Корпус полупроводникового прибора
Владельцы патента RU 2405229:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт электронной техники" (RU)
Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и предназначено для производства корпусов мощных биполярных и полевых ВЧ- и СВЧ-транзисторов. Изобретение направлено на снижение теплового сопротивления и повышение надежности транзисторов большой мощности, а также повышение процента выхода при их производстве. Сущность изобретения: корпус полупроводникового прибора содержит керамическое основание с последовательно нанесенными на него методом вакуумного напыления слоями из тугоплавких материалов, слоем никеля толщиной 1,5-2,0 мкм и слоем 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. 1 табл.
Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и предназначено для производства корпусов мощных биполярных и полевых ВЧ- и СВЧ-транзисторов.
Одним из основных требований, предъявляемых к корпусам мощных транзисторов, работающих в экстремальных режимах тепловыделения, является обеспечение минимального значения теплового сопротивления переход-корпус.
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].
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].
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.
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].
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Пример конкретной реализации изобретения
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).
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.
| № п/п | Значения теплового сопротивления, °С/ Вт | |
| Типовая конструкция, стандартная технология | Предлагаемые конструкция и технология | |
| 1 | 1,19 | 0,91 |
| 2 | 1,19 | 0,91 |
| 3 | 1,0 | 0,91 |
| 4 | 0,94 | 0,88 |
| 5 | 0,97 | 0,88 |
| 6 | 1,0 | 0,91 |
| 7 | 1,19 | 0,88 |
| 8 | 0,94 | 0,91 |
| 9 | 1,19 | 0,88 |
| 10 | 1,0 | 0,88 |
| Разброс значений по абсолютной величине | 26% | 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.
Литература
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.
2. Гладков А.С. и др. Пайка деталей электровакуумных приборов. М.: Энергия, 1967, с.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.
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.
