RU2033659C1

RU2033659C1 - Process of attachment of crystals of silicon discrete semiconductor devices and integrated circuits to case

Info

Publication number: RU2033659C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Полехов; С.Л. Лебедев; В.И. Сарычев
Original assignee: Научно-исследовательский институт "Пульсар"
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-04-20

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: process includes placement of gold foil between case and crystal and brazing. Foil surface is treated chemically in solution of hydrochloric acid at temperature 18-25 C for the course of 3-5 min followed by rinsing in cold deionized water at same temperature for the course of not less than 1 min and drying in atmosphere of hot air at temperature 70-80 C for the course not less than 5 min. EFFECT: enhanced efficiency of process. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу сборки полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС), включающему присоединение кремниевого кристалла к корпусу, и может быть использовано в процессе изготовления полупроводниковых приборов и ИС. The invention relates to electronic equipment, in particular to a method for assembling semiconductor devices and integrated circuits (ICs), including attaching a silicon crystal to a housing, and can be used in the manufacturing process of semiconductor devices and ICs.

В электронной технике при изготовлении полупроводниковых приборов известен способ сборки прибора, включающий присоединение кристалла к корпусу и предусматривающий использование в качестве плавкой контактной пластины слоя эпоксидного клея с серебряным наполнением. In electronic technology, in the manufacture of semiconductor devices, a method for assembling a device is known, which involves attaching a crystal to a housing and using a silver-filled epoxy adhesive layer as a fusible contact plate.

Известен способ сборки полупроводникового прибора, включающий присоединение кристалла к корпусу и предусматривающий использование в качестве плавкой контактной пластины слоя полиимидного клея. A known method of assembling a semiconductor device, comprising attaching a crystal to the housing and providing for the use of a layer of polyimide adhesive as a fusible contact plate.

Однако этими способами нельзя достичь высокой прочности и качества соединения кристалла с корпусом при особо жестких режимах функционирования, что подразумевает наличие больших токов через соединение, высокие температуры около 200^оС, повышенные требования к тепловым характеристикам, как того требует, например, функционирование мощных полупроводниковых приборов.However, these methods can not achieve the high strength and connection quality crystal with the housing at especially hard modes of operation, which involves the presence of large currents through the junction, the high temperature of about 200 ^{° C,} increased demands on thermal characteristics as required, for example, the operation of power semiconductors .

Известен также способ сборки полупроводниковых приборов, включающий присоединение кремниевого кристалла к корпусу, когда в качестве плавкой контактной пластины используется тонкая золотая фольга. При температуре соединения 425 ± 5^оС золотая фольга реагирует с кремнием в результате плавления в зоне контакта, при этом образуется слой эвтектического состава Au+3,6% Si. Контактное плавление осуществляется при определенном нажиме на кристалл с одновременной подачей ультразвуковых колебаний.There is also a known method of assembling semiconductor devices, including attaching a silicon crystal to the housing, when a thin gold foil is used as a fusible contact plate. Compound at a temperature of 425 ± ⁵ ° gold foil reacts with silicon by melting in the contact region, forming a layer of eutectic composition Au + 3,6% Si. Contact melting is carried out with a certain pressure on the crystal with the simultaneous supply of ultrasonic vibrations.

Недостатками известного способа являются недостаточные качество и прочность соединения кристалла с корпусом в особо жестких режимах функционирования, как, например, для случая мощных полупроводниковых приборов, которые обладают значительными размерами кристалла. Если при малых линейных размерах кристалла, составляющих менее 2 мм, качество соединения кристалла с корпусом достаточно высокое, то при значительных линейных размерах кристалла, превышающих 2-3 мм, а значит, при соответствующих размерах золотой фольги, повторяющей размеры кристалла, особенно при квадратной их форме, между контактирующими поверхностями возникают области непроплавления локальные области, что вызывает неравномерность в распределении электрического тока по площади контакта, ведет к увеличению теплового сопротивления соединения и прибора в целом, к снижению прочности соединения и, как результат, к выходу прибора из строя, так как качество соединения низкое. Основной причиной образования областей непроплавления является образующаяся на поверхности золотой фольги естественная пленка оксида золота толщиной несколько десятков ангстрем, препятствующая началу контактного плавления "чистого" металла (золота) и полупроводника (кремния). The disadvantages of this method are the lack of quality and durability of the connection of the crystal with the housing in particularly severe operating modes, as, for example, in the case of powerful semiconductor devices that have significant crystal sizes. If, with small linear dimensions of the crystal constituting less than 2 mm, the quality of the connection of the crystal with the body is quite high, then with significant linear dimensions of the crystal exceeding 2-3 mm, and therefore, with the corresponding dimensions of a gold foil that repeats the dimensions of the crystal, especially when square form, between the contacting surfaces there are areas of non-fusion local areas, which causes uneven distribution of electric current over the contact area, leads to an increase in thermal resistance of Inonii device and generally to reduce the bond strength and as a result, to device failure, since low quality connections. The main reason for the formation of regions of non-fusion is the formation of a natural gold oxide film several tens of angstroms thick on the surface of the gold foil, which prevents the onset of contact melting of "pure" metal (gold) and semiconductor (silicon).

Целью изобретения является повышение прочности и снижение контактного теплового сопротивления соединения кристалла с корпусом за счет уменьшения локальных областей непроплавления в соединении кристалла с корпусом. The aim of the invention is to increase the strength and reduce contact thermal resistance of the connection of the crystal with the housing by reducing the local areas of non-penetration in the connection of the crystal with the housing.

Цель достигается тем, что по способу сборки кремниевых полупроводниковых приборов и ИС, включающему размещение золотой фольги между корпусом и кремниевым кристаллом и пайку кристалла, поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при температуре 18-25^оС в течение 3-5 мин с последующей промывкой в холодной деионизованной воде при той же температуре в течение не менее 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70-80^оС в течение не менее 5 мин.The object is achieved in that the method for assembling silicon ICs and semiconductor devices comprising placing a gold foil between the housing and the silicon chip and solder crystal foil surface is previously subjected to chemical etching in hydrochloric acid solution at 18-25 ^{° C} for 3-5 min followed by washing with cold deionized water at the same temperature for at least 1 minute and dried in a hot air environment at a temperature of 70-80 ^{° C} for at least 5 min.

При таком режиме химической обработки поверхности фольги имеющаяся на ее поверхности пленка оксида золота толщиной несколько десятков ангстрем практически удаляется, что обеспечивает минимальное время пайки кристалла по всей его площади и исключает перегрев кристалла, при этом предотвращается ухудшение электрических параметров прибора и увеличивается выход годных (в НСl травятся только пленки оксида золота, а чистое золото не травится). In this mode of chemical treatment of the foil surface, the film of gold oxide on its surface with a thickness of several tens of angstroms is practically removed, which ensures the minimum time for soldering the crystal over its entire area and eliminates overheating of the crystal, while deteriorating the electrical parameters of the device and increasing the yield (in HCl only gold oxide films are etched, and pure gold is not etched).

При воздействии на кристалл с усилием прижима происходит контактное плавление. В предлагаемом техническом решении масса жидкого припоя образуется в процессе контактного плавления "чистого" металла (золота) и полупроводника (кремния). При этом равномерность паяного шва и количество жидкой фазы припоя, "зарождающееся" в единицу времени, зависит от числа контактных точек первого и второго материалов. Если число контактных точек на единицу площади мало, то необходимое количество жидкой фазы припоя "зарождается" за счет плавления кристалла кремния только в этих точках, а надо чтобы плавление начиналось одновременно по всей площади. When exposed to a crystal with a clamping force, contact melting occurs. In the proposed technical solution, the mass of liquid solder is formed in the process of contact melting of "pure" metal (gold) and semiconductor (silicon). In this case, the uniformity of the soldered seam and the amount of the liquid phase of the solder, "incipient" per unit time, depends on the number of contact points of the first and second materials. If the number of contact points per unit area is small, then the required amount of the liquid phase of the solder is "born" due to the melting of the silicon crystal only at these points, and it is necessary that the melting begins simultaneously over the entire area.

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается тем, что поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты при определенном режиме. Таким образом, заявленный способ соответствует критерию изобретения "новизна". A comparative analysis of the claimed technical solution with the prototype shows that the claimed method is characterized in that the surface of the foil is subjected to chemical etching in a solution of hydrochloric acid in a certain mode. Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

Известен способ получения аналогичного паяного соединения полупроводниковых приборов, обеспечивающий хорошее качество пайки, например, при напылении слоя золота (1-3 мкм) на поверхность кристалла. Однако этот способ очень трудоемок и дорог, так как требует дополнительных сложных и длительных операций, специального оборудования. При этом не удается уменьшить области непроплавления в соединении. A known method of producing a similar soldered connection of semiconductor devices, providing good quality soldering, for example, when spraying a layer of gold (1-3 microns) on the surface of the crystal. However, this method is very time-consuming and expensive, as it requires additional complex and lengthy operations, special equipment. However, it is not possible to reduce the area of non-penetration in the connection.

Известен способ получения аналогичного паяного соединения кремниевых приборов, обеспечивающий качество, при гальваническом осаждении слоя золота. Однако этот способ требует дополнительных операций и сложного оборудования. Гальванически осаждаются слои в несколько десятков микрон, 1-20 мкм. Этот способ является нетехнологичным из-за необходимости создавать защиту для лицевой стороны кристалла с уже сформированными структурами, а также создавать предварительно подслой металлизации для последующего гальванического осаждения слоя золота. Области непроплавления соединения присутствуют и при реализации этого способа. A known method of producing a similar soldered connection of silicon devices, providing quality, with galvanic deposition of a gold layer. However, this method requires additional operations and sophisticated equipment. Layers of several tens microns, 1-20 microns, are galvanically deposited. This method is not technologically advanced due to the need to create protection for the front side of the crystal with already formed structures, as well as to create a preliminary metallization sublayer for subsequent galvanic deposition of a gold layer. Areas of non-penetration of the compound are also present in the implementation of this method.

Известен способ получения аналогичного паяного соединения, обеспечивающий хорошее качество, включающий размещение золотой фольги, на поверхность которой, обращенную к кристаллу, наносят микрорельеф в виде равномерно размещенных линий. Области непроплавления при этом практически отсутствуют. Однако этот способ является нетехнологичным из-за невоспроизводимости механической обработки фольги вручную, а также сложности ее автоматизации. A known method of producing a similar soldered connection, providing good quality, including the placement of gold foil, on the surface of which, facing the crystal, a microrelief is applied in the form of evenly spaced lines. The areas of non-penetration are practically absent. However, this method is not technologically advanced due to the irreproducibility of mechanical processing of the foil manually, as well as the complexity of its automation.

Предлагаемый способ обеспечивает получение аналогичного паяного соединения с высокой прочностью и низким контактным тепловым сопротивлением, отвечает повышенным требованиям к электрическим и тепловым характеристикам соединения, что соответствует особо жестким режимам функционирования, например функционированию мощных кремниевых приборов. Кроме того, данный способ прост, технологичен, так как хорошо воспроизводим, требует несложного оборудования и нетрудоемкого технологического процесса, а также практически устраняет области непроплавления соединения. Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "существенные отличия". The proposed method provides a similar soldered connection with high strength and low contact thermal resistance, meets the increased requirements for electrical and thermal characteristics of the connection, which corresponds to particularly severe operating modes, for example, the operation of powerful silicon devices. In addition, this method is simple, technologically advanced, as it is well reproducible, requires simple equipment and a time-consuming technological process, and also virtually eliminates areas of non-penetration of the compound. Thus, we can conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На чертеже показано поперечное соединение кристалла с корпусом. The drawing shows a transverse connection of the crystal with the housing.

Способ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Кремниевый кристалл 1 напаивается на позолоченную поверхность корпуса 2 с помощью тонкой золотой фольги 3. Поверхность фольги предварительно подвергают химическому травлению в растворе соляной кислоты концентрацией 60-130 г/л при температуре 18-25^оС в течение 3-5 мин с последующей промывкой в холодной деионизованной воде при той же температуре в течение не менее 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70-80^оС в течение не менее 5 мин. Площадь фольги выбирают ту же, что и кристалла. Выбор режима травления осуществляется таким образом, чтобы очистить поверхность фольги от пленки оксида золота толщиной в десятки ангстрем для улучшения контактирования.Silicon chip soldered on one surface of the gilded body 2 by a thin gold foil 3. The foil surface is preliminarily subjected to chemical etching in a solution of hydrochloric acid concentration of 60-130 g / l at a temperature of 18-25 ^{° C} for 3-5 minutes followed by washing in cold deionized water at the same temperature for at least 1 minute and dried in a hot air environment at a temperature of 70-80 ^{° C} for at least 5 min. The area of the foil is chosen the same as the crystal. The etching mode is selected in such a way as to clean the surface of the foil from a film of gold oxide tens of angstroms thick to improve contacting.

Сборку мощного полевого транзистора 2П920А производили в металлокерамическом корпусе. Пайку трех кристаллов осуществляли контактным плавлением с использованием золотой фольги при температуре 420 ± 5^оС в потоке аргона с помощью ультразвука на керамическое позолоченное основание из ВеО. Величину теплового сопротивления исследовали на образцах приборов 2П920А в соответствии с ОСТ 11.073073-82.The assembly of a powerful 2P920A field effect transistor was carried out in a ceramic-metal case. The soldering was performed three crystals melting contact with gold foil at a temperature of 420 ± 5 ^{° C} in an argon stream with ultrasound plated on a ceramic base made of BeO. The value of thermal resistance was investigated on samples of 2P920A devices in accordance with OST 11.073073-82.

Ступенчато увеличивая ток через транзистор на величину 0,05 А, фиксировали величину тока стока, при котором начинает проявляться термоиндикатор ТИ-114, хотя бы на одном из трех кристаллов прибора 2П920А ("ток проявления"). Время выдержки прибора при заданном режиме составляло 1 мин. Результаты измерений приведены в таблице. Максимальное уменьшение теплового сопротивления прибора, составляющее 10% соответствует случаю режима травления в растворе соляной кислоты концентрацией100-110 г/л при температуре 18-25^оС в течение 4 мин с последующей промывкой в потоке холодной воды при той же температуре в течение 1 мин и сушкой в среде горячего воздуха при температуре 70-80^оС в течение 5 мин и обусловлено максимальным улучшением качества контакта кристалла с корпусом. Сравнение площадей непроплавления в приборе 2П920А, собранного заявленным и известным способами, выявило резкое снижение площади области непроплавления при применении данного способа. Сравнение величин усилия на отрыв показало преимущество способа по сравнению с известными. Аналогичные результаты были получены при сборке кремниевых ИС.Increasing the current through the transistor by 0.05 A stepwise, we recorded the value of the drain current at which the TI-114 thermal indicator begins to appear, at least on one of the three crystals of the 2P920A device ("development current"). The exposure time of the device under the given mode was 1 min. The measurement results are shown in the table. Maximum reduction of the thermal resistance of the device is 10% corresponds to the etching mode in hydrochloric acid solution kontsentratsiey100-110 g / l at a temperature of 18-25 ^{° C} for 4 min, followed by washing in a stream of cold water at the same temperature for 1 min and drying in a hot air environment at a temperature of 70-80 ^{° C} for 5 min and the maximal improvement is due to the crystal quality of the contact with the housing. Comparison of the areas of non-penetration in the device 2P920A, assembled by the claimed and known methods, revealed a sharp decrease in the area of the area of non-penetration when using this method. A comparison of the peel forces showed an advantage over the known methods. Similar results were obtained when assembling silicon ICs.

Claims

METHOD FOR CONNECTING CRYSTALS OF SILICON DIGITAL SEMICONDUCTOR DEVICES AND INTEGRAL CIRCUITS TO THE HOUSING, including the placement of gold foil between the crystal and the body and connecting them by soldering, characterized in that the surface of the foil is preliminarily subjected to chemical etching in an aqueous solution of 60-1 -25 ^o C for 3-5 minutes, followed by washing in deionized water at the same temperature for at least 1 min and drying in air at 70-80 ^o C for at least 5 min.