CS211334B1

CS211334B1 - A method of forming a metal brazable layer on ceramic or glass substrates

Info

Publication number: CS211334B1
Application number: CS662480A
Authority: CS
Inventors: Petr Svab; Pavel Stejskal
Original assignee: Petr Svab; Pavel Stejskal
Priority date: 1980-10-01
Filing date: 1980-10-01
Publication date: 1982-02-26

Abstract

Předmětem vynálezu je způsob přípravy kovové vrstvy na keramických substrátech, používaných v polovodičové technologii. Vynález řeží úpravu povrchu keramického substrátu pájitelného měkkými pájkami s vysokým bodem tání bez vysoké náročnosti na jeho přípravu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že se povrch substrátu odmastí a chemicky očistí, pak se napaří vrstva Ti a bez přeruěení vakua se tepelně zpracuje v témže zařízení. Na tento povlak se nanese druhá kovová vrstva Ni, případné Ag, Cu, Sn a zažíhne.The subject of the invention is a method for preparing a metal layer on ceramic substrates used in semiconductor technology. The invention concerns the surface treatment of a ceramic substrate solderable with soft solders with a high melting point without high demands on its preparation. The essence of the invention lies in the fact that the surface of the substrate is degreased and chemically cleaned, then a Ti layer is evaporated and heat-treated in the same device without interrupting the vacuum. A second metal layer of Ni, optionally Ag, Cu, Sn, is applied to this coating and ignited.

Description

(54) Způsob vytvoření kovové pájitelné vrstvy na keramických případně skleněných substrátech(54) A method of forming a metal solder layer on ceramic or glass substrates

Předmětem vynálezu je způsob přípravy kovové vrstvy na keramických substrátech, používaných v polovodičové technologii. Vynález řeží úpravu povrchu keramického substrátu pájitelného měkkými pájkami s vysokým bodem tání bez vysoké náročnosti na jeho přípravu.It is an object of the present invention to provide a metal layer on ceramic substrates used in semiconductor technology. The present invention provides a surface treatment of a ceramic substrate solderable by a high melting point solder without high demands on its preparation.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že se povrch substrátu odmastí a chemicky očistí, pak se napaří vrstva Ti a bez přeruěení vakua se tepelně zpracuje v témže zařízení. Na tento povlak se nanese druhá kovová vrstva Ni, případné Ag, Cu, Sn a zažíhne.The principle of the invention is that the surface of the substrate is degreased and chemically cleaned, then the Ti layer is vaporized and heat treated in the same apparatus without breaking the vacuum. A second metallic layer of Ni, optionally Ag, Cu, Sn is applied to this coating and ignited.

. Vynález se týká způsobu přípravy kovové vrstvy na keramických případně skleněných substrátech s glazovaným nebo neglazovaným povrchem, používaných v polovodičové technologii a určených pro měkké pájení pájkami typu Pb Ag.. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a process for preparing a metal layer on ceramic or glass substrates having a glazed or unglazed surface used in semiconductor technology and intended for soft soldering by Pb Ag solders.

Pokovení keramiky pro účely pájení je využíváno například při připojování polovodičových čepů ke kovovým základnám, k vytvoření vodivých drah a míst k fixaci diskrétních součástek v technologii hybridních obvodů, při spojování keramiky s kovem např. při pouzdření malorozměrnýeh polovodičových součástek do kovových pouzder apod.·Ceramic plating for brazing is used, for example, to connect semiconductor pins to metal bases, to create conductive paths and places for fixation of discrete components in hybrid circuit technology, to connect ceramics to metal, for example, to encapsulate small-sized semiconductor components in metal housings etc.

Známé způsoby vytváření kovových kontaktních vrstev na keramických případně skleněných substrátech, které se používají pro získání pájitelného povrchu, lze rozdělit do několika skupin.The known methods of forming metal contact layers on ceramic or glass substrates that are used to obtain a solderable surface can be divided into several groups.

Vrstvy získané chemickým deponováním z roztoků přisluSných kovových soli (např. Ni,Layers obtained by chemical deposition from appropriate metal salt solutions (eg Ni,

Ag apod.) pomocí různých redukčních činidel jako je formaldehyd, fosfornany, glukosa apod., s případným následným tepelným zpracováním vyloučeného povlaku. Tyto vrstvy jsou používány v případech, kdy jsou pokovovány malé plochy, případně motiv složený z jednotlivých úzkých vodivých drah, které nejsou mechanicky namáhány. Pájení těchto vrstev vyžaduje použití měkkých pájek obsahujících Sn, Cd apod. s nízkým bodem táni (max. do 200 °C) a minimální prodlevu na teplotě pájení.Ag and the like) using various reducing agents such as formaldehyde, hypophosphites, glucose and the like, with optional subsequent heat treatment of the deposited coating. These layers are used when small areas are metallized, or a motif composed of individual narrow conductive tracks, which are not mechanically stressed. Soldering of these layers requires the use of soft solders containing Sn, Cd and the like with a low melting point (max. 200 ° C) and a minimum delay at the brazing temperature.

Dalěí známý způsob využívá vakuového napaření kovové vrstvy. Síly napařovaných vrstev se pohybují řádově v desetinách jum a aby nedocházelo k odlegování napařeného kovu do vrstvy roztavené pájky, používá se násobného napařování několika kovů např. Ni - Ag.Another known method utilizes vacuum vapor deposition of the metal layer. The forces of the vapor deposited layers are in the order of tenths of yum and to prevent the vapor deposition of the vapor into the molten solder layer, multiple vapor deposition of several metals such as Ni-Ag is used.

Pro zajištění dobré roztékavosti pájky po celém pokoveném povrchu se často konečná vrstva vytváří napařením Au, které se v použité pájce rozpustí a tak vytvoří podmínky pro dobrou smáčivost celého povrchu pájkou. Při obou těchto metodách nedochází k chemické reakci nanesené kovové vrstvy s materiálem keramického substrátu.To ensure good flowability of the solder over the entire metallized surface, the final layer is often formed by vapor deposition of Au, which dissolves in the solder used, thus creating conditions for good wettability of the entire surface by the solder. In both these methods, the deposited metal layer does not chemically react with the ceramic substrate material.

Chemické reakce s keramickým substrátem je využíváno při dalším způsobu, kdy se na pokovovaný povrch nanáší suspenze molybdenových, manganových a hořečnatých sloučenin, případně dalších aditiv. Ty se pak vypalují při teplotách cca 1 200 až 1 250 °C v prostředí vlhčeného vodíku. Tato technologie vyžaduje nákladné zařízení s rozsáhlým bezpečnostním vybavením a je značné energeticky náročná. Získané vrstvy nejsou pájitelné měkkými pájkami a proto se upravuji galvanickým pokovením Ni a Ag. Takto získané vrstvy zaručují při určitých podmínkách spolehlivost spoje při mechanickém namáhání za cenu vysoké náročnosti jejich přípravy.The chemical reaction with the ceramic substrate is utilized in another method in which a suspension of molybdenum, manganese and magnesium compounds, or other additives, is applied to the metallized surface. These are then fired at temperatures of about 1,200 to 1,250 ° C in a humidified hydrogen environment. This technology requires expensive equipment with extensive safety equipment and is very energy intensive. The layers obtained are not solderable by soft solders and are therefore treated with Ni and Ag electroplating. The layers thus obtained guarantee, under certain conditions, the reliability of the joint under mechanical stress, at the expense of a high degree of preparation.

Všechny popsané způsoby příprav pájitelných kovových vrstev jsou omezeny buá vysokou náročností vlastní přípravy včetně nákladných technologických zařízení, nebo jejich využití je omezeno na podmínky, při kterých nedochází k zvýšenému mechanickému namáhání pájeného spoje při vlastním pájení nebo spájeného výrobku.All of the processes described for the preparation of solderable metal layers are limited either by the high demands of preparation, including expensive technological equipment, or their use is limited to conditions in which there is no increased mechanical stress on the solder joint during soldering or brazing.

Výše uvedené nevýhody odstraňuje postup podle vynálezu, jehož podstatou je, že povrch keramického nebo skleněného substrátu se odmastí, chemicky očistí leptáním a vakuově se napaří vrstva kovu mající dobrou adhezi k substrátu např. Ti, Pd apod., v sile max. 1 jma a bez přerušení vakua se provede tepelné zpracování na teplotě max. 500 °C po dobu 5 minut a následně se nanese vrstva Ni síly min. 1 jum, která se zařízne ve vakuu min. 6,66.10^ Pa při teplotě max. 800 °C po dobu min. 5 minut. Na zažlhnutou vrstvu Ni je možno nanést i dru hou kovovou vrstvu Ni, případně jiného pájitelného kovu např. Ag, Cu, Sn apod. Tato druhá vrstva může být nanesena např. galvanickým způsobem, vakuovým napařením, bezproudovým vyloučením.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the process according to the invention which is based on the fact that the surface of the ceramic or glass substrate is degreased, chemically cleaned by etching and a vacuum layer of a metal having good adhesion to the substrate e.g. Ti, Pd etc. is applied. without interrupting the vacuum, heat treatment is carried out at a temperature of max. 500 ° C for 5 minutes and subsequently a layer of Ni is applied for min. 1 jum, which is cut under vacuum min. 6.66.10 ^ Pa at max. 800 ° C for min. 5 minutes. It is also possible to apply a second metal layer of Ni or another solder metal, for example Ag, Cu, Sn and the like to the yellowed Ni layer. This second layer can be applied, for example, by galvanic method, vacuum vapor deposition, electroless deposition.

Výhodou řešení podle vynálezu je, že takto upravený povrch keramického či skleněného substrátu je pájitelný měkkými pájkami s vysokým bodem tání, např. pájkou Pb Ag 2,5 při teplotě 350 °C bez nebezpečí, že dojde k jeho zhoršení i při použití korozivních tavidel založených na bázi HC1. To zaručuje spolehlivost spoje při mechanickém namáhání spájeného výrobku bez vysoké náročnosti přípravy kovové vrstvy a potřeby nákladných technologických zařízení. Příklad provedení:The advantage of the solution according to the invention is that the treated surface of the ceramic or glass substrate can be soldered with high melting point soft solders, e.g. Pb Ag 2.5 solder at 350 ° C without the risk of deterioration even when using corrosive fluxes based on HCl. This ensures the reliability of the joint under mechanical stress of the brazed product without the high demands on the preparation of the metal layer and the need for expensive technological equipment. Example:

Keramický nebo skleněný substrát se běžným způsobem odmastí např. toluenem a chemicky očisti leptáním např. v horké HgSO^. Po tomto očistění se vakuově napaří vrstva Ti o síle 0,5 /un a bez přerušení vakua se v témže zařízení následně tepelně zpracuje při teplotě 400 °C. Na takto vytvořený povlak se galvanicky vyloučí vrstva Ni v, síle 2 až 3 }sn. Pro dobré vzájemné spojení obou těchto vrstev se provede žíhání ve vakuu při teplotě 700 °C po dobu max. 10 minut.The ceramic or glass substrate is degreased in a conventional manner, for example with toluene, and chemically cleaned by etching, for example, in hot H 2 SO 4. After this purification, a 0.5 [mu] m thick Ti layer was vacuum evaporated and subsequently vacuum-treated at 400 [deg.] C. in the same apparatus. A layer of Ni in a thickness of 2 to 3 µm is galvanically deposited on the coating thus formed. For good bonding of the two layers, anneal under vacuum at 700 ° C for a maximum of 10 minutes.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A method of forming a metal pourable layer on ceramic or glass substrates having a glazed or unglazed surface for soldering by Pb Ag type solders, characterized in that the surface of the substrate is degreased and chemically cleaned by etching, further vacuum vaporizing a metal layer having good adhesion to substrate, e.g. Ti or Pd or Cr in a maximum of 1 µm and without vacuum interruption, heat treatment is carried out at a temperature of at most 500 ° C for at least 5 minutes and subsequently a Ni layer of at least 6.66.10 ^- ? P _and pM at a maximum of 800 ° C for at least 5 minutes.

2. A method of forming a metallic Ni layer is applied by another solderable layer according to claim 1, characterized in that on the ignition layer of Ni or another metal, e.g. Ag, Cu, Sn.

3. Method of forming a metal solderable layer according to item 1, the metal layer is deposited by a galvanic method.

4. A method of forming a metal solder layer according to the points of the metal layer is deposited by vacuum vapor deposition.

5. A method of forming a solderable metal layer according to the points of the metal layer is deposited by electroless deposition.

2 characterized in that the other and 2 characterized in that the other and 2 are characterized in that the other