Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий, имеющих большую площадь кристаллов. Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса содержит кремниевый кристалл и медный корпус между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, при этом буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса. В канавках основания корпуса размещают медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок, общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности, а в качестве связки алмазных зерен с проволокой используют металл или сплав, который является покрытием основания корпуса, при этом алмазные зерна выступают на 20-25 мкм над основанием корпуса, а пайку осуществляют с приложением к кристаллу ультразвуковых или низкочастотных колебаний, которые направлены вдоль канавок в корпусе. Техническим результатом изобретения является: снижение непропаев в паяном шве и улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу. 2 ил.

 

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий, имеющих большую площадь кристаллов, путем бесфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формир-газе и других защитных средах. Оно может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпуса силовых полупроводниковых приборов путем пайки различными, в том числе и безсвинцовыми, припоями.

Разработка способов монтажа полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов полупроводниковых изделий (ППИ) в настоящее время является актуальной задачей, на решение которой направлены усилия всех специалистов, работающих в области полупроводниковой, особенно силовой, электроники.

Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов.

Известен способ пайки /1/ полупроводникового кристалла к корпусу, по которому для увеличения площади спая между кристаллом и корпусом на основании корпуса формируют V-образные канавки глубиной 25-75 мкм, располагаемые друг от друга на расстоянии 0,25-1 мм. Основным недостатком данного способа являются непропаи в паяном шве при капиллярной пайке в конвейерной водородной печи.

Разработан способ /2/ крепления полупроводникового кристалла к корпусу, по которому между кристаллом и корпусом размещают золотую фольгу и проводят пайку при температуре образования эвтектики Si-Au. При этом перед размещением в корпусе золотой фольги ее поверхность шаржируют алмазным порошком с размером зерен, равным 2-5 мкм.

Основным недостатком данного способа является незначительное снижение теплоотвода от кристалла к корпусу, так как площадь алмазного порошка на поверхности золотой фольги составляет десятые доли процента от площади кристалла.

Известен /3/ 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.

Основным недостатком данной конструкции является получение паяных швов толщиной более 0,25 мм, что увеличивает тепловое сопротивление «кристалл-корпус», так как коэффициенты теплопроводности Мо, W и Si примерно одинаковые.

Наиболее близкой по технической сущности заявляемого изобретения является система монтажа кристалла на основание корпуса, заключающаяся в том, что для снижения непропаев в паяном шве, повышения прочности паяного соединения, улучшения теплоотвода от кристалла к корпусу и снижения термических напряжений в системе «кристалл - паяный шов - корпус» между кремниевым кристаллом и медным корпусом помещается буферный элемент в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса, а верхняя сторона проволоки - из Мо, W или их сплавов, диаметр которых выбран из условия получения заданной толщины паяного шва.

Основным недостатком данной конструкции является недостаточно высокий теплоотвод от кристалла к корпусу, особенно при эксплуатации силовых полупроводниковых приборов, так как коэффициенты теплопроводности (λ, Вт/м·К) Si (160), Мо (162) и W (166) примерно одинаковые.

Задача, на решение которой направлено заявляемое решение - это снижение непропаев в паяном шве и улучшение теплоотвода от кристалла к корпусу.

Эта задача достигается тем, что система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса, содержащая кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, при этом буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса, с целью снижения непропаев в паяном шве и улучшения теплоотвода от кристалла к корпусу в канавках основания корпуса размещены медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок, общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности, а в качестве связки алмазных зерен с проволокой использован металл или сплав, который является покрытием основания корпуса, при этом алмазные зерна выступают на 20-25 мкм над основанием корпуса, а пайка осуществлена с приложением к кристаллу ультразвуковых или низкочастотных колебаний, которые направлены вдоль канавок в корпусе.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых схематично изображены:

на фиг.1 - фрагмент схемы сборки кристалла с основанием корпуса перед пайкой;

на фиг.2 - фрагмент схемы паяного соединения кристалла с основанием корпуса с помощью разработанной системы.

Примером использования системы монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса может служить сборка кремниевых кристаллов (коэффициент теплопроводности λ=160 Вт/м·К) к основанию медных корпусов (λ=395-402 Вт/m·K) силовых полупроводниковых приборов. На паяемую поверхность кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленочную металлизацию. Для сборки используют медные корпуса с канавками. В канавках основания корпуса размещены медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок.

Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса реализуется по схеме (фиг.1-2), содержащая основание 1 с канавками 2, в которых размещены медные проволоки 3, на поверхность которых нанесена металлическая связка 4 для закрепления на проволоках 3 алмазных зерен 5.

На выступающих над поверхностью основания корпуса алмазных зернах 5 размещена фольга припоя 6, а затем кристалл 7.

Общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности. При меньшей площади алмазных зерен (коэффициент теплопроводности алмаза около 2000 Вт/м·K) эффект передачи тепла от кристалла к корпусу будет снижаться, а большую площадь получить на проволоке технологически трудно.

В качестве металлической связки алмазных зерен с проволокой используют металл или сплав, который является покрытием основания корпуса. Например, для пайки кристаллов к корпусам на последние наносят никель химическим или гальваническим методами из фосфатных электролитов. В этом случае используемый при пайке припой, например ВПр6, при температуре пайки одинаково хорошо смачивает паяемую поверхность основания корпуса и никелевую связку алмазных зерен на медных проволоках, тем самым снижаются непропаи в паяном шве.

Диаметр медной проволоки с зернами алмаза, а следовательно, и глубина канавок в основании корпуса выбирается таким образом, чтобы при размещении проволок в канавках зерна алмазного порошка выступали на величину h=20-25 мкм над основанием корпуса.

Алмазные зерна, выступающие на величину h=20-25 мкм над основанием корпуса, при пайке способствуют разрушению оксидных пленок на припое, улучшают смачивание припоем металлической связки алмазных зерен и покрытий паяемой поверхности корпуса. При меньшей величине h снижается теплоотвод от кристалла к корпусу, а при большей величине - возможно царапание алмазными зернами металлизации кристалла в расплаве припоя, что приведет к ухудшению смачивания припоем данного участка кристалла.

При пайке корпус ППИ жестко закрепляется на монтажном столике установки пайки кристаллов, а кристалл подвергается ультразвуковым или низкочастотным колебаниям, которые направлены вдоль канавок в корпусе. Такие колебания улучшают заполнение припоем канавок с проволоками и повышают смачивание припоем основания корпуса. При колебаниях кристалла в других направлениях канавки будут способствовать появлению непропаев в паяном шве.

При кристаллизации припоя алмазные зерна расположены внутри паяного шва 8, тем самым улучшая теплоотвод от кристалла к корпусу.

На основании вышеизложенного сделано заключение, что использование предлагаемой системы монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса обеспечивает по сравнению с существующими системами следующие преимущества:

1. Снижаются непропаи в паяном шве.

2. Улучшается теплоотвод от кристалла к корпусу.

Источники информации

1. В.В.Зенин, В.Н.Беляев, Ю.Е.Сегал, Ю.Л.Фоменко / Пайка полупроводниковых кристаллов к основаниям корпусов // Петербургский журнал электроники. 2001, №2, с.65.

2. Авторское свидетельство СССР на изобретение №1781732 А1, H01L 21/58. Способ крепления полупроводникового кристалла к корпусу / В.Л.Розинов, Н.А.Барановский, И.Ш.Фишель и Л.А.Лискин. - Опубл. в БИ, 1992, №46.

3. Корпус электронного прибора с каналом снятия напряжений. Electronic package with stress relief channel: Пат. 5315155 США, МКИ5 H01L 23/02/ O'Donnelly Brian E., Mravic Brian, Crane Jacob, Mahulikar Deepak; Olin Corp. - №912535; Pfzdk/ 13.07.92; Опубл. 24.05.94; НКИ 257/711.

4. Патент РФ на изобретение №2336594 (RU), H01L 21/52. Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса / В.В.Зенин, Д.И.Бокарев, А.В.Рягузов, А.Н.Кастрюлев, О.В.Хишко. Опубл. в БИ, 2008, №35.

Система монтажа полупроводникового кристалла к основанию корпуса, содержащая кремниевый кристалл и медный корпус, между которыми установлен буферный элемент с образованием паяного шва, при этом буферный элемент выполнен в виде сетки, нижняя сторона которой представляет набор проволок из меди и размещается в канавках основания корпуса, отличающаяся тем, что в канавках основания корпуса размещены медные проволоки, на которые нанесен алмазный порошок, общая площадь алмазных зерен на каждой проволоке составляет около 50% ее поверхности, а в качестве связки алмазных зерен с проволокой использован металл или сплав, который является покрытием основания корпуса, при этом алмазные зерна выступают на 20-25 мкм над основанием корпуса, а пайка осуществлена с приложением к кристаллу ультразвуковых или низкочастотных колебаний, которые направлены вдоль канавок в корпусе.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии приборов силовой электроники на основе карбида кремния. .

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

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

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий (ППИ) и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпусе полупроводниковых приборов путем бессвинцовой пайки.
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.
Изобретение относится к области изготовления мощных полупроводниковых приборов и БИС путем безфлюсовой пайки в вакууме, водороде, аргоне, формиргазе и др. .

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

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.
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.

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.

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.

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

Наверх