Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность

Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность

Реферат

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 мощностьСВЧ-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.