Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса
Владельцы патента RU 2336594:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области изготовления БИС и СБИС, имеющих большую площадь кристаллов, путем бесфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формир-газе и др. Оно может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусы силовых полупроводниковых приборов путем пайки различными припоями. Сущность изобретения - система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса содержит кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва. Буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона сетки представляет собой набор проволок из меди, а верхняя сторона - проволоки из Мо, W или их сплавов, при этом нижняя сторона сетки размещена в канавках основания корпуса, которые имеют форму равнобочных трапеций с размером в нижней части 1,0d, в верхней 1,2d и глубиной 1,0d, где d - диаметр проволоки нижней стороны сетки, а диаметр проволок верхней стороны сетки выбран из условия получения заданной толщины паяного шва. Изобретение позволяет обеспечить снижение непропаев в паяном шве, повышение прочности паяного соединения, улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу, снижение термических напряжений в системе кристалл - паяный шов - корпус. 2 ил.
Изобретение относится к области изготовления БИС и СБИС, имеющих большую площадь кристаллов, путем бесфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формир-газе и др. Оно может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпуса силовых полупроводниковых приборов путем пайки различными припоями.
Разработка способов монтажа полупроводниковых кристаллов большой площади к основаниям корпусов ИЭТ - это актуальная задача, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой микроэлектроники.
Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов.
Известен способ пайки /1/ 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.
Известен /2/ корпус электронного прибора с каналом снятия напряжений. Для согласования температурных коэффициентов линейного расширения корпуса и кристалла между ними размещается термокомпенсатор из Мо, 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.
Наиболее близким по технической сущности заявляемого изобретения является металлическая система для монтажа полупроводникового кристалла на основание корпуса /3/, заключающаяся в том, что для преодоления несогласованности материалов кристалла и основания корпуса по величине их температурных коэффициентов линейного расширения в полость помещается буферный элемент (термокомпенсатор) в виде прямоугольной пластинки из Мо, 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 является повышение трудоемкости производства полупроводниковых изделий, 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.
Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это снижение непропаев в паяном шве; повышение прочности паяного соединения; улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу; снижение термических напряжений в системе кристалл - паяный шов - корпус.
Эта задача достигается тем, что в системе монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса, содержащей кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, с целью снижения непропаев в паяном шве, повышения прочности паяного соединения, улучшения теплоотвода от кристалла к корпусу, снижения термических напряжений в системе кристалл - паяный шов - корпус буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона сетки представляет собой набор проволок из меди, а верхняя сторона - проволоки из Мо, W или их сплавов, при этом нижняя сторона сетки размещена в канавках основания корпуса, которые имеют форму равнобочных трапеций с размером в нижней части 1,0d, в верхней 1,2d и глубиной 1,0d, где d - диаметр проволоки нижней стороны сетки, а диаметр проволок верхней стороны сетки выбран из условия получения заданной толщины паяного шва.
Сравнение заявляемой системы монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса с другими системами /1-3/ из известного уровня техники также не позволило выявить в них признаки заявляемые в отличительной части формулы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:
на фиг.1 - схема сборки кристалла с основанием корпуса перед пайкой;
на фиг.2 - схема паяного соединения кристалла с основанием корпуса с помощью разработанной системы.
Примером использования системы монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса может служить сборка кремниевых кристаллов (температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) α=2,3·10-6 К-1) к основаниям медных корпусов (α=16,6·10-6 К-1). На паяемую поверхность кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленочную металлизацию. Для сборки используются корпусы с канавками в виде равнобочных трапеций. Буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона сетки представляет собой набор проволок из меди (α=16,6·10-6 К-1), а верхняя сторона - проволоки из Мо (α=5,9·10-6 К-1), W (α=4,3·10-6 К-1) или их сплавов.
Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса реализуется по схеме (фиг.1-2), 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 кремниевого кристалла на основание медного корпуса нижняя сторона сетки представляет собой набор проволок 3 из меди, а верхняя сторона - проволоки 4 из Мо, 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 различными ТКЛР.
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 (фиг.1-2) способствует полному заполнению канавки припоем и обеспечивает равномерность толщины паяного шва по всей площади с кристаллом (фиг.2).
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 (фиг.2).
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:
1. Снижение непропаев в паяном шве;
2. Повышение прочности паяного соединения;
3. Улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу;
4. Снижение термических напряжений в системе кристалл - паяный шов - корпус.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2167469 (RU), Н01L 21/58. Способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу. / Ю.Е.Сегал, В.В.Зенин, Ю.Л.Фоменко, Б.А.Спиридонов, А.А.Колбенков (RU). - Опубл. в БИ, 2001, №14.
2. Корпус электронного прибора с каналом снятия напряжений. Electronic package with stress relief channel: Пат. 5315155 США, МКИ5 Н01L 23/02 / O'Donnelly Brian E., Mravic Brian, Crane Jacob, Mahulikar Deepak; Olin Corp. - №912535; Заявл. 13.07.92; Опубл. 24.05.94; НКИ 257/711.
3. Металлическая система для посадки полупроводникового кристалла. Metal system for semiconductor die attach: Пат. 5105258 США, МКИ5 Н01L 39/02 / Silvis Duane С., Chaudhry Udey, Eckert James R., Mischen Edward J.; Motorola, Inc. - №616970; Заявл. 21.11.90; Опубл. 14.04.92; НКИ 357/71.
Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса, содержащая кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, отличающаяся тем, что буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона сетки представляет собой набор проволок из меди, а верхняя сторона - проволоки из Мо, W или их сплавов, при этом нижняя сторона сетки размещена в канавках основания корпуса, которые имеют форму равнобочных трапеций с размером в нижней части 1,0d, в верхней - 1,2d и глубиной 1,0d, где d - диаметр проволоки нижней стороны сетки, а диаметр проволок верхней стороны сетки выбран из условия получения заданной толщины паяного шва.
