RU2405229C2 - Solid-state device package - Google Patents

Solid-state device package Download PDF

Info

Publication number
RU2405229C2
RU2405229C2 RU2009100628/28A RU2009100628A RU2405229C2 RU 2405229 C2 RU2405229 C2 RU 2405229C2 RU 2009100628/28 A RU2009100628/28 A RU 2009100628/28A RU 2009100628 A RU2009100628 A RU 2009100628A RU 2405229 C2 RU2405229 C2 RU 2405229C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layer
gold
ceramic base
thick
mcm
Prior art date
Application number
RU2009100628/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009100628A (en
Inventor
Валерий Викторович Асессоров (RU)
Валерий Викторович Асессоров
Тамара Ивановна Бражникова (RU)
Тамара Ивановна Бражникова
Владимир Андреевич Кожевников (RU)
Владимир Андреевич Кожевников
Олег Васильевич Марченко (RU)
Олег Васильевич Марченко
Олег Николаевич Пахомов (RU)
Олег Николаевич Пахомов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электронной техники"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электронной техники"
Priority to RU2009100628/28A priority Critical patent/RU2405229C2/en
Publication of RU2009100628A publication Critical patent/RU2009100628A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2405229C2 publication Critical patent/RU2405229C2/en

Links

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Die Bonding (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: proposed package comprises ceramic base with refractory metal layer deposited in vacuum thereon, 1.5-2.0 mcm-thick nickel layer and 1.5-2.0 mcm-thick gold layer: device output terminals and flange being soldered on said layers, while 3-4 mcm-thick load coat is applied on soldered package in one layer without interlayer.
EFFECT: lower heat resistance and higher reliability of high-power transistors.
1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и предназначено для производства корпусов мощных биполярных и полевых ВЧ- и СВЧ-транзисторов.The invention relates to the field of semiconductor electronics and is intended for the production of housings of powerful bipolar and field RF and microwave transistors.

Одним из основных требований, предъявляемых к корпусам мощных транзисторов, работающих в экстремальных режимах тепловыделения, является обеспечение минимального значения теплового сопротивления переход-корпус.One of the main requirements for high-power transistor housings operating in extreme heat conditions is to ensure the minimum value of the transition-case thermal resistance.

Типовая конструкция корпуса мощного ВЧ- и СВЧ-транзистора включает металлизированный керамический кристаллодержатель (основание), теплоотвод (фланец) и полосковые выводы. В качестве керамического основания используется керамика на основе окиси бериллия, обладающая одним из самых высоких значений теплопроводности в ряде известных изоляционных материалов. На керамике имеются металлизированные площадки для посадки полупроводникового кристалла и пайки полосковых выводов. Обратная сторона керамики также покрыта металлизацией для пайки к теплоотводу [1].A typical housing design for a high-power RF and microwave transistor includes a metallized ceramic crystal holder (base), a heat sink (flange), and strip leads. As the ceramic base, ceramics based on beryllium oxide are used, which has one of the highest thermal conductivity values in a number of known insulating materials. On ceramics there are metallized platforms for planting a semiconductor crystal and soldering strip terminals. The reverse side of the ceramic is also coated with metallization for soldering to the heat sink [1].

В производстве СВЧ-транзисторов монтаж кристалла на керамическое основание осуществляется методом контактно-реактивной пайки с образованием эвтектического сплава золото-кремний, поэтому к качеству металлизированного покрытия предъявляются высокие требования в отношении класса чистоты поверхности. Металлизированная поверхность создается либо вакуумным напылением тугоплавких металлов с последующим формированием прецизионного фотолитографического рисунка [1], либо металлизированный рисунок создается методом шелкографии [1, 2].In the production of microwave transistors, the crystal is mounted on a ceramic base by contact reactive soldering with the formation of a gold-silicon eutectic alloy, therefore high quality requirements are imposed on the quality of the metallized coating with respect to the surface cleanliness class. A metallized surface is created either by vacuum deposition of refractory metals with the subsequent formation of a precision photolithographic pattern [1], or a metallized pattern is created by the silk-screen printing method [1, 2].

Технология изготовления керамического основания с использованием метода вакуумного осаждения тугоплавких металлов (ниобий, титан, вольфрам, молибден) более предпочтительна, поскольку удается создать высокое качество поверхности при меньшей толщине металлического слоя, что позволяет уменьшить тепловое сопротивление транзисторов кристалл-корпус на 20-30%. Однако последующие процессы сборки корпусов могут свести к минимуму преимущества, достигнутые за счет использования метода вакуумного осаждения металлов на керамику. Поэтому совершенствование конструкции корпусов и технологии их изготовления, обеспечивающих снижение теплового сопротивления мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов, является актуальным техническим решением.The technology for manufacturing a ceramic base using the vacuum deposition of refractory metals (niobium, titanium, tungsten, molybdenum) is more preferable, since it is possible to create a high surface quality with a smaller thickness of the metal layer, which reduces the thermal resistance of crystal-case transistors by 20-30%. However, subsequent housing assembly processes can minimize the benefits achieved by using the vacuum deposition of metals on ceramics. Therefore, improving the design of the housings and the technology of their manufacture, providing a reduction in the thermal resistance of high-power RF and microwave transistors, is an urgent technical solution.

Известны способы сборки корпуса, при которых металлизация из тугоплавких металлов, нанесенная на керамическое основание, покрывается слоем никеля для улучшения в дальнейшем растекания серебра или припоя на его основе, как правило ПСр-72 [2]. Припой ПСр-72 или чистое серебро наносятся методом высокотемпературной обработки (примерно 900-1000°С) в среде водорода на всю поверхность металлизации, а затем производится припайка выводов и фланца также в среде водорода. Облуживание (серебрение) поверхности металлизации проводится или до пайки, или в одном процессе с пайкой в зависимости от конструкции корпуса. Данный технологический прием используется для того, чтобы в дальнейшем получить качественное золотое покрытие - без шелушения и вспучивания, так как после пайки корпуса осуществляется его послойное покрытие: никель 1 мкм, золото 0,5 мкм, палладий 0,5 мкм, золото 3 мкм (Н.1. Зл.0,5 Пд.0,5 Зл.3) [1].Known methods of assembly of the case, in which metallization of refractory metals deposited on a ceramic base, is coated with a layer of nickel to improve the further spreading of silver or solder based on it, as a rule PSR-72 [2]. PSr-72 solder or pure silver is applied by high-temperature treatment (approximately 900-1000 ° C) in a hydrogen medium to the entire metallization surface, and then the leads and flange are soldered also in a hydrogen medium. Maintenance (silvering) of the metallization surface is carried out either before soldering, or in the same process with soldering, depending on the design of the housing. This technological technique is used in order to obtain a high-quality gold coating in the future - without peeling and swelling, since after soldering the body it is layered: nickel 1 μm, gold 0.5 μm, palladium 0.5 μm, gold 3 μm ( H.1. Evil. 0.5 Pd. 0.5 Evil. 3) [1].

Однако приведенная выше технология изготовления корпуса не может гарантировать высокого качества напайки кремниевых кристаллов на керамическое основание термореактивным методом с образованием эвтектического сплава Au-Si, так как при температуре напайки 420-430°С в металлических слоях происходят диффузионно-окислительные процессы, которые приводят к образованию интерметаллических соединений [1]. Интерметаллиды значительно ухудшают качество соединения кристалл-корпус, увеличивая тем самым тепловое сопротивление транзисторов. Интерметаллические соединения образуются не только из-за многослойности покрытия, но и из-за присутствия в эвтектическом слое серебра, меди и никеля. Медь является составным компонентом припоя ПСр-72. Кроме того, при нанесении покрытий гальваническим методом существует тенденция уменьшения его толщины от периферии к центру, в связи с чем приходится увеличивать общую толщину золотого покрытия или использовать золотую прокладку, чтобы на функционально важных участках, а именно в местах посадки кристалла, было количество золота, достаточное для образования эвтектического сплава. Существенным недостатком стандартной технологии является отсутствие воспроизводимости качества металлизированной поверхности керамического основания из-за неуправляемости процесса кристаллизации припоя ПСр-72 при охлаждении керамического узла после процесса пайки. Поэтому формирование кристаллографической структуры припойного слоя и соответственно его свойства не могут технологически управляться.However, the above manufacturing technology of the case cannot guarantee high quality soldering of silicon crystals on the ceramic base by the thermosetting method with the formation of the Au-Si eutectic alloy, since diffusion-oxidation processes occur in the metal layers at a temperature of soldering 420-430 ° С, which lead to the formation of intermetallic compounds [1]. Intermetallic compounds significantly degrade the quality of the crystal-to-case connection, thereby increasing the thermal resistance of transistors. Intermetallic compounds are formed not only due to the multilayer coating, but also due to the presence of silver, copper and nickel in the eutectic layer. Copper is a component of PSr-72 solder. In addition, when coating by the galvanic method, there is a tendency to reduce its thickness from the periphery to the center, in connection with which it is necessary to increase the total thickness of the gold coating or use a gold gasket so that there is an amount of gold in functionally important areas, namely, at the crystal landing sites. sufficient to form a eutectic alloy. A significant drawback of the standard technology is the lack of reproducibility of the quality of the metallized surface of the ceramic base due to the uncontrollability of the crystallization process of PSR-72 solder during cooling of the ceramic assembly after the brazing process. Therefore, the formation of the crystallographic structure of the solder layer and, accordingly, its properties cannot be technologically controlled.

Лучшие результаты могут быть получены при использовании конструкции корпуса, в которой на керамическое основание последовательно наносятся слои титана и молибдена [3]. Однако и в этом случае при последующем технологическом процессе сборки корпусов, который не отличается от вышеизложенного, при монтаже кристаллов на эвтектику возникают те же негативные процессы.The best results can be obtained by using a housing design in which layers of titanium and molybdenum are successively applied to a ceramic base [3]. However, in this case, during the subsequent technological process of assembling the housings, which does not differ from the above, the same negative processes occur during the installation of crystals on a eutectic.

Технический эффект настоящего изобретения - снижение теплового сопротивления мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов, повышение их надежности в процессе эксплуатации, а также повышение процента выхода при их производстве.The technical effect of the present invention is to reduce the thermal resistance of high-power RF and microwave transistors, increase their reliability during operation, and also increase the percentage of output during their production.

Технический эффект достигается за счет того, что на керамическое основание с последовательно размещенными на нем слоями тугоплавких металлов и никеля наносится слой золота толщиной не менее 1 мкм. После нанесения золотого покрытия на керамическое основание к нему припаиваются выводы и фланец в среде водорода, а затем осуществляется золотое покрытие спаянного корпуса на необходимую толщину, причем золото наносится без предварительных подслоев.The technical effect is achieved due to the fact that a layer of gold with a thickness of at least 1 μm is deposited on a ceramic base with successive layers of refractory metals and nickel. After applying a gold coating to the ceramic base, the terminals and flange are soldered to it in a hydrogen medium, and then the gold-plated brazed body is coated to the required thickness, and gold is applied without preliminary undercoats.

Предварительное золочение керамического основания перед высокотемпературной пайкой корпуса позволяет в полной мере реализовать достоинства метода нанесения металлов конденсацией в вакууме и тем самым существенно снизить тепловое сопротивление транзисторов, и следовательно, повысить их надежность. Это осуществляется, во-первых, за счет исключения многослойности покрытия, которое наносится после пайки корпуса; во-вторых, за счет исключения условий образования интерметаллических соединений как по причине отсутствия на поверхности металлизации серебра и меди, так и потому что золото вжигается при пайке корпуса и образует надежный барьерный слой для диффузии никеля.Preliminary gilding of the ceramic base before high-temperature soldering of the case allows you to fully realize the advantages of the method of deposition of metals by condensation in vacuum and thereby significantly reduce the thermal resistance of transistors, and therefore increase their reliability. This is done, firstly, by eliminating the multilayer coating that is applied after soldering the housing; secondly, due to the exclusion of the conditions for the formation of intermetallic compounds, both due to the absence of silver and copper on the metallization surface, and because gold is burned during soldering of the case and forms a reliable barrier layer for nickel diffusion.

Предлагаемые конструкция корпуса и технология его изготовления обеспечивают высокое качество монтажа кристаллов в корпус. Кроме того, снижается трудоемкость производства корпусов, уменьшается расход золота на нефункциональные участки корпуса, повышается процент выхода в связи с воспроизводимостью качества металлизированной поверхности.The proposed housing design and its manufacturing technology provide high quality installation of crystals in the housing. In addition, the complexity of the production of cases decreases, the consumption of gold for non-functional sections of the case decreases, the percentage of output increases due to the reproducibility of the quality of the metallized surface.

Пример конкретной реализации изобретенияAn example of a specific implementation of the invention

Описанные выше конструкция и технология сборки корпуса выполняются следующим образом. На керамическое основание последовательно наносятся слои из тугоплавких металлов методом вакуумного напыления, затем наносится никель толщиной 1,5÷2 мкм и далее наносится слой золота толщиной 1,5÷2,0 мкм. Затем к позолоченным металлизированным участкам керамического основания припаиваются выводы и фланец припоем ПСр-72 в среде водорода. Далее в зависимости от технологических требований и толщины предварительного золотого покрытия керамического основания осуществляется золочение спаянного корпуса на толщину 3÷4 мкм (Зл.3; Зл.4).The design and assembly technology described above are carried out as follows. Layers of refractory metals are successively applied to the ceramic base by vacuum deposition, then nickel 1.5–2 μm thick is applied, and then a gold layer 1.5–2.0 μm thick is applied. Then the leads and flange are soldered to the gold-plated metallized sections of the ceramic base with PSr-72 solder in a hydrogen medium. Further, depending on the technological requirements and the thickness of the preliminary gold coating of the ceramic base, gilding of the soldered case to a thickness of 3–4 μm is performed (Zl. 3; Zl. 4).

Для сравнения в таблице приведены результаты исследования теплового сопротивления для первых десяти образцов транзисторов, изготовленных по стандартной технологии и транзисторов, исполненных в новом конструктивно-технологическом решении корпуса.For comparison, the table shows the results of a study of thermal resistance for the first ten samples of transistors made according to standard technology and transistors made in a new structural and technological solution of the housing.

№ п/пNo. p / p Значения теплового сопротивления, °С/ ВтThe values of thermal resistance, ° C / W Типовая конструкция, стандартная технологияTypical design, standard technology Предлагаемые конструкция и технологияSuggested design and technology 1one 1,191.19 0,910.91 22 1,191.19 0,910.91 33 1,01,0 0,910.91 4four 0,940.94 0,880.88 55 0,970.97 0,880.88 66 1,01,0 0,910.91 77 1,191.19 0,880.88 88 0,940.94 0,910.91 99 1,191.19 0,880.88 1010 1,01,0 0,880.88 Разброс значений по абсолютной величинеAbsolute value spread 26%26% 3%3%

Из приведенных экспериментальных данных видно, что предложенные конструкция керамического основания и соответствующая технология изготовления корпуса позволяют уменьшить тепловое сопротивление транзисторов в среднем более чем на 15%. При этом значительно снижается разброс значений теплового сопротивления с 26% для стандартного исполнения корпусов до 3% при новом конструктивно-технологическом варианте. Предложенная конструкция корпуса и, соответственно, технология его изготовления не только позволяют значительно повысить эксплуатационную надежность изделий, но и за счет воспрозводимости процесса повысить процент выхода годных изделий в производстве.From the experimental data presented, it can be seen that the proposed design of the ceramic base and the corresponding manufacturing technology of the housing can reduce the thermal resistance of transistors by an average of more than 15%. At the same time, the variation in the values of thermal resistance is significantly reduced from 26% for the standard case design to 3% with the new design and technological option. The proposed design of the case and, accordingly, the technology of its manufacture not only significantly increase the operational reliability of products, but also due to the reproducibility of the process, increase the percentage of suitable products in production.

ЛитератураLiterature

1. Сидоров В.А. Особенности конструкции и технологии изготовления корпусов СВЧ полупроводниковых приборов. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2005, вып.1-2, с.117-124.1. Sidorov V.A. Features of the design and manufacturing technology of microwave enclosures of semiconductor devices. Electronic equipment. Series 2. Semiconductor devices, 2005, issue 1-2, pp. 117-124.

2. Гладков А.С. и др. Пайка деталей электровакуумных приборов. М.: Энергия, 1967, с.213-214.2. Gladkov A.S. and others. Soldering parts of vacuum equipment. M .: Energy, 1967, p. 213-214.

3. А.с. СССР №758972. Корпус полупроводникового прибора. Онуприенко Ф.Г., Сидоров В.А., Поспелов А.Н., Митин B.C., Диковский В.И., МКИ5 Н01L 23/02, 28.04.1980.3. A.S. USSR No. 758972. The body of a semiconductor device. Onuprienko F.G., Sidorov V.A., Pospelov A.N., Mitin BC, Dikovsky V.I., MKI 5 H01L 23/02, 04/28/1980.

Claims (1)

Корпус полупроводникового прибора, содержащий керамическое основание с последовательно нанесенными на него методом вакуумного напыления слоями из тугоплавких материалов, слоя никеля толщиной 1,5-2,0 мкм и слоя золота толщиной 1,5-2,0 мкм, поверх которых припаяны выводы прибора и фланец, а на спаянный корпус одним слоем без подслоя нанесено золотое покрытие толщиной 3-4 мкм. The case of a semiconductor device containing a ceramic base with layers of refractory materials, a nickel layer 1.5–2.0 μm thick and a gold layer 1.5–2.0 μm thick, successively applied to it and a flange, and on a soldered case in one layer without a sublayer a gold coating 3-4 microns thick is applied.
RU2009100628/28A 2009-01-11 2009-01-11 Solid-state device package RU2405229C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009100628/28A RU2405229C2 (en) 2009-01-11 2009-01-11 Solid-state device package

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009100628/28A RU2405229C2 (en) 2009-01-11 2009-01-11 Solid-state device package

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009100628A RU2009100628A (en) 2010-07-20
RU2405229C2 true RU2405229C2 (en) 2010-11-27

Family

ID=42685587

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009100628/28A RU2405229C2 (en) 2009-01-11 2009-01-11 Solid-state device package

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2405229C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477544C1 (en) * 2011-07-22 2013-03-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (ОАО "НИИЭТ") Housing of semiconductor device
RU2732485C1 (en) * 2019-12-27 2020-09-17 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of making ceramic base with thin-film microstrip elements
RU2780673C1 (en) * 2021-06-25 2022-09-28 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" Type kt-97 metal-glass body

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477544C1 (en) * 2011-07-22 2013-03-10 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" (ОАО "НИИЭТ") Housing of semiconductor device
RU2732485C1 (en) * 2019-12-27 2020-09-17 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method of making ceramic base with thin-film microstrip elements
RU2780673C1 (en) * 2021-06-25 2022-09-28 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" Type kt-97 metal-glass body

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009100628A (en) 2010-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6632686B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
US8273993B2 (en) Electronic component module
US4675243A (en) Ceramic package for semiconductor devices
JP2007201346A (en) Ceramics circuit board and its manufacturing method
US6485816B2 (en) Laminated radiation member, power semiconductor apparatus, and method for producing the same
TWI512150B (en) Preparation of copper - clad copper - clad copper clad copper
EP2991105A1 (en) Composite laminate and electronic device
CN113501725B (en) Preparation method of aluminum-coated ceramic insulating lining plate
CN113795091A (en) Method for preparing ceramic circuit board by low-temperature sintering
RU2558323C1 (en) Method of metallisation of substrate from aluminium-nitride ceramics
JP2002043482A (en) Member for electronic circuit, its manufacturing method and electronic component
CN115626835A (en) Manufacturing method of ceramic-based copper-clad plate and product thereof
RU2405229C2 (en) Solid-state device package
US11037862B2 (en) Method for electrically contacting a component by galvanic connection of an open-pored contact piece, and corresponding component module
US4407860A (en) Process for producing an improved quality electrolessly deposited nickel layer
TWI775075B (en) Ceramic substrate assemblies and components with metal thermally conductive bump pads
CN116613074A (en) Method for preparing copper-clad aluminum nitride gold-tin heat sink by utilizing pulse hot-press welding
US20170294399A1 (en) POWER MODULE SUBSTRATE WITH Ag UNDERLAYER AND POWER MODULE
TW201442582A (en) Method of fabricating multi-facets plated metal layer on ceramic substrate
JPH01257356A (en) Lead frame for semiconductor
EP3302010A1 (en) Circuit board and method for producing a circuit board
JPH09186161A (en) Formation of solder bump on semiconductor device
US10937657B2 (en) Semiconductor device including a reactant metal layer disposed between an aluminum alloy film and a catalyst metal film and method for manufacturing thereof
US20220285307A1 (en) Semiconductor Device, Semiconductor Arrangement and Method for Producing the Same
JPS613663A (en) Pretreatment for brazing of metallic members

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20131003

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160112