Введение к работе
Актуальность темы, В последние годы пайке бессвинцовыми припоями в производстве изделий микроэлектроники уделяют пристальное внимание специалисты, работающие в этой области. Это связано с призывом экологов к запрету использования свинца. По их мнению, размещение на полигонах (свалках) отслуживших свой срок изделий радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), содержащих свинец в припое, ухудшает экологическую ситуацию.
Проблема пайки бессвинцовыми припоями в мировой электронике уже запущена, её невозможно остановить в отдельно взятой стране. Это связано с различными известными причинами, зачастую не имеющими принципиального отношения к улучшению экологической ситуации. Как заметил профессор A.M. Медведев: «Нам придется волей-неволей перейти на бессвинцовую технологию, несмотря на большие для нас издержки и капиталовложения».
Директива Европейского Союза по экологической безопасности RoHS (Restriction of use of Certain Hazardous Substances) ограничивает использование шести экологически опасных материалов: РЬ (свинца), Hg (ртути), Сг VI (шестивалентного хрома), РВВ (полибромин бифеыила) и PBDE (полибромин дифенил этера) с максимальной допустимой концентрацией в размере не более 0,1 % и Cd (кадмия) — не более 0,01 %, в новом электрическом и электронном оборудовании после 1 июля 2006 года.
Применение бессвинцовых припоев и покрытий естественно приведет к изменению технологии пайки и в целом сборочных процессов. Потребуется корректировка режимов пайки и, как следствие, доработка технологического оборудования. Необходимо проведение комплексных испытаний бессвинцовых паяных соединений на прочность, тепловое сопротивление, коррозионную стойкость, совместимость с материалами и покрытиями паяемой стороны кристаллов и оснований корпусов полупроводниковых изделий (ПГШ).
Работа выполнялась на кафедре «Полупроводниковая электроника» ВГТУ в соответствии с планом Госбюджетных работ 2004.34 «Исследование полупроводниковых материалов Si, A1I1BV, AIIBVI, приборов на их основе и технологии изготовления», государственный регистрационный №0120.0412882.
Цель работы. Решение научно-технической задачи по разработке способов бессвинцовой пайки кристаллов к основаниям корпусов силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе анализа конструктивно-технологических факторов, влияющих на формирование паяных швов.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
проведение токсикологической оценки металлов, входящих в состав припоев и покрытий для бессвинцовой пайки;
проведение сравнительной экологической оценки припоев на основе свинца и бессвинцового;
анализ капиллярной пайки кристаллов к основаниям корпусов СПП припоями на основе свинца;.
разработка способа пайки кристаллов площадью свыше 9 мм2 с образование эвтектики Si-Au;
разработка способов бессвинцовой пайки кристаллов к основаниям корпусов СПП с образованием эвтектик Zn-Sn и Al-Zn-Sn;
разработка способа пайки кристалла к корпусу через бессвинцовую прокладку припоя;
разработка системы монтажа полупроводникового кристалла к корпусу;
разработка методики автоматического подсчета площади непропаев по рентгенограммам паяных соединений кристалла с корпусом;
* проведение расчетов и замеров теплового сопротивления СПП.
^Іетодьі исследований. Исследования качества бессвинцовой пайки
кристаллов к основаниям корпусов СПП осуществлялись методами рентгеновской дефектоскопии на установке типа РУП-150/300 с использованием пленки Р5 и металлографии. Тепловое сопротивление измерялось на стенде модели ОМ.ЗОб.307. Для подсчета площади непропаев по рентгенограммам паяных соединений разработана специальная методика.
Научная новизна работы. Получены следующие новые научные и технические результаты:
-
Разработан новый способ пайки кристаллов площадью свыше 9 мм2 с образованием эвтектики Si-Au.
-
Разработаны новые способы бессвинцовой пайки кристаллов к основаниям корпусов СПП с образованием эвтектик Zn-Sn и Al-Zn-Sn.
-
Предложена новая система монтажа полупроводникового кристалла к корпусу с целью снижения термических напряжений, возникающих в кристалле и корпусе из-за различия термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) соединяемых материалов.
-
Разработана методика автоматического подсчета площади непропаев по рентгенограммам паяных соединений кристалла с корпусом.
Основные результаты и положения, выносимые на зашиту. 1. Способ лайки кристаллов площадью свыше 9 мм2 с образованием эвтектики Si-Au.
2. Способы бессвинцовой пайки кристаллов к основаниям корпусов
СПП с образованием эвтектик Zn-Sn и Al-Zn-Sn.
-
Система монтажа полупроводникового кристалла к корпусу.
-
Методика автоматического подсчета площади непропаев по рентгенограммам паяных соединений кристалла с корпусом.
Реализация результатов работы, практическая значимость.
1. Разработан способ пайки кристаллов к основаниям корпусов через
золотую прокладку с образованием эвтектики Si-Au, позволяющий повысить
качество соединения кристалла с корпусом.
На способ получено решение на выдачу патента РФ на изобретение по заявке № 2005119238 от 21.06.2005.
2. Разработан способ пайки кристаллов к основаниям корпусов с обра
зованием эвтектики Sn-Zn, позволяющий повысить смачиваемость цинкового
покрытия оловом и увеличить время хранения кристаллов перед пайкой.
На способ получен патент РФ на изобретение № 2278444 от 20.06.2006. Бюл.№17.
-
Предложен новый способ бессвинцовой контактно-реактивной пайки кристаллов к основаниям корпусов с образованием эвтектики Al-Zn-Sn.
-
Разработана система монтажа полупроводникового кристалла к корпусу, позволяющая повысить качество паяных соединений.
На систему монтажа получено решение на выдачу патента РФ на изобретение по заявке N 2005112328 от 25.04.2005.
5. Разработан способ сварки давлением, способствующий повышению
качества соединений внутренних выводов на контактных площадках кристал
лов.
На способ получен патент РФ на изобретение J& 2271909 от 20.03.2006. Бюл. № 8.
6. Разработана методика автоматического подсчета площади непропаев
по рентгенограммам паяных швов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и научно-технических семинарах: Международном научно-методическом семинаре «Шумовые и деградацион-кые процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2003-2005); Всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению ФЦНТП «Индустрия наносистем и материалы» (МИЭТ, Зеленоград, 2005); XIII Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика» (МИЭТ, Зеленоград, 2006); научно-технической конференции «Системы и источники вторичного электропитания и элементная база для них» (Москва, 2006); конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов ВГГУ (Воронеж, 2004-2006).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 17 публикациях, в том числе 1 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 патентах РФ на изобретения. В совместных работах автору принадлежат проведение экспериментов, разработка методики автоматического подсчета площади непропа-ев, анализ и обобщение полученных результатов, подготовка материалов к печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 152 наименований и приложения. Работа изложена на 146 страницах, содержит 40 рисунков и 11 таблиц.
