RU1781732C

RU1781732C - Method of attachment of semiconductor crystal to body

Info

Publication number: RU1781732C
Application number: SU904865753A
Authority: RU
Inventors: Вадим Львович Розинов; Николай Александрович Барановский; Илья Шмералисович Фишель; Лев Андреевич Лискин
Original assignee: Научно-исследовательский институт молекулярной электроники
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1990-09-13
Publication date: 1992-12-15

Abstract

Использование: микроэлектроника. Сущность изобретени : поверхность золотой фольги, через которую кристалл соедин ют с корпусом, шаржируют алмазным порошком с размером зерен 2-5 мкм. Давление на кристалл при нагреве и соединении равно 0,05-0,1 Н.Usage: microelectronics. SUMMARY OF THE INVENTION: The surface of a gold foil through which a crystal is connected to a housing is charred with diamond powder with a grain size of 2-5 microns. The pressure on the crystal during heating and connection is 0.05-0.1 N.

Description

Изобретение относитс к производству интегральных схем, а конкретно к способу присоединени полупроводникового кристалла к корпусу.The invention relates to the production of integrated circuits, and more particularly, to a method for attaching a semiconductor chip to a housing.

Известен способ присоединени кристаллов с помощью низкотемпературного припо . При использовании этого способа на посадочную поверхность корпуса нанос т низкотемпературный припои, а на обратную сторону кристалла в определенной последовательности нанос т р д металлов, причем металл первого сло должен обладать хорошей адгезией с кремнием, а последний иметь максимальную смачиваемость припоем, нанесенным на корпус, при заданной температуре его плавлени . Это требует специального прецизионного оборудовани и применени сложных процессов нанесени метал нов.A known method of attaching crystals using a low temperature solder. When using this method, low-temperature solders are applied to the landing surface of the case, and a number of metals are deposited on the reverse side of the crystal in a certain sequence, the metal of the first layer must have good adhesion with silicon, and the latter should have maximum wettability by the solder deposited on the case, desired melting point. This requires special precision equipment and the use of complex metal deposition processes.

Известен способ присоединени кристалла к корпусу, при котором на посадочную площадку корпуса в качестве припо помещают золотую фольгу, содержащую 0.1-3% германи .There is a known method of attaching a crystal to a housing, in which gold foil containing 0.1-3% germanium is placed as a solder on the landing pad of the housing.

При данном способе не использую с дорогие и сложные процессы и оборудование дл нанесени металлов и припоев на поверхности кристалла и корпуса, и процесс присоединени кристалла значительно упрощаетс . Однако данный способ не гарантирует отсутствие пустот на границе раздела кристалл-эвтектической спай поскольку на присоедин емой поверхности кристалла всегда присутствует слой естественного окисла кремни , преп тствующий образованию спа золото-кремний.In this method, I do not use expensive and complex processes and equipment for depositing metals and solders on the surface of the crystal and the housing, and the process of attaching the crystal is greatly simplified. However, this method does not guarantee the absence of voids at the crystal-eutectic junction interface since a layer of natural silicon oxide is always present on the joined surface of the crystal, which prevents the formation of gold-silicon spa.

Известен способ присоединени золотой фольги, выбранный авторами в качестве прототипа, при котором после установки кристалла на золотую фольгу производ т нагрев сборки до температуры образовани эвтектики золото-кремний, а кристалл прижимают с усилием до 7 Н с одновременным приданием ему колебательного движени с амплитудой 0,2-0,8 мм и частотой 3-ЪО ГцThere is a known method of attaching a gold foil, chosen by the authors as a prototype, in which, after the crystal is mounted on the gold foil, the assembly is heated to the gold-silicon eutectic temperature and the crystal is pressed with a force of up to 7 N while giving it an oscillatory motion with an amplitude of 0, 2-0.8 mm and a frequency of 3 bOHz

Придание кристаллу колебательного движени приводит к разрушению окисной пленки за счет трени между кристаллом чGiving the crystal vibrational motion leads to the destruction of the oxide film due to friction between the crystal and

сл Сsl c

xjxj

фольгой и ее удалению за пределы кристалла . Однако при площади кристалла свыше 15 мм после начала образовани жидкой эвтектики кристалл начинает скользить по поверхности фольги без разрушени окисла , что приводит к неполному смачиванию поверхности кристалла эвтектикой и нарушению теплового контакта на местах сохранени окисла, а это, в свою очередь, приводит к неравномерному теплоотводу в процессе функционировани схемы и возникновению локальных термо:спр жений в кристалле, ведущих к растрескиванию кристалла . Кроме того, дл разрушени твердого естественного окисла требуетс приложение значительных усилий к кристаллу , что может вызвать по вление сколов и царапин на рабочей поверхности кристалла .foil and its removal beyond the crystal. However, with a crystal area of more than 15 mm after the start of the formation of liquid eutectic, the crystal begins to slide along the surface of the foil without destroying the oxide, which leads to incomplete wetting of the crystal surface by eutectic and a violation of thermal contact at the oxide storage sites, and this, in turn, leads to uneven heat removal during the operation of the circuit and the occurrence of local thermo: conjugations in the crystal, leading to cracking of the crystal. In addition, the destruction of solid natural oxide requires considerable force on the crystal, which can cause chips and scratches on the working surface of the crystal.

Целью изобретени вл етс повышение выхода годных ИС,The aim of the invention is to increase the yield of ICs,

Цель достигаетс тем, что в способе креплени полупроводникового кристалла к корпусу, включающем последовательное размещение в корпусе с площадкой дл кристалла золотой фольги и кристалла, нагрев корпуса с кристаллом до температуры образовани эвтектики золота и материала кристалла и соединение кристалла с площадкой корпуса при давлении на кристалл и придании ему колебательного движени перед размещением в корпусе поверхность золотой фольги, соедин емую с кристаллом, шаржируют алмазным порошком с размером зерен, равным 2-5 мкм, а давление на кристалл при соединении устанавливают равным 0,05-0,1 Н. Перед размещением в корпусе поверхность золотой фольги, соедин емую с кристаллом, шаржируют алмазным порошком с размером зерен, равным 2-5 мкм, а давление на кристалл при соединении устанавливают равным 0,05-0,1 Н.The goal is achieved in that in a method of attaching a semiconductor crystal to the housing, comprising sequentially placing the gold foil and the crystal in the housing with the crystal pad, heating the housing with the crystal to the temperature of formation of the gold eutectic and the material of the crystal, and connecting the crystal to the housing pad under pressure on the crystal and giving it an oscillatory motion before placing it in the case, the surface of the gold foil connected to the crystal is charmed with diamond powder with a grain size of 2-5 microns, and yes the effect on the crystal when connecting is set to 0.05-0.1 N. Before being placed in the body, the surface of the gold foil to be connected to the crystal is charmed with diamond powder with a grain size of 2-5 μm, and the pressure on the crystal when connecting is set to 0.05-0.1 N.

Отличительными признаками за вл емого способа вл ютс шаржирование золотой фольги перед укладкой в корпус алмазным порошком с величиной зерна 2-5 мкм и присоединение кристалла к корпусу при давлении 0,05-0,1 Н.Distinctive features of the claimed method are sharpening of gold foil before laying in the case with diamond powder with a grain size of 2-5 microns and attaching the crystal to the case at a pressure of 0.05-0.1 N.

В процессе шаржировани золотой фольги алмазным порошком зерна алмазного порошка прочно закрепл ютс в поверхности фольги, частично выступа из нее. Кристалл, помещаемый на поверхности шаржированной фольги, образует массу точечных контактов с выступающими из фольги острыми вершинами алмазных зерен. При приложении к кристаллу давлени вершины алмазных зерен ввиду своей высокой твердости внедр ютс в слой естественного окисла на обратной поверхности кристалла,In the process of sharpening the gold foil with diamond powder, the grains of diamond powder are firmly fixed to the surface of the foil, partially protruding from it. A crystal placed on the surface of a cartoon foil forms a mass of point contacts with sharp peaks of diamond grains protruding from the foil. When pressure is applied to the crystal, the tops of diamond grains, due to their high hardness, are introduced into the layer of natural oxide on the back surface of the crystal,

и прикалывают ее с образованием трещин в слое. При колебательном движении кристалла пленка окисла разрушаетс на мелкие кусочки. В результате этого поверхностьand pin it with the formation of cracks in the layer. During vibrational motion of the crystal, the oxide film breaks into small pieces. As a result of this surface

кристалла полностью очищаетс от окисла, а между посадочной площадкой корпуса и обратной поверхностью кристалла образуетс равномерный по толщине и не имею- а1ий разрывов и пустот слой эвтектикиthe crystal is completely cleaned of oxide, and a layer of eutectic is formed between the landing pad of the case and the back surface of the crystal, which is uniform in thickness and has no tears and voids

0 золото/кремний. Равномерности толщины эвтектичного сло обеспечиваетс за счет калибрующего эффекта алмазных зерен. В результате применение за вл емого способа позвол ет обеспечить качественный и0 gold / silicon. The uniformity of the thickness of the eutectic layer is ensured by the calibrating effect of diamond grains. As a result, the application of the claimed method allows to ensure high-quality and

5 равномерный теплоотвод в процессе функционировани схемы, а также устранить перекосы кристалла, привод щие к обрыву внешних выводов схемы. Все это повышает надежность работы схемы. Кроме того, ис0 пользование алмазных зерен позвол ет облегчить разрушение пленки естественного окисла, что приводит к снижению усили ,необходимого дл посадки кристалла, а это уменьшает веро тность повреждени кри5 сталла в процессе его креплени к корпусу.5 uniform heat dissipation during the operation of the circuit, as well as eliminating the distortions of the crystal, leading to a break in the external terminals of the circuit. All this increases the reliability of the circuit. In addition, the use of diamond grains makes it easier to break the film of natural oxide, which reduces the force required to plant the crystal, and this reduces the likelihood of damage to the crystal during its attachment to the body.

Пример. Алмазный порошок маркиExample. Diamond powder brand

А5-3/2, соответствующий стандарту ГОСТA5-3 / 2, compliant with GOST

9206-80, в количестве 2-3 г. насыпают на9206-80, in an amount of 2-3 g. Poured on

поверхность стекл нной пластины и с по0 мощью тонковолос ного флейца равномерно распредел ют по поверхности. На подготовленную таким образом поверхность укладывают заготовку золотой фольги толщиной 25 мкм и обкатывают ее поверх5 ность металлическим валиком в двух взаимно перпендикул рных направлени х. После этого заготовку золотой фольги поднимают и по шаржированной алмазным порошком поверхности несколько раз провод т флей0 цем с целью сн ти слабо закрепленных зерен алмаза. Обработанна таким образом заготовка золотой фольги имеет на своей поверхности не менее 200 зерен/мм2 жестко закрепленных алмазных зерен размеромthe surface of the glass plate and with the help of a fine-haired fillet are evenly distributed over the surface. A blank of gold foil 25 microns thick is laid on the surface thus prepared and its surface is rolled around with a metal roller in two mutually perpendicular directions. After that, the gold foil preform is lifted and a flame is drawn several times along the surface sharpened with diamond powder to remove loosened diamond grains. A gold foil blank processed in this way has at least 200 grains / mm2 of rigidly fixed diamond grains on its surface

5 от 2 до 5 мкм. Затем заготовку золотой фольги с помощью дисковых ножниц раздел ют на отдельные пластинки размером 3x3 мм, которые укладываютс в специальную кассету шаржированной поверхностью вверх и5 from 2 to 5 microns. Then, the gold foil blank is cut using disc scissors into separate 3x3 mm plates, which are stacked in a special cassette with the cartographic surface facing up and

0 в таком виде золота фольга, шаржированна алмазным порошком, поступает на установку присоединени кристаллов.In this form of gold, the foil, sharpened with diamond powder, enters the crystal attachment unit.

Данна установка состоит из многопозиционного механизма транспортировкиThis unit consists of a multi-position transport mechanism

5 корпусов с электроподогревом и двух манипул торов , снабженных вакуумными захватами , работающими каждый на свою позицию: один дл подачи шаржированной золотой фольги, другой дл установки кристаллов в корпус, а также автомата загрузки5 electrically heated cases and two manipulators equipped with vacuum grips, each working in its own position: one for supplying a cartoon gold foil, the other for installing crystals in the case, as well as a loading machine

и выгрузки корпусов. Процесс присоединени кристалла осуществл етс попозицион- но следующим образом: пука автомата загрузки берет из кассеты с исходными корпусами подлежащий обработке корпус и ус- танавливает его на первую позицию механизма транспортировки. После этого механизм транспортировки корпусов смещаетс на одну позицию, при этом срабатывают оба манипул тора, первый берет из кассеты золотую фольгу и устанавливает ее в корпус с шаржированной поверхностью кверху. Другой манипул тор захватывает из соответствующей кассеты кристалл, ориентирует его и устанавливает в корпус на шар- жированную поверхность золотой фольги, после чего штанга манипул тора вместе с кристаллодержателем начинает совершать колебательные движени с установленной амплитудой 0,2 мм и давлением на кристалл 0,07 Н, причем температура корпуса на данной позиции равна 405°С.and unloading enclosures. The process of attaching the crystal is carried out as follows: the bunch of the loading machine takes the casing to be processed from the cassette with the original cases and sets it to the first position of the transport mechanism. After that, the transportation mechanism of the cases is shifted by one position, both manipulators are triggered, the first one takes the gold foil from the cartridge and installs it in the case with the cartoon surface up. Another manipulator captures the crystal from the corresponding cartridge, orientates it and installs it in the housing on the articulated surface of the gold foil, after which the arm of the manipulator together with the crystal holder begins to oscillate with a set amplitude of 0.2 mm and a pressure on the crystal of 0.07 N and the case temperature at this position is 405 ° C.

Процесс присоединени кристалла длитс до полного растворени золотой фольги в течение 8 сек. После этого штанга манипул тора поднимаетс и возвращаетс в исходное положение, а цикл повтор етс дл следующего кристалла.The crystal attachment process lasts until the gold foil is completely dissolved within 8 seconds. After that, the arm of the manipulator rises and returns to its original position, and the cycle is repeated for the next crystal.

Размер алмазных зерен выбираетс от 2 до 5 мкм. При величине зерен меньше 2 мкм не будет получено надежное соединение между кристаллом и корпусом, а приThe size of diamond grains is selected from 2 to 5 microns. When the grain size is less than 2 μm, a reliable connection between the crystal and the body will not be obtained, and if

величине диаметра зерен более 5 мм эвтектический слой имеет большую толщину, что приведет к увеличению расходов золотаwith a grain diameter greater than 5 mm, the eutectic layer has a greater thickness, which will lead to an increase in gold costs

Давление на кристалл при присоединении последнего к корпусу выбираетс в пределах 0,05-0,1 Н, поскольку при более низком давлении крепление кристалла может быть ненадежным, а давление более 0,1 Н может вызывать разрушение кристалла.The pressure on the crystal when the latter is attached to the body is selected within the range of 0.05-0.1 N, since at a lower pressure the fastening of the crystal may be unreliable, and a pressure of more than 0.1 N can cause destruction of the crystal.

Использование изобретени позвол ет повысить надежность интегральных схем и увеличить выход годных изделий за счет устранени локального перегрева.The use of the invention improves the reliability of integrated circuits and increases the yield of products by eliminating local overheating.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION

A method of attaching a semiconductor crystal to the housing, including sequentially placing the gold foil and the crystal in the housing with the crystal pad, heating the housing with the crystal to a temperature of formation of gold eutectic and the material of the crystal, and connecting the crystal to the housing pad under pressure on the crystal and giving it an oscillatory motion, different the fact that, in order to increase the yield by reducing the mechanical stresses of the crystal, before placing the surface of the gold foil in the housing, th with crystal sharzhiruyut diamond powder with a grain size of 2-5 microns, and the pressure on the crystal with the compound was adjusted to 0.05-0.1 N.