RU2278444C1

RU2278444C1 - Method for lead-free soldering of semiconductor chip to case

Info

Publication number: RU2278444C1
Application number: RU2005100144/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Зенин (RU); Виктор Васильевич Зенин; гузов Александр Владимирович Р (RU); Александр Владимирович Рягузов; В чеслав Петрович Гальцев (RU); Вячеслав Петрович Гальцев; Юрий Леонидович Фоменко (RU); Юрий Леонидович Фоменко; Владимир Иванович Бойко (RU); Владимир Иванович Бойко; Ольга Владимировна Хишко (RU); Ольга Владимировна Хишко
Original assignee: Зао "Взпп-Микрон"; ООО "Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка"
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2006-06-20

Abstract

FIELD: electronic engineering; manufacture of semiconductor devices.

SUBSTANCE: proposed method that can be used for assembling silicon chips within semiconductor device case using lead-free solders for their fixation involves covering of chip surface to be soldered with zinc and its soldering to tin-covered base of case. Additionally applied to zinc film is tin-bismuth coat having bismuth content of 0.4 - 0.9%. Such lead-free soldering method improves tin wettability of chip surface at soldering temperature and reduces area of poor solder penetration.

EFFECT: enhanced corrosion resistance of chip surface and reliability of semiconductor device.

1 cl

Description

Изобретение относится к области изготовления полупроводниковых изделий электронной техники и может быть использовано при сборке кремниевых кристаллов в корпуса полупроводниковых приборов путем пайки припоями, не содержащими свинец.The invention relates to the field of manufacturing semiconductor electronic products and can be used in the assembly of silicon crystals in the body of semiconductor devices by soldering with lead-free solders.

Движение за полный запрет свинца в электронной аппаратуре набирает все большую силу во всех промышленно развитых странах. В настоящее время нет законодательных ограничений по использованию свинца, но фирмы-производители электронной аппаратуры интенсивно ведут разработку технологических процессов пайки изделий электронной техники припоями, не содержащими свинец.The movement to ban lead in electronic equipment is gaining in strength in all industrialized countries. Currently, there are no legislative restrictions on the use of lead, but manufacturers of electronic equipment are intensively developing technological processes for soldering electronic products with lead-free solders.

Существуют различные способы пайки полупроводниковых кристаллов к корпусам.There are various methods for soldering semiconductor crystals to housings.

Известен способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу, по которому на слой никеля, нанесенного на паяемую сторону кристалла, наносят электролитическое покрытие из сплава никель-олово, содержащего 30-50% Ni, из фторхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20, между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр 2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме [1].A known method of soldering a semiconductor crystal to the housing, in which an electrolytic coating of a nickel-tin alloy containing 30-50% Ni of a fluorochloride electrolyte with an organic additive OS-20 is applied between the crystal and the nickel plated on a nickel layer deposited on the brazed side of the crystal. PSr 2.5 solder foil is placed in the casing, and the soldering is carried out in a hydrogen medium or in vacuum [1].

Недостатком данного способа является использование при пайке припоя, содержащего 92% Pb.The disadvantage of this method is the use when soldering a solder containing 92% Pb.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ [2] пайки полупроводниковых кристаллов к корпусу, по которому на паяемую поверхность кристалла наносят цинк, а пайку осуществляют к основанию корпуса, покрытому оловом, при этом толщины слоев цинка и олова выбирают из условия получения необходимой толщины паяного шва и образования эвтектического сплава цинк-олово.Closest to the claimed method according to the technical essence is the method [2] of soldering semiconductor crystals to the body, by which zinc is applied to the surface to be soldered, and the soldering is carried out to the base of the body covered with tin, while the thickness of the layers of zinc and tin is selected from the conditions for obtaining the necessary the thickness of the soldered seam and the formation of the eutectic zinc-tin alloy.

Недостатком этого способа является низкая коррозионная стойкость цинкового покрытия во влажном воздухе и в атмосфере промышленного города.The disadvantage of this method is the low corrosion resistance of the zinc coating in moist air and in the atmosphere of an industrial city.

Кроме того, цинк во влажном воздухе покрывается пленкой, состоящей из карбоната цинка, что ухудшает смачиваемость цинкового покрытия оловом с течением времени хранения перед пайкой. Более того, солевые пленки попадая в паяный шов, повышают вероятность непропаев, особенно при пайке кристаллов с размерами более 4×4 мм, что способствует увеличению теплового и электрического сопротивления контакта полупроводникового кристалла с корпусом.In addition, zinc in moist air is coated with a film consisting of zinc carbonate, which impairs the wettability of the zinc coating with tin over the course of storage time before soldering. Moreover, salt films entering the soldered seam increase the likelihood of non-soldering, especially when soldering crystals with sizes greater than 4 × 4 mm, which increases the thermal and electrical resistance of the contact of the semiconductor crystal with the body.

Задача, на решение которой направлено заявляемое решение, - это исключение использования свинца при пайке, повышение коррозионной стойкости покрытия паяемой поверхности кристалла, улучшение смачиваемости оловом поверхности кристалла при температуре пайки, повышение надежности полупроводниковых приборов за счет уменьшения площади непропаев в паяном шве.The problem to which the claimed solution is directed is to exclude the use of lead in brazing, increase the corrosion resistance of the coating of the soldered crystal surface, improve the wettability of the crystal surface at the soldering temperature, increase the reliability of semiconductor devices by reducing the area of non-solders in the brazed joint.

Эта задача достигается тем, что в способе бессвинцовистой пайки полупроводникового кристалла к корпусу, заключающемся в нанесении цинка на паяемую поверхность кристалла и пайке к основанию корпуса, покрытому оловом, с целью исключения использования свинца при пайке, повышения коррозионной стойкости покрытия паяемой поверхности кристалла, улучшения смачиваемости оловом поверхности кристалла при температуре пайки, повышения надежности полупроводниковых приборов за счет уменьшения площади непропаев в паяном шве на пленку цинка дополнительно наносят оловянно-висмутовое покрытие с содержанием висмута 0,4-0,9%.This problem is achieved in that in the method of lead-free soldering of a semiconductor crystal to the body, which consists in applying zinc to the soldered surface of the crystal and soldering to the base of the body coated with tin, in order to exclude the use of lead during soldering, to increase the corrosion resistance of the coating of the soldered crystal surface, to improve wettability tin surface of the crystal at a soldering temperature, increasing the reliability of semiconductor devices by reducing the area of non-solders in the soldered seam on the zinc film A tin-bismuth coating is applied on a total basis with a bismuth content of 0.4-0.9%.

Примером бессвинцовистой пайки полупроводникового кристалла к корпусу может служить сборка транзисторов типа 2П769В в корпус ТО-220. На паяемую поверхность полупроводникового кристалла в составе пластины по известной технологии наносят пленки алюминия и цинка. На пленке цинка формируют оловянно-висмутовое покрытие заданной толщины с содержанием висмута 0,4-0,9%.An example of lead-free soldering of a semiconductor crystal to a case is the assembly of 2P769V type transistors into a TO-220 case. Films of aluminum and zinc are applied to the brazed surface of a semiconductor crystal in a wafer composition by a known technique. A tin-bismuth coating of a given thickness with a bismuth content of 0.4-0.9% is formed on the zinc film.

При соответствующих режимах электролиза покрытие сплавом Sn-Bi получают с мелкозернистой структурой и пониженной твердостью. В зависимости от состава электролита данные сплавы могут осаждаться в виде матовых или блестящих осадков. Электролиты с добавкой ОС-20 или двумя добавками ДДДМ и ОС-20 позволяют получать светлые, мелкозернистые, плотные покрытия.Under appropriate electrolysis conditions, a Sn-Bi alloy coating is obtained with a fine-grained structure and reduced hardness. Depending on the composition of the electrolyte, these alloys may precipitate in the form of dull or shiny precipitates. Electrolytes with the addition of OS-20 or two additives of DDDM and OS-20 make it possible to obtain light, fine-grained, dense coatings.

Коррозионная стойкость покрытий сплавом Sn-Bi зависит от состава, толщины, структуры и пористости осадков. Большей коррозионной стойкостью обладают покрытия с содержанием висмута 0,4-0,9%.Corrosion resistance of Sn-Bi alloy coatings depends on the composition, thickness, structure and porosity of the sediments. More corrosion resistance have coatings with a bismuth content of 0.4-0.9%.

Медная выводная рамка корпуса типа ТО-220 на 10 кадров по известной технологии покрывается химическим никелем, а на основание корпуса в месте пайки кристаллов наносят слой олова. Выводные рамки фиксируют в кассете, а на основания корпусов в ориентированном положении устанавливают кристалл.The copper output frame of the TO-220 type casing for 10 frames is coated with chemical nickel using known technology, and a tin layer is applied to the base of the casing at the place of soldering crystals. The lead frames are fixed in the cassette, and a crystal is mounted on the base of the cases in an oriented position.

Пайка осуществляется в водороде или вакууме на оптимальных режимах. При нагреве происходит смачивание оловом паяемой поверхности кристалла, а при кристаллизации расплава цинк-олово-висмут образуется паяный шов с уменьшенной площадью непропаев.Soldering is carried out in hydrogen or vacuum at optimal conditions. When heated, the tin soldered surface of the crystal is wetted by tin, and during crystallization of the zinc-tin-bismuth melt, a soldered seam with a reduced area of non-solder is formed.

Таким образом, использование предлагаемого способа бессвинцовистой пайки полупроводникового кристалла к корпусу обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:Thus, the use of the proposed method of lead-free soldering of a semiconductor crystal to the housing provides the following advantages compared to existing methods:

1. Исключается использование свинца при пайке.1. The use of lead in soldering is excluded.

2. Повышается коррозионная стойкость покрытий паяемой поверхности кристалла.2. Increases the corrosion resistance of the coatings of the soldered crystal surface.

3. Улучшается смачиваемость оловом поверхности кристалла при температуре пайки.3. The tin wettability of the crystal surface is improved at the soldering temperature.

4. Повышается надежность полупроводниковых приборов за счет уменьшения площади непропаев в паяном шве.4. Increases the reliability of semiconductor devices by reducing the area of non-solders in the soldered seam.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU 2167469 С2, Н 01 L 21/58. Способ пайки полупроводникового кристалла к корпусу / Сегал Ю.Е. (RU), Зенин В.В. (RU), Фоменко Ю.Л. (RU), Спиридонов Б.А. (RU), Колбенков А.А. (RU). Опубл. 20.05.2001. Бюл. №14. 4 с.1. Patent RU 2167469 C2, H 01 L 21/58. The method of soldering a semiconductor crystal to the body / Segal Yu.E. (RU), Zenin V.V. (RU), Fomenko Yu.L. (RU), Spiridonov B.A. (RU), A. Kolbenkov (RU). Publ. 05/20/2001. Bull. Number 14. 4 sec

2. Патент RU 2212730 С2, Н 01 L 21/52. Способ монтажа полупроводниковых кристаллов больших размеров в корпуса / Зенин В.В. (RU), Беляев В.Н. (RU), Сегал Ю.Е. (RU). Опубл. 20.09.2003. Бюл. №26. 3 с.2. Patent RU 2212730 C2, H 01 L 21/52. The method of mounting large-sized semiconductor crystals in the case / V. Zenin (RU), Belyaev V.N. (RU), Segal Yu.E. (RU). Publ. 09/20/2003. Bull. No. 26. 3 sec

Claims

The method of lead-free soldering of a semiconductor crystal to the housing, including applying zinc to the brazed surface of the crystal and soldering to the base of the housing coated with tin, characterized in that the tin-bismuth coating with a bismuth content of 0.4-0.9% is additionally applied to the zinc film.