Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность

Авторы патента:

Велигура Геннадий Александрович (RU)

H01L21/52 - монтаж полупроводниковой подложки в корпусе

Владельцы патента RU 2347297:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электронной техники" (RU)

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и предназначено для присоединения полупроводникового кристалла к корпусу методом контактно-реактивной пайки с образованием эвтектического сплава Au-Si при производстве транзисторов и интегральных микросхем. Сущность изобретения: в способе монтажа кремниевых кристаллов полупроводниковых приборов на покрытую золотом поверхность корпуса с нанесенным на обратную сторону кристалла слоем, в качестве слоя на обратную сторону кристалла наносят тонкий слой аморфного кремния толщиной 15-60 нм. Изобретение направлено на повышение теплофизических свойств СВЧ-транзисторов большой мощности. 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и предназначено для присоединения полупроводникового кристалла к корпусу методом контактно-реактивной пайки с образованием эвтектического сплава Au-Si при производстве транзисторов и интегральных микросхем. Особенно актуальным предлагаемый способ монтажа представляется в производстве СВЧ-транзисторов большой мощности, где реализация требований равномерного отвода тепла от кристалла на металлокерамический держатель (теплоотвод) является одной из первостепенных задач получения надежного изделия в эксплуатации.

Главным условием качественного монтажа кремниевых кристаллов на позолоченную поверхность корпуса является однородность и плотность паяного шва (поверхности контактирования кристалла), которые и обуславливают достижение так называемой сплошности соединения по всей поверхности раздела кристалл-корпус. И наоборот, наличие пор и пустот в паяном шве (эвтектическом слое Au-Si) приводит к увеличению теплового сопротивления кристалл-корпус и, как следствие, локальной или полной деградации транзисторной структуры.

Необходимость создания более мощной радиоэлектронной аппаратуры требует создания СВЧ-транзисторов с выходной мощностью более 600 Вт и, соответственно, применение кристаллов больших размеров. Поэтому задача совершенствования метода контактно-реактивной пайки для достижения качественного соединения становится все более актуальным и сложным техническим решением.

Известны способы монтажа кристаллов методом контактно-реактивной пайки, в которых используются прокладки из эвтектического сплава Au-Si [1] или золотой фольги [2], или комбинированной прокладки из золотой фольги с выступающей на ней в центре полоской сплава Au-Si [3].

Общим недостатком указанных способов являются отсутствие однородности и равномерности эвтектического слоя [4], а также большая трудоемкость необходимых технологических процессов, связанных с выполнением дополнительных операций изготовления прокладок, их обработки и укладки на поверхность корпуса, а также необходимости разработки и обеспечения дополнительной технологической оснастки. К тому же указанные известные способы связаны с необоснованно большим расходом драгметалла (Au).

Известны также другие технические решения монтажа на эвтектику, основанные на использовании предварительно созданной тонкой пленки золота методом вакуумного напыления на обратную сторону пластины с транзисторными структурами [4]. Данный способ также не нашел широкого практического применения из-за плохой адгезии напыленного слоя золота к поверхности кремниевого кристалла, что в последующем ведет к образованию пустот в области контактирования кристалла и корпуса при напайке и, как следствие, к уменьшению механической прочности паяного шва и росту теплового сопротивления транзистора. Для улучшения смачивания паяемой стороны кристалла на нее наносят золотое покрытие на предварительно созданный подслой никеля, которое вжигают при температуре порядка 400°С [5]. Однако и этот способ не устраняет вышеуказанных недостатков. Кроме того, к вышеперечисленным недостаткам добавляется образование интерметаллических соединений и силицидов металлов, которые не растворяются в слое эвтектики, что приводит к дополнительному увеличению теплового сопротивления и снижению надежности изделий.

Технический результат изобретения - повышение теплофизических свойств СВЧ-транзисторов, снижение теплового сопротивления более чем на 30% и, следовательно, повышение энергетических характеристик приборов и их надежности. Технический результат достигается тем, что на обратную сторону кристалла наносится тонкий слой аморфного кремния толщиной 15÷60 нм. При этом использование других каких-либо дополнительных металлических слоев или прокладок для решения проблемы сплошности контактирования и однородности паяного шва не требуется.

Нанесенный слой кремния, благодаря своей аморфной структуре, обладает высокой реактивной способностью по отношению к золоту, что ведет на начальных стадиях сплавления к интенсивному образованию эвтектического сплава Au-Si. Эвтектический слой образуется на внешней границе пленки аморфного кремния и золотого покрытия поверхности корпуса. Этот слой является как бы «затравкой» для дальнейшего активного взаимообъемного растворения монокристаллического кремния кристалла и золотого покрытия посадочной площадки корпуса. Данный процесс характеризуется равномерным фронтом вплавления, а паяный шов при этом не имеет посторонних включений.

Способ монтажа с использованием напыленного слоя аморфного кремния на обратную сторону пластины с транзисторными структурами (кристалла) имеет значительные преимущества по сравнению с ранее применяемыми методами эвтектической пайки кристаллов не только по физико-технологическим параметрам, но и благодаря своей технологической простоте, воспроизводимости и экономичности процесса.

Монтаж кремниевых кристаллов осуществляется следующим образом. Аморфный слой кремния наносится методом вакуумного напыления на установке магнетронного распыления типа 01НИ-7-006 в среде аргона с использованием кремниевой мишени, закрепленной на медном основании.

Режим нанесения:

предварительный отжиг пластин	200÷250°С
предварительный вакуум	5×10⁴ Па
давление в рабочей камере во время распыления	(6÷7)×10³ Па
давление аргона в магнетроне	(6÷7)×10^-1 Па
скорость нанесения кремния	(0,7÷1) нм/с
толщина пленки аморфного кремния	(15÷60) нм

Выбор конкретной толщины пленки аморфного кремния определяется с учетом реализации наибольшей сплошности контактирования. Так экспериментально было установлено, что при толщинах менее 15 нм не образуется надежной сплошной поверхности контактирования, а при толщинах более 60 нм возрастают переходные сопротивления, что отрицательно сказывается на энергетических и теплофизических характеристиках мощных СВЧ-транзисторов.

В таблице приведены значения теплового сопротивления мощных СВЧ-транзисторов для применения в метровом и дециметровом диапазоне волн, изготовленных с использованием традиционной технологии монтажа кристалла способом напыления пленки Au-Ni [5] и предлагаемой технологии способом напыления пленки аморфного кремния.

Таблица.
Наименование транзистора	Выходная мощность СВЧ-транзистора, Вт	Значение теплового сопротивления транзистора,°С /Вт
Монтаж кристалла с использованием пленки Au-Ni [5]	Монтаж кристалла с использованием пленки аморфного кремния
КТ9174АС	300	0,82	0,57
КТ9151АС	200	0,95	0,63
КТ9182АС	150	0,97	0,76
КТ9152АС	100	1,28	1,0
КТ9142АС	50	2,13	1,77
КТ9190А	20	5,16	4,1

Из приведенных экспериментальных данных видно, что предложенный способ монтажа кристалла с напыленной пленкой аморфного кремния позволяет для транзисторов с различным уровнем выходной мощности (20-300 Вт) более чем на 30% уменьшить тепловое сопротивление и, следовательно, повысить энергетические характеристики приборов и их надежность.

Литература

1. Пат. 5188982 США, МКИ⁵ H01L 21/52. Способ присоединения полупроводникового кристалла к корпусу / Huang Chin-Ching. Опубл.23.02.93.

2. Пат. 5089439 США, МКИ⁵ H01L 23/6. Монтаж кремниевых кристаллов с большими размерами на покрытую золотом поверхность. / Lippey Barret Опубл.18.02.92.

3. Пат. 5037778 США, МКИ⁵ H01L 21/603. Монтаж кристалла с использованием Au-прокладки, плакированной эвтектическим сплавом Au-Si. / Stark James, Whitcomb Michael J. Опубл. 06.08.91.

4. А.И.Мазур, В.П.Алехин, М.Х.Шоршоров. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов. М.: Радио и связь, 1981. 224 с.

5. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. 528 с.

Способ монтажа кремниевых кристаллов полупроводниковых приборов на покрытую золотом поверхность корпуса с нанесенным на обратную сторону кристалла слоем, отличающийся тем, что в качестве слоя на обратную сторону кристалла наносят тонкий слой аморфного кремния толщиной 15-60 нм.

Изобретение относится к области изготовления БИС и СБИС, имеющих большую площадь кристаллов, путем бесфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формир-газе и др. .

Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу // 2313156

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий (ППИ) и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем бессвинцовой пайки.

Способ бессвинцовистой пайки полупроводникового кристалла к корпусу // 2278444

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий электронной техники и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем пайки припоями, не содержащими свинец.

Способ монтажа полупроводниковых кристаллов больших размеров в корпуса // 2212730

Изобретение относится к области изготовления мощных полупроводниковых приборов и БИС путем безфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формиргазе и др. .

Способ сборки полупроводниковых приборов // 2171520

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов путем бесфлюсовой пайки на воздухе без применения защитных сред. .

Способ присоединения кристаллов кремниевых дискретных полупроводниковых приборов и интегральных схем к корпусу // 2033659

Интегральная схема в герметичном корпусе // 1700639

Способ герметизации корпуса полупроводникового прибора // 1664079

Способ монтажа полупроводникового кристалла пайкой // 1393248

Устройство для сборки полупроводниковых приборов // 1222142

Способ получения контактных соединений диодных лазеров и линеек // 2364985

Изобретение относится к квантовой электронике, полупроводниковой и оптоэлектронной технологии, в частности технологии изготовления когерентных излучателей для систем накачки мощных твердотельных лазеров, создания медицинской аппаратуры, лазерного технологического оборудования и других целей

Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу с образованием эвтектики al-zn // 2375786

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем бессвинцовой пайки

Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу // 2379785

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем бессвинцовой пайки

Способ пайки кристаллов на основе карбида кремния // 2460168

Изобретение относится к технологии приборов силовой электроники на основе карбида кремния

Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса // 2480860

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий, имеющих большую площадь кристаллов

Способ корпусирования электронных компонентов // 2503086

Изобретение относится к области производства изделий электроники и электротехники. Решается задача корпусирования электронных компонентов без применения опрессовки и дорогостоящей оснастки, что особенно важно при индивидуальном производстве единичных изделий электронной техники. Способ корпусирования электронных компонентов сочетает вакуумную заливку с приложением давления на компаунд, гарантирует высококачественное формообразование и повышение механических и теплотехнических характеристик изделий. Облегчен также контроль качества изделий путем применения прозрачного основания формы. Способ применим при производстве широкой гаммы изделий электроники и электротехники, а также изделий бытового назначения. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Термостойкие адгезивы для соединения кристаллов и металлов с полиимидным основанием // 2534122

Изобретение относится к термостойким адгезивам для соединения кристаллов и металлов с полиимидным основанием. Адгезивы (составы) содержат в качестве полимерного связующего новый преполимер - поли(о-гидроксиамид) - продукт реакции поликонденсации 3,3′-дигидрокси-4,4′-диаминодифенилметана и 1,3-бис-(аминопропил)-тетраметилдисилоксана с изофталоилхлоридом. При подготовке адгезива для применения осуществляют выдержку реакционного раствора, содержащего каталитические количества HCl, при 180-200°C течение 30-40 мин. Соединение кристалла или металла с полиимидным основанием осуществляют при 200-270°C в течение 30-40 мин. Сформированные из предлагаемых адгезивов пленки образуют высокотермостойкие гидрофобные клеевые слои, не содержащие пузырей, причем термическая обработка этих слоев осуществляется при температурах 200-270°C, что не вызывает окисления металлов в металлической разводке по кристаллу.

Способ сушки покрытия из серебросодержащей пасты // 2564518

Изобретение относится к способу сушки покрытия из серебросодержащей пасты, используемой для получения неразъемного соединения при изготовлении силовых полупроводниковых приборов по технологии КНМ «кремний на молибдене». Данная технология позволяет получать соединения при низкой температуре с более высокими электрическими и термомеханическими свойствами, а также с увеличенным сроком службы по сравнению с действующими технологиями. Процесс сушки серебросодержащей пасты производится при разреженной атмосфере при давлении 5,5·103-4,0·104 Па и натекании воздуха потоком от 0,5 до 3 л/мин на 1 г серебросодержащей пасты при рабочей температуре 100-150°C в течение 10-60 минут. Снижение содержания восков в спеченном серебряном слое позволит создавать контактные соединения в силовых полупроводниковых приборах с более высокими эксплуатационным характеристиками: пониженное электросопротивление, снижение механических напряжений в соединении, увеличенная теплопроводность соединения. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность // 2570226

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и предназначено для присоединения полупроводникового кристалла к корпусу методом контактно-реактивной пайки с образованием эвтектического сплава Au-Si при производстве транзисторов и интегральных микросхем. Предложен способ монтажа кремниевых кристаллов полупроводниковых приборов на покрытую золотом поверхность корпуса с нанесенным на обратную сторону кристалла слоем. В качестве слоя наносят псевдосплавное покрытие толщиной (20-200) нм, содержащее аморфный кремний и 10-50 вес.% золота. Изобретение направлено на повышение теплофизических свойств многокристальных СВЧ транзисторов большой мощности. 3 ил., 2 табл.