621.382 +621.791.3+669.018.21.8
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
ПАЙКА кристаллов полупроводниковых изделии с применением бессвинцовых сплавов
© 2009 г. В. В. Зенин1, В. И. Бойко2, О. В. Марченко1, В. И. Фролов2, О. В. Хишко2
1ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" 2ОАО "Воронежский завод полупроводниковых приборов - Сборка"
e-mail: zenvik@bk.ru Поступила в редакцию 18. 02. 2009
Приведены сведения о составе и температуре плавления бессвинцовых припоев, которые могут быть использованы на операциях сборки изделий микроэлектроники. Рассмотрены покрытия кристаллов и оснований корпусов для пайки бессвинцовыми сплавами. По источникам научно-технической информации проанализированы особенности пайки кристаллов, а также рассмотрены способы и режимы пайки кремниевых кристаллов к основаниям корпусов ППИ.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 5, с. 381-390
УДК
PACS 85.40.-e
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время пайке бессвинцовыми припоями в производстве изделий микроэлектроники уделяют пристальное внимание специалисты, работающие в этой области [1-4]. Это связано с Европейской директивой КоЫ8 об ограничении использования свинца в производстве радиоэлектронной аппаратуры, действующей с 1 июля 2006 г. [5, 6]. Свинец является одним из опаснейших металлов, использование которых регулируется ИоЫ8.
При разработке паяных конструкций, в т.ч. и полупроводниковых изделий (ППИ) и технологии их изготовления конструкторы и технологи принимают во внимание физико-механические свойства материалов и припоев на их основе, учитывают физико-химическую стабильность припоев и совместимость их с паяемыми покрытиями. К физико-механическим свойствам припоев относятся: температура плавления, пределы прочности на растяжение, срез, предел текучести, относительное удлинение (пластичность), модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности, удельное электросопротивление и др.
При решении вопроса о надежности паяных соединений конкретных ППИ необходимо осуществлять правильный выбор состава и свойств припоев, паяемых покрытий, а также оптимальных способов и режимов пайки.
ПРИПОИ
В данном разделе по материалам зарубежной научно-технической информации проанализированы припои, используемые в производстве изделий мик-
роэлектроники. В качестве бессвинцовистых припоев рассматриваются сплавы на основе олова с добавлением в него Ag, Си, В1, и других металлов. С точки зрения надежности выделяются сплавы 8п^ и 8п^-Си (95-96.68п/2.5-4.^/0.9Си) [7]. Эти припои рекомендуются многими исследователями для первоочередного изучения и внедрения. Основной их недостаток: сравнительно высокая температура плавления (около 220°С), негативно влияющая на сами ППИ и на плату. Снизить температуру плавления этих припоев можно, добавляя в них Ш, и другие металлы. Рассматриваются варианты введения в составы 8п-В1 или 8п-7п элементов, улучшающих технологические свойства данных припоев.
Хорошие результаты показал сплав 95.5Sn/4Ag/0.5Cu: высокая температура плавления (217°С) делает его идеальным для пайки изделий, работающих при температуре <175°С; при некоторых испытаниях он показал лучшую стойкость к переменным температурам, чем Sn-Ag-припой [8, 9].
Для пайки без свинца могут использоваться сплавы олова с медью, серебром, висмутом, индием, цинком. Сплав олова с висмутом с малым содержанием олова не намного дороже свинцового сплава, однако имеет низкую температуру плавления (138°С).
В работе [9] предлагается сплав, не содержащий свинец, для соединения элементов электроники с получением повышенной стойкости к термической усталости: 81-91 Sn/3-6Ag/0.1-2Cu.
При сборке больших кристаллов значительная разница в термических коэффициентах расширения между 81, медной рамкой и пластмассовым заполнителем приводит к появлению больших напряжений и к разрушению пластмассы. Образование трещин
по поверхности контакта между соединением и заливочной массой вызывается влажностью.
Для усталостных испытаний соединений деталей, имеющих вид прямоугольной пластинки с гребнями отогнутых проволочных выводов по четырем кромкам, разработана специальная методика [10]. В качестве припоя использовались сплавы 96.5SnZ3.5Ag и 91.5SnZ3.5Ag/5Bi.
В качестве припоев рекомендуется [11] использовать трех- и четырехкомпонентные сплавы: 55-60Ag/25-30Cu/20-26Zn; 44-48Ag/32-36Cu/18-22Sn; 15-20Ag/28-32Cu/51-54Cd; 40-45Ag/12-15Cu/29-33Cd/9-11Zn; 63-68Ag/12-16Cu/11-15Sn/6-9Zn. Из-за высокой температуры плавления на сборочных операциях ППИ данные припои, по всей видимости, не найдут широкого применения.
Высокими механическими свойствами обладает припой [12]:
2-4Ag/0.5-2Zn/2-3Bi/Sn - остальное.
Для пайки интегральных схем предложен Sn-Ag припой:
3-^/2^^2-6 Jn/Sn - остальное [13].
Для массового производства ППИ отдается предпочтение Sn-Ag-Cu-припоям, например сплаву 95.5Sn/3.8Ag/0.7Cu с температурой плавления 217°С. По своей надежности паяные соединения, выполненные этим припоем, не уступают свинцовистому припою 62Sn/36Pb/2Ag [8, 14, 15].
Одна из фирм Германии [16] разработала 5 типов бессвинцовистых припоев на основе Ag и других металлов. У данных припоев предел ползучести выше, чем у Pb-содержащиx припоев, намного лучше показатели и по усталостной прочности. Отмечается бессвинцовистый припой с рабочей температурой 150°С.
В работе [17] рекомендуется использовать Sn-Ag и Sn-Ag-Cu припои, которые обеспечивают хорошее качество паяных соединений.
ПОКРЫТИЯ КРИСТАЛЛОВ И ОСНОВАНИЙ КОРПУСОВ ДЛЯ ПАЙКИ БЕССВИНЦОВЫМИ СПЛАВАМИ
К покрытиям предъявляются следующие основные требования: они должны обеспечивать хорошую паяемость с полупроводниковыми кристаллами и свариваемость с внутренними выводами; сохранять способность к пайке и сварке при заданном сроке хранения; обеспечивать антикоррозионную защиту; не подвергаться иглообразованию при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации.
Анализ покрытий паяемых поверхностей полупроводниковых кристаллов и оснований корпусов показал, что для пайки бессвинцовыми припоями в первую очередь целесообразно использовать следу-
ющие покрытия: никелевое, цинковое, сплавы никель - олово, цинк - олово и др.
ЦИНКОВОЕ ПОКРЫТИЕ
Цинк принадлежит к электроотрицательной группе металлов; его стандартный потенциал минус 0.763 В. Реагирует цинк с H2S и сернистыми соединениями, образуя сернистый цинк. В сухом воздухе Zn почти не изменяется. Во влажном воздухе и в воде, содержащей CO2 и O2, он покрывается пленкой, состоящей из ZnCOз, которая защищает металл от дальнейшего разрушения [18]. В условиях тропиков цинковое покрытие нестойко. Особо значительна скорость коррозии Zn в атмосфере промышленного города. Солевые пленки на цинке отличаются хорошей растворимостью, легко смываются влагой [19].
Защитные свойства Zn-покрытия определяются его толщиной и равномерностью осаждения.
Цинкование проводят в простых (кислых, сернокислых, хлористых, борфтористоводородных) и сложных комплексных (цианистых, цинкатных, пи-рофосфатных, аммиакатных, аминокомплексных с различными органическими аддендами и др.) электролитах. В простых электролитах на катодный процесс при осаждении Zn оказывает влияние кислотность электролита. Практически применяют электролиты цинкования с рН 4-5.
Органические вещества, вводимые в кислые электролиты цинкования в качестве добавок, улучшают структуру, внешний вид покрытий и равномерность распределения его на катодной поверхности.
Аноды для цинкования в кислых электролитах изготавливают, как правило, из чистого электролитического Zn (99.8-99.9% Zn), который может содержать менее 0.03 % Pb; 0.02% Cd; 0.002% 0.007% Fe и 0.001% Sn. Нанесение цинковых покрытий из сложных комплексных электролитов подробно рассмотрено в работе [18].
В качестве покрытий коллекторной поверхности кристаллов и оснований корпусов под пайку бессвинцовыми припоями заслуживает внимания осаждение сплава Zn-Sn. Данный сплав улучшает паяемость деталей в большей степени, чем Zn-покрытия и несколько повышает их коррозионную стойкость. Основной состав электролита следующий (г/л): ZnO (20-25), NaOH (100-120), станнат натрия (0.4-0.5).
Режимы осаждения: Т = 25-30°С; /к = 1-1.5 А/дм2; аноды из цинка с присадкой 0.2-0.3 Sn.
НИКЕЛЕВОЕ ПОКРЫТИЕ
Покрытия корпусов ППИ никелем и его сплавами широко используются в электронной промышленности [18-20]. Основным недостатком никелевых покрытий является низкая теплостойкость, поэтому они применимы только при низко-
температурном монтаже элементов или при пайке в защитной среде. Для повышения теплостойкости никелевые покрытия легируются тугоплавкими металлами Со, W, Mo, Re и Б. Практическое применение нашли никелевые покрытия, легированные до 1% Б. Легирование никеля бором существенно повышает температурную стабильность сплава даже при малой концентрации бора, а микротвердость и хрупкость покрытия уменьшаются путем отжига.
Основной целью никелирования является защита основного металла от коррозии и повышение поверхностной твердости. Для покрытия корпусов приборов (в случае пайки кристаллов в защитной среде) используется химическое никелирование. Химические никелевые покрытия намного тверже электрохимических. Повышенная твердость покрытий во многом зависит от содержания фосфора в осажденных никелевых сплавах и режимов осаждения.
Химическое никелирование осуществляется на медные корпуса из следующего раствора (г/л): никель двухлористый - 20; натрий фосфорноватисто-кислый - 25; кислота аминоуксусная - 15; натрий уксуснокислый - 10.
Время осаждения покрытия толщиной 4 мкм составляло 40-50 мин при температуре раствора 82-85°С.
Свойства покрытий существенным образом зависят от подготовки медных корпусов к операции никелирования. В работе [21] исследованы покрытия, которые наносились на медные основания корпусов без полирования и с предварительным электрохимическим полированием поверхности. Анализ микроструктуры никелевых покрытий медных корпусов показал, что на полированной медной основе структура покрытий более мелкозернистая, чем на неполированной.
Для повышения блеска, снижения внутренних напряж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.