотной засып­ кой 8. Внутри камера выложена легковесным шамотом 6. Герметич­ но заделанная термопара 7 введена непосредственно в рабочий ка­ нал. Питание нагревателя осуществляется через клеммники 4, рас­ положенные на торцевой стенке камеры.

Загрузочный 1 и разгрузочный 11 шлюзы имеют одинаковое уст­ ройство, за исключением того, что первый не имеет предохранитель­ ного клапана, а второй —толкающего устройства. Шлюзы состоят из двух частей: нижней и верхней камер, изолируемых друг от дру­ га крышкой с резиновой прокладкой.

Лодочки с деталями, подлежащими металлизации, подают в печь через нижнюю камеру, для чего открывают дверцу 18 и уста­ навливают их на подвижный столик. В это время нижняя камера от-

118