Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления бескорпусного диода для солнечных батарей космических аппаратов

Область техники

Изобретение относится к области технологии дискретных полупроводниковых приборов и может быть использовано при изготовлении бескорпусных диодов для солнечных батарей космических аппаратов.

Уровень техники

Для обеспечения надежной работы солнечных батарей космических аппаратов применяется диодная защита, которая обеспечивается блокирующими и шунтирующими (байпасными) диодами. Солнечная батарея состоит из отдельных генераторов, включающих цепочки фотопреобразователей, внутри генераторов встречно-параллельно с фотопреобразователями устанавливают шунтирующие диоды.

Из уровня техники известен способ изготовления бескорпусного диода для солнечных батарей космических аппаратов, включающий создание на рабочей стороне в эпитаксиальном слое кремниевой монокристаллической подложки диэлектрической изоляции, формирование p-n-перехода загонкой с последующей разгонкой, формирование металлизации рабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки, утонение кремниевой монокристаллической подложки с обратной нерабочей стороны, металлизацию нерабочей стороны и присоединение электропроводящих шин, утонение кремниевой монокристаллической подложки с обратной нерабочей стороны проводят после формирования на рабочей стороне кремниевой монокристаллической подложки облученного УФ-лучом фоточувствительного слоя последовательно абразивной обработкой и плазмохимическим травлением нерабочей стороны, после чего фоточувствительный слой удаляют в проявителе, при этом плазмохимическое травление проводят на глубину не менее 10 мкм при температуре не более 120°С, а толщину фоточувствительного слоя выбирают в зависимости от толщины металлизации на рабочей стороне [см. патент РФ 2411607].

К недостаткам известного способа изготовления относится низкое качество процесса изготовления из-за высокой вероятности отслаивания (потери адгезии) металлизации при формировании металлизации, а также низкое качество в связи с окислением металлизации готовых диодов после сборки и, как следствие, невозможность дальнейшей установки бескорпусных диодов в солнечные батареи из-за окисленных контактов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту техническим решением (прототипом) является способ изготовления бескорпусного диода для солнечных батарей космических аппаратов, включающий формирование структуры планарного диода на кремниевой монокристаллической подложке, формирование металлизации рабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки, покрытие полученной структуры полностью фоточувствительным слоем, сушка и облучение УФ-лучом, утонение нерабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки жидкостным травлением, удаление облученного фоторезиста в проявителе, формирование металлизации нерабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки, отжиг полученной структуры, разделение кремниевой монокристаллической подложки на кристаллы, присоединение электропроводящих шин к металлизации рабочей и нерабочей сторонам кристалла, при этом формирование металлизации рабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки осуществляют в два этапа: формируют омический контакт из алюминия к p⁺ области, а затем осуществляют металлизацию магнетронным напылением алюминия, никеля и серебра, а металлизацию нерабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки выполняют последовательным магнетронным напылением вентильного металла, никеля и серебра; омический контакт к p⁺ области формируют магнетронным напылением алюминия при температуре кремниевой монокристаллической подложки 110÷130°С с последующей фотолитографией и вжиганием алюминия; металлизацию магнетронным напылением алюминия, никеля и серебра проводят при температуре кремниевой монокристаллической подложки 170÷190°С с предварительной ионной бомбардировкой; металлизацию нерабочей стороны кремниевой монокристаллической подложки проводят при температуре кремниевой монокристаллической подложки 110÷130°С [см. патент РФ 2479888].

К недостаткам известного способа изготовления относится низкое качество диодов в связи с окислением серебряных поверхностей, что приводит к невозможности дальнейшей установки бескорпусного диода в состав солнечных батарей и/или выходу из строя уже установленных диодов в составе солнечных батарей.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение качества бескорпусных диодов для солнечных батарей космических аппаратов.

Предложенный способ изготовления бескорпусного диода для солнечных батарей космических аппаратов включает формирование структуры планарного диода, проведение всех термических операций, металлизации лицевой и тыльной сторон кремниевой монокристаллической подложки, разделение подложки на кристаллы, присоединение электропроводящих шин и последующее формирование на металлизированных поверхностях бескорпусного диода в сборе и на электропроводящих шинах защитного покрытия на основе никель-золота последовательно в несколько этапов: удаление органических загрязнений жидкостными методами, нанесение химического никеля, промывка никелированного диода в сборе, нанесение иммерсионного золота, промывка позолоченного диода в сборе, сушка в вакууме при 3⋅10^-3 ÷10^-4 Па при температуре 120±1°С в течение не менее 30 минут.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фиг.1 и 2.

На фиг. 1 представлена блок-схема технологии изготовления бескорпусных диодов для солнечных батарей космических аппаратов, содержащая следующие блоки:

1 – подготовка бескорпусных диодов для солнечных батарей космических аппаратов, включающая:

формирование структуры планарного диода,

проведение всех термических операций,

формирование металлизации лицевой и тыльной сторон кремниевой монокристаллической подложки,

разделение подложки на кристаллы,

присоединение электропроводящих шин;

2 – удаление органических загрязнений жидкостными методами;

3 – нанесение химического никеля;

4 – промывка никелированного диода в сборе;

5 – нанесение иммерсионного золота;

6 – промывка позолоченного диода в сборе;

7 – сушка в вакууме при 3⋅10^-3 ÷10^-4 Па при температуре 120±1°С не менее 30 минут;

8 – выходной контроль диодов;

На фиг. 2 представлены фотографии бескорпусных диодов с различными типами покрытий до и после выдержки в течение не менее 96 часов при температуре 125±5°С.

На фиг. 2а представлена фотография диода с серебряным покрытием до выдержки при температуре 125±5°С.

На фиг. 2б представлена фотография диода с серебряным покрытием после выдержки при температуре 125±5°С в течение 96 часов.

На фиг. 2в представлена фотография диода с покрытием на основе иммерсионного никель-золота до выдержки при температуре 125±5°С.

На фиг. 2г представлена фотография диода с покрытием на основе иммерсионного никель-золота после выдержки при температуре 125±5°С в течение не менее 96 часов.

Исходя из анализа результатов выдержки при температуре 125±5°С в течение не менее 96 часов выявлено, что покрытие на основе серебра темнеет и образуется окисел серебра, что подтверждается анализом состава поверхности на РЭМ. Покрытие на основе иммерсионного никель-золота после выдержки при температуре 125±5°С в течение не менее 96 часов визуально не изменилось, а анализ поверхности на РЭМ показал отсутствие изменения состава поверхности.

Осуществление и пример реализации изобретения

Заявленный способ был использован при реализации групповой технологии изготовления бескорпусных диодов для солнечных батарей космических аппаратов и состоит из следующей последовательности технологических операций (см. фиг. 1):

подготовка бескорпусных диодов для солнечных батарей космических аппаратов, включающая формирование структуры планарного диода, проведение всех термических операций, металлизацию лицевой и тыльной сторон кремниевой монокристаллической подложки, разделяют подложки на кристаллы, присоединяют электропроводящие шины,

формирование защитного покрытия на металлизированных поверхностях бескорпусного диода в сборе и на электропроводящих шинах, выполняемое последовательно в несколько этапов, включающих: удаление органических загрязнений жидкостными методами, нанесение иммерсионного золота, промывка позолоченного диода в сборе, сушка в вакууме при 3⋅10^-3 ÷10^-4 Па при температуре 120±1°С в течение не менее 30 минут.

При этом удаление органических загрязнений жидкостными методами заключается в обработке в растворе очистителя при температуре раствора от 40 до 45°С; промывке диода в проточной деионизованной воде при температуре воды от 15 до 25°С в течение 2 минут; обработке диода в растворе травителя при температуре раствора от 20 до 25°С в течение 90 с; промывке диода в проточной деионизованной воде при температуре воды от 15 до 25°С в течение не менее 2 минут.

Нанесение химического никеля, толщиной 0,5±0,05 мкм на бескорпусной диод осуществляют в растворе химического никелирования при рН = 4,6-5,2 при температуре раствора от 85 до 90°С в течение 1,5-2 минуты.

Промывка никелированного диода в сборе заключается в обработке диода в проточной воде при температуре воды от 15 до 25°С в течение не менее 1 минуты; промывке диода в дистиллированной воде при температуре воды от 15 до 25°С в течение не менее 1 минуты.

Нанесение иммерсионного золота, толщиной 0,1±0,05 мкм заключается в обработке диода в растворе иммерсионного золочения при pH=5,5-6,5 при температуре раствора от 80 до 90°С в течение 10-15 минут.

Промывка позолоченного диода в сборе заключается в обработке диода в проточной деионизованной воде при температуре воды от 15 до 25°С в течение не менее 1 минуты; промывке диода в дистиллированной воде при температуре воды от 55 до 65°С в течение 2-3 минут; сушки диода при температуре 70±5°С в течение 15-20 минут.

Сушка в вакууме позолоченного диода в сборе заключается в прогреве в вакууме при остаточном давлении 3⋅10^-3÷10^-4 Па при температуре 120±1°С в течение не менее 30 минут и дальнейшем охлаждении в вакууме до комнатной температуры.

Остаточное давление 3⋅10^-3 ÷10^-4 Па, при котором проводят сушку в вакууме, определяли исходя из закона Пашена [F. Paschen, Annalender Physik und Chemie (Wiedemanns Annalen) 37, Ser. 3, 69 (1889)] и необходимости удаления адсорбированной влаги. Так как сушка в вакууме осуществляется за счёт прогрева галогенными лампами в вакуумной камере, то на рабочие характеристики прогрева действуют ограничения, связанные с возможным образованием пробоя между потенциалом ламп и корпусом за счёт уменьшения длины свободного пробега частиц и ионизации атомов при откачке. Зависимость пробивного напряжения газа при различном вакууме в однородном электрическом поле, при котором происходит зажигание тлеющего разряда, описывает закон Пашена. Исходя из зависимости для воздуха низкого давления по закону Пашена и ограничения минимального остаточного давления в камере установки, обеспечиваемого установкой сушки в вакууме, определён диапазон 3⋅10^-3÷10^-4 Па, при котором проводят сушку в вакууме.

Температура сушки в вакууме 120±1°С в течение не менее 30 минут определялась исходя из необходимости удаления влаги (в условиях вакуума температура кипения жидкости снижается).

Сформированное защитное покрытие на металлизированных поверхностях бескорпусного диода в сборе и на электропроводящих шинах на основе никель-золота обладает существенно более высокой коррозионной стойкостью по сравнению с известными аналогами на основе серебра (фиг.2).

Предложенный способ изготовления бескорпусного диода для солнечных батарей космических аппаратов позволяет повысить качество бескорпусных диодов и получать бескорпусные диоды, сформированные в едином технологическом цикле на одной подложке с идентичными характеристиками.