RU2753171C1 - Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов - Google Patents
Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753171C1 RU2753171C1 RU2020138664A RU2020138664A RU2753171C1 RU 2753171 C1 RU2753171 C1 RU 2753171C1 RU 2020138664 A RU2020138664 A RU 2020138664A RU 2020138664 A RU2020138664 A RU 2020138664A RU 2753171 C1 RU2753171 C1 RU 2753171C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crystals
- silicon
- type
- crystal
- multilayer
- Prior art date
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 134
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 32
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011888 foil Substances 0.000 title claims abstract description 19
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 title claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 15
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims description 15
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 3
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 10
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 10
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 6
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 6
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 6
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 4
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 4
- 239000002120 nanofilm Substances 0.000 description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000000724 energy-dispersive X-ray spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 229910015363 Au—Sn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005690 magnetoelectric effect Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области производства электроники последнего поколения, а именно к способам соединения МОП-компонентной базы на основе кристаллов типа А3В5 с помощью реакционных многослойных фольг. Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов, заключается в формировании многослойного наноструктурированного покрытия толщиной 30-100 мкм, состоящего из чередующейся пары материалов, способных вступать друг с другом в реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и выбранных из никеля, алюминия, меди, ниобия, кобальта, титана, молибдена, тантала, углерода, кремния, бора, азота, при этом толщина каждого слоя 2-20 нм при условии металлизации поверхности, предназначенной для размещения кристалла, легкоплавким металлом с температурой плавления не выше 180°С и способным обеспечить смачиваемость поверхности многослойной наноструктуры, с последующим осуществлением фиксации и прижима соединяемых поверхностей, с последующей инициацией СВС-реакции посредством кратковременного энергетического импульса. Техническим результатом при реализации заявленного решения является получение прочного соединения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 металлизированными материалами с сохранением функциональных свойств как самих кристаллов А3В5, так и итоговой электронной сборки на их базе при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5. 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к области производства электроники последнего поколения, а именно к способам соединения МОП-компонентной базы на основе кристаллов типа А3В5 с помощью реакционных многослойных фольг, и может найти применение в производстве силовой электроники, приемопередающего оборудования, работающего в 5G и 6G диапазонах, при поверхностном монтаже СВЧ-устройств, печатных плат и электронных кристаллических компонентов.
В уровне техники известно применение кремния и А3В5 соединений, в частности Si, GaAs, SiC, GaN, при производстве различных кристаллических микросхем, МЭМС устройств, MOSFET-компонентной базы. Среди А3В5 материалов выделяют несколько типов, характеризующихся различными физическими свойствами, определяющими, в свою очередь, особенности изготовления из них элементов техники (особенности соединения компонентной базы на основе этих материалов), а также особенности использования таких элементов.
В настоящее время существует несколько способов соединения кристаллов для получения конструктивных элементов устройств: пайка на бессвинцовые припои, вакуумная пайка на эвтектику, монтаж кристаллов с притиркой и монтаж на адгезив (в частности, на органические клея). Однако ни один из вышеперечисленных способов не гарантирует отсутствия повреждений чувствительного кристалла при получении такого элемента устройства.
Из уровня техники известен способ соединения полупроводниковых кристаллов, в частности на базе GaAs и GaN, к корпусу (патент RU2636034 на изобретение «Способ пайки кристаллов дискретных полупроводниковых приборов к корпусу», дата приор. 25.05.2016, опубл. 20.11.2017, B23K 1/20). Для соединения материалов припой расплавляют; жидкое состояние припоя достигается относительно долгим и высокотемпературным воздействием на него (например, помещением кристалла в печь). Это, в свою очередь, приводит к нагреву соединяемых материалов, повреждению кристаллической структуры керамического элемента и, как следствие, к утрате его электрофизических свойств (образование микротрещин во внутренней структуре кристалла приводит к появлению дополнительных потенциальных барьеров для носителей заряда, что в свою очередь приводит к утрате необходимых полупроводниковых свойств). На практике во избежание нежелательного нагрева соединяемых поверхностей в процессе пайки область пайки дополнительно охлаждают между повторяющимися этапами нагрева припоя, что значительно увеличивает время соединения материалов. Кроме того, прочность соединения материалов и качество полученного изделия (работоспособность интегральной микросхемы на основе кристаллической компонентной базы) зависят, в частности, от количества, соединяющего из материала (припоя): недостаток припоя снижает прочность соединения, а излишек – качество собранного изделия. Прочность соединения материалов определяется также силой их прижима при соединении: малое усилие прижима снижает прочность соединения, а чрезмерное усилие прижима увеличивает риск разрушения соединяемых деталей, риск их смещения друг относительно друга и вытекание припоя. При традиционной пайке отмеривание точного количества припоя весьма затруднительно, а варьирование усилия прижима при неоптимальном количестве припоя неэффективно. В дополнение к вышеперечисленному к недостаткам относится также необходимость проведения вспомогательных операций, таких как предварительная очистка соединяемых поверхностей от пленки, образующейся вследствие реакции металлизированной поверхности кристалла и кислорода и/или серы в атмосферном воздухе, и посточистка от использованных флюсов (это увеличивает время соединения материалов).
Известен способ соединения кристаллов с корпусом методом вибрационной пайки (патент RU2510545 «Способ вибрационной пайки кристаллов безкорпусных транзисторов» дата приор. 01.10.2012, опубл. 27.03.2014, H01L21/50). Указанный способ заключается в проведении предварительных расчетов и далее экспериментов по определению значений параметров технологического процесса вибрационной пайки кристаллов и выбору этих значений, соответствующих наиболее качественному присоединению кристаллов с минимальным количеством пор, пустот и непропаев. Благодаря предложенному способу увеличивается качество монтажа кристаллов за счет снижения пористости паяного шва вследствие увеличения точности оценки частоты вибрации. Однако, данный способ, как и схожие с ним способы и методы, обладает недостатками, являющимися классическими для вибрационной пайки, в частности: значительные затраты по потреблению электроэнергии при мощности печей до 25 кВт и по расходу водорода (до 3 м3/ч); высокая трудоемкость процесса и большая занимаемая производственная площадь; не обеспечивается высокая точность и воспроизводимость монтажа кристаллов, требуемая в соответствии с ISO 9000, что делает эту технологию непригодной для экспортоориентированной продукции. Кроме того, существенным технологическим недостатком является образование зоны локальной деформации на не планарной стороне кристалла, вызванной воздействием металлической иглы механизма съема кристаллов с адгезионного носителя. Последнее приводит к наличию остаточных термически напряжений в кристалле, что в лучшем случае вызывает отклонения параметров кристалла от заявленных значений, а в худшем приводит к образованию микротрещин в кристалле.
Известен способ пайки кристаллов на золото содержащие припои (US 2005/021214.0 «Semiconductor chip mounting substrate, a method of producing the same, and a method of mounting asemiconductor chip» дата приор. 14.02.2005, опубл. 29.09.2005, H01L 23/48). Данный способ позволяет провести поверхностный монтаж полупроводниковых кристаллов на припой Au-Sn. Такой способ позволяет получить паяное соединение с высокой электропроводностью. При этом существенным недостатком данного способа является образование дополнительных напряжений кристалла в результате рассогласования коэффициентов температурного расширения кристаллов с припоем. Это в последствии приводит к образованию пор и микротрещин.
Известны способы крепления кристаллов и керамики с помощью проводящего клея (патент US8305680B2 «Stable mounting of non-linear optical cristal» дата приор. 11.08.2010, опубл. 6.11.2012, HOIS 3/10, патент RU2491684 на изобретение «Многослойная керамическая гетероструктура с магнитоэлектрическим эффектом и способ ее получения», дата приор. 27.04.1992, опубл. 20.08.1995, B23K 1/00). Указанные способы не обеспечивают достаточной электропроводности собранного изделия в целом. Кроме того, разность коэффициентов температурного расширения самого кристаллического элемента, скрепляющей прослойки (клея) и ответного основания приводит к разрушению (растрескиванию) собранного изделия в процессе эксплуатации, что ограничивает возможности его использования в частных случаях.
Альтернативным способом соединения кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 с платой и/или с корпусом является способ с использованием реакционных фольговых материалов, в которых возможно протекание быстрого самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (далее – «СВС-реакция»), что позволяет их использовать как источник регулируемого тепла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ соединения различных материалов, в том числе компонентов микроэлектронных устройств, при котором используют многослойную реакционную фольгу (заявка WO2009/133105Al на изобретение «Method for producing a hermetically sealed, electrical feedthrough using exotermic nanofilm», приор. 28.04.2008, опубл. 28.04.2009, HOlL21/60). Способ включает в себя образование электропроводящего паяного соединения электронного компонента и корпуса или крышки корпуса и корпуса. Соединение получается путем размещения экзотермической многослойной нанофольги в корпус, фиксации соединяемых поверхностей друг относительно друга, запуск реакции лазером. При этом должно обеспечиваться обязательное условие реализации данного способа: техническая возможность инициации экзотермической реакции в нанопленке. Такая возможность определяется конструкцией корпуса. Так же по данному способу необходимо обеспечение возможности инициации экзотермической реакции в нанопленке при температурах окружающей среды выше 140оС.
Способ включает размещение многослойной реакционной фольги толщиной от 50 мкм до 1 см с предварительно нанесенным на нее припоем между соединяемыми поверхностями, прижим указанных поверхностей и инициирование реакции в фольге посредством прикладывания к фольге кратковременного энергетического импульса. При этом слои фольги выполнены из металлов или сплавов металлов, выбранных из группы: алюминий, никель, медь, титан, цирконий, гафний.
Однако известное техническое решение, выбранное в качестве прототипа для заявленного способа, не обеспечивает получение прочного соединения кремниевых кристаллов и кристаллов типа А3В5 с металлическими материалами при сохранении их функциональных свойств по следующим причинам. Указанная толщина и химический состав используемой многослойной реакционной фольги обусловливают наличие значительного объема запасенной энергии в ней и, соответственно, выделения большого количества тепла при инициировании СВС-реакции в ней. Процесс соединения кристаллов, которые, как известно, являются крайне чувствительными к нагреву, с металлическими материалами требует контролирования количества выделяемого тепла с учетом типа кристалла, его толщины и необходимых эксплуатационных характеристик готового изделия (соединенных материалов). Однако качественный состав фольги в способе-прототипе не позволяет снизить количество выделяемого тепла до допустимого значения. Например, фольга толщиной 80 мкм, состоящая из 2000 чередующихся слоев алюминия и никеля, каждый из которых имеет толщину 2 нм, с добавлением 1% молибдена, 0,5% серебра, 1,5% индия, дает очень большой выход энергии, что неприемлемо для соединения тонких кристаллов типа А3В5 (они разрушаются). С другой стороны, применение фольги из менее энергоемких материалов, например, фольги, состоящей из 900 чередующихся слоев алюминия и оксида железа, где толщина каждого слоя алюминия составляет 1,5 нм, а толщина каждого слоя оксида железа – 2,5 нм, с добавлением 1% молибдена, 0,7% серебра, 1% индия, не обеспечивает достаточного расплавления припоя и, следовательно, получения прочного соединения. Кроме того, отсутствие согласованности усилия прижима, характеристик используемой фольги и пропоя не позволяет получить прочное соединение, способное с распайкой (разъединению) без разрушения кристаллов (без потери их функциональных свойств).
Технической проблемой заявляемого изобретения является создание способа, обеспечивающего быстрое и прочное соединение кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 металлизированными материалами с сохранением функциональных свойств как самих кристаллов кремния или кристаллов А3В5, так и итоговой электронной сборки на их базе, при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5.
Решение поставленной проблемы достигается за счет заявляемого способа поверхностного монтажа кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 металлизированными материалами, при котором на кристалл методом вакуумного напыления, в частности методом вакуумного магнетронного напыления, наносится многослойная металлизация, состоящая из чередующихся нанослоев пар металлов, способных к экзотермической реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. После металлизации кристалл извлекают из вакуумной камеры и размещают на поверхности электронной платы и/или в корпусную микросборку. Поверхность электронной платы и/или в корпусной микросборки, предназначенной для размещения кристалла, должна быть предварительно металлизирована легкоплавким металлом (температуры плавления не выше 180оС), способным обеспечить хорошую смачиваемость поверхности многослойной наноструктуры, нанесенной на кристалл на первом этапе заявляемого способа. После размещения металлизированного кристалла на площадку и фиксации поверхностей друг относительно друга в слое наноструктурированной металлизации инициируется реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Это приводит к фронтообразному выделению тепла достаточного для расплавления металлизации площадки, смачивания поверхностей и как следствие к неповреждающему, прочному, электропроводящему креплению кристалла к поверхности.
Толщины многослойной металлизации кристалла составляют 30-100 мкм, слои которой выполнены толщиной 2-20 нм из металлов, выбранных из группы: никель, алюминий, медь, ниобий, кобальт, титан, молибден, тантал, углерод, кремний, бор, азот. На поверхность кристалла перед нанесением металлизации в которой возможна СВС реакция, наносят адгезионный слой толщиной от 30 до 120 нм из хорошо адгезирующегося в процессе нанесения и последующей пайке металла (например, серебро, золото, медь); металлизация площадки для установки кристалла производится толщиной 2-15 мкм; фиксация поверхности кристалла производится с усилием 0,3-1,2 кг/см2. В частных вариантах реализации изобретения перед прижимом кристалла предварительно выполняют нагрев его поверхности, в частности до температуры не выше температуры Кюри материала, кристалла кремня или кристаллов типа А3В5; перед нанесением многослойной металлизации на кристалл предварительно наносят адгезионное покрытие; металлизацию поверхности площадки осуществляют механико-термическим способом, гальваническим способом, химическим осаждением или методом вакуумного напыления.
Авторами экспериментально установлено, что заявленные диапазоны характеристик используемой многослойной наноструктурированной металлизации и режимов способа являются оптимальными для получения прочного соединения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 с металлическим материалами без потери функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5.
Достижение технического результата, обеспечиваемого при осуществлении заявленного способа, обусловлено следующим. Применение многослойной наноструктурированной металлизации заявленного состава и толщины в форме экзотермического материала с возможностью протекания в нем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при ее активации энергетическим импульсом обеспечивает быстрое выделение запасенной энергии в объеме, обеспечивающем достаточную степень расплавления припоя различной толщины в максимально короткий срок, что исключает излишний нагрев кристаллов. Это в сочетании с усилием прижима позволяет получить наиболее приемлемые для соединения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 параметры процесса, варьирование которых, в свою очередь, обусловливает получение быстрого и прочного соединения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 различной толщины с сохранением их функциональных свойств. Нанесение припоя заявленной толщины обеспечивает возможность распайки соединения в случае необходимости без разрушения кристалла кремния или кристаллов типа А3В5.
Предварительный нагрев поверхностей соединяемых материалов, в частности, до температуры, не выше температуры Кюри кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 и температуры припоя металлизирующего площадку под кристалл, позволяет уменьшить градиент перепада температуры на границе раздела «кристалл-металлизация–площадка», что значительно снижает количество механических напряжений в соединяемых материалах и, следовательно, приводит к существенному повышению качества получаемого соединения. Нанесение многослойной наноструктурированной металлизации вкупе с предварительно нанесенным на кристалл адгезионным покрытием обеспечивает прочное сцепление металлизации с поверхностью кристалла, а также нивелирует возможную разницу коэффициентов температурного напряжения при соединении элементов. Это способствует получению качественного соединения материалов, с низкой пористостью, отсутствием непропаев. Кроме того, такой подход обеспечивает отсутствие структурных повреждений как поверхности кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5, так и повреждения внутренней структуры. Нанесение припоя на поверхность площадок под кристалл заявляемым способом, включающим механико-термический способ, гальванический способ, химическое осаждение или метод вакуумного напыления, позволяет получить тонкий равномерный слой, что также способствует получению прочного соединения материалов с сохранением их функциональных свойств при возможности их распайки в случае необходимости без разрушения кристаллов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема соединения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 с металлическими материалами по заявленному способу, где 1 – кристалл кремния или кристалл типа А3В5, 2 – многослойное наноструктурированное покрытие с возможностью протекания СВС реакции; 3 – нанесённое припойное покрытие на площадку под кристалл; 4 – медный проводник; 5 – диэлектрик; 6 – основа платы; 7 – внешний радиатор; 8 – элемент инициации СВС; 9 – направление силы, фиксирующей кристалл; 10 – направление основного потока тепла; T1 – температура кристалла; Т2 – температура корпуса кристалла; Т3 – температура платы; Т4 – температура окружающей среды. Совокупно элементы 4, 5 и 6 образуют плату.
На фиг. 2 – схема строения одного из вариантов используемого многослойного наноструктурированного экзотермического покрытия кристаллов, где 10 – многослойное наноструктурированное покрытие с возможностью протекания в нём СВС-реакции, состоящее из N пар слоёв толщиной от 2 до 20 нм каждый; 11 – адгезионный слой толщиной от 30 нм до 120 нм, например, Cu-Cr-Al; 12 – кристалл кремния или кристалл типа А3В5, например, нитрид галлия GaN.
На фиг. 3 и 5 – микрофотографии пластинчатых многослойных наноструктурированных покрытий, в которых возможно протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, совпадающих с 1-ым видом СВС-материала (таблица №1 и №2).
На фиг. 4 представлен EDX спектр, отражающий химический состав материала 1-го вида СВС-материала до протекания реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза;
На фиг. 6-10 представлены EDX спектры, отражающие химический состав полученного соединения после СВС реакции.
Фиг. 3, 4, 5-10 – получены на СЭМ микроскопе LYRA компании TESCAN.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, представленными в таблицах 1 и 2, в которых соединение кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 с металлическими материалами осуществлялось по описанной выше схеме на механической установке, включающей основание с соответствующими разметкой и оснасткой для позиционирования элементов из кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5, прижимным грузом и средством запуска СВС-реакции. В качестве средства запуска СВС-реакции в многослойном металлическом покрытии кристаллов был использован метод локального выведения этих материалов из состояния термодинамического равновесия посредством кратковременного электрического импульса, сгенерированного источником постоянного тока и пропущенная через малый участок материала (напряжение 6-12 В). Кроме того, для каждого из представленных в таблице видов СВС-материалов были использованы альтернативные способы инициации СВС процесса: 1) жало паяльника, обеспечивающие кратковременное точечное касание малого участка СВС-материала (температура жала 350-600°C); 2) лазер, кратковременно и точечно воздействующий на участок СВС-материала (длина волны 0,3-10 мкм, мощность 1-100 Вт/мин). Для всех методов инициации СВС реакции в многослойном металлическом СВС-материале, наносимом на поверхность кристаллов, параметры, отраженные в таблицах №1 и №2, оставались неизменными.
В качестве кристаллов, на которых производилась металлизация методом вакуумного магнетронного напыления, а именно создание многослойной наноструктурированной фольги в которой возможно протекание СВС реакции использовали GaAs, GaAs(Si), GaAs(Zn), GaP, InAs, InSb, GaSb - следующих типоразмеров:
- диск, толщина 350 мкм, диаметр 40 мм;
- диск, толщина 420 мкм, диаметр 40 мм;
- цилиндр, высота 300 мкм, диаметр 50,8 мм;
- цилиндр, высота 400 мкм, диаметр 76,2 мм.
Приведенные в примерах типоразмеры кристаллов не ограничивают возможность применения заявленного способа для материалов иных типоразмеров.
На образцы площадок на плате наносился припой на основе серебра ПСр40 2-10 мкм механико-термическим методом с отклонением толщины припоя от заданных значений не более 10%. Образцы №№ 2, 5, 8 предварительно (до нанесения на них СВС многослойного покрытия) были покрыты адгезионным покрытием на основе хрома, меди и алюминия толщиной 0,1 мкм.
При использовании образцов фольги №№ 1, 3, 7, 10 перед прижимом соединяемых поверхностей осуществляли их нагрев до температуры не выше температуры Кюри соответствующих материалов и не выше температуры плавления СВС-покрытия. Так для образцов №№ 1, 7 температура предварительного нагрева составляла 100 °С, а для образцов №№ 3, 10 – 124 °С.
Прижим соединяемых поверхностей осуществляли посредством установки прижимных грузов соответствующей массы на пакет соединяемых элементов (длительность не более 1 минуты) силой 0,3-1,2 кг/см2.
Параметры используемых материалов и режимов способа представлены в таблице 1.
Оценка сохранения функциональных свойств, соединенных с помощью заявляемого способа кристаллов производилась посредством комплекса аппаратуры. Тип проводимости (p/n) кристаллов определялся прибором PN-100 (Диполь) методом измерения поверхностного фотонапряжения (SPV-Surface Photovoltage), возникающего в исследуемом образце. Определение концентрации (n (см-3)) и подвижности носителей заряда (µ (м2/(В·с))) в образцах определялся распространенным способом: из эффекта Холла методом Ван дер Пау. Определение плотности дислокаций ρ (см-2) в кристаллах определялось при помощи электронного микроскопа ЭМВ–100Б. Оценка прочностных характеристик образцов, выполненных по заявляемому способу соединений производилась на разрывной машине WPM Masch 2168, тип ФМ-250, путем измерения нескольких ключевых прочностных показателей: временное сопротивление разрыву (испытания в течении 50 часов) σв (кгс/мм2); предел прочности паяного шва на растяжение σр (Мпа); модуль упругости E (ГПа); предел прочности паяного соединения на срез τср(Мпа); Модуль сдвига G (ГПа), Коэффициент Пуассона μ.
Свойства полученных образцов представлены в таблице 2.
Приведенные в таблице 2 параметры кристаллов соответствуют значениям параметров кристаллов, заявленных производителем. Таким образом, образцы, полученные с помощью заявляемого способа, не изменяет физические свойства кристаллов А3В5. Приведенные в таблицах 1, 2 данные подтверждают, что заявляемый способ позволяет получить прочное соединение кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 за максимально короткое время (1-2 мкс) без потери функциональных свойств таких материалов (измеренные параметры соответствуют ГОСТ 12370-80, ГОСТ Р 57438-2017 и ГОСТ Р 8.945-2018, а также нормативной документации большинства потребителей).
Все образцы соединений были испытаны на возможность их распайки без разрушения структуры кристалла. Для этого каждое паяное соединение подвергалось нагреву до температуры выше температуры начала плавления адгезионного покрытия кристалла. Разъединенные таким образом кристаллы не повреждаются, не теряют своих функциональных свойств и могут быть использованы повторно.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает достаточно быстрое получение прочного соединения кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 с платой и/или с корпусом с сохранением функциональных свойств кристаллических элементов при возможности распайки соединения в случае необходимости без разрушения структуры кристалла.
Таблица 1 – Используемые материалы и режимы способа
Таблица 2. Свойства полученных образцов
Claims (3)
1. Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов, заключающийся в формировании многослойного наноструктурированного покрытия толщиной 30-100 мкм, состоящего из чередующейся пары материалов, способных вступать друг с другом в реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и выбранных из никеля, алюминия, меди, ниобия, кобальта, титана, молибдена, тантала, углерода, кремния, бора, азота, при этом толщина каждого слоя 2-20 нм, при условии металлизации поверхности, предназначенной для размещения кристалла, легкоплавким металлом с температурой плавления не выше 180°С и способным обеспечить смачиваемость поверхности многослойной наноструктуры, нанесенной на кристалл методом ваккумного магнетронного напыления, с последующим осуществлением фиксации и прижима соединяемых поверхностей, с последующей инициацией СВС-реакции посредством кратковременного энергетического импульса.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно на поверхность кристалла кремния или кристаллов типа А3В5 наносят адгезионный слой толщиной от 30 до 120 нм, состоящий из хрома, серебра, золота, меди, алюминия.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед прижимом предварительно выполняют нагрев поверхностей соединяемых материалов до температуры не выше температуры Кюри кристаллов кремния или кристаллов типа А3В5.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020138664A RU2753171C1 (ru) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020138664A RU2753171C1 (ru) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2753171C1 true RU2753171C1 (ru) | 2021-08-12 |
Family
ID=77349180
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020138664A RU2753171C1 (ru) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2753171C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009099655A (ja) * | 2007-10-15 | 2009-05-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー半田付け方法 |
WO2009133105A1 (de) * | 2008-04-28 | 2009-11-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur erzeugung einer hermetisch dichten, elektrischen durchführung mittels exothermer nanofolie |
RU2460168C2 (ru) * | 2009-12-31 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Способ пайки кристаллов на основе карбида кремния |
RU2570226C1 (ru) * | 2014-08-05 | 2015-12-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" | Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность |
RU2636034C1 (ru) * | 2016-05-25 | 2017-11-20 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Способ пайки кристаллов дискретных полупроводниковых приборов к корпусу |
RU2711239C2 (ru) * | 2018-04-16 | 2020-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" | Способ металлизации керамики с помощью металлизированной ленты |
-
2020
- 2020-11-25 RU RU2020138664A patent/RU2753171C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009099655A (ja) * | 2007-10-15 | 2009-05-07 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー半田付け方法 |
WO2009133105A1 (de) * | 2008-04-28 | 2009-11-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren zur erzeugung einer hermetisch dichten, elektrischen durchführung mittels exothermer nanofolie |
RU2460168C2 (ru) * | 2009-12-31 | 2012-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Способ пайки кристаллов на основе карбида кремния |
RU2570226C1 (ru) * | 2014-08-05 | 2015-12-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электронной техники" | Способ монтажа кремниевых кристаллов на покрытую золотом поверхность |
RU2636034C1 (ru) * | 2016-05-25 | 2017-11-20 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Способ пайки кристаллов дискретных полупроводниковых приборов к корпусу |
RU2711239C2 (ru) * | 2018-04-16 | 2020-01-15 | Общество с ограниченной ответственностью "НАНОКЕРАМИКС" | Способ металлизации керамики с помощью металлизированной ленты |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109476556B (zh) | 接合体、电路基板及半导体装置 | |
CN110690187A (zh) | 电路基板及半导体装置 | |
US20070231590A1 (en) | Method of Bonding Metals to Ceramics | |
KR100713114B1 (ko) | 기판에 반도체 칩을 땜납하는 방법 및 장치 | |
KR20220116213A (ko) | 구리/세라믹스 접합체, 및, 절연 회로 기판 | |
JPH08255973A (ja) | セラミックス回路基板 | |
JP4136844B2 (ja) | 電子部品の実装方法 | |
JP4552934B2 (ja) | 電子部品の実装方法 | |
RU2753171C1 (ru) | Способ неповреждающего поверхностного монтажа кристаллов кремния и кристаллов типа А3В5 методом использования СВС-фольги, нанесенной в форме металлизирующего многослойного наноструктурированного покрытия на поверхности этих кристаллов | |
JP2006528556A (ja) | 溶融接合材料の高められた制御を伴う反応性多層箔を使用する接合方法 | |
Kim et al. | Fluxless silicon-to-alumina bonding using electroplated Au–Sn–Au structure at eutectic composition | |
US9349704B2 (en) | Jointed structure and method of manufacturing same | |
JP4867042B2 (ja) | 金属と金属またはセラミックスとの接合方法 | |
JP4508189B2 (ja) | 半導体モジュールの製造方法 | |
JP6516949B1 (ja) | 金属接合体および金属接合体の製造方法、並びに半導体装置および導波路 | |
Lei | Thermomechanical reliability of low-temperature sintered attachments on direct bonded aluminum (DBA) substrate for high-temperature electronics packaging | |
EA035216B1 (ru) | Способ соединения пьезокерамических материалов с различными материалами | |
RU2379785C1 (ru) | Способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки полупроводникового кристалла к корпусу | |
US5770890A (en) | Using a thermal barrier to provide a hermetic seal surface on aluminum nitride substrate electronic packages | |
JPH06263554A (ja) | セラミックス−金属接合基板 | |
JP3871472B2 (ja) | はんだ付け用Ni部材、電気部品と放熱部品の製造方法 | |
Gierth et al. | Development and analysis of high temperature stable interconnections on thick films using micro resistance welding for sensors and MEMS | |
JP4048914B2 (ja) | 回路基板の製造方法および回路基板 | |
Welker et al. | Bonding of ceramics using reactive NanoFoil® | |
JP2023506557A (ja) | 金属-セラミック基板を生産する方法及びそのような方法によって生産された金属-セラミック基板 |