SE512906C2 - Förfarande vid lödning av ett halvledarchip samt RF-power transistor för genomförande därav - Google Patents

Description

(Il 10 |,.,1 Uï 20 25 30 512 9062 flyter ut och väter bra, utan får en trögflytande konsistens.

Dessa kiselkristaller kommer effektivt att stänga inne eventuella luftbubblor som har ràkat bildas mellan chippet och kapseln. Dessa bubblor kommer att drastiskt försämra värmeledningen mellan chip och kapsel. Den totala tjockleken för en AuSi~legeringsfog som bildas av guldet pà kapseln och kislet i chipet kan aldrig bli mer än cirka 50% mer än guldets tjocklek. Vid en guldtjocklek pà 4um så blir fogen alltså enbart cirka 6um. Detta ställer stora krav på kapselns planhet, eftersom det annars kan uppkomma brist på lod mellan chip och kapsel.

Det är allmänt känt att man kan tillföra extra AuSi-lod i form av en preform som läggs mellan chipet och kapseln.

Detta är oftast mycket svårt och dyrt att utföra på grund av de små dimensionerna av en sådan preform. Det är inte praktiskt möjligt att hantera preformer med en tunnare godstjocklek än cirka 25um. En så tjock fog kommmer dock att öka den termiska resistansen mellan chip och kapsel oacceptabelt mycket.

REnoGöRELsE FöR UPPFINNINGEN Ett problem: med känd teknik för lödning av halvledarchip till ett substrat, såsom exempelvis en kapsel i en RE-power transistor, är att det krävs ett manuellt arbetstempo för fastlegering av varje chip var för sig.

Ett annat problem med känd teknik är att bildandet av Si- kristaller försämrar lodets utflytning och innestänger bubblor. värme från chipet.

Nämnda bubblor kan försämra borttransportering av Ännu ett problem med känd teknik är att SiAu lodets höga stelningstemperatur ger stora mekaniska spänningar mellan 10 15 20 25 30 512 9063 chip och kapsel, vilket sätter en övre gräns för chipets storlek. Om denna gräns överskrids spricker chipen. Ännu ett problem med känd teknik är att montering av flera små chip krävs i stället för ett större chip för att de mekaniska spänningarna inte skall spräcka chipet vilket ger ökad monteringskostnad. Ännu ett teknik är att en hög problem med känd (400-450°C) atomer från ett nickelskikt under guldskiktet kan diffundera arbetstemperatur vid chipmontering innebär att upp genom guldet och oxideras och förorsaka bondnings- och Detta pläteringsteknik för nicklet och ett tjockt guldskikt pà måste motverkas speciell lödningsproblem. genom ytor som ej behöver tjockt guldskikt för AuSi lödningen. känd teknik är att den höga arbetstemperaturen vid chipmonteringen innebär att Ännu ett problem med själva kapselns delar måste sammanfogas med ett hàrdlod med en ännu högre smältpunkt exempelvis AgCu vid 790°C. En sammanfogning av metaller och keramer vid denna höga temperaturinnebär att det uppkommer stora mekaniska spänningar efter nerkylningen, på grund av att de metaller och keramer som är lämpliga ej lika utformningen på kapseln begränsas. har identisk termisk expansion. Detta gör att Det är ej möjligt att i mest optimala metallen koppar och kapseln använda den keramen AlN eftersom deras expansionskoefficienter är alltför olika. Ännu ett problem med känd teknik är att den relativt tunna lodfog som bildas ställer stora krav pà kapslarnas planhet, eftersom det eljest uppkommer brist på lod så att inte hela chipet löds fast. Detta försämrar drastiskt värmeledningen mellan chip och kapsel.

Föreliggande uppfinning angriper ovan nämnda problem genom ett förfarande vid lödning av ett halvledarchip till ett substrat, såsom exempelvis en kapsel i en RF-power 10 ,_| LP 30 512 906 4 transistor. Halvledarchipet förses först med ett vidhäftningsskikt av en första materialsammansättning. På nämnda vidhäftningsskikt anordnas ett lödbart skikt av en andra materialsammansättning. På nämnda lödbara skikt anordnas ett oxidationsskydsskikt av en tredje material- sammansättning. Oxidationsskyddsskiktet beläggs därefter med ett lager lödlod av guld-tennlegering. Chipet anordnas till en lödbar yta på en kapsel via nämnda guld-tenn lod. Kapseln och chipet utsätts för en inert miljö till vilken en reducerande gas tillförs, där ett tryck utövas pà nämnda kapsel och chip som är väsentligen under en atmosfär samtidigt som guld-tennlegeringen i lodet upphettas över dess smälttemperatur. Gastrycket ökas medan guld-tennlodet är smält, och vid överskridande av en förutbestämt gastryck sänks temperaturen så att guld-tenn lodet stelnar.

I ett föredraget utföringsexempel av det uppfinningsenliga förfarandet är den första materialsammansättningen Titan- Wolfram (Tiw), den andra materialsammansättningen Nickel (Ni) och den tredje materialsammansättningen Guld (Au). i ett annat föredraget utföringsexempel av det uppfinnings- enliga förfarandet är den första materialsammansättningen I Titan den andra materialsammansättningen Platina (Pt) och den tredje materialsammansättningen Guld (Au).

I ännu ett föredraget utföringsexempel av det uppfinningsenliga förfarande kompenseras guld-tenn lodets sammansättning av guldet från kapseln så att en slutlig legeringssammmansättning ligger så nära den eutektiska smältpunkten som möjligt.

I ännu ett föredraget utföringsexempel av det uppfinnings- enliga förfarandet har guld-tennlegeringen i lodet en sammansättning av 75% Au och 25% Sn då kapseln innefattar ett 3-4 um tjockt lager med guld till vilket chipet skall lödas fast. 10 15 20 25 30 512 9056 I ännu ett föredraget utföringsexempel av det uppfinnings- enliga förfarandet är den reducerande gasen myrsyraànga.

Ett utföringsexempel enligt uppfinningen av en RF-power transistor innefattar minst ett RF-power halvledarchip och en kapsel. Halvledarchipet är anordnat med ett vidhäftningsskikt av en första materialsammansättning, pà nämnda vidhäftningsskikt är anordnat med ett lödbart skikt av en andra materialsammansättning och pá nämnda lödbara skikt är anordnat ett oxidationsskydsskikt av en tredje materialsammansättning. Chipet är anordnat till en lödbar yta pà kapsel via ett lod med guld-tennlegering med en legeringssammansättning nära den eutektiska smältpunkten. erhålla en Avsikten med föreliggande uppfinning är att porfri lödfog mellan ett halvledarchip och ett substrat, såsom exempelvis en kapsel i en RF-power transistor, där en låg stelningstemperatur eftersträvas pà lodet som gör det möjligt att i vissa kapseltyper använda aluminiumnitrid som keramisk isolator i stället för berylliymoxid som är giftig.

En fördel med föreliggande uppfinning är att hela proceduren från placering av chipen till fastlödning av dessa till kapseln kan automatiseras. fördel med tjockleken pà en lödfog kan bestämmas exakt för att anpassas En annan föreliggande uppfinning är att mot kapslarnas krökning och minimera lödfogens termiska resistans.

Ytterligare en fördel med föreliggande uppfinning är att guld-tennlegeringen i lödfogen har ungefär dubbelt sà bra värmeledningsförmága som en lödfog med guld-kisellegering. Ännu en fördel med föreliggande uppfinning är att den relativt làga lödtemperaturen ger minimal risk för nickeldiffusion genom guldet. Det är därför möjligt att reducera guldtjockleken pà kapslarna fràn 3-Sum till de 0.5- (11 20 f\) LT' 30 512 906 lum som krävs vid trådbondning. Denna tunnare guldbeläggnind ger lägre kostnad samt minskar betydligt risken för dåliga lödfogar mellan kasplarna och mönsterkort, pà grund; av guldsmitta i tenn-bly lodet. Det är även möjligt att selektivt plätera ett mycket tunt guldskikt på de delar av änslutningsblecken som skall lödas mot mönsterkorten. Ännu en fördel med föreliggande uppfinning är att guld tenn lödningen är en batchoperation vilket medför att ett stort antal kapslar kan processas samtidigt. Detta är speciellt fördelaktigt för de kapseltyper som kan hanteras i en arrayform eftersom det minskar tillverkningskostnaden avsevärt. Ännu. en fördel med föreliggande uppfinning är att lödning med lod av guld-tennlegering sker vid endast cirka 300°C så är det möjligt att tillverka själva kapslarna på ett radikalt annorlunda sätt. Den nuvarande hårdlödningen av kapseldelarna vid 790°C kan ersättas med en hårdlödning vid en betydligt lägre temperatur, som till exempel lödning med lod av guld- kisellegering vid 380°C. Detta innebär att det uppkommer mycket mindre termodynamiska spänningar mellan keramerna och metallen i kapseln, vilket då kan möjliggöra användning av material som har en sämre termisk matchning aluminiumnitrid och därigenom sonm till exempel koppar och erhålla fördelar såsom bättre värmeledning och giftfrihet.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hjälp av föredragna utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritningar.

FÖREDRAGNA UTFöRrNGsFommR Guld-tennlödning erfordrar lödbara ytor på både substrat och nalvledarchip. På halvledarchipen àstadkoms detta genom att belägga de i. för övrigt färdigprocessade halvledarskivorna med ett vidhäftningsskikt mot halvledaren, som exempelvis 10 15 20 25 30 512 906 kan vara kisel, på vidhäftningsskiktet anordnas ett lödbart detta lödbara skikt anordnas ett Vidhäftningsskiktet kan till det lödbara skiktet kan då (Guld).

Vidhäftningsskiktet kan också utgöras av ren titan, då kan skikt och på oxidationsskikt. exempel utgöras av TiW (titan-wolfram), utgöras av Ni (nickel) och oxidationsskyddet av Au det lödbara skiktet utgöras av platina och oxidationsskyddet av guld.

Tjockleken pà vidhäftningsskiktet kan ligga mellan 1000- lsooÅ, iooo-lsooÅ för det iödbara skiktet och sooo-ioooozä för oxidationsskyddet. På oxidationsskiktet eller i samband med att oxidationsskiktet beläggs så läggs ett tjockt lager av lodlegeringen av guld-tenn. På så sätt finns lodmetallen tillgänglig på varje chip och man undviker därmed hanteringen av lodpreforms.

Guld-tennlod kan tillföras på ett flertal olika sätt som till exempel genom selektiv plätering, deponering i form av lodpasta medelst stenciltryckning eller screentryckning.

Företrädesvis sputtras eller pläteras baksidan av en halvledarskiva eller så kan ett mycket tunt folie av guld- baksidan av halvledarskivan genom att tenn fästas mot smältas fast eller genom termokompressionsbondning.

Eftersom de kapslar där chipen skall placeras ej är absolut plana, så måste mängden lodmaterial anpassas så att volymen mellan chip och kapseln alltid utfylls av guld-tennlodet.

Med chip av en längd av exempelvis 5mm och med kapslar med en krökning av 5 promille så erfordras en guld-tenn tjocklek på l0pm.

På de kapslar där chipen monteras finns alltid en guldbeläggning. Detta guld kommer att legera sig med guld- tennlodet och förhöja smältpunkten om lodet ursprungligen legeringssammansättning som exakt på den För att undvika detta har en ligger eutektiska smältpunkten. så beläggs lG *vi (11 20 30 512 906 chipen med en guld-tennlegering med en sammansättning som är kompenserad för det guld som kommer från kapseln. En lämplig sammansättning kan till exempel vara 75% Au och 25% Sn på en kapsel med 3-êum guld. Därigenom uppnås en slutlig legeringssammansättning som ligger mycket nära den eutektiska smältpunkten på 280°C.

Vid Lödning av chip mot kapslar så uppkommer ofta blåsbildning i lödfogen. Uppkomsten av dessa gasblåsor kan ej förhindras eftersom deras uppkomst styrs av hur lodet väter de två lödytorna. Dessa gasblåsor är mycket skadliga i lödfogar ingående i. högeffektkomponenter, såsom exempelvis RF-power transistorer, eftersom de orsakar överhettning av komponenten. Om Lödning sker vid ett så lågt gastryck som möjligt, exempelvis l-lO torr kan detta problem nünimeras.

När lödningen är fullbordad så ökas det omgivande trycket på lödfogen, exempelvis till normalt atmosfärstryck, innan komponenten kyls ner så att lodet stelnar. De gasblåsor som nar uppkommit under smältprocessen av lodet kommer därmed att komprimeras så att de blir i det närmaste harmlösa.

Volymen på en sådan gasblåsa kommer att reduceras i förhållande till tryckskillnaden, med ovan angivna tryckskillnad kommer gasblàsornas volym att minska med cirka en faktor 100.

Den aktuella guld-tennlegeringen oxideras lätt och denna oxid (tenn-oxid) förhindrar fullgod vätning och utflytning av lodet. Vid lödoperationen är det ej lämpligt att använda konventionella flussmedel eftersom dessa ger svårlösliga sönderfallsprodukter vid lödtemperaturen i fråga (300-350°C) och dessutonl är det Inycket svårt opraktiskt och dyrt att försöka tvätta bort nämnda flussrester. Vid lödning kan därför ett gasformigt flussmedel användas och i detta fall används en liten mängd myrsyraånga som tillsatts i en inert gas som an'änds vid lödningen. Den inerta gas som används kan exempelvis vara kvävgas. Kvävgasen kan anordnas att 10 512 906 9 passera en behållare med myrsyra innan denna förs in i den kammare där lödning skall ske. Kvävgasen för pà så sätt med sig myrsyramolekyler in i kammaren. Nämnda myrsyraånga reducerar tennets oxid till nætalliskt tenn samtidigt som det bildas gasformiga restprodukter. Det är därför ej helt nödvändigt att rengöra komponenterna efter denna lödoperation.

Uppfinningen är naturligtvis inte begränsad till de ovan beskrivna och de på ritningarna visade utföringsformerna, utan kan modifieras inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (9)

10 15 20 25 512 906 10 PATENTKRÄV

1. l. Förfarande vid lödning av ett halvledarchip till ett substrat, såsom exempelvis en kapsel i en RF-power transistor, k ä n n e t e c k n a t av -att halvledarchipet förses med ett vidhäftningsskikt av en första mäterialsammansättning, -att på nämnda vidhäftningsskikt anordnas ett lödbart skikt av en andra materialsammansättning, -att på nämnda lödbara skikt anordnas ett oxidationsskydsskikt av en tredje materialsammansättning, -att oxidationsskyddsskiktet beläggs med ett lager av guld- tennlod, -att chipet anordnas till en lödbar yta på en kapsel via nämnda guld-tennlod, -att kapsel och chip utsätts för en inert miljö till vilken en reducerande gas tillförs, där ett tryck utövas på nämnda kapsel och chip som är väsentligen under en atmosfär samtidigt som guld-tennlodet upphettas över dess smälttemperatur, -att gastrycket ökas medan guld-tennlodet är smält, och -att vid överskridande av en förutbestämt gastryck sänks temperaturen så att guld-tennlodet stelnar.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den forsta materialsammansättningen är Titan-Wolfram (Tiw), den andra materialsammansättningen är Nickel (Ni) och den tredje materialsammansättningen är Guld (Au).

3. Forfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den första materialsammansättningen är Titan (Ti), 10 15 20 25 30 512 906 ll den andra materialsammansättningen är Platina (Pt) och den tredje materialsammansättningen är Guld (Au).

4. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att guld-tennlodets sammansättning kompenseras av guldet fràn kapseln så att en slutlig legeringssammmansättning ger en eutektisk smältpunkt eller en därtill närliggande smältpunkt.

5. Förfarande enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a t av att guld-tennlodets sammansättning är 75% Au och 25% Sn då kapseln innefattar ett 3-4 pm tjockt lager med guld.

6. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den reducerande gasen är myrsyraànga.

7. RF-power transistor innefattande minst ett RF-power halvledarchip och en kapsel, k ä n n e t e c k n a d av att halvledarchipet är anordnat med ett vidhäftningsskikt av en första materialsammansättning, pà nämnda vidhäftningsskikt är anordnat med ett lödbart skikt av en andra materialsammansättning, pà nämnda lödbara skikt är anordnat ett oxidationsskydsskikt av en tredje materialsammansättning och där chipet är anordnat till en lödbar yta pà kapseln via ett guld-tennlod med en legeringssammansättning som ger en eutektisk smältpunkt eller en därtill närliggande smältpunkt.

8. RF-power transistor enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d av att den första materialsamman- sättningen är Titan-Wolfram (TiW), den andra materialsamman- sättningen är Nickel (Ni) och den tredje materialsamman- sättningen är Guld (Au).

9. RF-power transistor enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a d av att den första materialsamman- sättningen är Titan (Ti), den andra materialsammansättningen är Platina (Pt) och den tredje materialsammansättningen är 5'i2 906 12 Guld (Au).