CC BY
314Анатолий КЕРЕНЦЕВ
[email protected] Владимир ЛАНИН
Конструктивно-технологические особенности
MOSFET-транзисторов
Рассмотрены различные структуры и конструктивно-технологические особенности металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (МОБРЕТ). Определены оптимальные варианты конструктивно-технологического исполнения МОБРЕТ и способы монтажа кристаллов в корпус, обеспечивающие стабильность и воспроизводимость параметров изделий. Представленная информация будет полезна специалистам, работающим в области сборки изделий силовой электроники.
Мощные металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET) отличаются от биполярных транзисторов наносекундной скоростью переключения, высокими рабочими напряжениями, большими токами и мощностью, линейными характеристиками и высокими рабочими температурами. Обычный MOSFET представляет планарную структуру с длинным каналом, которую получают фотолитографическими методами, ограничивающими минимальную длину канала по крайней мере до 5 мкм. Вследствие увеличивающейся степени интеграции и обусловленного этим роста плотности элементов на кристалле освоен выпуск MOSFET с меньшими шириной линий и глубиной диффузии. Создание MOSFET с коротким каналом стало возможным благодаря, в том числе, и внедрению этой прогрессивной технологии [1].
Планарная конструкция, изготовленная методами фотолитографии, обусловила большие размеры приборов для обеспечения тока, необходимого в силовых устройствах. Одновременно это вызывало непропорциональное увеличение паразитных емкостей, что уменьшало произведение коэффициента усиления на ширину полосы MOSFET-транзистора и, следовательно, его быстродействие. Несмотря на большие размеры, эти приборы имели значительное сопротивление канала и чрезмерные потери, которые еще усугублялись плохим отводом тепла. Высокое сопротивление канала приводило к снижению как крутизны, так и коэффициента усиления. Недостатком этих приборов была высокая стоимость, обусловленная незначительным выходом годных кристаллов и очень большими трудностями, связанными с монтажом кристаллов, которые к тому же осложнялись их низкой надежностью.
Рассматривая этот перечень проблем, нетрудно понять, что при всех возможных усовершенствованиях и модификациях планарный MOSFET-транзистор, изготавливаемый методами фотолитографии, никогда не мог стать жизнеспособным мощным транзистором. Именно поэтому ему на смену пришел вертикальный MOSFET-транзистор с коротким каналом. Технологиями, не требующими применения масок с жесткими допусками, являются двойная диффузия (планарный ДМОП-транзистор), а также технология V-образных МОП-структур (вертикальный VМОП-транзистор) [2].
Так как крутизна МОП-транзистора обратно пропорциональна, а сопротивление открытого прибора прямо пропорционально длине канала, значение короткого канала очевидно. Более того, короткий канал позволяет сократить размеры транзистора, а значит, и паразитные емкости. Метод двойной диффузии сейчас является одним из основных в производстве мощных МОП-транзисторов с коротким каналом. В ДМОП-транзисторах осуществляется следующая последовательность диффузионных операций: сначала диффузией акцепторной примеси формируют подложку прибора, а затем диффузией до-норной примеси с высокой концентрацией (п+) создают исток. Короткий канал получается при хорошей контролируемости операции второй диффузии (п+) (рис. 1а).
Там, где высоковольтная горизонтальная ДМОП-структура становится слишком громоздкой, вертикальная структура сохраняет размеры кристалла такими, что затраты на ее изготовление равноценны созданию биполярного транзистора с аналогичными номинальными параметрами. В настоящее время все высоковольтные ДМОП-транзи-сторы имеют вертикальную структуру, в которой исток и затвор расположены на верх-
Исток Затвор Сток
Рис. 1. Структуры а) MOSFET с коротким каналом, полученным двойной диффузией; б) вертикального ДМОП-транзистора
ней стороне кристалла, а сток — на нижней (рис. 1б).
При использовании вертикальной структуры, ограничивающей тем или иным способом поле, ДМОП-транзистор способен выдерживать чрезвычайно высокие напряжения.
Рис. 2. Структура вертикального VМОП-транзистора с металлическим затвором
С точки зрения механизма работы вертикальная и планарная структуры мало отличаются друг от друга. Однако кроме высокого пробивного напряжения вертикальная структура имеет большую экономическую эффективность вследствие небольших размеров кристалла.
Другой разновидностью мощного МО8БЕТ с коротким каналом является У-образный МОП-транзистор в виде вертикальной структуры (рис. 2).
При его внимательном изучении можно обнаружить много общего с эпитаксиальным биполярным транзистором, изготовленным двойной диффузией. Так, п-канальный МОП-транзистор, как и биполярный, имеет п+-под-ложку и п-эпитаксиальный слой, в котором формируют диффузией сначала область р~, а затем р+. Технологическое сходство заканчивается на формировании этой п+ области. У-образная канавка проходит через эти две области, делит их пополам и оканчивается в эпитаксиальном п-слое. После создания слоев окисла и металла получается мощный МОП-транзистор, который очень напоминает рассмотренный выше ДМОП-транзистор. Принцип работы этого прибора совершенно аналогичен ДМОП-транзистору, причем положительное напряжение на затворе вызывает инверсию, в результате чего между истоком и стоком образуется непрерывный низкоомный п-канал. У каждой У-образной канавки создается два канала, и такое удвоение числа каналов делает УМОП-транзистор одним из наиболее экономически выгодных мощных МОЗБЕТ.
В варианте с поликремниевым затвором (рис. 3а) рабочий ток протекает практически вертикально, а плотность компоновки конструктивных элементов в структуре прибора — наивысшая. В конструкции п-каналь-
Затвор Исток
Рис. 3. Конструкции мощных MOSFET с вертикальным л-каналом: а) транзистор с поликремниевым затвором; б) л-канальный транзистор с двойной диффузией
ного прибора (рис. 3б) поликремниевый затвор вставлен в слой SiO2. Такая структура положена в основу большинства ВЧ и СВЧ генераторных приборов, ряда мощных переключающих транзисторов с исп max < 400 B, производимых фирмами Siliconix и Intersil (США).
В конструкциях мощных MOSFET — ДМОП, УДМОП, SIPMOS, HEXFET — рабочий ток на отрезке пути от истока до высокоомной области дрейфа протекает горизонтально, а через область дрейфа к стоку — вначале горизонтально, а затем вертикально. Такие конструкции повсеместно используются в мощных MOSFET-транзисторах с исп max > 400 B и являются базовыми для всех приборов, разработанных фирмами International Rectifier, Motorola, Siemens, Hewlett-Packard.
В приборах SIPMOS элементарные ячейки выполнены в форме квадрата, а в транзисторах HEXFET — в форме шестиугольника. Количество элементарных ячеек в структуре транзистора в зависимости от его рабочего тока колеблется от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч [2].
Недостатком конструкции, приведенной на рис. 3, являются сопутствующие паразитные элементы. Высоколегированная п+-об-ласть истока, р-канальная область и п+ п-стоковая область полезной MOSFET-структуры выполняют одновременно функции эмиттера, базы и коллектора сопутствующей паразитной биполярной структуры. Чем меньше толщина и уровень легирования р-канальной области и больше ее протяженность, тем сильнее будет проявляться паразитное действие биполярной структуры. И, наоборот, при меньшей протяженности и больших толщинах и уровнях легирования р-канальной области вредное влияние биполярной структуры будет более слабым. Отсюда следует, что в более высококачественных MOSFET-структурах (то есть более высокочастотных, быстродействующих, сильноточных и с большей крутизной) потенциальное влияние сопутствующей биполярной структуры выше, чем в менее качественных. И поэтому при конструировании изыскивают эффективные меры для нейтрализации паразитного действия биполярной структуры.
Под отрицательными эффектами, связанными с наличием сопутствующей биполярной структуры, подразумевают, прежде всего, возможность вторичного пробоя биполярной структуры и последующего катастрофического выхода из строя самого MOSFET-транзистора. Основным приемом для подавления этого эффекта является соединение эмиттера и базы паразитного транзистора металлическим электродом истока на планарной поверхности MOSFET-транзистора.
Данное конструктивное решение будет давать 100%-ный эффект в том случае, когда
омическое сопротивление р-канальной области (области базы биполярной структуры rj) близко к нулю. Однако при конечном сопротивлении гб паразитный биполярный эффект может все же проявиться и, в первую очередь, в наиболее удаленных от истоковой перемычки участках р-канальной области. При больших гб для подавления нежелательных эффектов, обусловленных присутствием биполярной структуры, целесообразно предусмотреть другие меры [3].
Технологические особенности мощных MOSFET характеризуются схемой изготовления n-канальных транзисторов HEXFET, разработанной фирмой International Rectifier (США). На рис. 4 показана часть центральной зоны кристалла и его периферия, на которой изображены варианты краевой защиты.
Схема технологического процесса включает следующую последовательность операций:
• Выращивание толстого защитного слоя
изолятора (SiO2 или SiO2 + Si3N4) на пла-
Диэлектрик
Изолятор Поликремний затвора
и
23—и
и
ггтг*
н
Межслойный изолятор
1 1 IS=
rv rv rv rv
и
Металлическое покрытие
Рис. 4. Последовательность технологического процесса изготовления мощного ДМОП-транзистора
нарной поверхности п п+-подложки; формирование окон в слое изолятора; создание в обнаженных участках п-слоя подложки высоколегированных р+-областей диффузией или ионной имплантацией; окисление и последующее формирование фотолитографией островков изолятора над р+-областями; подлегирование высокоомного п-слоя подложки донорной примесью в промежутках между высоколегированными р+-областями (рис. 4а).
• Выращивание изолятора затвора на планарной поверхности подложки в центральной зоне кристалла и нанесение поверх изолятора слоя поликремния толщиной ~0,5 мкм; легирование поликремния донорной примесью высокой концентрации; формирование затвора в центральной зоне кристалла и полевых электродов на его периферии; удаление из прилегающих к высоколегированным р+-областям участков изолятора затвора в центральной зоне структуры (рис. 4б).
• Создание вокруг областей р+ в центральной зоне кристалла р-канальных областей и высоколегированных п+-областей истока ионной имплантации сначала акцепторной, а затем донорной примеси в открытые участки подложки (рис. 4в).
• Нанесение на всю планарную поверхность подложки слоя 8Ю2, легированного фосфором; вытравливание в межслойном изоляторе методом фотолитографии контактных окон над р+ и п-истоковыми областями отдельных транзисторных ячеек и одновременное формирование зазоров в межслой-ном изоляторе на периферии кристалла (рис. 4г).
• Напыление алюминия и формирование из него фотолитографией электрода истока и периферийного противоканального металлического электрода на планарной поверхности структуры; формирование многослойного (хром, никель, золото или титан, никель серебро) омического контакта стока на непланарной стороне подгонке (рис. 4д).
Для снижения Кси отк используются подле-гирование приповерхностной зоны высокоомного п-эпитаксиального слоя подложки имплантацией ионов фосфора с энергией 120 кэВ и дозой 10ПЦ014 см-2 [4]. Краевая защита приборов ИЕХРЕТ включает в себя периферийную р+-область центральной зоны структуры, одно и более делительных колец над толстым защитным слоем изолятора на периферии кристалла, толстый слой ФСС (фосфорно-силикатное стекло) поверх защитного слоя изолятора, два металлических и два поликремниевых электрода. Металлические электроды непосредственно соединены с лежащим под ними поликремниевыми электродами и, кроме того, внутренний металлический электрод, выполненный как продолжение электрода истока, соединен с р+-и п+-областями истока периферийных тран-
зисторных ячеек, а внешний — с высокоомным эпитаксиальным п-слоем подложки.
Все элементы конструкции MOSFET в совокупности обеспечивают высокие пробивные напряжения стока и малые утечки прибора в закрытом состоянии. Зазоры в верхнем слое ФСС предотвращают его поляризацию, а внешний металлический и поликремниевый электроды исключают возможность образования инверсионного канала на периферии кристалла. Внутренний поликремниевый электрод по своим функциям аналогичен расширенному базовому электроду в биполярных транзисторах.
Особенности конструкции корпусов
Для MOSFET применяют, как правило, миникорпуса для поверхностного монтажа: SOT-23, SOT-89 и SOT-143, а также SMD-0,5, SMD-1, SMD-2 и др. Выбор типа корпуса зависит от мощности, рассеиваемой прибором, и реального размера полупроводникового кристалла. SOT-23 применяют для корпуси-рования кристаллов площадью до 1,0 мм2 и рассеиваемой мощностью до 500 мВт, SOT-89 рассчитан на кристаллы площадью 3,0 мм2 и мощность до 1 Вт, а корпуса типа SMD — на мощность до 150 Вт. Транзисторные корпуса имеют очень простую конструкцию с тремя выводами: у SOT-23 выводы поочередно отходят от каждой из сторон корпуса, в то время как у SOT-89 они расположены по одну сторону корпуса, а центральный вывод имеет увеличенный размер для лучшего отвода тепла (рис. 5). Корпусa типа SOT герметизируются методом литьевого прессования с применением прессовочного материала Dexter (Германия), а SMD — шовной роликовой сваркой.
Корпуса SOT-23 и SOT-89 относятся к XIV группе, к которым согласно ГОСТ 20.39.405-84 предъявляются жесткие требования по паяе-мости:
1. Конструкция изделий должна обеспечивать трехкратное воздействие групповой пайки и лужение выводов горячим способом без применения теплоотвода и соединение при температуре групповой пайки не выше 265 °С не более 4 с.
2. Выводы и контактные площадки изделий должны иметь гарантированную паяемость с использованием спирто-канифольных неактивированных и слабоактивированных флюсов (не более 25% канифоли) без дополнительной подготовки в течение 12 месяцев с момента изготовления.
3. Изделия должны выдерживать трехкратный нагрев по режиму: температура не выше 150 °С, длительность однократного воздействия не более 10 мин.
4. Конструкция изделий должна обеспечивать применение групповых методов пайки: оплавление припойной пасты в режиме: нагрев до температуры 190 °С не более 30 с; последующий нагрев до температуры не выше 230 °С не более 15 с; нагрев групповым паяльником при температуре пайки не выше 265 °С не более 4 с.
Для обеспечения максимальной мощности в качестве материала выводной рамки используют железо-никелевый сплав 42Н и медный сплав БрХСр толщиной кристал-лодержателя 0,1 мм. На поверхности этой рамки наносят полосу серебра шириной 9 мм и толщиной 5 мкм. Так как сплав БрХСр обладает высоким уровнем ТКЛР (18-10-6 °С-1, что в 6 раз выше, чем у кремния), то в процессе выполнения напайки в кремниевом кристалле возникают механические напряжения и деформации. Для снижения внутренних напряжений необходимо правильно выбрать припой, оптимизировать технологические режимы монтажа, позволяющие уменьшить градиент температур, действующих на кристалл. На непланарную поверхность кристаллов наносят систему металлизации: Ті-Аи, У-Аи толщиной 1,0-1,75 мкм — для монтажа на эвтектику; Ti-NiV-Ag-Sn-Pb-Sn толщиной 5,0-12,0 мкм — для монтажа кристаллов на припой.
Способы монтажа кристаллов в корпус
Выбор способа монтажа кристалла в корпус прибора зависит от конструктивных особенностей кристалла, электрических и тепловых характеристик его и корпуса. Он должен обеспечивать высокую прочность соединения при термоциклировании и механических
нагрузках, низкое электрическое и тепловое сопротивление, минимальные механические воздействия на кристалл и отсутствие загрязнений.
Монтаж кристаллов мощных МОЗБЕТ выполняют методами пайки: контактно-реактивной, эвтектическими сплавами, легкоплавкими припоями [5]. Эвтектические припои АиЗі и AuGe, имеющие температуру плавления соответственно 370 и 356 °С, получили наибольшее распространение при монтаже кристаллов в корпуса или на держатели. Пайка этими припоями подразделяется на контактно-реактивную и эвтектическими сплавами. При контактно-реактивной пайке между соединяемыми металлами в результате контактного плавления образуется эвтектический сплав, заполняющий зазор и кристаллизующийся с образованием паяного соединения. Скорость контактного плавления полупроводника и золота зависит от температуры и прикладываемого усилия. Изменяя температуру, управляют контактным плавлением: останавливают процесс пайки в нужный момент или возобновляют его.
Образующийся эвтектический сплав Аи-Зі имеет высокую активность, хорошо смачивает поверхности и при кристаллизации дает прочное и сплошное соединение. Малое содержание кремния (до 6%) в этом сплаве исключает опасность проплавления кристалла, так как плавится в основном золото. После перехода всего золотого покрытия в зоне контакта в жидкую фазу процесс плавления прекращается. В установках контактно-реактивной пайки столик, на котором подогреваются корпуса, обычно нагревают до температуры 410±10 °С. Оптимальное усилие, прикладываемое к инструменту, составляет 0,5-0,7 Н. Увеличение усилия приводит к образованию сколов и трещин в кристаллах. При контактно-реактивной пайке (рис. 6) вакуумным пинцетом 1 полупроводниковый кристалл 2 подается на золоченую контактную площадку корпуса 3 и удерживается в течение времени пайки на нагревателе 4. Для создания физического контакта соединяемых поверхностей через вакуумный пинцет кристаллу передают ультразвуковые колебания, и он начинает колебаться в горизонтальной плоскости, притираясь к золотому покрытию контактной площадки корпуса. Пайку выполняют в среде инертного газа, подогревая корпус нагревателем.
Контактно-реактивная пайка существенно изменяет структуру и свойства материалов в месте их соединения. Так, в эвтектическом сплаве АиЗі под действием нагрева может произойти его ликвация, что снижает прочность, теплопередачу и электропроводность паяного соединения. Для устранения этого явления и активации соединяемых поверхностей, заключающейся в разрушении оксидных пленок, контактно-реактивную пайку выполняют с вибрационным воздействием (амплитудой 0,5-0,8 мм) на кристалл.
В результате кристалл получает возвратнопоступательное движение в горизонтальной плоскости и притирается к контактной площадке корпуса, происходит контактное плавление кремния и золота, жидкий сплав перемешивается, и процесс соединения ускоряется. Жидкая фаза способствует диспергированию оксидных пленок и их удалению из зоны контакта. Контактно-реактивной пайкой получают надежные соединения кристаллов с золочеными контактными площадками при толщине покрытия не менее 6 мкм. При нарушениях режима пайки в кристаллах появляются трещины и сколы.
Эвтектический сплав, в отличие от контактно-реактивной пайки, образуется не в результате контактного плавления соединяемых материалов, а вводится в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и корпуса. Золочение контактирующих поверхностей каких-либо ощутимых результатов не дает. Подготовленные к пайке детали нагревают в нейтральной атмосфере (осушенном и очищенном азоте) до температуры, несколько превышающей температуру плавления эвтектического сплава. В качестве эвтектических сплавов используют А^е или Аи81, которые содержат (по массе): 12% Ge и 6% 81 с температурами плавления эвтектик соответственно 356 и 370 °С. Использование для пайки сплава Аи81 дает хорошие результаты, но сложность приготовления и возможность расслоения ограничивает его применение. Поэтому чаще применяют сплав AuGe типа ЗлГр12 при режимах пайки: температура столика 410±10 °С; усилие на инструменте определяется площадью кристалла и составляет 0,5-1,5 Н; амплитуда колебаний инструмента 0,8 мм; время пайки 1-2 с.
По сравнению с контактно-реактивной пайка эвтектическими сплавами обладает рядом достоинств. Так как эвтектические сплавы имеют невысокую температуру плавления, хорошие жидкотекучесть и способ-
ность смачивания, а также незначительное время нагрева до температуры пайки, в паяном соединении не создаются большие остаточные напряжения, образующиеся вследствие разницы ТКЛР соединяемых материалов. Введение эвтектического сплава между соединяемыми поверхностями способствует сглаживанию на них шероховатостей и неровностей.
Возможными дефектами являются плохая смачиваемость припоем поверхности корпуса и кристалла при недостаточно высокой температуре пайки. Это является одной из причин низкой прочности паяного соединения. Появление трещин и сколов на кристаллах связано с большим усилием, прикладываемым к рабочему инструменту, или слишком резким подъемом температуры пайки.
Монтаж кристаллов низкотемпературной пайкой имеет ограниченное применение вследствие сравнительно невысокой температуры плавления мягких припоев. Так как эвтектический припой 80Аи208п плавится при 280 °С, а эвтектический припой 638пРЬ — при 183 °С, с их использованием монтаж кристаллов может выполняться только при изготовлении полупроводниковых приборов, работающих при максимальной температуре до 80 °С. Достоинством этого метода является легкость демонтажа кристаллов при необходимости, для чего нагревают корпус до температуры плавления припоя и снимают кристалл с контактной площадки.
Низкотемпературный припой обычно используют в виде таблеток или дисков, а также наносят трафаретной печатью. Кремниевые полупроводниковые приборы должны работать при максимальной температуре окружающей среды 125 °С. При сборке их последовательно трижды нагревают: при монтаже кристаллов, присоединении электродных выводов и герметизации. Температура плавления припоя, используемого на предыдущей операции, должна быть минимум
на 50 °С выше температуры плавления припоя, используемого на последующей операции. Поэтому минимальная температура нагрева при первой термической операции должна быть несколько больше 300 °С.
Из припоев на основе олова широко используются припои на основе эвтектической системы олово-свинец, которые представляют собой механическую смесь кристаллов а-твердого раствора олова в свинце и р-твердого раствора свинца в олове. С повышением доли олова в свинце до 60-70% прочность, твердость, модуль упругости припоев существенно возрастают. Припои с повышенным содержанием олова имеют также более высокие значения теплопроводности и электропроводности [5], составляющие примерно 10% от соответствующих параметров для меди.
Пластичность припоев с массовой долей олова 60% и более существенно уменьшается при низких температурах. Поэтому такие припои обычно не применяют для пайки изделий, работающих при температурах ниже -60 °С. Особенно сильно могут снижаться механические свойства припоя 608п40РЬ при пайке деталей с золотыми покрытиями. Это происходит, если массовая доля золота в припое превышает 4,0-5,0% .
Введение 6% золота в припой 608п40РЬ снижает пластичность припоя на 70-80%. Таким образом, массовая доля золота в эвтектическом оловянно-свинцовом припое около 4-6% является критической. Если доля золота в паяном шве после пайки меньше 4,0%, то опасность разупрочнения соединений сохраняется при наличии нерастворен-ного золотого покрытия [6]. Разупрочнение в этом случае происходит из-за взаимной твердофазной диффузии компонентов паяного шва при эксплуатации [5]. Кроме того, следует учитывать, что коэффициент теплопроводности интерметаллида составляет
11,5 Вт/(м-К) при коэффициенте теплопроводности золота 314 Вт/(м-К). Это может вести к росту теплового сопротивления соединения. Для получения надежных паяных соединений деталей с золотыми покрытиями оловянно-свинцовым припоем необходимо соблюдать следующие условия. Если толщина золотого покрытия не превышает 1,0—1,5 мкм, то в процессе пайки такое покрытие практически полностью растворяется. Толщина паяного шва должна быть такой, чтобы массовая доля золота в нем не превышала 2,5-4,0%.
При температурах эксплуатации приборов до 70 °С медные и никелевые покрытия обладают достаточно хорошей совместимостью с эвтектическим оловянно-свинцовым припоем, то есть растущие при таких относительно невысоких температурах интерметаллид-ные прослойки (№38п4' Си68п5, Си38п) на границе между припоем и никелевым (или медным) покрытием не создают условий для разупрочнения паяных согласованных соеди-
нений при эксплуатации. Однако для таких сочетаний припой-покрытие в несогласованных по температурному коэффициенту линейного расширения соединениях, которые длительное время работают при повышенных температурах (Т>125 °С), необходимо принимать во внимание достаточно активное твердофазное взаимодействие между медью (или никелем) и оловом, ведущее к снижению качества и надежности несогласованных соединений. Одной из причин снижения качества и надежности соединения является рост электрического и теплового сопротивления последнего из-за того, что фазы Си68п5 и Си38п имеют коэффициенты электропроводности и теплопроводности в 6-7 раз меньше, чем у меди.
При пайке изделий электронной техники находят также применение припои олово-серебро, олово-сурьма. Добавка в оловянный припой серебра улучшает его механические свойства. Прочность оловянно-свинцовых припоев, содержащих сурьму, определяется ее концентрацией. С увеличением доли сурьмы прочность припоев растет, а пластичность несколько снижается. После хранения в течение 20-30 суток и более при комнатной температуре прочность припоев систем олово-свинец, олово-свинец-сурьма снижается на 12-15% и более. Так, прочность соединений, паянных оловянно-свинцовыми припоями с массовой долей олова 60% и сурьмы 0,2-0,8%, снижается на 30% после хранения в течение 120-150 суток.
Находят применение и припои системы олово-висмут. С увеличением доли висмута в олове прочность припоя возрастает, а пластичность снижается при прочих равных условиях. Представляет интерес применение в качестве припоев сплавов тройных систем: 18%8п, 52%В1, 30%РЬ; 34%8п, 46%В1, 20%РЬ; 41,58%8п, 57,4%В1, 1%РЬ, имеющих температуру плавления соответственно 96, 100, 135 °С.
Монтаж кристалла выполняют методом пайки на припой и на эвтектику на автомате вибрационной пайки ЭМ 4085-14М и оптимальных режимах вибраций: амплитуда колебаний инструмента; количество периодов колебаний; форма траектории движения кристалла в процессе монтажа. В автоматическом режиме работы загрузочно-разгрузочное устройство подает рамку на монтажный столик, где осуществляется подогрев до заданной температуры 460-480 °С. Одновременно происходит поиск годного кристалла на растяжке системой технического зрения с помощью координатного привода. Годный кристалл, поданный на позицию подкола, снимается с липкого носителя и помещается на позицию присоединения. Рекомендуемые режимы: давление на инструмент 0,6-0,8 Н, количество периодов колебаний по Х — 1-40, по Y — 1-40; амплитуда колебаний 1-30 в относительных единицах. Количество периодов колебаний инструмента и амплитуда ко-
лебаний определяют время присоединения кристалла [7].
Разварку выводов выполняют методом термокомпрессии золотой проволокой диаметром 30 мкм на автомате ЭМ-4060Т. Первая сварка — шариком на контурную площадку кристалла, а вторая сварка — внахлестку на траверсе. Образование шарика производится электроискровым разрядом. Визирная система позволяет оператору вводить поправки в систему управления на положение кристалла и траверс. Автомат сварки в своем составе содержит систему технического зрения для автоматического определения координат присоединения выводов. Видеоконтрольное устройство позволяет оператору визуально контролировать процесс разварки выводов. Основные технологические режимы: температура стола 330-380 °С; давление на инструмент по кристаллу 0,2-0,5 Н, на траверсе
0.6.0,12 Н; время сварки 10-50 мс; прочность проволоки 0,12-0,14 Н. Качество соединений контролируют визуально, а также путем проверки прочности проволочных перемычек на разрыв. Минимально допустимое значение механической прочности проволочной перемычки составляет 0,06 Н. Для корпусов типа SMD разварку выводов выполняют проволокой АОЦПоМ диаметром 150-500 мкм на автомате УЗ микросварки ЭМ-4340. При этом механическая прочность проволочных соединений составляет 1-3 Н.
Таким образом, для обеспечения заданных параметров MOSFET необходимо провести правильный выбор:
• типа корпуса в зависимости от рассеиваемой мощности и назначения прибора;
• способа монтажа кристалла для достижения эффективного отвода тепла и минимальных внутренних напряжений в активной структуре;
• материала проволочных выводов и спосо-
ба их присоединения для получения высокой надежности межсоединений. ■
Литература
1. Taraseiskey H. Power Hybrid Circuit Design and Manufacture. N.Y.: Marcel Dekker Inc. 1996.
2. Baliga B. J. Silicon RF Power MOSFETS. N. J.: World Scientific. 2005.
3. Semiconductor Packaging. A Multidisciplinary Approach / Ed. by R. J. Hannemann, A. D. Kraus, M. Pecht. N.Y.: John Willey Inc. 1994.
4. Rose D. I. Packaging Assembly Technology Forecast // Semiconductor International. 1981. N 1.
5. Manko H. H. Solders and Soldering. Materials, Design, Production, and Analysis for Reliable Bonding. N.Y.: McGraw-Hill Comp. 2001.
6. Olsen D. R., Berg H. M. Properties of die Bond Alloys Relating to Thermal Fatigue // Proc. 27th Electronic Components Conf. 1977.
7. Ануфриев Л. П., Керенцев А. Ф., Ланин В. Л. Автоматизированный монтаж кристаллов транзисторов вибрационной пайкой // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 3.
