Золото в транзисторах

Когда слышишь про золото в транзисторах, многие сразу думают о драгоценностях или мошенничестве с радиодеталями в 90-е. Но в реальном производстве, особенно силовых полупроводников, это сугубо инженерный вопрос, причём далеко не всегда приятный. Золото — не для красоты, а для надёжного контакта, особенно в корпусировании мощных приборов. Хотя сейчас всё чаще идут по пути замены на более дешёвые материалы, вроде медно-оловянных сплавов, но в некоторых нишевых и высоконадёжных изделиях без него никуда. У нас в OOO Нантун Ванфэн Электронных Технологий с этим сталкивались не раз, особенно когда речь заходит о legacy-проектах или специфических заказах от оборонки, где требования к долговечности контакта в экстремальных условиях перевешивают стоимость.

Почему именно золото, а не просто припой?

Тут всё упирается в диффузию и образование интерметаллидов. Если взять, к примеру, мощный MOSFET или тиристор, который должен работать при температурах перехода выше 150°C, обычный оловянно-свинцовый припой — это путь к быстрому выходу из строя. Медь из вывода и олово из припоя начинают активно мигрировать, образуются хрупкие фазы, контакт деградирует, растёт тепловое сопротивление. Золотое покрытие на выводной рамке или кристаллодержателе — это барьер. Оно плохо диффундирует, не окисляется, и обеспечивает качественную пайку или ультразвуковую сварку алюминиевой нитью с кристалла.

Но и здесь не всё гладко. Толщина покрытия — это целая наука. Слишком тонкий слой (меньше 0.1 мкм) — и он быстро 'съедается' при термоциклировании, обнажая подложку (часто никель). Слишком толстый — это неоправданная стоимость, да ещё и может привести к проблемам с адгезией или повышенной хрупкости самого слоя. Помню, как для одной партии высоковольтных кремниевых столбов пришлось буквально на ходу менять техпроцесс гальваники, потому что заказчик жаловался на трещины в зоне контакта после 1000 циклов -55...+125°C. Оказалось, виноват был не столько сам факт использования золота в транзисторах, сколько неоптимальная толщина и подготовка подложки.

Ещё один нюанс — куда именно наносить золото. Часто экономят, покрывая только площадку для сварки или пайки, а остальную часть вывода оставляют под более дешёвым покрытием. Это логично, но требует высокой точности процесса. На нашем производстве в Жугао для таких операций используется селективное гальваническое осаждение, что само по себе сложнее, чем просто окунуть всю деталь в ванну.

Альтернативы и экономический расчёт

Сейчас, конечно, основной тренд — уход от драгметаллов. Для большинства коммерческих применений, тех же выпрямительных диодов или диодов Шоттки для потребительской электроники, золото — это излишество. В OOO Нантун Ванфэн мы активно работаем над технологическими процессами с использованием палладия, серебра или многослойных покрытий на основе никеля/палладия/золота с минимальным содержанием последнего. Это позволяет снизить себестоимость, оставаясь в рамках требований по надёжности для automotive или промышленной электроники.

Но есть и обратные примеры. Несколько лет назад мы разрабатывали партию импульсных диодов для космического применения (точнее, для наземной аппаратуры связи со спутниками). Там техзадание прямо требовало золотое покрытие выводов толщиной не менее 0.5 мкм. И никаких 'а можно заменить?'. Аргументация заказчика была железной: многолетняя статистика отказов и требования к сроку службы в 25 лет. Пришлось восстанавливать почти забытый на заводе процесс и закупать специальные химикаты. Себестоимость взлетела, но контракт был выполнен. Это к вопросу о том, что разговоры про золото в транзисторах — не архаизм, в высоконадёжных сегментах оно живо.

Экономика проста: если добавка золота увеличивает стоимость BOM (ведомости материалов) на 5-10%, но при этом позволяет поднять цену изделия на 15% из-за позиционирования 'high-rel', или, что важнее, выиграть тендер с жёсткими техническими условиями, то решение очевидно. Всё упирается в компетенцию в разработке техпроцессов, которой мы, как компания, и гордимся. Нужно точно знать, когда это необходимо, а когда — маркетинговый пережиток.

Практические проблемы на производстве

Самое неприятное в работе с золотом — это не стоимость, а контроль процесса и стабильность параметров. Гальваническая ванна — живой организм. Концентрация золотосодержащего электролита, температура, плотность тока, чистота анодов — всё влияет на качество покрытия. Малейшее отклонение — и получаешь либо 'подпалины' (сожжённое покрытие с высокой пористостью), либо неравномерный осадок, который потом приведёт к проблемам при сборке.

У нас был случай с партией биполярных транзисторов. Вроде бы всё по регламенту, но после термоциклирования начался повышенный процент отказов по параметру 'сопротивление насыщения'. Разбирались долго. Вскрытие показало, что в месте контакта золотого покрытия вывода с внутренней алюминиевой шиной кристалла образовалась прослойка какого-то тёмного соединения. Химический анализ выявил повышенное содержание органических примесей именно в той партии золотого электролита. Поставщик химии отнекивался, но факт оставался фактом. Пришлось менять поставщика и ужесточать входной контроль всех реактивов. Это тот самый момент, когда теоретическая польза золота в транзисторах разбивается о практику низкого качества расходников.

Ещё одна головная боль — утилизация. Отработанные электролиты, промывные воды, бракованные детали — всё это содержит драгметаллы. Согласно экологическим нормам и просто здравому смыслу экономии, это нужно извлекать. У нас в Жугао налажен отдельный контур сбора и передача специализированным предприятиям. Но это тоже дополнительные операции, учёт, логистика. В идеальном мире безотходного производства от золота бы давно отказались, но реальность диктует свои правила.

Взгляд в будущее: куда движется технология

Будущее, на мой взгляд, за комбинированными решениями и новыми методами нанесения. Например, всё большее распространение получает технология ENEPIG (Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold). Это многослойное покрытие, где золотой слой — лишь очень тонкая, в доли микрона, иммерсионная плёнка для защиты палладия под ним. Функционально оно часто не уступает толстому гальваническому золоту, а стоимость ниже. Для многих наших новых линеек продуктов, таких как современные MOSFET или ESD-защитные устройства, мы рассматриваем именно такие варианты.

Другое направление — полный отказ от металлических выводов в традиционном понимании. Переход на wafer-level packaging, где чип сразу получает контактные площадки под flip-chip, или использование медных pillar. В таких структурах роль золота сводится к минимуму или оно исключается вовсе. Но это уже технологии для массовой микроэлектроники, в то время как силовая электроника, на которой специализируется OOO Нантун Ванфэн, консервативнее. Силовые диоды, тиристоры, IGBT-модули — их корпуса, рассчитанные на сотни ампер и тысячи вольт, ещё долго будут использовать принципы, где надёжный контакт, обеспечиваемый в том числе и золотом, критически важен.

Так что, подводя неформальный итог, тема золота в транзисторах и других полупроводниковых приборах — это не чёрно-белая картина. Это постоянный поиск баланса между стоимостью, технологической сложностью и конечной надёжностью изделия. Как производитель, интегрирующий НИОКР и производство, мы вынуждены держать в арсенале и отработанные 'золотые' процессы для специфических заказов, и активно внедрять более экономичные альтернативы для массового рынка. Главное — понимать физику процесса и не принимать догмы, будь то 'золото всегда нужно' или 'золото — пережиток прошлого'. Всё зависит от конкретной задачи, которую должен решить прибор, будь то стабилитрон в зарядном устройстве или тиристор в системе управления мощной энергетической установкой.