книги из ГПНТБ / Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие

6. Пленка стекла, получаемая нанесением на поверхность полу­ проводникового кристалла смеси микропорошка со спиртом или другим летучим наполнителем, следующего состава: 70% Si02; 20% Вг03; 7,8% U 2O3, ЫагО или К2О; 5% А120з или РЬО. После термообработки в вакууме при температуре 300° С в течение 15 лшн образуется стеклообразная пленка толщиной 1 мкм, на поверхности которой разложением этилокремниевой кислоты наращивается пленка БЮг и далее производится ее сплавление с нижним слоем стекла при температуре 700—900° С. После этого образуется стек­ лянная пленка, имеющая следующий состав: 80% Si02; 18% В20 3; 2% щелочных металлов и окислов А120з или РЬО.

7. Стеклянная пленка АЬОз-БЮг. На предварительно нанесен­ ную на поверхность кремния окисную пленку осаждается соедине­

ние типа Al(OC„H2n+i)Si(OCnH2n+i)4, где я = 1, 2 , 3, 4 определяет­ ся паровой фазой.

280

При нанесении пленок стекла на окисные слои толщиной менее 0,2 мкм возможно проникновение ионов натрия из стекла через окисньщ слой к поверхности р-я-перехода, чувствительной к воз­ действию ионов. По мере проникновения ионов к поверхности р-л-перехода на этой поверхности могут возникать каналы, которые

. увеличивают нестабильность приборов. Поэтому силикатные или кварцевые стекла не очень эффективны в качестве защитных пле­ нок для ионно-чувствительных поверхностей различных приборов.

Наиболее перспективным для таких приборов является боратное стекло, которое характеризуется низкой проводимостью и ма­ лыми диэлектрическими потерями, высокой механической прочно­ стью, термической и климатической стойкостью. Оно имеет струк­

Стекла первого типа состоят из бората цинка, окиси цинка, оки­ си кадмия, окиси алюминия и окиси кремния. Кроме этих состав­ ных частей в состав стекла могут входить окись бериллия и неболь­ шие концентрации окиси титана, окиси циркония, окиси ниобия, окиси лантана, окиси церия, окиси скандия, окиси гафния, окиси галлия, окиси индия и их смеси. Эти составы стойки к расстекловыванию в широком диапазоне температур и обладают полной смешиваемостью составных частей.

В качестве примера такого стекла можно привести следующий состав: 22—25% окиси кремния, 32—38% бората цинка, 12—20% окиси алюминия, 15—30% окиси цинка. Этот состав стекла облада­ ет коэффициентом температурного расширения, равным 38 -10~7 град_1 в диапазоне температур 0—300° С, и рабочей темпе­ ратурой 770° С. Толщина пленки стекла от 1 до 20 мкм.

На рис. 9.13 изображена диаграмма состояния системы ZnO—В20з—SiC>2, иллюстрирующая область образования стекла нужного состава.

281

Г Л А В А Д Е С Я Т А Я

СБОРКА И ГЕРМЕТИЗАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

§ 10.1. Сборка полупроводниковых приборов

Сборку полупроводникового прибора осуществляют путем раз­ личных операций: крепления кристалла полупроводника на кристаллодержателе или фланце, присоединения электрических выво­ дов к активным областям и т. д.

С б о р о ч н а я к о н с т р у к ц и я

Сборочная конструкция состоит из ряда элементов.

Баллон. Баллоны или колбы металлических диодных и транзи­ сторных корпусов изготавливают из меди, стали или ковара; при­ чем у диодов они имеют проходной стеклянный изолятор. Баллон после сборочных операций плотно соединяют с фланцем.

Фланец. При сборке транзисторов кристалл полупроводника, со­ держащий активную структуру, крепят на коваровом или медном фланце. Через стеклянные изоляторы на фланце закрепляют элект­ роды для эмиттерного, коллекторного и базового выводов. Чтобы уменьшить тепловое сопротивление, фланец делают из меди. При этом между стеклянным изолятором и фланцем ставят коваровую втулку, так как стекло не дает надежных спаев с медью.

Кристаллодержатель. В диодах и мощных транзисторах кристаллодержатель одновременно является фланцем, его изготавли­ вают из меди, которую покрывают тонким слоем никеля. Для креп­ ления кристалла у кристаллодержателя имеется возвышение. В стеклянной и металлостеклянной конструкциях фланец отсутству­ ет, а кристаллодержатель выполняют в виде цилиндрика, спрессо­ вывающего электродный вывод. У маломощных транзисторов кри­ сталлодержатель представляет собой никелевое кольцо или рамку, на которую напаивается омический контакт кристалла полупровод­ ника прямоугольной или круглой формы.

Электроды. В конструкциях маломощных диодов и транзисто­ ров электроды изготавливают в основном из никеля и ковара; вво­ дят их через стеклянный изолятор. Для транзисторов большой мощности эти материалы не используют вследствие плохой тепло- и электропроводности. В этом случае электроды выполняют из мед­ ной проволоки, покрытой тонким слоем никеля или серебра. Для сварки со стеклянными изоляторами на электрод надевают кова­ ровую втулку. Электроды делают также из посеребренной медной

282

плетенки, пропускаемой в коваровую трубку, заделанную в изоля­ тор. С целью герметизации на обоих концах трубка обжимается н плетенка сваривается с коваром.

Электрические выводы. У большинства типов диодов, стабилит­ ронов и некоторых транзисторов нет специальных электрических выводов, соединяющих омические контакты кристалла с электрод­ ными вводами — их роль выполняют электроды. В двухэлектрод­ ных приборах средней и большой мощности «верхний вывод», т. е. электрод, противоположный кристаллодержателю или фланцу, непосредственно напаивают на кристалл полупроводника. Он мо­ жет быть как гибким (из металлической плетенки), так и жестким (из медной полоски требуемой формы и размеров). В маломощных транзисторах для присоединения эмиттера и коллектора к соответ­ ствующим электродным вводам служат припаиваемые к ним элект­ рические выводы из серебряной, золотой, никелевой или алюминие­ вой проволоки. В последнем случае на алюминиевую проволоку на­ девают никелевую втулку, которая опрессовывается или соединяет­ ся контактной сваркой, так как алюминий очень трудно поддается пайке.

Прижимной контакт. Наиболее надежными и механически проч­ ными электрическими выводами являются прижимные пружинные контакты, применяемые в основном в маломощных двухэлектрод­ ных приборах. Прижимной электрический контакт изготавливают S-образной формы из металла с большой прочностью и упруго­ стью— вольфрама, бронзы, стали, формуемых в виде ленты. При сборке один конец пружины касается поверхности полупроводника или находящейся на ней капли сплава, а другой соединяется с электродом. Для фиксации положения пружины необходима изо­ ляторная трубка, поэтому прижимные контакты чаще используют в металлостеклянной конструкции. Так как при воздействии уда­ ров, вибраций или при изменении температуры прижимной контакт может перемещаться, он не разрушает кристалл полупроводника, не приводит к обрывам и коротким замыканиям, хотя и не совсем надежен при сильной вибрации.

Термокомпенсационные прокладки. В приборах, рассчитанных на большие мощности, где кристалл полупроводника крепится на медном кристаллодержателе или контактирует на большой площа­ ди с верхним электрическим выводом, в результате различия тем­ пературного коэффициента линейного расширения (ТК1) металла и полупроводника необходимо устранение или уменьшение терми­ ческих напряжений. Эту проблему чаще всего решают с помощью термокомпенсаторов, у которых ТК1 близок к ТК1 полупроводника. В качестве компенсаторов используют толстые шайбы из вольфра­ ма и молибдена. С целью облуживания шайбы подвергают специ­ альной обработке. Иногда для устранения напряжений употребля­ ют прокладки из мягкого металла: чистого свинца или свинца, по­ крытого индием. Однако при циклическом воздействии нагрузоч­ ной мощности на низких частотах свинец со временем может разрушаться.

283

Припой. Для соединения кристалла с электрическими вывода­ ми, электродами, прокладками, кристаллодержателем и фланцем используют припои. Различают два вида припоев: мягкие и твер­ дые.

К мягким или низкотемпературным относятся сплавы олова с висмутом, добавляемым для предотвращения оловянной чумы

(20—80% Bi, 80—20% Sn, 0,1—10% Sb); сплавы олова со свин­ цом (ПОС-40: Sn—40%, Pb—60%; ПОС-61: Sn — 61%, Pb — 38,2%, Sb — 0,8%) и сплавы олова со свинцом и индием. Темпера­ тура плавления их 140—210° С.

К твердым или высокотемпературным припоям относятся спла­ вы на основе серебра (ПСр-45: Ag — 45%, Си — 30%, Zn — 25%;

ПСр-50: Ag — 50%, Си — 50%), обладающие температурой плавле­ ния свыше 600° С.

С б о р к а

Соединение электрических выводов с омическими контактами кристалла осуществляют с помощью пайки, электроконтактной сварки и термокомпрессионной сварки.

Пайка. Пайку электрических выводов применяют при сборке многих типов полупроводниковых приборов. К недостаткам соеди­ нения пайкой относятся: неоднородность контакта, вследствие на­ личия окисных пленок, необходимость применения флюсов, загряз­ няющих кристалл полупроводника и разогрев кристалла до высо­ ких температур (200—300°С). Основными преимуществами пайки являются относительная ее простота и возможность соединения деталей сложной конфигурации, что невозможно при контактной сварке.

В тех случаях, когда это возможно, соединяемые участки под­ вергают предварительному облуживанию либо в расплаве припоя, либо с помощью ультразвукового паяльника, либо путем нанесения припоя гальваническим методом. Участки кремния или германия, подлежащие пайке, обычно покрывают никелем или золотом. Иног­ да после никелирования производят золочение.

Процесс пайки, например, при соединении кристаллодержателя с кристаллом и верхним выводом выполняют в специальных печах, в инертной или восстановительной атмосфере. Все детали при этом загружают в кассеты.

Пайку электрических выводов в виде тонких проволочек к элек­ тродам осуществляют на воздухе микропаяльником, наблюдая через микроскоп с небольшим увеличением. В данном случае при­ меняют флюсы, которые подразделяются на две группы: защитные и активные. Защитные флюсы — канифоль и ее спиртовые раство­

лей. После флюсовой пайки конструкцию промывают деионизован­ ной водой и сушат.

284

Для получения электрических контактов малой площади выво­ ды присоединяют с помощью металлической связки. Металлический электрод или электрический вывод покрывают слоем вязкой смеси из разлагающейся при нагреве органической связки (смеси нитро­ целлюлозы с бутилацетатом) и металлического порошка (из олова, свинца и кадмия с добавлением алюминия, индия или сурьмы и фосфора). При нагреве металлический порошок плавится и плот­ но сцепляется с кристаллом.

Электроконтактная сварка служит основным видом соединения как электрических выводов с электродами, так и кристаллодержателя с фланцем в производстве транзисторов малой мощности, фотодиодов и фототранзисторов. Более подробно контактная свар­ ка рассмотрена в § 10.2.

Термокомпрессионная сварка позволяет присоединять электри­ ческие выводы толщиной не более нескольких десятков микрон

комическим контактам кристаллов диаметром не более 20—50 мкм. Причем электрический вывод можно присоединить непосредственно

кповерхности полупроводника без промежуточного металлического покрытия следующим образом. Тонкую золотую или алюминиевую проволоку прикладывают к кристаллу полупроводника и прижи­ мают нагретым стержнем. После небольшой выдержки проволока оказывается плотно сцепленной с поверхностью кристалла. Сцеп­ ление происходит вследствие того, что даже при небольших удель­ ных давлениях, действующих на кристалл полупроводника и не вызывающих его разрушения, локальное давление в микровысту­

пах на поверхности может быть весьма большим. Это приводит к пластической деформации выступов, чему способствует подогрев до температуры ниже эвтектической для данного металла и полу­ проводника, что не вызывает каких-либо изменений в структуре кристалла. Происходящая деформация (затекание) микровыступов и микровпадин обусловливает прочную адгезию и надежный кон­ такт вследствие ван-дер-ваальсовых сил сцепления, а с повышени­ ем температуры между соединяемыми материалами более вероят­ на химическая связь.

Однако давление и нагрев ограничены из-за возникновения дислокаций в полупроводнике и температуры эвтектики сваривае­ мых материалов.

Термокомпрессионная сварка имеет следующие преимущества: а) соединение деталей происходит без расплавления сваривае­

мых материалов; б) удельное давление, прикладываемое к кристаллу, не приво­

дит к механическим повреждениям полупроводникового мате­ риала;

в) соединения получают без загрязнений, так как не использу­ ют припои и флюсы.

К недостаткам следует отнести малую производительность про­ цесса.

Термокомпрессионную сварку можно осуществлять путем соеди­ нений внахлест и встык.

285

ПрисоеЧинент контактам

286

287

При сварке внахлест электрический проволочный вывод, как уже отмечалось, накладывают на контактную площадку кристалла полупроводника и прижимают к нему специальным инструментом до возникновения деформации вывода. Ось проволочного вывода при сварке располагают параллельно плоскости контактной пло­ щадки.

При сварке встык проволочный вывод приваривают торцом к контактной площадке. Ось проволочного вывода в месте присо­ единения перпендикулярна плоскости контактной площадки.

Сварка внахлест обеспечивает прочное соединение кристалла полупроводника с проволочными выводами из золота, алюминия, серебра и других пластичных металлов, а сварка встык — только с выводами из золота. Толщина проволочных выводов может быть от 15 до 100 мкм.

Присоединять выводы можно как к чистым кристаллам полу­ проводника, так и к контактным площадкам, покрытым слоем на­ пыленного золота или алюминия. При использовании чистых по­ верхностей кристалла увеличивается переходное сопротивление контакта и ухудшаются электрические параметры приборов.

Элементы, подлежащие термокомпрессионной сварке, проходят определенную технологическую обработку. Поверхность кристалла полупроводника, покрытую слоем золота или алюминия, обезжири­ вают в спирте при 25° С в течение 5 мин.

Золотую проволоку отжигают при 300—600° С в течение 5—20 мин в зависимости от способа соединения деталей. Алюми­ ниевую проволоку протравливают в насыщенном растворе едкого натра при 80° С в течение 1—2 мин, промывают в дистиллирован­ ной воде и сушат. Серебряную проволоку обжигают при 700° С в те­ чение 15 мин и обезжиривают. Кремний и германий травят в стан­ дартных травителях.

Последовательность выполнения технологических операций раз­ личных видов термокомпрессионной сварки приведена в табл. 10.1. Основными параметрами режима термокомпрессионной сварки яв­ ляются удельное давление, температура нагрева и время сварки

(см. табл. 10.2).

Удельное давление выбирают в зависимости от допустимого на­ пряжения сжатия кристалла полупроводника и допустимой дефор­ мации материала привариваемого вывода. Время сварки выбирают экспериментальным путем.

Относительную деформацию при термокомпрессионной сварке можно определить по формуле

е = (1 - 0 , 8 - f ) 100%,

где d — диаметр проволоки, мкм; b — ширина соединения, мкм.

Давление на инструмент определяют исходя из распределения напряжений на стадии завершения деформации по формуле

288

Режимы термокомпрессионной сварки для различных материалов

(2—3) d\

f — приведенный коэффициент трения, характеризующий тре­ ние между инструментом, проволокой и подложкой.

На рис. 10.1 приведены номограммы.режимов термокомпресси­ онной сварки золотой (а) и алюминиевой (б) проволоки с алюми­ ниевыми пленками. Эти номограммы дают возможность оптималь­ ного выбора соотношения между удельным давлением, температу­ рой и временем.

Сборочные линейки. Полупроводниковые предприятия оснащены