Материал: Методические указания к практическим занятиям по дисциплине Перспективные технологические процессы и оборудование для производства ИС и 3D изделий микроэлектроники. Зенин В.В., Землянский А.И

Рис. 3. Среднее значение прочности Р_ср (а) и воспроизводимость K_ν (б) качества микросоединений алюминиевой проволоки с никель-бор покрытием корпусов в зависимости от времени отжига покрытий перед сваркой при различных температурах, °С: 1 – 300; 2 – 400; 3 – 450; 4 – 500

Исследование покрытия из сплава никель-олово

Припои на основе олова хорошо смачивают медь и никель при температуре пайки 220-300 ⁰С. Однако перегрев оловянно-свинцовых припоев, например ПОС61, в процессе пайки при температуре 400 ⁰С существенно увеличивает пористость паяных швов. Кроме того, данный припой ухудшает смачивание никеля. Из этих соображений осуществлять пайку припоями типа ПОС61 при температуре 400 ⁰С не рекомендуется. Корпуса ИЭТ, покрытые никелем, паяют в водороде припоями ПОС2, ПСр2,5, ПОС10, ПСр 1,5 и ПСр2 соответственно при температуре 400-420, 360-390, 330-360, 280-310 ⁰С. Гальванические покрытия контактных поверхностей кристалла и основания корпуса при сборке должны обладать не только хорошей смачиваемостью, но и высокой коррозионной стойкостью. Этим требованиям в полной мере отвечают сплавы никеля с оловом (Ni-Sn).

Для осаждения сплава Ni-Sn существует несколько типов электролитов. Наиболее широкое применение в промышленности получили фторидхлоридные электролиты как наиболее стабильные в работе и позволяющие получать покрытия с относительно высокими защитно-декоративными свойствами.

Для исследований покрытий из сплава Ni-Sn электроосаждение сплава проводили из электролита состава (г/л): NiCl₂-200; SnCl₂-40; NH₄F-60; OC-20-5. Температура электролита составляет 50 ⁰С. В качестве анода используется сплав никель-олово (30-50 % Ni).

При осаждении сплава Ni-Sn необходимо строго соблюдать условия электроосаждения: температуру электролиза, соотношение концентраций компонентов электролита, плотность тока.

Исследования микроструктуры и химического состава поверхности покрытий из сплава 35 % Ni +65 % Sn, полученных из электролитов с добавкой ОС-20, показали следующие результаты: при температуре 50 ⁰С получаются крупнокристаллические покрытия, в которых массовая доля олова составляет 99,8 %. Отжиг покрытий в вакууме, соответствующий режимам пайки кристаллов к основаниям корпусов, приводит к увеличению массовой доли никеля в поверхностном слое до 8 %. Покрытия после отжига получаются более плотными с включениями неправильной формы (рис. 4 и 5).

Объясняется это тем, что при температуре 390±20 ⁰С электролитический сплав NiSn переходит в интерметаллические соединения Ni₃Sn₂ и Ni₃Sn₄, что способствует обогащению поверхностного слоя никелем. Кроме того, повышенное содержание никеля в поверхностном слое данного покрытия, очевидно, обусловлено различной сублимацией компонентов сплава, которая в большей степени присуща Sn.

Для исследований влияния термообработки на качество облуживаемости Ni-Sn покрытий их наносили на образцы из бериллиевой бронзы. Образцы выдерживали в термошкафу при 170 ⁰С в течение 4 ч, при 150 ⁰С в течение 7 ч и при 125 ⁰С в течение 14 ч. Последующее облуживание припоем ПОС61 со спирто-канифольным флюсом показало 100 %-ную паяемость после выдержки при комнатной температуре в течение 5 лет.

Исследования смачивания и растекания припоев по Ni-Sn покрытию с добавкой ОС-20 показали, что припои ПОС40, ПОС61 и ПСр2,5 хорошо растекаются по данному покрытию. Добавка ОС-20 в состав покрытия Ni-Sn играет роль поверхностно-активного вещества, а при температуре пайки выполняет в некоторой степени функцию флюса и тем самым способствует лучшему смачиванию и растеканию припоев.

Следует отметить, что электролитическое покрытие из сплава Ni-Sn, содержащего 30-50 % Ni, полученное из фторидхлоридного электролита с органической добавкой ОС-20, можно наносить на слой никеля на коллекторную сторону кристалла. В этом случае между кристаллом и никелированным корпусом размещают фольгу припоя ПСр2,5, а пайку проводят в среде водорода или в вакууме.

а

б

Рис. 4. Микроструктура поверхности покрытий сплавом Ni-Sn (35 % Ni + 65% Sn): а –после осаждения сплава; б – после отжига в вакууме (10^-2 Па) при Т=370 ⁰С в течение 7 мин

а

б

Рис. 5. Микроструктура поверхности покрытий сплавом Ni-Sn (50 % Ni + 50 % Sn): а –после осаждения сплава; б – после отжига в вакууме (10^-2 Па) при Т=370 ⁰С в течение 7 мин

Распределение химических элементов на поверхности покрытия после нагрева при температуре пайки кристаллов

В технологическом процессе производства полупроводниковых приборов и ИС пайка кристалла к основанию корпуса является одной из первых сборочных операций. После пайки происходит присоединение внутренних выводов к контактным площадкам кристалла и корпуса и герметизация.

Поэтому представляет определенный интерес исследование состояния поверхности корпуса после его нагрева до температуры пайки. В данном разделе проведен количественный анализ распределения химических элементов на поверхности корпусов с покрытиями (химическое никелирование и гальваническое серебрение) после растекания по ним припоев ПОС40, ПОС61 и ПСр2,5).

Основной целью никелирования является защита основного металла от коррозии и повышение поверхностной твердости. В электронной промышленности 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.

Для проведения исследований химическое никелирование осуществлялось на медные корпуса из следующего раствора (г/л):

никель двухлористый – 20;

натрий фосфорноватистокислый – 25;

кислота аминоуксусная – 15;

натрий уксуснокислый – 10.

Время осаждения покрытия толщиной 4 мкм составляло 40-50 мин при температуре раствора 82-85 ⁰С.

Анализ припоя на паяемой поверхности показал, что форма навески различных припоев после расплавления отличается как по площади, так и по конфигурации. Смачивание поверхности кристалла и корпуса расплавленным припоем зависит от поверхностного натяжения припоя. Чем оно выше, тем расплавленный припой хуже смачивает паяемую поверхность. В то же время известно, что поверхностное натяжение припоев (металлов) - не основной показатель процесса смачивания при пайке. Этот процесс еще зависит от физико-химических свойств металла покрытия.

Большую роль при растекании играет слой припоя, непосредственно прилегающий к покрытию, по которому происходит растекание. Этот слой называют “пристеночным слоем”, так как его свойства (скорость движения, плотность и термодинамические параметры) существенно отличаются от свойств припоя, расположенного над ним.

При растекании расплавленного припоя по покрытию одновременно протекают ограниченные во времени и достаточно сложные процессы взаимодействия покрытие-припой-атмосфера, состояние равновесия которых, как правило, не достигается.

По всей видимости, при растекании припоя по покрытию в первую очередь происходит взаимодействие с металлом покрытия тех элементов из состава припоя, которые имеют меньшее поверхностное натяжение. Поэтому и граница раздела (припой-покрытие) имеет различную ширину.

Схема образцов для экспериментальных исследований показана на рис. 6.

Результаты исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2

Количественный анализ распределения элементов (в %) на поверхности корпуса после расплавления навески припоя (нагрев в Н₂ при температуре 390±20 ⁰С в течение 3 мин)

Практическое занятие № 3 Анализ процессов нанесения медной металлизации на кристаллы ис и сбис Введение

К покрытиям предъявляются следующие основные требования [5, 6]:

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 росту нитевидных кристаллов («усов») при хранении и разрушению при температурах сборки, испытании и эксплуатации.

обеспечивать минимальное переходное электрическое сопротивление;

быть устойчивыми к тепловому удару при монтаже приборов на печатные платы пайкой, к химическим реагентам, используемым в процессе сборки;

обеспечивать адгезию компаунда при герметизации прибора опрессовкой полимером.

На надежность соединений влияют физико-механические свойства материала контактных площадок. Например, акустические условия в зоне УЗС зависят от морфологии покрытий контактных площадок. Для образования прочного и надежного микросоединения необходимо иметь поверхность покрытия контактных площадок с малой высотой микронеровностей и, по возможности, меньшим значением внутренних напряжений в покрытии [7].

Производство ИС, особенно БИС и СБИС ориентировано на использование автоматического сборочного оборудования производительностью до 15 тысяч соединений в час и более с электронными сканирующими устройствами и системами оптико-телевизионного контроля. Широкое внедрение автоматического микросварочного оборудования при массовом производстве ППИ делает особо актуальной задачу повышения воспроизводимости качества микросоединений за счет ужесточения требований к физико-химическим свойствам и состоянию поверхности деталей, поступающих на операции сборки. Кроме различных конструктивно-технологических факторов на качество микросоединений оказывают существенное влияние пленочная металлизация на кристалле (толщина, состояние поверхности, структура и адгезия пленки с подложкой и др.) [8,9].

В настоящее время проводятся работы, направленные на формирование межсоединений из медной металлизации вместо алюминиевой, что способствует увеличению быстродействия ППИ и повышению их стабильности в процессе эксплуатации. Однако существующая технология производства медной системы металлизации не обеспечивает достаточной надежности межсоединений.

С развитием полупроводниковой технологии и уменьшением размеров элементов большое внимание уделяется проблеме задержки сигналов в соединительных линиях. В связи с этим, возникла необходимость замены алюминиевой металлизации на медную в производстве современных ИС, в первую очередь микропроцессоров с элементами субмикронных размеров [15]. По сравнению с алюминием удельное сопротивление меди 1,7 мкОм×см даже при осаждении в узкие канавки (2,8 мкОм×см у алюминия). Кроме того, медь обладает высокой устойчивостью к электромиграции по сравнению с алюминием.

Основные принципы создания схем с медной металлизацией представлены фирмами IBM, Motorola и Texas Instruments на декабрьской международной конференции по электронным приборам (IEDM) в 1997г. В «медных схемах» первый уровень металлизации для формирования контактов к областям истока, стока и затвора – вольфрамовый. Этот барьерный металл предназначен для защиты активных областей прибора от диффузии меди, а также для улучшения адгезии меди к пластине. Часть вольфрамовых токопроводящих дорожек может быть очень малой длины. Остальная металлизация, в том числе и покрытия сквозных отверстий, - медная.

По данным исследовательской фирмы The Information Net work, в 2009 г. ускорился переход к использованию медных межсоединений в схемах памяти. Так, если общий объем продаж полупроводникового оборудования сократился более чем на 40 %, то тот же показатель для оборудования, непосредственно связанного с формированием медных межсоединений в процессе производства ППИ, - только на 8,7 % [14].

Массовое производство ДОЗУ с медной металлизацией вместо аллюминиевой первой начала осуществлять корпорация Micron Technology уже в конце 2006 г. Через год эту технологию стала применять Elpida. Затем все основные изготовители ИС ЗУ во главе с корпорацией Samsung Electronics затратили значительные суммы для модернизации своих заводов по обработке пластин под «медные» процессы.

Количественный анализ распределения элементов на поверхности корпусов с покрытиями (серебро гальваническое и никель химический) после расплавления припоев ПОС40, ПОС61 и ПСр2,5 при режимах пайки кристаллов показал, что происходит изменение химического состава припоя, границы припоя с покрытием и паяемого покрытия.

Таким образом, данные исследования показывают изменение состава поверхностного слоя покрытий корпусов после пайки кристаллов. Это необходимо учитывать при выборе режимов присоединения выводов к корпусу и герметизации полупроводниковых ИЭТ.

Цель работы:

1) исследование структуры и химического состава покрытий кристаллов и корпусов: после нанесения и термообработки на режимах пайки кристалла к основанию корпуса;

2) количественный анализ распределения элементов (в %) на исследуемых поверхностях.