автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Использование капилляров для формирования контакта металл-полупроводник

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОНСТРУЮЦИИ КОРПУСОВ МАЛОМОЩНЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ диодов.

1.1. Классификация корпусов диодов.

1.2. Конструкция металлостеклянных корпусов

КД-4, КД-5, КД-6, КД-7).

1.3. Конструкция металлического корпуса с проходным изолятором.

1.4. Теплоотвод в корпусах. выводы к ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛОКАПИЛЛЯРА,

ЗАПОЛНЕННОГО МЕТАЛЛОМ.

2.1. Вытяжка капилляров, диаметром 0,58 мм из стекла марки С93-1 заполненных металлом, на установке И4.013.0106.

2.2. Вытяжка капилляра диаметром 0,58 мм с прерывистой загрузкой металлом.

2.3. Вытяжка капилляра с беспрерывным заполнением металлом.

2.4. Выбор материалов контактирующего припойного столбика (КПС).

2.5. Выбор оптимального диаметра припойного канала в КПС.

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ДИОДОВ

КД512А И КД514А С КАПИЛЛЯРНЫМ ВЫВОДОМ.

3.1. Технологический процесс производства модифицированных диодов КД512А и КД514А.

3.2. Изготовление стеклобусы, стеклотрубки, вывода, изолятора, ножки.

3.3. Изготовление кристалла.

3.4. Основные узлы установки получения стеклоизоляторов.

ВЫВОДЫ К ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДИОДОВ КД512А, КД514А С КАПИЛЛЯРНЫМ КОНТАКТОМ И ИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ.

4.1. Оптимальные значения механических параметров капиллярного столбика в экспериментальных диодах и их технология.

4.2. Электрические параметры экспериментальных диодов с КПС.

4.3. Технико-экономические показатели производства модифицированных диодов КД512А и КД514А.

4.4. Проведение испытаний диодов КД512А КД514А с КПС.

4.5. Влияние теплоизлучения и конвекции на тепловое сопротивление диодов с капиллярным контактом.

ВЫВОДЫ К ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ.

Актуальность темы. Современный этап производства электронных компонентов характеризуется развитием целых направлений электроники, все возрастающим объёмом научно-исследовательских и технологических работ, направленных на дальнейшее совершенствование имеющихся и создание новых полупроводниковых приборов. Примечательно, что один из самых первых полупроводниковых приборов - полупроводниковый диод - продолжает занимать достойное место там, где требуется выпрямление токов низкой частоты, нелинейное преобразование сигналов высокой частоты, работа в схемах с импульсами микросекундного и наносекундного диапазона, стабилизация напряжения. Производство различных по конструкции и назначению диодов привлекает значительные интеллектуальные усилия, направленные на повышение потребительских качеств изделий и совершенствование технологических процессов их изготовления.

Особый интерес представляют малогабаритные быстродействующие диоды в стеклянных корпусах. При видимой простоте конструкции, решение вопросов автоматизации процессов сборки является весьма сложным, особенно это касается диодов в миниатюрном корпусе КД-1 В этом отношении представляет особый интерес технология, при которой на контактном окне с поверхности кристалла формируется контакт в виде полусферы, что позволяет в дальнейшем максимально автоматизировать процесс сборки.

К сожалению, сложным и дорогостоящим является процесс выращивания «шарикового» контакта, а прижимной характер контакта увеличивает его сопротивление, вызывает повышенное число дефектов типа «обрыв» вывода при эксплуатации приборов, особенно при вибрации и ударной нагрузке.

Эти и другие недостатки вызвали необходимость разработки принципиально нового вида контакта кристалл-вывод и в целом новой конструкции диода. Таким образом, тема работы, посвящена созданию более подвижного контакта «металл-полупроводниковый кристалл».

Диссертация выполнена на Волховском заводе полупроводниковых приборов (БЗШ1) по плану работ организации в соответствии с техническим заданием Главного управления электронной промышленности.

Цель работы. Разработать для кремниевого диода новую технологию формирования внутреннего контакта между полупроводниковым кристаллом и внешними выводами прибора, используя для этого явление капиллярности в узком стеклянном капилляре. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

- провести коррекцию топологии полупроводникового кристалла для создания контакта металл-полупроводник заданной геометрии;

- разработать конструкцию капилляра, заполняемого припоем (контактирующего припойного столбика (КПС);

- разработать маршрут изготовления диодов новой конструкции и выпустить опытную партию диодов;

- провести сравнительный анализ электрических параметров диодов новой конструкции и диодов обычного исполнения.

Научная новизна. В работе, впервые используя явления капиллярности, разработан способ создания вплавного контакта строго определенной геометрии «металл-полупроводниковый кристалл».

Разработана технология заполнения капилляра сплавом, заключающаяся в том, что заполненная гранулами сплава толстостенная стеклянная трубка нагревается до температуры размягчения стекла. При вытягивании при этой температуре из заготовки формируется стеклянный капилляр, заполненный сплавом.

Положения, выносимые на защиту.

1. Способ изготовления контактирующих припойных столбиков.

2гр SJ f— SJ Т ехнологический процесс сборки диода с контактирующим припойным столбиком.

3. Теория теплового сопротивления диодов новой конструкции с малой площадью р-п перехода.

Практическая значимость. Производство диодов с контактирующим припойным столбиком способствует снижению трудоемкости изготовления, повышению выхода годных, увеличению надежности. Диоды данной конструкции, в корпусе КД-1, могут быть использованы как в схемах выпрямления токов низкой частоты, стабилизации напряжения, так и в устройствах ВЧ диапазона.

На новую конструкцию диода получено авторское свидетельство. Разработаны способы изготовления метаилостеклянных капилляров, варианты сплавов, новая конструкция кристалла.

Полученные результаты могут быть внедрены в производство и использованы при сборке других полупроводниковых приборов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы, в том числе авторское свидетельство. Материалы диссертации доложены на научно-техническом совете ОАО «БЗПП-ЭЛЕКТРОНИКА» и на научных семинарах кафедр ФТТ и ПП ВГТУ.

Личный вклад автора. Все исследования, представленные в диссертации, проведены лично соискателем. Научный руководитель д.т.н., профессор Золотухин И.В. сформулировал цель исследования, наметил основные пути решения поставленных задач. Соавторы некоторых статей Верховодов В.Н., Круглов В.И., Пояркова Г.В. принимали участие в обсуждении технических задач. Кандидаты технических наук Белоглазов В.И. и Лебедев Н.Ф. оказали существенную помощь в модернизации установки для вытягивания капилляров и в отработке технологических режимов получения капилляров, заполненных припоем. Д.ф.-м.н., проф. Хухрянский Ю.П., кандидат технических наук Емельянов В.В. и н.с. Шуников Е.А. оказали помощь в расчете на ЭВМ теплового сопротивления модернизированных диодов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 87 страниц текста, включая 42 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 48 наименований, объем приложения на 8 страницах.

ВЫВОДЫ к ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ

1. Определено, что оптимальный диаметр стеклокапилляра для создания контакта к полупроводниковому кристаллу диодов КД512А и КД514А составляет 185 ± 10 мкм.

2. Экспериментально установлено, что электрические параметры диодов с капиллярным контактом не хуже аналогичных характеристик диодов с прижимным контактом.

3. Разброс значений падения прямого напряжения в модифицированных приборах меньше, чем в диодах с прижимным контактом.

4. Процент выхода годных приборов с применением стеклокапилляра составляет 91 % (КД512А) и 77,0 % (КД514А), что выше ~ 10 %, чем у диодов, изготовленных по стандартной технологии.

5. Применение в диодах типа КД512А стеклокапилляра приводит к повышению выхода годных приборов и снижению трудоемкости их изготовления на-60%.

6. Падение прямого напряжения диодов КД512А и КД514А меньше, чем у диодов, собранных по стандартной технологии.

7. Отвод тепла от кристалла диодов КД512А и КД514А осуществляется, в основном, по металлическим выводам прибора. С боковой поверхности диодов за счет излучения и конвенции отводится тепловая мощность, равная или даже большая (в зависимости от величины а), чем через торцы металлических выводов.

8. Тепловое сопротивление диодов с КПС равно ~ 1,2-10А К/Вт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Общие выводы по диссертации

Анализ данных по результатам проведенного эксперимента по конструированию и применению капиллярных контактов к кристаллам диодов КД512А и КД514А позволяет сделать основные выводы:

1. Используя явление капиллярности, разработана новая конструкция электрического контакта к полупроводниковому кристаллу. Новым элементом является узкая стеклянная трубка (капилляр), заполненная сплавом.

2. Разработана технология заполнения стеклянного капилляра металлическим сплавом: толстостенная трубка с гранулами сплава нагревается и из неё вытягивается капилляр нужного диаметра, при этом происходит расплавление сплава, заполняющего внутреннюю полость капилляра. Процесс осуществляется при температуре, превышающей температуру плавления сплава на 40-50 К.

3. Использование металлостеклянного капилляра позволяет автоматизировать процесс изготовления диода, повысить процент выхода годных на

12 ч- 15 % и снизить трудоемкость на 60 %.

4. Все параметры диодов типа КД512А со стеклокапиллярным контактом не выходят за рамки ТУ.

5. Анализ конструкторских и технологических решений позволяет распространить разработанные подходы по созданию контактов к полупроводниковым кристаллам на другие типы диодов.

6. Основной отвод тепла от кристалла осуществляется по металлическим выводам прибора. Отвод тепла за счет конвекции воздуха у поверхности прибора имеет тот же порядок величины, что и теплоотвод за счет излучения.

7. Расчетное значение теплового сопротивления диодов с капиллярным контактом имеет порядок 1,2-10А К/Вт, что хорошо согласуется с экспериментом.

1. Курносое А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов. Высшая школа, Москва, 1981. - С.400.

2. Овечкин Ю.А., Савченко A.M., Смирнов H.H. Рекомендации по применению полупроводниковых приборов. Связь, Москва, 1983. С.75.

3. ГОСТ 18478-88/СЭВ 1818-86/Приборы полупроводниковые. Основные размеры. Электронстандарт, Москва, 1990. С.47.

4. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Высшая школа, Москва, 1987. С.477.

5. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. Энергия, Москва. 1978.- С.601.

6. Франк X., Шнейдер В. Полупроводниковые приборы. Государственное издательство технической литературы, Прага, 1973. С.570

7. Годов А.Н., Горюнов H.H., Громов B.C., Курносов А.И., Моралов

8. В. А. Конструкция корпусов и тепловые свойства полупроводниковых приборов. Энергия. Москва, 1978. С. 118.

9. Гранитов Г.И. Физика полупроводников и полупроводниковые приборы. Советское радио, Москва, 1981. С. 132.

10. Бер Л.Ю., Минскер Ф.Э. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Высшая школа, Москва, 1986. С.278.

11. ОСТ 11 0077-84 г. Платинит. Технические условия. Электронстандарт,1. Москва, 1990.-C.51.

12. Апанович Л.В., Достанко А.П., Бундалев О.И., Шаталов В.В., Верховодов В.И. Полупроводниковый диод, изобретение SU 1484210 А1,Н01 L 29/48. 1983.-С 4.

13. Патент Японии N 58-23951, клН 01 L 29/48. 1983.-С.5.

14. Патент CIIIAN 396/350.кл Н 01 L 29/48. 1974. С.5.

15. NG.BEDRICH ROUS. SKLO V ELEKTRONICE //Statni naklada-telstvi techicke literatury. Praha. 1983. C.356.

16. Поярков В.Н., Верховодов В.И., Круглов Ю.В., Пояркова Т.В. Способ изготовления полупроводникового диода // патент N 2034367, 28 февраля 1991. -С.6.

17. Поярков В.Н. П. Металлостеклянный капилляр для сборки полупроводниковых диодов. // Физика и технология материалов электронной техники: /Межвузовский сборник научных трудов, Воронеж, 1992.-C.204.

18. Поярков В.Н., Верховодов В.И. Металлостеклянный капилляр для сборки полупроводниковых приборов // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы, выпуск 2/215/, Центральный научно-исследовательский институт "Электроника", Москва, 1992. С. 106.

19. Краткий справочник паяльщика. Высшая школа, Москва, 1991.- С.212.

20. Моряков O.e. Производство корпусов полупроводниковых приборов. Высшая школа, Москва, 1985. С. 184.

21. Горюнов Н.П., Носов Ю.Р. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. Советское радио, Москва, 1978. С.309.

22. ТТ3.362.140ТУ. Приборы полупроводниковые. Диоды типаКД512А. Технические условия. Сапфир, Москва, 1979. C.112.

23. ТТ3.362.124ТУ. Приборы полупроводниковые. Диоды типа КД514А. Технические условия. Сапфир, Москва, 1978. С. 134.

24. Кондаков Л.В., Михайлов В.А. Стеклометаллические корпуса для полупроводниковых и электровакуумных приборов. Энергия, Москва, 1979.- С.96.

25. Юрков Л.Ф., Леко В.К. Переходные стекла и спаи в электровакуумной промышленности. Энергия, Москва, 1979. С. 128.

26. Бачин В.А. Диффузионная сварка стекла и керамики с металлами. Машиностроение. Москва, 1986. С. 184.

27. Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы. Высшая школа, Москва, 1987.- С.302.

28. Разработка омического контакта под контактирующий припойный столбик для диодов КД512А, КД514А. //Отчет ОН-91г. Орел, 1991. С.35.

29. Евтифеев П.И. Сварка и пайка. Машиностроение, С.Петербург, 1985. С. 176.

30. Волков В.А. Сборка и герметизация микроэлектронных устройств. Радиосвязь, Москва, 1982. С. 119.

31. Отчет об опытно-конструкторской работе "Сборка диодов в металло-стеклянном корпусе с применением контактирующего припойного столбика, шифр СТОЛБ. Болхов. 1993. С.25

32. ГОСТ 11 630-84. Приборы полупроводниковые. Общие технические условия. Электорнстандарт, Москва, 1984. С.40.

33. П0.735 CCD Капилляры стеклянные. Технические условия. Электрон-стандарт, Москва. 1989. С.32.

34. Установка для вытяжки стеклокапилляров И 4.013.0106// Техническое описание. Саратов, 1978.- С. 108.

35. Разработка технологии по вытяжке капилляров из дрота.// Отчет

36. ИЧС-59. Саратов. 1976.- С.31.

37. ГОСТ 21931-76, Припои оловянно-свинцовые в изделиях. Технические условия. Электронстандарт, Москва, 1977. С.35.

38. ГОСТ 19738-74. Припои серебрянные. Марки. Электронстандарт, Москва. 1976.-С.32.

39. Э30.351.903МК. Технологический маршрут держателя, г. Болхов, 1989.-C.45.

40. Чернышев A.A. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. "Радио и связь", Москва, 1988. С.254.

41. ГОСТ 20.57.406-81. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические методы испытаний. Электронстандарт, Москва, 1981.-C.190.

42. Поярков В.Н. Электрические параметры полупроводникового диода с87металлостеклянным капилляром //Физика и технология материалов электронной техники: /Межвузовский сборник научных трудов, Воронеж, 1994, С. 157.

43. Ю. Р.Носов Полупроводниковые импульсные диоды М.: Сов. Радио, 1965.-224 с.

44. А.Н.Тихонов, А.А.Самарский, Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. 736 с.

45. Карскоу, Д.Егер Теплопроводности твердых тел. Наука, М., 1964.1. С.487.

46. Л.И.Турчак основы численных методов: Учеб. Пособие.- М.: Наука. Гл. ред. Физ.- мат. лит. 1987.- 320 с.

47. Л.В .Канторович, В.И.Крылов Приближенные методы высшего анализа. Изд. 4-е М: государственное издание технико-теоретической литературы. 1952.

48. В. А.Троицкий, И.М.Иванова, И.А.Старостин, В.Д.Шелест Инженерные расчеты на ЭВМ: справочное пособие/ Под ред. В.А.Троицкого.- Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1979, 288 с. Ил.

49. Г.М.Прусаков Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ.-М.: Физматлит, 1993.- 144 с.