книги из ГПНТБ / Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие

Применяемые для пайки припои описаны в гл. II и IV. При контроле после пайки выявляют следующие дефекты:

качество посадки кристалла (рабочая сторона сверху или снизу), наплывы припоя (не более отмеченных в контрольной карте), недостаточную прочность крепления кристалла, наличие или отсутствие припоя на выводах прибора.

Могут быть и другие дефекты, которые, как правило, контро­ лируют по технологической документации. Некоторые дефекты можно устранить. Так, если кристалл легко отделяется от дер­ жателя, отвалился после пайки или при контроле, то возможно повторное проведение процесса. Однако, если дефект неиспра­ вим, то бракуется вся арматура.

§ 10. Монтаж кристаллов склеиванием

Прочность склеивания определяется величиной сцепления между клеем и склеиваемыми поверхностями материалов. По активности взаимодействия между клеевым материалом и склеи­ ваемыми поверхностями различают полярные (эпоксидные смолы и др.) и неполярные (полиэтилен, фторопласт, полистирол и др.) материалы. Полярные материалы следует склеивать по­ лярными клеями, а неполярные — неполярными клеями.

Инертные материалы (фторопласт, полиэтилен) перед склеи­ ванием требуют специальной обработки. При склеивании необ­ ходимо избегать возникновения напряжений после отвердения, клеевого шва, так как в противном случае при эксплуатации клеевого соединения, особенно в условиях тепловых ударов, тер­ мических циклов и динамических нагрузок, клеевой шов может расслаиваться, растрескиваться и разрушаться вследствие раз­ ности коэффициентов линейного термического расширения ма­ териалов.

Для получения прочного и надежного в эксплуатации клеево­ го соединения следует учитывать следующие факторы.

Смачиваемость — непременное условие склеивания материа­ лов, так как смачиваемость и сцепление материалов находятся в прямой зависимости.

Подготовка поверхности к склеиванию — качество поверхно­ сти оказывает большое влияние на прочность склеивания. Кро­ ме механической подготовки поверхности, часто используют хи­

можны загрязнения, поэтому перед склеиванием их необходимо удалить с поверхности, промывая ее растворителями (толуол,

•спирт, ацетон и т. д.). После обезжиривания детали выдержива­ ют на воздухе или (чаще) в установках с повышенной тепературой до удаления растворителя.

Удаление растворителя из клеевой пленки до отвердения клеевого шва, так как большинство клеевых композиций пред­

41

ставляют собой растворы синтетических смол в растворителях или их смесях. Неполное удаление растворителей из клеевой пленки приводит к резкому снижению прочности соединения в результате пористости и появления усадочных напряжений пос­ ле отвердения клеевого шва.

Давление при склеивании — необходимо почти для всех типов клеев. Величина давления зависит от состава клея и определя­ ется в основном способностью его к растеканию.

Толщина клеевого слоя в полупроводниковой технологии час­ то ограничивается заранее заданными величинами. Установлено, что с увеличением толщины клеевого шва прочность склеивания падает.

Отвердение клеевых композиций в зависимости от условий технологических процессов производства и конструкции прибо­ ра проводится различными способами и происходит при повы­ шенных температурах.

Наиболее употребимые клеи и клеевые композиции, приме­ няемые для монтажа кристаллов, приведены в табл. 4.

Т а б л и ц а 4

Некоторые клеи и клеевые композиции, применяемые для монтажа кристаллов

Для конструкций, которые не эксплуатируются при высоких температурах, можно рекомендовать клей холодного отвердения

клея ВК-2, представляющего собой раствор кремнийорганической смолы в органическом растворителе с мелкодиспергированным асбестом в качестве активного наполнителя. Им склеивают кремний, кремний алюминированный и золоченый, вольфрам, вольфрам золоченый, керамику, керамику золоченую, молибден,

42

ковар, ковар золоченый, никель, никель золоченый. При этом соединения сохраняют необходимую прочность — до 50 кГ/см2

при 350° С до 1000 ч\ 15—25 кГ/см2 при 1000° С до 5—8 мин.

Типичный пример приклеивания кристаллов к арматуре при­ веден на рис. 27. Кристаллы 1 приклеивают на керамическое ос­ нование 3 клеем 4, который наносят кисточкой.или распылением. Приклеивание производят либо в кассетах в тех случаях, когда материал клея требует применения внешнего давления, либо бес-

/

4 3

Рис. 27. Арматура с приклеенными кристаллами:

I — кристаллы, 2 — внешние выводы, 3 — керамическое основание, 4 — клей

'кассетным методом. В последнем случае собранная арматура (кристаллодержатель 2 и кристаллы) направляется на обработ­ ку при повышенных температурах (если применены клеи не хо­ лодного отвердения). .

§ К . Монтаж кристаллов сплавлением

При монтаже кристаллов в корпус применяют кассетный и бескассетный способы сплавления.

По существу физических явлений, происходящих в контакте кристалла с металлом корпуса, сплавление можно отнести к пай­ ке, так как две поверхности соединяются под действием третье­

43

бочем месте должна иметься инструкция по эксплуатации уста­ новки) до давления не выше ІО-4 мм рт. ст. Затем печь (рис. 29) надвигают на камеру так, чтобы кассета оказалась в ее зоне. Температуру кассеты за 10—20 мин доводят до 560—600° С (тем­ пературу контролируют с помощью термопары). В указанном режиме кассету выдерживают 10—25 мин. Затем печь сдвигают, охлаждают кассету до 60—80° С и камеру разгружают.

Рис. 29. Вакуумная печь для сплавления

Рабочая зона в печи составляет не менее 100—120 мм, а раз­ брос температуры вдоль зоны должен составлять не более

±10° С.

Сплавление производят и бескассетным способом, при этом кроме вакуумных печей, используют водородные (конвейерные) печи, где наряду с водородом возможно применение инертных газов. Расход газов контролируется ротаметром. Широко рас­ пространен ротаметр РС-З-А; его следует устанавливать верти­ кально отвесу, в противном случае искажается показание при­ бора и ухудшается устойчивость поплавка. Ротаметр необходи­ мо периодически проверять на правильность показании. Каждый ротаметр имеет свой тарировочный график, по которому опре­

44

деляется расход газа. На рис. 30 приведен пример такого графика.

Вследствие образования эвтектики золото — кремний в по­ следнее время ориентированно присоединяют кристалы мно­ гих транзисторов, диодов и ИС к позолоченным корпусам. При этом присоединение осуществляют с промежуточной таблеткой (например, фольга эвтектического сплава толщиной 20—50 мкм) или без нее.

Специально для высокопроизводительного присоединения кристаллов к золоченым корпусам эвтектикой без промежуточ-

Рис. 30. График для определения величины расхода жидко­ сти и газа

ной таблетки припоя эвтектического состава разработаны спе­ циализированные установки (например, ЭМ-415).

Способ присоединения основан на образовании эвтектики зо­ лото— кремний при совместном действии нагрева и ультразву­ ковых колебаний, подаваемых на инструмент (игла, пуансон, ка­ пилляр). При этом кристалл прижимается рабочим инструмен­ том к корпусу с определенным усилием.

Техническая характеристика установки ЭМ-415

§ 12. Монтаж кристаллов пайкой со стеклом

Как указывалось выше, в ряде полупроводниковых устройств, в частности ИС, применяют монтаж пластины кремния на диэ­ лектрическую подложку, в качестве которой используют бесще-

45

лочное тугоплавкое стекло, являющееся по существу кристаллодержателем.

Состав бесщелочного тугоплавкого стекла в % следующий: SiOo—63, AI2O3—23, CaO—2,1, MgO—6,1, BaO—5,8, Ті02—1.

Основные требования для проведения процесса следующие: температура пайки не должна превышать 1000° С (для ис­

ключения неконтролируемой диффузии примеси); коэффициент линейного термического расширения стекла

должен быть согласован с коэффициентом линейного термичес­ кого расширения исходного полупроводникового материала;

стекло не должно содержать в своем составе компонентов,

вредно влияющих на электрические параметры, таких как В20з, As20 5 и др.

Вслучае присоединения к подложке неразрезанной пластины

сготовыми структурами (рис. 31) после окончания папки полу­ ченная арматура с помощью одного из методов разделения ис­ ходного материала, чаще всего диском с алмазной крошкой, раз­ деляется на отдельные приборы, которые направляются на по­ следующие операции сборки.

Пайку производят в специальной кассете (рис. 32), которую изготовляют из кварца (для исключения адгезии стекла к мате­ риалу кассеты). На дно кассеты 5 помещают графитовую про­ кладку 2, на которой располагают кремниевую пластину 4 об­ ратной стороной (которую необходимо припаять к стеклу) вверх.

Над кремнием устанавливают стекло 3, изготовленное, напри­ мер, в виде диска по диаметру пластины 25—40 мм, и изолируют от кассеты графитовой прокладкой 2. Сверху кладут груз 1 ве­ сом около 300—500 г. Кассету помещают в установку с инертной средой и проводят пайку по режиму:

46

ПРИСОЕДИНЕНИЯ ВЫВОДОВ

КПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ КРИСТАЛЛАМ

§13. Назначение выводов. Методы присоединения

Основные электрические свойства полупроводникового при­ бора определяются свойствами д-/г-перехода— границы между областями полупроводника с различным типом проводимости. Однако, чтобы кристалл полупроводникового материала,

присоединения выводов во многих случаях не менее сло­ жен, чем процесс получения р-п-перехода. При этом обеспечи­ ваются: 1 ) механически прочный, а также термически и химически стойкий контакт металл — проводник, 2 ) малая вели­ чина электрического сопротивления контакта.

При присоединении металлических проводников к полупро­ водниковым приборам необходимо соблюдать следующие общие условия:

контакт должен служить проводником тока, при этом сле­ дует исключить утечку тока;

сопротивление контакта должно быть как можно меньшим; необходимо предотвратить возможность химического загряз­

нения в месте контакта; контакт должен иметь тонкий приповерхностный слой или ме­

таллическую пленку на поверхности и занимать строго опреде­ ленное положение;

контакт должен быть механически прочным.

В технологии изготовления полупроводниковых приборов наи­ более распространены следующие методы присоединения выво­ дов: пайка и сварка — ультразвуковая, контактная, термоком­ прессия.

Выводы присоединяют пайкой к диффузионно-сплавным транзисторам, туннельным и СВЧ диодам. Выводы, присоеди­ ненные с помощью пайки, обладают высокой прочностью соеди­ нений. При пайке достигается хорошее смачивание металлизиро­ ванной поверхности полупроводника. При пайке часто использу­ ются флюсы. Наличие припоя и флюсов загрязняет поверхность полупроводника и приводит к ухудшению электрических пара­ метров приборов.

В последнее время в электронике наблюдается определенная тенденция вытеснения пайки различными видами сварки.

Наибольшее распространение получили методы ультразвуко­ вой сварки, точечной контактной сварки и комбинированной сварки, использующей оба первых метода. Преимуществами

48

ультразвуковой сварки являются: отсутствие каких-либо загряз­ нений в зоне контакта; малое время сварки; отсутствие нагрева свариваемых деталей; возможность сварки разнородных и трудиосвариваемых металлов.

Особенно широкие возможности имеет комбинированный спо­ соб сварки (ультразвуковая сварка с импульсным косвенным нагревом). С помощью комбинированного способа сварки можно присоединить достаточно мощные плоские металлические про­ водники (ленту) непосредственно к неметаллизированной поверх­ ности полупроводника.

К недостаткам ультразвуковой сварки можно отнести сле­ дующие:

один из соединяемых материалов должен быть пластичным; верхний предел толщины одной из присоединяемых деталей

ограничен из-за мощности ультразвуковых преобразователей; достаточно сложное в настройке оборудование, требующее вы­

сокой квалификации оператора.

Преимуществом термокомпрессионной сварки является про­ стота сварочного оборудования, стабильность и высокая стой­ кость сварочного инструмента, простота и стабильность процесса

•сварки, легкая регулировка и контроль основных параметров процесса, нечувствительность к небольшим изменениям режима сварки и возможность присоединения выводов к полупроводни­ ковым структурам с мелким залеганием р-/г-перехода, а также простота и надежность оборудования. Однако применение тер­ мокомпрессии достаточно ограничено; этот способ соединения возможен только для определенных типов и размеров присоеди­ няемых выводов, он служит в основном для соединения металли­ ческих проводников, имеющих низкую температуру эвтектики, с полупроводниковыми материалами.

В качестве материалов выводов для полупроводниковых при­ боров всех видов наибольшее применение находят алюминиевая и золотая проволоки. Эти материалы очень пластичны и при до­ статочно низких температурах образуют прочное соединение, яв­ ляются хорошими проводниками тепла, а также имеют самое низкое контактное сопротивление на границе с металлическими пленками, нанесенными на полупроводниковые структуры. Кро­ ме того, золотая проволока хорошо паяется и является химиче­ ски стойкой.

Разберем теперь наиболее часто применяемые методы сварки для присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам.

§ 14. Присоединение выводов сваркой

Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка является методом, в котором присое­ динение выводов к полупроводниковому кристаллу производится без плавления свариваемых компонентов.

49

Во всех видах ультразвуковой сварки в твердой фазе сущест­ вует энергетический барьер образования соединения, который, в основном, определяется загрязнением соединяемых поверхностей. Энергетический барьер преодолевается приложением вибрации ультразвуковой частоты к свариваемым компонентам, которые прижаты друг к другу под определенным давлением. Таким об­ разом, граница раздела подвергается жесткому сдвигающему действию, которое разрушает пленки поверхностного загрязне­ ния и вызывает некоторое нагревание поверхностей от трения. Процесс нагревания способствует образованию соединения. При этом происходит пластическая деформация в зоне соприкоснове­ ния присоединяемых материалов. В результате действия ультра­ звука и пластической деформации удаляются из зоны контакта

звуковая сварка характеризуется тремя параметрами: 1 ) прило­ женным усилием, 2 ) амплитудой колебаний, которая контроли­ руется на промышленных установках мощностью преобразова­ теля, 3) временем сварки. Эти параметры взаимно связаны. Например, при подборе режима сварки с увеличением амплиту­ ды колебаний можно уменьшить время и приложенное давление и наоборот. Оптимальный режим процесса выбирается таким образом, чтобы получить максимальную прочность соединения при полном сохранении электрических свойств полупроводнико­ вой структуры.

Для получения высокой механической прочности соединений металлического вывода с полупроводником на поверхность полу­ проводника наносят тонкую металлическую пленку (чаще алю­ миниевую или золотую), которая должна обладать способностью образовывать невыпрямляющий контакт с полупроводником, являться хорошим проводником, допускать пайку.

Перед ультразвуковой сваркой некоторые полупроводниковые структуры травят в смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот в соотношении 2 : 9 : 4 в течение 10—20 сек, потом промывают дистиллированной водой и высушивают. Присоединяемую прово­ локу (например, золотую) отжигают в вакууме при температуре

50