книги из ГПНТБ / Минскер Ф.Е. Сборка полупроводниковых приборов учеб. пособие

Требования к водороду, используемому для пайки

временно осуществляется некоторое обезгаживаиие детален. Однако необходимо иметь в виду, что при последующем хране­ нии на воздухе детали быстро поглощают газы вновь, поэтому при длительном хранении паяных деталей их свойства могут

ухудшаться.

В качестве нейтральных сред для пайки используют азот и

свойства паяных соединений в значительной мере зависят от правильного выбора конструкции шва.

Практически швы можно разделить на два вида: соединения встык (рис. 16, а) и соединения внахлестку (рис. 16, б); осталь­ ные виды соединений представляют собой различные комбина­ ции этих двух видов соединений (рис. 16, в, г, д).

Если паяное изделие является проводником электрического тока, конструкция шва должна быть такой, чтобы он не служил дополнительным сопротивлением. В этом-случае желателен шов с большей поверхностью спая.

Одним из основных требований, предъявляемых к паяным соединениям, является их прочность. Механическая прочность

21

паяных соединений, прежде всего, зависит от прочности припоя в шве, связи припоя с металлом основы, интерметаллических соединений, образующихся иа границе между припоем и метал­ лом основы и от прочности металла основы в зоне шва после

физико-химического воздействия иа него расплавленного припоя и повышенной температуры.

Соединения встык могут применяться только тогда, когда не требуется достичь высокой механической прочности. Механичес­ кая прочность припоя, особенно мягкого, обычно бывает ниже прочности соединяемого материала.

Прочность паяных соединений может снизиться при возник­ новении в паяном шве больших напряжений в результате разни­ цы коэффициентов термического расширения припоев и паяемых металлов. Во избежание возможных разрушений таких соедине­ ний следует применять достаточно пластичный припой.

Следует также отметить, что степень влияния перечисленных факторов зависит от условий, при которых проведена пайка, поэтому прочность паяных соединений (при прочих равных ус­ ловиях) в большой степени зависит от метода и режима пайки.

Одной из существенных причин, вызывающих дефекты в паяных соединениях, является недостаточно тщательная подго­ товка паяемых поверхностей, плохая очистка от окислов и жира. В этом случае припой плохо затекает в зазор, недостаточно хо­ рошо смачивает паяемые поверхности и не образует прочного соединения из-за малой площади контакта между соединяемыми поверхностями. Поэтому на очистку соединяемых поверхностей следует обращать особое внимание.

Существует несколько способов контроля паяных соединений. Главные из них — визуальный контроль паяного шва невоору­ женным глазом, а также с помощью микроскопа и лупы и метал­ лографическим анализ структуры при большом увеличении. Эти методы являются лишь качественными и не позволяют получить количественных оценок прочности паяного шва.

Визуальный контроль является первым этапом в обследова­ нии качества паяного соединения. При определенных навыках с его^помощыо молено отбраковать много некачественных соеди­ нений. Визуально можно обнаружить поры, макротрещины, не­

рать оптимальный режим пайки новым припоем на новом обо­ рудовании. Металлографическим анализом удается определить следы диффузии припоя по границам зерен, а также наличие пор, раковин, микроскопических трещин.

При металлографическом анализе изготовляют шлифы сое­ динений, рассмотрение которых под микроскопом дает возмож-

22

ность установить фактическую величину зазора между деталями, полноту заполнения зазора припоем, а также характер сцепле­ ния припоя с основным металлом или же предварительно нане­ сенного покрытия с припоем н металлом. Этот метод анализа достаточно трудоемок, требует специального опыта и навыков в приготовлении шлифов, всесторонних знаний структур п диаг­ рамм состоянии различных припоев и металлов.

В некоторых случаях паяные соединения подвергают испы­ таниям на механическую прочность. При разрыве паяного сое­ динения по характеру разрыва можно достаточно точно опреде­ лить причину брака.

Паяные соединения до настоящего времени являются широко распространенным видом в производстве полупроводниковых приборов. С помощью пайки присоединяются токоведущие вы­ воды к активной площади структуры, монтируются полупровод­ никовые кристаллы на держатель. Определяющим фактором для получения качественного паяного соединения при сохране­ нии электрических параметров р-п-перехода является темпера­ тура пайки. Температура процесса должна выбираться таким образом, чтобы, во-первых, обеспечить хорошее смачивание припоем поверхностей полупроводникового кристалла, вовторых, не оказывать влияния на изменение электрических ха­ рактеристик р-/?.-перехода.

Специфика процесса пайки при изготовлении полупроводни­ ковых приборов состоит и в том, что размеры соединяемых эле­ ментов очень малы (от десятков до сотен микрон), при этом прочность соединения должна быть не ниже прочности соединя­ емых элементов. Соединение должно обладать минимальным значением омического сопротивления.

§ 5. Припои и флюсы, применяемые при пайке

Припоями называют сплавы и чистые металлы, которые пред­ назначаются для присоединения деталей методом пайки и для горячего лужения металлических и металлизированных поверх­ ностей.

Припои, применяемые в полупроводниковой промышленнос­ ти, должны:

обладать хорошим смачиванием, растекаемостыо и жидкоте­ кучестью;

давать минимум реакций, приводящих к образованию интер­ металлических соединений с металлами основы;

обеспечивать получение вакуумно-плотных швов, обладаю­ щих требуемой механической прочностью и пластичностью, особенно в условиях несогласования спаев;

иметь температуру плавления обязательно ниже температу­ ры плавления паяемых деталей;

обладать достаточно высокими прочностью и пластичностью;

23

иметь коэффициент термического расширения, не отличаю­ щийся резко от коэффициента термического расширения основ­ ного металла;

в паре с паяемыми металлами быть коррозцйно-устойчивымп; иметь высокую теплопроводность и электропроводность, если

припои применяются для пайки токопроводящих изделий; не быть по своему составу дефицитными и чрезмерно доро­

гими.

Некоторые из этих свойств могут быть обеспечены техноло­ гией изготовления припоя, другие определяются выбором компонентов припойных сплавов. Такие свойства, как темпера­ тура плавления, упругость паров, коррозионная стойкость, теплоII электропроводность, могут быть'определены на основании зна­ ний свойств компонентов припойных сплавов и диаграмм состоя­ ния соответствующих систем.

Наибольшую трудность представляет установление таких свойств, как растекание и смачивание, так как эти характеристи­ ки являются скорее не свойствами припоя, а относятся к паре жидкий металл — подложка и определяются в каждом конкрет­ ном случае множеством технологических факторов.

Припои подразделяются на два класса:

1) мягкие (главным образом — индиевые, свинцово-оловян­ ные) ;

2) твердые (преимущественно на медной, серебряной и золотой основах).

В настоящее время в связи с появлением совершенно новых припоев на алюминиевой, цинковой и никелевой основах, ц так­ же припоев с самыми разнообразными добавками такая класси­ фикация уже не соответствует современному уровню. Поэтому за основу классификации принимают главную характеристику припоя — его температуру плавления, и в связи с этим припои разделяются на легкоплавкие, имеющие температуру плавления ниже 400—450° С, и тугоплавкие, имеющие температуру плавле­ ния выше 450° С.

Только у чистых металлов и эвтектических сплавов есть точ­ ка плавления. Гораздо чаще припои имеют интервал температур, в котором нижняя точка, или точка солидуса, является темпера­ турой, при которой припой начинает плавиться, а верхняя точка, или точка ликвидуса,— это температура, при которой припой становится полностью жидким. Если интервал температур очень

состояния свинец — олово, в которой линии солидуса соответст­ вует температура 183,3° С. Б жидком состоянии свинец и олово полностью растворяются друг в друге. При охлаждении жидкий раствор кристаллизуется по простейшей диаграмме состояния эвтектического типа с ограниченной растворимостью.

24

Температура плавления сплавов свинец — олово зависит от их состава. Добавление к свинцу даже небольших количеств олова приводит к образованию сплавов, плавящихся в определенном интервале температур. Наибольший интервал кристаллизации соответствует точкам максимальной взаимной растворимости свинца и олова: 19,5 и 97,4% Sn. Чистые свинец и олово, а также сплав эвтектического состава (61,9% Sn) плавятся при постоян­ ной температуре.

Особенно широкое применение в полупроводниковой про­ мышленности получил припой Sn—Pb эвтектического состава,

___I I I___I I I I I I

РЬ 10 20 30 40 50 ВО 70 80 90 Sn

Содержание, % (Вес)

Рис. 17. Диаграмма состояния системы свинец — олово

называемый ПОС-61, а также на основе свинца с большей или меньшей присадкой серебра. Диаграмма состояния свинец—се­ ребро (рис. 18) представляет собой простую систему С эвтекти­ кой, содержащей 2,5% Ag и плавящейся при температу­ ре 304° С.

Известно применение некоторых припоев на свинцовой осно­ ве, содержащих, кроме серебра, олово, сурьму и висмут. В этом случае серебро весьма благоприятно влияет наповышение ме­ ханических свойств припоя и прочность паяных соединений^!

В общем случае специфика применения тех или иных видов припоев в полупроводниковой промышленности определяется температурой работы полупроводникового прибора. Для крем­ ниевых приборов рабочая температура составляет 125° С, для германиевых — 85° С. Поэтому необходимо, чтобы припой не изменял своих характеристик при этих температурах. Кроме того, температура, при которой припой хорошо смачивает метал-

25

лизированную поверхность кристалла, должна быть как можно меньше (не более 300—400°С), так как увеличение температуры может отрицательно влиять на электрические характеристики прибора. Поэтому при изготовлении полупроводниковых прибо­ ров применяют в основном легкоплавкие мягкие припои.

Ранее отмечалось, что для получения качественной пайки необходимо, чтобы расплавленный припой хорошо смачивал поверхность паяемого металла. Качество смачивания зависит от чистоты смачиваемой поверхности, наличия или отсутствия на ней окисных пленок и от характера физико-химического взаимо­ действия между припоем и твердым металлом. Для улучшения условий смачивания применяют флюсы.

Рис. 18. Диаграмма состояния системы свинец — се­ ребро

Флюсы предназначаются для удаления окнсной пленки с поверхности паяемых металлов и припоя, для защиты поверх­ ности паяемых металлов и припоя от окисления и для снижения поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл — припой, что способствует лучшей текучести припоя.

В зависимости от температуры плавления припоев флюсы подразделяются на два класса:

1) для пайки припоями с температурой плавления не выше

300° С; 2) для пайки припоями с температурой плавления выше

300° С.

По химическому составу каждый класс флюсов делится на две группы: смолосодержащие и смолонесодержащие (для пай­ ки мягкими припоями); флюсы на основе буры и борной кисло­ ты и флюсы на основе хлористых и фтористых солей (для пайки твердыми припоями).

26

Наибольшее применение в электронной технике находят антикоррозийные бескислотные флюсы для пайки мягкими при­ поями, представляющие собой различные органические соедине­ ния (канифоль, жиры, масла). Наиболее широкое распростра­ нение имеет канифоль как в твердом состоянии, так и в виде спиртового или скипидарного растворов. Остатки канифольного флюса не поглощают влаги и не вызывают коррозии места пай­ ки. Канифоль относится к слабоактивным флюсам, поэтому при ее применении паяемое соединение при пайке должно тщательно обезжириваться. Наиболее часто применяют флюсы на основе канифоли марок КЭ, ТС-21, ЛТИ-120, ЛМ-1, КС.

Кроме канифольных флюсов, большое распространение имеют флюсы на основе хлористого цинка и бесканифольиый флюс.

Химический состав и основные свойства флюсов приведены в табл. 3.

§ 6. Сварка

Сваркой называют процесс соединения двух материалов в результате взаимодействия атомов этих материалов без участия третьего (припоя).

27

Поверхностные атомы металла имеют свободные ненасыщен­ ные связи, которые захватывают всякий атом, приблизившийся на расстояние действия сил межатомного взаимодействия. Сбли­ зив поверхности двух металлов па расстояние действия сил межатомного взаимодействия, получим по поверхности сопри­ косновения сращивание двух металлов в одно монолитное целое с прочностью соединения, равной прочности металла.

Способы сварки можно классифицировать по разным приз­ накам, например, по виду энергии, используемой при сварке, по состоянию свариваемых металлов, по наличию или отсутствию сжимающего усилия.

Основным показателем, определяющим технологию процесса, является состояние металла в процессе сварки.

На рис. 19 приведена классификация основных способов сварки по состоянию металла в процессе сварки.

Одним из видов сварки без применения нагрева является холодная сварка. Соединение металлов при таком способе проис­ ходит в твердом состоянии вследствие образования металличес­ ких связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Если рассмотреть идеальный случай, то при сближении иде­ ально гладких и идеально чистых поверхностей между ними возникают межатомные силы взаимодействия, т. е. образуется прочное соединение. Однако в реальных условиях все металли­ ческие поверхности имеют неровности и покрыты окислами, пленками газов и жидкостей. Это значительно меняет картину взаимодействия поверхностей при их сближении. При сближении таких поверхностен вначале возникает контакт в отдельных наи­ более высоких точках (выступах). Для получения контакта по всей поверхности необходимо произвести деформирование участ­ ков, уже вступивших в контакт. Чем больше должна быть пло­ щадь контакта между сжимаемыми поверхностями, тем, очевид­ но, больше нужно деформировать неровности и тем больше должна быть сжимающая сила.

Пластическая деформация металла является необходимым условием для выполнения холодной сварки. Деформация долж­ на быть не ниже определенного значения, характерного для дан­ ного металла. Усилие для создания такой деформации зависит от многих обстоятельств и может меняться в широких пределах. Поэтому не всегда легко определить усилие, необходимое для холодной сварки, и обычно задается не усилие осадки, а величи­ на деформации.

Значительные трудности возникают при проведении сварки из-за наличия на поверхности металлов окисных и органических пленок. Окисные пленки должны быть удалены с поверхности металла путем химического травления в специальных травителях, а органические пленки— путем механической очистки. Но при этом возникают новые окисные пленки, которые препятст­ вуют холодной сварке. Чистые (ювенильные) поверхности, спо-

29

собпые к холодной сварке, получают при совместном деформи­ ровании свариваемых поверхностен. При таком деформировании тесно сжатые свариваемые поверхности не подвергаются дейст­ вию кислорода воздуха, поэтому новых окисных пленок не образуется, а имеющиеся окисные пленки вследствие увеличе­ ния ' площади контакта разрушаются, что дает возможность вступить во взаимодействие ювенильным поверхностям, способ­ ным к сварке.

На рис. 20 показана схема холодной сварки. Ширина и дна-

сварка относится к группе сварки давлением.

По форме выполняемых соединений различают три вида элек­ трической контактной сварки: стыковую, точечную и шовную

(рис. 21).

При стыковой контактной сварке сопротивлением детали (рис. 21, а) устанавливают в медные водоохлаждаемые зажимы сварочной машины п сжимают. Затем включают электрический ток, с помощью которого нагреваются свариваемые детали.. Наиболее интенсивно детали разогреваются в месте их соприкос­ новения. По достижении определенной температуры, зависящей, в первую очередь, от вида свариваемого металла, и достаточном прогреве в глубину от свариваемых поверхностей повышается сжимающее усилие и выключается ток. Происходит совместная пластическая деформация и взаимная кристаллизация — сварка металлов.

Другим видом стыковой контактной электрической сварки является сварка оплавлением. От сварки сопротивлением она

30